Integracja automatyki budynkowej a efektywność energetyczna

Przewiduje się, że minimalne wymagania prawne będą ulegały zmianie. Poprawa efektywności energetycznej stała się bowiem najważniejszym działaniem we wszystkich dziedzinach życia. Do oceny i porównania efektywności energetycznej służą np. etykiety energetyczne. Etykieta energetyczna – to etykieta zawierająca informacje o klasie energetycznej i podstawowych parametrach urządzenia, mających wpływ na zużycie energii, poziomie hałasu. Etykieta taka daje konsumentowi możliwość porównania różnych urządzeń wg tych samych zasad i miary. Dla budynków wyznacza się charakterystykę energetyczną, która stanowi zbiór danych i wskaźników energetycznych, określających całkowite zapotrzebowanie na energię użytkową, końcową oraz nieodnawialną pierwotną [10].

Integracja systemów zarządzania energią

Integracja rozumiana jest jako proces odczytu, zapisu, analizy oraz optymalizacji sygnałów autonomicznych systemów automatyki, np. instalacji technicznych budynku, w jeden centralny system. 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 dla zapewnienia komfortu użytkowania pomieszczeń przy optymalizacji zużycia energii. Poniższy artykuł jest próbą oceny skutków integracji systemów energetycznych przez BMS.

Ustawa o charakterystyce energetycznej budynków

W 2022 roku została znowelizowana ustawa o charakterystyce energetycznej budynku [9]. Zmiany objęły m.in. nowe, rozszerzone obszary obowiązkowego sporządzania świadectw charakterystyki energetycznej, zasady kontroli kotłów, instalacji grzewczych, klimatyzacji i wentylacji. Na nowo definiuje zasady kontroli systemów ogrzewania, klimatyzacji i wentylacji w budynkach oraz stosowanie systemów sterowania. Co za tym idzie, wykorzystanie systemów automatyki, ma na celu skuteczne sterowanie każdym z aspektów przetwarzania i transportowania energii w celu 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 na celu poprawę sprawności. Pozwala też na sygnalizowanie zagrożeń oraz wykazanie potencjalnych nieprawidłowości w działaniu instalacji.

Charakterystyka energetyczna wg zużycia energii

Świadectwo charakterystyki energetycznej sporządza się w oparciu o ustawy o charakterystyce energetycznej budynków oraz 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. 

Wyróżnione zostały dwie metody:

• metoda oparta na standardowym sposobie użytkowania budynku lub części budynku (metoda obliczeniowa),
• metoda oparta na faktycznie zużytej ilości energii (metoda zużyciowa) [13].

Metoda obliczeniowa jest aktualnie powszechnie stosowana. Jednak odpowiednie opomiarowanie ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji, oświetlenia, urządzeń pomocniczych daje nam możliwość określenia energii końcowej, pierwotnej i 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 EPDB narzuciło konieczność poddawania budynków okresowej kontroli systemów energetycznych. Zakres kontroli obejmuje system ogrzewania lub systemu klimatyzacji. Kontrola obejmuje ocenę stanu technicznego systemu grzewczego i chłodniczego oraz weryfikacji mocy źródła energii do potrzeb użytkowych.

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

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

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

• zawartości O₂ lub CO₂ w spalinach suchych,
• temperatury spalin za kotłem oraz temperatury powietrza doprowadzanego do spalania,
• 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 błędem, którego skutkiem jest wskazanie sprawności wytwarzania w sposób przybliżony, a czasami wręcz błędny. Zastosowanie odpowiedniego opomiarowania oraz rejestracji wyników pomierzonej energii źródła 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. Wykonujący czynności kontrolne musi oszacować obciążenie cieplne budynku i wpływ na sprawność. Gdy zastosujemy odpowiednie opomiarowanie źródła i rejestrację wartości mierzonych, możemy dokładnie określić moc źródła i wpływ przewymiarowania na sprawność średnioroczną.

Podstawowym parametrem w ocenie kotłów centralnego ogrzewania jest znajomość sprawności nominalnej i użytkowej wytwarzania ciepła. Sprawność nominalna jest wielkością podawaną przez producenta. Sprawność kotłów można określić metodą pośrednią, dysponując sumą strat cieplnych.

Straty cieplne źródła energii stanowią:

• stratę wylotowa,
• stratę niecałkowitego spalania,
• stratę niezupełnego spalania,
• stratę do otoczenia,
• stratę odmulania,
• stratę postojową.

