در این مقاله سعی بر آن است تا با ارائه مشخصات طرح ،به ویژگی های منحصر به فرد سیستم های کنترل هوشمند تاسیسات حرارتی ساختمان (موتورخانه هوشمند) پرداخته شود. استفاده از این سیستم امكان دسترسي به صرفه جویی در مصرف انرژی تا 25 درصد در ساختمان های مسکونی و تا 65 درصد در ساختمان های غیر مسکونی و اداری را فراهم می کند.
می تواند 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 40% منابع انرژی به بخش ساختمان، كنترل و بهینه سازي مصرف انرژی این بخش را بیش از پیش حائز اهمیت می سازد.
وجود الگوهاي نادرست مصرف انرژي و شدت بالاي آن كه در كشور 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.
سیستم مدیریت هوشمند انرژي در تأسیسات حرارتي 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
متأسفانه سیستمهاي عمومي و فراگیر تأسیسات حرارتي موجود در كشور بدلیل بهره گیري از تكنولوژي قدیمي فاقد كارآیي و راندمان لازم در بهینه سازي مصرف سوخت و انرژي مي باشند .
در حال حاضر اساس كنترل دما در تأسیسات حرارتي ساختمان به روش سنتي و توسط تنظیم درجه حرارت ترموستات دیگ مي باشد، تنظیم مربوطه باعث كنترل دماي آب گرم چرخشي در تأسیسات(C.H.W) و به تبع آن آب گرم مصرفی(D.H.W) میگردد.
در این روش هیچگونه کنترل و نظارت دقیقي بر میزان دماي مورد نیاز آب گرم چرخشي در سیستم هاي گرمایشي و آبگرم مصرفي صورت نمي گیرد و سیستم قادر به درك و شناسایي مناسب ترین وضعیت كنترل رژیم حرارتي ساختمان جهت دسترسي به الگوي صحیح مصرف انرژي توأم با ایجاد محدوده آسایش حرارتي براي ساكنین نمی باشد.(شکل1)
همانگونه كه از اطلاعات نمـودار 1 مشخص اسـت با گرم شدن دمـاي محیط خارج سـاختمان، هیچگونه پاسخي در وضعیت كنترلي تأسیسات حراتي دیده نمي شود و همچنین دماي داخل ساختمان با اختلاف 3 درجه سانتیگراد بین 27 تا 30 درجه می باشد که خارج از محدوده آسایش حرارتی است.
در چنین شرایطي معمول باز شدن پنجره ها راه حل مناسبي براي تعدیل دماي محیط زندگي مي باشد !
طرح شماتیک نصب سیستم های کنترل هوشمند: BC 420
امروزه با استفاده از روشهاي نوین كنترل و مدیریت هوشمند انرژي در تأسیسات حرارتي ساختمان امكان كنترل تأسیسات حرارتي با رعایت الگوهاي صحیح مصرف انرژي میسر مي باشد.اصـول بهینـه سـازي مصـرف انـرژي توسـط “سیسـتم مـدیریت هوشـمند انـرژي در تاسیسـات حرارتی ساختمان” انداز ه گیري دما و دریافت اطلاعات از سنسورهاي حرارتي مي باشد .
این سنسورها بر روی مسیر رفت آب گرم مصرفي،کلکتور رفت تاسیسات و محیط خارج ساختمان (ضلع شمالی) نصب می شوند.سپس پروسسور سیستم، اطلاعات دریافتي را تحلیل و مطابق پارامترهاي كنترلي 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 2 تغییر دماي محیط خارج یك ساختمان مسكوني طي یك هفته و پاسخ سیستم كنترل را نمایش می دهد.اختلاف سطح بالای این منحنی با خط یکنواخت 75 درجه سانتیگراد(عملکرد فرضی کنترل دما توسط ترموستات دیگ) نشانگر میزان انرژی صرفه جویی شده می باشد.
