Intelligens epületvezerlesi megoldás á rendelkezesre állo megüjülo energiáforrások optimális kihásználásá es á koltsegek csokkentese erdekeben (Forrai Gábor – FÉSZ 2000. Kft.)
1. Bevezetés Manapság egyre gyakrabban halljuk ezt a szót: energia. Jelentősége megkérdőjelezhetetlen, mivel a jelenleg ismert világunk ekörül forog. Ott van minden változás, minden fejlődés mögött, és jelenléte egyre erősebben és erősebben nyomja rá bélyegét az életünkre. Az energia jelentősége az idő előre haladtával mind jobban felerősödik, ez az erősödés napjainkra ijesztő mértéket öltött, és nem látszik hogy ez az egyre meredekebben emelkedő görbe megfékezhető lenne. Ennek ellenére – vagy talán éppen emiatt – az emberiség saját érdekében meg kell hogy tegyen mindent annak érdekében, hogy ha már csökkenteni nem is fogja tudni az energia felhasználását bolygónkon, legalább annak ésszerű keretek közé szorításával, és a fosszilis energiahordozók helyett a megújuló energiaforrások alkalmazásának növelésével próbáljon lehetőséget adni a Földnek a túlélésre. Az általunk kialakított épületenergetikai vezérlő rendszer optimalizálja a felhasznált energiatípusokat, javítja a felhasználás hatékonyságát, ezáltal csökkenti a felhasználást, így a károsanyag kibocsátást – beleértve a széndioxidot is – javítja a felhasználók életminőségét, és nem utolsó sorban csökkenti az üzemeltetési költségeket. A rendszer kialakításának elsődleges szempontja a költséghatékony, környezetbarát energia felhasználás. Önmagában a tüzelőanyag fajlagos költsége nem lehet alapja egy teljes elemzésnek. Meg kell határozni azokat a költség elemeket is, amelyeket üzemóra vagy naptári idő formájában költségnövelő tényezőként alkalmazni kell. Ezen elemeket egy központi adatbázisban célszerű tárolni, ahonnan a központi vezérlő egységek letöltik a konfigurációs adataikban tárolt költség elemeket. További lehetőség a – napjainkra egyre pontosabb - időjárás előrejelzési adatok folyamatos feltöltése. Ezáltal meghatározhatóak az energiatározókban tárolni szükséges energia mennyiségek illetve a várhatóan rendelkezésre álló megújuló források. A szükségtelenül sok energia felhalmozása a tárolókban plusz költséget jelent, viszont a kívántnál kevesebb tárolt energia esetén a drágább vagy szennyezőbb forrásból kell fedezni a hiányt. Az Intelligens Fűtésvezérlés (IFV) közvetlen lehetőséget biztosít minden vezérlőegység tulajdonosának arra, hogy a berendezés naprakész információkkal szolgáljon és akár napi,
heti, havi trend adatokkal szolgáljon a felhasználó számára. Előre jelezve a szükséges időszaki karbantartásokat, az üzemeltetési paraméterek alapján az esetlegesen szükséges karbantartási riasztásokkal is szolgálhat. Beépíthetőek kényelmi funkciók, mint például a vegyes tüzelésű kazánoknál a tűzkialvásra történő figyelmeztetés vagy a hőtároló esetén a teljes felfűtéshez szükséges szilárd tüzelőanyag becsült mennyisége, stb. A tervezett rendszer kialakításában az egyik legfontosabb építőelem a megújuló energiaforrások rendelkezésre állásának prognosztizálása. Ez a funkció segítheti az ésszerűbb energiafelhasználást oly módon, hogy a megújuló energiaforrás legközelebbi rendelkezésre állásáig áthidaló – a komfort érzetet biztosító – minimális energiafelhasználással áll rendelkezésre. Pl napkeltéig a melegvíz-tározóban a hőmérsékletet a komfort minimum szinten tartja pl földgáz vagy villamos energia felhasználásával. Természetesen a prognosztizálás nem csak az elméletileg rendelkezésre álló forrásokat veszi figyelembe, hanem az időjárás előrejelzésre alapozva, akár 2-3 napra előre mutató „termelési tervet” készíthet elő a rendszer. Természetesen itt nem csak a rendelkezésre álló forrásokat, hanem az időjárás függő energiafelhasználási mutatókat is figyelembe kell venni. Rendszerünk újdonságtartalma abban áll, hogy a technikai fejlettségünk jelenlegi szintjét igyekszik a lehető leginkább kihasználni a szinergiák optimális alkalmazásával, az épületenergetikai eszközök üzemeltetésének, az IOT alkalmazásának új megközelítésével az SmartEnergy megvalósítása érdekében.
