Sustavi za zgrade

U zgradama, gdje se troši oko 40% od ukupne potrošnje energije, izuzetno je važno osigurati minimalnu potrošnju energije da bi se postigla optimalna ugodnost boravka i korištenja zgrade.Primjenom tehničkih rješenja u svrhu povećanja energetske učinkovitosti, u zgradama se smanjuje potrošnja energije, ali i povećava ugodnost boravka u prostoru, te trajnost zgrade. Odabir rješenja ovisi o energetskom stanju i vrsti zgrade, načinu njenog korištenja te o lokaciji, a idealno bi bilo primijeniti više rješenja i povezati ih u jedinstvenu cijelinu/sustav kako bi se sinergijom različitih rješenja i pametnim upravljanjem postigao veći efekt uštede.

Upravo tvrka Duplico d.o.o. iskoristila je svoje dugogodišnje iskustvo i inženjersko znanje i kreirala jedinstveni sustav automatskog upravljanja različitim tehničkim rješenjima, koja za cilj imaju povećanje energetske ućinkovitosti građevinskog objekta. Navedeni sustav implementiran je i testiran na novom poslovnom objektu tvrtke, koji je u potpunosti izgrađen i opremljen s ciljem postizanja najvišeg stupnja energetske učinkovitosti.Svjesni činjenice da potrošnja energije ovisi o fizikalnim svojstvima objekta i energetskim sustavima grijanja, hlađenja, prozračivanja, električnih uređaja i rasvjete koji se koriste, pri izgradnji su korišteni kvalitetni materijali. Prema energetskom certifikatu objekt je svrstan u razred B; QH,nd = 32,67 kWh/m2a.2a.

Iz navedenog je vidljivo da objekt nije izgrađen prema nisko energetskim standardima no pokušali smo potrošnju energije optimirati pomoću naprednih sustava automatizacije povezivanjem niskotemperaturnih sustava grijanja i hlađenja, LED rasvjete i proizvodnje električne energije sunčanom elektranom snage 20 kW u jedinstveni sustav upravljanja, kako bi se postigli što bolji rezultati.

Svi relevantni energetski sustavi nadzirani su i upravljani SCADA sustavom osmišljenim i programiranim od strane Duplica, sukladno našem M2e konceptu. Ovaj središnji upravljački i nadzorni sustav upravlja potpuno automatiziranim procesima plošnog grijanja i hlađenja zgrade, proizvodnjom, potrošnjom, isporukom električne energije iz vlastite sunčane elekrane te uključivanjem i isključivanjem rasvjete. Objedinjeni su posebni algoritmi potrebni da bi sustavi različitih proizvođača radili u cilju maksimalnog iskorištenja prizvedene odnosno potrebne energije.

Temeljem dugogodišnje suradnje s tvrtkom Weishaupt-Zagreb d.o.o., cijelokupni sustav integriran je u cjelinu, korištenjem opreme tvrtke.

Ovime je omogućena integracija svih primijenjenih energetskih sustava u zajedničku cjelinu i uvelike olakšano upravljanje objektom. Sustav počiva na otvorenim komunikacijskim standardima (BACnet IP, PROFIBUS FMS, LON, OPC, EIB), što proširuje izbor proizvođača pojedine opreme i jamči visoku prilagodljivost u slučaju naknadnog proširivanja.Prikazana Neuberger automatska stanica zbog svoje modularne koncepcije pruža prilagodljivost u dizajniranju sustava. Proširivost se ostvaruje dodatnim modulima koji se slobodno programiraju kao veza s mjernom tehnikom i izvršnim jedinicama.

Prikaz početnog ekrana SCADA sustava s najvažnijim informacijama o stanju procesa grijanja i hlađenja kao i proizvodnje električne energije prikazan je na slici 2. Ovdje je vidljiv status optočnih pumpi i toplinskih crpki, takođe vidljivi su podaci o mjerenim temperaturama u sustavu, te trenutna snaga proizvedene i potrošene električne energije. Za svaki od elemenata također je implementiran detaljni prikaz s opcijama upravljanja, te prikaza mjerenih veličina.

