Inteligentne instalacje HVAC w budynkach – wybrane zagadnienia

Urządzenia i systemy inteligentne można określić jako dopasowane do potrzeb i uwarunkowań konkretnego budynku, a jednocześnie dynamicznie dostosowujące się do zmiennych warunków i skutecznie realizujące swoje zadania w sposób ekonomicznie uzasadniony. Do takiej pracy urządzeń i systemów niezbędny jest odpowiedni system sterowania i zarządzania.

System sterowania i zarządzania z zakresu ogrzewania, wentylacji i jakości powietrza – czy to pojedynczym urządzeniem, jak np. centrala wentylacyjna, czy też wszystkimi instalacjami – ma zapewnić odpowiednią jakość środowiska w pomieszczeniach (zachowując określone parametry temperatury, wilgot­ności, jakości powietrza i oświetlenia) przy jak najniższym zużyciu energii. Wymaga to płynnego dostosowania pracy wszystkich elementów instalacji do rzeczywistego zapotrzebowania, z uwzględnieniem ich współdziałania oraz komunikacji z siecią energetyczną. System sterowania analizuje informacje otrzymywane z liczników, czujników i elementów systemu oraz decyduje, jak spełnić wymagania dotyczące jakości środowiska wewnętrznego przy minimalnym zużyciu energii.

Pomiar też musi być inteligentny

Nie ma instalacji inteligentnych i energooszczędnych bez usystematyzowanego i dobrze zorganizowanego zbierania danych o ich działaniu. Nie bez powodu zarówno unijne, jak i krajowe akty prawne stawiają wiele wymagań licznikom w budynkach wielorodzinnych czy komercyjnych. Już od ponad 3 lat, zgodnie z dyrektywą EED [1] i polską ustawą Prawo energetyczne [1], w budynkach można instalować jedynie ciepłomierze, wodomierze do c.w.u. oraz podzielniki kosztów ogrzewania z możliwością odczytu zdalnego. Wielkimi krokami zbliża się też konieczność zastąpienia liczników zamontowanych przed wejściem w życie nowego obowiązku urządzeniami z możliwością odczytu zdalnego. Właściciele lub zarządcy budynku muszą to zrobić do 1 stycznia 2027 r. [1, 2]. W praktyce możliwe są dwa rozwiązania – doposażenie istniejących liczników w odpowiednie nakładki komunikacyjne lub wymiana urządzeń na nowe (co i tak może się okazać konieczne ze względu na obowiązek legalizacji urządzeń co 5 lat) [3]. Choć to drugie działanie wiąże się zwykle z większymi kosztami inwestycyjnymi, warto uwzględnić fakt, że technologie metryczne rozwijają się szybko i np. nowsze ciepłomierze wyraźnie górują pod względem niezawodności, dokładności i czułości pomiaru czy praktycznych rozwiązań instalacyjnych nad urządzeniami starszymi.

Obowiązek stosowania liczników z funkcją odczytu zdalnego nie oznacza automatycznie obowiązku wyposażenia każdego budynku wielolokalowego w indywidualne ciepłomierze lub podzielniki kosztów. Budynki muszą być wyposażone w ciepłomierze główne (budynkowe), a montaż ciepłomierzy lub podzielników w lokalach należy poprzedzić techniczną i ekonomiczną analizą możliwości zastosowania tych urządzeń, z uwzględnieniem rodzaju instalacji i stanu technicznego budynku oraz przełożenia w okresie pięcioletnim projektowanej oszczędności energii uzyskanej dzięki zastosowaniu ciepłomierzy na planowany koszt ich zakupu, montażu i eksploatacji [4]. Analiza ekonomiczna powinna uwzględniać także koszty rozliczania ciepła dla poszczególnych lokali. Dysponując odczytami zdalnymi z ciepłomierzy oraz odpowiednim oprogramowaniem (często dostępnym z poziomu przeglądarki internetowej), zarządca budynku może rozliczać zużycie mediów i informować o nim odbiorców przy znacznie mniejszym nakładzie pracy.