W praktyce uwzględnia się najczęściej pierwsze cztery parametry. Przy określaniu wartości będących skutkami poszczególnych strat, prostszym rozwiązaniem jest jej oszacowanie dla danego kotła na podstawie danych o parametrach technicznych kotła i warunkach jego eksploatacji.

Wyniki kontroli 

Wyniki kontroli mają dać odpowiedź jaka jest efektywność energetyczna systemów występujących w budynku. Podstawowym parametrem określającym efektywność źródła energii jest sprawność wytwarzania, choć – zdaniem autorów – ocenie powinny podlegać również sprawności i moce urządzeń pomocniczych, bardziej rozbudowane i skuteczne systemy regulacji w źródle oraz w pomieszczeniu. Kontrola kotłów zgodnie z [3] powinna być realizowana ustawicznie, lecz nie rzadziej niż:

• co najmniej raz na 5 lat – dla kotłów o nominalnej mocy cieplnej od 20 kW do 100 kW,
• co najmniej raz na 2 lata – dla kotłów opalanych paliwem ciekłym lub stałym o nominalnej mocy cieplnej większej niż 100 kW,
• co najmniej raz na 4 lata – dla kotłów opalanych gazem o nominalnej mocy cieplnej większej niż 100 kW,
• 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 powinien podlegać również system klimatyzacji. Propozycja ustawy [9] narzuca wykonanie kontroli nie rzadziej niż raz na 5 lat w zakresie:

• dostępnych części systemu klimatyzacji o nominalnej mocy chłodniczej większej niż 12 kW,
• połączonego systemu klimatyzacji i wentylacji o sumarycznej nominalnej mocy chłodniczej większej niż 70 kW.

Kontrola systemu klimatyzacji obejmuje ocenę sprawności tego systemu i doboru jego wielkości do wymogów chłodzenia budynku oraz zdolności systemu klimatyzacji do optymalizacji działania w typowych warunkach jego użytkowania lub 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.

W tabeli 2. dokonano analizy sprawności systemu c.o., w ramach którego dokonano rozdzielenia sprawności regulacji i wykorzystania na sprawność regulacji źródła, sprawność regulacji miejscową, zlokalizowaną w miejscach wykorzystania oraz sprawności wykorzystania, która zależy od prawidłowego usytuowania grzejnika np. na ścianie zewnętrznej pod oknem (czy jest obudowany i w jakim stopniu zasłonięcie ma wpływ na sprawność wykorzystaniu). Sprawność regulacji miejscowej zależy np. od rodzaju i sprawności działania urządzeń regulacji od rodzaju zaworów termostatycznych, prawidłowego montażu położenia głowicy oraz regulacji. Regulacja miejscowa nie za wiele ma wspólnego z regulacją pracy kotła. Automatyka kotłowa steruje produkcją ciepła i może działać w oparciu o:

• temperaturę powrotu,
• temperaturę w referencyjnym pomieszczeniu (tzw. „regulację pokojową”),
• temperaturę w ref. pomieszczeniu tzw. wewnętrzną, zewnętrzną w oparciu o krzywą grzania.

Sprawność regulacji zależy też od możliwości regulacji mocy kotła (płynna lub stopniowa) oraz od występowania stref, będących oddzielnymi obiegami grzewczymi, które podzielą obiekt na strefy. Sterowanie staje się bardziej złożone i wykorzystywanie jedynie automatyki kotłowej może okazać się niewystarczające. Niestety nie ma jeszcze informacji w jaki sposób uwzględniać poprawę sprawności układu od stosowania w prawidłowy sposób integracji jaką daje BMS. Zastosowanie samego BMS-u nie rozwiązuje jednak problemów prawidłowego działania systemów energetycznych budynku. Niezbędne jest prawidłowe zastosowanie automatyki opartej o BMS i prawidłowe zaprogramowanie komputera nadrzędnego (master), integrującego i sterującego wszystkimi systemami energetycznymi. Wykonanie tego zadania jest bardzo trudne i wymaga znajomości i umiejętności wykorzystania np. pojemności cieplnej budynku, lokali, oszacowania i prawidłowej projekcji zysków ciepła, prawidłowej pracy urządzeń mających wpływ na klimat wewnętrzny (np. osłony przeciwsłoneczne), współpracy z urządzeniami produkującymi energię, sterowanie podażą i popytem na energię tak, aby wykorzystać zmienność cen energii. Zadanie staje się jeszcze bardziej interesujące i skomplikowane. Błędne zaprojektowanie pracy systemu może spowodować niepożądane skutki, a brak monitoringu efektów, czyli zużycia energii powoduje, że nikt nie wie czy system działa poprawnie, zgodnie z przyjętymi założeniami, a tym bardziej nikt nie wie czy działa on optymalnie, czy zużycie energii będzie najmniejsze lub optymalne ze względu na koszty i czy wreszcie koszty energii będą minimalne. Analizy zastosowanych systemów zintegrowanego zarządzania energią potwierdzają zmniejszenie zużycia energii do 20%, a nawet 25%. Najczęściej jednak, system energetyczny bez integracji BMS-em, poprawnie działający, zmniejsza zużycie jedynie o 5%, czasami o 10%. Jest więc o co walczyć. Korzyści stosowania BMS-u są znacznie większe.