2. Bemutatás Az alábbi kérdésre kerestük a válaszokat mielőtt a kutatási célokat kitűztük, vagy a fejlesztési feladatokat megfogalmaztuk volna:
Mi teszi szükségessé az intelligens vezérlést Milyen jelenleg általánosan használatos rendszereket ismerünk Mik az ezen rendszerek hiányosságai amiket kiküszöbölve tovább lehet azokat fejleszteni
Az intelligens vezérlést azért látjuk szükségesnek elterjeszteni, mert a jelenleg használatos rendszerek az egyszerű automatizmusaikkal már nem alkalmasak a továbbfejlesztésre. A következőkben részletezett lakás (vagy iroda) fűtés-hűtést vezérlő rendszerek korlátait azok a „bedrótozott”, tehát kevéssé rugalmasan alakítható előre megírt programmodulok és az ezeket kiszolgáló hardver eszközök teszik nehezen vagy drágán továbbfejleszthetővé, melyek egyébként tökéletesen teszik a dolgukat, az adott fejlődési szinten ahol és amikor elterjedtek a legmodernebb megoldásnak számítottak. Viszont az eszközök fejlődése, a gyártástechnológia előrehaladása és a sorozatgyártásba kerülő újabb és újabb elemek egyre alacsonyabb ára lehetővé sőt szükségessé teszik a további fejlesztéseket. Ezek pedig egy más utat igényelnek, melyek jelenleg a – legalább részben – mesterséges intelligencia irányába mutatnak.
3. Mi az elérendő cél A rendszer kialakításának elsődleges szempontja a költséghatékony energia felhasználás és a környezet lehető legkisebb terhelése, vagyis az energetikai rendszer minél olcsóbb és hatékonyabb üzemletetése.
4. Az EUREKA vezérlő működési logikájának elvi alapjai Az egyszerű lakás vagy épület fűtésvezérlő központok általában egy, komplexebb rendszerek esetében kettő-három különböző helyiségben elhelyezett hőmérséklet mérő eszköz jelét használják fel a szabályozáshoz. Az összetettebb rendszerek tehát már képesek akár helyiségenként is eltérő hőmérsékleteket tartani, illetve napi vagy egyéb ciklus szerint (ami a felhasználó által beállítható) megadható hőmérséklet görbét tartani. Ezzel már lényeges megtakarítást lehet elérni az egyszerű egy termosztát által vezérelt fűtéshez képest. Az IFV alapötlete onnan indul, hogy a fentebb említett összetett rendszerek jelentik az alapot, és ezt fejlesztjük tovább az energiahatékonyság növelése érdekében. A rendszer kialakításának elsődleges szempontja a költséghatékony energia felhasználás. A kalkuláció során alkalmazott költségek pontos összetevőit nehéz megállapítani, ezért törekedni kell a lehető legjobb közelítés elérésére. Önmagában a tüzelőanyag fajlagos költsége nem lehet alapja a teljes elemzésnek. Meg kell határozni azokat a költség elemeket, amelyek üzemóra vagy naptári idő formájában költségnövelő tényezőként alkalmazni kell. Ezen elemeket egy központi adatbázisban célszerű tárolni, ahonnan a központi vezérlő egységek letöltik a konfigurációs adataikban tárolt költség elemeket. További opcionális lehetőség az időjárás előrejelzési adatok folyamatos feltöltése. Ezáltal meghatározhatóak lennének az energiatározókban tárolni szükséges energia mennyiségek. A szükségtelenül sok energia felhalmozása a tárolókban plusz költséget jelent, viszont a kívántnál kevesebb tárolt energia esetén a drágább forrásból kell fedezni a hiányt, ami szintén többletköltséget okoz. Az időjárás előrejelzési adatok figyelése lehetőséget ad továbbá arra, hogy a túlzott benapozásból eredő túlmelegedés kockázatát csökkentsük. Az esetlegesen megújuló forrásból rendelkezésre álló „ingyen” napenergia vagy szélenergia segítségével a rendszer bizonyos, még elfogadható, megengedhető mértékű „előhűtést” alkalmazhat a túlzott napsütéssel érintett helyiségek esetében, a későbbi túlzott hőmennyiség bevitelének ellensúlyozására. Közvetlen lehetőséget biztosít minden vezérlőegység tulajdonosának arra, hogy a berendezés naprakész információkkal szolgáljon és akár napi, heti, havi trend adatokkal szolgáljon a felhasználó számára. Előre jelezve a szükséges időszaki karbantartásokat, az üzemeltetési paraméterek alapján az esetlegesen szükséges karbantartási riasztásokkal is szolgálhat. Beépíthetőek kényelmi funkciók, mint például a vegyes tüzelésű kazánoknál a tűzkialvásra
történő figyelmeztetés vagy a hőtároló esetén a teljes felfűtéshez szükséges szilárd tüzelőanyag becsült mennyisége, stb. Az energiatakarékosság nem mehet sem a hőérzet, sem pedig az egészség rovására. Ennek jegyében azt is deklaráljuk, hogy figyelemmel kell lenni az épületek nyári túlzott felmelegedésének kockázatára is, ami egyébként a jelenleg Magyarországon érvényben lévő szabályozás szerint nem haladhatja meg a 3 °C-t. Ez nagyon is kézenfekvő, ha meggondoljuk, hogy egy jól hőszigetelt épület nyáron csak tetemes túlmelegedés révén képes a hőnyereségektől „megszabadulni”. A cél tehát nem a direkt szoláris nyereségek maximalizálása, hanem a téli és nyári követelmények közötti kiegyensúlyozott kompromisszum keresése. Az eszközök között az árnyékolás és a gondosan megtervezett természetes szellőztetés