KOLOKWIUM ZALICZENIOWE Z „MODELOWANIA I ANALIZY SYSTEMOWEJ” -22. 01 Godz. 11:00 sala D1 /1

STRATEGIA WYBORU OPTYMALNEGO SYSTEMU WENTYLACYJNEGO LUB KLIMATYZACYJNEGO

System wentylacyjno – klimatyzacyjny traktowany holistycznie (całościowo) jest systemem bardzo złożonym a jego optymalizacja należy do tzw. problemów wielkich. Kryterium minimalizacji zapotrzebowania na energię pierwotną dla systemów wentylacyjno – klimatyzacyjnych staje się kryterium nadrzędnym optymalizacji tych systemów.

System wentylacyjno – klimatyzacyjny jest z definicji pojęciem bardzo szerokim i w ujęciu całościowym składa się z szeregu podsystemów a w szczególności: obróbki termodynamicznej i filtracji, rozdziału powietrza w pomieszczeniach, instalacji zasilania w ciepło, chłód, parę lub wodę do nawilżania, instalacji kanałowej powietrznej z podsystemu sterowania i automatycznej regulacji.

Modele optymalizacji jednokryterialnej

Metoda dekompozycji - koordynacji Na etapie dekompozycji dokonuje się podziału zmiennych decyzyjnych i warunków ograniczających w celu wydzielenia łatwiejszych problemów składowych. Tą metodą można np. optymalizować pod względem minimum zużycia energii instalację chłodu dla klimatyzacji.

Metoda funkcji kary Idea tej metody polega na przekształceniu zadania optymalizacji z ograniczeniami do zadania optymalizacji bez ograniczeń, które są łatwiejsze do rozwiązania. Stosowany np. do znalezienia energooptymalnego sposobu sterowania dla źródeł chłodu i ciepła systemu HVAC w celu globalnej optymalizacji.

Algorytmy genetyczne Są to procedury oparte na analogii do ewolucji biologicznej. Idea AG polega na ewolucji sztucznych osobników – chromosomów generowanych w każdym kolejnym pokoleniu na drodze operacji genetycznych w taki sposób, że wybierani są osobnicy coraz to lepsi według kryterium przystosowania. Populacja początkowa chromosomów jest tworzona losowo a następnie modyfikowana z wykorzystaniem operatorów genetycznych:

- rekombinacji ( generuje nowe rozwiązania opierając się na cechach dwóch rodziców) - mutacji ( modyfikuje rozwiązania zapobiegając przedwczesnej zbieżności populacji) - selekcji ( wybiera losowo rozwiązania przechodzące do kolejnej generacji na podstawie kryterium przystosowania).

Metoda algorytmów genetycznych znalazła zastosowanie przy : - optymalizacji sterowania dla systemu VRF oraz VAV - strategia sterowania systemu HVAC (centrale klimatyzacyjne, instalacja wody chłodzącej , źródło chłodu) - sterowanie klimatyzacją strefową

System klimatyzacji scentralizowanej: VAV

System VRF

Metody optymalizacji wielokryterialnej lub wielokryterialnego podejmowania decyzji

Zagadnienie optymalizacji systemu WK jest zwykle zagadnieniem optymalizacji wielokryterialnej a funkcja celu jest zbiorem kryteriów cząstkowych. Podstawowe kryteria cząstkowe: - zapotrzebowanie na energię pierwotną - efektywność ekonomiczna ( koszty całkowite, inwestycyjne , eksploatacyjne)

- komfort klimatyczny - niezawodność i bezpieczeństwo - oddziaływania ekologiczne - utrudnienia lokalizacyjne Opierając się na poszczególnych kryteriach cząstkowych można otrzymać zbiór wariantów optymalnych systemu WK o różnym stopniu kompromisu pomiędzy poszczególnymi kryteriami.

Tą metodę zastosowano np Tą metodę zastosowano np. do optymalizacji strategii sterowania dla systemu VAV według kryteriów : rocznego zapotrzebowania na energię, koncentracji dwutlenku węgla w pomieszczeniu oraz parametrów komfortu cieplnego PMV i PPD. ( wykorzystano oprogramowanie TRNSYS).

