fűtésének optimalizálása adatok és költségek

Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság

BME OMIKK

ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 45. k. 9. sz. 2006. p. 52–60.


Épületek hűtésének/fűtésének optimalizálása – adatok és költségek A modern fűtő-hűtő-légkezelő rendszerek bonyolult felépítésűek, részegységeik összetett nemlineáris kölcsönhatásban állnak egymással. Az automatikák, szabályozók gyakran elfedik a problémákat, illetve a tünetek sokszor nem ott lépnek fel, ahol a hiba van. Az ilyen bonyolult rendszerek irányítása, diagnózisa csak a teljes rendszer adatainak komplex elemzésével oldható meg. A kölcsönös függések, kölcsönhatások a modellezés révén elemezhetőek hatékonyan. Az adatok részletes és pontos ismerete teljesen megváltoztatja a létesítmények üzemeltetésének munkamódszereit: a becslések, ökölszabályok helyét átvehetik az objektív tények, a hibajelenségek felfedhetőekké és kijavíthatóvá válnak. Összeállításunk mindezt egy amerikai kórház esettanulmánya alapján mutatja be.

Tárgyszavak: adattárház; légkondicionálás; modell; költségoptimalizálás.

A legtöbb létesítmény üzemeltetési személyze-

részegységben megvalósított költségcsökkentő

tének fogalma sincs arról, mi zajlik le pontosan

változtatás milyen hatással van a többire, és

az épületek működtetése során. Ennek az a fő

emiatt gyakran be is következik az, hogy másutt

oka, hogy az igazán informatív üzemelési ada-

nőnek a költségek. Az időegységre jutó tényle-

toknak csak egy törtrészét látják. A fejlesztési,

ges üzemeltetési költségek, vagy a szabályozók

optimalizálási erőfeszítések általában csak egy-

változtatásának, az időjárásnak vagy a helyisé-

egy egységet vagy alrendszert érintenek, a ré-

gekben tartózkodó munkatársak számának a

szek együttműködését nem veszik figyelembe.

hatása az összköltségre nem ismeretesek, illetve

Arra sem terjed ki a figyelem, hogy az egyik

meghaladják a szakemberek képességeit. 52


A következő összeállítás konkrét kórházi eset-

Mind a UPS, mind a létesítményüzemelte-

tanulmány alapján mutatja be azt, milyen drá-

tési részleg szolgáltató vállalat. A UPS ese-

maian változnak meg a költségoptimalizálási

tében ez nyilvánvaló, a létesítményüzemel-

lehetőségek az üzemeltetési részleg számára

tetésnél pedig kívánatos cél. Minél inkább

pusztán attól, hogy minden fontos adat negyed-

önálló szolgáltató vállalatként működik és

órás időközönként mérve rendelkezésükre áll,

kezelik, annál jobb.

egy nem túl bonyolult, Excel-alapú számítási

Mindkettő

magas

szintű

szolgáltatást

algoritmus-rendszerrel, modellel kiegészítve. A

igyekszik nyújtani a maga területén, ez pe-

modell és az adatok lehetőséget adnak korábban

dig jelentős energiafelhasználással jár.

megmagyarázhatatlan jelenségek, többletkölt-

Mindkettő fogyasztói, felhasználói elvárják

ségek okainak gyors felderítésére is.

a színvonalat és a megbízhatóságot, és alig érdeklik őket a felmerült költségek. Mindkettő

A UPS példája

mérnököket

és

technikuso-

kat/műszerészeket alkalmaz a felszerelések (autók, illetve fűtő/hűtő berendezések) üze-

A UPS, a nagy amerikai eredetű nemzetközi

meltetésére, és hasznuk származik abból, ha

csomagküldő szolgálat több millió dollárt meg

a személyzet hatékonyabban és kezdemé-

tudott takarítani, egyedül a szállítójárművek

nyező módon dolgozik, élőmunkát megta-

üzemanyag-fogyasztásának csökkentése révén.

