Konferencja Energetyka komunalna teraźniejszość i wyzwania przyszłości Energy Manager zawód przyszłości. Kształcenie inżynierów Energetyków na Uniwersytecie Zielonogórskim 2016.04.08 Instytut Inżynierii Środowiska, Park Naukowo-Technologiczny dr inż. Piotr Ziembicki email: P.Ziembicki@iis.uz.zgora.pl, P.Ziembicki@pnt.uz.zgora.pl
WYZWANIA WSPÓŁCZESNOŚCI Rozwój cywilizacyjny, postęp techniczny to ogromna szansa na szczęśliwe i dostatnie życie, ale też zagrożenia wzrost zapotrzebowania na energię, wyczerpywanie się paliw kopalnych, emisja zanieczyszczeń (spalanie paliw kopalnych), skażenie wód, zanieczyszczenie powietrza (komunikacja), efekt cieplarniany. TO WYZWANIA WSPÓŁCZESNEGO ŚWIATA WYZWANIA DLA gospodarki energetycznej Energy Managera, energetyki komunalnej. 2
GOSPODARKA ENERGETYCZNA Racjonalizacja gospodarki energetycznej może być dokonana przez: zmianę struktury wykorzystania energii pierwotnej poprzez: zwiększenie udziału energii alternatywnych (OŹE) w ogólnym bilansie energetycznym, racjonalizację wykorzystania istniejących metod produkcji i dystrybucji ciepła, zmniejszanie zużycia poprzez: wdrażanie technologii energooszczędnych, prowadzenie termomodernizacji, promowanie i wspieranie technologii pozwalających na zmniejszenie zużycia energii pierwotnej, modernizację procesów technologicznych w przemyśle (wprowadzanie procesów bardziej efektywnych energetycznie). 3
GOSPODARKA ENERGETYCZNA Efektem wzrostu znaczenia i zmian gospodarki energetycznej w jednostkach osadniczych będzie: ogromny wzrost zatrudnienia w sektorze efektywności energetycznej i technologii OŹE (szczególnie w energetyce słonecznej), wzrost znaczenia planowania energetycznego na poziomie jednostek osadniczych (m.in. rola samorządu terytorialnego), zwiększanie nakładów na efektywność energetyczną budownictwa mieszkalnego, użyteczności publicznej i przemysłu, powstawanie nowych programów finansowania inwestycji wzrost znaczenia umiejętności pozyskiwania środków na inwestycje, powstanie nowego zawodu Energy Manager. Jednostki samorządu terytorialnego będą zmuszone do starannego opracowywania projektów założeń do planu zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe. 4
WYZWANIA PRZYSZŁOŚCI Pakiet 3 x 20 zakłada wzrost o 20% udziału odnawialnych źródeł energii w ogólnym bilansie energetycznym (do 2020 roku). To oznacza konieczność: przeprojektowania istniejących źródeł ciepła oraz uzupełnienia o instalacje kolektorów słonecznych i pomp ciepła, wspierania architektów w projektowaniu budynków pasywnie wykorzystujących energię słoneczną, doradztwa na rzecz samorządów terytorialnych w zakresie kreowania polityki energetycznej gmin, miast i wsi. ZADANIA DLA ENERGETYKI KOMUNALNEJ I ENERGY MANAGERA. 5
WYZWANIA PRZYSZŁOŚCI Pakiet 3 x 20 zakłada redukcję emisji gazów cieplarnianych o 20% do 2020 r. 70% całego potencjału redukcji emisji pochodzi z poprawy wydajności energetycznej i wykorzystania niskoemisyjnych źródeł energii. Wynika z tego konieczność: zmian w technologiach produkcji i dystrybucji ciepła i energii elektrycznej, optymalizacji systemów chłodzenia budynków, wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OŹE). GOSPODARKA NISKOEMISYJNA - ZADANIA DLA ENERGETYKI KOMUNALNEJ I ENERGY MANAGERA. 6
WYZWANIA PRZYSZŁOŚCI Pakiet 3 x 20 zakłada wzrost efektywności energetycznej o 20%. Dyrektywy UE wymagają aby do 2020 r. wszystkie nowe budynki były niemal zero energetyczne, a budynki państwowe do 2018 r. Oznacza to konieczność: uwzględnienia specjalnych wymagań dla instalacji grzewczych, wentylacyjnych i przygotowania ciepłej wody użytkowej w budynku, szczegółowej analizy źródła ciepła oraz doboru optymalnego rozwiązania uwzględniającego aspekty środowiskowe oraz zyski ciepła. ZADANIA DLA ENERGETYKI KOMUNALNEJ I ENERGY MANAGERA. 7
