Konference Vytápění Třeboň 2013 14. až 16. května 2013
ANALÝZA ZMĚN V OTOPNÉ SOUSTAVĚ A VLIV JEJÍHO ŘÍZENÍ NA SPOTŘEBY ENERGIÍ Ing. Petr Kudera
ENERGOCENTRUM PLUS, s.r.o. ANOTACE Článek mapuje postupnou modernizaci systému vytápění budovy ČVUT fakulty strojní a elektrotechnické – monoblok Dejvice od roku 1995 do současnosti. Pozornost je zaměřena především na modernizaci strojních částí, stavební a dispoziční změny a modernizaci systému MaR. Díky koncepčnímu postupu při prováděných realizacích bylo dosaženo značných úspor energií i přes to, že finanční prostředky na modernizaci byly omezené a byly čerpány postupně během více než patnácti let.
ÚVOD Otopné soustavy budov se skládají z řady technologií, které mají různě dlouhou životnost a během doby užívání budovy je nutné tyto celky postupně modernizovat. V tomto příspěvku se zaměřuji na analýzu postupu modernizace vytápění objektu budovy ČVUT fakulty strojní a elektrotechnické – monoblok Dejvice. Z archivů ročních spotřeb tepla monobloku lze demonstrovat vliv podstatných změn v technologiích vytápění a ostatních zásahů. Některé principy zobecňuji a v příspěvku uvádím další příklady z naší provozní praxe. Z ekonomických parametrů uváděného příkladu je vhodné si uvědomit význam vkládaných investic do modernizací a jejich návratnosti v úsporách energií. Monoblok v roce 1995 spotřebovával 41 800 GJ tepla a v roce 2012 již jen 17 200 GJ. Hypoteticky, pokud by se vůbec nic v objektu nemodernizovalo, tak v současných průměrných cenách tepla 550 Kč/GJ by se jednalo o ztrátu v teple cca 13,5 mil. Kč ročně. Orientačně lze konstatovat, že postupně vkládané přímé prostředky do popisovaných modernizací se již několikanásobně vrátily. Druhy modernizací Z hlediska sledování vlivu změn v otopné soustavě na spotřeby energií lze druhy modernizací charakterizovat jako změny ve vlastních strojních technologiích, dále vlivy stavebních úprav a změny v systémech řízení – měření a regulace (MaR). Také lze změny charakterizovat jako nízkonákladové organizačního či SW charakteru, dále jako nutné střední opravy modernizačního charakteru až po změny dlouhodobé - investičního charakteru často spojené s jinými zhodnoceními budov. Jednotlivé modernizace lze též hodnotit z hlediska ekonomických ukazatelů včetně návratností a přínosů, ale takováto analýza je nad rámec rozsahu příspěvku, který je zaměřen na popis technických zhodnocení a jejich vlivu na spotřeby tepla. Důvody pro realizace modernizací jsou také různé. Nejsou to jen ekonomické pro dosahování úspor energií při zachovávání či zlepšování kvality vnitřního prostředí, ale často vynucené při haváriích zařízení či konce jejich reálné životnosti. Pro investiční akce při rekonstrukcích vnitřních prostor či výstavbách nových budov často vzniká komplikovanější úkol pro energetiky řešit známý rozpor, kdy při tlaku na nejnižší dodavatelskou cenu vznikají řešení s následnou větší energetickou spotřebou. Sjednotit řadu modernizací a integrací různých systémů s cílem snižování spotřeb u komplikovanějších budov se širokou škálou technologií je tak složitý problém, že i v současné době pokročilých technologií všeho druhu je dobře optimalizovaná budova řídký případ.
