KONV

Fenntartható energetika megújuló energiaforrások optimalizált integrálásával (DEnzero) TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0041

DEnzero Debrecen 2013. január 1. – 2014. december 31.

2013/2.

Fenntartható energetika megújuló energiaforrások optimalizált integrálásával (DEnzero) | TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0041

DEnzero | TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0041

Intelligens épületek munkacsoport

a nagy volumenű termelés és elosztás összesített hatásfokával. • A helyben termelt energia illesztető a helyi fogyasztási igényekhez. A villamos energia hosszú távú és költséghatékony tárolása egyenlőre nem megoldott. Jelenleg az akkumulátor telepek optimális megoldást biztosítanak, és ezen a téren igen komoly globális kutatások folynak.

• Adaptivitás a környezeti paraméterekhez. A mérési és szabályozási rendszernek fel kell ismernie a környezeti változásokat és reagálni kell arra úgy, hogy a szolgáltatás biztonsága ne változzon. A legfontosabb környezeti paraméterek: az időjárási környezet, amelytől a termelési lehetőségek függenek, a fogyasztási szokások megváltozása, valamint a tárolási lehetőségek aktuális állapota.

Helyben történő energia előállítása mellett fontos az intelligens épületekhez kötődő mérési és szabályozási módszerek kidolgozása, amelynek a következő követelményeknek kell megfelelni: • Helyi termelési lehetőségek és fogyasztási igények összehangolása. Talán a legfontosabb kritérium a stabil és megbízható szolgáltatás. Zaj és zavartűrő, valós idejű mérési módszerek képesek a termelési és fogyasztási állapotról megbízható adatokat szolgáltatni, valamint az intelligens szabályozási rendszer összehangolja a termelés, fogyasztási és tárolási lehetőségeket. • Megbízhatóság és hibatűrés. A szabályozási rendszernek megbízható algoritmusokat és fi zikai elemeket kell tartalmaznia. Az algoritmusoknak valós időben kell felderíteniük és kezelniük a hardver vagy szoftveres hibákat. Szükség esetén kapcsolatba kell lépniük távoli rendszerekkel vagy operátorral ha a hibaelhárítás helyileg nem megoldható.

A helyben történi termelés legfontosabb alkalmazási területei: • A helyi fogyasztási csúcsokhoz való alkalmazkodás, a csúcsfogyasztások kiszolgálása. A csúcsfogyasztás kiszolgálásával csökkenhet a hálózatból felvett energia mennyisége, így olcsóbb lehet a hálózati betáplálás karbantartási költsége, és a hálózatból felvett energia költsége. • A helyi nem szinuszos fogyasztás kompenzálása. A mai modern elektronikai eszközök nagyrész kapcsoló üzemű energia átalakító egységeket tartalmaznak, amelyek bár energiatakarékosak, de nem szinuszos fogyasztást, és így zavart és zajt generálhatnak a hálózatban. Ezeket a nem szinuszos és energiatartalmukat tekintve alacsony zavarokat már relatív kis mennyiségű megújuló energiaforrásból származó energiával kompenzálni lehet. A cél a szinuszos (vagy egyenáramú) hálózat, illetve a többi fogyasztó (vagy termelő) egység védelme.

Ha az épület automatikusan, azaz emberi beavatkozás nélkül, vagy csak minimálisan szükséges emberi beavatkozással képes ellátni feladatait intelligens épületnek nevezzük. Megkülönböztetünk olyan épületmechatronikai megoldásokat amelyek • központi intelligencia; • elosztott intelligencia; vagy • összetett intelligencia használatával működtetik az épületek berendezéseit, vagy fogadják azok jelzéseit. Az épületek működhetnek folyamatos emberi ráhatással, érzékelők paraméterei alapján, vagy az intelligenciát hordozó vezérlőkre letöltött szoftverek segítségével, távfelügyeletről; külön-külön, de akár egyszerre is. A távfelügyeletet meg lehet valósítani egy nyomógomb és egy ellenőrzőfény; érintőképernyő; egy vagy több távoli számítógép, hordozható számítógép; tenyérszámítógép segítségével egyaránt. Az intelligencia az épületek esetében magába foglalja • az alkalmazott technológiát; • a felhasználó kívánságait; • a fejlesztői és alkalmazói szoftverkörnyezetet; • a külső-belső szenzorokat, azok paramétereit; • a klímavezérlést,