említendő, mint kezelni szükséges lehetőség. A legfontosabb szempont az elfogadható hőérzeti feltételek biztosítása gépi hűtés nélkül, vagy ha az elkerülhetetlen, a gépi hűtés energiafogyasztásának mérséklése. Primer energiafogyasztás tekintetében ugyanis a gépi hűtés rendkívül súlyos tétel. Az energiafelhasználás során fontos tényező lehet a jelenlét érzékelés, valamint a passzív energiaforrások érzékelése. Önmagában a programozható termosztátok és épületfelügyeleti rendszerek nem veszik figyelembe az emberek és a passzív energiaforrások jelenlétét, valamint a komfort érzetet befolyásoló tényezőket (falak hőmérséklete, szél, beeső napsütés, relatív páratartalom) A tényleges energiafelhasználás fontos építőeleme a jelenlét érzékelés. A személyek jelenléte határozhatja meg számos komfort-tényező értékét. Melegvíz tározóban tárolt víz hőmérséklete, lakótér hőmérséklet értékek. A hagyományos programozható hőmérséklet szabályozókkal szemben – amelyek csak idő és hőmérséklet adatokra állíthatók be – az intelligens szabályozó figyelemmel kíséri a személyek tevékenységét és ehhez igazítja a saját programját. Így egy otthon eltöltött sok személyes baráti társaság összejövetele – amikor eleve sütünk-főzünk, vagyis növeljük a ház energiaszintjét, és még a résztvevők maguk is fűtenek - vagy egy színházban töltött este esetén teljesen eltérő programot futtat. Látható tehát, hogy a rendszer az egyszerű tüzelőanyag árral történő kalkuláció helyett egy összetettebb, fejlettebb algoritmust alkalmaz az optimalizációhoz, és nem csupán a felhasznált energia mennyiségének minimalizálásra törekszik, de a költségeket is igyekszik minimumon tartani. 5. A vezérlési logika részletes leírása A vezérlést az előzőekben leírtaknak megfelelően gondosan megtervezett logika irányítja. A felsorolt követelményeknek mindenben megfelelni nehéz, összetett feladat, amit ennek megfelelően a számítógép által futtatható programmá sem egyszerű lefordítani. Az IFV lelke az a moduláris vezérlő program amely a vezérlés által üzemeltetett eszközök, berendezések és épület(ek) igényei szerint állítható össze a rendszer telepítése során. Ebből adódik, hogy a telepítés nem olyan egyszerű, mint amikor egy szimpla szobatermosztáttal
működő kombi kazánt vagy split klímát üzemelünk be, amit akár magunk is megtehetünk (nyilván a gépészeti installációt követően). A helyszíni telepítés során a telepítést végző szakemberünk egy épületenergetikai felmérés keretében a vezérlő által üzemeltetett épületrész gyakorlatilag teljes energetikai felmérését elvégzi. Helyiségenként felveszi a szükséges energetikai jellemzőket, rögzíti a szükségesnek ítélt szenzorok típusát és elhelyezését valamint ezek egyéb technikai paramétereit (kommunikáció típusa, tápellátás stb.). Felméri és rögzíti a helyiségenkénti energiatermelő és –leadó eszközöket, ezek típusát valamint releváns energetikai adatait, továbbá az ezekkel való lehetséges kommunikáció módját (kapcsolat típusa, kommunikációs protokoll stb.). Ezek az információk szükségesek a rendszer felparaméterezéséhez. A későbbiekben a logika egyik alapját képezi a helyiségenkénti hőigény real-time meghatározása, aminek alapadatait fentiek szerint felvett alapadatokra támaszkodva az IFV Központi Egysége a saját rendszer setup-jában tárolja. A későbbiekben ezt az alapinformációt statisztikai adatok alapján a program képes finomítani, és ez által javítani az üzemelés hatékonyságát. Természetesen ezekről a változtatásokról minden esetben bejegyzés születik a rendszer jegyzőkönyvében és értesül az online rendszeren keresztül a Központi Szerver adminisztrátora is, valamint a beállításoktól függően értesül róla a felhasználó is a szokásos, beállított értesítési csatornákon keresztül. Mindezen intézkedések már csak azért is szükségesek hogy megelőzzük a rendszer esetlegesen fel nem tárt hibás működéséből adódó hibás alapadat módosítást. A rendszer felépítését az 1.ábra szemlélteti. Amint látható, rendszerünk egy általunk üzemeltetett Központi Szerverből (KSZ), a helyszíni telepítésű Központi Egységből (KE) és a Bővítő Egységekből (BE) áll. Egy telepítési helyszínre egy Központi Egység kerül, ez látja el vezérlő rendszer összes helyszíni funkcióját. A KSZ és a kitelepített BE egységek között gyakorlatilag folyamatos a kommunikáció, amennyiben rendelkezésre áll a kapcsolathoz szükséges hálózati csatlakozás. A hibatűrés miatt a KE teljesen önállóan képes működtetni a rábízott épületenergetikai rendszert, de hatékonyabb a működése amennyiben hozzáfér a KSZ által szolgáltatott információkhoz. A KSZ szerepe egyébként összetett: kezeli az összes telepített IFV rendszert, az ezekhez tartozó felhasználókat a megfelelő jogosultságokkal, működteti a Központi Adatbázist, ami az összes telepített rendszer adatait tárolja, kezeli az időjárási adatokat, előrejelzési adatokat, továbbá rajta keresztül futnak az energiaszolgáltatói tarifa adatok is.