karítva és a berendezések hasznos élettar-

Évi 14 millió gallon1 üzemanyagot tudtak

tamát meghosszabbítva.

megtakarítani, kizárólag a kiszállítási útvonalak térbeli és időbeli elemzésével és optimali-

Mindkettő képes az üzemeltetési költsége-

zálásával. Ezt az tette lehetővé, hogy képesek

ket pusztán az adatok gyűjtése és elemzése

voltak a járművek által megtett összes utat

révén optimalizálni, de a UPS ebben előbb-

mintegy 100 millió mérfölddel2 csökkenteni,

re tart, mint a legtöbb létesítményüzemelte-

pusztán adatok gyűjtése és elemzése útján!

tési vezető.

Mi köze a UPS autóinak az épületek fűtéséhez

Hát igen, az utolsó pont az iménti felsorolás-

és légkondicionálásához? Első ránézésre sem-

ban rámutat a különbségekre is. A legtöbb

mi, valójában azonban nagyon is sok:

üzemeltető/energetikus nem rendelkezik elegendő adattal és adatfeldolgozó rendszerrel

1 2

1 USA gallon = 3,785 liter 1 USA (szárazföldi) mérföld = 1,609 km

ahhoz, hogy megközelítse a UPS említett pél53


Minden adatot mindig ismerni kell

dáját. Adatok nélkül pedig csak találgatni lehet, igazi rendszeroptimalizálásra nincs mód. Adatok nélkül el kell fogadni a fennálló álla-

Minden adatot mindig ismerni kell, ez pedig

potot.

nagy tárolókapacitást igényel. Az adatokat korszerű adattárházban célszerű tárolni, amely a megőrzésen túl számos más fontos funkciót

A PC-vásárlás példája

is ellát (az adatok szűrése és aggregálása, hihetőségvizsgálat stb.) A korszerű épületautoma-

A fűtés- és hűtéstechnika általában kevés

tizálási rendszerekben több ezer mérési és be-

konkrétumon, sokkal több ökölszabályon,

avatkozási pont van (nagyobb telepeken, mint

szakmai hagyományon alapul. Sok a becslés,

pl. egyetemi campusok, ez a szám elérheti a

kevés a mérés. Ezért is nagy a szerepe a gya-

100 000-et), és mindnek az adataira szükség

korlatnak, a tapasztalatnak. Sehol máshol nem

van, méghozzá viszonylag rövid időközönként

hoznak beszerzési döntéseket olyan kevés

mérve.

konkrét adat alapján, mint itt. Az esettanulmányban szereplő kórház rendszeMég olyan kis beszerzési döntések esetén is,

re 18 000 ellenőrzési pont adatait kezeli. Ezek

mint egy személyi számítógép megvásárlása,

több forrásból is származhatnak:

több jellemzőt vesznek számításba. Olyan ez,

az épületautomatizálási rendszer(ek)ből,

mintha egy 2000 dolláros PC-t pusztán annak

a korszerű mérőrendszerekből,

alapján vennének meg, hogy mekkora a pro-

ember által leolvasott mérőhelyektől,

cesszor sebessége és a merev lemez (winches-

a közműszámlákból (beleértve a tarifákat is),

ter) tárkapacitása. Senki nem vesz PC-t további adatok ismerete nélkül (az operatív memó-

az időjárás adatai vagy a saját érzékelőktől

ria nagysága, a képernyő mérete és típusa,

(bár ezek gyakran hibásak), vagy meteoro-

asztali vagy hordozható kivitel stb.). Gyak-

lógustól, esetleg a közeli repülőtértől.

ran megesik azonban, hogy olyan fűtési–hűtési beruházásokat igen kevés adat alapján dön-

A kórházban 15 percenként, egymással össze-

tenek el, amelyek pénzügyi hatása akkora,

hangolt módon egyidejűleg érzékelik és juttat-

mintha naponta 100 db nem megfelelő PC-t

ják el a központi adattárházba az adatokat. Az

vennének.

