Boom na budowę nowych pływalni w Polsce dobiegł kresu wraz z końcem łatwego dostępu do środków unijnych, ale zapotrzebowanie na te obiekty nadal istnieje. Inwestorzy coraz częściej jednak poszukują energooszczędnych rozwiązań obniżających późniejsze koszty eksploatacji, zwłaszcza że na cele redukcji zużycia energii nadal można pozyskać dofinansowanie. Ten trend dotyczy również administratorów i zarządzających istniejących obiektów basenowych, w których planowana jest modernizacja. Wychodząc naprzeciw tym potrzebom, firma AP Elbas proponuje specjalistyczne rozwiązania automatyki, przeznaczone do instalacji wentylacyjnych i technologicznych w obiektach basenowych. Duże straty ciepła i energii elektrycznej są nieodłączną cechą funkcjonowania każdej pływalni i stanowią ogromną część kosztów eksploatacji. Duża energochłonność wynika ze specyfiki obiektu basenowego: wysokiej temperatury powietrza w hali basenowej ze zwykle dużą ilością okien, rozległej powierzchni stale parującej wody basenowej, dużej ilości zużywanej ciepłej wody oraz wysokiej energochłonności urządzeń wentylacyjnych, pomp i innych urządzeń technologicznych. Energochłonność pływalni zależy więc od wielu czynników i jest szczególnie dotkliwa w obiektach starych, mieszczących się w słabo izolowanych budynkach z przestarzałą, energochłonną infrastrukturą techniczną, często bez jakiejkolwiek automatyki. Problem zbyt dużej energochłonności dotyczy również bardzo wielu obiektów nowych, które często za przyzwoleniem inwestora zostały zbudowane z użyciem tanich urządzeń i technologii o relatywnie niskiej efektywności energetycznej, wyposażonych w proste systemy sterowania bez funkcji optymalizacji zużycia energii. Zbyt duża energochłonność to często właśnie wynik złego zarządzania pracą urządzeń, za co odpowiada wciąż niedoceniana automatyka (bardziej algorytm niż sprzęt) i oczywiście człowiek, który decyduje o konkretnych nastawach parametrów (mniej lub bardziej świadomie). W niniejszej publikacji chcemy zaprezentować stosowane przez AP Elbas specjalistyczne rozwiązania automatyki, które mają realny wpływ na koszty eksploatacji pływalni.
Gdzie można znaleźć największe oszczędności?
Aby odpowiedzieć na wyżej postawione pytanie, posłużymy się rzeczywistym przykładem, dla którego została określona ilość ciepła i energii elektrycznej zużywana przez poszczególne instalacje i urządzenia. Parametry obiektu:
- powierzchnia użytkowa (hala basenowa, szatnie, biura, podbasenie): 2345 m2;
- powierzchnia lustra wody (basen sportowy + rekreacyjny + brodzik + jacuzzi): 605 m2;
- liczba obiegów wodnych: 4 (basen sportowy + rekreacyjny + brodzik + jacuzzi); pompy nie są wyposażone w falowniki;
- atrakcje wodne: gejzery, leżanki, masaż karku itp. – 9 szt. + zjeżdżalnia (jednocześnie włączonych jest 50% atrakcji + zjeżdżalnia);
- godziny otwarcia pływalni: od 7.00 do 22.00; liczba obsługiwanych rocznie klientów: >120 tys. osób;
- wentylacja hali basenowej: 100% powietrza świeżego w ciągu dnia, 50% w ciągu nocy, sprawność odzysku ciepła rzeczywista 75%, wydajność: 2 centrale po 23 250 m3/h (zgodna z projektem i faktycznymi potrzebami);
- wentylacja pozostałych pomieszczeń łącznie: 6000 m3/h, sprawność odzysku ciepła: 71%
Istniejące w obiekcie centrale wentylacyjne nie spełniają wymagań EcoDesign 2018 (ich sucha sprawność odzysku ciepła jest mniejsza od 73%).
Zużycie ciepła
Zużycie ciepła przez cały obiekt w poszczególnych miesiącach przedstawia się następująco:
Roczne zużycie ciepła wynosi 7048 GJ, cena ciepła w naszej przykładowej pływalni wynosi 48,65 zł/GJ. Koszt ciepła w ciągu roku wynosi więc 342 860 zł. Na wykresach kołowych przedstawiono wartościowy (w tys. zł) i procentowy udział zużycia ciepła przez poszczególne instalacje:
Najwięcej ciepła w naszym obiekcie zużywa instalacja do podgrzewania wody w nieckach basenowych. Straty ciepła z wody basenowej to przede wszystkim ciepło parowania, silnie zależne od temperatury wody oraz temperatury i wilgotności powietrza. Nastawy tych parametrów powinny być zatem przemyślane i dostosowane do faktycznych potrzeb.
