Monitorowanie energii dla urządzeń technicznych w czystych pomieszczeniach

Rysunek 1: Uruchomienie centralnego modułu zbierania danych w centrali wentylacyjnej

Rysunek 2: Proces DMAIC jako element procesu doskonalenia Six Sigma

Rysunek 3: Zasada działania używanego systemu monitorowania energii

Obraz 4: Schemat techniczny systemu wentylacji (WRG = odzysk ciepła; MK = komora mieszania; KÜ = chłodnica; BEF = nawilżacz parowy; NE = podgrzewacz powietrza; PWT = wymiennik ciepła płytowy)

Rysunek 5: Błędna regulacja WRG systemu: jednoczesne ogrzewanie i chłodzenie

Tabela 1: Przegląd analizowanych wariantów systemów wentylacji i klimatyzacji

Rysunek 6: Zidentyfikowane zużycie energii lub zapotrzebowanie na energię badanych wariantów instalacji, okres czerwiec - grudzień 2012.

Dipl.-Ing. (FH) Polina Bitsch (Inżynier Projektu STZ Euro)

Dipl.-Ing. (FH) Michael Kuhn (Kierownik STZ Euro)

Dipl.-Ing. (FH) Ralf Hoferer (Inżynier Projektu STZ Euro)

Za pomocą specjalnego monitorowania energii można rejestrować dane pomiarowe i zużycia energii w krótkich odstępach czasowych dla urządzeń do oczyszczania powietrza (RLT). Dzięki temu można zidentyfikować potencjały optymalizacji, szczególnie w zakresie techniki regulacji, co może prowadzić do dużych oszczędności energii i kosztów, nie naruszając wymagań GMP. Sukces wdrożonych działań można wykazać ilościowo i po uwzględnieniu warunków pogodowych.

Sytuacja wyjściowa

Operator pomieszczeń czystych (produkcja sterylna) planuje jako środek oszczędzania energii w istniejących urządzeniach RLT optymalizację regulacji klap mieszających powietrze. Wszystkie osiem dotychczas pracujących z minimalnym udziałem powietrza zewnętrznego urządzeń RLT ma zostać wyposażonych w regulację klap mieszających powietrze opartą na entalpii, aby wykorzystać tzw. „bezpłatne chłodzenie”. Wstępnie przeprowadzono analizę efektywności planowanych działań na reprezentatywnym urządzeniu RLT. W tym celu w wybranym urządzeniu aktywowano regulację klap mieszających powietrze opartą na entalpii, a dane pomiarowe i strumienie energii zostały zarejestrowane i przeanalizowane przy użyciu specjalnego systemu monitorowania energii (patrz rysunek 3). Aby ocenić stan obecny, stworzono model symulacyjny urządzenia RLT z minimalnym udziałem powietrza zewnętrznego. Wyniki analizy (oszczędność energii) posłużyły jako podstawa do decyzji o wdrożeniu działań.

Monitorowanie energii dla pomiaru stanu obecnego

Monitorowanie energii jest częścią procesu DMAIC (metoda Six Sigma) i obejmuje fazy Measure (M) i Control (C), przedstawione na rysunku 2. Pod pojęciem monitorowania energii urządzeń RLT rozumie się metodę rejestrowania zużycia energii na potrzeby zmian stanu termicznego powietrza w urządzeniu do oczyszczania powietrza, opartą na analizie i przetwarzaniu danych pogodowych zarejestrowanych w wybranym okresie czasu oraz danych dotyczących urządzenia, takich jak temperatura powietrza, wilgotność, przepływ objętościowy itp. [1], [3] Rejestrowane zużycie energii obejmuje strumienie energii na potrzeby oczyszczania powietrza w celu uzyskania pożądanych warunków w pomieszczeniu, a także ewentualne straty energii związane z konwersją energii podczas produkcji chłodu, ciepła i pary.

Ponadto, w przeciwieństwie do pomiaru ilości energii za pomocą liczników, ta metoda umożliwia wykrycie błędów technicznych w regulacji, ponieważ dostępne są wszystkie istotne dane pomiarowe do analizy.

Wymagane dane pomiarowe urządzenia można rejestrować i przesyłać na różne sposoby. Dokładność oszacowania zużycia energii zależy wyłącznie od położenia i dokładności czujników użytych do pomiaru. Dlatego przed rozpoczęciem pomiarów warto ustalić wszystkie niezbędne czujniki wraz z miejscami pomiaru lub sprawdzić ich przydatność. Ponadto konieczne jest zaprojektowanie bezpiecznego i możliwie automatycznego sposobu przesyłu danych.

W badanym istniejącym urządzeniu dane były m.in. mierzone przez już zainstalowane czujniki i rejestrowane jako średnie wartości co 10 minut za pomocą dostępnego oprogramowania automatyki budynkowej. Dodatkowo zainstalowano i zarejestrowano kolejne czujniki. Zarejestrowane dane zostały zaimportowane do specjalnego oprogramowania do analizy danych pomiarowych i wykorzystane do obliczeń zużycia energii oraz analizy słabych punktów. Zasada działania używanego systemu monitorowania energii jest przedstawiona na rysunku 3.

Urządzenie RLT, które jest przedmiotem analizy, dostarcza powietrze zewnętrzne o przepływie 32 000 m³/h i działa przez całą dobę, jak pokazano na schemacie na rysunku 4. Urządzenie posiada następujące etapy termicznej obróbki powietrza:

-  KVS - odzysk ciepła z wbudowanym wymiennikiem płytowym,
-  Mieszanie powietrza (komora mieszania),
-  Chłodzenie z odwilżaniem (chłodzenie wodą chłodzącą),
-  Nawilżanie parą
-  Podgrzewanie

i jest obsługiwane z stałym przepływem powietrza nawiewanego i wywiewanego oraz z ustalonymi warunkami powietrza nawiewanego.