információk hosszú idejű (akár a berendezések sok éves élettartamára kiterjedő) tárolása lehe54


tővé teszi a lassú trendek érzékelését, illetve a

jutó költséget (USD/óra), illetve az időegység-

múltbeli adatok segítenek a jelenbeliek értel-

re és szállított mennyiségre jutó költséget

mezésében. Ekkora mennyiségű adatot termé-

(USD/tonna-óra) határozta meg.

szetesen nem lehet asztali számítógépeken tárolni: a központi adattárház komoly szerve-

A költségek optimalizálásához először is fo-

ren kapott helyet, a Microsoft SQL Server

lyamatosan ismerni kell a tényleges működési

adatbáziskezelője a szoftvertechnológia alapja.

költségek alakulását. Ehhez a mért fizikai mennyiségekből kiindulva műszaki számításokkal, majd az aktuális tarifákat (a csúcsidő-

Az igazi optimalizáláshoz rendszerszintű információk és szemlélet kellenek

szak figyelembevételével) alkalmazva költségszámításokkal kell az USD/óra és USD/tonnaóra értékeket meghatározni, majd azokat a teljes létesítményre összesíteni.

A fűtő, hűtő, légkezelő (HVAC) rendszerek részegységei fizikai összeköttetésben állnak

Sebességmérő mutatja a pénzköltés mértékét

egymással, így működésük a többitől is függ, általában bonyolult nemlineáris összefüggések alapján. Az adatokra alapozott rendszer bevezetése előtt a kórház üzemeltető szakemberei

A kórház rendszerének egyik legfontosabb és

is az egyes elemek működését próbálták opti-

leglátványosabb eleme a(z üzemeltetési) pénz-

malizálni, a többire gyakorolt hatás elemzése,

költés sebességét mutató „kilométeróra”. Ez

sőt ismerete nélkül. Így például a hűtőközpont

diagram (1. ábra) és/vagy táblázat formájában

költségoptimalizálása nem vezetett tényleges

mutatja az időegységre jutó üzemeltetési költ-

megtakarításhoz, ha a változtatások következ-

ségek alakulását részegységenként és összesít-

tében például megnőtt a hűtőtornyok energia-

ve. Az ábra a vízhűtő alrendszer példáján ke-

fogyasztása. Szükség van az egész rendszerre

resztül mutatja be a fajlagos költségek időbeli

kiterjedő szemléletre és adatokra. Ezen felül

lefutását. A délelőtt megugró költségek a

olyan mérőszámokat is meg kell határozni,

csúcsidőszaki tarifanövekedés hatását mutat-

amelyek a nagyon különböző részegységekre

ják. Az 1. hűtőt csak a csúcsidőszakban mű-

egyaránt definiálhatóak, és jól leírják az ener-

ködtetik – ennek az az oka, hogy fajlagos

giafogyasztást, illetve annak költségét. A kór-

üzemeltetési költsége kb. harmada a 2. hűtőé-

ház főenergetikusa erre a célra az időegységre

nek. 55


250

a hűtő alrendszer teljes fajlagos működési költsége

200

a 2. hűtő fajlagos működési költsége

150

USD/h 100

külső hőmérséklet

50

az 1. hűtő fajlagos működési költsége

0 00.00

06.00

12:00

18:00

24:00

idő, óra

1. ábra A hűtő alrendszer fajlagos működési költségei az idő függvényében egy májusi napon. A 2. elektromos működtetésű hűtő költsége jól mutatja a csúcsidejű és azon kívüli elektromos tarifák különbségét, az 1. gázüzemű hűtőt csak az elektromos csúcsidőszak idejére kapcsolják be. A teljes hűtő alrendszer fajlagos működési költségei a 100 USD/óra és 240 USD/óra sávban mozognak. A külső hőmérséklet görbéje csak tájékozató jelleggel szerepel

Az imént említett műszaki számítások alapja a

mérhető, ellenőrizhető. Megalapozottan érté-

rendszer modellje, ennek futtatása egy-egy

kelhető a tervezők, az üzemeltető személyzet

ciklusban (15 percenként) kb. 160 többé-

és az alvállalkozók munkája, a teljesítmény

kevésbé bonyolult képlet kiszámítását jelenti.

