S. Kurek - Inteligentny dom, plus energetyczny

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
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.
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 Pg=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 CO2jest 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 CO2 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 CO2jest na poziomie:
0,9t * 2,2t/t = 1,98t
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 CO2jest 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
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]
4.444
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
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
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.
2.92 [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 12-70
70
12
24,3
Ogniwa fotowoltaiczne
HZB 12-230
230
12
73,5
Mikrowiatrak
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
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 ''
1 1/4 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.
Rysunek 4kolektor słoneczny
Przykładowa instalacjaTLPAm-500W firmy HEWALEX
Skład zestawu:
Kolektor słoneczny KS2000 TLP Am:
5 szt.
Zestaw przyłączeniowy kolektora ZPKS 5 Am:
1 kpl.
Otulina Armaflex HT w osłonie 28/13 mm:
2m
Profil maskujący KSL:
4 szt.
Zespół pompowo-sterowniczy ZPS 18a-01:
1 kpl.
Podgrzewacz VF500-2:
1 szt.
Zespół naczynia przeponowego ZNP 24DS:
1 kpl.
Zestaw przyłączeniowy podgrzewacza Pa
1 kpl.
Płyn TYFOCOR L -25oC:
30 l
Zakładając średnią energię promieniowania słońca w Polsce na 1000 kWh/m2 przy
sprawności kolektora na poziomie 82% rocznie z instalacji uzyskuje się energię o wartości:
7.49 [MWh]
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
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.
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
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.
5. Bilans energetyczny domu po modernizacji.
Poniżej zestawiono wszystkie zastosowane źródła odnawialne wraz z zestawieniem
bilansu energii elektrycznej oraz cieplnej w/w technologii.
Energia
Energia na
Energia na
elektryczna
ogrzewanie
podgrzewanie
[MWh]
domu [MWh]
wody [MWh]
Pierwotnie
3,50
39,56
8,80
29,86
Pompa ciepła
6,60
-34,00
-
-8,80
Kolektory
-
-
-7,49
-5,45
Ogniwa PV
-2,92
-
-
-2,92
Mikrowiatrak
-4,00
-
-
-4,00
-0,48
-1,95
-
-0,57
2,70
3,61
0,31
8,12
Technologia
Końcowa emisja
OZE
CO2[t]
Inteligentny
budynek
Razem
PowyŜsze zestawienie przedstawia jak zastosowanie OZE oraz automatyki budynkowej
korzystnie wpływają na zmniejszenie poboru energii oraz zredukowanie emisji CO2.
Modernizacja kaŜdego domu jednorodzinnego wpływa na stan środowiska, dlatego warto
uświadamiać ludzi aby inwestowali w ogromny potencjał odnawialnych źródeł energii.
6. Bibliografia.
[1] J. Popczyk: Energetyka rozproszona, monografia, Warszawa 2011
[2] www.klaster3x20.pl
[3]www.automatyka-budynkowa.com
[4] www.budujemydom.pl
[5]www.knxforum.pl
[6]www.smartech.pl
[7] www.hewalex.pl
[8] www.ecotechnologies.pl
[9] www.stiebel-eltron.pl
[10] www.myenergy.pl
[11] www.wikipedia.pl