Integracja automatyki budynkowej a efektywność energetyczna

Konieczność poprawy efektywności energetycznej, z uwzględnieniem długofalowych skutków wykorzystywania odnawialnych oraz nieodnawialnych źródeł energii, kreuje potrzebę optymalizacji zarówno procesów pozyskiwania energii elektrycznej, jej magazynowania oraz transportu, jak i przetwarzania na potrzeby oświetlenia, ogrzewania, chłodzenia oraz wentylacji. Optymalizacja popytu na energię zmniejszy negatywny wpływ przemysłu i budownictwa na środowisko naturalne oraz zapewni komfort życia. Budownictwo odpowiada za ponad 40% całkowitego zapotrzebowania na energię [1], a nowoczesne budynki powinny być niemal zeroenergetyczne.

Przewiduje się, że wymagania prawne określające maksymalne dopuszczalne poziomy zużycia energii, zwłaszcza nieodnawialnej, będą ulegały dalszej zmianie. Poprawa efektywności energetycznej stała się bowiem najważniejszym działaniem we wszystkich dziedzinach życia. Do oceny i porównania efektywności energetycznej urządzeń służą np. etykiety energetyczne. Zawierają one informacje o klasie energetycznej i podstawowych parametrach urządzenia mających wpływ na zużycie energii czy poziom hałasu. Etykieta taka daje konsumentowi możliwość porównania różnych urządzeń według tych samych zasad. Dla budynków wyznacza się charakterystykę energetyczną, która stanowi zbiór danych i wskaźników energetycznych określających całkowite zapotrzebowanie na energię użytkową, końcową oraz nieodnawialną energię pierwotną [2], i planowane jest wprowadzenie klas energetycznych nawiązujących graficznie do znanych od lat etykiet energetycznych urządzeń.

Integracja z systemami zarządzania energią

Integracja rozumiana jest jako proces odczytu, zapisu, analizy oraz optymalizacji sygnałów autonomicznych systemów automatyki, np. instalacji technicznych budynku, w jeden centralny system automatyki. To w oparciu o standaryzowane protokoły komunikacji umożliwiamy zarządzanie autonomicznymi systemami, niezależnie od ich interoperacyjności. Celem integracji centralnego systemu automatyki jest efektywne zarządzanie procesami energetycznymi w celu zapewnienia komfortu użytkowania pomieszczeń przy optymalizacji zużycia energii. Niniejszy artykuł stanowi próbę oceny skutków integracji systemów energetycznych przez BMS.

Ustawa o charakterystyce energetycznej budynków

W 2022 r. znowelizowano ustawę o charakterystyce energetycznej budynków [3]. Rozszerzono m.in. zakres obowiązku sporządzania świadectw charakterystyki energetycznej, ustawa na nowo definiuje również zasady kontroli systemów ogrzewania, klimatyzacji i wentylacji w budynkach oraz stosowanie systemów sterowania, a co za tym idzie, także wykorzystanie systemów automatyki. Ma to na celu skuteczne sterowanie każdym aspektem przetwarzania i transportowania energii dla zapewnienia jej optymalnego wytwarzania, dystrybucji, magazynowania i wykorzystywania.

Okresowe kontrole systemów ogrzewania i klimatyzacji mają na celu kontrolę sprawności systemu energetycznego oraz wskazanie działań mających poprawić sytuację. Umożliwiają także sygnalizowanie zagrożeń oraz wykazanie potencjalnych nieprawidłowości w działaniu instalacji.

Charakterystyka energetyczna wg zużycia energii

Świadectwo charakterystyki energetycznej sporządza się w oparciu o ustawę o charakterystyce energetycznej budynków oraz rozporządzenie w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej [4]. Wyróżnione zostały dwie metody:

1. oparta na standardowym sposobie użytkowania budynku lub części budynku (metoda obliczeniowa),

2. oparta na faktycznie zużytej ilości energii (metoda zużyciowa) [4].

Metoda obliczeniowa jest co prawda obecnie powszechnie stosowana, jednak dopiero odpowiednie opomiarowanie ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji, oświetlenia i urządzeń pomocniczych daje możliwość określenia energii końcowej i pierwotnej oraz wykonania świadectwa charakterystyki energetycznej budynku. Proponowane wskaźniki sprawności instalacji grzewczych oraz chłodniczych uniemożliwiają uwzględnienie integracji systemów energetycznych, np. za pomocą BMS-u.

Zasady kontroli systemów energetycznych

Wdrożenie dyrektywy EPBD narzuciło konieczność poddawania systemów energetycznych w budynkach okresowej kontroli. Zakres tej kontroli obejmuje ocenę stanu technicznego systemu grzewczego i chłodniczego oraz weryfikację mocy źródła energii pod kątem potrzeb użytkowych.

Przy ocenie systemów energetycznych należy przeprowadzić czynności mające na celu określenie efektywności energetycznej źródła ogrzewania oraz systemu klimatyzacji i/lub wentylacji. Miarą efektywności energetycznej może być sprawność wytwarzania. Obejmuje ona m.in. ocenę poprawności doboru mocy źródła energii.

