سیستمهای کنترل هوشمند تأسیسات حرارتی ساختمان
سیستمهای کنترل هوشمند تأسیسات حرارتی ساختمان
چکیده :
محدودیت منابع انرژی،آلودگی زیست محیطی،هزینه های هنگفت بالادستی در توسعه منابع انرژی همگی مسائلی است که دولت های کشورهای توسعه یافته و درحال توسعه را به خود مشغول کرده است. در این میان اختصاص ۴۰% منابع انرژی به بخش ساختمان، کنترل و بهینه سازی مصرف انرژی این بخش را بیش از پیش حائز اهمیت می سازد.
وجود الگوهای نادرست مصرف انرژی و شدت بالای آن که در کشور ما به مراتب بیش از متوسط استانداردهای جهانی می باشد و تولید و انتشار آلاینده های زیست محیطی یکی از معضلات فراروی دولت می باشد که باعث اهمیت دو چندان ارایه راهکارهای عملی بهینه سازی مصرف سوخت و انرژی در کشور ما می گردد.
در این مقاله سعی بر آن است تا با ارائه مشخصات طرح ،به ویژگی های منحصر به فرد روش های نوین کنترل تاسیسات حرارتی ساختمان پرداخته شود. استفاده از این سیستم امکان دسترسی به صرفه جویی در مصرف انرژی تا ۲۵ درصد در ساختمان های مسکونی و تا ۶۵ درصد در ساختمان های غیر مسکونی و اداری را فراهم می کند.
واژه های کلیدی :
سیستم مدیریت هوشمند انرژی در تأسیسات حرارتی ساختمان (BEMS)،آبگرم مصرفی (D.H.W)،دمای محیط خارج ساختمان (Outside Temp)،آبگرم رفت چرخشی در تاسیسات (C.H.W)،آبگرم برگشتی تاسیسات حرارتی(R.H.W)،مشعل پیشرو،مشعل پسرو،پیش راه اندازی هوشمند تاسیسات حرارتی،تسریع در خاموشی تاسیسات حرارتی
مقدمه :
متأسفانه سیستمهای عمومی و فراگیر تأسیسات حرارتی موجود در کشور بدلیل بهره گیری از تکنولوژی قدیمی فاقد کارآیی و راندمان لازم در بهینه سازی مصرف سوخت و انرژی می باشند.
در حال حاضر اساس کنترل دما در تأسیسات حرارتی ساختمان به روش سنتی و توسط تنظیم درجه حرارت ترموستات دیگ می باشد، تنظیم مربوطه باعث کنترل دمای آب گرم چرخشی در تأسیسات(C.H.W) و به تبع آن آب گرم مصرفی(D.H.W) میگردد.
در این روش هیچگونه کنترل و نظارت دقیقی بر میزان دمای مورد نیاز آب گرم چرخشی در سیستم های گرمایشی و آبگرم مصرفی صورت نمی گیرد و سیستم قادر به درک و شناسایی مناسب ترین وضعیت کنترل رژیم حرارتی ساختمان جهت دسترسی به الگوی صحیح مصرف انرژی توأم با ایجاد محدوده آسایش حرارتی برای ساکنین نمی باشد.(شکل۱)
همانگونه که از اطلاعات نمـودار ۱ مشخص اسـت با گرم شدن دمـای محیط خارج سـاختمان، هیچگونه پاسخی در وضعیت کنترلی تأسیسات حراتی دیده نمی شود و همچنین دمای داخل ساختمان با اختلاف ۳ درجه سانتیگراد بین ۲۷ تا ۳۰ درجه می باشد که خارج از محدوده آسایش حرارتی است.
در چنین شرایطی معمول باز شدن پنجره ها راه حل مناسبی برای تعدیل دمای محیط زندگی می باشد !
طرح شماتیک نصب سیستم های کنترل هوشمند BC 420 :
نحوه عملکرد و مشخصات سیستم :
امروزه با استفاده از روشهای نوین کنترل و مدیریت هوشمند انرژی در تأسیسات حرارتی ساختمان امکان کنترل تأسیسات حرارتی با رعایت الگوهای صحیح مصرف انرژی میسر می باشد .
اصـول بهینـه سـازی مصـرف انـرژی توسـط “سیسـتم مـدیریت هوشـمند انـرژی در تاسیسـات حرارتی ساختمان” انداز ه گیری دما و دریافت اطلاعات از سنسورهای حرارتی می باشد . این سنسورها بر روی مسیر رفت آب گرم مصرفی،کلکتور رفت تاسیسات و محیط خارج ساختمان (ضلع شمالی) نصب می شوند.سپس پروسسور سیستم، اطلاعات دریافتی را تحلیل و مطابق پارامترهای کنترلی تنظیم شده مشعل یا مشعل ها را در زمان های مقتضی روشن،و وضعیت آب گرم مصرفی در حالت تابستانی بودن تاسیسات حرارتی و گرمایش و آب گرم مصرفی در حالت زمستانی بودن تاسیسات حرارتی را کنترل می نماید.