számon kérhetővé válik. A pénzügyi vezetés

A cél minden elemnél az aktuális fajlagos

hozzáállása is kedvezően változik, ha tényeket

energiafogyasztás kiszámítása, mert erre lehet

látnak becslések helyett. A szolgáltatások

az energiaköltségek számítását alapozni.

színvonala emelkedik, az üzemeltetés renoméja javul a szervezeten belül. De vissza a szikár tényekhez, következzék itt néhány olyan

Az adatok megvannak – mit lehet velük kezdeni?

előny, amelyet a kórház a költségadatok és a pénzköltés sebességét mutató „kilométeróra” segítségével ért el:

Az adatokra és a modellre alapozva teljesen

Magas színvonalú teljesítménymutatók: az

megváltozik a létesítmény üzemeltetése. Min-

üzemeltetési költségek folyamatos megha-

den beavatkozás hatása tényleges adatokkal

tározásával könnyen felfedezhetőek hirtelen

56


megugrások és anomáliák. Ezek addig nem

mint már korábban említettük, az objektumok

ismert terhelésnövekedéseket, vagy az üze-

műszakilag összekötetésben és kölcsönhatás-

meltetési körülmények váratlan megválto-

ban vannak egymással.

zását jelezhetik. A diagnózis könnyen felállítható az adatok kellő mélységű elemzé-

A következő rész egy konkrét probléma meg-

sével.

oldását ismerteti az adatok ismeretére és a mo-

A javító célú korrekciók hatásának gyors

dellre alapozott rendszerben, az eset valóban

ellenőrzése: bármely részegység szabályo-

megtörtént a kórházban. Már eleve a probléma

zásának módosítása szinte azonnal megmu-

megléte is csak a rendszeres adatgyűjtés meg-

tatkozik, és nemcsak a megcélzott elemnél,

kezdése után derült ki. Észlelése után három

hanem a többinél is, illetve a rendszer egé-

órával már részletesen ismert volt a jelenség

szén is. A költségek alakulásán túlmenően

maga, költségkihatásai, az eredendő oka, és

az is vizsgálható, hogy a módosítás nem

megszülettek az első javaslatok a probléma

okoz-e instabilitást valahol a rendszerben.

elhárítására. Mindehhez a szakemberek ki sem

Orvosi nyelven szólva hamar kiderül, hogy

léptek irodájukból.

a terápia elérte-e a kívánt hatást, és nincsenek-e mellékhatások.

Egy hűtő kikapcsolásának esete Optimalizálni – de az egész rendszert

A dolog azzal kezdődött, hogy a kórház csökkenteni akarta a téli időszakban a hűtési költ-

Ne optimalizálja senki a fűtő, hűtő és levegő-

ségeket. A helyiségek éjszakai hőmérséklete

kezelő berendezéseket. Badarság azt remélni,

15 oC körül volt, kevesen tartózkodtak bent.

