Poprawa efektywności energetycznej budynków biurowych i użyteczności publicznej poprzez optymalizację pracy automatyki budynkowej

Dla wielu specjalistów zajmujących się audytingiem energetycznym budynków rozpowszechnienie systemów BMS zdawało się zamykać pewien etap w kontekście możliwości poprawy efektywności energetycznej tych obiektów. W końcu większość dostawców automatyki budynkowej podkreśla, że jedną z podstawowych korzyści płynących z „inteligentnych budynków” ma być obniżenie kosztów eksploatacji wynikające z oszczędzania energii. Wnioski z pierwszych audytów przeprowadzonych na takich obiektach są jednak nieco odmienne.

Na początku trzeba wyjaśnić, czym jest BMS – Building Management System, czyli zintegrowany system zarządzania budynkiem. Korzystając z technologii informatycznych i komunikacji cyfrowej, łączy on systemy odpowiedzialne za funkcje techniczne w jeden układ, pozwalając na efektywne sterowanie obiektem. Głównymi elementami kontrolowanymi przez system BMS są podsystemy zasilania i sterowania energią elektryczną (m.in. wszelkiego rodzaju instalacje pomiarowe, oświetleniowe, rozdzielnie elektryczne czy układy zasilania awaryjnego), podsystemy bezpieczeństwa (urządzenia alarmowe, kontrola dostępu itp.) oraz sterowanie komfortem (wszelkiego rodzaju systemy ogrzewania, klimatyzacji, wentylacji itp.) [1, 2, 3].

BMS można stosować w niemal wszystkich typach budynków, jednak w obiektach biurowych i użyteczności publicznej potencjał, jaki stwarza automatyka w zakresie zmniejszania zużycia energii, jest znacznie większy. Prawie wszystkie obiekty biurowe powstające w ostatnich kilku latach wyposażane są w tego typu systemy. Niestety, jak wskazują doświadczenia audytorów, wiele z nich do tej pory nie przeszło podstawowych optymalizacji pod kątem efektywności energetycznej, a co gorsza, wiele błędów wprowadzonych do systemu od początku nigdy nie zostało wychwyconych ani naprawionych. Niekiedy modyfikacje nie są wprowadzane nawet w sytuacji zmiany funkcji budynku lub jego pojedynczej strefy [1, 2, 3].

Jedną z możliwości sprawdzenia, jaki potencjał oszczędności tkwi w danym obiekcie, jest skorzystanie z pomocy specjalistów. Audytorzy energetyczni są w stanie wspólnie z osobami odpowiedzialnymi za dany obiekt przeanalizować aktualny stan pracy budynku, wykryć możliwości osiągnięcia dodatkowych korzyści i zaproponować działania, które przyniosą najlepsze efekty.

Przykład działań optymalizacyjnych

Zdaniem autorów poprawa efektywności energetycznej budynków biurowych oraz użyteczności publicznej powinna być prowadzona równolegle we wszystkich obszarach systemu BMS. Podstawowym działaniem optymalizacyjnym powinno być odpowiednie „wyprofilowanie” i dostosowanie nastaw automatyki do potrzeb grzewczych, chłodniczych i wentylacyjnych w budynku. Często zdarza się, że najemcy powierzchni biurowych mają zakontraktowaną możliwość dostępu do poszczególnych stref przez 24 godziny, 7 dni w tygodniu, mimo że ich przestrzeń jest wykorzystywana niemal wyłącznie w godzinach typowych dla pracy biur. Odpowiadając na oczekiwania zamawiającego, zarządcy budynków a priori zakładają, że nastawy temperaturowe grzania i chłodzenia oraz krotności wymian powietrza obowiązują bez przerwy.