Zgodnie z obowiązującym prawem [9], w budynkach mieszkalnych wyposażonych w systemy automatyki, opomiarowania zużycia energii oraz sterowania jest możliwe stałe monitorowanie elektroniczne dokonujące pomiarów sprawności systemu ogrzewania, połączonego systemu ogrzewania i wentylacji, systemu klimatyzacji. Połączone zaś systemy klimatyzacji i wentylacji, informują właścicieli i zarządców budynków o spadku sprawności tych systemów i potrzebie ich konserwacji, naprawy lub wymiany. W takim przypadku nie jest wymagana prawnie okresowa kontrola systemu ogrzewania oraz systemu klimatyzacji.

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

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

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

Obiekt wyposażony w systemy techniczne powinien wykonywać analizę porównawczą efektywności energetycznej budynku, wykrywanie utraty efektywności systemów: ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji, przygotowania ciepłej wody użytkowej, oświetlenia wbudowanego, automatyki i sterowania, wytwarzania energii elektrycznej w budynku, a także informowanie właściciela lub zarządcy budynku o możliwościach poprawy efektywności energetycznej.

Właściwe opomiarowanie, uwzględniające odpowiednie pomiary pozwala wygenerować świadectwa w oparciu o zużycie energii.

Integracja automatyki budynkowej

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

System automatyki, musi posiadać możliwość integracji wszystkich zastanych systemów sterujących (obsługujących standardowe protokoły komunikacji), bez ograniczania się do kilku jedynie 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 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 nowozdefiniowanej automatyki bez konieczności utylizacji istniejącego już systemu automatyki budynkowej, do którego obsługa jest już przyzwyczajona.

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

Oświetlenie

Z uwagi na zróżnicowanie obwodów oświetleniowych występujących w budynkach (m.in. wielorodzinnych, jednorodzinnych, użyteczności publicznej), zróżnicowaniu podlega również ich integracja. W budynkach wielopiętrowych, np. biurowcach jest oświetlenie zintegrowane, a zarządzanie odbywa się z podziałem na strefy budynku, piętra, części wspólne lub lokale użytkowe.

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

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

Integracja obwodów oświetleniowych może być zrealizowana przez połączenie szaf zasilająco-sterujących, zawierających sterowniki swobodnie programowalne, standardowym protokołem komunikacji (np. BACnet, MODBUS, LON, MBUS).

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

Jak widać, wyeliminowanie manualnego sterowania oświetleniem jest wysoce korzystne energetycznie. Centralny system automatyki zachowuje jednak możliwość ręcznej obsługi układu, jak również daje możliwość przeniesienia harmonogramów realizujących scenariusze oświetleniowe na sterowniki swobodnie programowalne. Dodatkowo, znajomość cyklu użytkowania oraz przeznaczenia budynku ułatwia opracowanie i wdrożenie automatycznej regulacji oświetlenia. Zastosowanie licznika energii elektrycznej np. ze standardową komunikacją MODBUS, BACnet, umożliwia archiwizowanie oraz monitorowanie przez system nadrzędny budynku, a tym samym  ułatwia dokumentowanie poprawy oceny efektywności energetycznej.  

HVAC - wpływ na komfort użytkownika/mieszkańca lokalu/budynku na jakość powietrza wewnątrz pomieszczeń 

Bazując na zadanych progach parametrów fizyko-chemicznych np. temperatury powietrza, wilgotności względnej, ilości CO2, itp. sterujemy układem klimatyzacji i wentylacji. Prawidłowo wysterowany układ jest stabilny i utrzymuje lub dąży do utrzymania zadanych parametrów.  Co to jest komfort cieplny? Jest to stan, w którym człowiek czuje, że jego organizm znajduje się w stanie zrównoważonego bilansu cieplnego, tzn. nie odczuwa uczucia gorąca, ani zimna.

