Цифрови симулации за топлофикационни централи

В съвременните топлофикационни системи все по-голямо значение придобиват решения като цифрови близнаци и интелигентни системи за управление, които позволяват прецизно наблюдение и оптимизация
на работата им. Технологията помага за вземането на решения за управление на топлинните потоци в цялата мрежа, за предвиждане на натоварванията и за планирането на топлофикационните системи от
ново поколение. 

Текст: списание Енергия 

Системите за централно отопление осигуряват топлина в домовете и административните сгради – училища, болници, ведомства и др. – от десетилетия по целия свят, въпреки че развитието им е много неравномерно. Като лидер с повече от 50000 системи за централно отопление се сочи Русия, където тези централи обслужват над 50 милиона клиенти. На тази страна се падат около половината от инсталираните по света системи за централно отопление. Захранването им е лесно – най-вече с природен газ, какъвто страната има в изобилие. В Китай централното отопление е във възход, особено в северната част на страната. Внедряваните системи са все по-модерни и се развиват бързо, в крак с икономическия растеж на страната. В Япония кварталните „енергийни общности“ също растат с бързи темпове, разгръщайки системи за централно отопление и охлаждане.

В Европа има около 19000 системи за централно отопление и охлаждане. Те осигуряват топлинния комфорт на 77 милиона души. Общата консумация на енергия, приписана на централното отопление в Европа, се оценява на над 450TW. В скандинавските страни е постигнат процент на проникване от 50% и повече, като столицата на Дания, Копенхаген е шампион: тя достига 98%. Процентът е 95% в Исландия - благодарение на използването на геотермална енергия. Германия (13%) е доста пред Франция (5%), чийто процент е малко по-висок от този на Обединеното кралство и Холандия. В някои страни като Франция например има и организации от типа „обсерватория за районни отоплителни системи“, работещи за разширяване на топлофикационните системи, въвеждане на повече възобновяеми източници в тях и осигуряване на финансови стимули като проекти за грантово финансиране, данъчни облекчения, сертификации.

Нови тенденции в топлофицирането

През последните години начинът, по който отопляваме сградите, се превърна в основен фокус на внимание за граждани, фирми и правителства. И с право, тъй като около една трета от цялата енергия в Европейския съюз (ЕС) се използва за отопление и битова гореща вода в сградите, а огромна част от топлинната енергия все още се добива от горива. Топлофикационните дружества са притиснати да ускорят декарбонизацията, за да смогне Европа с постигането на целите си за опазване на климата.

Все повече граждани и бизнеси се стремят да заменят отоплението на въглища и котлите на нафта и газ с нискоемисионни и възобновяеми източници. Но ако едно домакинство може относително лесно да замени своите печки на твърдо гориво с термопомпи, при топлофикациите не е така. Потребителите на централно отопление не могат сами да преминат към екологично чиста топлина. Топлофикационните дружества са тези, които трябва да направят прехода. За целта вече има редица утвърдени решения като добавяне на слънчева енергия, геотермална енергия, топлина от биомаса, отпадъчна индустриална топлина, както и тъй спорната топлина от изгаряне на отпадъци.

Успоредно с навлизането на ВЕИ в топлофикационния микс се развиват и други технологични тенденции, които променят същността на топлофикационните системи. Една от тях е възходът на нискотемпературното сградно отопление. Вместо добре познатите радиатори домовете и офисите се оборудват с тръбни пътища, вградени в подовете и стените. В тези тръбни пътища се циркулира работна течност, която затопля стените и подовете, а те от своя страна излъчват приятна топлина вътре. Работната температура на работния флуид е много по-ниска в сравнение с тази при традиционните радиатори: тя е докъм 40 градуса, докато в радиаторите трябва да е над 60 градуса. Топлинният комфорт е много по-голям за обитателите на пространствата.

Друга определяща тенденция е възходът на термопомпите. Технологията им се разви в последните години и прави възможно ултраефективното извличане на топлина от околни източници: въздух, земя и вода, при това в голям мащаб. Показателно е, че вече има крайбрежни градове, разчитащи на гигантски термопомпи, извличащи топлина от наблизо течащите реки. Високите коефициенти на полезно действие на термопомпите правят този метод все по-желан.