• a világítástechnikai vezérlést; • energia ellátás felügyeletét, • az alternatív energiaforrások kihasználását; • a biztonságtechnikai rendszerek felügyeletét, azaz behatolásjelzést és védelmet; • benntartózkodás és egyéni jogosultságok kezelését; • a tűzjelzést és oltást; • a nyílászárók vezérlését és állapotának megjelenítését mozgatását; • a szórakoztató elektronikai berendezések vezérlését; • a háztartási eszközök automatikus vagy kézi vezérlését; • számítógéphálózatot • a múltra vonatkozó adatok gyűjtését, kiértékelését; és ez alapján a folyamatok esetleges módosítását; • a magas fokú rugalmasságot; • a teljes körű vizualizáció; • a teljes körű felügyelet és távirányíthatóságot; tehát gyakorlatilag minden olyan feladat, ami az üzemeltetés során adódik. Ha a felsorolást végignézzük, nem találunk egyetlen olyat sem, amely valamely módon ne kapcsolódna a nulla vagy „közel nulla” energiaigényű létesítmények üzemeltetési kérdéseihez.

A helyben történő energia-előállítás fontossága A nulla vagy „közel nulla” energiaigényű létesítmények kialakításának elméleti és néhány gyakorlati módja is ismert. Ezekben a fejlesztésekben és a megvalósulásban közös, hogy a kezdeti elgondolásokat, amelyek az energiafelhasználás lehető legkisebb mértékűre történő redukálását célozták meg és jellemzően a hőszigeteléssel foglalkoztak, ma már olyan létesítmények kerülnek előtérbe ahol az energiahatékonyságának nagyon magas szintje miatt – a teljes éves primerenergia fogyasztása ugyanannyi vagy kevesebb, mint a megújuló energiaforrásokból a helyszínen termelt energia mennyisége. Az energiaköltségek növekedésének és az üvegházhatású gázok kibocsátásának egyre szigorúbb szabályai ismeretesek és az is ismert, hogy minden ebben a témában történő kutatás keresi a lehetőséget az energiafogyasztás csökkentésére, a helyszínen termelt javarészt megújuló energia menynyiségének növelésére. Ezért egyre nagyobb szerepe

van a városias beépítés feltételek között működtetett létesítmények, épületek energiaigényének vizsgálatára, statisztikai elemzésére, hiszen itt koncentráltan lehet az energiafelhasználást és a helyben előállított energiát egyensúlyba hozni. Ismert tény, hogy az energiaellátás egyik sarkalatos kérdése az osztott energia előállítása és szállítása során keletkezett veszteségek – ami akár 2/3 rész is lehet – kiküszöbölése. Ez vonatkozik a hőenergiára csakúgy, mint a villamos energiára. Ha az energiát teljes mértékben sikerülne a helyszínen előállítani jelentős energia-megtakarítás érhető el. A helyben történő energia előállításnak két fontos előnye van: • A termelési és elosztási veszteségeket lehet csökkenteni, természetesen feltételezve azt, hogy a helyben termelő energia hatásfoka minimum megegyezik

Épületmechatronika mint az intelligens létesítményekben felhasznált energia hatékonyság növelésének eszköze Régen is volt cél volt a létesítményekben, az épületekben az energiafelhasználás és az épületgépészeti rendszerek karbantartási költségeinek minimalizálása. Azonban jelentősége az után növekedett ugrásszerűen, hogy az energiaárak növekedése, valamint az energiaelőállítás környezetterhelésének felismerésén túl az elektronikai ipar olyan új eszközöket fejlesztett, amelyek valóban hatékonyan képesek kontrolálni az energiafelhasználást, és képes a helyben előállított energiát csak megnövekedett igény esetén az osztott energiahálózatból kiegészíteni. Az energiafelhasználás csökkentésének legjelentősebb elvi lehetőségei: • 15–50%-kal csökkenhet egy létesítmény épületgépészeti rendszereiben alkalmazott villamos motorok

