Simulation einer RLT-Anlage Energiekosten senken Wirtschaftlichkeit verbessern Messtechnische Analyse mit Simulation einer RLT Anlage zur Bewertung des Ist Zustandes und der Optimierungsmöglichkeiten Dipl.-Ing. (FH) Eberhard Wieber 21.09.2005 Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 1 von 22
Übersicht 1. Ausgangssituation 2. Aufgabenstellung 3. Vorgehensweise 4. Durchführung der Simulation 4.1 Wetterdaten 4.2 Regelfunktionen 4.3 Regelverhalten 4.4 Ablauf der Simulation 5. Simulationsergebnisse Ist Zustand 6. Bewertung der Simulationsergebnisse 7. Optimierungsvorschlag 8. Simulationsergebnisse und Zusammenstellung des Einsparpotenzials 9. Zusammenfassung und Ausblick Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 2 von 22
1. Ausgangssituation Eine Raumlufttechnische Anlage soll hinsichtlich ihres aktuellen Betriebs und der möglichen Optimierungsmöglichkeiten untersucht werden. Die Raumlufttechnische Anlage dient der Klimatisierung von Produktionsräumen und ist "rund um die Uhr" in Betrieb. Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 3 von 22
2. Aufgabenstellung Anhand einer messtechnischen Analyse mit Anlagensimulation soll ermittelt werden, welche Potenziale zur Senkung des Energieverbrauches und der CO 2 -Emissionen bestehen. Ergebnisse der Untersuchungen sind, Energie- und Wasserverbrauch, CO 2 -Emissionen und verbrauchsgebundene Kosten der o. g. RLT-Anlage für den Ist Zustand, Höhe der Einsparpotenziale (in kwh, kg CO 2 und ) durch investive und nicht investive Maßnahmen im Bereich Gebäudeleittechnik (z. B. durch Sollwert- und Laufzeitoptimierung), Anlagentechnik (z. B. durch Optimierung von Einzelkomponenten) und Regelungstechnik (z. B. durch Optimierung des Regelkonzeptes). Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 4 von 22
3. Vorgehensweise Die Randbedingungen, die Sollwerte und die zulässigen Grenzwerte werden aufgenommen. Anhand des Anlagenschemas werden die Punkte zur Datenerfassung ausgewählt. Das Regelschema wird in die einzelnen Regelkreise zerlegt und die Regelparameter werden in die Simulation integriert. Die relevanten Temperaturen und Regelstellungen werden für 14 Tage mitgeschrieben um die Funktion der Regelung zu visualisieren und mögliche Schwachstellen aufzuzeigen. Die Sollwerte, die Regelparameter und die Klimadaten (hier die Daten aus dem Testreferenzjahr 7) werden in die Simulation integriert. Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 5 von 22
4. Durchführung der Simulation / Wetterdaten 40,0 C Lufttemperatur und Relative Luftfeuchte aus dem TRY 7 100,0% 35,0 C 90,0% 30,0 C 80,0% 25,0 C 70,0% 20,0 C 60,0% 15,0 C 50,0% 10,0 C 40,0% 5,0 C 30,0% 0,0 C 20,0% -5,0 C 10,0% -10,0 C 0,0% Jan Jan Mrz Apr Mai Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Lufttemperatur Relative Luftfeuchte Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 6 von 22