FINANSOWANIE PRZEDSIĘWZIĘĆ Perspektywa finansowania na lata 2014-2020 UE to prawie 350 mld zł dla Polski. Po raz pierwszy jednymi z podstawowych celów będą: efektywność energetyczna w budownictwie i przemyśle, gospodarka niskoemisyjna (CO 2 ), odnawialne źródła energii. Szacuje się, że poziom finansowania tych inwestycji ze środków UE to ok. 60 mld zł. Dodatkowe wsparcie stanowić będą programy finansowane przez NFOŚiGW. WSPARCIE DYSCYPLINY ENERGETYKA KOMUNALNA. 8
ENERGETYKA KOMUNALNA Aspekty techniczne gospodarki energetycznej Nowoczesne systemy wytwarzania i przesyłania energii (ciepło, chłód, energia elektryczna), Odnawialne źródła energii systemowe oraz przeznaczone dla budownictwa, Sieci i węzły ciepłownicze, w tym systemy hybrydowe cieplno-chłodnicze, Instalacje wewnętrzne grzewcze, chłodnicze, klimatyzacyjne i inne, Efektywność energetyczna w budownictwie i przemyśle. Technologie informatyczne w zarządzaniu energią, Kompleksowe projektowanie systemów oparte na komputerowym modelowaniu i symulacji (BIM). 9
ENERGETYKA KOMUNALNA Nowoczesna Energetyka komunalna to nowoczesne, innowacyjne metody badawcze i projektowe modelowanie procesów, technologii i instalacji, symulacja komputerowa energetyki budynków, wspomaganie komputerowe projektowania (systemy CAD, BIM Building Information Modelling), nowoczesne metody obliczeniowe wykorzystujące dedykowane oprogramowanie np. MATLAB. Przy Centrum Budownictwa Zrównoważonego i Energii) działa jedno z najnowocześniejszych laboratoriów symulacyjnych w Polsce. 10
A jak to wygląda w praktyce? 11
ANALIZY SYMULACYJNE W kontekście wyzwań rynku energetycznego podjęto się przygotowania i realizacji projektu badawczo-wdrożeniowego Kierownik Projektu Badawczego dr inż. Piotr Ziembicki, Koordynator Projektu Ryszard Francuz. Tytuł projektu Wytwarzanie chłodu z ciepła sieciowego w Zielonej Górze. Zespół badawczy składa się ze specjalistów w obszarze energetyki i ciepłownictwa, a także w zakresie symulacji komputerowej. Ośrodki naukowe i przemysłowe realizujące projekt badawczy Uniwersytet Zielonogórski, Elektrociepłownia Zielona Góra S.A., EDF Polska S.A., Park Naukowo Technologiczny UZ (laboratorium symulacji komputerowej). 12
ANALIZY SYMULACYJNE Koncepcja projektu badawczo wdrożeniowego była oparta na trzech podstawowych kierunkach prac, które były wzajemnie powiązane i realizowane w ścisłej koordynacji. Pierwszym z nich były prace badawcze prowadzące do: opracowania projektu węzła cieplno-chłodniczego opartego o zarekomendowany w drodze badań agregat sorpcyjny (zrealizowany). Drugim kierunkiem prac była realizacja inwestycji pilotażowej polegającej na wdrożeniu zarekomendowanych rozwiązań w wybranym rzeczywistym budynku w Zielonej Górze (zrealizowany). Trzecim zadaniem jest opracowanie i wykonanie stanowiska badawczego (opomiarowanie węzła cieplno-chłodniczego) oraz szczegółowe i wielokryterialne przebadanie zaprojektowanych i wdrożonych rozwiązań (w trakcie realizacji). 13
ANALIZY SYMULACYJNE Centrum Przyrodnicze w Zielonej Górze istniejący budynek przemysłowy zaadoptowany do nowej funkcji, węzeł cieplno-chłodniczy na poziomie parteru w II części obiektu, zasilany z miejskiej sieci ciepłowniczej, budynek wyposażony w instalacje zimnej wody, centralnego ogrzewania, ciepła technologicznego (zasilania nagrzewnicy centrali wentylacyjnej), kanalizacji sanitarnej i deszczowej, ciepła woda użytkowa przygotowywana w podgrzewaczach elektrycznych, 14