energiaigénye, ha a hagyományos szivattyú- és szellőztetőrendszerben a villamos motort nem közvetlenül táplálják és nem csak a névleges fordulatszámon üzemeltetik, hanem a motor vezérléséhez alkalmazható frekvenciaváltót alkalmaznak. • 30%-os megtakarítás érhető el a létesítmények világításra fordított energiafelhasználásából, ha a hagyományos fényforrások új, energiatakarékosra való cseréje után, olyan energiatakarékossági eszközök beüzemelése követ, amelyek automatikusan fel- és lekapcsolják a világítást, és igazodnak a fényerőhöz, illetve ahhoz, hogy van-e valaki a helyiségben. Potenciális megtakarítási lehetőség még a felesleges és felkapcsolva felejtett világítás kiiktatása is. (forrás: Cardonnel Tanácsadó cég). A világítás Európában az összes villamosenergia-fogyasztás 14%-át, a világon pedig 19%-át



teszi ki (forrás: IEA, Nemzetközi Energiahivatal). • 10%-os megtakarítás érhető el a teljes energiafelhasználásából, ha az egyébként a helyszínen rendelkezésre álló meddő energiát is hasznosítani tudjuk. Ezt fázisjavító eszközökkel lehet megoldani, amivel növelhető a rendelkezésre álló valós energia.

tronikának defi niálunk. Kutatóink kiterjedt elméleti és gyakorlati tapasztalattal rendelkeznek intelligens terek épületgépészeti rendszereinek automatizálásával, épületinformatikai támogatásának kidolgozásával, valamint a hagyományos épületgépészeti technológiával ellátott illetve korszerűsített, esetleg megújuló energiát hasznosító rendszerekhez költséghatékony intelligens automatizálási feladatainak kidolgozásával kapcsolatosan.

A felsoroltak elméleti és részben elszigetelt laborkörülmények közötti gyakorlati bizonyítása ismert, kísérletekkel szükséges bizonyítani ezeket az elveket, illetve szükséges vizsgálni, hogy a fejlesztések hatá-

sára a létrejövő költségszint valóban lehető legalacsonyabban van tartva. A kísérleti alapkutatás szükségszerűségét indokolja, hogy intelligens épületekben az automatizáláshoz már szorosan kapcsolódnak a felügyeleti, monitorozó és elemző rendszerek, de nem áll rendelkezésre olyan kísérleti mérési adathalmaz, amely alapját képezhetné bármilyen fokú intelligens épület automatizálásának kísérletekkel alátámasztott, energiahatékonysági szempontok szerinti kialakítását (természetesen a többi szempont pl komfortérzet fi gyelembevételével).

Az Intelligens épületek munkacsoport Az Intelligens épületek munkacsoport a városléptékű megújuló energiás alkalmazások, az életciklusra vetített energiamérleg, valamint az intelligens szabályozás kérdéskörében rendelkezik megfelelő kompetenciákkal és laborháttérrel ahhoz, hogy a kísérletek eredményeként jelentős kutatási eredményeket érjen el. Ennek érdekében: • Kísérleteket végzünk olyan ventillációs rendszerrel kapcsolatosan, amely a külső levegőt hasznosítja arra, hogy a belső levegővel energiát cseréljen (télen fűtse nyáron hűtse). Vizsgálatokat végzünk a helyiségek elhasznált levegőjének hasznosítási lehetőségei feltárására. Mérni kívánjuk, hogy a helyiség szellőztető rendszeréhez történő csatlakoztatás esetén milyen hatásfokkal alkalmazható a helyiség levegőjének szárítására. • Kísérleteket a Nap besugárzási energia és az energia vízben történő tárolásának áramlási, besugárzási összefüggéseinek szabályozó függvényekben történő leírásához, az energiaegyenletek meghatározásához. Kísérleteket végzünk Nap besugárzási energia és a villamos energia előállításával kapcsolatosan. Szeretnénk megvizsgálni annak lehetőségét, hogy a helyben