Obniżenie temperatury powietrza o 2°C lub wilgotności powietrza o 5% skutkuje wzrostem kosztów ciepła używanego przez centralę wentylacyjną o 16% oraz wzrostem ciepła potrzebnego do ogrzewania wody w basenie o 12%. W naszym przykładzie konsekwencją będzie wzrost kosztów eksploatacji w skali roku o blisko 30 tys. zł.
Powyższy przykład pokazuje, jak ważne są dokładność i algorytmy regulacji parametrów powietrza w hali basenowej, realizowane przez automatykę obsługującej to pomieszczenie centrali wentylacyjno-klimatyzacyjnej. Nie wystarczy prosta regulacja temperatury w pomieszczeniu, gdyż zależnie od bieżącego obciążenia pływalni (zmieniającej się frekwencji) zmieniany jest udział powietrza recyrkulacyjnego i chłodniejszego powietrza zewnętrznego, co powoduje okresowe zmiany temperatury powietrza nawiewanego i w konsekwencji wahania temperatury powietrza w hali basenowej. W basenowej centrali klimatyzacyjnej proponujemy zastosowanie kaskadowej regulacji temperatury, w której temperatura powietrza nawiewanego jest w pełni kontrolowana i utrzymywana jest na poziomie zależnym od potrzeb grzewczych hali.
Dzięki zastosowaniu zmienianej automatycznie recyrkulacji powietrza (służącej do regulacji wilgotności) oraz wysokosprawnego odzysku ciepła z usuwanego powietrza zużycie ciepła na potrzeby wentylacji nie jest relatywnie duże. Nadal jednak zdarzają się instalacje wentylacyjne hal basenowych bez regulacji wilgotności (bez recyrkulacji), i to zarówno w obiektach starych, jak i nowych. Konsekwencją braku tej funkcji jest wentylacja hali basenowej pełnym strumieniem powietrza zewnętrznego w ciągu całego roku, powodująca wzrost strat ciepła na wentylację (podgrzanie dużej ilości zimnego powietrza zewnętrznego do temperatury w pomieszczeniu) oraz przesuszanie powietrza w hali basenowej, skutkujące wzrostem odparowania wody i wzrostem zapotrzebowania na ciepło do podgrzania wody w nieckach. Gdybyśmy zastosowali w naszym obiekcie basenową centralę wentylacyjną bez automatycznie zmienianej recyrkulacji, to koszty ciepła zużywanego przez wentylację wzrosłyby o ponad 60 tys. zł rocznie (czyli ponad dwukrotnie). Dodatkowo koszty podgrzewania wody w nieckach wzrosłyby o ponad 74 tys. zł (czyli o około 40% w stosunku do stanu obecnego).
Koszty ciepła można redukować nie tylko poprzez zmniejszenie bieżącego zużycia, lecz także poprzez ograniczanie szczytowego zapotrzebowania mocy grzewczej, a w konsekwencji redukcję opłaty stałej, związanej z deklarowaną mocą węzła cieplnego lub kotłowni. Jedną z metod ograniczenia szczytowej mocy grzewczej jest stosowana przez AP Elbas płynna, kaskadowa regulacja temperatury wody w nieckach basenowych. Inne firmy zwykle stosują metodę regulacji dwustawnej (ON/OFF), polegającą na włączeniu ogrzewania wody w niecce, gdy jej temperatura spadnie o kilka dziesiątych stopnia poniżej wartości nastawionej, i wyłączeniu, gdy temperatura nastawiona będzie o kilka dziesiątych stopnia przekroczona.