Moc źródła energii nie powinna być przewymiarowana ani tym bardziej za mała. Wyższa sprawność wytwarzania występuje zazwyczaj w urządzeniach wyposażonych w płynną regulację mocy. Pozwala ona dostosować moc do warunków pogodowych i pracować w jej pełnym zakresie przy optymalnej sprawności wytwarzania. Płynna regulacja mocy umożliwia zrezygnowanie ze stosowania magazynów energii i w efekcie poprawienie sprawności systemu, obniżenie kosztów inwestycyjnych oraz eksploatacyjnych.

Wyznaczenie sprawności wytwarzania kotła gazowego lub olejowego wymaga wglądu do DTR urządzenia oraz wykonania następujących pomiarów uzupełniających:

• pomiar zawartości O₂ lub CO₂ w spalinach suchych,
• pomiar temperatury spalin za kotłem oraz temperatury powietrza doprowadzanego do spalania,
• pomiar wilgotności powietrza i temperatury w pomieszczeniu kotła.

Ostatecznie ocena sprawności kotła podlega porównaniu sprawności obliczonej z wartościami deklarowanymi przez producenta. Wyznaczenie w ten sposób sprawności wytwarzania jest obarczone błędami, których skutkiem jest wskazywanie tej sprawności w sposób przybliżony, a czasami nawet błędny. Zastosowanie odpowiedniego opomiarowania oraz rejestracji wyników zmierzonej energii pozwala wyznaczyć dokładną wartość sprawności źródła oraz wartość mediany w dowolnym czasie.

Weryfikacja mocy i sprawności

Zastosowanie urządzeń o zbyt dużej mocy może być przyczyną obniżonej sprawności wytwarzania. Osoba przeprowadzająca czynności kontrolne musi oszacować obciążenie cieplne budynku i dokonać oceny jego wpływu. Zastosowanie odpowiedniego opomiarowania źródła i właściwej rejestracji wartości mierzonych pozwala dokładnie określić moc źródła i wpływ przewymiarowania na sprawność średnioroczną.

Podstawową wartością w ocenie kotłów centralnego ogrzewania jest parametr sprawności nominalnej i użytkowej wytwarzania ciepła. Sprawność nominalna jest wielkością podawaną przez producenta, natomiast sprawność użytkową kotłów można określić metodą pośrednią, dysponując sumą strat cieplnych.

O stratach cieplnych źródła energii stanowią:

• strata wylotowa,
• strata niecałkowitego spalania,
• strata niezupełnego spalania,
• strata do otoczenia,
• strata odmulania,
• strata postojowa.

W praktyce uwzględnia się najczęściej pierwsze cztery parametry. Przy określaniu wartości będących skutkami poszczególnych strat najprostszym rozwiązaniem jest ich oszacowanie dla danego kotła na podstawie danych o jego parametrach technicznych i warunkach eksploatacji (rys. 1–2).

Wyniki kontroli efektywności energetycznej

Przeprowadzenie kontroli ma przynieść odpowiedź na pytanie, jaka jest efektywność energetyczna systemów występujących w budynku. Podstawowym parametrem określającym efektywność źródła energii jest sprawność wytwarzania, choć zdaniem autorów ocenie powinny podlegać również sprawność i moc urządzeń pomocniczych, bardziej rozbudowane i skuteczne systemy regulacji w źródle oraz w pomieszczeniu.

Kontrola kotłów (tabela 1) powinna być zgodnie z [6] realizowana ustawicznie, nie rzadziej niż:

a) co najmniej raz na 5 lat – dla kotłów o nominalnej mocy cieplnej od 20 do 100 kW,

b) co najmniej raz na 2 lata – dla kotłów opalanych paliwem ciekłym lub stałym o nominalnej mocy cieplnej większej niż 100 kW,

c) co najmniej raz na 4 lata – dla kotłów opalanych gazem o nominalnej mocy cieplnej większej niż 100 kW,

d) co najmniej raz na 3 lata – dla źródeł ciepła niewymienionych w lit. a–c, dostępnych części systemu ogrzewania lub połączonego systemu ogrzewania i wentylacji, o sumarycznej nominalnej mocy cieplnej większej niż 70 kW.

Ocenie efektywności energetycznej podlega również system klimatyzacji. Ustawa o charakterystyce energetycznej budynków [3] wymaga przeprowadzania kontroli nie rzadziej niż raz na 5 lat w zakresie:

a) dostępnych części systemu klimatyzacji o nominalnej mocy chłodniczej większej niż 12 kW,

b) połączonego systemu klimatyzacji i wentylacji o sumarycznej nominalnej mocy chłodniczej większej niż 70 kW.