1. ábra
A vezérlés logikája tehát a helyiségenkénti energiaigény meghatározására épül. Az alap információk segítségével egy bázisérték kerül meghatározásra, a vezérlés a futtatás minden ciklusában ezt az alapértéket vizsgálja meg és korrigálja a különféle előre beállított programok, predikciók és felhasználói beavatkozások alapján. A 2.ábra mutatja a vezérlő logika közvetlen a rendszer optimalizálásért felelős részének felépítését. A modulok mindegyike a Központi Egységen fut, és ahogyan arról már volt szó, a KE ezáltal teljesen önállóan is képes a rábízott épületenergetikai rendszert vezérelni. Az esetleges távoli kapcsolat hiánya vagy hibája esetén – amikor nem áll rendelkezésre a KSZ (Központi Szerver) által szolgáltatott real-time információ - a legutóbbi, legfrissebb adatokra támaszkodva, vagy ha azokat is elavultnak ítéli meg akkor az alap Setup adataira hagyatkozva vezérli a rendszert. A vezérlő „Core” modulok listája az alábbi:
energiaforrások adatainak beolvasása környezeti jellemzők beolvasása épület hőmérséklet szenzorok adatainak olvasása hőleadó eszközök állapotának beolvasása felhasználói beavatkozás kezelése
a begyűjtött információk feldolgozása fentiek alapján szükséges beavatkozások elvégzése
Fenti alapmodulok közül részletezésre érdemes a begyűjtött információk feldolgozása megnevezésű modul. A továbbiakban ennek a modulnak a felépítését és működését ismertetjük. A modul több alrendszer soros futtatását végzi. Az egyik – és talán a legérdekesebb – ezek közül az Optimalizációs almodul. Ennek sémája látható a 2.ábrán.
2. ábra
Az optimalizálási eljárás öt fő részből áll:
felhasználható energiaforrások fajlagos költségének meghatározása az energiaforrások rendelkezésre állásának meghatározása helyiségenkénti gördülő energiaigény kiszámítása a rendelkezésre álló energiaforrások költségsorrendjének kialakítása a számított energiaigény kiosztása a rendelkezésre álló eszközökre
Nézzük az optimalizálást lépésenként: 5.1. Felhasználható energiaforrások fajlagos költségének meghatározása Ebben a ciklusban a program a KE setupjában eltárolt összes energiatípus összes költségelemét sorra veszi, és összesíti az alábbi formula használatával: 𝐸𝑡_𝑚𝑎𝑥
𝐸𝑡𝑘𝑡𝑔 = ∑ 𝐸𝑡𝑘𝑡𝑔𝑖 𝑖=1
Ahol:
Et: Etktg: Et_max:
energiatípus energiatípus fajlagos költsége i. összetevője energiatípus fajlagos összetevők száma
A fajlagos összetevők lehetnek: - tüzelőanyag költség - tarifa szerinti energiadíj - rendelkezésre állás díja
Ezeket az adatokat a KE a KSZ-től szerzi be. A KSZ adatbázisának a karbantartása az üzemeltető feladata, ezek a típusú adatok egy része lekérhető automatikusan, más részét a szolgáltatóktól kért adatok manuális rendszerbe vitelével szükséges megoldani. Ezzel előáll egy elem fajlagos költség értéke, amit a program itt még csak letárol.