Metody wielokryterialnego podejmowania decyzji Efektem tej metody jest wybór rozwiązań kompromisowych . Można tu zastosować następujące metody: metoda SMART oparta na porządkowaniu wielokryterialnym metoda MAUT oparta na kompletnym rankingu analizowanych wariantów metody ELEKTRE - oparte na konstrukcji relacji przewyższania

Metodę tą zastosowano np Metodę tą zastosowano np. w analizie wielokryterialnej wyboru systemu dla budynku oraz w analizie wyboru układu do odzyskiwania ciepła w centralach wentylacyjnych oraz w wyborze optymalnych kierunków modernizacji oraz rozwoju systemów zaopatrzenia w ciepło.

Modele symulacyjne Podział modeli: - analityczne - empiryczne - eksperymentalne o małej skali - eksperymentalne w naturalnej skali - multistrefowe - strefowe - komputerowej dynamiki płynów CFD - łączone ( kombinacja kilku modeli)

Modele globalne Modele te dotyczą całościowych systemów WK i obejmują następujące modele składowe : obciążeń termicznych, urządzeń obróbki powietrza, źródła chłodu lub ciepła instalacji łącznie z algorytmami sterowania. Do rozwiązywania tego typu zagadnień stosuje się oprogramowania komercyjne: TRNSYS, MATLAB, ENERGY PLUS, DOE, CLIMA 2000, CASIS, PROMETHEUS oraz ESP.

Modele obciążeń Modele obciążeń termicznych pomieszczeń są elementem każdego modelu WK. Modelowanie systemu HVAC budynku oparte jest na wyznaczeniu profili dziennego obciążenia dla powtarzalnych pomieszczeń, wynikach pomiarów zapotrzebowania na energię dla tych pomieszczeń i na tej podstawie odpowiedzi dynamicznej całego systemu HVAC na zsumowane obciążenia pomieszczeń.

Modele systemu wytwarzania i dystrybucji chłodu i ciepła Przykład 1: Optymalizacja energetyczna systemu chłodu dla klimatyzacji małych budynków biurowych w dwóch wariantach: system VRF ze zmienną ilością czynnika chłodniczego system ze źródłowymi, gruntowymi pompami ciepła. Przykład 2: Wpływ temperatury i wilgotności powietrza w pomieszczeniu na zapotrzebowanie energii elektrycznej dla agregatu ziębniczego wody chłodzącej dla klimatyzacji.

Modele przepływu i rozdziału powietrza w pomieszczeniach Modele analityczne – oparte na fundamentalnych równaniach dynamiki płynów i wymiany ciepła (modele uproszczone o ograniczonym zastosowaniu np. rozkład temperatury w pomieszczeniu) Modele empiryczne- podobnie jak modele analityczne oparte na fundamentalnych równaniach dynamiki płynów i wymiany ciepła. Bazują na danych uzyskanych z zaawansowanych symulacji komputerowych lub danych eksperymentalnych z pomiarów.(np.. modelowanie rozkładu zanieczyszczeń).

Modele eksperymentalne o małej skali – wykorzystują techniki pomiaru dla przewidywania przepływów i rozkładu temperatur przy zredukowanej skali pomieszczeń. Modele eksperymentalne w naturalnej skali- wykorzystywane przede wszystkim do generowania danych na potrzeby walidacji modeli numerycznych CFD.( np. wpływ rozdziału powietrza na pola prędkości i aseptykę w sali operacyjnej szpitala).

Modele multistrefowe- są formułowane i rozwiązywane dla modelowania przepływów w budynkach z wentylacją mechaniczną lub bez wentylacji. Modele strefowe- wykorzystywane są w celu przewidywania rozkładu prędkości, temperatur lub koncentracji zanieczyszczeń w strefie. Modele CFD- realizują numeryczne rozwiązania układów równań różniczkowych zachowania energii, masy, pędu, koncentracji cząstek zanieczyszczeń i stopnia turbulencji. Są one najczęściej wykorzystywane do modelowania przepływów powietrza w tym: pól prędkości, temperatur, zawartości wilgoci i zanieczyszczeń w pomieszczeniach. (programy FLUENT, ANSYS – FLUENT, STAR CD, SIMPLE).

Modele instalacji kanałowej powietrznej Modele te stanowią element składowy modeli globalnych systemu WK lub zagadnienie oddzielne. ( np. strategia energooptymalnego sterowania dla układu stabilizacji ciśnień w klimatyzowanych pomieszczeniach czystych ). Jako narzędzie tworzy się model sieci przepływu powietrza z identyfikacją ścieżek przecieku przez nieszczelności.