Przez pojęcie mikroklimatu wnętrz rozumie się zespół wszystkich parametrów fizycznych i chemicznych danego pomieszczenia, wywierających wpływ na organizm człowieka. 

Do głównych parametrów mikroklimatu zaliczyć można: 

    • temperaturę powietrza, 

    • średnią temperaturę powierzchni przegród, 

    • prędkość ruchu powietrza, 

    • wilgotność powietrza. 

Zespół czynników pozatermicznych to: 

    • zanieczyszczenie powietrza, 

    • jonizacja powietrza, 

    • poziom hałasów, 

    • oświetlenie itp., 

których wpływ jest mniejszy i mniej poznany. 

Komfortem cieplnym określa się warunki dobrego samopoczucia, tj. taki stan otoczenia, w którym jest zachowana równowaga cieplna organizmu ludzkiego. Odczuwanie ciepła lub zimna przez człowieka, czyli stopień obciążenia układu termoregulacyjnego organizmu, zależy od wymienionych głównych parametrów mikroklimatu. System regulacji termicznej człowieka, którego zadaniem jest utrzymywanie stałej temperatury ciała, wynoszącej ok. 37°C, oddziałuje na ilość ciepła oddawanego przez organizm poprzez promieniowanie, konwekcję, przewodzenie i odparowanie wilgoci. Ponadto, ilość oddawanego ciepła związana jest z wydatkiem energetycznym organizmu, a więc zależy od rodzaju wykonywanych czynności. Równocześnie straty ciepła organizmu zależą od izolacyjności cieplnej odzieży. Organizm człowieka może samoczynnie przystosować się tylko w pewnych niewielkich granicach do zmian warunków otoczenia. Przekroczenie tych granic prowadzi do zachwiania równowagi cieplnej organizmu, co grozi zdrowiu, a nawet życiu człowieka. Dlatego w pomieszczeniach przeznaczonych do mieszkania, pracy i wypoczynku należy stwarzać optymalne warunki w zależności 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 M jest w przybliżeniu stały i wynosi ok. 58 W na 1 m² powierzchni ciała w ciągu 1 godziny. Przy ciężkiej pracy fizycznej strumień ciepła wzrasta do wielkości ok. 1000 W/( m2 h). Przy maksymalnym chwilowym wysiłku strumień ciepła może przekroczyć wielkość nawet kilku tysięcy W/( m2 h). Czynnikiem decydującym o odczuciu komfortu cieplnego jest temperatura powietrza i średnia temperatura powierzchni przegród otaczających. 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, zapewniając spełnienie podstawowych wymagań dotyczących obiektów budowlanych, dotyczących:

a) nośności i stateczności konstrukcji,

b) bezpieczeństwa pożarowego,

c) higieny, zdrowia i środowiska,

d) bezpieczeństwa użytkowania i dostępności obiektów,

e) ochrony przed hałasem,

f) oszczędności energii i izolacyjności cieplnej,

g) zrównoważonego wykorzystania zasobów naturalnych;

Brak wyregulowania układu automatyki, np. centrali klimatyzacyjno-wentylacyjnej: 

    • brak ustalenia histerezy, 

    • brak kalibracji czujników temperatury, 

    • wilgotności lub jej niepoprawne skonfigurowanie 

    • błędne ustalenie wydajności centrali, ustawienie sprężu, 

    • brak ustawienia przetworników ciśnienia – w zależności od przepustowości centrali klimatyzacyjno-wentylacyjnej 

skutkuje ciągłymi stratami energii elektrycznej oraz brakiem komfortu. 

System techniczny autonomiczny, który nie jest zintegrowany z pozostałymi systemami technicznymi budynku może działać w sposób antagonistyczny względem pozostałych systemów odpowiedzialnych za regulację parametrów fizyko-technicznych powietrza (klimatyzatory, kurtyny  wodne, elektryczne), aparaty grzewcze  i inne. 

Dobrym przykładem takiego zachowania jest, np. działanie kurtyn powietrznych. Zastosowanie czujnika temperatury wewnętrznej zamiast czujnika temperatury zewnętrznej, który powinien wpływać bezpośrednio na poziom wysterowania oraz wydajność kurtyny powietrznej. 

W systemach HVAC bardzo istotną kwestią jest wybór sposobu nagrzewania wstępnego centrali klimatyzacyjno-wentylacyjnej. Natomiast wytwarzanie ciepła, po etapie wstępnym przejmowane jest przez centralę klimatyzacyjno-wentylacyjną. Jak wynika z doświadczeń autora, 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 za 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 na obniżenie zużycia energii elektrycznej, np. 