3. ábra
5.2. Az energiaforrások rendelkezésre állásának meghatározása
4. ábra
Az energiaforrásonkénti rendelkezésre állás megállapítása fontos amiatt, hogy egy adott energia típust fogyasztó felhasználói eszköz képes lehet-e egy adott időszakban üzemelni vagy sem, abból a szempontból hogy van-e az üzemeltetéséhez megfelelő mennyiségű és
minőségű energia az adott vizsgált időszakban. Mivel az adott energiatípustól függően sokféle oka lehet a rendelkezésre nem állásnak, vagy csökkent illetve korlátozott rendelkezésre állásnak, ezért ezeket a jellemzőket a típusok adatainál meg kell határozni és a KE Setupjában is tárolni. Korlátozó tényezők lehetnek: o o o o o o o o o o
villamos energia: szolgáltatói kiesés, karbantartás előre fizetős villanyóra esetén áramkorlátozás napenergia felhasználás esetén időjárási tényezők szélenergia esetén időjárási tényezők földgáz: szolgáltatói kiesés, karbantartás hőenergia: napkollektor esetén időjárási tényezők hőszivattyú esetén villamos energia gázkazán esetén szolgáltatói kiesés, karbantartás szilárd tüzelőanyag esetén tárolt mennyiségi korlátok PB esetén szintén
Amint az a blokkdiagramból is látszik, a rendelkezésre állási adatokat a különböző energiaforrásokra a modul energiamennyiségben adja meg, méghozzá a következő 24 órai ciklusra számítva, negyedórás bontásban. Ez a szolgáltatói típusú ellátások esetében nem okoz nagyobb változást az értékekben, de a megújuló energiafajták esetében természetesen nagyon változó értékeket, változatos rendelkezésre állási görbéket mutathat.
5.3. gördülő energia igény meghatározása A helyiségenkénti energia igény meghatározása az egyik legfontosabb része a vezérlő programnak, mivel ennek pontossága határozza meg azt, hogy mennyire tudjuk a lehetőségeket optimálisan kihasználni. A szükséges energia mennyiségek meghatározásánál az 5.ábra szerinti folyamatot követjük. Amint látható, ez az egyik legbonyolultabb modulja a vezérlőprogramnak. Éppen ezért ennek a modulnak a bemutatására szánjuk a legtöbb időt ezen cikkben. Amint az már ránézésre is látható a blokkdiagramból, két fő részre bontható a modul logikai felépítése; a pillanatnyi helyiségenkénti energetikai jellemzők feldolgozása, és a prediktív logika által az előrejelzésekből és a várható felhasználói igényekből számított energiaigények meghatározása.
5. ábra
A modul első ciklusában tehát a helyiségek épületenergetikai alapadatait olvassa be a program a Központi Egység Setup-jából, valamint a hőmérsékleti- és páratartalom adatait olvassuk be a telepítéskor elhelyezett, vagy már korábban is meglévő szenzorokból. A szenzorok adatainak megfelelő korrekcióját a telepítéskor elvégzett kalibrálás során beállított értékkel automatikusan végzi a program. A folytatásban a meteorológiai előrejelzés adatait olvassa be a Központi Egység (KE) a Központi Adatbázisból, amely a Központi Szerveren található. Ezt az adatsort a KSZ rendszeresen frissíti a rendszerben beállított internetes időjárási oldalak adataival. Beolvassa továbbá a külső hőmérséklet- és páratartalom szenzorok adatait is, az aktuális állapot rögzítése érdekében. Itt kezdődik a legfontosabb része a vezérlő programnak, amely a KE által elvégzendő optimalizáció alapját adja. Ez a modul a helyiségenkénti hőigény meghatározást végzi. A helyiségenként igényelt hőmennyiségek számításához a program a következő adatokat veszi számításba, amelyek egy része a KE setupjában tárolt információ, más része az előző szakaszban beolvasott adat, valamint a felhasználó általi pillanatnyilag érvényes hőmérsékleti célértékek: -
helyiség sztenderd hőigénye (kW) [HIhst] aktuális és 24 órás várható nem szabályozott belső energiabevitel (kW) [EBeb] aktuális és 24 órás várható nem szabályozott külső energiabevitel (kW) [EBek] páratartalom adatok – relatív páratartalom érték (%) [φb] helyiség 24 órás hőmérséklet programja (°C) [T] helyiség HMV (használati melegvíz) 24 órás hőigénye (kWh) [EHMV] helyiség 24 órás szellőztetés programja (időtartamok negyedórás bontásban)
Fenti információk bővebben a következőket tartalmazzák: Helyiség sztenderd hőigénye (kW): Minden helyiségnek a KSZ adatbázisában le van tárolva a telepítéskori adatfelvétel során rögzített épületenergetikai adatbázisba a felméréskor aktuális számított hőigény görbe, amely a külső-belső határoló elemek (falak, nyílászárók, stb.) adataiból a külső és belső hőmérséklet függvényében megadja a helyiség adott állapothoz tartozó hőigényét. Ez a teljesítményérték természetesen lehet pozitív vagy negatív érték is, függően attól, hogy a pillanatnyi állapot fűtést vagy hűtést igényel-e. A KE vezérlő program egy másik modulja képes és alkalmas arra, hogy az üzemeltetés során képződő adatbázist felhasználva a KSZ adatbázis adott helyiségre vonatkozó alapértékét módosítsa, amennyiben az szignifikáns eltérést mutat a valós állapottól. Ezt a módosítást akkor kezdeményezi amikor – alapbeállítás szerint – egymás után az ötödik napi eltérés az alapérték és a mérésekből származó érték között meghaladja a küszöbértéket, ami jelenleg 15%. (ez szintén pontosítható a későbbiekben, bár nem automatikusan).