منحنی نمودار ۲ تغییر دمای محیط خارج یک ساختمان مسکونی طی یک هفته و پاسخ سیستم کنترل را نمایش می دهد.اختلاف سطح بالای این منحنی با خط یکنواخت ۷۵ درجه سانتیگراد(عملکرد فرضی کنترل دما توسط ترموستات دیگ) نشانگر میزان انرژی صرفه جویی شده می باشد.
توسط سیستم کنترل هوشمند تاسیسات حرارتی، دمای آب گرم مصرفی با دو دمای حداقل و در دو زمان متفاوت در طی شبانه روز بطور دلخواه تنظیم و کنترل می شود به عنوان مثال از ساعت ۶ تا ۲۳:۳۰ دمای آب گرم مصرفی برروی ۴۶ درجه سانتیگراد تنظیم می شود و ازساعت ۲۳:۳۰ تا ۶ صبح که زمان استراحت افراد و عدم استفاده از آب گرم می باشد این دما به ۴۳ درجه سانتیگراد کاهش می یابد.
کنترل گرمایش توسط یک منحنی حرارتی انجام می شود . در این منحنی دمای آب گرم رفت تاسیسات(آب گرم چرخشی در رادیاتورها) تابعی از درجه حرارت محیط خارج ساختمان می باشد و بصورت لحظه ای خودکار و هوشمند، متناسب با تغییرات دمای محیط خارج ساختمان کنترل می گردد. و باعث ایجاد دمای یکنواخت مناسب در محل زندگی می شود حتی در برخی مواقع ولرم بودن رادیاتورها از نظر روانی ساکنین را دچار مشکل می نماید. در صورتی که عامل آسایش حرارتی،دمای مطلوب داخل ساختمان می باشد نه دمای رادیاتور!!!!
در نمودار ۲ تغییرات دمای آب گرم چرخشی در تاسیسات حرارتی که تابعی از درجه حرارت محیط خارج ساختمان میباشد،باعث کنترل دمای داخل ساختمان در محدوده آسایش حرارتی شده است.دمای داخل ساختمان با حداکثر ۱ درجه تغییر ما بین ۲۴ تا ۲۵ درجه سانتیگراد و در محدوده آسایش حرارتی می باشد.(نمودار۳)
از نظر اجرایی با استفاده از یک سیستم کنترل هوشمند می توان متناسب با میزان گرمای مورد نیاز در ساعات مختلف شبانه روز و همچنین متناسب با تقاضای بار سیستم،تعداد مشعلهای در سرویس را کم یا زیاد نمود . در این صورت تلفات حرارتی سیستم گرمایشی به شدت کاهش یافته و به میزان قابل توجهی در مصرف انرژی صرفه جویی می گردد .
نحوه کلی عملکرد سیستم به این صورت می باشد که یک دیگ به عنوان دیگ پیشرو در سرویس بوده و در صورت نیاز و طبق پارامترهای کنترلی تعریف شده،سایر مشعل ها بعنوان مشعل پسرو در صورت نیاز وارد سرویس می شوند.
در صورت استفاده از این سیستم در ادارات و ساختمانهای غیر مسکونی،علاوه بر آن که سیستم به صورت هوشمند و متناسب با تغییرات درجه حرارت خارج ساختمان با برنامه ریزی ساعت کاری اداره در روزهای مختلف، تأسیسات حرارتی را پیش راه اندازی و کنترل می نماید،در ساعت های پایانی کار اداره نیز، تأسیسات حرارتی را زودتر از زمـان برنامه ریزی شده و متناسـب با دمای محیط خـارج ساختمان به صورت هوشمند غیرفعال می نماید.در نمودار ۴ پیش راه اندازی و تسریع در خاموشی هوشمند تاسیسات حرارتی یک اداره نشان داده شده است.
در این نمودار،عملکرد سیستم هوشمند مدیریت انرژی در موتورخانه اداره آموزش و پرورش منطقه ۱۰ تهران نمایش داده شده است. تأسیسات حرارتی برحسب دمای محیط خارج ساختمان در زمان مورد نظر روشن شده و پس از مدت زمانی، دمای آب گرم چرخشی به حالت تعادل می رسد و از آن پس مطابق با تغییرات دمای خارج ساختمان کنترل می شود.
