Od energijskega modeliranja do upravljanja sistema z umetno inteligenco: celovita prenova hladilnega sistema z latentno hrambo hladu
Pri prenovi hladilnega postrojenja večjega trgovskega objekta je bil osnovni cilj nadomestiti dotrajano opremo ter hkrati vzpostaviti energetsko prilagodljiv sistem, ki se lahko odziva na dejanske potrebe stavbe in spreminjajoče se razmere na trgu električne energije oziroma na razogljičenje stavb skozi prenovljeno EPBD 2024, ki skozi Prilogo I uvaja dinamični faktor primarne energije fPE in uporabnike spodbuja k razogljičenju s porabo ali shranjevanjem energije takrat, ko je delež OVE v omrežju najvišji. Projekt je obsegal celoten inženirski proces: idejno zasnovo, energijsko modeliranje, izdelavo projektne dokumentacije, projektantski nadzor med izvedbo, pripravo podrobnih sosledij delovanja ter stavljenje sistema v obratovanje oziroma commissioning.
Obstoječe, tri zračno hlajene, hladilnike tekočin hladilnih kapacitet 2 x 1.000 kW in 1x 500 kW sta nadomestila dva nova hladilnika tekočin, sistem pa je bil nadgrajen z latentnimi hranilniki hladu oziroma bankami ledu. Skupna vršna hladilna zmogljivost postrojenja presega 2.000 kW, razpoložljiva kapaciteta hranilnikov pa znaša več kot 6.700 kWh hladu. Hranilnike je mogoče iz popolnoma izpraznjenega stanja napolniti v največ osmih urah.
Določitev zmogljivosti z energijskim modelom
Ustrezna zmogljivost sistema ni bila določena zgolj na podlagi ocenjene vršne obremenitve. Z uporabo certificirane programske opreme je bil pripravljen urni energijski model stavbe, v katerega so bili vključeni podatki o gradbeni fiziki, zasedenosti, razsvetljavi, notranjih toplotnih dobitkih, prezračevanju, urnikih obratovanja ter projektnih vremenskih razmerah. Izračunani profil hladilne obremenitve je bil dodatno preverjen z meritvami, zabeleženimi v predhodni hladilni sezoni.
Model je pokazal ne le največjo potrebno hladilno zmogljivost, temveč tudi časovni potek obremenitve. Z modeliranjem vršnega profilnega odjema (22.200 kWh/dan) smo dokazali, da je z optimalno kombinacijo neposrednega hlajenja in latentne hrambe hladu (banke ledu) možno nazivno hladilno zmogljivost hladilnikov občutno zmanjšati.
Na podlagi izdelanega energijskega modela so bile določene tudi potrebna zmogljivost pri izdelavi ledu, kapaciteta hranilnikov ter njihova največja potrebna zmogljivost praznjenja. Rezultat je sistem, dimenzioniran glede na dejansko dinamiko stavbe, z zmogljivostjo odzivanja na zunanje signale ter prilagajanja svoje porabe ali shranjevanja energije in ne le glede na eno samo projektno točko.
En sistem, več načinov delovanja
Hidronična zasnova temelji na vzporedni vezavi enega hladilnika vode in sistema latentne hrambe hladu s pripadajočim hladilnikom tekočin, ki lahko deluje v režimu hlajenja ali tvorbe ledu. Takšna rešitev omogoča dobro energijsko učinkovitost hladilnika vode, manjše tlačne izgube kot pri zaporedni vezavi in možnost sočasnega hlajenja objekta in tvorjenja ledu. Zahteva pa natančno načrtovano cevno povezavo in bistveno zahtevnejše krmiljenje.
Hladilno postrojenje je bilo zasnovano za devet različnih načinov delovanja, od samostojnega hlajenja s hladilnikom vode ali latentnimi hranilniki hladu do sočasnega hlajenja objekta in tvorbe ledu. Takšna zasnova omogoča prilagajanje obratovanja trenutnim hladilnim potrebam objekta, razpoložljivosti posameznih virov hladu ter pogojem za energijsko in stroškovno optimizacijo sistema.
Za vse načine delovanja so bila napisana podrobna sosledja delovanja z zaporedjem vklopov črpalk, hladilnikov, ventilov in prenosnikov toplote, pogoji za prehod na višjo ali nižjo stopnjo ter varnostnimi funkcijami. Krmiljenje upošteva dejanske pretoke, temperature, razpoložljivo količino ledu in trenutno hladilno obremenitev objekta ter omogoča odzivanje na zunanje signale električnega omrežja
Stavljenje sistema v obratovanje in funkcionalne preverjanje delovanja
Pri tako prepletenem postrojenju uspešen zagon ni samoumeven in tudi ne zadosten. Postopek stavljenja v obratovanje je zato vključeval pregled izvedbe, priprave preglednih listov, preverjanje merilnih mest in nastavitev, funkcionalno testiranje posamezne opreme, preizkus vseh scenarijev ter simulacijo prehodov, alarmov in varnostnih funkcij. Preverjeni na delovanje so bili tudi zaščita prenosnikov toplote pred zamrznitvijo, pravilno zaporedje preklopov ventilov, časovne zakasnitve, minimalni intervali med različnimi režimi hladilnika tekočin ter odziv sistema na povečanje ali zmanjšanje odjema.
Celoten postopek je omogočil, da projektna namera ni ostala le zapisana v dokumentaciji, temveč je bila preverjena v dejanskem obratovanju. Kljub velikemu številu možnih kombinacij in prehodov je bil osnovni hladilni sistem ob predaji zagnan tako, da je od prvega dne deloval skladno z načrtovanimi sosledji.
Zaključek
V naslednji fazi bo vzpostavljena povezava med lokalni centralnim nadzornim sistemom CNS, ki krmili delovanje hladilnega postrojenja in oddaljenim pametnim sistemom, podprtim z umetno inteligenco. Slednji bo na podlagi vremenske napovedi (temperature in sončnega obsevanja), zgodovinskih vremenskih podatkov in naučenega odziva stavbe, trenutnega odjema ter dinamičnih cen električne energije in omrežnine, ki bodo pričakovano predstavljale posledico deleža OVE, napovedoval potrebe po hlajenju ter izbiral stroškovno in emisijsko optimalen način delovanja. Cilj takšnega napovednega upravljanja bo zagotavljati zahtevano notranje ugodje ob čim nižjih stroških energije in učinkoviti uporabi razpoložljivega shranjenega hladu.
Projekt potrjuje pomen neprekinjene vključenosti projektanta skozi vse faze projekta – od idejne zasnove in izdelave projektne dokumentacije do nadzora izvedbe, zagona ter funkcionalnega testiranja sistema. Le s takšnim pristopom je mogoče zagotoviti, da izvedeni sistem v dejanskih obratovalnih razmerah deluje skladno s projektno namero. Hkrati projektant v fazi zagona in stavljenja v obratovanje pridobi neposredne povratne informacije o ustreznosti izbranih tehničnih rešitev, krmilnih strategij in sosledij delovanja, kar predstavlja pomembno osnovo za nadaljnje strokovno delo. Ker popolno načrtovan sistem ne obstaja, so se tudi pri obravnavanem projektu med izvedbo in zagonom pojavili posamezni tehnični izzivi ter odstopanja od predvidenega poteka, ki pa so bili z usklajenim sodelovanjem ostalih udeležencev in sistematičnim funkcionalnim preverjanjem uspešno odpravljeni.
Pripravil:
Urban Primožič, mag.inž.str.