równieŝ mechanizmy adaptacyjne, które pozwalają lepiej dopasować się do zapotrzebowania na ciepło, prognozować przebieg temperatury zewnętrznej na podstawie bieŝących i zapamiętanych pomiarów, dostosować wartości parametrów regulacji do zmiany parametrów obiektu. Stosowana jest równieŝ regulacja programowa, realizująca stabilizację parametrów według wykresów przygotowanych na poszczególne dni tygodnia (dni robocze i święta). Obecnie najczęściej spotykany układ technologiczny zautomatyzowanego, dwufunkcyjnego węzła szeregowo równoległego przedstawia rys. 1.13 [43]. RC WII WI c.w.u. RCWU RCO c.o. WCO T zew WII WI c.w.u. RCWU RCO c.o. WCO a) z regulacją ciśnienia b) z ograniczeniem przepływu K RC T zew Rys. 1.13 Zautomatyzowany węzeł szeregowo-równoległy WCO wymiennik instalacji c.o. WI stopień I wymiennika c.w.u. WII stopień II wymiennika c.w.u. RCO regulator temperatury c.o. RCWU regulator temperatury c.w.u RC regulator róŝnicy ciśnień K - kryza pomiarowa Węzeł ten jest wyposaŝony w regulator róŝnicy ciśnień (lub przepływu) oraz regulatory temperatury w instalacji centralnego ogrzewania i ciepłej wody uŝytkowej. Regulacja temperatury odbywa się poprzez zmianę strumienia przepływu wody przez wymiennik, co powoduje zmianę jego wydajności cieplnej. Temperaturę ciepłej wody uŝytkowej utrzymuje się a na stałym poziomie (+55 C), natomiast do regulacji parametrów w instalacji c.o. stosowane są regulatory pogodowe. Regulacja miejscowa Najprostszym sposobem regulacji miejscowej jest wymuszenie zmiany natęŝenia przepływu nośnika ciepła przez grzejnik, a tym samym średniej temperatury i wydajności cieplnej grzejnika. Elementem sterującym są ręczne lub termostatyczne zawory przy grzejnikach. Dla ułatwienia regulacji dąŝy się do uzyskania liniowej zaleŝności pomiędzy mocą grzejnika a stopniem otwarcia zaworu regulacyjnego. Ze względu na nieliniową charakte-rystykę grzejnika stosuje się róŝne rodzaje stoŝka zaworu (np. o charakterze logarytmicznym), tak by we współpracy z grzejnikiem dawały zaleŝność liniową. Regulatory termostatyczne przy grzejnikach spełniają funkcję dokładnej regulacji najlepiej jako uzupełnienie regulacji węzłowej [6]. Wprowadzenie regulacji miejscowej przy kaŝdym odbiorniku jest optymalne ze względu na zuŝycie ciepła, ale nie zawsze opłacalne dla odbiorców. NaleŜy więc liczyć się z tym, Ŝe w systemie będą występować odbiory bierne i aktywne zasilane ze wspólnej instalacji. Tymczasem odbiorniki aktywne powodują zmiany w układzie ciśnień w przewodach i zakłócają dostawę ciepła dla pozostałych odbiorów. Ze względów hydraulicznych korzystne byłoby zastosowanie zaworów dwudrogowych, które rozdzielają strumień wody sieciowej na produktywny i bezproduktywny bez zakłócania przepływów w całej instalacji. Rozwiązanie to nie jest stosowane ze względu na niekorzystne zawyŝanie temperatury wody powrotnej. Regulacja miejscowa polega zwykle na utrzymywaniu stałej temperatury ogrzewanych pomieszczeń. MoŜliwa jest równieŝ stabilizacja komfortu cieplnego lub regulacja programowa. 22