System wentylacyjny lub klimatyzacyjny w ujęciu holistycznym W odniesieniu do pojęć teorii systemów, system wentylacyjny lub klimatyzacyjny można zdefiniować jako: zbiór instalacji do obróbki i przetłaczania powietrza, instalacji wytwarzających i dostarczających media lub nośniki energii oraz urządzeń automatycznej regulacji, które współdziałają według określonych algorytmów sterowania i zapewniają wymagane: jakość, temperaturę lub wilgotność powietrza w pomieszczeniu przy ograniczeniach wynikających z szeroko rozumianego komfortu klimatycznego ( hałas, wibracje, pole prędkości, gradient temperatury, układy ciśnień).

W systemie wentylacyjnym można wyszczególnić następujące instalacje: - instalację powietrzną - instalację zasilania nagrzewnic - instalację zasilania chłodnic - instalację zasilania nawilżaczy - instalację odzysku ciepła -instalacje sterowania i automatycznej regulacji -instalację zasilania elektromagnetycznego

Nagrzewnica powietrza

Chłodnica Powietrza

Nawilżacz kanałowy

Odzysk ciepła

Własności strukturalne i dynamiczne systemu wentylacyjnego lub klimatyzacyjnego

Podział systemów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych Ze względu na funkcję wyróżniamy systemy: - wentylacji - wentylacji z chłodzeniem - wentylacji z nawilżaniem -częściowej klimatyzacji - pełnej klimatyzacji

Ze względu na strukturę Systemy wentylacyjne: - wentylacja ogólna naturalna( grawitacyjna, infiltracja, przewietrzanie, areacja) - wentylacja ogólna mechaniczna ( nawiewna, wywiewna, nawiewno – wywiewna) - miejscowa - odciągi miejscowe - pożarowa

Systemy klimatyzacyjne – tylko powietrzne - jednokanałowe ze stałym strumieniem powietrza CAV (jednostrefowe, wielostrefowe) -jednokanałowe ze zmiennym strumieniem powietrza VAV - dwukanałowe ze stałym strumieniem powietrza, ze zmiennym strumieniem powietrza

Systemy powietrzno -wodne - z miejscowymi nagrzewnicami lub chłodnicami powietrza -z aparatami indukcyjnymi - z klimakonwektorami wentylatorowymi (system dwururowy, trzyrurowy, czterorurowy) -z małymi pompami ciepła - z belkami lub sufitami chłodzącymi

System klimatyzacji z wtórnym uzdatnianiem powietrza: klimakonwektory wentylatorowe

Systemy powietrzne z klimatyzatorami o bezpośrednim odparowaniu czynnika chłodniczego - z klimatyzatorami okiennymi - z klimatyzatorami typu Split, Multisplit, oraz ze zmienną ilością czynnika chłodniczego VRV - z szafami klimatyzacyjnymi Systemy hybrydowe wykorzystujące wentylacje naturalną a tylko dla szczytowych obciążeń klimatyzację lub wentylację mechaniczną.

Struktura zagadnienia optymalizacji systemu WK

Model systemu wentylacyjnego lub klimatyzacyjnego – ogólna postać

Parametry stałe Parametry stałe xi systemu WK ustalone są przed rozpoczęciem procedury optymalizacyjnej i nie zmieniają się w trakcie jej realizacji. Parametry stałe – parametry technologiczne lub komfortu cieplnego i jakości powietrza oraz ich tolerancje lub gradienty w pomieszczeniach (np. temperatura , wilgotność powietrza, stężenie zanieczyszczeń, klasa czystości, koncentracja mikroorganizmów, stopień turbulencji, różnica ciśnień, udział powietrza zewnętrznego ).

obciążenia dla wentylacji i klimatyzacji, a także ich proporcje oraz rozkłady w przestrzeni i w czasie ( np. zyski ciepła jawnego, zyski wilgoci, emisja zanieczyszczeń, gęstość zanieczyszczeń, najwyższe dopuszczalne stężenie zanieczyszczeń, obciążenie zanieczyszczeniami zapachowymi, odczucie jakości powietrza).

Zmienne decyzyjne Zmienne decyzyjne są parametrami, które zmieniają się w trakcie procedury optymalizacyjnej.