Aktuális és 24 órás várható nem szabályozott belső energiabevitel (kW) Egy helyiség belső energia bevitelének számtalan okozója lehet, ezek közül megpróbáltuk a jelentősebbeket feltérképezni és figyelembe venni a számításokhoz. A figyelembe vett eszközök a következők: -
helyiségben lévő telepített elektromos eszközök (TV, PC, számítógép hálózati eszközök, párologtató, nagy teljesítményű fényforrások (>25 W) stb. nem telepített de gyakori használatú eszközök, mint hajszárító, vízforraló stb. HMV használat az adott helyiségben – ennek egy tapasztalati értéken alapuló százalékát vesszük figyelembe, ez az alapbeállítás szerint 15%. nem szabályozható fűtő berendezések, úgymint kandalló, cserépkályha
Ezen eszközök által várható energiabevitelt a felhasználói szokások és választható programok alapján állíthatjuk be. Aktuális és 24 órás várható nem szabályozott külső energiabevitel (kW) A nem szabályozható külső energiabevitel alatt elsősorban a helyiség benapozását értjük, bár amennyiben az épület rendelkezik gépi árnyékoló eszközökkel, abban az esetben bizonyos mértékig ez az energiaforrás is szabályozhatóvá válhat. Ez a jellemző is a rendszer telepítéskor kerül konfigurálásra az épület és az adott helyiség elhelyezkedésétől függően. Páratartalom adatok (%) A levegő páratartalma befolyásolja az ember hőérzetét, ennek korrekciója céljából vehetünk fel egy korrekciós görbét amit a beállított hőmérséklet célérték módosítására használ a program. Helyiség 24 órás hőmérséklet programja (°C) A vezérlő lehetővé teszi napi, heti, vagy más napcsoport szinten a helyiségek hőmérsékletének programozását. Ebből a programból olvassuk ki a számításhoz a legközelebbi 24 órára vonatkozó értékeket. Helyiség HMV (használati melegvíz) 24 órás hőigénye (kWh/15min) Amennyiben a helyiségben történik HMV felhasználás, úgy annak várható mennyiségét is felmérjük. Ez egyrészt fogyasztói szokások elemzésén alapszik, másrészt programozható is. Helyiség 24 órás szellőztetés programja Ha van az épületnek saját automatizált szellőztető rendszere, annak beállított programját itt vehetjük számításba.
Fenti összetevőkből áll össze az adott helyiség várható hőigény görbéje, mely az alábbi képlettel számítódik: 𝐻𝐼ℎ = 𝐻𝐼ℎ𝑠𝑡 + 𝐸𝐵𝑒𝑏 + 𝐸𝐵𝑒𝑘 + 𝐻𝑘𝑜𝑟𝑟𝜑 + 𝐸𝑘𝑜𝑟𝑟𝐻𝑀𝑉 + 𝐸𝑘𝑜𝑟𝑟𝑠𝑧𝑙 ahol a tagok jelentése a következő: HIh:
helyiség hőigény
HIhst:
helyiség sztenderd hőigénye az adott T mellett (T= Tcél - Tkülső)
EBeb:
szabályozatlan belső energiabevitel
EBek:
szabályozatlan külső energiabevitel (benapozás)
Hkorr:
páratartalom miatti korrekció
EkorrHMV:
melegvíz használat miatti korrekció
EkorrSzell:
szellőztetés miatti korrekció (gépi szellőztetés esetén)
Az előző tagok a következőkből származtathatók: 𝐸𝐵𝑒𝑏 =
∑
𝑃̅𝑒𝑠𝑧𝑘
𝑒𝑠𝑧𝑘ö𝑧ö𝑘
ahol 𝑃̅𝑒𝑠𝑧𝑘 az adott eszköz negyedórás átlagteljesítménye (kW) Hkorr = THkorr × HIhst ahol THkorr páratartalom miatti célhőmérséklet korrekció, táblázatos érték a páratartalom és a hőmérséklet célérték függvénye EkorrHMV = 𝑄𝐻𝑀𝑉 × (𝑇𝐻𝑀𝑉 − 𝑇𝐻 ) × 𝐸𝐻𝑀𝑉 ahol
𝑄𝐻𝑀𝑉 a használati melegvíz mennyisége (liter) 𝑇𝐻𝑀𝑉 a használati melegvíz elvárt hőmérséklete (°C) 𝑇𝐻 a helyiség hőmérséklet célértéke (°C) 𝐸𝐻𝑀𝑉 konverziós állandó, tapasztalati érték 𝐸𝑘𝑜𝑟𝑟𝑠𝑧𝑙 = 𝑄𝑙𝑒𝑣 × 𝐸𝑙𝑒𝑣𝑘 × (𝑇𝑙𝑒𝑣 − 𝑇𝐻 )
ahol:
𝑄𝑙𝑒𝑣 a cserélt levegőmennyiség (m3) 𝐸𝑙𝑒𝑣𝑘 energiatartalom konstans 𝑇𝑙𝑒𝑣 a befújt friss levegő hőmérséklete (°C)
5.4. Rendelkezésre álló energiaforrások költségsorrendjének kialakítása