1.3.3 Zasady wprowadzania automatyzacji Modernizacja i automatyzacja elementów systemu ciepłowniczego powinny zapewnić niezawodną pracę całego obiektu i optymalne dostosowanie produkcji do zmiennego zapotrzebowania na ciepło. Obejmują one zmiany technologiczne, opomiarowanie oraz zastosowanie układów regulacji automatycznej. W opracowaniach podaje się, Ŝe wprowadzenie pełnej regulacji automatycznej powoduje zmniejszenie ilości wody sieciowej i zapotrzebowania na moc, dając średnie oszczędności energii rzędu 20 25% [8]. Największe efekty moŝna uzyskać w przypadku automatycznej regulacji układów centralnego ogrzewania. Im wyŝszy stopień automatyzacji tym wyŝsze koszty, ale i większe oszczędności. Jak potwierdzają liczne obserwacje, dla zachowania sprawności systemu ciepłowniczego i uzyskania wymiernych efektów ekonomicznych juŝ w trakcie modernizacji, waŝna jest kolejność realizowanych prac. Oto kilka przykładów. WyposaŜanie na szeroką skalę instalacji odbiorczych i węzłowych w urządzenia regulacji automatycznej powoduje istotne zakłócenia warunków pracy systemów ciepłowniczych. Spontaniczna modernizacja odbiorników prowadzi początkowo do spadku zuŝycia ciepła, ale po przekroczeniu pewnej granicy wymusza konieczność modernizacji układów technologicznych ciepłowni, co moŝe być pretekstem do podniesienia ceny ciepła [12]. Termorenowacja pozwala znacznie obniŝyć współczynniki strat, ale bez regulacji działającej w instalacji odbiorczej powoduje tylko przegrzewanie budynków. Modernizacja źródła ciepła, bez instalacji liczników u odbiorców przynosi zyski tylko dostawcy [12]. Zrównanie ceny ciepła pochodzącego z kotłowni i elektro-ciepłowni prowadzi do obniŝania stopnia skojarzenia (elektrociepłownie stają się w coraz większym stopniu ciepłowniami duŝej mocy), poniewaŝ korzyści wynikające z pracy skojarzonej są zaliczane na konto produkcji energii elektrycznej [50]. Racjonalny sposób modernizacji systemów ciepłowniczych wymaga zarówno współpracy producentów, pośredników i odbiorców ciepła, jak i wsparcia przez odpowiednie normy prawne. Rozregulowanie systemu, brak odpowiednich ciśnień dyspozycyjnych i niekorzystne oddziaływanie węzłów ciepłowniczych z automatyką pogodową na pozostałe węzły stanowią często główne problemy przedsiębiorstw ciepłowniczych. W Poznaniu przeprowadzono badania wpływu pracy jednej całkowicie zautomatyzowanej magistrali na zachowanie reszty systemu [61]. W wyniku tych doświadczeń wysnuty został następujący wniosek, aby efekty stopniowej automatyzacji nie były tracone we fragmentach nie objętych jeszcze automatyką, wszystkie węzły powinny zostać wyposaŝone przynajmniej w regulatory przepływu (ciśnienia). Udaną próbę takiej hydraulicznej regulacji sieci przeprowadzono we Wrocławiu [49]. Polegała ona na wymianie nastawnych kryz dławiących w węzłach ciepłowniczych na regulatory przepływu bezpośredniego działania. Efektem modernizacji było: zmniejszenie strumienia przepływu wody sieciowej w źródle, zwiększenie ciśnienia dyspozycyjnego na całej długości sieci pozwoliło to podłączyć nowych odbiorców, ograniczenie strat energii cieplnej w budynkach zasilanych przez węzły bez automatyki, które wynikały z oddziaływania węzłów z automatyką pogodową, zmniejszenie konieczności wspomagania przepływu w sieci, obniŝenie temperatury wody powrotnej w źródle (zwiększenie schłodzenia). Proponowana w literaturze [55] kolejność modernizacji systemu ciepłowniczego nie jest zbiorem sztywnych reguł, ale stanowi dobry punkt wyjścia przy planowaniu inwestycji: zebranie danych o odbiorcach, sieci i źródłach ciepła, 23