termelt villamos energiát ne kapcsoljuk vissza a hálózatba, hanem az előállított energia felesleg akkumulátorok nélkül a helyszínen – például vízben – tárolható legyen. Ehhez a kísérletek besugárzás-felhasználás tárolás energiamérlegét és azok összefüggéseit kell feltárni. • Kísérleteket végzünk azzal a céllal, hogy a lakásokban leggyakrabban alkalmazott energiatárolási módok közül a meleg vízben tárolt energiát hogyan lehet a legnagyobb hatásfokkal előállítani és az előállítás milyen helyben előállított energiaforrásból és átalakítási lehetőségekkel történhet. • Az energiatakarékos szellőztetés céljára készülő ablakfelületek besugárzása során nyert energia előállításához szükséges mérési kísérlet kidolgozása; Függőleges légáramlatban alkalmazható energiatermelő berendezésekhez szükséges mérési kísérlet kidolgozása; Elszívó szellőztetés és égéstermék elvezetésébe alkalmazható függőleges légáramlatból energiatermelés lehetőségeinek vizsgálatához mérési kísérlet kidolgozása.; Épületszerkezetekben kialakuló vagy tudatosan kialakított szellőzések (pl. tetőhéjalásban) áramlási viszonyainak vizsgálatához mérési kísérlet kidolgozása.

A kutatás céljára igénybevett laborháttér: Épületmechatronikai kutatólaboratórium 1.1. A labor célja A labor célja intelligens mérési kiértékelési és beavatkozási valamint tervezési eljárások kidolgozása. A laborban folyó nemzetközi kutatásaival segíti a gyakorló tervezőket, üzemeltetőket és kivitelezőket, hogy a meglévő és új épületekhez energetikailag hatékonyabb épületgépészeti és épületfelügyeleti rendszereket alkalmazzanak, és az épületek kielégítsék a benne tar-

tózkodók komfortérzetét, különleges igényeit akár a normáltól eltérő környezeti hatások esetén is.

1.2. A labor kompetenciája A labor kompetenciája az épületautomatizálás, épületfelügyelet és biztonságtechnika integrált részei beleértve a szükséges érzékelők, szabályzók, beavatkozók működését is, amit mi együttesen épületmecha-

1.3. A labor támogatói és partnerei A labor erős támogatói háttérrel rendelkezik, ezért kutatási és oktatási tevékenységét a legmodernebb eszközökkel látja el. A labort a HURO/0802/155_ AFA „Intelligens Épületek létrehozását támogató Magyar-Román Kutató-fejlesztő Platfom” pályázat alapján Európai Uniós forrásból az Európai Regionális Fejlesztési Alap közreműködésével hoztuk létre. A megújuló energiákat hasznosító berendezéseket az ENERGOTEST Kft-vel közösen építettük ki, a mérési és automatizálási feladatokat a National Instruments eszközeivel és szoftvereivel valósítottuk meg.

1.4. A labor fő felszerelései, eszközei A kutatólaboratóriumban található egyedi gyártású berendezés felépítése, kialakítása olyan, hogy a lehető legjobb hozzáférést biztosítsa az oktatás, kutatás, bemutatás és a mérések érdekében. Forróvíztárolós hőszivattyús rendszer Hibrid többkörös, moduláris, körönként külön-külön is üzemeltethető hőszivattyús rendszer. Alkalmas levegő, víz, és egyéb hő közlő közeg (fagyálló, termo-olaj, sóoldat) feltöltésére. A kialakítás lehetővé teszi két-kutas és/vagy talajszondás, medencés esetlegesen nagyméretű zárt tárolótartályok alkalmazásával megvalósított rendszerekhez történő alkalmazását is. A hőszivattyús rendszer az energetikai mérések elvégzésén túl alkalmas a hőszivattyú méretezéssel kapcsolatos mérések elvégzésére különböző paraméterek változtatása mellett (pl. olajfelhasználás, nyomás lépcsők, hőmérsékleti lépcsők, gázminőség). Egy- egy hőszivattyú kör gáztartalma maximum 2,99 kg. A berendezések az épület meglévő rendszerébe került integrálásra így az épületben modellezni és mérni lehet 60 m 2 –es lakás, kisebb irodaház valamint kisebb ipari létesítményben történő alkalmazását is.