Dane pomiarowe urządzenia zostały zebrane od czerwca do grudnia 2012 roku, co umożliwiło analizę pracy urządzenia w okresie letnim, zimowym oraz przejściowym. Przy okazji stwierdzono, że urządzenie wykazuje kilka błędów regulacji. Nowo aktywna regulacja klap mieszających powietrze oparta na entalpii działała bez zarzutu, ale nie była skoordynowana z regulacją odzysku ciepła w kanale powietrza zewnętrznego, dostarczaną przez innego producenta. W efekcie odzysk ciepła, w tym wymiennik płytowy, często podgrzewał powietrze bardziej niż konieczne, co powodowało nadmierne zużycie energii chłodniczej przez podłączony rejestr chłodzący (patrz wykres na rysunku 5).

W celu oceny nadmiernego zużycia energii spowodowanego błędami regulacji przeprowadzono symulację stanu idealnego (wariant A, patrz tabela 1).

Symulacja urządzenia jako podstawa oceny

Jako skuteczna metoda obliczania rocznego zapotrzebowania na energię sprawdziła się symulacja urządzenia z użyciem odpowiednich programów symulacyjnych. Symulacja oznacza tutaj obliczenie zużycia energii na potrzeby zmian stanu termicznego powietrza w urządzeniu do oczyszczania powietrza w ciągu godziny. Do tego wykorzystuje się rzeczywiste układy i dane znamionowe elementów do obróbki powietrza, zrealizowane funkcje regulacji i sekwencje oraz zmierzone dane pogodowe z miejsca pomiaru.

Aby porównać różne metody regulacji klap mieszających powietrze, stworzono kolejny model symulacyjny urządzenia z ustalonym udziałem powietrza zewnętrznego (wariant B). Kolejna wersja urządzenia powinna pokazać potencjał oszczędności energii poprzez optymalizację wartości zadanych wilgotności (rozszerzenie zakresu wartości zadanych o ± 5% r.F., wariant C).

Ponieważ zmiana sposobu pracy klap nie ma istotnego wpływu na zużycie energii przez wentylatory, porównanie wariantów ograniczono do wyliczenia zużycia energii przez urządzenie. Nie uwzględniono prostych współczynników konwersji energii, czyli rozpatruje się tylko energię użytkową dostarczaną do urządzenia centralnego.

Wyniki

Z rysunku 6 wynika, że całkowite zużycie energii w okresie pomiarowym waha się od 363 MWh (wariant C) do 570 MWh (stan obecny). Stan obecny, ze względu na błędy regulacji i niekorzystne punkty pomiarowe niektórych czujników regulacyjnych, wykazuje najwyższe zużycie energii. Przyjmując stan obecny jako 100%, całkowite zużycie energii (termiczne) po usunięciu wykrytych błędów (wariant A) wyniosłoby 89%. Wariant A, ze względu na zmienny sposób pracy powietrza zewnętrznego, zużywa znacznie mniej energii chłodniczej niż wariant B (-17%). Z kolei zużycie energii na nawilżanie wzrasta (+7%). W efekcie, dzięki regulacji klap mieszających powietrze opartej na entalpii, można zaoszczędzić 49 MWh energii, czyli 9%.

Porównując stan idealny (wariant A) z wariantem C, uzyskujemy dodatkową oszczędność energii na poziomie 29%. Wariant C okazuje się najbardziej energooszczędnym trybem pracy, który można zrealizować bez kosztownych działań i bez naruszania wymagań GMP.

Podsumowanie

Na podstawie opisanej analizy dla wszystkich 8 urządzeń aktywuje się tryb pracy klap mieszających powietrze oparty na entalpii, a wykryte błędy zostają usunięte. Dodatkowo, zgodnie z opisem, optymalizuje się wartości zadane wilgotności (por. [2]). W porównaniu do trybu pracy z stałym minimalnym udziałem powietrza zewnętrznego można oczekiwać oszczędności energii na poziomie około 36%, co odpowiada oszczędności kosztów w wysokości około 28 000 euro rocznie na jednej instalacji, a w skali 8 urządzeń – około 174 000 euro rocznie. Monitorowanie energii zostanie przedłużone o rok, aby zweryfikować przewidywane oszczędności.

Przeprowadzone w ramach projektu monitorowanie energii w połączeniu z symulacją urządzenia wykazało, że efektywność energetyczna urządzeń RLT jest silnie uzależniona od wybranego systemu regulacji. Dzięki monitorowaniu energii można nie tylko określić zużycie energii, ale także wykryć różne błędy regulacji, np. jednoczesne podgrzewanie i chłodzenie powietrza. Usunięcie tych błędów, bez konieczności inwestycji, może znacznie przyczynić się do oszczędności energii w urządzeniu RLT.

Literatura
[1]  VDI 2083 Blatt 4.2: Technika czystych pomieszczeń - Efektywność energetyczna, kwiecień 2011.
[2]  Bitsch, P. i Kuhn, M.: Efektywne energetycznie osuszanie w systemach klimatyzacji pomieszczeń czystych. W: Technika czystych pomieszczeń 2010 (2), s. 16-20.
[3]  Kuhn, M.: Nowa metoda optymalizacji pracy systemów klimatyzacji pomieszczeń czystych. W: VDI-Berichte; 2083, Frankfurt 2009, s. 195-203.