Skutkiem tego instalacje HVAC pracują w pełnej gotowości, aby zapewnić komfort cieplny potencjalnym użytkownikom, podczas gdy w godzinach nocnych obiekt zwykle nie jest użytkowany. Większość zarządców stawia sprawę jasno: za zużycie rozliczany jest najemca i to, przez ile czasu będzie on korzystał z zamówionych parametrów, a przez ile grzane, chłodzone, nawilżane i wentylowane będą puste pokoje, nie jest naszą sprawą.

Z oczywistych przyczyn poprawa efektywności energetycznej przy takim podejściu zarządców jest zdecydowanie utrudniona, choć ciężko ich winić, gdyż rzeczywiście odpowiadają oni na, być może nie najlepiej sprecyzowane, oczekiwania najemcy. Warto jednak zauważyć, że większość (o ile nie wszystkie) obiektów wyposażonych w BMS równolegle korzysta z systemów kontroli dostępu, wiadomo zatem, w których strefach przebywają użytkownicy. Pomimo że są to zwykle instalacje niezależne, migracja danych między ich bazami nie jest niemożliwa i stworzenie nowej funkcjonalności BMS-u, która automatycznie przełącza nastawy grzania/chłodzenia w poszczególnych strefach na tryb obniżenia nocnego lub weekendowego pod nieobecność użytkowników, może prowadzić do znaczących oszczędności.

Kolejną kwestią jest optymalizacja poszczególnych obszarów systemu HVAC. Standardową praktyką jest rozróżnianie nastaw temperaturowych w centralach wentylacyjnych pomiędzy sezonem grzewczym i chłodniczym. Niestety praktyka audytorska wskazuje, że parametry zadawane są często w sposób daleki od optymalnego. Powszechnym zjawiskiem jest korzystanie z instalacji chłodniczej w trakcie zimy tylko dlatego, że w centrali wentylacyjnej powietrze nagrzewane jest do temperatury np. 23°C, a przecież w przestrzeniach użytkowych pojawiają się jeszcze zyski bytowe, od oświetlenia i innych urządzeń elektrycznych, przez co użytkownicy są zmuszani do schładzania wcześniej ogrzanego powietrza. Podobne przypadki tworzą ogromne pole do poszukiwania oszczędności.

Najprostszym sposobem optymalizacji jest metoda prób i błędów, która przez zarządców wybierana jest bardzo niechętnie z obawy przed chwilowym niedotrzymaniem parametrów komfortu cieplnego. Motywacją do podejmowania ryzyka powinny być straty finansowe związane z równoległą pracą systemów grzewczych i chłodniczych, ale ich wielkości właściciele budynków oraz najemcy zwykle nie są świadomi. Drugim rozwiązaniem jest droga analityczna wykorzystująca zaawansowane narzędzia do symulacji dynamicznych (np. EnergyPlus), które pozwalają na uwzględnienie w sposób szczegółowy zysków wewnętrznych i zewnętrznych oraz harmonogramów i charakteru wykorzystania pomieszczeń.

W tym momencie pojawia się odpowiedzialna rola audytora, który powinien jak najlepiej odwzorować sytuację zastaną w obiekcie, aby wszelka ingerencja w funkcjonujący system nie prowadziła do pogorszenia warunków użytkowych. Innym działaniem, które podejmowane jest zaskakująco rzadko, jest optymalizacja taryf zakupu energii i mocy zamówionych. Projektanci wpisują zwykle do poszczególnych opracowań maksymalne (nierzadko bezpiecznie zawyżone) pobory, które teoretycznie mogłyby wystąpić w budynku przy jednoczesnej pracy wszystkich urządzeń, a następnie te same wielkości przepisywane są jako moce zamówione.

Co ciekawe, w wielu budynkach poziomy te funkcjonują przez kilka–kilkanaście lat i nikt nie przegląda faktur w celu ich weryfikacji. Niechlubnym przykładem takiej niegospodarności jest jeden z obiektów biurowych w Warszawie, gdzie w trakcie audytu stwierdzono nadmiar mocy zamówionej na poziomie 2 MW energii elektrycznej, który nie został skorygowany przez kilkanaście lat. Oczywiście jest to obszar, w którym należy być ostrożnym ze śrubowaniem wyników o każdy kW, ale przegląd faktur pod kątem przekroczeń mocy zamówionych, występowania energii biernych (energia elektryczna) lub strat czynnika (sieć ciepłownicza) powinien odbywać się przynajmniej raz w roku, a najlepiej przy rozliczaniu każdej faktury.