POPIS BUDOVY A JEJÍHO VYTÁPĚNÍ Budova monobloku Dejvice byla postavena počátkem 60 let minulého století. Zdrojem tepla jsou 4 parní výměníkové stanice pro monoblok a 2 výměníkové stanice pro halové laboratoře. Výměníkové stanice jsou napojené na CZT – teplárnu Juliska. Vlastní monoblok se skládá ze 14 budov navzájem propojených a jsou označovány A1-A4, B1-B3, C1-C4 a D1-D3. Celková plánovaná podlahová plocha je 70 000 m2. Hlavní otopná soustava v budově je typu „Crittall“, kde topné spirály jsou umístěny ve stropech místností v betonovém skeletu budovy. Celkový stav vlastních rozvodů Crittallového vytápění je v zachovalém stavu a až na pár výjimek odstavení několika těles je v plnohodnotném provozním stavu. Pára z výměníkových stanic, kromě zdroje pro topnou vodu UT a TUV, byla rozváděna po budově pro další spotřebiče jako např. parní ohřevy vzduchotechnických jednotek poslucháren nebo přímo parní radiátory v některých prostorách. Regulace topných větví a výměníků byla řešena reléovými a analogovými autonomními regulátory. V roce 1995 byl již stav opotřebení tak vysoký, že bez trvalé přítomnosti obsluh výměníků by nebylo možné systém ani provozovat. Vlastní ztráty z rozvodů páry po objektu a v kondenzátním hospodářství byly značné. Již v této době byla řada zařízení mimo provoz i z důvodů jejich provozní nehospodárnosti či nefunkčnosti. Zahájení modernizací v roce 1995 vynucené tímto technickým stavem, kdy byly omezeny prostředky na údržbu, započalo drobnými téměř havarijními opravami v rámci údržby, ale s promyšlenou koncepcí postupného modernizování celého tepelného hospodářství.
Obr. 1 Budova ČVUT FS a FEL Praha, Dejvice HISTORIE ZMĚN V OTOPNÉ SOUSTAVĚ Na následujícím grafu Obr. 2 je zachycena celková spotřeba tepla monobloku a halových laboratoří od roku 1995. V hodnoceném období nedošlo k žádné podstatné změně využívání budov, co se týče jejich vytíženosti, provozních režimů ani větších prostorových změn. Základní dlouholetá koncepce pro modernizace spočívala v postupném omezování používání páry v rozvodných sítích budov a nasazování regulační techniky od regulačních armatur až po pokročilé řídicí systémy a strojní zařízení moderních konstrukcí. Tyto změny měly též dopady na způsoby provozování, kde původní systém trvalých obsluh s nízkou kvalifikací se postupně změnil na dispečerský systém i s přímým zapojením vysokoškolsky vzdělaných techniků pro aplikování pokročilých matematických metod. V průběhu sledovaných let se jednalo o řadu přímých i nepřímých investic a drobných oprav, které se navzájem synergicky doplňovaly i podmiňovaly. Každá z modernizačních změn měla svůj význam a důležitost v celkové koncepci. Významné modernizační akce ovlivňující spotřeby energií jsou rozebírány v následujících odstavcích.
Teplo GJ / monoblok Dejvice 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000 0 1995
1997
1999
2001
2003
2005
2007
2009
2011
Obr. 2 Spotřeba tepla budovy ČVUT FS a FEL od r. 1995 do r. 2012 Modernizace strojních zařízení Opravy a modernizace strojních částí, lze charakterizovat jako přímé investice s počitatelnou dobou návratnosti jednotlivých akcí a kromě vlastních nutných oprav je jejich technický stav a funkční vlastnosti podmínkou nutnou pro následné nasazení digitální měřicí a řídicí techniky. První modernizace v letech 1995-1997 spočívaly především v osazení výměníkových stanic protiproudými výměníky řízenými ventily pro zaplavování, kdy lze dosáhnout plynulejších a přesnějších regulací. Tím bylo dosaženo i základní podmínky pro postupnou přeměnu z parního na teplovodní vytápění příslušných částí. Současně u teplovodních systémů došlo k osazení úpraven vody a automatického doplňování Crittallového systému za účelem odplyňování systému a tím snižování rizik pro vnitřní koroze a usazování sedimentů a tudíž prodlužování životnosti rozvodů po budově. Dalšími významnými modernizacemi strojoven výměníkových stanic byl rok 2006, kdy došlo ke kompletním rekonstrukcím VS A1-A4. V rámci rekonstrukcí byly osazeny nové strojní součásti, regulační ventily, čerpadla, prvky hydraulického zaregulování, oddělení teplovodní části pro Crittallové