pomiary rzeczywistych warunków pracy, regulacja hydrauliczna strategicznych punktów sieci, automatyzacja węzłów ciepłowniczych, etapowa automatyzacja źródła ciepła (pomiary, układy wodne, kotły), integracja układów sterowania. Automatyzowanie węzłów ciepłowniczych powinno rozpoczynać się od węzłów znajdujących się najbliŝej źródła i węzłów o duŝej mocy [56]. Aby przygotować źródło ciepła do współpracy z regulowanymi węzłami (czyli pracy ze zmiennym przepływem wody w sieci), naleŝy zautomatyzować układy wodne ciepłowni. Następnie, dla ostatecznego przygotowania obiektu do pracy w trybie automatycznym, modernizacja powinna objąć kotły według ich obciąŝenia zwykle konieczne są wówczas zmiany technologiczne, na przykład uszczelnianie kotłów [12]. Zazwyczaj modernizację i automatyzację wprowadza się jednocześnie i to niezaleŝnie od siebie w wielu miejscach systemu ciepłowniczego. PoniewaŜ jest to proces dość długotrwały, waŝne jest by wprowadzane układy regulacji umoŝliwiały poprawną pracę zarówno zautomaty-zowanych jak i biernych fragmentów systemu. Same natomiast powinny być w miarę moŝliwości niewraŝliwe na następne działania modernizacyjne. Rozwój cyfrowych urządzeń regulacyjnych był w ciepłownictwie od początku słusznie postrzegany jako obiecująca alternatywa dla regulatorów analogowych [1]. Dostępne obecnie regulatory, posiadające swobodnie programowane nastawy i funkcje, charakteryzują się duŝą elastycznością, posiadają wiele wejść i wyjść (regulatory wielofunkcyjne), potrafią prowadzić autodiagnostykę i rejestrować informacje [8], [51]. Jednocześnie maleją ich rozmiary oraz koszty zakupu i instalacji, co pozwala na coraz szersze wprowadzanie układów regulacji. Przyczynia się to do powstawania wielopoziomowych, rozproszonych układów regulacji. Wybór wariantu modernizacji moŝna zweryfikować dzięki zastosowaniu nowoczesnych technik obliczeniowych i badań symulacyjnych. W systemie z regulacją jakościową ze względu na praktycznie stałe wartości przepływów, do wyznaczenia parametrów zapewniających poprawną pracę systemu wystarczy analiza statycznych warunków hydraulicznych w sieci. Są one opisane przez układy równań wiąŝące wartości przepływów, spadków ciśnień i wartości oporów hydraulicznych dla kaŝdego odcinka sieci i dla kaŝdego rozgałęzienia. Zastosowanie elektronicznych technik obliczeniowych pozwoliło juŝ w latach 60 tych zautomatyzować te obliczenia [54]. Obecne systemy komputerowe umoŝliwiają wykonanie nie tylko dokładniejszych obliczeń ale równieŝ map i baz danych elementów sieci (np.[58]). Wprowadzanie regulacji jakościowo ilościowej w źródle ciepła i na węzłach powoduje, Ŝe przepływy w sieci mogą się zmieniać w szerokich granicach. Z tego teŝ powodu analiza pracy sieci w statycznych warunkach jest niewystarczająca i konieczna staje się analiza dynamiczna, czyli ocena szybkości propagowania się zmian, przeregulowań, stabilności, itp. 24
LITERATURA 1. Arabas J., Domański P.D., Świrski K., Praktyczne aspekty modelowania i optymalizacji procesów przemysłowych, Pomiary, automatyka, kontrola nr 6/98 2. Åström K.J., Wittenmark B., Cucтeмы yпpaвлeния c ЭВМ, Moskwa 1987, МИР 3. Bielecki A., KrzyŜak W., Wiśniewski T., Stan i perspektywy automatyzacji systemów ciepłowniczych w Polsce, Prace Instytutu InŜynierii Chemicznej i Urządzeń Cieplnych nr 61, Konferencja pt. Badania i rozwiązania ogrzewnictwie, ciepłownictwie, wentylacji i klimatyzacji w Polsce, Wrocław-Szklarska Poręba 1990 4. Besler G.J., Współczesne problemy kształtowania mikroklimatu w budynkach mieszkalnych. Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja nr 7/96, Warszawa 5. Besler G.J., Zagadnienia energooszczędnego kształtowania mikroklimatu w budynkach, X Zjazd Ogrzewników Polskich pt. Problemy ciepłownictwa, ogrzewnictwa, wentylacji i klimatyzacji w nowych warunkach gospodarki rynkowej, Warszawa 1993 6. Chmielnicki W., Własności układów regulacji instalacji wewnętrznych centralnego ogrzewania, X Zjazd Ogrzewników Polskich pt. Problemy ciepłownictwa, ogrzewnictwa, wentylacji i klimatyzacji w nowych warunkach gospodarki rynkowej, Warszawa 1993 7. Chmielnicki W.J., Matematyczny model budynku do badań własności dynamicznych, VII Międzynarodowa Konferencja Klimatyzacja i Ciepłownictwo, Wrocław-Szklarska Poręba 1995 8. Chmielnicki W.J., Sterowanie mocą w budynkach zasilanych z centralnych źródeł ciepła, Warszawa 1996, PAN 9. Chmielnicki W.J., Komputerowe układy sterowania węzłów ciepłowniczych w teorii i praktyce, Ciepłownictwo w Polsce i na świecie, Rocznik III (1996), zeszyt 9-10 10. Chwieduk D., Najnowsze tenencje w budownictwie energooszczędnym. Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja nr 9/95, Warszawa 11. Czemplik A., Jabłoński A., Sokołowski W., Efekty automatyzacji ciepłowni Zawiszów w Świdnicy, IV Krajowa Konferencja pt. Modernizacja Miejskich Systemów Ciepłowniczych w Polsce, Międzyzdroje 1995 12. DzierŜgowski M., Wiszniewski A., Techniczne i ekonomiczne zagadnienia modernizacji ciepłowni komunalnych, II Krajowa Konferencja pt. Modernizacja miejskich systemów ciepłowniczych w Polsce, Międzyzdroje 1993 13. Findeisen W. Wielopoziomowe układy sterowania, Warszawa 1974, PWN 14. Findeisen W., Technika regulacji automatycznej, Warszawa 1978, PWN 15. Friedly J.C., Analiza dynamiki procesów, Warszawa 1975, WNT 16. Glinka J., Hrobowiec E., Modernizacja i postęp techniczny w systemach ciepłowniczych, warunkiem zmniejszenia kosztów ich eksploatacji oraz stabilności cen za ciepło na przykładzie warszawskiego systemu ciepłowniczego. Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja nr 4/96, Warszawa 17. Gordon G., Symulacja systemów, Warszawa 1974, WNT 25
18. Górecki H.,Analiza i synteza układów regulacji z opóźnieniem, Warszawa1971, WNT 19. Górecki J., Sieci cieplne, Wrocław 1994, PWr 20. Hopkiewicz M., Pietrzyk Z., Modelowanie matematyczne procesów niestacjonarnych w obiektach grzewczych, Prace Instytutu InŜynierii Chemicznej i Urządzeń Cieplnych nr 50, Konferencja pt. Klimatyzacja i ciepłownictwo - racjonalizacja rozwiązań konstrukcyjnych, Wrocław 1987 21. Jaskólski K., Czym ogrzewane są mieszkania w Polsce? Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja nr 11/95, Warszawa 22. JeŜowiecki J., Tiukało A., Zalewski J., Koncepcja wykorzystania modeli probabilistycznych i technik symulacyjnych w problematyce systemów ciepłej wody uŝytkowej, Prace Instytutu InŜynierii Chemicznej i Urządzeń Cieplnych nr 47, Konferencja pt. Badanie systemów w ogrzewnictwie, wentylacji, klimatyzacji i ciepłownictwie, Wrocław- Szklarska Poręba 1986 23. Kaczorek T., Teoria sterownia i systemów, Warszawa 1996, PWN 24. Kamler, Ciepłownictwo, Warszawa 1968, PWN 25. Kącki E., Elektroniczna technika obliczeniowa, Warszawa 1986, PWN 26. Kierlańczyk T., Kotte G., Koncepcja zabudowy akumulatorów ciepła w celu łagodzenia procesu zmiennych obciąŝeń systemu ciepłowniczego. Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja nr 4/96, Warszawa 27. Kołodziejczyk L., Gospodarka cieplna w ogrzewnictwie, Warszawa 1972, Arkady 28. Korbicz J., Sztuczne sieci neuronowe i ich zastosowanie w diagnostyce procesów przemysłowych, Pomiary, automatyka, kontrola nr 4/98 29. Kurman K.J., Teoria regulacji: Podstawy, Analiza, Projektowanie, Warszawa 1975, WNT 30. Laskowski L., Metoda uproszczonej charakterystyki energetycznej obiektów mieszkalnych, Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja nr 11/95, Warszawa 31. Nowa encyklopedia powszechna PWN, Warszawa 1997, PWN 32. Nowak B., Zalewski J., Opis dobowej dynamiki poboru ciepłej wody uŝytkowej w wielorodzinnych budynkach mieszkalnych, Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja nr 8/95, Warszawa 33. Nowak B., Zalewski J., Zmienność przebiegów dobowych poboru ciepłej wody uŝytkowej w wielorodzinnych budynkach mieszkalnych dla dni roboczych, Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja nr 9/95, Warszawa 34. Mańkowski S., Kierunki modernizacji miejskich systemów ciepłowniczych, Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja nr 5/95, Warszawa 35. Mańkowski S., Struktury techniczne współczesnych i przyszłych systemów ciepłowniczych i ogrzewczych, Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja nr 7/96, Warszawa 36. Mańkowski S., Warunki rozwoju i modernizacji źródeł ciepła, X Zjazd Ogrzewników Polskich pt. Problemy ciepłownictwa, ogrzewnictwa, wentylacji i klimatyzacji w nowych warunkach gospodarki rynkowej, Warszawa 1993 26
37. Narowski P., Model dynamicznych stanów cieplnych budynku z infiltracją powietrza dla potrzeb sterowania mocą cieplną, VI Krajowa Konferencja pt. Modernizacja miejskich systemów ciepłowniczych w Polsce, Międzyzdroje 1997 38. Okołowicz-Grabowska B., Turlejski S., Model matematyczny procesów wymiany ciepła w pomieszczeniach, Prace Instytutu InŜynierii Chemicznej i Urządzeń Cieplnych nr 47, Konferencja pt. Badanie systemów w ogrzewnictwie, wentylacji, klimatyzacji i ciepłownictwie, Wrocław- Szklarska Poręba 1986 39. Pasek K., Rylik P., NadąŜna regulacja średniej temperatury wody w węźle centralnego ogrzewania, Prace Instytutu InŜynierii Chemicznej i Urządzeń Cieplnych nr 50, Konferencja pt. Klimatyzacja i ciepłownictwo - racjonalizacja rozwiązań konstrukcyjnych, Wrocław 1987 40. Pinot J., Modernizacja węzłów ciepłowniczych w Europie Środkowej i Wschodniej, Międzynarodowa Konferencja pt. Stan ciepłownictwa w Szczecinie i moŝliwości wykorzystania wód geotermicznych, Szczecin 1994 41. Pieńkowski K., Stempniak A., Wpływ modernizacji poszczególnych elementów systemu ciepłowniczego na pracę centralnego źródła ciepła, Ciepłownictwo w Polsce i na świecie, Rocznik III (1996), zeszyt 11-12 42. Popiel C.O., Wojtkowiak J., Własności fizyczne wody przeznaczone do obliczeń cieplnych na komputerach PC (w zakresie 0 C do 150 C), Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja nr 2/95 Warszawa 43. Poradnik: Ciepłownictwo, Warszawa 1994, Fundacja Rozwoju Ciepłownictwa "Unia Ciepłownicza" 44. Poradnik inŝyniera automatyka, Warszawa 1969, WNT 45. Poradnik inŝyniera, matematyka, Warszawa 1986, WNT 46. Rabjasz R., Techniczne i technologiczne tendencje rozwoju instalacji centralnego