4. Durchführung der Simulation / Regelfunktion Beispiel: Übersicht der Regelfunktionen Nr. Regelgröße Sollwert Sequenz bei Unterschreitung Sollwert Sequenz bei Überschreitung Sollwert Bemerkung 1 Temperatur nach Vorerhitzer (T314) Außentemp.- abhängig. Wenn T300 > +10 C Sollwert = 12 C Wenn T300 0 C Sollwert = 40 C dazwischen linear VE-Ventil (R312) öffnet, wenn Anforderung > 10% VE-Pumpe EIN VE-Ventil schließt, wenn Anforderung < 5% VE-Pumpe AUS mit 8 min Nachlauf Für T300 < +6 C VE-Pumpe im Dauerlauf VE = Vorerhitzer 2 Mischlufttemperatur (T316) konstant 12 C Klappen V390 (FO) und V302 (AU) schließen, V324 (UM) öffnet falls nicht ausreichend öffnet das VE-Ventil VE-Ventil (R312) schließt, danach öffnen die Klappen V300 (FO) und V302 (AU) bzw. V324 (UM) schließt Minimale Klappenstellung (AU/FO) ist 30%, für T300 +5 C gilt immer der minimale Außenluftanteil Ab T300 > 20 C und T316 T378(AB) > 2 K erfolgt wieder Umschaltung auf Mindestaußenluftanteil (V302 = 30%) Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 7 von 22
4. Durchführung der Simulation / Regelfunktion Beispiel: Übersicht der Regelfunktionen Nr. Regelgröße Sollwert Sequenz bei Unterschreitung Sollwert Sequenz bei Überschreitung Sollwert Bemerkung 3 Ablufttemperatur (T378) Kaskade konstant 21 C Erhöhung des Zulufttemperatursollwertes auf maximal 28 C Absenkung des Zulufttemperatursollwertes auf minimal 18 C Abluft = Führungsregelkreis Zuluft = Folgeregelkreis der Kaskadenregelung 4 Zulufttemperatur (T364) variabel 18...28 C siehe Nr.3 Schließen des KÜ- Ventils danach Öffnen des NE- Ventils Schließen des NE- Ventils (R346) danach Öffnen des KÜ-Ventils (R334) NE = Nacherhitzer KÜ = Kühler 5 Abluftfeuchte (Q376)/ Entfeuchtungsregelkreis konstant 47% rel. Feuchte Kühlerventil (R334) schließt Kühlerventil (R334) öffnet 6 Abluftfeuchte (Q376)/ Befeuchtungsregelkreis Kaskade konstant 47% rel. Feuchte Anhebung des Zuluftfeuchtesollwertes auf maximal 60% rel. Feuchte Absenkung des Zuluftfeuchtesollwertes auf minimal 35% rel. Feuchte Abluft = Führungsregelkreis Zuluft = Folgeregelkreis der Kaskade Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 8 von 22
4. Durchführung der Simulation / Regelfunktion Regelverhalten-Temperaturverläufe Kanaltemperaturen der Anlage 70 65 60 1 2 3 2 1 55 50 T330 (nach VE) Temperaturen in C 45 40 35 30 25 20 15 T316 (MI) T378 (AB) T364 (ZU) 10 5 0-5 T300 (AU) -10 18.03.2003 00:00 18.03.2003 06:00 18.03.2003 12:00 18.03.2003 18:00 19.03.2003 00:00 19.03.2003 06:00 19.03.2003 12:00 19.03.2003 18:00 20.03.2003 00:00 Meßdauer T300 (AU) T316 (MI) T364 (ZU) T378 (AB) T330 (nach VE) Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 9 von 22
4. Durchführung der Simulation / Regelfunktion Regelverhalten-Stellsignale Stellwerte der Anlage 120 1 2 3 2 1 V332 (ZU-Ventilator) G302 (AU-Klappe) 100 R312 (VE-Ventil) Stellglieder in % 80 60 40 20 R386 (NE-Ventil) R350 (BEF- Ventil) V386 (AB- Vent.) R334 (KÜ- Ventil) 0 18.03.2003 00:00 18.03.2003 06:00 18.03.2003 12:00 18.03.2003 18:00 19.03.2003 00:00 19.03.2003 06:00 19.03.2003 12:00 19.03.2003 18:00 20.03.2003 00:00 Meßdauer R334 (KÜ-Ventil) R350 (BEF-Ventil) G302 (AU-Klappe) V332 (ZU-Ventilator) V386 (AB-Ventilator) R312 (VE-Ventil) R346 (NE-Ventil) Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 10 von 22
