Inteligentny dom, plus energetyczny

Transkrypt

1 Inteligentny dom, plus energetyczny Prowadzący: prof. dr hab. inŝ. Jan Popczyk Opracował:inŜ.Sebastian Kurek Kierunek studiów: Elektrotechnika Rodzaj studiów: II stopnia Przedmiot: Energetyka Rynkowa

2 1. Wstęp 1.1 Cel i załoŝenia raportu. 1.2 Bilans energetyczny domuprzed modernizacją. 2. Hybrydowy układ zasilania. 2.1 Turbina wiatrowa. 2.2 Ogniwa fotowoltaiczne. 2.3 Pompa ciepła. 2.4 Kolektory słoneczne. 3. Inteligentny budynek. 3.1 Korzyści automatyki budynkowej. 3.2 Instalacja w systemie EIB/KNX. 4. Powiązanie domu jednorodzinnego z ilab EPRO 5. Bilans energetyczny domu po modernizacji. 6. Bibliografia.

3 1. Wstęp 1.1 Cel i załoŝenia raportu. Zgodnie z tematem w projekcie rozpatrywana będzie możliwość modernizacji zasilania i ogrzewania istniejącego domu mieszkalnego, a następnie zaproponowane zostanie inteligentne zarządzenie nowym już plus energetycznym domem. Rozpatrywaną technologią będzie hybrydowy układ zasilania (ogniwo fotowoltaiczne, turbina wiatrowa, pompa ciepła, kolektory słoneczne). Wykorzystanie każdej z tych technologii ma na celu polepszenie warunków bytowania mieszkańców domu przez zapewnienie w jak największym stopniu niezależności energetycznej jak i polepszenie warunków środowiskowych. Zapewnienie niezależności energetycznej pozwoli całkowicie lub w znacznym stopniu odciąć się od dostaw energii elektrycznej z sieci oraz paliw wykorzystywanych do ogrzewania domu, których ceny jak wiadomo stale rosną. 1.2 Bilans energetyczny domu przed modernizacją. Obecnie w domu podgrzewanie wody uŝytkowej odbywa się na dwa sposoby. W sezonie letnim to jest od maja do października woda podgrzewana jest za pomocą grzałki elektrycznej o mocy P g =2000W zamontowanej w podgrzewaczu, co daje zuŝycie energii na poziomie (do obliczeń załoŝono Ŝe grzałka pracuje 12h/dobę przez 184 dni): 2kW * 2208h = 4,4MWh Emisja CO 2 jest na poziomie: 1t/MWh * 4,4MWh = 4,4t Natomiast w sezonie zimowym podgrzewanie wody uŝytkowej połączone jest z ogrzewaniem całego domu za pomocą centralnego ogrzewania opalanego węglem. Średnio w ciągu sezonu zimowego spalano 9 ton węgla. Przy załoŝeniu emisyjności węgla na poziomie 2,2t/t emisje CO 2 jest na poziomie: 9t * 2,2t/t = 19,8t Ilość energii potrzebnej do podgrzewania wody uŝytkowej z centralnego ogrzewania moŝna przyjąć na podobnym poziome jak dla grzałki co w przeliczeniu na ilość zuŝytego węgla wynosi: 4,4MWh / 8,14kWh/kg / 0,6 = 900kg Emisja CO 2 jest na poziomie: 0,9t * 2,2t/t = 1,98t