توسط سیستم كنترل هوشمند تاسیسات حرارتي، دماي آب گرم مصرفي با دو دماي حداقل و در دو زمان متفاوت در طی شبانه روز بطور دلخواه تنظیم و کنترل می شود به عنوان مثال از ساعت 6 تا 23:30 دمای آب گرم مصرفی برروی 46 درجه سانتیگراد تنظیم می شود و ازساعت 23:30 تا 6 صبح که زمان استراحت افراد و عدم استفاده از آب گرم می باشد این دما به 43 درجه سانتیگراد کاهش می یابد.
كنترل گرمایش توسط یك منحني حرارتي انجام مي شود . در این منحني دماي آب گرم رفت تاسیسات(آب گرم چرخشی در رادیاتورها) تابعي از درجه حرارت محیط خارج ساختمان مي باشد و بصورت لحظه اي خودكار و هوشمند، متناسب با تغییرات دماي محیط خارج ساختمان كنترل مي گردد. و باعث ایجاد دماي یكنواخت مناسب در محل زندگي مي شود حتي در برخي مواقع ولرم بودن رادیاتورها از نظر رواني ساكنین را دچار مشكل مي نماید.
در صورتی که عامل آسایش حرارتی،دمای مطلوب داخل ساختمان می باشد نه دمای رادیاتور!!!!
در نمودار 2 تغییرات دماي آب گرم چرخشي در تاسیسات حرارتی که تابعی از درجه حرارت محیط خارج ساختمان ميباشد،
باعث كنترل دماي داخل ساختمان در محدوده آسایش حرارتي شده است.دمای داخل ساختمان با حداکثر 1 درجه تغییر ما بین 24 تا 25 درجه سانتیگراد و در محدوده آسایش حرارتی می باشد.(نمودار3)
از نظر اجرایي با استفاده از یك سیستم كنترل هوشمند مي توان متناسب با میزان گرماي مورد نیاز در ساعات مختلف شبانه روز و همچنین متناسب با تقاضاي بار سیستم،تعداد مشعلهاي در سرویس را كم یا زیاد نمود . در این صورت تلفات حرارتي سیستم گرمایشي به شدت كاهش یافته و به میزان قابل توجهي در مصرف انرژي صرفه جویي مي گردد .
نحوه كلي عملكرد سیستم به این صورت مي باشد كه یك دیگ به عنوان دیگ پیشرو در سرویس بوده و در صورت نیاز و طبق پارامترهاي كنترلي تعریف شده،سایر مشعل ها بعنوان مشعل پسرو در صورت نیاز وارد سرویس مي شوند.
در صورت استفاده از این سیستم در ادارات و ساختمانهاي غیر مسکونی،علاوه بر آن كه سیستم به صورت هوشمند و متناسب با تغییرات درجه حرارت خارج ساختمان با برنامه ریزي ساعت كاري اداره در روزهای مختلف، تأسیسات حرارتي را پیش راه اندازي و كنترل مي نماید،در ساعت های پایانی کار اداره نیز، تأسیسات حرارتي را زودتر از زمـان برنامه ریزي شده و متناسـب با دماي محیط خـارج ساختمان به صورت هوشمند غیرفعال مي نماید.در نمودار 4 پیش راه اندازی و تسریع در خاموشی هوشمند تاسیسات حرارتی یک اداره نشان داده شده است.
در این نمودار،عملكرد سیستم هوشمند مدیریت انرژي در موتورخانه اداره آموزش و پرورش منطقه 10 تهران نمایش داده شده است. تأسیسات حرارتي برحسب دماي محیط خارج ساختمان در زمان مورد نظر روشن شده و پس از مدت زماني، دماي آب گرم چرخشي به حالت تعادل مي رسد و از آن پس مطابق با تغییرات دماي خارج ساختمان كنترل می شود.