همانگونه که در نمودار مشخص است ساعت کاری اداره از شنبه تا چهارشنبه ۷ الی ۱۷ و پنج شنبه ها ۷ الی ۱۳ می باشد و خاموشی تأسیسات حرارتی این اداره در روز جمعه مشهود می باشد.
در منحنی های نمودار ۵ دمای آب گرم رفت چرخشی در تاسیسات حرارتی( C.H.W) و دمای آب گرم مصرفی ( D.H.W) و مصرف گاز روزانه متناسب با تغییرات درجه حرارت محیط خارج ساختمان در یک دوره ۲ ماهه از ۷/۸/۸۲ تا ۶/۱۰/۸۲ در یک ساختمان مسکونی در چیذر تهران که تاسیسات حرارتی آن توسط سیستم مدیریت هوشمند انرژی کنترل می شود،نمایش داده می شود.
محور عمودی این دیاگرام برحسب درجه سانتیگراد و مصرف گاز روزانه (m*3) مصرف گاز می باشد.
خط ثابت ۶۰ (۱۸۰=۶۰*۳) مترمکعب گاز مصرف روزانه سالهای گذشته قبل از نصب سیستم هوشمند می باشد.مقادیر زیر این خط ثابت تا منحنی مربوط به مصرف گاز(Fuel Consumption) میزان صرفه جویی گاز در شبانه روز می باشد که به طور متوسط مقدار این صرفه جویی ۲۳% است.
در نمودار ۵ دماهای C.H.W،D.H.W و Out Side متوسط دماهای مربوط به هر روز می باشند.
در سایر منحنی ها پاسخ سیستم کنترل به تغییرات درجه حرارت محیط خارج ساختمان مشخص می باشد.
کنترل عملکرد پمپ های سیرکولاسیون توسط سیستمهای هوشمند موتورخانه :
در وضعیت فعلی موتورخانه ها , پمپ های سیرکولاسیون یا دائم روشن می باشند و یا توموستاتهای جداری کنترل می شوند.درصورت وجود ترموستات جداری پمپ , مبنای تنظیم دمای ترموستات جداری ایجاد اختلاف دمایی در حدود ۱۰ درجه سانتی گراد با دمای تنظیمی ترموستات دیگ می باشد .
علاوه برتأثیر مستقیم خطای ترموستاتهای جداری و یا ترموستات دیگ بر کنترل عملکرد پمپ هایسیرکولاسیون ،درصورت بال بودن دمای آب گرم بهداشتی در منبع های آب گرم مصرفی و در صورت کارکرد پمپ،فرآیند انتقال انرژی در مواقعی از شبانه روز(خصوصا نیمه های شب در تابستان)معکوس می گردد،آب چرخشی را گرم می نماید.
نتیجه این امر روشن شدن های متوالی مشعل و کارکرد بیهوده آن و افزایش مصرف سوخت می باشد.
همچنین در صورت تابستانی بودن تاسیسات حرارتی، مواقعی پمپ خاموش می باشد ولی آب گرم چرخشی دمای بالایی دارد. درصورت خاموش بودن پمپ سیرکولاسیون و راکد ماندن این حجم آب گرم،تنها بخش کمی که در منبع دو جداره یا کوئلی قرار گرفته است با آب مصرفی تبادل حرارتی انجام می دهد و مابقی این حجم آب گرم که در سیستم لوله کشی و دیگ می باشد بیهوده دمای خود را از دست می دهد . به منظور جلوگیری از این اتلاف انرژی می بایست حتی المقدور از دمای آب گرم چرخشی استفاده نمود.
یکـی دیگـر از مـوارد بهینـه سـازی مصـرف سـوخت و اسـتفاده از سیسـتمهای کنتـرل هوشـمند تأسیسـات حرارتی ساختمان،کنترل عملکرد پمپهای سیرکولاسیون است که علاوه بر کاهش مصرف سوخت و انرژی الکتریکی، موجب افزایش عمر مفید و کاهش استهلاک الکتروپمپهای سیرکولاسیون می شود.
در منحنی های زیر بصورت شماتیک درصد صرفه جویی در مصرف سوخت و انرژی الکتریکی پمپها در فصلهای تابستان و زمستان و به تفکیک نوع کاربری ساختمان (مسکونی ـ غیر مسکونی) مورد بررسی قرار می گیرد .