MODEL SYMULACYJNY BUDYNKU Prawidłowe zaprojektowanie węzła cieplno-chłodniczego wymaga wykonania bilansu ciepła i chłodu dla tego obiektu. Na potrzeby projektu badawczego wykonanie obliczeń przy wykorzystaniu tradycyjnych metod opisanych w obowiązujących przepisach i PN jest niewystarczające. W celu uzyskania możliwości dogłębnej analizy obiektu należy znać charakterystykę energetyczną budynku, profil jego wykorzystania, rozumieć sposób pracy źródła ciepła i chłodu, a także instalacji grzewczej i chłodniczej. Rozwiązaniem tego problemu jest przeprowadzenie identyfikacji systemu (jakim jest budynek) poprzez zbudowanie komputerowego modelu symulacyjnego. 15
MODEL SYMULACYJNY BUDYNKU Model symulacyjny budynku Centrum Przyrodniczego wykonano w programie Design Builder. Konstrukcję i gabaryty budynku odwzorowano w oparciu o przekazaną dokumentację budowlaną, przy wykorzystaniu mechanizmów oprogramowania, pozwalających na tworzenie trójwymiarowego modelu obiektu. Model jest dokładnym odwzorowaniem rzeczywistego budynku Centrum Przyrodniczego, przy czym jego wyposażenie w instalacje oraz charakterystyka funkcjonowania są sparametryzowane, co oznacza możliwość szerokiego wariantowania obliczeń symulacyjnych. 16
MODEL SYMULACYJNY BUDYNKU Model budynku DesignBuilder (EnergyPlus) 17
MODEL SYMULACYJNY Wyniki symulacji bilans ciepła i chłodu. 18
AGREGAT CHŁODNICZY Z wykresu i histogramu rocznego obciążenia chłodniczego wynika, że przez prawie 90% trwania okresu letniego zapotrzebowanie chłodu nie przekracza 30 kw, co stanowi 35% obliczeniowej mocy maksymalnej (86,4 kw). 69% 64% 57% 46% % 34% 23% 21% 11% 10% 0% 4% 0% 0% 0% 0% -90-80 -70-60 -50-40 -30-20 -10 0 10 Zapotrzebowanie na moc chłodniczą [kw] 19
AGREGAT CHŁODNICZY Symulacja komputerowa pozwoliła stwierdzić, że w planowanym w budynku Centrum Przyrodniczego powinna zostać zainstalowana chłodziarka o mocy nominalnej Q CHnom = 50 kw, Pozwoli ona pokryć zapotrzebowane na chłód przez ponad 95% czasu pracy instalacji klimatyzacyjnej w budynku. Pierwotnie zaprojektowano chłodziarkę o mocy chłodniczej Q CHnom = 200 kw, EFEKT? PRAWIE 3-krotnie NIŻSZE KOSZTY INWESTYCYJNE ORAZ NIŻSZE KOSZTY EKSPLOATACYJNE 20
WDROŻENIE WYNIKÓW ANALIZ 21
ANALIZA ENERGETYCZNA OSIEDLA System ekspercki jest zintegrowaną, wielomodułową aplikacją komputerową stworzoną przy wykorzystaniu,,środowiska R'' (project R) oraz gotowego silnika obliczeniowego EnergyPlus. Koncepcja systemu została oparta na integracji wielu narzędzi obliczeniowych w celu stworzenia jednolitego systemu komputerowego, wspieranego bazami wiedzy opartymi na badaniach przeprowadzonych w trakcie realizacji niniejszego zadania. Celem systemu eksperckiego jest analiza energetyczna zadanego budynku lub grupy budynków oraz dokonanie rekomendacji źródła energii w oparciu o emisję CO 2 oraz koszty inwestycyjne wyznaczone w oparciu o wskaźniki zawarte w bazach wiedzy. 22
ANALIZA ENERGETYCZNA OSIEDLA Analiza pojedynczego budynku wbudowany agregat mikrokogeneracyjny, wpięcie budynku do istniejącego systemu ciepłowniczego ze scentralizowanym źródłem ciepła, źródło energii wbudowane w obiekt (kotłownia gazowa lub olejowa), Analiza grupy budynków źródło energii wbudowane w każdym budynku oddzielnie (kotłownia gazowa lub olejowa), mikrosieć ciepłownicza z grupowym źródłem energii w postaci kotłowni gazowe lub olejowej, mikrosieć ciepłownicza z grupowym źródłem energii w postaci agregatu mikrokogeneracyjnego, wpięcie grupy budynków do istniejącego systemu ciepłowniczego ze scentralizowanym źródłem ciepła. 23