- dla małej stacji benzynowej o 9% w skali roku. 

- dla małej stacji benzynowej o 13% w skali roku. 

W oparciu o specyfikę budynku – obiekt użyteczności publicznej – możliwa jest implementacja mechanizmu obniżenia temperatury w porze nocnej. 

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. Obniżane powoduje również redukcję zużycia energii czynnej – czyli energii zamienianej na pracę, ponieważ produkcja chłodu i ciepła jest ograniczona.

Centralny system automatyki, oparty na standardowych protokołach komunikacji, umożliwia integrację urządzeń wielu producentów. Rozbudowa takiego systemu może odbywać się po wielu latach użytkowania.  Jak wynika z doświadczeń autorów, najczęściej  konieczna jest integracja nowopowstałych systemów technicznych. Przykładem takiego obiektu jest klub jachtowy (Schemat nr 3), w którym zintegrowano system solarny. Integracji podlegają zmienne dotyczące temperatur przepływu, temperatury na powrocie, temperatury zbiornika, trybu pracy oraz sygnały sterujące pomp.

Sprawność energetyczna 

W obecnym kształcie Prawa budowlanego oraz ustawy o charakterystyce energetycznej budynku nie ma możliwości oszacowania wpływu integracji  automatyk i systemów energetycznych budynku. Nie wiadomo w jaki sposób uwzględnić np. zintegrowanie BMS-em systemu grzewczego 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, wykorzystywania potencjału energetycznego freecoolingu. Wykorzystanie systemu integrującego poszczególne automatyki daje nowe możliwości, ale zastosowania rozwiązań technicznych, umożliwiały wykorzystanie potencjału integracji.  

System zarządzania energią

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

    • 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-klimatyacyjnych w zakresie sprawności rekuperacji, sprawności wytwarzania energii cieplnej oraz chłodniczej.

System pozwala sparametryzować węzły przepływu energii i poddanie szczegółowej analizie optymalizacyjnej. Istnieje możliwość grupowania obiektów – budynków:  

    a) podobnych lub takich samych o tym samym przeznaczeniu,

    b) budynków o podobnym roku wznoszenia, systemie energetycznym grzewczo – chłodniczym,

    c) budynków pod kątem zintegrowania zarządzania energią,

    d) tą samą lokalizacją geograficzną. 

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

Na wykresie 9.  zamieszczono wyniki pomiaru z wykorzystaniem rozwiązań: ELPCLOUD. Jest to kompleksowy system zarządzania siecią budynków obejmujący:

- integrację wszystkich urządzeń i systemów na obiekcie, 

- optymalizację kosztów pracy urządzeń , 

- wsparcie serwisu i redukcja kosztów użytkowania budynku, 

- jednolitą, dedykowaną platformę 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 średnie oszczędność zużycia mediów na poziomie  20%. System ELPCLOUD 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 3. Zamieszczono wyniki pomiarów zużycia energii o tym samym przeznaczeniu oraz o różnych lokalizacjach. Po wdrożeniu systemu umożliwiającego integrację systemów energetycznych uzyskano ciekawe wyniki. Losowo wybrane obiekty opomiarowano,  a następnie zintegrowano systemy energetyczne, wpięto w chmurę i poddano optymalizacji energetycznej oraz kosztowej. Wyniki były zaskakujące. Koszty zmalały, roczny zysk na energii elektrycznej był na poziomie  309 056,93 zł (cena prądu 2023 PGE: 94 gr za 1 kWh.). 

Przy średnim koszcie inwestycyjnym integracji około 30 tys. złotych w jednym budynku i oszczędnościach na energii elektrycznej - 18,18%, zwrot inwestycji następuje po 2 latach i 8 miesiącach. 

Integrowanie systemu umożliwia monitorowanie zużycia energii przez różne urządzenia lub grupy urządzeń i np. porównanie zużytej energii z podziałem na urządzenia gastronomiczne, lodówki, wentylację, klimatyzację, oświetlenie wewnętrzne oraz zewnętrzne i porównywanie otrzymanych pomiarów między obiektami. 

Pomierzono i zwizualizowano sumaryczne zużycie energii elektrycznej 12576.6 kWh z bieżącego miesiąca, które odpowiada kwocie 7546,0 PLN, zgodnie z cennikiem dostawcy energii. 