Czytaj też: Projektowanie instalacji mechanicznych z wykorzystaniem technologii BIM >>>

Wszystkim użytkownikom systemów automatyki budynkowej warto przypominać, że korzystanie z systemu BMS wiąże się z koniecznością regularnego przeglądu i sprawdzania poprawności działania komponentów instalacji. Praktyka wskazuje, że częstym zjawiskiem są niesprawne sensory, których odczyty są kluczowe dla sterowania systemem HVAC, a generowane przez nie błędy nie są korygowane przez lata. Wynikiem tego jest ogólne obniżenie efektywności energetycznej, jak np. praca urządzenia w sytuacjach niepożądanych (np. przez całą dobę z maksymalną wydajnością) albo zmuszenie użytkowników do indywidualnej regulacji nastaw, co zwykle nie jest rozwiązaniem optymalnym z punktu widzenia efektywności energetycznej.

Nagminnie spotyka się błędne wskazania i nastawy czujników dwutlenku węgla (CO₂), które powodują błędnie wysterowanie regulatorów zmiennego przepływu VAV i central wentylacyjnych. Na rys. 1 przedstawiono uszkodzony czujnik CO₂ oraz „nastawę” poziomu CO₂ w pomieszczeniu. Każda osoba mająca odpowiednie wykształcenie na pierwszy rzut oka powinna się zorientować, że wskazanie jest błędne, a mimo to taki stan rzeczy generował straty przez długi okres. Dobrą praktyką jest prowadzenie regularnego commissioningu polegającego na przeglądzie kluczowych urządzeń i sensorów, kontroli nastaw regulacji miejscowej i centralnej oraz przeglądzie faktur w celu sprawdzenia, czy przyjęte taryfy są w obecnej sytuacji rynkowej optymalne.

Wnikliwy commissioning lub audyt energetyczny pozwala na wychwycenie nie tylko niesprawnych elementów, ale również całych systemów zaprojektowanych lub zaprogramowanych w sposób błędny, których praca prowadzi do nieracjonalnego zawyżania zużycia. Przykładem może być równoległe zastosowanie w jednym z nowo powstałych obiektów biurowych w Warszawie klimakonwektorów, za pomocą których odbywało się schładzanie powietrza nawiewanego, oraz grzejników płytowych z głowicą termostatyczną bez jakiejkolwiek integracji instalacji grzewczej i chłodniczej. Nastawy chłodzenia w okresie zimowym w momencie pojawienia się dużych zysków wewnętrznych i/lub zewnętrznych uruchamiały schładzanie powietrza nawiewanego, a to powodowało otwieranie się głowic termostatycznych na grzejnikach.

Instalacja HVAC, zamiast zapewniać komfort, powodowała wzajemne zwalczanie się poszczególnych podsystemów. W tym przypadku konieczna była integracja systemów na poziomie centralnym (głowice nie były zintegrowane z BMS, dlatego zastosowano algorytm ograniczający możliwość równoległej pracy systemu grzewczego i chłodniczego), co nie jest rozwiązaniem optymalnym, jednak pozwoliło na wyeliminowanie dużej uciążliwości w zakresie komfortu (użytkownicy skarżyli się na nawiew powietrza o niskiej temperaturze) oraz poprawę wyniku energetycznego. Innym przykładem napotkanym w trakcie podobnego audytu w kilkuletnim biurowcu jest jednostka chłodnicza, która pracowała przez cały rok 24 godziny na dobę, gdyż nie tylko nie była sterowana w zależności od zapotrzebowania, ale z poziomu BMS nie było możliwości jej wyłączenia. Proste działanie ingerujące jedynie w system informatyczny pozwalało na osiągnięcie znaczących oszczędności.