Ta metoda powoduje włączenie pełnej mocy wymiennika podczas dogrzewania wody i wymaga sporego zapasu mocy źródła ciepła. Moc wymienników do podgrzewu wody basenowej jest zwykle przewymiarowana w stosunku do bieżących potrzeb eksploatacyjnych, gdyż dostosowana jest do potrzeb szybkiego (w ciągu 72 godzin) nagrzania świeżej wody po napełnieniu niecek. W naszym obiekcie zainstalowano we wszystkich obiegach wody łącznie 4 wymienniki ciepła o sumarycznej mocy 368 kW. Z potwierdzonej obserwacjami kalkulacji wynika, że do bieżącego podtrzymania stałej temperatury wody w nieckach potrzebujemy 120 kW. Przyjmując dodatkowy zapas 45 kW mocy na podgrzanie wody uzupełnianej do niecek po płukaniu filtrów oraz oczywisty 15–20-procentowy zapas warunkujący dynamikę regulacji temperatury, uzyskujemy zapotrzebowanie mocy poniżej 200 kW, czyli o 170 kW mniejsze od mocy zamontowanych wymienników. Jednak stosując opisaną wyżej regulację ON/ OFF, nie da się zredukować mocy źródła, gdyż nie możemy wykluczyć jednoczesnego włączenia podgrzewu wody we wszystkich obiegach. Dlatego proponujemy zastosowanie wspomnianej wyżej płynnej kaskadowej regulacji temperatury, która daje możliwości obniżenia mocy węzła o wyliczoną wartość 170 kW, co w skali roku obniży opłaty stałe za zamówioną moc grzewczą o blisko 20 tys. zł. Proponowana metoda stabilizuje temperaturę wody napływającej do niecki, zapobiegając obniżeniu tej temperatury podczas dolewek zimnej wody do zbiornika retencyjnego. Eliminuje to wahania temperatury wody w niecce, utrzymując ją z dokładnością do 0,1°C, co zapobiega powstawaniu dyskomfortu u klientów przepływających w pobliżu dysz napływowych i dodatkowo podnosi walory użytkowe instalacji.
Kaskadowa regulacja temperatury wody basenowej daje również inne możliwości oszczędzania. W przypadku zastosowania baterii solarnych do podgrzewu wody lub zagospodarowania do tego celu ciepła odpadowego z klimatyzacji albo z pomp ciepła zamontowanych w basenowych centralach wentylacyjnych ciepło z tych źródeł wprowadza się do wody basenowej za pomocą wymienników poprzedzających wymiennik zasilany z podstawowego źródła (węzła cieplnego lub kotłowni). W efekcie woda w obiegu technologicznym na wlocie do podstawowego wymiennika ciepła jest już wstępnie podgrzana i regulator, chcąc utrzymać wymaganą temperaturę wody na wlocie do niecki, w naturalny sposób ogranicza pobór ciepła z podstawowego źródła, zachowując w ten sposób priorytet podgrzewania wody basenowej z tańszych źródeł alternatywnych. Należy dodać, że integracja różnych źródeł ciepła to dodatkowe zadania, które mogą być realizowane przez naszą automatykę.
Zużycie energii elektrycznej
Roczne zużycie energii elektrycznej na naszej pływalni wynosi 852 900 kWh, co przy cenie 0,54 zł/kWh daje wartość 460 600 zł. Zużycie energii elektrycznej w rozkładzie miesięcznym przedstawiono na wykresach poniżej.
Na wykresie kołowym przedstawiono wartościowy (w tys. zł) udział zużycia energii elektrycznej przez poszczególne instalacje:
Najwięcej energii elektrycznej w naszym przykładowym obiekcie zużywa instalacja wentylacyjna, czyli silniki wentylatorów. Wszystkie centrale wentylacyjne wyposażone są w prostą automatykę oraz falowniki, na których ustawiono częstotliwości odpowiadające włączanej w ciągu dnia wydajności nominalnej (100%) i włączanej w ciągu nocy wydajności dyżurnej (50%). Właściwe wyregulowanie wentylatorów to ważna czynność, ponieważ ich moc proporcjonalna jest do trzeciej potęgi wydajności i nawet niewielkie kilkuprocentowe przekroczenia skutkują 20–30-procentowym zwiększeniem poboru energii elektrycznej.
Regulacja wilgotności powietrza w hali basenowej realizowana jest poprzez zmianę udziału powietrza świeżego i recyrkulacyjnego w centrali wentylacyjnej. Wraz ze zmianą wysterowania przepustnicy recyrkulacyjnej zmieniają się wewnętrzne opory przepływu powietrza. Stałe nastawy częstotliwości nie zapewniają więc stałej wydajności centrali. Proponujemy wprowadzenie nowych rozwiązań automatyki, realizujących elektroniczny pomiar i automatyczną regulację wydajności każdego z wentylatorów. Funkcja ta oprócz stabilizacji wydajności przynosi też realne oszczędności zużycia energii elektrycznej, gdyż podczas pracy w recyrkulacji maleją opory przepływu i do uzyskania tej samej wydajności wymagana jest mniejsza moc wentylatorów. Stosując tę funkcję w omawianym obiekcie, zaoszczędzimy w ciągu roku blisko 29 tys. kWh energii elektrycznej o wartości około 15,5 tys. zł.