Rejestracja interwałowa (interwał godzinowy), oprogramowanie oraz możliwość wizualizacji, będące elementem licznika wieloobwodowego, umożliwia porównanie zużyć energii z podziałem: ostatnia doba, tygodnie oraz godzinowe zużycie przez ostatnie . Platforma umożliwia również porównanie bieżącego zużycia ze zużyciem w miesiącu poprzednim. Na podstawie danych historycznych oraz szacunków, schemat Prognozy umożliwia predykcję zużycia, które zmniejsza ryzyko przekroczenia założonego budżetu przez użytkownika wykrywania we wczesnym etapie awarii, wraz z ochroną oraz zapewnieniem bezpieczeństwa pożarowego,. 

Podsumowanie

Budynek bez systemu integracji automatyki budynkowej narażony jest na:

    • nieefektywne wykorzystanie istniejących systemów energetycznych,

    • konieczność wykonywania w oparciu o metody szacunkowe obowiązkowych przeglądów system energetycznych.

Stosowanie zintegrowanych systemów zarządzania energią tworzonych indywidualnie do potrzeb i oczekiwań użytkowników daje szereg korzyści:

    • efektywne wykorzystanie istniejących systemów energetycznych,

    • dokładne metody określania sprawności źródeł energii

    • ocena sprawności systemów energetycznych w dowolnej chwili,

    • zwolnienie z obowiązku wykonywania przeglądów system energetycznych, 

    • prowadzi automatyczne porównanie zużycia energii na budynek i na 1 m² powierzchni użytkowej, 

    • przyspiesza i optymalizuje czynności konserwatorskie i serwisowe. 

    • pozwala zweryfikować świadectwo charakterystyki energetycznej 

    • umożliwia wykrywanie anomalii w zakresie zużycia energii oraz utraty mediów, 

    • pozwala na szybkie wykrywanie oraz usuwanie awarii, 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. Pervez Hameed Shaikh, Nursyarizal Mohd. Nor, 
2. Perumal Nallagownden, Irraivan Elamvazuthi, Intelligent Optimized Control System for Energy and Comfort Management in Efficient and Sustainable Buildings
3. L. A. Hurtado; P. H. Nguyen; W. L. Kling; W. ZeilerBuilding Energy Management Systems — Optimization of comfort and energy use
4. H. F. Chinchero and J. M. Alonso, “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, pp. 1-6, doi: 10.1109/EEEIC/ICPSEurope49358.2020.9160796
5. Riyanto, I.; Margatama, L.; Hakim, H.; Martini; Hindarto, D.E. 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
6. [Kandasamy, N., Karunagaran, G., Spanos, C., Tseng, K., Soong, B.: Smart lighting system using ANN-IMC for personalized lighting control and daylight harvesting. Building and Environment 139, 170-180 (2018).
7. Khorram, Mahsa & Faria, Pedro & Vale, Zita. (2019). Lighting Consumption Optimization in a SCADA Model of Office Building Considering User Comfort Level. 10.1007/978-3-030-23946-6_3.
8. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane 
9. (DzU 2021 poz. 2351, z późn. zm.)
10. Rozporządzenie ministra infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2022 r. poz. 1225)
11. Ustawa z dnia 7 października 2022 r. w sprawie zmiany ustawy o charakterystyce energetycznej budynków i ustawy – Prawo budowlane (DzU z 2022 poz. 2206)
12. Ministerstwo rozwoju i technologii, „Efektywność energetyczna budynków”, https://www.gov.pl/web/rozwoj-technologia/efektywnosci-energetycznej-budynkow,
13. Indian Energy Policy and Programs, U.S. Department of Energy, https://www.energy.gov/indianenergy/articles/build-tight-ventilate-right
14. Ogrzewnictwo.pl artykuł „Wybieramy kocioł gazowy tradycyjny czy kondensacyjny”. https://www.ogrzewamy.pl/poradnik/wybieramy-kociol-gazowy-tradycyjny-czy-kondensacyjny
15. 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.
16. https://sip.lex.pl/akty-prawne/dzu-dziennik-ustaw/metodologia-wyznaczania-charakterystyki-energetycznej-budynku-lub-18176491
17. Małgorzata Fedorczak-Cisak, Alicja Kowalska, Komfort użytkowania oraz klimat środowiska wewnętrznego budynków energooszczędnych. Materiały Budowlane 6/2014, strona 97-100
18. Proposals for a Directive of the European Parliament and of the Council on the energy performance of buildings. Brussels, 11.5.2001 COM(2001) 226 final

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!