Ebben a pontban valójában nem csupán a költség sorrendet határozzuk meg hanem az igénybe vételi sorrendet is. A rendezés során a figyelembe vett energiaforrások fajlagos költség alapján lesznek rendezve, és adataik tartalmazzák a rendelkezésre álló mennyiségeket, teljesítményeket is annak érdekében hogy a következő pontban részletezendő modul a működtetendő eszközökre tudja allokálni ezeket. A költségsorrend kialakítása a rendelkezésre álló energiatípusokra történik, miután azok fajlagos költsége meg lett határozva, így egy egyszerű rendezéssel ez megvalósul, majd ezt közvetően a szükséges mennyiségi ellenőrzést is elvégzi a program.
5.5. a számított energiaigény kiosztása a rendelkezésre álló eszközökre Ez a modul alapvetően két fő ciklusból áll: egyrészről kiosztja a HMV (Használati Melegvíz) előállításához szükséges mennyiség(ek)re vonatkozó utasításokat a rendelkezésre álló berendezésekre, másrészt a fűtésre (vagy szükség esetén a hűtésre) vonatkozó igényeket kezeli le az erre a célra igénybe vehető eszközök felhasználásával. A kiosztást az optimalizálás érdekében úgy végzi a program, hogy lehetőség szerint egy helyiség energiaigényét a legolcsóbb rendelkezésre álló forrásból próbálja meg ellátni. Az allokációs sorrendet úgy alakítja ki hogy először a nagyobb hőigényű helyiségek kerülnek sorra, aminek az a jelentősége hogy ha vannak kisebb rendelkezésre álló de olcsó források, akkor azok együttesen, egymással kombinálva is felhasználhatóak egy helyiség esetében, így a kisebb, esetleg épp a megújuló források jobban kihasználhatóak.
6. A rendszer hatékonyságának vizsgálata Rendszerünk működési hatékonyságának vizsgálatát, a rendszer tesztelését számítógépes modell segítségével végeztük el, részben azért is mert jelenleg a vezérlő a prototípus fázisban van, továbbá – és főként – mivel jelenleg nem áll rendelkezésre olyan teszthelyszín ahol szabadon állíthatjuk az épületgépészeti egységek paramétereit, az épületi jellemzőket stb. A későbbiekben természetesen amint lehetőségünk nyílik egy éles rendszeren tesztméréseket végezni, azt is meg fogjuk tenni, így összehasonlíthatjuk az elméleti módszert a mérésekre támaszkodó valós helyszínen történő üzemi adatok kiértékelésével. A felprogramozott rendszer teszteléséhez az MS Excel programot használtuk, amiben egy egyszerű épületet modelleztünk le épületenergetikai adatai alapján. Ezt a modellt használtuk fel arra, hogy a változó körülmények energetikai hatását egy visual basic program
segítségével folyamatában mutassa, és így kiértékeljük a változások által az IFV rendszerünk hatékonyságát, összehasonlítva az IFV nélküli ház azonos alapokon nyugvó modellezési eredmények számadataival. Az épület energetikai adatait a Bausoft Kft. WinWatt programjának segítségével állapítottuk meg, ahogyan egyébként a kész rendszerek telepítésekor is ezt a szoftvert tervezzük használni a telepítés helyszínének adatfelvételéhez. Az általunk létrehozott intelligens vezérlő modul logikájának tesztelése során azt vizsgáltuk, hogyan hat a normál működésre az időjárás előrejelzési adatok megléte, azok figyelembe vétele, hogyan változnak a ház energia felhasználási adatai és az energetikai jellemzők. A felprogramozott rendszer működési tesztjeit, a részletes funkcionalitás vizsgálatot is elvégeztük természetesen, de ez nem alkalmas – a korábban már említett okok miatt – a hatékonyság vizsgálatára, csak a hardver-szoftver korrekt működését tudjuk vele igazolni. Ahhoz, hogy egy, a logikai működést értékelő tesztrendszert kiépítsünk, nem állt rendelkezésre elegendő erőforrás a projekt keretein belül. A tesztrendszer és maga a teszt leírása nem kerül részletezésre jelen értekezésben, mivel az egy technikai megvalósítás, túlnyúlik jelen cikk témáján.
