System kompensacji mocy biernej dla biurowca - wyzwanie czy rutyna?

fot. Bateria kondensatorów z dławikami filtrującymi Hr

Czy odbiorniki energii elektrycznej typowe dla biura jak xero, komputer, czajnik, radio czy faks mogą być źródłem opłat za nieskompensowaną energię bierną? Odpowiedź na ww. pytanie jest zdumiewająco prosta. Jeśli na rachunku za energię elektryczną biura pojawi się pozycja „Rozliczenie za energię bierną” i kwota do zapłaty z tym związana będzie większa niż 10% kwoty całego rachunku, to takie biuro powinno mieć swój układ kompensacji mocy biernej. A więc mogą, choć... Niniejszy artykuł udowodni, że zaprojektowanie takiego systemu nie jest wcale takie proste. Z moich ponad 30-letnich doświadczeń jednoznacznie wynika, że nie jest łatwo zaprojektować skuteczny system kompensacji mocy biernej biurowca. W proponowanym rozwiązaniu należy uwzględnić wiele aspektów technicznych i np. ekonomicznych.

Typowy biurowiec to setki, jak nie tysiące biurek. Na każdym z nich komputer czy laptop z zasilaczem, UPS-em, lampka do punk­towego oświetlenia. Poza urządzeniami na biurku są jeszcze tysiące źródeł światła, windy, systemy wentylacji, klimatyzacja, serwerow- nia, schody ruchome, systemy przeciwpożarowe. Wszystko to jest połączone pajęczyną kabli, przewodów i szyn, rozciągniętą na prze­strzeni kilkunastu pięter.

Układ zasilania biurowca swoją wielkością, różnorodnością i skom­plikowaniem, z wartością mocy umownej, liczbą zabezpieczeń i ich amperażem, przypomina układ zasilania dużego zakładu przemysło­wego. Ogromne zróżnicowanie odbiorników, zarówno pod względem zasilania: z jednej czy z trzech faz, liniowych czy nie, o charakterze indukcyjnym czy pojemnościowym, o szybkich czy wolnych zmia­nach w poborze mocy biernej, stawia przed projektantem systemu kompensacji mocy biernej o wiele większe wyzwanie niż wykonanie projektu układu kompensacji mocy biernej typowej fabryki. Mimo, że układ zasilania to z reguły jedna lub dwie dwusekcyjne rozdziel­nice nN to ich amperaż dobitnie obrazuje rangę problemu. Moce umowne typowe dla biurowców to pojedyncze megawaty.

Główne odbiorniki to systemy wentylacji i klimatyzacji, układ za­silania systemów obiegu wody. Duży udział w bilansie mocy mają też windy, schody ruchome, a zwłaszcza serwerownia, oświetlenie oraz pojedyncze gniazda sieciowe. Z tych gniazd sieciowych zasi­lane są kolejno tysiące kserografów, faksów, kalkulatorów, kompu­terów i innych urządzeń biurowych. Wszystkie te urządzenia po­bierają energię elektryczną, której miesięczny koszt to kilkanaście a często i kilkadziesiąt tys. zł. Kwota za pobraną energię bierną za­równo indukcyjną, jak i pojemnościową to kilka lub nawet kilkana­ście tys. dna miesiąc. Instalowane teraz powszechnie elektroniczne liczniki energii elektrycznej liczą pobór energii bardzo precyzyjnie, rozliczając jednocześnie (jeden licznik) - zarówno energię czynną jak i oba rodzaje energii biernej. Analizując rachunki za energię elektryczną biurowca można jednoznacznie stwierdzić, że opłaca się zamontować w nim system do kompensacji energii biernej o du­żej skuteczności działania, gdyż średni okres zwrotu inwestycji dla tego typu obiektów wynosi od 10 do 1$ miesięcy.