Kontrola systemu klimatyzacji obejmuje ocenę jego sprawności i doboru wielkości do wymogów chłodzenia budynku oraz zdolności do optymalizacji działania w typowych warunkach eksploatacji. Nie dokonuje się ponownej kontroli w zakresie oceny doboru wielkości systemu klimatyzacji w przypadku, gdy od czasu przeprowadzenia takiej kontroli nie dokonano zmian w systemie klimatyzacji lub połączonym systemie klimatyzacji i wentylacji lub zmian w charakterystyce energetycznej budynku.

Tabela 2 zawiera przykład analizy sprawności systemu c.o., w ramach której dokonano rozdzielenia sprawności regulacji i wykorzystania na: sprawność regulacji źródła, sprawność regulacji miejscowej zlokalizowanej w miejscach wykorzystania, oraz sprawność wykorzystania, która zależy od prawidłowego usytuowania grzejnika, np. na ścianie zewnętrznej pod oknem, a także od tego, czy jest on obudowany i w jakim stopniu jego zasłonięcie wpływa na wykorzystanie. Sprawność regulacji miejscowej zależy np. od rodzaju i sposobu działania urządzeń regulacji, od rodzaju zaworów termostatycznych i ich prawidłowego montażu, np. położenia głowicy, oraz wyregulowania. Regulacja miejscowa ma niewiele wspólnego z regulacją pracy kotła. Automatyka kotłowa steruje produkcją ciepła i może działać w oparciu o:

• temperaturę powrotu,
• temperaturę w pomieszczeniu referencyjnym (tzw. regulację pokojową),
• temperaturę w danym pomieszczeniu (tzw. wewnętrzną), a także temperaturę zewnętrzną w oparciu o krzywą grzania.

Sprawność regulacji zależy również od możliwości regulacji mocy kotła (płynna lub stopniowa) oraz od występowania stref będących oddzielnymi obiegami grzewczymi. Sterowanie staje się bardziej złożone, wobec czego wykorzystywanie jedynie automatyki kotłowej może się okazać niewystarczające. Niestety nie są jeszcze dostępne informacje, w jaki sposób uwzględniać poprawę sprawności układu w wyniku zastosowania możliwości integracji, jaką daje BMS. Zastosowanie samego BMS-u nie rozwiązuje jednak problemów prawidłowego działania systemów energetycznych budynku. Niezbędne jest właściwe zastosowanie automatyki opartej na systemie BMS i zaprogramowanie komputera nadrzędnego (master), integrującego i sterującego wszystkimi systemami energetycznymi. Realizacja tego zadania jest bardzo trudna i wymaga umiejętności wykorzystania np. pojemności cieplnej budynku i lokali, odpowiedniego oszacowania zysków ciepła, prawidłowej pracy urządzeń mających wpływ na klimat wewnętrzny (np. osłon przeciwsłonecznych), współpracy z urządzeniami produkującymi energię oraz sterowania podażą i popytem na energię, tak aby wykorzystać zmienność jej cen. Błędne zaprojektowanie pracy systemu może spowodować niepożądane skutki, a brak monitoringu efektów, czyli zużycia energii, sprawia, że nie wiadomo, czy system działa poprawnie, zgodnie z przyjętymi założeniami, a tym bardziej, czy działa optymalnie, to znaczy czy zużycie energii będzie najmniejsze lub optymalne ze względu na koszty i wreszcie czy koszty energii będą minimalne.

Analizy zastosowanych systemów zintegrowanego zarządzania energią potwierdzają zmniejszenie zużycia energii do 20, a nawet 25%. Najczęściej jednak poprawnie działający system energetyczny bez integracji BMS-em zmniejsza zużycie jedynie o 5, czasami o 10%. Jest więc o co walczyć – korzyści wynikające ze stosowania BMS-u są znacznie większe.

Zgodnie z regulacjami zawartymi w ustawie o charakterystyce energetycznej [3] nie jest wymagana prawnie okresowa kontrola systemu ogrzewania oraz systemu klimatyzacji w budynkach mieszkalnych wyposażonych w system automatyki, opomiarowania zużycia energii oraz sterowania, który umożliwia stałe monitorowanie elektroniczne dokonujące pomiarów sprawności systemu ogrzewania, połączonego systemu ogrzewania i wentylacji, systemu klimatyzacji, połączonego systemu klimatyzacji i wentylacji, informujący właścicieli i zarządców budynku o spadku sprawności tych urządzeń i instalacji oraz potrzebie ich konserwacji, naprawy lub wymiany.

Automatyka, opomiarowanie zużycia energii oraz skuteczne sterowanie ma na celu zapewnienie optymalnego wytwarzania, dystrybucji, magazynowania i wykorzystywania energii w budynkach mieszkalnych i niemieszkalnych, co umożliwia:

• stałe monitorowanie, rejestrowanie, analizowanie i dostosowywanie zużycia energii oraz analizę porównawczą efektywności energetycznej budynku wykonaną na podstawie rzeczywistych wartości zużywanych nośników energii,
• wykrywanie utraty efektywności systemów: ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji, przygotowania ciepłej wody użytkowej, oświetlenia wbudowanego, automatyki i sterowania, wytwarzania energii elektrycznej w budynku,
• informowanie właściciela lub zarządcy budynku o możliwościach poprawy efektywności energetycznej oraz komunikację, interoperacyjność z połączonymi systemami: analizę porównawczą efektywności energetycznej budynku, wykrywanie utraty efektywności systemów ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji, przygotowania c.w.u., oświetlenia wbudowanego, automatyki i sterowania, wytwarzania energii elektrycznej w budynku, a także informowanie właściciela lub zarządcy budynku o możliwościach poprawy efektywności energetycznej.