Inną funkcją, którą realizuje oferowana przez nas automatyka obsługująca basenowe centrale wentylacyjne, jest płynne dopasowanie wydajności powietrza do bieżących potrzeb. Sterownik automatycznie redukuje wydajność do takiej minimalnej wartości, przy której jeszcze w sposób prawidłowy realizowane są funkcje osuszania i ogrzewania powietrza w hali basenowej. Przez większą część roku centrala wentylacyjna pracuje ze zredukowaną w różnym stopniu wydajnością, co w naszym obiekcie skutkuje zmniejszeniem poboru energii elektrycznej o ponad połowę (jak już opisano wyżej, moc wentylatorów redukowana jest w trzeciej potędze w stosunku do wydajności). Roczne oszczędności wyniosą blisko 140 tys. kWh o wartości przekraczającej 75 tys. zł. Nasza automatyka monitoruje na bieżąco moce poszczególnych wentylatorów oraz zużytą przez nie energię elektryczną, ułatwiając kierownictwu pływalni podejmowanie świadomych decyzji dotyczących nastaw parametrów pracy instalacji wentylacyjnej.
Niemal tyle samo energii elektrycznej co wentylacja zużywają pompy stacji uzdatniania wody. Ustawienie właściwej wydajności dobranych zwykle z zapasem pomp cyrkulacyjnych odbywa się w większości przypadków ręcznie, poprzez dławienie przepływu wody za pomocą zasuw lub zaworów. Elektroniczny pomiar i regulacja przepływu wody technologicznej za pomocą falowników nie są powszechnie stosowane na pływalniach, chociaż zależność mocy pomp od ich wydajności jest podobna jak w opisanych wyżej wentylatorach. Elektroniczne wyregulowanie przepływu wody technologicznej przy w pełni otwartych zaworach regulacyjnych skutkować będzie w naszym przykładzie redukcją zużycia energii elektrycznej o 29 450 kWh (11% obecnego zużycia). Roczne oszczędności wyniosą ponad 15 tys. zł. Podobnie jak w przypadku central wentylacyjnych nasza automatyka monitoruje pracę wszystkich pomp obiegowych oraz ich podstawowe parametry (wydajność, moc chwilową, zużycie energii elektrycznej oraz alarmy i ostrzeżenia).
Dodatkową redukcję mocy pompy obiegowej filtra można osiągnąć poprzez zmianę sposobu wymuszenia przepływu wody basenowej przez wymiennik ciepła. Zwykle przez wymiennik przepływa około 10 do 15% głównego strumienia wody basenowej. Odgałęzienia do wymiennika są włączone do głównego rurociągu technologicznego przed i za zaworem dławiącym, wymuszającym niezbędną różnicę ciśnień 20 do 30 kPa do pokonania oporów przepływu przez wymiennik. W proponowanym przez nas rozwiązaniu wymuszenie przepływu wody przez wymiennik odbywać się będzie za pomocą dodatkowo zamontowanej małej pompy obiegowej w odgałęzieniu wymiennika, co umożliwi otwarcie zaworu dławiącego i wyregulowanie wydajności pompy za pomocą falownika. Uzyskuje się średnio 15 do 30% oszczędności energii elektrycznej zużywanej przez pompy technologiczne. W naszym obiekcie roczne oszczędności wyniosą 42 tys. kWh, o wartości około 23 tys. zł.
Podsumowanie
Doświadczenia eksploatacyjne w zmodernizowanych przez nas obiektach pokazują faktycznie uzyskane oszczędności, które sięgają 30% energii elektrycznej i 20% ciepła. Stosowane przez nas rozwiązania automatyki zwracają się praktycznie w ciągu 1–2 lat, przynosząc jednocześnie poprawę funkcjonalności modernizowanego obiektu. Korzystając z 20-letniego doświadczenia, staramy się optymalizować procesy zachodzące na pływalni, integrując współpracujące ze sobą urządzenia technologiczne i wentylacyjne oraz indywidualnie dopasowując system automatyki do potrzeb obiektu. Stosujemy rozwiązania, które mimo zaawansowanych algorytmów sterowania umożliwiają łatwą obsługę oraz wygodną i czytelną prezentację parametrów pracy instalacji i urządzeń bezpośrednio na ekranie sterownika lub na zdalnych komputerach i urządzeniach mobilnych, komunikujących się ze sterownikiem za pośrednictwem Internetu.
Autor jest współwłaścicielem firmy AP ELBAS
Kontakt:
tel. kom.: 501 448 976
e-mail: zbigniew.wnukowicz@elbas.pl,
TEKST | Zbigniew Wnukowicz FOTO | Archiwum Firmy AP Elbas