Редом с тези две тенденции се развива и интересът към топлофикациите като средство за охлаждане. Безспорно фактор за това са изменението на климата и климатичните екстреми. Те тласкат все повече хора към търсене на решение за охлаждане в знойните летни дни, особено по време на продължителни периоди на жеги и засушавания. Това, от своя страна, допълнително повишава интереса към термопомпите. То също така изменя структурата на топлофикационните мрежи: за охлаждане се предвиждат охладителни тела в горните части на обитаемите помещения или таванни серпентини. В Европа вече има около 200 мрежи за регионално охлаждане, най-вече на база морска или речна вода.

Независимо от всички тези изменения – или може би точно заради тях, топлофикацията си остава икономически изгодно решение за отопление и охлаждане. Проучване, проведено в 14 държави в Европа, показва, че централното отопление е икономически изгодно решение в повечето градски райони. Над половината от търсенето на топлинна енергия за сградите може да бъде покрито от топлофикации, като в крайна сметка също се намалят емисиите на парникови газове и търсенето на първична енергия.

Нарастваща сложност

Нарастването на броя и вида на източниците на топлинна енергия в топлофикационните мрежи прави управлението им все по-предизвикателно. Традиционните генерации се допълват от новите източници като слънчеви термални колектори, геотермални системи и индустриални термопомпи и др. Стремежът към намаляване на вредните емисии диктува все по-осезаемо намаляване на традиционните генерации. Все по-богатият избор от източници се допълва от източниците на отпадъчна топлина – например индустриални предприятия, които подават излишната топлина към топлофикационните мрежи.

Едновременно с това става все по-актуално използването на системи за съхранение на топлинната енергия, така наречените термални буфери. Те имат ролята да балансират търсенето и предлагането. Технологиите за съхранение са различни, като най-популярни са водните системи за съхранение – големи резервоари, които се подгряват целогодишно, а в случай на нужда от тях се извлича топлинна енергия с помощта на термопомпени агрегати. Топлинните буфери могат да варират като размер и технология за подгряване, но обичайно за извличането на нужната топлина се използват термопомпи.

Паралелно с разнообразяването на източници расте и технологичното оборудване на самите мрежи. Технологията на интернета на нещата (IoT) направи възможно монтирането на датчици и сензори, които следят системата от край до край и докладват в реално време параметрите на всеки сегмент от мрежата. Чрез тях могат навреме да се откриват аномалии и проблеми непосредствено след тяхното възникване. Всичко дотук звучи сложно, но към него неизбежно се прибавя вечният фактор: поддръжката и стареенето на съществуващата инфраструктура. Правилната поддръжка удължава живота на системата и свежда до минимум прекъсванията, но и изисква все повече наблюдение.

Факторите на околната среда също влияят. Местните метеорологични условия се променят. Сезонните вариации стават все по-драстични и променят търсенето на топлина. Необичайно топла зима може да накара потребителите да изключват отоплението през януари и февруари, а необичайно студена късна пролет – да ги подтикне да искат „парно“ в края на април. Адаптивността на топлофикационната система става критична в този все по-непредвидим и силно променлив климат.

Силен фактор стават регулациите. Намаляването на вредните емисии ни задължава да преминаваме към нисковъглеродни или въглеродно неутрални енергийни източници и това оказва влияние върху избора на топлинни източници за топлофикацията. По-строгите екологични политики изискват приемането на по-природосъобразни технологии и тази промяна не търпи отлагане. От друга страна се затягат и регулациите за енергийната ефективност на самите сгради, където се използва топлинната енергия. В тях използването на топлофикационна система, особено за нискотемпературно отопление, носи едновременно комфорт и икономическа изгода. Урбанизацията и гъстотата на населението също оказват влияние върху разрастването на системите за централно отопление. Градовете концентрират все повече жители в своите ограничени пространства, никнат нови сгради, нови квартали. Обезпечаването на новите жилищни райони с топлофикационни мрежи е предизвикателство, но и отлична възможност.