W przypadku tak działającego systemu BMS nie jest wymagana kontrola systemu ogrzewania oraz klimatyzacji.

Właściwe opomiarowanie, uwzględniające odpowiednie pomiary, pozwala wygenerować świadectwa w oparciu o zużycie energii (rys. 3).

Integracja automatyki budynkowej

Integracja automatyki budynkowej opiera się na kompatybilności komunikacji pomiędzy systemami technicznymi budynku i systemem automatyki, która realizowana jest za pomocą standardowych protokołów komunikacyjnych (MODBUS, BACnet, TCP, M-BUS, PROFIBUS, MP-BUS, LONWorks, CANopen, KNX, SMTP, RTSP, SNMP, DMX, Zigbee i in.). System integrujący musi umożliwiać dostęp (zapis lub/i odczyt) kluczowych zmiennych do sterowania/monitorowania systemów: klimatyzacji i wentylacji, ogrzewania, chłodzenia, oświetlenia, c.w.u. oraz urządzeń pomocniczych.

System automatyki (rys. 4) musi mieć możliwość integracji wszystkich zastanych systemów sterujących (obsługujących standardowe protokoły komunikacji), bez ograniczania się jedynie do oferty kilku największych producentów – zapewnia to możliwość wykorzystania systemów już istniejących (pod warunkiem spełniania podstawowych norm wynikających z Prawa budowlanego oraz regulacji związanych z Warunkami Technicznymi dla budynków).

Integracja automatyki budynkowej powinna zostać przeprowadzona w najszerszym możliwym zakresie. Przy zachowaniu komfortu oraz użyteczności budynku lub jego części każdy z systemów technicznych obecnych lub zaprojektowanych w budynku powinien zostać skomunikowany z nadrzędnym systemem automatyki budynku. W idealnym przypadku konieczność wymiany elementów, np. systemu ogrzewania, wymaga jedynie redefinicji sygnałów, wizualizacji oraz uprawnień do nowo zdefiniowanej automatyki, bez konieczności demontażu już istniejącego systemu automatyki budynkowej, do którego obsługa jest już przyzwyczajona.

Prawidłowo zaimplementowany system automatyki (rys. 5) nie blokuje możliwości zmiany przeznaczenia lokali/części budynku. System umożliwia przeprogramowanie algorytmów oraz zmianę godzin użytkowania lokalu i zakresu komfortu bez generowania odpadów w postaci urządzeń elektrycznych (sterowniki, moduły, czujniki). Tym sposobem budynek na każdym etapie istnienia (budowy, użytkowania oraz rozbiórki) ma zminimalizowany wpływ na środowisko naturalne.

Oświetlenie

Z uwagi na zróżnicowanie obwodów oświetleniowych występujących w budynkach (wielorodzinnych, jednorodzinnych, użyteczności publicznej itp.) zróżnicowaniu podlega również ich integracja. W budynkach wielopiętrowych, np. biurowcach, oświetlenie integrowane i zarządzanie uwzględnia często podział na strefy budynku, piętra, części wspólne lub lokale użytkowe (tabela 3, rys. 6–7).

Po zapoznaniu się z dobowym, miesięcznym, kwartalnym i rocznym cyklem użytkowania systemu oświetlenia (w oparciu o dane historyczne z systemu i wiedzę administratorów budynku) system integrujący umożliwia:

• implementację harmonogramów załączania/wyłączania (zatrzymanie dobowe);
• implementację harmonogramów załączania/wyłączania (zatrzymanie weekendowe);
• włączanie/wyłączanie przez administratora za pomocą przycisku wielu wybranych obwodów oświetleniowych (również w strefach wspólnych budynku: korytarze, klatki schodowe, przedsionki windowe, kładki, ogrody wewnętrzne, fontanny itp.). Przycisk wyzwala akcję załączania/wyłączania oświetlenia i indukuje opóźnienie (+30 s/+40 s/+60 s itp., aby uniknąć skoku mocy biernej zużycia energii elektrycznej); system nadrzędny zarządzania budynkiem pełni funkcję strażnika mocy;
• sterowanie natężeniem oświetlenia w zależności od ilości światła, która dociera do czujnika (połączonego bezprzewodowo lub przewodowego).

Integracja obwodów oświetleniowych może być realizowana poprzez połączenie szaf zasilająco-sterujących zawierających sterowniki swobodnie programowalne standardowym protokołem komunikacji (np. BACnet, MODBUS, LON, M-BUS).