Przykładowym działaniem modernizacyjnym, będącym częstym wnioskiem z przeprowadzonego audytu, jest rozbudowa funkcjonalności ustalania harmonogramów pracy urządzeń wentylacyjnych o możliwość sterowania wydajnością, temperaturą i wilgotnością w określonych godzinach (patrz rys. 2), zamiast prostych harmonogramów włącz/wyłącz z zadanymi parametrami projektowymi.

Pozwala to nie tylko na większą personalizację potrzeb, ale również na automatyczne załączanie chłodzenia nocnego, nie zawsze implementowanego w nowych obiektach (patrz rys. 3). Dodatkową korzyścią jest zdecydowana poprawa komfortu najemców, którzy w pewnym zakresie mogą indywidualnie modulować nastawy.

Wyniki audytu niekiedy skłaniają do wniosków, że umiejętna rozbudowa systemów o nowe czujniki lub urządzenia może pozwolić na przeprowadzenie inwestycji o krótkich okresach zwrotu. Przykładowo jeszcze kilka czy kilkanaście lat temu w większości instalacji wodnych i glikolowych stosowano regulację o stałym przepływie z zaworem mieszającym. W wielu takich przypadkach istnieje możliwość dostosowania tak zaprojektowanej instalacji do regulacji o zmiennym przypływie, która płynnie odpowiada na potrzeby budynku. Innym działaniem może być montaż dodatkowych czujników stężenia dwutlenku węgla.

Pomiar CO₂ pozwala na precyzyjne i dynamiczne dostosowanie ilości powietrza wentylacyjnego do liczby użytkowników korzystających z danej przestrzeni, dzięki czemu oszczędzamy na kosztownej obróbce powietrza – transporcie, filtracji, nawilżaniu/osuszaniu oraz ogrzewaniu lub chłodzeniu. Szerzej o możliwych do przeprowadzenia modernizacjach można przeczytać m.in. na stronie poświęconej zagadnieniom optymalizacji energetycznej budynków [6].

Niewykorzystany potencjał systemów BMS

Działania obejmujące projektowanie instalacji, dobieranie urządzeń, ustalanie harmonogramów pracy, jak również prognozowanie zużycia energii w warunkach „projektowych” zawsze obarczone są pewnym błędem. Przyczyn takiego stanu rzeczy jest wiele. Z jednej strony można się ich doszukiwać w metodach obliczeniowych, które nie zawsze w pełni oddają rzeczywistość, często nie są dostępne niezbędne dane, przez co obliczenia opierają się na wielkościach typowych lub uśrednionych, nie wspominając już o rozbieżnościach między stanem projektowym a rzeczywistym w geometrii, wyposażeniu czy sposobie wykorzystania budynków.

Jednak odpowiednio skalibrowany system BMS pozwala na gromadzenie ogromnych ilości danych obejmujących trudne do zamodelowania zachowania użytkowników, takie jak otwieranie okien, migracja między pokojami, przerwy w pracy itp. Zestawienie takich wielkości z danymi meteorologicznymi czy czasowymi profilami użytkowania przy zastosowaniu pewnego rodzaju samouczących się algorytmów pozwoliłoby z każdym dniem, tygodniem, rokiem jeszcze lepiej regulować pracę systemu HVAC w zależności od chwilowych potrzeb użytkowników.

Czytaj też: Wymagania obliczeniowe dla instalacji wentylacyjnych >>>

Tego typu narzędzia nazywane są systemami BEMS (Building Energy Management Systems). Niestety są to rozwiązania nadal rzadko spotykane w skali całego obiektu, mimo że podobne stosowane są komercyjnie w postaci, chociażby systemów automatyki kotłowej, która „uczy się”, jak zmienia się obciążenie jednostki w funkcji m.in. temperatury zewnętrznej, prędkości i kierunku wiatru, kąta padania, kierunku i natężenia promieniowania słonecznego, temperatury nieboskłonu itp., aby wykorzystując prognozy pogody oraz zaobserwowaną bezwładność cieplną budynku, zoptymalizować krzywą grzewczą w stosunku do warunków prognozowanych.