Légcsatornás hőszivattyú rendszer A hőszivattyú kompresszorának paraméterei mérhetőek és paraméterezhetők. Monitorozási és paraméterezési lehetőség az épület informatikai hálózatán keresztül biztosított akár távoli eléréssel. A beépített 100 literes hőtartály mérőpontokkal rendelkezik, és csatlakozási lehetőség is ki van építve külső tároló tartályhoz. A vízkörben biztosított a gyors csatlakoztathatóság és átszerelhető, mert önzáró gyorscsatlakozókkal kerül ellátásra. Alkalmas különböző hőközlő közegekkel való együttműködésre (fagyálló, termo-olaj, sóoldat). Egykörös üzemelési lehetőség sziget üzemmódban, valamint többkörös üzemelési lehetőség kiegészítő fűtésként – 1200W-al. A rendszer vezérelt leolvasztása valamint a biztonsági retesz feltételek figyelése (magas nyomás, alacsony nyomás, folyadék keringés, hőmérséklet szélső értékek, forgásirány,fázis kimaradás, karter hőmérséklet) biztosított. Sziget üzemmódban, saját tartályával is üzemképes és önálló elektronikus vezérléssel rendelkezik melynek HMI interfészén keresztül lokálisan is paraméterezhető. Ethernet hálózaton keresztül működési paraméterei és a mérési pontok értékei elérhetőek, változtathatóak. A berendezés – ésszerű korlátok mellett – lehetőséget ad a kompresszor, a gázkör, az elpárologtató- és a kondenzátorkör paramétereinek változtatására. Ezzel lehetővé válik a hőszivattyú gázrendszer befolyásolása is. A vezérlés a működési feltételek szélső értékeiben korlátozza a paraméterehetőséget, így a berendezés védetté válik az esetleges hibás üzemi paraméterek beállításával szemben. A rendszer mind egykörös, mind többkörös üzemmódban csatlakoztatható külső tárolókhoz, termelt hője kinyerhető. A telepítés helyén kialakított csatlakozó felületeken keresztül több konfigurációban is üzemeltethető ( tartályok soros- párhuzamos üzeme, tandem illetve kaszkád üzem, épület HMV és/vagy fűtési körébe történő becsatlakozás). A berendezés el van látva kiegészítő fűtéssel és fagymentesítési lehetőséggel is, így jól modellezhetőek a szélsőséges időjárási körülmények közötti üzemelés paraméterei is. Az hőszivattyú alkalmas gyors átszerelésre, újabb helyre történő telepítésre, és a bekötés után azonnal bekapcsolható, használatba vehető, és tartozékként rendelkezik beépített kiegészítő fűtéssel, szabályzóval és keringető szivattyúval. Hőszivattyús forróvíztároló Önálló elektronikus vezérléssel rendelkezik melynek HMI interfészén keresztül lokálisan is paramé-


terezhető. Ethernet hálózaton keresztül működési paraméterei és a mérési pontok értékei elérhetőek, változtathatóak. A berendezés – ésszerű korlátok mellett – lehetőséget ad a kompresszor, a gázkör, az elpárologtató- és a kondenzátorkör paramétereinek változtatására. Ezzel lehetővé válik a hőszivattyú gáz-rendszer befolyásolása is. A vezérlés a működési feltételek szélső értékeiben korlátozza a paraméterezhetőséget, így a berendezés védetté válik az esetleges hibás üzemi paraméterek beállításával szemben. A telepítés helyén kialakított csatlakozó felületeken keresztül több konfi gurációban is üzemeltethető ( tartályok sorospárhuzamos üzeme, tandem illetve kaszkád üzem, épület HMV körébe történő becsatlakozás ) A tartályba közvetlenül csatlakoztatható egy szolár rendszer folyadékköre. A vezérlés képes kommunikálni a szolár rendszer vezérlésével így támogatva mindkét rendszer hibamentes üzemét. A készülék a beépítés helyiségének levegőjét felhasználva melegíti fel a tárolóban lévő vizet, a hőszivattyúból kifúvott levegő pedig a helyiség hűtését végzi. A rendszer jellemzői: Vákuumcsöves napkollektor (1000W) A vákuumcsöves napkollektor állványra szerelt kialakításával elérhető, hogy mozgatása, a vízrendszerbe való bekötése gyorsan és egyszerűen elvégezhető. A hőközlő közeg kifolyását önzáró gyorscsatlakozók biztosítják. A csatlakozás flexibilis csövekkel tetszőleges pozícióban oldható meg. A kialakított állványszerkezet használaton kívül a biztonságos tárolást is biztosítja. A kollektoroknál a tömegáramot és a ki-, belépő hőmérsékletet, a felület hőmérsékletét és a beeső fényteljesítményt lehet mérni. A termelt meleg víz a puffertartályba és azon keresztül az épület HMV rendszerébe van vezetve. Sík napkollektorok: A síkkollektor állványra szerelt kialakításával elérhető, hogy mozgatása, a vízrendszerbe való bekötése gyorsan és egyszerűen elvégezhető. A hőközlő közeg kifolyását önzáró gyorscsatlakozók biztosítják. A csatlakozás flexibilis csövekkel tetszőleges pozícióban oldható meg. A kialakított állványszerkezet használaton kívül a biztonságos tárolást is biztosítja. A kollektoroknál a tömegáramot és a ki-, belépő hőmérsékletet, a felület hőmérsékletét és a beeső fényteljesítményt az ajánlott rendszerrel lehet mérni. A kollektor gyorscsatlakozóval kerül ellátásra és állványzatra kerül elhelyezésre. A kollektor és a fogadó pontig flexi csövekkel került csatlakoztatásra. A meg-