W budynkach biurowych wiele uwagi poświęca się klimatyzatorom (AC), podczas gdy 29% całkowitego zużycia energii w tych obiektach przypada na system oświetlenia [8]. System nadrzędny umożliwia implementację programów Demand Response (DR)/Multi-Agent Systems (MAS) na podstawie wzorców użytkowania instalacji oświetleniowych w budynku (tabela 4).

Automatyzacja regulacji oświetlenia poprawia efektywność energetyczną budynku. Skutkuje to utrzymaniem komfortu użytkowania i funkcjonalności przy jednoczesnej redukcji zużycia energii na oświetlenie aż o 49%.

Jak widać, wyeliminowanie manualnego sterowania oświetleniem jest bardzo korzystne energetycznie. Centralny system automatyki zachowuje jednak możliwość ręcznej obsługi układu, jak również przeniesienia harmonogramów realizujących scenariusze oświetleniowe na sterowniki swobodnie programowalne. Znajomość cyklu użytkowania oraz przeznaczenia budynku ułatwia ponadto opracowanie i wdrożenie automatycznej regulacji oświetlenia. Zastosowanie licznika energii elektrycznej z komunikacją standardową, np. MODBUS, BACnet, które to systemy umożliwiają archiwizowanie oraz monitorowanie przez system nadrzędny budynku, ułatwia udokumentowanie poprawy oceny efektywności energetycznej.

Regulacja systemu HVAC

Największy wpływ na komfort użytkownika/mieszkańca lokalu czy budynku ma jakość powietrza wewnątrz pomieszczeń. Bazując na zadanych progach parametrów fizykochemicznych, takich jak temperatura powietrza, wilgotność względna, ilość CO₂ itp., sterujemy układem klimatyzacji i wentylacji. Prawidłowo wysterowany układ jest stabilny i utrzymuje lub dąży do uzyskania zadanych parametrów.

Przez pojęcie mikroklimatu wnętrz rozumie się zespół wszystkich parametrów fizycznych i chemicznych danego pomieszczenia wpływających na organizm człowieka. Do głównych parametrów mikroklimatu zaliczyć można:

• temperaturę powietrza,
• średnią temperaturę powierzchni przegród,
• prędkość ruchu powietrza,
• wilgotność powietrza.

Do czynników pozatermicznych, których wpływ na organizm człowieka jest mniejszy i słabiej poznany, należą:

• zanieczyszczenie powietrza,
• jonizacja powietrza,
• poziom hałasu,
• oświetlenie itp.

Mianem komfortu cieplnego określa się warunki dobrego samopoczucia, tj. taki stan otoczenia, w którym zachowana jest równowaga cieplna organizmu ludzkiego. Odczuwanie ciepła lub zimna przez człowieka, czyli stopień obciążenia układu termoregulacyjnego organizmu, zależy od wymienionych powyżej głównych parametrów mikroklimatu. System regulacji termicznej człowieka, którego zadaniem jest utrzymywanie stałej temperatury ciała ok. 37°C, oddziałuje na ilość ciepła oddawanego przez organizm poprzez promieniowanie, konwekcję, przewodzenie i odparowanie wilgoci. Ilość oddawanego ciepła związana jest ponadto z wydatkiem energetycznym organizmu, a więc zależy od rodzaju wykonywanych czynności. Straty ciepła organizmu zależą także od izolacyjności cieplnej odzieży. Organizm człowieka może samoczynnie przystosować się do zmian warunków otoczenia tylko w pewnych niewielkich granicach. Przekroczenie tych granic prowadzi do zachwiania równowagi cieplnej organizmu, co zagraża zdrowiu, a nawet życiu człowieka. Dlatego w pomieszczeniach przeznaczonych do mieszkania, pracy i wypoczynku należy stwarzać optymalne warunki, uzależnione od rodzaju ich użytkowania.

Strumień cieplny produkowany przez organizm w wyniku przemiany materii M zależy od rodzaju wykonywanego zajęcia i jest proporcjonalny do intensywności oddychania. Przykładowo dla człowieka odpoczywającego w bezruchu (w pozycji siedzącej) strumień ciepła produkowanego przez organizm jest w przybliżeniu stały i wynosi ok. 58 W na 1 m² powierzchni ciała w ciągu 1 godz. Przy ciężkiej pracy fizycznej strumień ciepła wzrasta do ok. 1000 W/(m² ∙ h), a przy maksymalnym chwilowym wysiłku może wynosić nawet kilka tysięcy W/(m² ∙ h).

Czynnikiem decydującym o odczuciu komfortu cieplnego jest temperatura powietrza i średnia temperatura powierzchni przegród otaczających człowieka (tabela 5). Trzeba pamiętać, że obiekt budowlany jako całość oraz jego poszczególne części wraz ze związanymi z nim urządzeniami budowlanymi należy, biorąc pod uwagę przewidywany okres użytkowania, projektować i budować w sposób określony w przepisach, w tym techniczno-budowlanych, oraz zgodnie z zasadami wiedzy technicznej.