ANALIZA ENERGETYCZNA OSIEDLA System ekspercki jest oparta na bazach wiedzy. Wszelkie dane dotyczące budynków, instalacji, źródeł energii, kosztów eksploatacyjnych stanowią bazy wiedzy oparte o stworzone w oparciu o badania naukowe i doświadczenie praktyczne. Jednocześnie system ekspercki umożliwia dowolną korektę zawartych w bazach wiedzy danych, zarówno na poziomie analizy budynku jak również w celu uzupełnienia funkcjonalności oprogramowania. 24
ANALIZA ENERGETYCZNA OSIEDLA Dane wejściowe do systemu eksperckiego. 25
ANALIZA ENERGETYCZNA OSIEDLA Na podstawie wprowadzonych do programu danych dotyczących budynku podstawowe wymiary budynku, ilość segmentów, kondygnacji, procentowego udziału okien w powierzchni poszczególnych przegród program ekspercki genereruje pliku *.idf, na podstawie którego EnergyPlus przeprowadza symulację energetyczną. 26
ANALIZA ENERGETYCZNA OSIEDLA Wynikiem analizy przeprowadzanej przez system ekspercki jest lista rekomendacji źródeł energii dla pojedynczego budynku lub dla grupy budynków, która może być szeregowana pod względem obu kryteriów jednocześnie, tzn. emisji CO 2 i szacowanych kosztów inwestycyjnych lub z uwzględnieniem tylko jednego kryterium. 27
A co na to Instytut Inżynierii Środowiska UZ? 28
KIERUNKI KSZTAŁCENIA Inżynieria Środowiska stacjonarnych i niestacjonarnych I, II i III stopnia, 7 semestrów (3,5 roku) + 3 semestry (1,5 roku), tytuł zawodowy inżyniera oraz magistra inżyniera, dwie specjalności: Urządzenia sanitarne, Zaopatrzenie w wodę, unieszkodliwianie ścieków i odpadów. Energetyka Komunalna - profil praktyczny stacjonarnych i niestacjonarnych I-go stopnia, 8 semestrów (4 lata), tytuł zawodowy inżyniera. dwie specjalności: Komunalna energetyka cieplna, Źródła odnawialne i nowoczesne technologie energetyczne. 29
ENERGETYKA KOMUNALNA CZEGO PRZEDE WSZYSTKIM UCZYMY? przedmioty techniczne, specjalistyczne, np.: Energooszczędne instalacje grzewcze, Konwencjonalne źródła ciepła, Systemy ciepłownicze, Sieci wodociągowe i kanalizacyjne, Ochrona środowiska w energetyce, Odnawialne źródła energii, Komputerowe techniki obliczeniowe i symulacyjne DO CZEGO PRZYKŁADAMY MNIEJSZĄ WAGĘ? matematyka, fizyka, mechanika techniczna. 30
ENERGETYKA KOMUNALNA KARIERA ZAWODOWA? przedsiębiorstwa związane z produkcją i przesyłem ciepła i energii elektrycznej, firmy projektowe, wykonawcze i konsultingowe w zakresie energetyki komunalnej, jednostki administracji terytorialnej i centralnej, spółdzielnie mieszkaniowe i firmy zarządzające nieruchomościami, przedsiębiorstwa i zakłady gospodarki komunalnej, firmy budowlano - instalacyjne, firmy audytorskie w zakresie energetyki oraz budownictwa, własna działalność gospodarcza. 31
ENERGETYKA KOMUNALNA DLACZEGO WARTO? ponieważ po ukończeniu kierunku Energetyka komunalna absolwenci uzyskują jeden z najlepiej opłacanych zawodów w Polsce, wykształcenie techniczne gwarantuje zatrudnienie inżynier zawsze będzie potrzebny! 32
ENERGETYKA KOMUNALNA KONTAKT: Instytut Inżynierii Środowiska zapraszamy na strony internetowe: www.iis.uz.zgora.pl facebook: https://www.facebook.com/instytut.inzynierii.srodowiska.uz Park Naukowo-Technologiczny Uniwersytetu Zielonogórskiego zapraszamy na strony internetowe: www.pnt.uz.zgora.pl 33
Dziękuję za uwagę! Konferencja Energetyka komunalna teraźniejszość i wyzwania przyszłości Energy Manager zawód przyszłości. Kształcenie inżynierów Energetyków na Uniwersytecie Zielonogórskim 2016.04.08 Uniwersytet Zielonogórski, Instytut Inżynierii Środowiska dr inż. Piotr Ziembicki email: P.Ziembicki@iis.uz.zgora.pl, P.Ziembicki@pnt.uz.zgora.pl