همانگونه كه در نمودار مشخص است ساعت كاري اداره از شنبه تا چهارشنبه 7 الي 17 و پنج شنبه ها 7 الي 13 مي باشد و خاموشي تأسیسات حرارتي این اداره در روز جمعه مشهود مي باشد.
در منحني هاي نمودار 5 دماي آب گرم رفت چرخشي در تاسیسات حرارتي( C.H.W) و دماي آب گرم مصرفي ( D.H.W) و مصرف گاز روزانه متناسب با تغییرات درجه حرارت محیط خارج ساختمان در یک دوره 2 ماهه از 7/8/82 تا 6/10/82 در یک ساختمان مسکونی در چیذر تهران که تاسیسات حرارتی آن توسط سیستم مدیریت هوشمند انرژی کنترل می شود،نمایش داده می شود.
محور عمودي این دیاگرام برحسب درجه سانتیگراد و مصرف گاز روزانه سه مترمکعب مصرف گاز مي باشد.
خط ثابت 60 (180=60*3) 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 23% است.
در نمودار 5 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.
در وضعیت فعلي موتورخانه ها , پمپ هاي سیركولاسیون یا دائم روشن مي باشند و یا توموستاتهاي جداري كنترل مي شوند.درصورت وجود ترموستات جداري پمپ , مبناي تنظیم دمای ترموستات جداري ایجاد اختلاف دمایي در حدود 10 درجه سانتي گراد با دماي تنظیمي ترموستات دیگ مي باشد .
علاوه برتأثیر مستقیم خطاي ترموستاتهاي جداري و یا ترموستات دیگ بر كنترل عملكرد پمپ هايسیركولاسیون ،درصورت بال بودن دماي آب گرم بهداشتي 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، مواقعي پمپ خاموش مي باشد ولي آب گرم چرخشي دماي بالایي دارد. درصورت خاموش بودن پمپ سیركولاسیون و راكد ماندن این حجم آب گرم،تنها بخش كمي كه در منبع دو جداره یا كوئلي قرار گرفته است با آب مصرفي تبادل حرارتي انجام می دهد و مابقی این حجم آب گرم كه در سیستم لوله كشي و دیگ مي باشد بیهوده دماي خود را از دست مي دهد . به منظور جلوگیري از این اتلاف انرژي مي بایست حتي المقدور از دماي آب گرم چرخشی استفاده نمود.
یكـي دیگـر از مـوارد بهینـه سـازي مصـرف سـوخت و اسـتفاده از سیسـتمهاي كنتـرل هوشـمند تأسیسـات حرارتي ساختمان،كنترل عملكرد پمپهاي سیركولاسیون است كه علاوه بر كاهش مصرف سوخت و انرژی الکتریکی، موجب افزایش عمر مفید و كاهش استهلاك الكتروپمپهاي سیركولاسیون می شود.
در منحني هاي زیر بصورت شماتیك درصد صرفه جویي در مصرف سوخت و انرژي الكتریكي پمپها در فصلهاي تابستان و زمستان و به تفكیك نوع كاربري ساختمان (مسكوني ـ غیر مسكوني) مورد بررسي قرار مي گیرد .