Należy zatem zapewnić spełnienie podstawowych wymagań wobec obiektów budowlanych, dotyczących:

• nośności i stateczności konstrukcji,
• bezpieczeństwa pożarowego,
• higieny, zdrowia i środowiska,
• bezpieczeństwa użytkowania i dostępności obiektów,
• ochrony przed hałasem,
• oszczędności energii i izolacyjności cieplnej,
• zrównoważonego wykorzystania zasobów naturalnych.

Nieprawidłowe wyregulowanie układu automatyki, np. centrali klimatyzacyjno-wentylacyjnej, skutkujące ciągłymi stratami energii elektrycznej oraz brakiem komfortu, może być spowodowane:

• nieustaleniem histerezy,
• brakiem kalibracji czujników temperatury i wilgotności lub jej niepoprawnym skonfigurowaniem,
• błędnym ustaleniem wydajności centrali,
• ustawieniem sprężu,
• brakiem ustawienia przetworników ciśnienia – w zależności od przepustowości centrali klimatyzacyjno-wentylacyjnej.

Autonomiczny system techniczny, czyli niezintegrowany z pozostałymi systemami technicznymi budynku, może działać w sposób antagonistyczny względem pozostałych układów odpowiedzialnych za regulację parametrów fizykotechnicznych powietrza (klimatyzatory, kurtyny wodne, elektryczne aparaty grzewcze i inne). Dobrym przykładem takiego zachowania jest np. działanie kurtyn powietrznych. Zastosowanie czujnika temperatury wewnętrznej zamiast temperatury zewnętrznej powinno wpływać bezpośrednio na poziom wysterowania oraz wydajność kurtyny powietrznej.

W systemach HVAC bardzo istotną kwestią jest wybór sposobu nagrzewania wstępnego centrali klimatyzacyjno-wentylacyjnej. Wytwarzanie ciepła, po etapie wstępnym, przejmowane jest przez centralę klimatyzacyjno-wentylacyjną. Jak wynika z doświadczeń autorów, często niekorzystne energetycznie jest korzystanie z nagrzewnicy elektrycznej centrali klimatyzacyjno-wentylacyjnej, jeśli mamy do dyspozycji klimatyzatory. Ocena opłacalności podejmowana jest na podstawie danych wprowadzonych do BMS (obliczeniowo, na podstawie ceny 1 kWh energii elektrycznej, mocy nagrzewnicy, wydajności centrali i wydajności jednostek wewnętrznych – klimatyzatorów).

Właściwe wyregulowanie układu HVAC (optymalny algorytm sterowania, właściwe wyregulowanie układu, poprawnie skalibrowane czujniki, wykluczenie antagonizmów wynikających z działania innych systemów automatyki w budynku) pozwala obniżyć zużycia energii elektrycznej, np. dla małej stacji benzynowej o 9%, a dla dużej stacji o 13% w skali roku.

W oparciu o specyfikę budynku – obiektu użyteczności publicznej – możliwa jest implementacja mechanizmu obniżenia temperatury w godzinach nocnych. Utrzymanie temperatury na umiarkowanym poziomie (zarówno w porze letniej, jak i zimowej) wpływa na zmniejszenie zużycia mocy biernej, m.in. przez falowniki w układach automatyki, oraz obniża straty energii czynnej w sieci i transformatorach. Obniżanie powoduje również redukcję zużycia energii czynnej – czyli energii zamienianej na pracę – ponieważ produkcja chłodu i ciepła jest ograniczona (rys. 8–9).

Centralny system automatyki, oparty na standardowych protokołach komunikacji, umożliwia integrację urządzeń wielu producentów. Rozbudowa takiego systemu może się odbywać po wielu latach użytkowania. Jak wynika z doświadczeń autorów, najczęściej konieczna jest integracja nowo powstałych systemów technicznych. Przykładem takiego obiektu może być klub jachtowy (rys. 10), w którym zintegrowano system solarny. Integracji podlegają zmienne dotyczące temperatury przepływu, temperatury na powrocie, temperatury zbiornika i trybu pracy oraz sygnały sterujące pomp (rys. 11). Na podstawie zgromadzonych danych wygenerowano rys. 12–17.

Sprawność energetyczna budynku

Jak wspomniano wcześniej, przy obecnym kształcie Prawa budowlanego oraz ustawy o charakterystyce energetycznej budynku nie można oszacować wpływu integracji automatyki z systemami energetycznymi budynku. Nie wiadomo, w jaki sposób uwzględnić np. zintegrowanie BMS-em systemu c.o. (straty statyczne) z systemem produkującym ciepło lub chłód do podgrzewania powietrza wentylowanego (straty dynamiczne). Integracja pozwala uwzględnić automatyczną regulację współpracy pomiędzy systemem grzewczym/chłodniczym z ruchomymi osłonami okiennymi, wykorzystywanie potencjału energetycznego free coolingu. Zastosowanie systemu integrującego poszczególne elementy automatyki daje nowe możliwości, konieczne jest jednak, aby poszczególne rozwiązania techniczne umożliwiały wykorzystanie potencjału takiej integracji.