topení od ostatních systémů pro teplovodní vytápění, přípravu TUV a ohřevy VZT. V rámci těchto rekonstrukcí došlo též k zakončení používání páry v objektu monobloku resp. pára z CZT v monobloku se na patě objektů převádí na teplovodní systém. Od roku 2006 postupně došlo k rekonstrukcím velkých poslucháren v blocích D1-D3. V rámci těchto rekonstrukcí byly dodány VZT jednotky s rekuperací tepla, rozšířením o chlazení a možností plynulého řízení výkonu v závislosti na kvalitě vnitřního prostředí. Řada dalších menších poslucháren byla též postupně dovybavena možností plynulého řízení výkonu v závislosti na jejich obsazenosti. V halových laboratořích, které byly kompletně vytápěny parním topením, v průběhu let 1995-2011 docházelo k postupnému přechodu na teplovodní vytápění. Parní vytápění zůstalo dnes pouze pro část hlavní haly. Převažující vliv těchto modernizací je v grafu patrný především v jednotlivých letech do roku 2007 a některé akce lze v detailních analýzách hodnotit na přínosy k úsporám tepla. Stavební a dispoziční změny Stavební úpravy jsou vzhledem k úsporám energií investice převážně nepřímého charakteru s velmi dlouhou dobou návratností, náročné na objem investičních prostředků a jejich hlavním přínosem a důvodem realizace bývá přímý vliv na vlastní kvalitu vnitřního prostředí. Tímto, ale nikterak nesnižuji též důležitý vliv pro dosahování úspor tepla. Stavební úpravy monobloku započaly ve sledovaném období od roku 1996-2000 převážně z fondů oprav a to relativně drobnými akcemi jako opravy a zateplení některých střech a postupnou výměnou oken v bloku B3, A4 a částí halových laboratoří. V letech 2005-2006 proběhla rozsáhlá velká investiční akce komplexní rekonstrukce a zateplení fasád cca pro 2/3 budov monobloku.
Kromě vnějších stavebních úprav pro zateplení a opravy fasád probíhala řada drobných změn a rekonstrukcí vnitřních interiérů. Kromě již zmiňovaných rekonstrukcí velkých poslucháren, kde též došlo k výměně velkých okenních ploch, došlo k rekonstrukci interiérů hlavních vchodů fakult a průchodů do halových laboratoří. Z menších úprav změn dispozic v jednotlivých místnostech a interiérových rekonstrukcí, se z hlediska vlivu na vytápění objevují dva základní problémy. Prvním je instalace interiérových podhledových desek, které izolují přenos tepla ze stropních topných těles do prostoru místnosti. Druhým takovýmto nešvarem je rozdělování větších místností stavebními příčkami na menší a v pár případech v některých částech nebyly podle původního projektu osazeny topné spirály v takto rozdělených místnostech. V obou případech se hledali náhradní způsoby vytápění. I na základě těchto zkušeností se zlepšila komunikace mezi správci budov, energetiky a jednotlivými uživateli prostor pro lepší koordinaci již v přípravné fázi záměrů interiérových změn. Modernizace řídicích systémů - MaR Investice v MaR nejsou vysoké vzhledem k ostatním investicím v energetice a mají velmi rychlou návratnost v úsporách tepla. V řídicí technice jsou ale také velmi rychlé inovační cykly a skutečně kvalitní řízení je podmíněno též vhodným technologickým uspořádáním strojních zařízení. Vlastní jakostní-značkový systém MaR ještě nemusí znamenat optimální způsob řízení, protože i kvalitní implementace je závislá na zkušenostech a kvalitách realizátorů. Navíc pro skutečné optimální využití možností systému MaR je nutná obsluha a servisní personál na vysoké technické úrovni. V monobloku od r. 1995 můžeme hovořit o realizaci MaR tří generací. Přitom průběžná přeměna těchto generací probíhala postupně i s využitím průběžně instalovaných regulátorů. Jako systém 1. generace 1995-2003, lze označit instalace digitálních regulátorů především ve VS a jejich napojení na lokální dispečerské PC pracoviště. Již v této etapě bylo též zavedeno měření teplot v referenčních místnostech. Toto umožnilo pro jednotlivé topné okruhy aplikaci časových režimů, regulací podle vnějších teplot a korekce vytápění od vnitřních prostorových teplot. Každý regulátor se choval autonomně a dispečerské pracoviště sloužilo pro záznam měřených hodnot a přenos požadavků topných režimů od obsluhy do regulátorů.