4 Ilość energii potrzebnej na ogrzewanie domu przy załoŝeniu 60% sprawności kotła wynosi: (9000kg 900kg) * 8,14kWh/kg * 0,6 = 39,56MWh Z przeprowadzonych obliczeń wynika, Ŝe średnie zuŝycie energii elektrycznej w rozpatrywanym domu wynosi 7,9MWh/rok. Od tej wartości naleŝy odjąć zuŝycie energii na prace grzałki co daje: 7,9MWh 4,4MWh = 3,5MWh Emisja CO 2 jest na poziomie: 1t/MWh * 3,5MWh = 3,5t 2. Hybrydowy układ zasilania. 2.1 Turbina wiatrowa. Mikrowiatrak to urządzenie, które wykorzystując energie kinetyczną wiatru do napędu turbin, produkuje energie elektryczną w sprzęgniętej poprzez przekładnie prądnicy asynchronicznej. Elektrownie wiatrowe mogą służyć jako urządzania wspomagające zasilanie budynków mieszkalnych, rolnych oraz letniskowych Roczna produkcja energii elektrycznej silnie zależy od siły wiatru co z kolei przekłada się na region w którym planujemy budowę mikrowiatraku. Średnią prędkość wiatru w otwartym rejonie można przyjąć na poziomie od 4 [m/s] do 6 [m/s]. Rysunek 1 Mikrowiatrak

5 Przykładowa instalacjale-3600 firmy LeadingEdgeTurbines: Dane techniczne: Moc [W] 3600 Moc znamionowa [W] 2000 Napięcie [V] 240 Startowa prędkość wiatru [m/s] 3 Nominalna prędkość wiatru [m/s] 7,5 Maksymalna prędkość wiatru [m/s] 20 Średnica wirnika [m] Łopaty [szt] 3 (kompozytowe) Hamulec obciążenie generatora Korpus odlew aluminium Waga [kg] 135 Zalety: Zastosowano 3-fazowy generator oparty na technologii neodymowej System wychylania ogonem daje większą ochronę przed silnymi wiatrami Przystosowana do pracy w klimacie lądowym i morskim Doskonałe parametry przy słabych wiatrach Innowacyjne łopaty o aerodynamicznych kształtach Estetyczny wygląd Obudowa wykonana z aluminium Kontroler przetwarza napięcie AC na niskie napięcie DC Wysoka wydajność i wytrzymała konstrukcja Dzięki kontrolerowi ładowania idealna do pracy w systemach hybrydowych z modułami PV MoŜliwa praca z kontrolerem ładowania (w zestawie) Kontroler ładowania umoŝliwia stworzenie systemu hybrydowego, posiada moŝliwość podłączenia modułów fotowoltaicznych

6 Oszacowana wartość rocznej produkcji energii elektrycznej wynosi: 4.0 [MWh]. 2.2 Ogniwo fotowoltaiczne. Ogniwo fotowoltaiczne to element półprzewodnikowy, w którym następuje przemiana energii promieniowania słonecznego w energie elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego. Fotowoltaika jest uznawana za najbardziej przyjazną środowisku technologię wytwarzania energii elektrycznej. Pozyskiwaniu energii elektrycznej przez systemy ogniw słonecznych nie towarzyszą żadne zanieczyszczenia emitowane do środowiska naturalnego w postaci szkodliwych gazów, odpadów czy hałasu. Rysunek 2ogniwo fotowoltaiczne

7 Przykładowa instalacjaet-m-195firmy Alex Solar: Dane techniczne: Moc nominalna [Wp] 195 Napięcie nominalne [V] 36,4 Prąd nominalny [A] 5,38 Napięcie obwodu otwartego [V] 44,9 Prąd zwarcia [A] 5,82 Współczynnik temperaturowy Isc [%/K] 0,055 Współczynnik temperaturowy Voc [%/K] -0,375 Współczynnik temperaturowy Pmax [%/K] -0,431 Napięcie maksymalne systemu [V] 1000 Długość [mm] 1580 Szerokosc [mm] 808 Grubość [mm] 45 Waga [kg] 16 Doświadczenia wynikające z eksploatacji ogniw fotowoltaicznych na terenie Polski określają wykorzystanie mocy nominalnej dla ok. 1000h w roku. Dla zainstalowanych 15 baterii słonecznych oszacowana wartość rocznej produkcji energii elektrycznej wynosi: ok [MWh]. Akumulatory żelowe AGM Seria akumulatorów HZB to wytwarzane w oparciu o nowoczesną technologię akumulatory szczelne, posiadają elektrolit unieruchomiony w absorpcyjnej macie szklanej. Charakteryzuje je wysoka trwałość użytkowa oraz dobre parametry pracy. Model Pojemność [Ah] Napięcie [V] Waga [kg] Zastosowanie HZB ,3 Ogniwa fotowoltaiczne HZB ,5 Mikrowiatrak