termelt meleg víz a puffertartályba és azon keresztül az épület HMV rendszerébe van bekötve. Puffertárolók: A három db puffertároló kialakításánál fő szempont volt a lehetséges csatlakozási kombinációk legnagyobb számának a kialakítása és a külső rendszerek becsatlakozásának a lehetősége. Ennek érdekében a tárolókat a rendszerekhez és egymáshoz történő csatlakozásaiknál motoros, távvezérelhető szelepekkel és speciálisan erre kialakított elektronikus vezérléssel láttuk el. A vezérlés felügyeli a biztonságos csatlakoztatás, az átkonfi gurálás és az üzemelés szélsőértékeit. Méri a hőmérsékleteket, nyomásokat, áramlási viszonyokat. A szükséges mértékig együttműködik a hőszivattyús rendszerekkel és a napkollektoros rendszerekkel. A rendszer működése és paraméterezhetősége ETH hálózaton keresztül biztosított. A rendszer a puffertárolókkal együtt integráltan tartalmazza szükséges légtelenítési, tágulási, keringetési és biztonsági alrendszereket is. A fűtővízzel töltendő puffertárolók alkalmasak a napkollektorokból és a hőcserélőkből érkező melegvíz tárolására és szükség szerint a HMV rendszerbe való továbbításra. Napelemek (PV) kutatási célra A napelemek a Műszaki Karon meglévő forgató állványára szerelhetők fel, de dolgozhatnak önállóan is. A használaton kívüli napelem táblákat egy tárolószállító kocsiban helyezzük el, amely egyben biztosítja a biztonságos tárolás és a könnyű szállíthatóság feltételeit. A napelemes rendszer alkalmas a hálózatba való visszatáplálásra, saját energia tároló elemeket nem tartalmaz. A bemutatás és a tárolási lehetőség modellezésére minimális akku kapacitással és töltésvezérlővel van ellátva a rendszer, melynek minden eleme mérőrendszerre van csatlakoztatva. A mérőrendszer adatai ETH hálózaton hozzáférhetőek. Forgató állvány A tanszéken 2010-ben fejlesztett forgó és billenő mozgásra is képes napelem- illetve napkollektor állványzat amely a Napot követve a mindenkori sugárzás beesési szögéhez képest a szolár elemek optimális helyzetét képes biztosítani, fi gyelembe véve az aktuális időjárási viszonyokat is.

Összeállította a kutatócsoport A kutatócsoport tagjai: Dr. Husi Géza munkacsoport vezető (DE) Dr. Korondi Péter (BME) Dr. Hideki Hashimoto (Chuo Egyetem Tokió, Japán) Dr. Szemes Péter (DE) Dr. Szász Csaba (Kolozsvári Műszaki Egyetem, Románia)

Dr. Mihoko Niitsuma (Chuo Egyetem Tokió, Japán) Bartha István (DE) Piros Sándor (DE) Vitéz Attila (DE) Darai Gyula (DE) Nagy István (DE)

Szerkesztette: A munkacsoport


Debreceni Egyetem és Széchenyi István Egyetem, Győr

KONV

Recommend Documents