Integracja systemów HVAC z systemem sterowania budynków

Sterowanie instalacjami w budynku może się odbywać na kilku poziomach ich integracji. Najprostszą metodą jest niezależne sterowanie każdą instalacją funkcjonującą w budynku – przykładem może być instalacja wentylacyjna VAV z wykorzystaniem sterowników i regulatorów, dzięki którym działa ona optymalnie. Bardziej zaawansowanym, choć pod kątem automatyki i sterowania nadal stosunkowo prostym rozwiązaniem jest komunikacja podsystemów za pomocą łącza szeregowego i sterowników – np. urządzenia klimatyzacyjne wyposażone w odpowiednie płyty sterujące mogą w prosty sposób (sygnał–reakcja) współpracować z systemem otwierania i zamykania okien, kartami hotelowymi (włączanie i wyłączanie urządzeń w zależności od obecności osób w pokoju) czy instalacją pożarową.

Systemy mogą być też zintegrowane za pomocą LAN – lokalnej sieci komputerowej, w której dzięki interfejsom dostarczonym przez producenta urządzeń wentylacyjnych czy klimatyzacyjnych, sterownikom uniwersalnym oraz dodatkowym czujnikom wielofunkcyjnym można poszczególne elementy połączyć w funkcjonalną, wspólnie sterowaną całość. Taki nadzór nad instalacjami technicznymi – HVAC, produkcji i dystrybucji chłodu, oddymiania i częściowo elektrycznych – jest czasem określany terminem BAS (Building Automation System).

Czym jest BMS

Building Management System (BMS) to centralny system nadzoru nad budynkiem, łączący wszystkie instalacje budynkowe. Jest to rozwiązanie coraz częściej wybierane dla nowych i remontowanych budynków, przede wszystkim komercyjnych, w przypadku których oszczędność energii i mediów bez straty dla komfortu i funkcjonalności dzięki optymalizacji pracy wszystkich instalacji jest elementem przewagi konkurencyjnej w wyścigu o najemców.

Dzięki BMS możliwy jest nie tylko nadzór nad każdą instalacją z osobna, ale też współpraca instalacji między sobą oraz optymalizacja pracy instalacji budynkowych jako całości. W tak rozumianym systemie zarządzania budynkiem możliwe jest więc:

• zebranie w jednej centralnej bazie wszystkich danych wejściowych, rozumianych jako stany, sygnały i informacje pochodzące ze wszystkich zintegrowanych systemów budynkowych;
• spójne i płynne zarządzanie budynkiem – rozumiane jako nadzór i administracja – z jednego interfejsu operacyjnego, co nie tylko ułatwia pracę służbom utrzymania budynku, ale też zapobiega kolizjom wynikającym z braku współpracy współistniejących, ale niezależnych systemów zarządzania instalacji;
• stała kontrola i regulacja zintegrowanych urządzeń i instalacji w czasie rzeczywistym – dzięki natychmiastowej reakcji na bieżące potrzeby całego budynku możliwa jest optymalizacja pracy instalacji, a więc adekwatne do potrzeb zużycie mediów, brak kolizji między poszczególnymi systemami, obniżenie kosztów energii, zwiększenie komfortu i funkcjonalności instalacji z punktu widzenia użytkowników oraz poprawa bezpieczeństwa zintegrowanych systemów i budynku jako całości;
• jednolita archiwizacja danych z budynku – pozwala na nie tylko szybkie i skuteczne raportowanie, ale też bieżące analizy wzorców zużycia energii i mediów, co umożliwia postępującą optymalizację pracy całego budynku.

Efektem jest obniżenie kosztów eksploatacji obiektu (np. mniejsze zużycie energii, wcześniejsza reakcja na sytuacje awaryjne, minimalizacja ich skutków i skrócenie ewentualnych przestojów) oraz usprawnienie obsługi, przy zachowaniu komfortu użytkowników i funkcjonalności. Jednym z popularnych przykładów integracji systemu HVAC jest jego współpraca z oświetleniem. Stosuje się tu harmonogramy czasowe i czujniki obecności – np. służące do obsługi sal konferencyjnych.

Sale te traktowane są przez system jako odrębne strefy wyposażone w regulatory przepływu powietrza. Zastosowanie BMS pozwala nie tylko korzystać z jak najmniejszej liczby pomieszczeń dziennie, ale i regulować prędkość dopływu powietrza zewnętrznego i wykorzystanie oświetlenia wewnętrznego. System uwzględnia zarówno zmiany trybu pracy sali (zajęta/wolna) wynikające z przewidzianego harmonogramu, jak i sytuację rzeczywistą – np. fakt, że użytkownicy opuścili salę wcześniej lub późnej, niż wynikało to z harmonogramu.