Inną funkcją, jaką może pełnić system BMS, wykorzystując odczyty istniejącego analizatora sieci elektrycznej w rozdzielni głównej (podstawowe mierniki tego typu są częstym wyposażeniem w budynkach biurowych), jest rola strażnika mocy zamówionej, czyli tymczasowe ograniczanie pracy mało znaczących urządzeń w celu utrzymania kosztownej mocy zamówionej na stałym niskim poziomie.

Metody obliczeniowe

Analiza potencjału energii, którą można zaoszczędzić dzięki optymalizacji sterowania instalacjami HVAC w systemach BMS, może być prowadzona na wiele sposobów. W ramach audytów przeprowadzonych przez Narodową Agencję Poszanowania Energii, które skupiały się na systemach automatyki budynkowej, większość obliczeń prowadzona była według jednego z trzech podstawowych sposobów:

1. Działania skupiały się na obszarach, w których zużycie energii nie było zależne od czynników takich, jak temperatura powietrza, bezwładność cieplna budynku, pora dnia itp., bądź zależne było od nich w niewielkim stopniu (praktycznie pomijalnym). Wykorzystywane były zwykle analizy wzorowane na audytach efektywności energetycznej – obejmowały drobny wycinek całości, zakładając brak interakcji pomiędzy składowymi systemu.

Przykładowo w taki sposób możliwe jest szacowanie oszczędności wynikających ze zmiany algorytmów sterujących oświetleniem na kondygnacjach podziemnych, prosta modernizacja instalacji c.o. obejmująca obszar o znanym zużyciu (np. dołożenie zaworów termostatycznych) czy wymiana nieefektywnych napędów elektrycznych o znanych średniorocznych czasach pracy itp. Dużą zaletą takiego podejścia nie tylko dla audytora jest prostota, która pozwala klientowi w pełni prześledzić i zrozumieć proces obliczeniowy.

1. Kolejnym wariantem jest przeprowadzenie analizy z wykorzystaniem oprogramowania umożliwiającego symulacje dynamiczne. Jest to podejście optymalne, gdyż pozwala na prognozowanie zużycia energii w budynku z uwzględnieniem godzinowych zmian w profilu użytkowania i nastawach regulacyjnych, rozróżnienie indywidualnych potrzeb grzewczych lub chłodniczych poszczególnych stref, rozróżnienie systemów HVAC w różnych pomieszczeniach, uwzględnienie potrzeb oświetleniowych w zależności od zadanego kryterium gęstości strumienia świetlnego na dowolnie wybranej powierzchni czy uwzględnienie sposobów regulacji poszczególnych systemów, a to wszystko analizowane jest dla konkretnego budynku, o zadanych parametrach izolacyjności termicznej przegród, pojemności cieplnej wyliczonej na podstawie modelu, wraz z możliwością dodatkowego uwzględnienia obiektów zacieniających, które mają kluczowe znaczenie dla zysków cieplnych od promieniowania słonecznego czy zapotrzebowania na energię do celów oświetlenia.

Oczywiście uzyskane w ten sposób wyniki muszą być zwalidowane w oparciu o zmierzone dane z faktur, aby oszacowanie oszczędności wynikające z potencjalnych modernizacji było jak najdokładniejsze. Wszystkie wymienione wyżej czynniki audytor musi zamodelować, dlatego analizy tego typu są wielokrotnie bardziej pracochłonne niż te prowadzone metodami uproszczonymi, jednak zdaniem autorów jest to jedyna obiektywna metoda obliczeniowa dająca wiarygodne wyniki.