8 2.3 Pompa ciepła. Pompa ciepła to urządzenie, które ma za zadanie podniesienie temperatury niskiej do wyższej.działanie pompy ciepła jest oparte na dość prostym mechanizmie. Pompy ciepła pobierają ciepłą energię z pewnego źródła, którego temperatura jest niższa niż w pomieszczeniu, które zamierzamy ogrzać i przetwarza (pompuje) to ciepło tak, aby miało wyższą temperaturę niż na początku. Aby uzyskać ciepło w tym procesie, pobiera się je z tak zwanego dolnego źródła, może nim być powietrze, grunt oraz zbiornik wodny, który może znajdować się na powierzchni ziemi lub pod nią. Najbardziej rozpowszechnionymi pompami ciepła są pompy typu solanka-woda. Ich prostota, łatwość wykonania i instalacji pozwala każdemu na możliwość ich posiadania. Zasada działania tego typu pompy polega na pobieraniu energii cieplnej z gruntu i dostarczeniu jej do instalacji wewnętrznej na cele centralnego ogrzewania jaki i ciepłej wody użytkowej. Czynnikiem grzejnym jest roztwór typu solanka, którego zaletą jest to iż nie zamarza przy niskich temperaturach. Rysunek 3Pompa ciepła woda-solanka

9 Przykładowa instalacjawpf Basic firmy stiebel-eltron Dane techniczne: Zakres stosowania (WQA) [OC] od -5 do +20 Max temperatura zasilania (WNA) [OC] +60 Przepływ po stronie źródła (WQA) [m3/h] 1,4 Różnica ciśnień po stronie źródła (WQA) [hpa] 600 Przepływ masowy po stronie c.o. min. [m3/h] 0,5 Różnica ciśnień po stronie c.o. [hpa] 350 Przyłącza c.o. zasilanie / powrót '' 11/4 zew. Czynnik chłodniczy R410A Ilość czynnika chłodniczego [kg] 1,73 Waga [kg] 107,5 Wybrano system dolnego źródła na bazie wody gruntowej który składa się z dwóch studni: studni czerpalnej, w której zainstalowana jest pompa głębinowa oraz drugiej studni chłonnej. Studnie powinny znajdować się w odległości minimum 15 m od siebie. Do produkcji energii cieplnej na poziomie 34 [MWh] rocznie pobór energii elektrycznej szacowany jest na poziomie około 6.6 [MWh] rocznie. 2.4 Kolektory słoneczne. Kolektor słoneczny jest urządzeniem w którym energia cieplna powstaje w wyniku pochłaniania energii promieniowania słonecznego przez absorber.zasada działania instalacji solarnej jest bardzo prosta. Słońce ogrzewa umieszczony w kolektorze absorber, który pochłania promieniowanie słoneczne i zamienia je w ciepło. Skuteczność pochłaniania zależy od rodzaju absorbera. Zwykły, czarny absorber dużą część promieniowania odbija. Skuteczniejszy jest tzw. absorber selektywny pochłania on 95% padającego na niego promieniowania.od absorbera ogrzewa się czynnik grzewczy (może to być woda lub płyn niezamarzający), który przepływa przez kolektor.ogrzany płyn przepływa do zasobnika gdzie oddaje ciepło ogrzewanej wodzie użytkowej, znajdującej się w zasobniku, a ochłodzony wpływa z powrotem do kolektora.