منحنی عملکرد پمپ در تابستان :
درصد صرفه جویی سوخت حاصل از عملکرد پمپ مسکونی تابستان زمستان
بررسی اثر کنترل پمپ های سیرکولاسیون بر میزان صرفه جویی در مصرف سوخت ساختمانهای
غیرمسکونی توسط سیستم های کنترل هوشمند BC 420
۱۲ساعت زمان کاری ساختمان غیر مسکونی : ۹% صرفه جویی در مصرف سوخت در اثر کنترل پمپ های سیرکولاسیون
۱۲ساعت تعطیلی ساختمان غیر مسکونی : ۱۰۰% صرفه جویی در مصرف سوخت و انرژی الکتریکی
۱۲ساعت روشن،اداره : ۹% صرفه جویی سوخا حاصل از عکلکرد پمپ
۱۲ ساعت خاموشی،اداه : ۱۰۰% صرفه جویی سوخت و برق
نحوه عملکرد شیر برقی On Linw Summer/Winter Valve
عدم تفکیـک محل تولیـد آب گرم چرخشـی درتأسیسـات حرارتی باعـث بروز مشـکلاتی در کنتـرل مصارف گرمایشی (تأمین آب گرم مصرفی ـ تأمین گرمایش) ساختمان می گردد.به عبارت دیگر در وضعیت موجود طراحی و نصب تجهیزات حرارتی در موتورخانه های کشور،آب گرم چرخشی(در زمستان) پس از گرم شدن از یک محل(دیگ ها) بصورت همزمان برای منبع های آب گرم مصرفی و سیستم های گرمایشی ارسال می گردد.
در دوره های آغاز و یا خاتمه فصل سرما خصوصا مهرمـاه و آبان ماه و اسفند ماه یا روزهای گـرم زمستانی بویژه در ساعتهای میانی روز , آب گرم چرخشی با دمای پائین نیاز ساختمان را برطرف می نماید.به عنوان مثال اگر دمای هوای خارج ساختمان(دمای سایه)۱۸ درجه سانتیگراد باشد آب گرم چرخشی با دمای ۴۵-۴۰ درجه سانتیگراد قادر به تامین آب گرم مصرفی ۴۷ درجه سانتیگراد می باشد؟ قطعا جواب این سوال منفی است.
بدلیل بروز این مشکل , مشعلها روشن شده تا با افزایش دمای حجم عظیم آب در گردش ساختمان،آب گرم مصرفی را به دمای مطلوب برسانند.نتیجه این امر افزایش بی مورد دمای رادیاتورها و یا وسایل گرمایشی ساختمان و اتلاف انرژی و علاوه بر آن عدم تثبیت درجه حرارت آسایش و ایجاد کلافگی در محیط زندگی می باشد.
جهت رفع مشکل مذکور توسط کنترل یک شیر برقی که داخل موتورخانه و پس از انشعاب گرمایش کلکتور نصـب گردیده اسـت،درصـورت نیاز موتورخانـه بصورت on line در زمستان بـه حالـت تابستانی/زمستانی تغییر وضعیت می دهد.نتیجه این امر علاوه بر افزایش تثبیت درجه حرارت آسایش،کاهش قابل ملاحظه مصرف سوخت به همراه بازگشت سرمایه در دوره ای کوتاه می باشد.
بنابراین on line summer/winter valve در حدود ۴ ماه از طول سال را فعال بوده و عملکرد مستمری دارد و در ۲ ماه عملکرد نسبی دارد و در ۶ ماه تابستان فاقد کارایی است و عملکردی ندارد.
به دلیل موارد ذکر شده عملکرد این شیر موجب می گردد دمای آسایش محیط زندگی در حد مطلوبی تامین گردد.
هنگامی که شرط گرمایش برقرار است ولی آب گرم مصرفی دارای دمای مطلوب نیست مشعل ها باید روشن شوند تا شرط آب گرم مصرفی برقرار شود. این امر باعث افزایش بی دلیل دمای رادیاتورها و ایجاد کلافگی در دمای داخل ساختمان می گردد.در صورت وجود شیر on line summer/winter valve و استفاده از آن به دلیل مصرف زیاد آب گرم مصرفی،دمای آب گرم کاهش می یابد،این شیر بسته شده و با کوتاه نمودن مسیر آب گرم چرخشی و کاهش حجم آن در مدت زمان کوتاهتری آب چرخشی را گرم و در نتیجه آب گرم مصرفی با صرف انرژی و هزینه کمتر و در زمان کوتاهتری به دمای مطلوب می رسد.
نمودار زیر مربوط به عملکرد شیر on line summer/winre valve در ماه های مختلف سال می باشد:
هر ۱۶۴/۲ مترمکعب گاز طبیعی معادل یک بشکه نفت خام می باشد.