1. W sytuacji gdy klient rozważa gruntowną modernizację systemu BMS obejmującą cały budynek lub, przystępując do inwestycji, musi podjąć decyzję, jak bardzo zaawansowane systemy BMS w obszarze HVAC wybrać, pomocnym narzędziem może być norma PN-EN 15232 [4], która wprowadza cztery kategorie efektywności energetycznej systemu BMS. Dzięki rozbudowanej ankiecie norma umożliwia przyporządkowanie rozpatrywanych systemów do jednej z czterech klas, a następnie oszacowanie różnic w zużyciu energii tego samego budynku dla systemów o różnym stopniu zaawansowania.

Minusem takiego podejścia jest to, że norma opiera się na wynikach konkretnych obliczeń, które uwzględniły tylko typowy harmonogram użytkowania, profil zysków wewnętrznych, nie są one zależne od strefy klimatycznej, a budynek z założenia w całości wyposażony jest w system automatyki jednej klasy. Bez wątpienia na podstawie normy można zauważyć, oszczędności, jakiego rzędu są możliwe do osiągnięcia dla danego typu obiektu (biurowiec, budynek mieszkalny, magazyn itp.), ale nie znajduje to zastosowania w sytuacjach skrajnych, gdzie z powodu niedopatrzeń zużycie jest zawyżone w sposób znaczący, i bardziej skomplikowanych. Norma została szeroko opisana i zinterpretowana w [5].

Podsumowanie

Wprowadzenie systemu zarządzania energią w budynkach biurowych i użyteczności publicznej niesie ze sobą wiele korzyści, ale jego poprawne funkcjonowanie wiąże się z pewnymi wymaganiami. BMS pozwala na zapewnienie elastycznego dostępu do systemów automatyki budynku znajdujących się w całym obiekcie. Dzięki połączeniu systemów budynku w jeden układ możliwe jest zapewnienie optymalnego komfortu w wybranych pomieszczeniach w określonym czasie. To z kolei wpływa nie tylko na zmniejszenie zużycia energii, ale i obniżenie rachunków oraz szkodliwych emisji do atmosfery.

Jak wskazują zaprezentowane w artykule doświadczenia, samo posiadanie systemu BMS nie jest wystarczające. Należy pamiętać o odpowiednim zoptymalizowaniu systemu sterowania budynkiem, który powinien być dopasowany do profilu i charakteru jego użytkowania. Tylko odpowiednie wykorzystanie zależności wpływających na zużycie energii może zagwarantować najlepsze wyniki. Aby mieć pewność, że cały budynek będzie funkcjonował prawidłowo, zalecane jest wykorzystanie wiedzy specjalistów, którzy mają doświadczenie w zarządzaniu energią.

Literatura

1. How a building management system works, Advanced Control Corp., 16.01.2017, http://advancedcontrolcorp.com/blog/2017/01/how-building-management-system-works/ (28.12.2017).
2. Doukas H., Patlitzianas D.K., Iatropoulosm K., Psarras J., Intelligent building energy management system using rule sets, „Building and Environment” Volume 42, Issue 10, 2007, p. 3562–3569.
3. Ali GhaffarianHoseini, Tongrui Zhang, Okechukwu Nwadigo et al., Application of nD BIM Integrated Knowledge-based Building Management System (BIM-IKBMS) for inspecting post-construction energy efficiency, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” Volume 72, 2017, p. 935–949.
4. PN-EN 15232 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Część 1: Wpływ automatyzacji, sterowania i technicznego zarządzania budynkami.
5. Building automation – impact on Energy efficiency, Application per EN 15232 eu.bac product certification, https://www.siemens.be/cmc/upload/cms/docs/sbt/Impact_of_building_automation_on_energy_efficiency.pdf (28.12.2017).6. optymalizatorbudynku.pl.

Czytaj też: Zapotrzebowanie na energię cieplną do przygotowania c.w.u. w budynku mieszkalnym >>>