10 Rysunek 4kolektor słoneczny Przykładowa instalacjatlpam-500w firmy HEWALEX Skład zestawu: Kolektor słoneczny KS2000 TLP Am: Zestaw przyłączeniowy kolektora ZPKS 5 Am: Otulina Armaflex HT w osłonie 28/13 mm: Profil maskujący KSL: Zespół pompowo-sterowniczy ZPS 18a-01: Podgrzewacz VF500-2: Zespół naczynia przeponowego ZNP 24DS: Zestaw przyłączeniowy podgrzewacza Pa Płyn TYFOCOR L -25oC: 5 szt. 1 kpl. 2 m 4 szt. 1 kpl. 1 szt. 1 kpl. 1 kpl. 30 l Zakładając średnią energię promieniowania słońca w Polsce na 1000 kwh/m 2 przy sprawności kolektora na poziomie 82% rocznie z instalacji uzyskuje się energię o wartości: 7.49 [MWh]

11 3. Inteligentny budynek. Inteligentny budynek jest to budynek zaprojektowany zgodnie ze współczesnymi standardami i przy wykorzystaniu nowoczesnych technologii. Jego najwaŝniejsze cechy to: Komfort Bezpieczeństwo Ekologia Rysunek 5Elementy inteligentnego domu Dzięki tej integracji zyskujemy niedostępne do tej pory moŝliwości, które sprawiają, Ŝe Ŝyje się nam wygodniej, a wszystkie czynności, które do tej pory sprawiały nam pewien kłopot jak np. sprawdzanie przy wyjściu czy okna są zamknięte, przestają istnieć. Dodatkowo automatyka znacznie zwiększa bezpieczeństwo mieszkańców oraz zmniejsza koszty eksploatacji budynku, o czym bardziej szczegółowo moŝna się zapoznać na kolejnych stronach.podstawowym składnikiem Inteligentnego Domu jest nowoczesna instalacja automatyki. Jest to nadrzędny system zarządzający wszystkimi pozostałymi instalacjami oraz urządzeniami elektrycznymi znajdującymi się w budynku

12 3.1 Korzyści automatyki budynkowej. Kluczową cechą inteligentnego domu jest wygoda.tymczasem waŝniejsza wydaje się moŝliwość odczuwalnego zmniejszenia kosztów jego utrzymania.automatyka łączy ze sobą urządzenia i pozwala im działać wydajniej. Efektywność ta przekłada się na mniejsze zuŝycie energii, a tym samym mniejsze wydatki i mniejszą szkodliwość dla środowiska. Największe oszczędności moŝna uzyskać na zarządzaniu ogrzewaniem. Temperaturę moŝemy obniŝać w nocy oraz w czasie naszej nieobecności, a trzeba pamiętać, Ŝe kaŝdy 1 C mniej to 5% do 10% mniejsze zuŝycie energii. Grzejniki z kolei mogą być całkowicie wyłączone w czasie otwarcia okna. Jest to dobry przykład jak integracja systemu alarmowego z ogrzewaniem moŝe zaowocować uniknięciem duŝych strat ciepła. Szacuje się, Ŝe na ogrzewaniu moŝna zaoszczędzić od 30% do 40% zuŝycia energii cieplnej. Drugim potencjalnym obszarem do oszczędzania jest energia elektryczna. W kaŝdym domu moŝna się natknąć na palące się niepotrzebnie światło, urządzenia RTV pracujące na ciągłym czuwaniu, ładowarki telefonów wetknięte w gniazdka. Automatyka udostępnia liczne sposoby uniknięcia takiego marnowania energii, ale co trzeba podkreślić, bez odczuwania przez nas jakiegokolwiek dyskomfortu z tego powodu. Oszczędności na tym polu mogą łącznie sięgnąć 10% do 20% zuŝycia energii elektrycznej. Rysunek 6Porównanie korzyści instalacji Nakłady na Inteligentny budynek oraz systemy pozyskiwania energii cieplnej i elektrycznej zwracają się w kilka do kilkunastu lat od ich zainstalowania. Potem budynek przynosi juŝ tylko korzyści w postaci mniejszych rachunków, Ŝe nie wspomnę o wolnym czasie domowników wyręczanych z obowiązku zarządzania domem.