4. Durchführung der Simulation / Regelfunktion Beschreibung des Regelverhaltens 1 Außenlufttemperatur < 5 C Unter 0 C wird der Vorerhitzer auf eine Lufttemper atur (nach dem VE) von ca. 40 C geregelt. Die Außenluftklappe ist 30 % geöffnet bzw. die Umluftklappe 70 %. Weil die Mischlufttemperatur den Sollwert der Zulufttemperatur übersteigt, ist der Kühler in Betrieb und kühlt die überschüssige Vorwärmung durch den Vorerhitzer wieder zurück. Zwischen 0 C und + 5 C wird der Sollwert der Temperatur nach dem VE linear reduziert, wodurch auch die Mischlufttemperatur sinkt. 2 Außenlufttemperatur > 5 C und < 12 C (= Soll-Mis chlufttemperatur) Die Außenluftklappe wird ab + 5 C auf 100 % geöffn et, weil die Temperatur nach dem VE immer noch deutlich höher ist, als die Soll-Mischlufttemperatur. Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 11 von 22
4. Durchführung der Simulation / Regelfunktion Beschreibung des Regelverhaltens (Fortsetzung) Durch weiteres Ansteigen der Außentemperatur wird der Sollwert der Temperatur nach dem VE immer mehr abgesenkt. Ab dem Zeitpunkt, wo durch diesen Vorgang die Mischlufttemperatur unter die Soll-Zulufttemperatur fällt, reduziert sich die Kühlerleistung auf 0 %. Allerdings steigt durch die hohe Außenluftrate mit trockener Luft (ca. 4 g/kg) der Befeuchtungsbedarf erheblich an. 3 Außenlufttemperatur > + 12 C (Soll-Mischlufttempe ratur) Der Vorerhitzer ist außer Betrieb. Der Kühler ist nicht im Betrieb, weil die Außenlufttemperatur unter der Soll-Zulufttemperatur liegt. Die Außenluftklappe ist 100 % geöffnet. Die Befeuchtungsleistung ist aufgrund der trockenen Außenluft (ca. 4 g/kg) weiterhin hoch. Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 12 von 22
4. Durchführung der Simulation / Ablauf Zustand der Aufheizung Abkühlen, der Mischungsverhältnis AU Entfeuchten Außenluft aus den durch VE AU auf zu UL, abhängig Befeuchten Sollwerte, je nach Daten des TRY7 von der Außenlufttemperatur Außenlufttemperatur Nacherwärmen auf ZU Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 13 von 22
5. Simulationsergebnisse / Regelverhalten Simuliertes Regelverhalten der RLT - Anlage (Istzustand) an einem heiteren Apriltag 45,0 40,0 AU-Klappe 100% 90% Temperaturen in C 35,0 80% 30,0 70% 25,0 vor KÜ 60% 20,0 nach VE 50% nach KÜ 15,0 VE 40% 10,0 30% Außenluft 5,0 20% 0,0 KÜ 10% -5,0 0% 2395 2400 2405 2410 2415 2420 2425 2430 Zeit in Stunden Leistung bezogen auf max. Leistung in % Außentemp. Temp. Nach VE Temp. vor KÜ Temp. nach KÜ AU-Klappe VE-Leistung KÜ-Leistung Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 14 von 22
6. Bewertung der Simulationsergebnisse Hohes Einsparpotenzial durch regelungstechnische Maßnahmen, da die RLT-Anlage bisher mit einem zwar technisch funktionalen aber energetisch unzureichenden Regelkonzept im Bereich der Mischluftregelung mit Außenluftvorwärmung ausgestattet ist. Möglichkeiten zur Sollwertoptimierung bestehen im Normalbetrieb nicht, weil sich aufgrund der nicht vorhandenen Zonentemperaturregelung sehr große Unterschiede bezüglich Raumtemperatur und Raumluftfeuchte zwischen den einzelnen Räumen einstellen und dadurch die zulässigen Sollwertabweichungen bereits ausgeschöpft sind. Eine Laufzeitoptimierung für den Absenkbetrieb (Volumenstromreduzierung) ist nicht möglich, weil die anlagentechnischen Voraussetzungen (Volumenstromregler mit Hilfsenergie und fernverstellbarem Sollwert) nicht gegeben sind. Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 15 von 22