System zarządzania energią

Pierwotnie wiele budynków (obiektów) o tym samym przeznaczeniu (np. sklepy zlokalizowane w galeriach handlowych) pracowało w oparciu o schematy automatyki poszczególnych systemów energetycznych. Wprowadzono integrację systemów dla każdego z budynków sieci oraz umożliwiono kontrolę energetyczną i modyfikację ustawień realizowaną z wykorzystaniem „chmury” (rys. 18). Każdy z budynków może być analizowany i raportowany osobno. Zużycie mediów, monitorowane na bieżąco za pomocą liczników zużycia energii, c.o., c.w.u., chłodu, wody, gazu i energii elektrycznej (również podział na systemy techniczne budynku), poddawane jest automatycznej analizie porównawczej z uwzględnieniem:

• sprawności wytwarzania ciepła i chłodu,
• zużycia energii końcowej na 1 m2 powierzchni ogrzewanej oraz chłodzonej,
• prądów rozruchowych i ich wpływu na moc zamówioną,
• pracy systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych w zakresie sprawności rekuperacji i sprawności wytwarzania energii cieplnej oraz chłodniczej.

System pozwala sparametryzować węzły przepływu energii i poddać je szczegółowej analizie optymalizacyjnej. Istnieje możliwość grupowania budynków: podobnych lub o tym samym przeznaczeniu, o podobnym roku wzniesienia i podobnym systemie energetycznym grzewczo-chłodniczym, pod kątem zintegrowania zarządzania energią, o tej samej lokalizacji geograficznej.

Zobacz także: Projektowanie instalacji HVAC i wod-kan w obiektach gastronomicznych

System automatyki wraz z zastosowaniem liczników energii umożliwia porównanie dowolnych parametrów sprawności wytwarzania systemów ogrzewania oraz klimatyzacji i wentylacji, sprawności systemu c.o., c.w.u., chłodu czy rekuperacji.

Na rys. 16 zamieszczono wyniki pomiaru z wykorzystaniem rozwiązania ELPCLOUD. Jest to kompleksowy system zarządzania siecią budynków obejmujący:

• integrację wszystkich urządzeń i systemów w obiekcie,
• optymalizację kosztów pracy urządzeń,
• wsparcie serwisu i redukcję kosztów użytkowania budynku,
• jednolitą platformę przeznaczoną dla wielu budynków/sieci budynków,
• sprowadzenie sterowania i monitoringu w każdym budynku do jednego inteligentnego algorytmu sterowania.

W wyniku zastosowania ELPCLOUD oraz dostępnych w ramach systemu możliwości optymalizacji zużycia energii osiągnięto średnią oszczędność zużycia mediów na poziomie 20%. System zintegrował i umożliwił zarządzanie 77 budynkami o tym samym przeznaczeniu i bardzo podobnym sposobie użytkowania.

Implementacja systemu automatyki, jak wynika z doświadczeń oraz danych zebranych przez autorów, umożliwia poprawę efektywności energetycznej budynków. W tabeli 6 zamieszczono wyniki pomiarów zużycia energii w budynkach o tym samym przeznaczeniu oraz różnych lokalizacjach. Po wdrożeniu systemu umożliwiającego integrację systemów energetycznych osiągnięto ciekawe wyniki. Losowo wybrane obiekty opomiarowano, a następnie zintegrowano ich systemy energetyczne, wpięto w „chmurę” i poddano optymalizacji energetycznej oraz kosztowej. Koszty zmalały – wykazano roczny zysk na energii elektrycznej na poziomie 309 056,93 zł (cena energii elektrycznej w 2023 r.: 94 gr za 1 kWh). Przy średnim koszcie inwestycyjnym integracji dla jednego budynku wynoszącym ok. 30 tys. zł i oszczędności na energii elektrycznej 18,18%, zwrot inwestycji następuje po 2 latach i 8 miesiącach.

Zintegrowanie systemu umożliwia monitorowanie zużycia energii przez różne urządzenia lub ich grupy, np. porównanie zużytej energii z podziałem na urządzenia gastronomiczne, lodówki, wentylację, klimatyzację, oświetlenie wewnętrzne oraz zewnętrzne, a także pomiędzy obiektami (tabela 7, rys. 19–20). Zmierzono i zwizualizowano sumaryczne zużycie energii elektrycznej 12 576,6 kWh z bieżącego miesiąca, które odpowiada kwocie 7546 zł, zgodnie ze zdefiniowanym cennikiem dostawcy energii.