Поради всичко това общинските дружества за топлоснабдяване и доставчиците на топлинна енергия все повече са притиснати изцяло да „прекроят“ съществуващите топлофикационни мрежи. Управлението на топлофикационните системи става по-сложно, по-трудно. На помощ идва технологията на цифровия близнак: дигитални симулации, базирани на реалната топология на топлофикационната мрежа, реалното потребление и реалните източници на топлинна енергия. Цифровият близнак е дигитална реплика на отоплителната мрежа. Тя комбинира статичните данни (модел на мрежата) с динамични данни, постъпващи от измервателните уреди в домовете и офисите, датчиците и IoT сензорите по мрежата, метеорологични измервания и др. В това дигитално представяне източниците на топлина, топлинните потоци, потребителските данни са действителни и биват интегрирани в реално време – те се използват за симулации с цел оптимизиране и прогнозиране на поведението на отоплителната система.

Цифровият близнак на тофлофикационната централа

Цифровият близнак е софтуерен двойник на съществуващата топлофикационна мрежа, предназначен за виртуално проиграване на различни сценарии на промяна. Той може да симулира и визуализира топлинните потоци в мрежата. Това позволява на оператора да прави прогнози и да взема обосновани решения. Комуналните компании, които управляват топлофикации, и доставчиците на енергия могат да използват софтуерния двойник, за да наблюдават и управляват мрежата с всичките динамично променящи се показатели - в реално време.

Близнакът се базира на фундаментална информация като топология на мрежата, дължини и напречни сечения на тръбите, брой и позиции, точки за захранване и потребление. На тази база се добавят по-динамичните показатели, които са променливи: метеорологични данни, слънчево греене, профил на потребление в определени часове от деня и годината и др.

Симулациите дават възможност на компаниите за комунални услуги да осигурят постоянно високоефективна работа на мрежата, дори при все по-сложните и променливи работни условия, без да се застрашава тяхната стабилност, устойчивост и сигурността на доставките. Използването на цифровия близнак може да направи и друго: да позволи децентрализиране на инфраструктурите и значително намаляване на оперативните разходи. Смущенията в отоплителната мрежа се откриват на съвсем ранен етап, така че се осигурява най-навременната и адекватна поддръжка.

Предимства и възможности

Цифровият близнак предлага множество предимства за операторите на топлофикационни мрежи и общинските комунални дружества. Ежедневната им работа бива оптимизирана. Става по-ясно кога какви енергийни източници е най-добре да бъдат интегрирани, подобрява се управлението на температурата на работния поток.

Оперативното планиране лесно може да предвиди и големи извънредни събития, които ще повлияят на генерациите или на потреблението. Това може да е, например, концерт или търговско изложение, изискващо отопление за големи закрити пространства. След като се въведат местоположението на събитието и очакваната нужда от отопление, софтуерът симулира транспортирането на топлинна енергия и извежда прогнози за температури и цени.

Цифровият близнак помага при планирането и въвеждането в експлоатация на нови участъци на топлофикационните мрежи. Ако е дефинирана топологията на мрежата, включително точките на захранване с променливи енергийни източници като слънчева топлина и промишлена отпадна топлина, софтуерният инструмент изчислява разпределението на топлинните потоци и очакваното потребление. Фирмите могат да направят симулации на различни сценарии за това как ще се мени потреблението в различни часове на деня или годината, какви биха били разликите в получаваната крайна температура.

Икономическият аспект остава критичен. За разлика от традиционния подход на принципа на пробата и грешката, цифровият близнак позволява надеждно и бързо пускане в експлоатация на нови сегменти, използвайки цифровия близнак за симулация на производителността, за да предостави най-удачните настройки, които също водят и до по-дълъг живот на системата. В крайна сметка общинските дружества за комунални услуги и доставчиците на централно отопление правят голяма крачка към по-екологично топлоснабдяване.