مبنای محاسبه وزنی آلاینده ها ۲/۱ کیلوگرم آلاینده به ازای سوختن هرمتر مکعب گاز طبیعی می باشد.
خلاصه ای از نتایج ممیزی انرژی انجام شده بر روی ساختمان هایی که سیستم کنترل هوشمند BC 420 در آن ها نصب شده است :
در نمودار های زیربه ترتیب میزان مصرف انرژ ی(در زمان روشن بودن مشعل)بر حسب ثانیه در شبانه روز به منظور حفظ دمای آب گرم چرخشی در وسائل گرمایشی مدرسه راهنمایی واقع در اتوبان کردستان تهران و در یک روز تعطیل بهمن ماه مقایسه شده است.
متوسط دمای محیط خارج ساختمان ۱۰ درجه سانتیگراد بوده است.همانطور که مشخص است برای حفظ دمای ۶۵ درجه سانتیگراد (در حالت کنترل با ترموستات دیگ) ۵۳۰۰۰ ثانیه در شبانه روز مشعل ها روشن بوده اند.با کاهش این دما به ۵۰ درجه سانتیگراد (در حالت کنترل با ترموستات دیگ) این زمان به ۳۳۰۰۰ ثانیه کاهش یافته است و در حالت کنترل توسط سیستم هوشمند BC 420 و بر حسب ساعت کاری مدرسه این زمان به ۱۲۰۰۰ثانیه در شبانه روز کاهش یافته،به عبارتی درصد صرفه جویی مصرف سوخت بین حالت ۶۵ درجه ترموستات دیگ (روش کنترل عادی) و روش کنترل هوشمند ۷۷% می باشد.
در نمودار دوم همین مقایسه به منظور حفظ دمای آب گرم مصرفی (در حالت عدم مصرف از منبع) و در یک روز تعطیل در مدرسه راهنمایی در منطقه یوسف آباد تهران انجام شده است.
در نمودار بعدی عملکرد،کیفیت و کارایی تاسیسات حرارتی در یک اداره مورد بررسی قرار گرفته است.
نتیجه گیری :
با توجه به دامنه گسترده استفاده از تاسیسات حرارتی در ساختمان های قدیمی و جدید الاحداث،یکی از مناسب ترین گزینه ها جهت بهینه سازی مصرف انرژی استفاده از سیستم های مدیریت هوشمند انرژی در تاسیسات حرارتی می باشد.
ویژگی های منحصر به فرد کنترلرهای هوشمند موتورخانه :BC 420
- کاهش هزینه ها و صرفه جویی در مصرف سوخت تا ۶۰% در ساختمان های غیر مسکونی و تا ۲۰% در ساختمان های مسکونی
- مؤثرترین روش بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمان/کاهش دوره بازگشت سرمایه با افزایش بنای مفید ساختمان
- کاهش آلاینده های زیست محیطی و هزینه های اجتماعی
- مدت زمان موثر دوره بهینه سازی ۱۲ ماه در سال/زمان اجرای نصب ۱۲ماه سال/حداکثر زمان نصب در هر موتورخانه ۳ ساعت بدون انجام هیچگونه تغییرات مکانیکی
- قابل اجرا در ساختمانهای در حال احـداث و یا مورد بهره بـرداری/عدم جایگزینی با مصـالح وتجهیزات مشابه قبلی و جلوگیری از پرت سرمایه گذاری اولیه
- تثبیت محدوده آسایش حرارتی متناسب با تغییرات دمای محیط خارج ساختمان/تعیین و کنترل دمای آب گرم مصرفی در زمانهای مختلف شبانه روز
- سهولت کاربرد و امکان تنظیم برنامه های کنترلی سیستم بر حسب نوع کاربری ساختمان
- کاهش استهلاک و افزایش عمر مفید تجهیزات حرارتی/افزایش ضریب ایمنی موتورخانه
فهرست منابع
۱-تحلیل اصلاعات ثبت شده از رژیم حرارتی ساختمان های منتخب توسط اینترفیس های کامپیوتری و نرم افزار
۲-بولتن ها و اطلاعات دمایی سالانه شهر تهران-مرکز کامپیوتر ایستگاه هواشناسی مهرآبادتهران
۳-ترازنامه انرژی۱۳۷۹-انتشارات وزارت نیرو
۴-حرارت مرکزی،تهویه مطبوع،تبرید-دکتر بهمن خستو،انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر ۱۳۸۰
۵-حرارت مرکزی،تهویه مطبوع-دکتر ستوده تهرانی،انتشارات دهخدا ۱۳۴۸