Rejestracja interwałowa (interwał godzinowy), oprogramowanie oraz możliwość wizualizacji będąca elementem licznika wieloobwodowego umożliwiają porównanie zużycia energii z podziałem na ostatnią dobę, poszczególne tygodnie oraz godziny w ostatnim miesiącu (rys. 21). Platforma pozwala również na porównanie bieżącego zużycia ze zużyciem w miesiącu poprzednim. Powstały na podstawie danych historycznych oraz szacunków schemat „Prognozy” umożliwia predykcję zużycia (rys. 22), co zmniejsza ryzyko przekroczenia założonego przez użytkownika budżetu, oraz wykrywanie awarii na wczesnym etapie, przyczyniając się do podniesienia stopnia ochrony obiektu i zapewnienia mu bezpieczeństwa pożarowego.

Podsumowanie

Budynek bez systemu integracji automatyki budynkowej narażony jest na nieefektywne wykorzystanie istniejących systemów energetycznych oraz konieczność wykonywania obowiązkowych przeglądów systemów energetycznych w oparciu o metody szacunkowe.

Zastosowanie zintegrowanych systemów zarządzania energią, tworzonych indywidualnie i dostosowanych do potrzeb oraz oczekiwań użytkowników, daje wiele korzyści, do których należą:

• efektywne wykorzystanie istniejących systemów energetycznych,
• dokładne określenie sprawności źródeł energii,
• możliwość oceny sprawności systemów energetycznych w dowolnej chwili,
• zwolnienie z obowiązku wykonywania przeglądów systemów energetycznych,
• możliwość automatycznego porównania zużycia energii na budynek i na 1 m² powierzchni użytkowej,
• przyspieszenie i optymalizacja czynności konserwatorskich i serwisowych.

Brak możliwości generowania zbioru danych i wskaźników energetycznych budynku na etapie użytkowania:

• pozwala zweryfikować świadectwo charakterystyki energetycznej,
• umożliwia wykrywanie anomalii w zakresie zużycia energii oraz utraty mediów,
• pozwala szybko wykryć i usunąć awarię, co wpływa na utrzymanie komfortu oraz efektywności energetycznej na zadanym stabilnym poziomie.

Dobrze przygotowany system integracji sterowania i opomiarowania jest narzędziem, które pozwala optymalizować procesy eksploatacyjne w budynkach.

Literatura

1. Proposals for a Directive of the European Parliament and of the Council on the energy performance of buildings, Brussels, 11.05.2001 COM(2001) 226 final

2. Efektywność energetyczna budynków, Ministerstwo Rozwoju i Technologii, https://www.gov.pl/web/rozwoj-technologia/efektywnosci-energetycznej-budynkow

3. Ustawa z dnia 7 października 2022 r. w sprawie zmiany ustawy o charakterystyce energetycznej budynków i ustawy – Prawo budowlane (DzU 2022, poz. 2206)

4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2015, poz. 376)

5. Wybieramy kocioł gazowy tradycyjny czy kondensacyjny, https://www.ogrzewamy.pl/poradnik/wybieramy-kociol-gazowy-tradycyjny-czy-kondensacyjny

6. Chinchero Hector F., Alonso Marcos J., A Review on Energy Management Methodologies for LED Lighting Systems in Smart Buildings, 2020 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2020 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC/I&CPS Europe), Madrid, Spain, 2020, p. 1–6, doi:10.1109/EEEIC/ICPSEurope49358.2020.9160796

7. Riyanto Indra, Margatama Lestari, Hakim H., Martini M., Hindarto Dicky Edwin, Motion Sensor Application on Building Lighting Installation for Energy Saving and Carbon Reduction Joint Crediting Mechanism, „Appl. Syst. Innov”, 2018, 1, 23, https://doi.org/10.3390/asi1030023

8. Kandasamy Nandha K., Karunagaran Giridharan, Spanos Costas, Tseng King Jet, Soong Boon-Hee, Smart lighting system using ANN-IMC for personalized lighting control and daylight harvesting, „Building and Environment” 139/2018, p. 170–180

9. Fedorczak-Cisak Małgorzata, Kowalska Alicja, Komfort użytkowania oraz klimat środowiska wewnętrznego budynków energooszczędnych, „Materiały Budowlane” 6/2014, s. 97–100

10. Shaikh Pervez Hameed, Nor Nursyarizal Mohd., Nallagownden Perumal, Elamvazuthi Irraivan, Intelligent Optimized Control System for Energy and Comfort Management in Efficient and Sustainable Buildings, „Procedia Technology” Vol. 11, 2013, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212017313003216

11. Hurtado Luis A., Nguyen Phuong, Kling W.L., Zeiler Wim, Building Energy Management Systems – Optimization of comfort and energy use, https://www.researchgate.net/publication/261457581_Building_Energy_Management_Systems_-_Optimization_of_comfort_and_energy_use

12. Khorram Mahsa, Faria Pedro, Vale Zita, Lighting Consumption Optimization in a SCADA Model of Office Building Considering User Comfort Level, 2019, doi:10.1007/978-3-030-23946-6_3

13. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane (DzU 2021, poz. 2351, z późn. zm.)

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

15. Indian Energy Policy and Programs, U.S. Department of Energy, https://www.energy.gov/indianenergy/articles/build-tight-ventilate-right