W przypadku budynków komercyjnych czy użyteczności publicznej, których zarządcy są szczególnie zainteresowani optymalizacją zużycia energii, informacje pochodzące ze zdalnych odczytów powinny być traktowane jak duże zbiory danych o funkcjonowaniu budynku oraz podstawa do jego „uczenia się” i bardziej efektywnego wykorzystania energii. Dane z urządzeń mogą być gromadzone i analizowane z wykorzystaniem narzędzi analitycznych – dzięki uzyskanym wynikom można optymalizować pracę instalacji w budynku, korygować reżimy pracy urządzeń i zwiększać energooszczędność całego układu.

Zobacz także: O nowych rozwiązaniach i efektywności instalacji HVAC

Inteligentne, czyli reagujące automatycznie

Dyrektywa EPBD [5] wymaga, by nowe budynki były wyposażane w samoregulujące się urządzenia umożliwiające oddzielną regulację temperatury w poszczególnych pomieszczeniach lub w strefie ogrzewanej modułu budynku, a w przypadku remontu budynku istniejącego wymianie źródła ciepła musi towarzyszyć wprowadzenie takich urządzeń. Wymóg ten w prawie polskim zapisany został w § 134 Warunków Technicznych, gdzie wskazano, że grzejniki oraz inne urządzenia odbierające ciepło z instalacji ogrzewczej powinny być zaopatrzone w regulatory dopływu ciepła [6]. Regulatory dopływu ciepła do grzejników powinny działać automatycznie, w zależności od zmian temperatury wewnętrznej w pomieszczeniach, przy czym nie dotyczy to budynków jednorodzinnych, mieszkalnych w zabudowie zagrodowej i rekreacji indywidualnej [6].

W nowych lub przebudowywanych instalacjach z grzejnikami (np. w budynkach mieszkalnych wielorodzinnych czy komercyjnych) konieczne jest zatem stosowanie zaworów termostatycznych, które automatycznie regulują przepływ wody grzewczej, zapewniając utrzymywanie zadanej temperatury w pomieszczeniu. Samo zastąpienie ręcznych zaworów grzejnikowych zaworami termostatycznymi (bez zastosowania dodatkowych środków, jak np. nocne obniżenie temperatury) zaoszczędzenie energii cieplnej w wysokości ok. 13–19% [7]. Jeszcze większe oszczędności energii – nawet do 30% w porównaniu z urządzeniami tradycyjnymi – można uzyskać dzięki termostatom elektronicznym (tzw. inteligentnym), które pozwalają m.in. na ustawienie programu ogrzewania (np. uwzględniającego nocne obniżenie temperatury czy harmonogramy nieobecności) dla każdego pomieszczenia oraz automatyczną reakcję na zmieniające się warunki (np. otwarcie okna).

Dostępnych jest kilka rozwiązań, np. głowica programowalna zasilana bateryjnie, którą można w prosty sposób zastąpić wcześniejszą głowicę lub zawór dwu- albo trzydrogowy z siłownikiem elektrycznym sterowanym przez zewnętrzny termostat. Urządzeniami tymi można sterować zdalnie, wykorzystując komunikację radiową (np. używając sterownika ściennego), Wi-Fi (głowica musi być wówczas wyposażona w moduł komunikacyjny) lub ­Bluetooth (stosując smartfon wyposażony w chip ­Bluetooth Low Energy w funkcji pilota). Głowica programowalna ma wbudowany czujnik temperatury otoczenia oraz programator, który umożliwia np. wykorzystanie programów obniżania temperatury w pomieszczeniach, co pozwala osiągać dalsze oszczędności energii cieplnej, szczególnie istotne w przypadku dużych mieszkań oraz budynków o gorszej izolacyjności.

Do sterowania urządzeniami można wykorzystać np. usługę IFTTT (If This Then That – „jeśli to, wtedy tamto”). Umożliwia ona zaprogramowanie reakcji systemu na zdarzenia, np. poprzez geofencing (wirtualne ogrodzenie). Jeśli smartfon użytkownika opuści teren wydzielony wirtualnymi granicami, np. znajdzie się w określonej odległości od posesji, nastąpią konkretne wydarzenia, np. ograniczony zostanie przepływ wody grzewczej w grzejnikach.