Podział systemu WK na podsystemy 1 – obróbka termodynamiczna i filtracja 2 – instalacja kanałowa powietrzna 3 – system rozdziału powietrza w pomieszczeniach 4 – instalacja zasilania chłodnic 5- instalacja zasilania nagrzewnic 6 – instalacja zasilania nawilżaczy powietrza 7 – układ sterowania i automatycznej regulacji

Podsystem 1 Nośniki ciepła lub chłodu doprowadzone do pomieszczeń Systemy obróbki powietrza Rodzaj nawilżania – lokalizacja nawilżaczy Rodzaj osuszania –lokalizacja osuszaczy Liczba central – elementy centrali, lokalizacja central, wykonanie central Odzysk ciepła

Urządzenia w pomieszczeniach i ich lokalizacja Liczba stopni filtracji – klasa filtrów, ich lokalizacja Widmo hałasu wentylatorów i ich moc akustyczna

Podsystem 2 Materiał kanałów sztywnych Kształt kanałów Materiał izolacji termicznej Urządzenia instalacji kanałowej powietrznej Zabezpieczenia przeciw pożarowe Lokalizacja czerpni i wyrzutni Prędkość powietrza w kanałach Regulatory przepływu

Podsystem 3 Lokalizacja nawiewu Lokalizacja wywiewu Charakter strumienia powietrza nawiewanego Urządzenia – rozdział powietrza w pomieszczeniach

Podsystem 4 System chłodzenia bezpośredniego System chłodzenia pośredniego Chłodziwo Źródło chłodu Rodzaj skraplacza Chłodnice Agregaty chłodnicze Pompy obiegowe Armatura regulacyjna

ŹRÓDŁO ZIMNA Agregat typu „monoblok” ze skraplaczem chłodzonym powietrzem (z wentylatorem promieniowym) CLINT CRA /K/SP 101

Podsystem 5 Nośnik energii dla nagrzewnic Zasilanie nagrzewnic wodnych Połączenia hydrauliczne ze źródłem ciepła Źródła ciepła

Podsystem 6 Rodzaj nawilżania Lokalizacja nawilżaczy Nośnik energii dla nawilżania Uzdatnianie wody Nawilżacze parowe Nawilżacze wodne

Podsystem 7 Regulacja parametrów Liczba urządzeń wykonawczych w układzie regulacyjnym Rodzaj sygnałów sterujących Zakres zabezpieczeń urządzeń Regulatory, sterowniki

Ograniczenia Technologiczne Higieniczne Akustyczne Energetyczne Materiałowe Architektoniczno – konstrukcyjne Ograniczenia w zakresie bezpieczeństwa i niezawodności

Ograniczenia technologiczne – dopuszczalna temperatura lub prędkość powietrza w strefie przebywania ludzi, klasa czystości pomieszczenia, udział zysków ciepła jawnego i utajonego w całkowitym obciążeniu termicznym Ograniczenia higieniczne - dopuszczalny poziom ciśnienia akustycznego, zróżnicowanie standardu higienicznego pomieszczeń, wymagana sterylność nawilżania, toksyczność czynnika chłodniczego lub chłodziwa

Ograniczenia energetyczne – dostępność nośników energii Ograniczenia materiałowe- odporność na ścieranie kanałów powietrznych, odporność chemiczna kanałów Ograniczenia architektoniczno – konstrukcyjne – powierzchnia i kubatura maszynowni, wysokość pomieszczeń wentylowanych, wytrzymałość konstrukcji, dostępna przestrzeń instalacyjna w budynku, zabezpieczenie przegród budowlanych przed kondensacją pary

Ograniczenia w zakresie bezpieczeństwa i niezawodności – kwalifikacja pożarowa budynku, podział na strefy pożarowe, zanieczyszczenia wybuchowe w powietrzu wywiewanym, bezpieczeństwo, niezawodność

Zbiór wariantów dopuszczalnych systemu WK powstaje w wyniku nałożenia na zbiór wszystkich możliwych wariantów WK ograniczeń. Optymalny wariant WK wybiera się ze zbioru wariantów dopuszczalnych na podstawie kryterium optymalizacyjnego, za pomocą którego dokonuje się porównania poszczególnych wariantów systemu WK.

Funkcja celu- minimum rocznego zapotrzebowania na energię pierwotną

Struktura funkcji celu obejmuje dwa składniki: 1. roczne zapotrzebowanie na energię pierwotną dla obróbki termodynamicznej powietrza 2. roczne zapotrzebowanie na energię pierwotną do napędu urządzeń pomocniczych

Schemat i bilans energetyczny układu pełnej klimatyzacji z odzyskiem ciepła i nawilżaczem parowym

Relacje między energią użytkową a energią końcową cząstkową