hogy az egyes berendezéseknél elért javulások

Indokoltnak tűnt ezért, hogy a szokásos kettő

szépen összeadódnak. Optimalizálni az egész

helyett egyetlen 1500 tonna/óra kapacitású

rendszert kell, és mivel a pénz nagy úr, első-

hűtő is el tudná látni az épületeket. A költsé-

sorban az egész rendszer üzemeltetési költsé-

gek elemzése azonban egyáltalán nem a várt

geit célozva. Sok helyen ezt a fennálló szerve-

hatást mutatta. Arra számítottak ugyanis, hogy

zeti keretek is nehezítik, mivel a hőközpont

a költségek 33 USD/órával, a leállított hűtő

személyzete teljesen elkülönül az épületek

fajlagos költségével csökkeni fognak. Ehelyett

üzemeltetéséért felelős munkatársakétól, gyak-

a hűtési költségek 66 USD/óráról csak 52

ran szinte semmi kapcsolatuk nincsen. Pedig

USD/órára mérséklődtek. A teljes hőközpont 57


összesített költségei csak 10 USD/órával csök-

valamiért megnőtt, és ez nap mint nap megis-

kentek, sőt tonna-óra alapra vetítve 7%-kal

métlődött. A légkezelő egységek (air handling

nőttek. A megmaradó hűtő költségeinek emel-

unit, AHU) megnövekedett mennyiségű hűtő-

kedésén kívül az abszorberéi is nőttek, még-

közeget igényeltek, hűtőszelepük teljesen ki-

hozzá nagyobb mértékben, mint ahogyan a

nyitott, mivel a kibocsátott levegő hőmérsékle-

hűtőtornyoké csökkent, a szekunder kör szi-

te nem érte el (felülről) az előírt 13 oC-t (2.

vattyúinak költségei pedig 25%-kal nagyobbak

ábra). Ez pedig azért következett be, mivel a

lettek.

megkerülő

vezetékekben

folyásirányának

megfordulása és szállított mennyiségének nöA jelenségek oka az volt, hogy az egyik hűtő

vekedése miatt a visszatérő víz hőfoka 3–4 oC-

leállításakor a légkondicionálás primer köré-

kal megemelkedett, és ezt keverték a hűtő ki-

ben csökkent ugyan az áramlás, viszont a sze-

menő vizéhez, ezért a szekunder kör bemeneti

kunder körben megnőtt, és a primer átfolyás

hőmérséklete szintén megemelkedett 3–4 oC-

csökkenésének kompenzálására a megkerülő

kal. Az összesen 10 USD/óra költségmegtaka-

vezetékekben megfordult a folyásirány, és

rítás tehát a rendszer instabilitásához vezetett.

megnőtt bennük az áramlás a szekunder kör

Az viszont továbbra is kérdés volt, mi okozta a

igényeinek kielégítése érdekében. A szekunder

kibocsátott levegő hőmérsékletének 2. ábrán

kör szivattyúi maximális teljesítményüket le-

látható tüskéit, és mi volt az alapvető oka a

adva működtek. Az épületek hűtési igénye

nagy hűtési teljesítményigénynek?

hőmérséklet, °C 100

szelepnyitás, %

80

30

a hűtőszelep állása %-ban

20

a kilépő levegő hőmérséklete (itt éppen lecsökkent az előírt érték irányába)

60

10

a kilépő levegő hőmérsékletének előírt értéke, 13 oC

40

20 02/21

02/22

02/23

02/24

02/25

idő, nap

2. ábra A kilépő levegő hőmérséklete és a hűtőszelep állása az idő függvényében

58


A szakértők közelebbről megvizsgálták a lég-

diagnózisok felállítása az egész rendszerre

kezelőhöz tartozó változó légszállítású beltéri

nem vett több emberi erőforrást igénybe, mint

egységek (variable air volume, VAV box) mű-

egyetlen szakértő három munkanapja. Az ada-

ködését. Azt tapasztalták, hogy mindegyiknél

tok alapján az irányítók megalapozott akció-

a kilépő levegő hőmérséklete végig az elő-

tervet tudtak készíteni, és meg tudták határozni

írt fölött maradt, és ezen felül még rövid emel-

a munkák prioritásait. A beavatkozások ered-

kedések, nagy tüskék is mutatkoztak benne.

ményeit is képesek voltak objektív módon

Ebből arra lehetett következtetni, hogy a fű-

értékelni, és szükség esetén korrekciókra ke-

tőkör is rendre rövid időre bekapcsolt, noha

rülhetett sor. Még egyszer érdemes kiemelni,

a hőmérséklet az előírt fölött volt. Ennek

hogy az adatsorok nélkül legfeljebb csak sejté-

oka pedig a szabályozó algoritmusa volt,

seik és becsléseik lehettek a szakembereknek,

amely időről időre megemelte a hőmérsék-

a fennálló problémák megértésére és különö-

let alapjelét. Ez a járulékos fűtés okozta a hű-

sen elhárításukra esélyük se lett volna azok

tési igény növekedését. Összességében tehát

ismerete és elemzése nélkül.

a rendszer egyszerre fűtötte és hűtötte is a levegőt, ami nyilvánvalóan többletköltségekkel járt.