Składowe systemu BMS

Żeby instalacje techniczne budynku – w tym HVAC – mogły zostać zintegrowane w jeden centralnie zarządzany system, konieczne jest odpowiednie uzbrojenie budynku w:

• czujniki, które zbierają dane wejściowe – takie jak temperatura, wilgotność, prędkość powietrza, obecność osób, stężenie substancji w powietrzu (głównie CO2) – i dzięki którym możliwa jest ocena bieżącej sytuacji oraz uruchomienie odpowiedniego scenariusza reakcji;
• moduły konkretnych urządzeń (zarówno tych złożonych, typu centrale wentylacyjne, jak i prostych, np. regulatory VAV), umożliwiające odebranie sygnału z systemu centralnego i reakcję na zadany sygnał – wykonanie zadanej odpowiedzi;
• rozdzielnice i adaptery – tablice elektryczne umożliwiające zintegrowanie pod względem elektrycznym i automatycznym wszystkich urządzeń, tak by bezkolizyjnie realizować wszystkie zadania zlecone przez system centralny;
• przewody, szyny, magistrale umożliwiające fizyczne i funkcjonalne połączenie wszystkich elementów systemu;
• moduły centralne, czyli automatyczny system zarządzający oraz stacja robocza (dla zarządcy/obsługi) – odpowiednio zaprogramowany serwer i oprogramowanie, rozwiązania spinające wszystkie urządzenia oraz umożliwiające ich podgląd i monitoring.

Czujnik – źródło bezcennych informacji

Budynek objęty BMS jest naszpikowany czujnikami, które pozwalają na bieżąco monitorować jego szeroko rozumiany stan – poczynając od dotrzymywania wymaganych parametrów, poprzez ich zmiany i wahania, aż po zmiany warunków zewnętrznych wpływające na to, co się dzieje w budynku. Czujniki są często integrowane, tj. w jednej obudowie mieści się kilka sensorów.

Podstawowymi są czujniki temperatury i wilgotności, które rejestrują nie tylko sytuację w obsługiwanych pomieszczeniach czy na zewnątrz, ale też parametry mediów – powietrza obiegowego, wody grzewczej (zasilania i powrotu), wody lodowej itp. Czujniki wilgotności dają np. możliwość określania punktu rosy dla powietrzno-wodnych systemów klimatyzacyjnych (belki chłodzące) i sterowania sekwencjami nawilżania czy osuszania.

Na zoptymalizowanie pracy systemów w zależności od tzw. zajętości pomieszczeń pozwalają czujniki obecności (wzmocnione przez techniki mikrolokalizacji wykorzystujące technologię Bluetooth telefonów komórkowych użytkowników) oraz stężenia dwutlenku węgla. Te pierwsze umożliwiają reakcję na obecność osób w pomieszczeniu np. poprzez zmianę trybu pracy, natomiast drugie pozwalają np. sterować wentylacją – zmierzone stężenie CO2 w powietrzu przeliczane jest na liczbę osób i wtórnie na odpowiedni udział powietrza świeżego.

Czujniki specjalistyczne odpowiedzialne za bezpieczeństwo to m.in. czujniki dymu, LPG czy CO (głównie garażowe), wycieku czynników chłodniczych czy cząstek stałych PM2,5 będących głównym składnikiem smogu.
Kontraktony (czujniki otwarcia okien, drzwi lub bram wjazdowych) przekazują zebrane dane nie tylko do instalacji alarmowej, ale też do instalacji HVAC, pomagając optymalizować jej pracę.

Elementy wykonawcze

Urządzenia (elementy instalacji) mogą się stać częścią systemu BMS, jeśli wykonają zadanie zlecone im przez system centralny, zmieniając parametry pracy. Urządzenia mechaniczne – kotły, wentylatory, pompy ciepła itp. – muszą mieć możliwość regulacji pracy, czyli zostać wyposażone w napęd o zmiennej częstotliwości (Variable Frequency Drives). Można tu wskazać m.in. silniki wyposażone w falowniki, które umożliwiają płynną regulację prędkości i momentu obrotowego silnika. Zmienne częstotliwości napędów wymagają zastosowania zabezpieczeń przed wzajemnym oddziaływaniem elektromagnetycznym urządzeń mogącym prowadzić do zakłóceń.

Sygnał z systemu centralnego przekazywany jest do sterownika, dzięki któremu np. zawór regulacyjny albo regulator bezpośredniego działania zmienia (reguluje) uzyskiwane parametry – temperaturę, ciśnienie i różnicę ciśnień, przepływ itp. Rozwiązania te mogą być także wielofunkcyjne lub cyfrowe, zastępując większą liczbę układów regulacji.

Jeśli urządzenia nie są przygotowane do połączenia z systemem centralnym, można skorzystać z tzw. adapterów, np. do integracji samodzielnych klimatyzatorów do małych pomieszczeń. Adaptery sprawdzą się, kiedy konieczne jest sterowanie systemami klimatyzacyjnymi w obiektach od siebie oddalonych.