Jednak aby system do kompensacji mocy biernej był skuteczny, trzeba znać zarówno problemy, jakie spotkamy w układzie zasilania biurowca jak i mieć odpowiednią wiedzę i duże doświadczenie w ich skutecznym rozwiązaniu. Głównym problem do pokonania w pro­jekcie systemu kompensacji mocy biernej biurowca jest brak wie­dzy o przyszłych użytkownikach. Oferując powierzchnię tzw. open space w większości przypadków administrator nie wie, jakie rodzaje odbiorników podłączy do sieci zasilającej nowy najemca. Razem z wynajmowaną powierzchnią oferuje się układ zasilania o określonej mocy czynnej, nie precyzując innych wymagań związanych z zasi­laniem odbiorników. Podpisując umowę wynajmu nikt nie wnika w wielkości mocy biernej, jakie będą pobierać odbiorniki najemcy. A jest to przecież ogromna różnica w poborze mocy biernej oraz w jej charakterze, gdy podstawowymi odbiornikami jednego najemcy będą komputery, serwety i przewymiarowany UPS, a drugiego małoformatowe maszyny poligraficzne. Właściciel upewnia się tylko, czy nowo montowane urządzenia nie będą uciążliwe dla innych użytkowników i czy ich zapotrzebowanie na moc czynną mieści się w przyznanym limicie. Dokładnie kontroluje się poziom natężenia hałasu, bo jego wysokie natężenie może odstraszać innych potencjalnych najemców. Prawie nikt nie sprawdza, jakie moce bierne będą pobierały urządze­nia nowego najemcy oraz jak ta wartość będzie się miała do wartości założonych w bilansie mocy robionym na potrzeby projektowe. Nikt też nie sprawdza, czy nowy najemca nie zasili całej masy urządzeń nieliniowych, które odkształcą napięcie zasilania tak, że wzrosną odkształcenia zarówno w napięciu jak i w prądzie, co może stać się powodem uszkadzania, np. sterowników zainstalowanych zarówno w systemach biurowca jak i w innych urządzeniach należących do innych najemców. Będzie wówczas dochodzić do awarii, gdyż tych zagrożeń nie słychać, nie widać, trudno zlokalizować ich źródło i co najwyżej mając do dyspozycji dobry analizator parametrów sieci można je zmierzyć. Użytkownik z takimi odbiornikami może być równie uciążliwy jak ten, którego maszyny np. poligraficzne, hałasują (chociaż one pracują najczęściej nocą).

Brak wiedzy o odbiornikach przyszłych najemców stwarza dwa zasadnicze problemy w doborze systemu kompensacji mocy biernej. Pierwszy - to jaką całkowitą moc powinno mieć pojedyncze urządzenie do kompensacji mocy biernej i w jakie człony wykonawcze powinno być ono wyposażone. Jeśli będą to kondensatory mocy, to pojawia się kolejny problem, czyli w jakie dławiki filtrujące powinna być wyposażona bateria kondensatorów. Dobierając moc kompensatorów na podstawie bilansu mocy z reguły robimy to ze zbyt dużym zapasem, czyli postępujemy nie­ekonomicznie, gdyż system kompensacji mocy biernej nie należy do tanich. Trudno będzie wytłumaczyć właścicielowi biurowca, dlacze­go dobrany przez nas kompensator nie załącza połowy posiadanych członów wykonawczych, bo tak naprawdę realne zapotrzebowanie na moc bierną jest znacznie mniejsze niż to, które sobie założyliśmy. Dlatego dobierając moce kompensatorów na podstawie bilansu mocy należy projektować mniejsze wartości mocy, ale przewidzieć kon­strukcję kompensatorów umożliwiającą ich rozbudowę (zwiększenie mocy całkowitej) o ok. 20-30%.

Zwiększenie mocy kompensatora może być realizowane na dwa sposoby. Pierwszy - najbardziej eko­nomiczny sposób - to pozostawienie w konstrukcji wolnej przestrze­ni na dobudowanie dodatkowych członów wykonawczych (stycz­ników, dławików filtrujących, kondensatorów mocy lub dławików kompensujących). Takie rozwiązanie nie generuje dużych kosztów na etapie zakupu kompensatora, jednak w razie zapotrzebowania na większą moc pozwala dobudować dodatkowe człony wykonawcze. Po wynajęciu całej powierzchni zakres rozbudowy będzie łatwy do określenia, gdyż znane już będzie zapotrzebowanie na moc bierną Drugim sposobem zwiększenia mocy całkowitej kompensatora - jest wymiana na większe moce posiadanych już członów wykonawczych. Taka wymiana jest mniej opłacalna, gdyż projektując kompensator, musimy użyć w jego konstrukcji osprzętu i kabli o przekrojach do­branych do mocy maksymalnych dostępnych na rynku styczników przeznaczonych do załączania kondensatorów mocy. Pamiętajmy, że w temperaturze 50°C można załączyć kondensator o maksymalnej mocy 60 kvar. Druga metoda jest często stosowana, gdy mamy ogra­niczoną powierzchnię przeznaczoną na posadowienie urządzeń do kompensacji mocy biernej.