13 3.2 Instalacja w systemie EIB/KNX. Instalacja KNX/EIB łączy w sobie wszystkie funkcje zarządzania budynkiem. W systemie tym tradycyjne wyłączniki rozwierające lub zwierające obwody zasilające oraz czujniki i inne elementy sterownicze zostały zastąpione wykonanymi w technice cyfrowej urządzeniami wymieniającymi informacje za pośrednictwem jednego, biegnący wokół całego budynku przewodu magistralnego łączącego wszystkie elementy systemu.dzięki systemowi KNX (EIB) możemy w sposób kompleksowy sterować pracą i nadzorować pracę urządzeń przeznaczonych do: Oświetlenia Ogrzewania Wentylacji i klimatyzacji Gospodarstwa domowego Nadzoru i kontroli dostępu Telewizji przemysłowej Sterowania pracą żaluzji i markiz Zarządzania energią Zdalnego serwisu i zarządzania Komunikacji z innymi systemami Magistrala KNX (EIB) to: Indywidualna temperatura poszczególnych pomieszczeń Kompleksowy system sterowania ogrzewaniem Współpraca z kolektorami dachowymi Współpraca z pompami cieplnymi, przygotowanie ciepłej wody Optymalne sterowanie oświetleniem (automatyczne, czasowe ręczne, sceny świetlne) Nadzór obiektu Komunikaty o stanach zakłóceniowych w pracy obiektu Zdalne sterowanie nastawami parametrów technicznych Zdalne przeglądanie stanu wybranych parametrów

14 Rysunek 7Magistrala KNX/EIB Magistrala KNX (EIB) daje możliwość realizacji idei inteligentnego budynku, w którym poszczególne urządzenia wyposażenia technicznego podlegają celowemu działaniu, mającemu jako kryterium minimum kosztów eksploatacji (rozumianych bardzo ogólnie - jako sumy kosztów energii, remontów, przebudowy, a także nadzoru i utrzymania w sprawności technicznej instalacji, które wiążą się również bezpośrednio z kosztami osobowymi służb utrzymania ruchu). KNX (EIB) jest standardem otwartym. Dla użytkownika oznacza to posiadanie modularnej, elastycznej i skalowalnej instalacji, która nie przywiązuje go do jednego dostawcy czy producenta. 4. Powiązanie domu jednorodzinnego z ilab EPRO Modernizacja domu jednorodzinnego polega na połączeniu technologii OZE z systemem KNX/EIB, dla lepszego zarządzania zuŝywaną, jak i wyprodukowaną energią. Ponadto dąŝy się do połączenia zmodernizowanego budynku do internetowego laboratorium, ilab EPRO. Pozwoli to na efektywniejsze wykorzystanie energii, co prowadzi do znacznych oszczędności finansowych. PoniŜej przedstawiono schematy technologiczne dla ilab EPRO sieci zasilającej, sterującej oraz informatycznej opracowane prze Pana dr MaricnaFice.

15

16 5. Bilans energetyczny domu po modernizacji. Poniżej zestawiono wszystkie zastosowane źródła odnawialne wraz z zestawieniem bilansu energii elektrycznej oraz cieplnej w/w technologii. Technologia OZE Energia elektryczna [MWh] Energia na ogrzewanie domu [MWh] Energia na podgrzewanie wody [MWh] Końcowa emisja CO 2 [t] Pierwotnie 3,50 39,56 8,80 29,86 Pompa ciepła 6,60-34, ,80 Kolektory ,49-5,45 Ogniwa PV -2, ,92 Mikrowiatrak -4, ,00 Inteligentny budynek -0,48-1, ,57 Razem 2,70 3,61 0,31 8,12 PowyŜsze zestawienie przedstawia jak zastosowanie OZE oraz automatyki budynkowej korzystnie wpływają na zmniejszenie poboru energii oraz zredukowanie emisji CO 2. Modernizacja kaŝdego domu jednorodzinnego wpływa na stan środowiska, dlatego warto uświadamiać ludzi aby inwestowali w ogromny potencjał odnawialnych źródeł energii.

17 6. Bibliografia. [1] J. Popczyk: Energetyka rozproszona, monografia, Warszawa 2011 [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11]