Rozdzielnice – kluczowe dla modernizacji, niezbędne dla nowych systemów

Niezależnie od tego, czy integracja BMS ma polegać na spięciu już istniejących systemów, czy na wykonaniu nowego systemu, niezbędnym elementem jest odpowiednie przygotowanie rozdzielnic elektrycznych. Przy modernizacji zwykle sięga się po rozdzielnice prefabrykowane BMS, które montowane są w pomieszczeniach technicznych, a wychodzące z nich przewody cyfrowe podłączane są do listwy zaciskowej i magistrali. Mogą one współpracować z rozdzielnicami elektrycznymi. Przy tworzeniu nowego systemu zwykle stosuje się rozdzielnice dedykowane, często łączące zadania rozdzielnic elektrycznych i BMS.

Moduły centralne

Rolą systemu zarządzenia (serwera operacyjnego) jest automatyczne przekazywanie zadań elementom wykonawczym w oparciu o dane zebrane ze wszystkich czujników. Dane te są zbierane za pomocą koncentratorów sygnałowych i rozdzielnic sterująco-monitorujących, dzięki czemu reakcja systemu jest możliwa w czasie rzeczywistym. System zarządzenia umożliwia także archiwizację danych.

Prezentację funkcjonowania wszystkich instalacji, monitoring działania i analizę zmienności pracy umożliwia system zwany też stacją roboczą – wbrew nazwie często jest to rozwiązanie dostępne z przeglądarki internetowej, niewymagające dodatkowego sprzętu ani nawet oprogramowania.

System prezentacji pozwala na stworzenie raportów oraz ustawienie różnych poziomów dostępu dla użytkowników – dzięki temu możliwe jest np. administrowanie alarmami i zdarzeniami oraz tworzenie raportów i danych wyjściowych, np. listy zużycia energii. Umożliwia także zdefiniowanie poziomów uprawnień (dostępu) typu: recepcjonista (tylko monitoring), operator, administrator budynku lub systemu, najemca (np. zarządzanie podsystemem).

Protokoły BMS

Producenci, chcąc zwiększyć konkurencyjność swoich urządzeń, coraz częściej przygotowują je do współpracy z więcej niż jednym protokołem komunikacyjnym. Nawet podstawowe wersje sterowników i paneli mają wiele interfejsów komunikacyjnych – dzięki temu mogą współpracować z innymi systemami czy zostać łatwo rozbudowane. W systemach BMS korzysta się obecnie głównie ze standardów otwartych, czyli umożliwiających integrację rozwiązań różnych producentów.

Protokół komunikacyjny powinien być dobrany do potrzeb danego budynku – najbardziej wydajnym, ale też kosztownym jest BACnet (Building Automation and Control Networks). Z punktu widzenia instalacji HVAC ważne jest, że został on zatwierdzony w 2004 roku przez ASHRAE jako rozwiązanie łączące dowolne urządzenia od niezależnych producentów.

Przykładowe zadania BMS a systemy HVAC

Jednym z podstawowych zadań systemu jest monitoring wykorzystania energii na cele grzewcze (ogrzewanie i c.w.u.) przez najemców. System pozwala prowadzić i rejestrować odczyty zużycia wody użytkowej, grzewczej i lodowej oraz przygotowywać rozliczenia.

BMS może odegrać ważną rolę w zakresie efektywności energetycznej budynku, analizując działanie wykorzystywanych odnawialnych źródeł energii. Monitorując rozdzielnice instalacji solarnych i pomp ciepła oraz uwzględniając komplet informacji z budynku i jego otoczenia (np. koszty energii), BMS ustawia priorytety pracy urządzeń, decydując, które w danym momencie ma być źródłem podstawowym, a które uzupełniającym.

Jeśli system HVAC opiera się na działaniu central wentylacyjnych, BMS pełni ważną funkcję w sterowaniu ich siecią, ustawiając odpowiednie tryby pracy oraz umożliwiając obsługę sytuacji alarmowych (np. brak zasilania), a także codzienną eksploatację (np. sygnalizując konieczność wymiany filtrów). Jeśli w budynku współpracują instalacje grzewcze i chłodnicze, BMS pozwala uniknąć ich kolizji i przeciwstawnego działania.

Ciekawym rozwiązaniem może być też decyzja dotycząca realizacji życzeń użytkownika – np. otwierania okien, kiedy pracują systemy wentylacyjne lub klimatyzacyjne. Możliwe jest albo zablokowanie możliwości otworzenia okien (praca wentylacji), albo wyłączenie systemu klimatyzacyjnego podczas ich otwarcia.

Reguła jest jedna – BMS powinien pozwalać na pełne wykorzystanie możliwości wszystkich systemów pracujących w budynku, zapewniając komfort użytkowników, ale jednocześnie wysoką wydajność systemów i oszczędność energii.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!