Obr. 3 Ukázka obrazovky dispečerského pracoviště. Systémem 2. generace 2003-2008 lze označit průnik internetových technologií do řídicí techniky. Jednalo se o postupnou záměnu řídicích procesorů a regulátorů za regulátory s výkonnými jednotkami a širokými komunikačními vlastnostmi. Základním komunikačním médiem se stávají internetové technologie. To umožňuje v dispečerském systému rychlé
komunikace mnoha účastníků s téměř neomezenými komunikačními vazbami typu „každý s každým“ a dispozičně postačuje jakýkoliv přístupový bod internetu. Pro vlastní systém řízení budovy a jednotlivé regulátory strojoven to má význam, že celý systém komplexu budov se může chovat jako jeden celek, provozní požadavky a parametry si jednotlivé regulátory přenášejí mezi sebou. Dispečerské dohledy online jsou umožněny širokému okruhu pracovníků z různých míst včetně přístupů jednotlivých uživatelů budov. Z hlediska programování řídicích algoritmů a optimalizování provozu systém umožňuje dálkové programování a jakékoliv zásahy a změny parametrů od oprávněných specializovaných pracovníků odkudkoliv. Tím byly umocněny strojní modernizace a provozní optimalizace pro minimalizace spotřeb energií. S úsporami tepla se touto metodou dosáhlo téměř maximálních možností dnes konvenčních metod. Systémem 3. generace lze označit nadstavbu pro aplikace pokročilých matematických metod, kdy v roce 2008 bylo na monobloku implementováno unikátní prediktivní řízení Crittallového vytápění, které přineslo další významné úspory tepla (více než 20%). Podrobnosti o prediktivním regulátoru jsou popsané například v [1]. Na rozdíl od všech ostatních zmiňovaných úprav, které lze považovat za standardní, je prediktivní regulátor unikátní technologie, která je aplikovatelná pouze na specifický typ budov. Nicméně příklad aplikace na monobloku ukazuje, že lze takto dosáhnout značných úspor, kterých nelze dosáhnout pomocí standardních řídicích algoritmů. Modernizace plynových kotelen Příkladem významu modernizací systému řízení s velkým potenciálem úspor energií s minimální investicí jsou modernizace MaR plynových kotelen. Starší nebo chybně aplikované systémy MaR velmi často řídí neoptimálně výkony hořáků, kaskády kotlů, návazná zařízení a otopné soustavy. Efektivnost modernizace plynových kotelen lze doložit na následujících dvou příkladech. V r. 2009 byla provedena záměna řídícího regulátoru centrální kotelny ČSTV Strahov, která dodává teplo komplexu sportovních stadionů. Výkony kotlů zde byly řízeny velmi neoptimálně. Instalací moderního PLC včetně trvalého monitorování byl provoz optimalizován i prostřednictvím dálkového programování přes internet. Investice 70 tis. Kč následně uspořila 5 000 GJ tepla ročně, což při ceně tepla 590 Kč z této kotelny činní roční úsporu téměř 3 mil. Kč a to i s technologií poplatnou době výstavby. Jiným příkladem malé kotelny je kotelna v objektu Pernerova 55, kde záměnou PLC a optimalizací naprogramování se investice 30 tis. Kč navrátí v úsporách energií za 3 měsíce. ZÁVĚR Příklad historie rekonstrukcí monobloku v Dejvicích ukazuje, že některé změny nemusí přinést přímý efekt a z pohledu prosté účetní kalkulace by se mohly zdát nevýhodné. Nicméně jsou zásadní pro dlouhodobý plán modernizací a jsou často plně zúročeny až v následujících etapách rekonstrukce a i tím, že jednotlivé druhy modernizací navzájem souvisejí. Také je zde na příkladech ukázána skutečnost ověřená i z jiných instalací, že řádová návratnost investic v úsporách energií bývá rychlá u systémů MaR – do 3 let, u strojních zařízení do 7 let a u stavebních zateplovacích úprav nad 15 let a výše. LITERATURA [1] ŠIROKÝ J., KUBEČEK J., KUDERA P.: Vyhodnocení úspor dosažených prediktivním řízením Crittallového vytápění, Vytápění větrání instalace, ISSN 12101389, 5/2011