7. Eredmények A futtatás során egynapnyi (24 órás) intervallumban vizsgáltuk a logika működését, a modell által számított energiaforgalom az optimalizált vezérlő és a „normál” vezérlés között kimutatható különbséget mutat energia mennyiségben és ehhez mérhető költségelőnyt az optimalizált vezérlés javára. Az optimalizált rendszer megújuló energia felhasználása a kontroll rendszeréhez képest jelentős javulást hozott, az időjárási modul szintén kimutathatóan – természetesen erre a kiemelt esetre vonatkozóan - magasabb kihasználtságot jelentett a HMV készítésre történő rásegítésben és a HMV tároló kihasználásában a napkollektor esetében. A szimuláció tehát szignifikáns javulást mutat az egyszerűbb logikán alapuló, automatikus vezérlőhöz képest. Természetesen ez csupán a teszthez alkalmazott szituációra érvényes, miközben lehetséges, hogy bizonyos helyzetekben jelentéktelen lehet a megtakarítás az új vezérlő tevékenysége nyomán, de az is lehetséges, hogy jobb, nagyobb javulást mutató helyzetekkel is találkozhatunk. Ez a differencia a két rendszer között nyilvánvalóan a kifinomultabb algoritmus eredménye, hiszen fizikai berendezések egyelőre még nem szerepeltek a tesztben. Az algoritmus működése az elméletnek megfelelően jól alkalmazkodott a megváltozó körülményekhez. Beépítette és alkalmazta az időjárási modul által szolgáltatott előrejelzési adatokat, amelyek más módon előre nem láthatóan változtak meg (egy gyors lehűléssel és azt követő hat óra elteltével a korábbi szintre való visszamelegedéssel valamint egy délutáni erősen felhős időszakkal (15:00 – 20:00) kalkuláltunk az időjárás előrejelzés feltételezett paramétereiben),
ezáltal jobban volt képes kihasználni a forrásokban megtalálható szinergiákat, kevesebb „veszteség” jelentkezett a megújuló energia termelő eszközön.
8. Összefoglalás A FÉSZ 2002. Fűtés és Szerelés Kereskedelmi és Szolgáltató Kft. a Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közhasznú Nonprofit Kft.-vel közös konzorciumban 60.499.120 Ft támogatásból valósította meg „A villamos energia felhasználás és termelés optimalizációja az épületenergetikai szektorban ” című pályázatát. A pályázat célja volt a vállalkozói szféra, különösen a kis- és középvállalkozások nemzetközi kutatás-fejlesztési együttműködését elősegítő EUREKA programban való magyar részvétel támogatása. A magyarországi konzorcium által tervezett projekt tárgya egy moduláris elemekből felépülő, energetikai épületvezérlő rendszer kifejlesztése. A megvalósult rendszerünk képes az épületek teljes energiaigényének menedzselése, az energia hatékony felhasználását célzó üzemeltetésre, előtérbe helyezve a rendelkezésre álló megújuló energiák optimális kihasználását. A rendszer egyik kiemelkedő szolgáltatása az adatgyűjtés és a működés naplózása, így valós idejű elemzések és analízisek készíthetők. Az általunk kialakított épületenergetikai vezérlő rendszer optimalizálja a felhasznált energiatípusokat, javítja a felhasználás hatékonyságát, ezáltal csökkenti a felhasználást, így a károsanyag kibocsátást – beleértve a széndioxidot is – javítja a felhasználók életminőségét, és nem utolsó sorban csökkenti az üzemeltetési költségeket. A rendszer kialakításának elsődleges szempontja a költséghatékony, környezetbarát energia felhasználás. Olyan költségelemeket is számba vesz, melyeket üzemóra vagy naptári idő formájában költségnövelő tényezőként alkalmazni kell. Ezeket egy központi adatbázisban tároljuk, ahonnan a központi vezérlő egységek letöltik a konfigurációs adataik szerint szükséges költség elemeket. További lehetőség a – napjainkra egyre pontosabb - időjárás előrejelzési adatok folyamatos letöltése időjárás szerverekről. Ezáltal meghatározhatóak az energiatározókban tárolni szükséges energia mennyiségek illetve a várhatóan rendelkezésre álló megújuló források. A szükségtelenül sok energia felhalmozása a tárolókban plusz költséget jelent, viszont a kívántnál kevesebb tárolt energia esetén a drágább vagy szennyezőbb forrásból kell fedezni a hiányt. A konzorcium által fejlesztett rendszer 2015.01.01.-ével kezdődött és 2016.06.30.-ával záródott projekt keretében került kifejlesztésre.