Grijanje i hlađenje objekta izvedeni su plošnim sustavom Variotherm.
Upravljanje sustavom grijanja i hlađenja izvedeno je s ciljem maksimalnog iskorištenja potencijala sunčane elektrane. Implementirano programsko rješenje bazira se na listi prioriteta. Korištenjem dostupnih mjernih podataka aktivno se regulira stupanj grijanja i hlađenja.Tako se u režimu grijanja tijekom najveće iskoristivosti sunčane elektrane energija u obliku topline pohranjuje u spremniku tople vode, dok se u režimu hlađenja povećava stupanj hlađenja. Dostupna su mjerenja svih temperatura u sustavu. Sve se mjerene vrijednosti putem LON komunikacijskog protokola prenose do Neuberger automatske stanice, koja korištenjem razvijenih upravljačkih algoritama zadaje postavnu temperaturu spremnika tople vode.

Na temelju mjerenih vrijednosti i predviđenih potreba za toplinskom energijom vrši se korekcija krivulje grijanja, koja izravno određuje temperaturu vode u toplinski izoliranom spremniku. Ovdje su primijenjeni algoritmi bazirani na fuzzy logic-u. Porastom dostupne električne energije iz sunčane elektrane zadaje se viša postavna temperatura vode u spremniku kako bi se iskoristili trenutni elektroenergetski uvjeti.Nadalje, na bazi dnevnih ciklusa regulacija sustava grijanja, u slučaju nedostatka električne energije iz vlastite proizvodnje, autonomno se dogrijava spremnik tople vode u razdoblju nižeg tarifnog obračuna kupljene električne energije, a sve u skladu s trenutnim potrebama. Ovdje do izražaja dolazi implementacija cjelokupnog sustava grijanja sa SCADA sustavom na kojem korisnik odabire razdoblja u kojima će grijanje prostorija biti aktivno. Tako se primjenom uspostavljene dvosmjerne komunikacije između Neuberger automatske stanice i SCADA sustava spriječava bespotrebno dogrijavanje vode u spremniku.

Pohranjivanjem energije u obliku topline kada je onda najdostupnija postiže se izrazito visoka energetska iskoristivost sustava koja u konačnici rezultira znatnim financijskim uštedama.Aktivno upravljanje uvelike doprinosi energetskoj učinkovitosti zgrade u segmentima opskrbe električnom energijom i upravljanja sustavom grijanja i hlađenja. Regulacija je realizirana korištenjem pametnih aplikacija razvijenih u skladu sa Duplico M2e konceptom, dosjetljivih inženjerskih rješenja i uz opremu za automatizaciju u zgradarstvu tvrtke Neuberger. Ovo je praktičan primjer da se izgradnja sunčane elektrane može isplatiti u integraciji s niskoenergetskim sustavima grijanja i hlađenja, a da pri tome nema povlaštenog otkupa električne energije.
Primjer praćenja relevantnih veličina pomoću SCADA sustava prikazan je na slici 3.Vidljiva je povećana aktivnost toplinskih crpki u vrijeme kada je bio dostupan višak električne energije iz sunčane elektrane.

Električna energija proizvedena iz sunčane elektrane koristi se za vlastite potrebe, dok se višak energije prodaje u el. mrežu. Nadalje ćemo prikazati izračun prema kojem smo se odlučili na ugradnju ovakovog sustava i koji dokazuju isplativost ulaganja u solarne sustave uz kombinaciju ostalih izvora energije u cilju ekološke proizvodnje i financijske isplativosti.

Planirana potrošnja električne energije iznosi 50 kWh dnevno, odnosno 65 kWh dnevno tjekom sezone grijanja. Za ljetnih dana dnevna proizvodnja premašuje 130 kWh uz prosječnu dnevnu proizvodnju od 100 kWh. U zimskim mjesecima prosječna proizvodnja kreće se oko 40 kWh dnevno.Detaljan godišnji pregled planirane proizvodnje i potrošnje električne energije prikazan je u tablici 1. Osim podataka o količini električne energije, dan je i izračun kupnje i otkupa električne energije prema trenutnim tržišnim cijenama. Važno je napomenuti da je navedeni izračun proveden bez povlaštene cijene otkupa električne energije.