منحني عملكرد پمپ در تابستان :
درصد صرفه جویي سوخت حاصل از عملكرد پمپ مسكونی تابستان زمستان
بررسی اثر کنترل پمپ های سیرکولاسیون بر میزان صرفه جویی در مصرف سوخت ساختمانهای غیرمسکونی توسط سیستم های کنترل هوشمند BC 420
12ساعت زمان کاری ساختمان غیر مسکونی : 9% صرفه جویی در مصرف سوخت در اثر کنترل پمپ های سیرکولاسیون
12ساعت تعطیلی ساختمان غیر مسکونی : 100% صرفه جویی در مصرف سوخت و انرژی الکتریکی
12ساعت روشن،اداره : 9% صرفه جویی سوخا حاصل از عکلکرد پمپ
12 ساعت خاموشی،اداه : 100% صرفه جویی سوخت و برق
عدم تفكیـك محل تولیـد آب گرم چرخشـي درتأسیسـات حرارتي باعـث بروز مشـكلاتي در كنتـرل مصارف گرمایشي (تأمین آب گرم مصرفي ـ تأمین گرمایش) ساختمان مي گردد.به عبارت دیگر در وضعیت موجود طراحي و نصب تجهیزات حرارتي 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 هاي آغاز و یا خاتمه فصل سرما خصوصا مهرمـاه و آبان ماه و اسفند ماه یا روزهاي گـرم زمستاني بویژه در ساعتهاي میاني روز , آب گرم چرخشي با دماي پائین نیاز ساختمان را برطرف می نماید.به عنوان مثال اگر دمای هوای خارج ساختمان(دمای سایه)18 درجه سانتیگراد باشد آب گرم چرخشی با دمای 45-40 درجه سانتیگراد قادر به تامین آب گرم مصرفی 47 درجه سانتیگراد می باشد؟ قطعا جواب این سوال منفی است.
بدلیل بروز این مشكل , مشعلها روشن شده تا با افزایش دماي حجم عظیم آب در گردش ساختمان،آب گرم مصرفي را به دماي مطلوب برسانند.نتیجه این امر افزایش بي مورد دماي رادیاتورها و یا وسایل گرمایشي ساختمان و اتلاف انرژي و علاوه بر آن عدم تثبیت درجه حرارت آسایش و ایجاد كلافگي در محیط زندگي مي باشد.
جهت رفع مشكل مذكور توسط كنترل یك شیر برقي كه داخل موتورخانه و پس از انشعاب گرمایش كلكتور نصـب گردیده اسـت،درصـورت نیاز موتورخانـه بصورت on line در زمستان بـه حالـت تابستاني/زمستاني تغییر وضعیت مي دهد.نتیجه این امر علاوه بر افزایش تثبیت درجه حرارت آسایش،كاهش قابل ملاحظه مصرف سوخت به همراه بازگشت سرمایه در دوره اي كوتاه مي باشد.
بنابراین on line summer/winter valve در حدود 4 ماه از طول سال را فعال بوده و عملکرد مستمری دارد و در 2 ماه عملکرد نسبی دارد و در 6 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 كه شرط گرمایش برقرار است ولي آب گرم مصرفي داراي دماي مطلوب نیست مشعل ها باید روشن شوند تا شرط آب گرم مصرفي برقرار شود. این امر باعث افزایش بي دلیل دماي رادیاتورها و ایجاد كلافگي در دماي داخل ساختمان مي 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 164/2 مترمکعب گاز طبیعی معادل یک بشکه نفت خام می باشد.
مبنای محاسبه وزنی آلاینده ها 2/1 کیلوگرم آلاینده به ازای سوختن هرمتر مکعب گاز طبیعی می باشد.
در نمودار هاي 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 10 درجه سانتیگراد بوده است.همانطور که مشخص است برای حفظ دمای 65 درجه سانتیگراد (در حالت کنترل با ترموستات دیگ) 53000 ثانیه در شبانه روز مشعل ها روشن بوده اند.با کاهش این دما به 50 درجه سانتیگراد (در حالت کنترل با ترموستات دیگ) این زمان به 33000 ثانیه کاهش یافته است و در حالت کنترل توسط سیستم هوشمند BC 420 و بر حسب ساعت کاری مدرسه این زمان به 12000ثانیه در شبانه روز کاهش یافته،به عبارتی درصد صرفه جویی مصرف سوخت بین حالت 65 درجه ترموستات دیگ (روش کنترل عادی) و روش کنترل هوشمند 77% 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.
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.
کاهش هزینه ها و صرفه جویی در مصرف سوخت تا 60% در ساختمان های غیر مسکونی و تا 20% در ساختمان های مسکونی