7. Optimierungsvorschlag Schwachstelle: Durch die ungünstige Positionierung des Vorerhitzers und durch ungünstige Strömungsverhältnisse muss die Außenluft bis auf 40 C erwärmt werden, um den Frostschutz zu gewährleisten. Dieser hohe Wärmeeintrag muss wieder gekühlt werden. Zu niedrige Mischluftsolltemperatur (12 C), dadurc h wird zuviel kalte Außenluft angesaugt. Optimierungsvorschlag Der Vorerhitzer wird stillgelegt und der Frostschutzthermostat wird vor den Kühler verlegt. Verbesserung der Durchmischung von Außenluft und Umluft durch den Einbau von Leitblechen. Anhebung der Mischluftsolltemperatur auf 16 C. Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 16 von 22
8. Simulationsergebnisse Istzustand Auswertung der Anlagensimulation zur Ermittlung des Energiebedarfs von RLT Anlagen RLT Anlage für Solidaproduktion; Reinraumfläche = 420 m² Klimaanlage mit VE-Dampfbefeuchtung; Kaltwasserkühlung; Umluftbeimischung Energie- bzw. Wasserpreis RLT Anlage Istzustand Jahresbedarf Energie- bzw. Wasserkosten Energie- bzw. Wasserkennzahl C02äq- Emissionen Energie- bzw. Verbrauchsform /MWh bzw. /m 3 MWh/a bzw. m 3 /a /a kwh/m 2 a bzw. m 3 /m 2 a kg/a Heizenergiebedarf (PWW) 68,00 470,6 32.001,- 1.120 149.473 Heizenergiebedarf (VE-Dampf) 61,00 181,0 11.043,- 431 65.783 Kühlenergiebedarf (KW) 79,90 339,5 27.122,- 808 115.855 Strombedarf für Ventilatoren 57,60 105,8 6.095,- 252 72.233 Wasserbedarf für Befeuchtung 3,02 241,4 729,- 0,57 --- Summe Kosten: 76.991,- Summe CO2äq: 403.346 Randbedingungen für die Anlagensimulation: Zuluftstrom (Normalbetrieb/Absenkbetrieb): 21.652 m³/h / 21.652 m³/h; Raumabluft+Objektabsaugung ca. 15.000 m³/h ohne Laufzeitoptimierung ; Produktionsbetrieb Mo. - Fr. 0.00-23.59 Uhr, 2 mal pro Monat Samstags ohne Sollwertoptimierung ; Sollwerte (24h/d): Raum- bzw. Ablufttemperatur = 21 C ; Raum- bzw. Abluftfeuchte = 47% endenergiebezogene CO2äq-Kennwerte nach GEMIS 4.14 in kg/mwh: Erdgas (für PWW/Dampf) = 254,1 ; Strom (für Antriebe/Kühlung) =682,6 endenergiebezogene Aufwandszahlen (vgl. Wirkungsgrad): Wärme PWW = 1,25 ; Wärme Dampf = 1,43 ; Kühlenergie = 0,5 ; Strom = 1,0 Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 17 von 22
8. Simulationsergebnisse Optimierte Mischluftregelung Auswertung der Anlagensimulation zur Ermittlung des Energiebedarfs von RLT Anlagen RLT Anlage für Solidaproduktion; Reinraumfläche = 420 m² Klimaanlage mit VE-Dampfbefeuchtung; Kaltwasserkühlung; Umluftbeimischung RLT Anlage Regelkreisoptimierung Mischluftregelung Energie- bzw. Energie- bzw. Energie- bzw. C02äq- Wasserpreis Jahresbedarf Wasserkosten Wasserkennzahl Emissionen Energie- bzw. Verbrauchsform /MWh bzw. /m 3 MWh/a bzw. m 3 /a /a kwh/m 2 a bzw. m 3 /m 2 a kg/a Heizenergiebedarf (PWW) 68,00 228,2 15.520,- 543 72.494 Heizenergiebedarf (VE-Dampf) 61,00 118,8 7.247,- 283 43.168 Kühlenergiebedarf (KW) 