Sterownik głowicy inteligentnej może być także wyposażony w algorytm sztucznej inteligencji (AI – Artificial Intelligence), który pozwala na tzw. sterowanie adaptacyjne. Algorytmy AI na podstawie zmiennych – takich jak nawyki użytkownika czy temperatura zewnętrzna – uczą się samodzielnej obsługi grzejników w pomieszczeniach. Zawór termostatyczny może być więc uruchamiany i wyłączany bez ingerencji użytkownika, ale z odtwarzaniem jego wzorców zachowań, niezauważalnie zapewniając komfort, ale też optymalizując zużycie energii. Do sterowania można korzystać także z asystentów głosowych, tj. Siri (Apple), Google Assistant (Google), Alexa (Amazon) czy Bixby (Samsung), wydając sterownikowi zarówno proste komendy głosowe (np. dotyczące temperatury w różnych strefach domu), jak i stawiając mu zadania (informując np., że jest za gorąco, za zimno lub niewystarczająco komfortowo). Podobne rozwiązania stosowane są np. w klimatyzatorach domowych.

Współpraca między urządzeniami w domu

Na rynku dostępne są bardzo ciekawe rozwiązania „sterowania klimatem” przeznaczone do domów jednorodzinnych – bez konieczności tworzenia skomplikowanego systemu okablowania, za pomocą jednego centralnego systemu. Tego rodzaju rozwiązanie składa się z modułu centralnego, czujników komunikujących się zdalnie z centralą (temperatury, wilgotności, stężenia CO₂, obecności, otwarcia okna) oraz elementów wykonawczych, którymi mogą być inteligentne głowice termostatyczne, ale też sterowniki odpowiednich urządzeń HVAC. Urządzenia znajdujące się w domu – źródło ciepła, instalacja grzewcza, wentylatory lub centrala wentylacyjna, klimatyzatory – łączone są w domową sieć wewnętrzną, dzięki czemu można optymalizować ich wspólną pracę i najlepiej wykorzystywać funkcjonalności urządzeń. Z centrali można też sterować innymi elementami, takimi jak rolety, oświetlenie, gniazda elektryczne. Korzystając z odpowiednich aplikacji, użytkownik może np. definiować scenariusze zachowań poszczególnych instalacji.

Zarządzanie całym budynkiem

Jeśli do obsługi danego budynku potrzeba wielu rozwiązań inteligentnych, mogą się one stać elementami BMS (Building Management System) – centralnego systemu nadzoru nad budynkiem, który łączy wszystkie instalacje budynkowe, umożliwiając ich optymalną współpracę. W jednej centralnej bazie danych zbierane są dane wejściowe ze wszystkich zintegrowanych systemów budynkowych, co umożliwia spójne i płynne zarządzanie budynkiem, stałą kontrolę i regulację zintegrowanych urządzeń i instalacji oraz analizę dużych zbiorów danych z budynku, np. wzorców zużycia energii i mediów. Dzięki temu można optymalizować pracę instalacji, uzyskując: adekwatne do potrzeb zużycie mediów, brak kolizji między poszczególnymi systemami, obniżenie kosztów energii oraz zwiększenie komfortu, funkcjonalności i bezpieczeństwa instalacji. Efektem jest obniżenie kosztów eksploatacji obiektu i usprawnienie obsługi.