ogrzewania w budownictwie ogólnym w Polsce, X Zjazd Ogrzewników Polskich pt. Problemy ciepłownictwa, ogrzewnictwa, wentylacji i klimatyzacji w nowych warunkach gospodarki rynkowej, Warszawa 1993 47. Rajbasz R., Termorenowacja i jej wpływ na wymiarowanie i eksploatację centralnego ogrzewania, Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja nr 6/95, Warszawa 48. Recknagel, Sprenger, Honmann, Schramek, Poradnik: Ogrzewanie+Wentylacja, Gdańsk 1994 EWFE-Polonia 49. Romaniszyn J., Regulacja hydrauliczna sieci ciepłowniczej zasilanej z EC-Wrocław, Ciepłownictwo w Polsce i na świecie, Rocznik IV(1997), zeszyt 7-8 50. Rubik M., Termodynamiczne podstawy ciepłownictwa, ogrzewnictwa i klimatyzacji, Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja nr 1/95, 4/95, 10/95 Warszawa 51. Simulink Dynamic System Simulation Software, User s Guide, The Math Works, Inc. 1995 52. Syposz J., Pełech A., Nowoczesne programowalne regulatory mikroprocesorowe w ogrzewnictwie, ciepłownictwie i klimatyzacji, II Krajowa Konferencja pt. Modernizacja miejskich systemów ciepłowniczych w Polsce, Międzyzdroje 1993 27
53. Szwedowska-Kotlińska J., Wolna M., Nowoczesne technologie pozyskiwania i wykorzystywania energii w Finlandii, Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja nr 4/95, Warszawa 54. ŚnieŜyk R., Programy komputerowe do analizy hydraulicznej sieci cieplnych, Raport serii SPR 34/82, Instytut InŜynierii Chemicznej i Urządzeń Cieplnych Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1982. 55. ŚnieŜyk R., Metody modernizacji istniejących systemów ciepłowniczych, X Zjazd Ogrzewników Polskich pt. Problemy ciepłownictwa, ogrzewnictwa, wentylacji i klimatyzacji w nowych warunkach gospodarki rynkowej, Warszawa 1993 56. ŚnieŜyk R., Jak i za co modernizować krajowe systemy ciepłownicze na przykładzie koncepcji dla Szczecina, II Krajowa Konferencja Modernizacja Miejskich Systemów Ciepłowniczych w Polsce, Międzyzdroje 1994 57. ŚnieŜyk R., Wpływ niepełnej automatyzacji węzłów i sieci ciepłowniczej na pracę źródeł ciepła, Nowoczesne ciepłownictwo nr 1/97 58. Turlejski S., Niemyjski O., Narowski P., Komputerowe wspomaganie eksploatacji i planowania rozwoju systemów ciepłowniczych, II Krajowa Konferencja pt. Modernizacja Miejskich Systemów Ciepłowniczych w Polsce, Międzyzdroje 1994 59. Wasilewski W., Racjonalizacja zuŝycia ciepła w instalacjach centranego ogrzewania i ciepłej wody uŝytkowej, X Zjazd Ogrzewników Polskich pt. Problemy ciepłownictwa, ogrzewnictwa, wentylacji i klimatyzacji w nowych warunkach gospodarki rynkowej, Warszawa 1993 60. Weiss P., Popielas T., Przyszłość zdecentralizowanych elektrociepłowni w Polsce, VI Krajowa Konferencja pt. Modernizacja miejskich systemów ciepłowniczych w Polsce, Międzyzdroje 1997 61. Wilczak T., Tomczyński G., Wpływ całkowicie zautomatyzowanej magistrali na działanie systemu ciepłowniczego w Poznaniu, II Krajowa Konferencja Modernizacja Miejskich Systemów Ciepłowniczych w Polsce, Międzyzdroje 1994 62. Wilczak T., WdroŜenie automatyki w systemach ciepłowniczych, Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja nr 4/95, Warszawa 63. Wojdyga K., Nowak S., MoŜliwości sterowania systemem ciepłowniczym przy wykorzystaniu sztucznej sieci neuronowej, VI Krajowa Konferencja pt. Modernizacja miejskich systemów ciepłowniczych w Polsce, Międzyzdroje 1997 28