Jedinične cijene [kn/ kWh]: Potrošnja (dan): 1,09; (noć): 0,61; Proizvodnja: 0,282 (Izvor: HEP-ODS d.o.o.)
Detaljan godišnji pregled planirane proizvodnje i potrošnje električne energije prikazan je u tablici 1. Osim podataka o količini električne energije, dan je i izračun kupnje i otkupa električne energije prema trenutnim tržišnim cijenama. Važno je napomenuti da je navedeni izračun proveden bez povlaštene cijene otkupa električne energije.Pri analizi financijske iskoristivosti grijanja potrebno je uračunati i dodatne troškove koji bi postojali u slučaju korištenja nekog drugog energenta. Za zgradu površine 1013 m2 i specifične godišnje potrebne toplinske energije za grijanje od QH,nd = 32,67 kWh/m2a proizlazi da je za grijanje potrebno 33.094 kWh.

U ljetnim mjesecima sustav dizalice topline s funkcijom pasivnog hlađenja zadužen je za hlađenje objekta. Prema procjeni, korištenjem klasičnog rashladnog sustava za hlađenje u ljetnim mjesecima bilo bi potrebno uložiti dodatnih 12 kW kroz trajanje aktivnosti u zgradi. Izračunom za 3 mjeseca godišnje, u kojima je potrebno hlađenje, uz 25 radnih dana mjesečno i dnevno radno vrijeme od 10 sati, dobiva se sljedeći iznos potrebne električne energije:
Kod proračuna isplativosti niskotemperaturnih sustav grijanja /hlađenja i sunčane elektrane, osim količine prodane energije iznimno je važno uračunati i uštede koje se postižu korištenjem energije iz vlastite proizvodnje. Tako se na godišnjoj razini uz višak električne energije od 9.380 kWh dodatno iskoristi i 13.550 kWh u vlastitoj potrošnji. Sunčana elektrana zajedno s toplinskim sustavom baziranim na dizalici topline ima ukupan povrat investicije koji se sastoji od proizvedene električne energije iskorištene za vlastite potrebe i prodane energije te ušteda u grijanju i hlađenju.

Razina godišnje uštede izračunata je na bazi sljedećih podataka:

Prodana energija iz sunčane elektrane + iskorištena energija iz sunčane elektrane + ušteda dizalice topline za grijanje + ušteda dizalica topline sa funkcijom pasivnog hlađenja. Cijene energenata preuzete su sa stranica operatera.Iz prikazanog proračuna vidljivo je da potpunom integracijom upravljačkog sustava grijanja i hlađenja, te nadzora proizvodnje energije i bez nužne povlaštene cijene prodaje energije, investicija postaje financijski isplativa.
Uz financijsku isplativost i uštedu energije važno je istaknuti i doprinos sunčane elektrane zaštiti okoliša, u pogledu smanjenja emisije CO2.

Prema dostupnim podacima Ministarstva gospodarstva Republike Hrvatske, objavljenim u godišnjem energetskom pregledu iz 2013. godine, prosječni specifični faktor emisije CO2 po ukupno proizvedenoj električnoj energiji u Hrvatskoj u periodu od 2008. do 2013. iznosio je 0,295 kg/kWh. Prema istraživanju Međuvladine udruge o promjeni klime (“IPCC Working Group III – Mitigation of Climate Change, Annex II I), srednji doprinos sunčanih panela emisiji CO2 iznosi 0,041 kg/kWh. Stoga iz proizvedenih 22.930 kWh električne energije proizvedenih iz Duplico sunčane elektrane godišnja ušteda emisije CO2 iznosi:

Upravo ovakav integrirani upravljački sustav prezentacija je našeg M2e koncepta, koji rezultira automatiziranim upravljanjem energijom u objektu, smanjenjem potrošnje energije, odnosno povećanjem energetske učinkovitosti objekta, zaštitom okoliša, i na kraju najvažnijom, financijskom uštedom za korisnika.Ovakva su rješenja, osim za poslovne prostore, posebno zanimljiva za upotrebu u javnim ustanovama kao što su škole, vrtići, bolnice, ali i u hotelima i domovima, posebice uz korištenje poticaja Europske unije i Ministarstava Vlade RH za ugradnju solarnih elektrana i povećanje energetske učinkovitosti objekata.

Ovaj tekst objavljen je u časopisu EGE 4/2015 i 1/2016.