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

• czujniki i liczniki zbierające dane wejściowe – takie jak temperatura, wilgotność, prędkość powietrza, obecność osób, stężenie substancji w powietrzu (głównie CO₂, ale coraz częściej także pyłów zawieszonych) – dzięki którym możliwa jest ocena bieżącej sytuacji oraz uruchomienie odpowiedniego scenariusza reakcji;
• moduły konkretnych urządzeń (zarówno złożonych jak centrale wentylacyjne, jak i prostych jak regulatory VAV), umożliwiające odebranie sygnału z systemu centralnego i reakcję na zadany sygnał – wykonanie zadanej odpowiedzi;
• system zarządzający (automatyczny) i stację roboczą;
• okablowanie – magistrale, przewody oraz moduły centralne.
• Typowe zadania systemu centralnego w kontekście systemów HVAC to m.in.:
• monitoring poboru energii cieplnej przez najemców poprzez odczyty zużycia wody użytkowej, grzewczej oraz lodowej, rejestracja odczytów, przygotowanie rozliczeń;
• monitoring rozdzielnic instalacji fotowoltaicznych i pomp ciepła – sterowanie priorytetami pracy tych urządzeń na podstawie kompletu informacji z budynku (mogą w danym momencie pełnić funkcję podstawowego źródła energii cieplnej lub stanowić element uzupełniający);
• monitoring sieci central wentylacyjnych – zmiana trybów, nastawy, obsługa sytuacji alarmowych, np. powiadomienia o braku zasilania lub konieczności wymiany filtrów;
• umiejętność określenia, czy system może zrealizować życzenie użytkownika, np. stosowana w hotelach blokada otwarcia okien, kiedy pracuje wentylacja, lub blokada włączenia klimatyzacji (albo jej wyłączenia) podczas otwarcia okna;
• wykluczenie możliwości przeciwstawnego działania niezależnych instalacji;
• coraz częściej także konserwacja predykcyjna, w ramach której dzięki analizie danych można nie tylko stwierdzić i wyeliminować niedoskonałości pracy instalacji, ale też zdiagnozować nieprawidłowości w pracy urządzeń przed wystąpieniem awarii i optymalnie zaplanować harmonogram konserwacyjno-serwisowy.

Inteligentne instalacje dla różnych budynków

W niemal każdym budynku można zastosować rozwiązania inteligentne, dzięki którym instalacje będą się dostosowywać do aktualnych potrzeb. Mnogość rozwiązań technicznych pozwala dobrać odpowiednie do wielkości, złożoności i gotowości danej instalacji. Jednocześnie zalety korzystania z instalacji inteligentnych – efektywna praca, redukcja zużycia energii, zwiększenie trwałości komponentów instalacji i optymalizacja kosztów – będą najbardziej widoczne w instalacjach skomplikowanych, ale także funkcjonujących w budynku gotowym na rozwiązania inteligentne, np. o zoptymalizowanej bryle, dobrze zaizolowanym, szczelnym i bogatym w rozwiązania techniczne oszczędzające zasoby.

Literatura

1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2018/2002 z 11 grudnia 2018 r. zmieniająca dyrektywę 2012/27/UE w sprawie efektywności energetycznej (Dz. Urz. UE L 328/210 z 21.12.2018)

2. Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. – Prawo energetyczne (DzU 1997, nr 54, poz. 348, z późn. zm.)

3. Rozporządzenie Ministra Przedsiębiorczości i Technologii z dnia 22 marca 2019 r. w sprawie prawnej kontroli metrologicznej przyrządów pomiarowych (DzU 2019, poz. 759)

4. Rozporządzenie Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 7 grudnia 2021 r. w sprawie warunków ustalania technicznej możliwości i opłacalności zastosowania ciepłomierzy, podzielników kosztów ogrzewania oraz wodomierzy do pomiaru ciepłej wody użytkowej, warunków wyboru metody rozliczania kosztów zakupu ciepła oraz zakresu informacji zawartych w indywidualnych rozliczeniach (DzU 2021, poz. 2273)

5. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2018/844 z dnia 30 maja 2018 r. zmieniająca dyrektywę 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków i dyrektywę 2012/27/UE w sprawie efektywności energetycznej (Dz. Urz. UE L 156/75 z 19.06.2018)

6. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (t.j. DzU 2022, poz. 1225)

7. EcoFys (von Manteuffel Bernhard, Offermann Markus, Bettgenhäuser Kjell), Energy & GHG emission savings potentials of thermostatic valves. Final report, 2016, na zlecenie EUnited Valves

8. Materiały techniczne firm: BMeters, Danfoss, Finder, Galmet, IMI Hydronic Engineering, ISTA, Venture Industries, WATTS