79,90 185,2 14.799,- 441 63.217 Strombedarf für Ventilatoren 57,60 105,8 6.095,- 252 72.233 Wasserbedarf für Befeuchtung 3,02 158,4 478,- 0,38 --- Summe Kosten: 44.140,- Summe CO2äq: 251.112 Randbedingungen für die Anlagensimulation: Zuluftstrom (Normalbetrieb/Absenkbetrieb): 21.652 m³/h / 21.652 m³/h; Raumabluft+Objektabsaugung ca. 15.000 m³ /h ohne Laufzeitoptimierung ; Produktionsbetrieb Mo. - Fr. 0.00-23.59 Uhr, 2 mal pro Monat Samstags ohne Sollwertoptimierung ; Sollwerte (24h/d): Raum- bzw. Ablufttemperatur = 21 C ; Raum- bzw. Abluftfeuchte = 47% endenergiebezogene CO2äq-Kennwerte nach GEMIS 4.14 in kg/mwh: Erdgas (für PWW/Dampf) = 254,1 ; Strom (für Antriebe/Kühlung) =682,6 endenergiebezogene Aufwandszahlen (vgl. Wirkungsgrad): Wärme PWW = 1,25 ; Wärme Dampf = 1,43 ; Kühlenergie = 0,5 ; Strom = 1,0 Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 18 von 22
8. Simulationsergebnisse / Einsparpotenzial Zusammenfassung 1.200 Gegenüberstellung des Jahresenergiebedarfs Energieverbrauch in MWh/a 1.000 800 600 400 200 0 Istzustand Variante 1 Heizenergiebedarf PWW Heizenergiebedarf VE-Dampf Kühlenergiebedarf KW Strombedarf für Ventilatoren Istzustand Variante 1 Klimaanlage mit VE-Dampfbefeuchtung; Kaltwasserkühlung; Umluftbeimischung Regelkreisoptimierung Mischluftregelung Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 19 von 22
8. Simulationsergebnisse / Einsparpotenzial Zusammenfassung Gegenüberstellung der Jahresenergiekosten Kosten für Energie und Wasser in /a 90.000 80.000 70.000 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 0 Istzustand Variante 1 Heizenergiebedarf PWW Heizenergiebedarf VE-Dampf Kühlenergiebedarf KW Strombedarf für Ventilatoren Wasserbedarf für Befeuchtung Istzustand Variante 1 Klimaanlage mit VE-Dampfbefeuchtung; Kaltwasserkühlung; Umluftbeimischung Regelkreisoptimierung Mischluftregelung Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 20 von 22
8. Simulationsergebnisse / Einsparpotenzial Zusammenfassung Gegenüberstellung der CO2äq-Emissionen CO2-äq-Emissionen in kg/a 450.000 400.000 350.000 300.000 250.000 200.000 150.000 100.000 50.000 0 Istzustand Variante 1 Heizenergiebedarf PWW Kühlenergiebedarf KW Heizenergiebedarf VE-Dampf Strombedarf für Ventilatoren Istzustand Variante 1 Klimaanlage mit VE-Dampfbefeuchtung; Kaltwasserkühlung; Umluftbeimischung Regelkreisoptimierung Mischluftregelung Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 21 von 22
9. Zusammenfassung und Ausblick Mit Hilfe von Simulationen von HLK Anlagen können Einsparpotenziale sowohl bei Anlagen im Betrieb als auch bei Anlagen in Planung erkannt werden. Für die Simulation komplexer Anlagen muss ein fundiertes Wissen über die entsprechende Anlagentechnik und die ausgeführten Prozesse vorhanden sein. Für ein aussagekräftiges Simulationsergebnis ist es notwendig, dass Parameter und Messdaten, wie Volumenströme oder Leistungsaufnahmen bei einer Analyse vor Ort ermittelt werden. Das Simulationsergebnis kann durch die Verwendung echter Messdaten (z.b.: örtliche Klimadaten) verbessert werden. Energie-, Umwelt- und Reinraumtechnik, Offenburg Seite 22 von 22