Következtetések

A probléma megoldásához néhány egyszerű

Az adatgyűjtés nem elpocsékolt idő, viszont

lépés vezetett: megemelték a kilépő levegő túl

gyakran rengeteg elpocsékolt időt reprezentál.

alacsony előírt hőmérsékletét, és megváltoztat-

Ennek a látszólagos ellentmondásnak az a fel-

ták a szabályozó beállítását, illetve a külső

oldása, hogy a megfelelő adatok állandó ren-

hőmérséklet mérésére alapozták azt. A helyi-

delkezésre állása felbecsülhetetlen értékű, a

ségek komfortja nem csökkent, a költségek

példaként imént bemutatott eset csak a jéghegy

annál inkább. Noha a változtatások egytől

csúcsa. Ugyanakkor számos alkalmazásnál az

egyig az épületek szabályozóit érintették, a

adatgyűjtés – megfelelő automatizált rendszer

költségmegtakarítás mégis a hőközpontban

hiányában – a vezető szakemberek rengeteg

jelentkezett.

idejét, gyakran a szükségesnek 5-8-szorosát veszi igénybe. Ez persze az igazi szakmai

A kórház összesen 115 légkezelőjének kb.

munka, a műszaki elemzés elől veszi el az

egyharmadán el kellett végezni az imént leírt,

időt. Kulcsfontosságú tehát a megfelelő auto-

vagy hasonló optimalizálási műveleteket. A

matizált mérőrendszerek és jól kialakított adat59


tárházak, az adatbányászat módszereinek al-

Az adatok részletes és pontos ismerete teljesen

kalmazása.

megváltoztatja a létesítmények üzemeltetésének munkamódszereit: a becslések, ökölszabá-

A korszerű fűtő-hűtő-légkezelő rendszerek

lyok helyét átvehetik az objektív tények, a

bonyolult felépítésűek, részegységeik összetett

hibajelenségek felfedhetőekké és kijavíthatóvá

nemlineáris kölcsönhatásban állnak egymással.

válnak.

Az automatikák, szabályozók gyakran elfedik Összeállította: Kis Miklós

a problémákat, illetve a tünetek sokszor nem ott lépnek fel, ahol a hiba van. Az ilyen bonyolult rendszerek irányítása, diagnózisa csak a

Irodalom

teljes rendszer adatainak komplex elemzésével oldható meg. A kölcsönös függések, kölcsön-

[1] Cmar, G.; Gnerre, W. P.: Optimizing building

hatások a modellezés révén elemezhetőek ha-

HVAC

tékonyan. A műszaki összefüggéseket keresz-

through

data

and

costs.

=

Energy

Engineering, 103. k. 4. sz. 2006. p. 19–41.

tülvágó, rosszul meghatározott szervezetek és azok

egymástól

független

[2] Cmar, G.; Gnerre, W. P., Rubin, L.: Diagnosing

menedzselése

Complex System Interactions (from 1,000 miles

kontraproduktív, meggátolja a lehetséges ma-

away).

=

Proceedings

of

the

13th

National

ximális műszaki hatásfok és költségminimum

Conference on Building Commissioning, New York,

elérését.

2005. http://intdatsys.com/publications-papers.htm

♦♦♦♦♦♦♦ Az összeállításban szereplő cégek és termékek internetes honlapjai, illetve a róluk szóló információs lapok, ismertetők: UPS csomagküldő szolgálat: http://www.ups.com/ Microsoft SQL Server: http://www.microsoft.com/sql/default.mspx HVAC: http://en.wikipedia.org/wiki/HVAC VAV box: http://www.findarticles.com/p/articles/mi_m0BPR/is_12_19/ai_95763938 AHU: http://en.wikipedia.org/wiki/Air_handling_unit

60

fűtésének optimalizálása adatok és költségek

Recommend Documents