Zarządzanie energią w budynkach – obowiązek czy konieczność?

Cyfryzacja świata spowodowała nowe możliwości, a także nowe oczekiwania w zakresie efektywności energetycznej. W konsekwencji prawie każde urządzenie jest wyposażone w bardziej lub mniej zaawansowany moduł sterowania. Symbolem nowoczesności stały się rozwiązania zawierające elementy „inteligentnego” funkcjonowania. Powszechnie dostępne są „inteligentne” odkurzacze, lodówki, aparaty fotograficzne, samochody, a nawet budynki. Budynek inteligentny [23–27]to miejsce, w którym wszystkie mechanizmy i systemy ze sobą współpracują i wyręczają człowieka w wielu zadaniach, niejako przewidując jego oczekiwania i potrzeby.

Inteligentny budynek (ang. Smart Building) działa najczęściej na podstawie systemu zarządzania budynkiem BMS (ang. Building Management System).

Inteligentny budynek (ang. Smart Building) działa najczęściej na podstawie systemu zarządzania budynkiem BMS (ang. Building Management System). System inteligentnego domu to, najprościej ujmując, sieć czujników rozmieszczonych w całym domu, które podpięte są do centralnego systemu zarządzania. System ten samo­dzielnie podejmuje różnego rodzaju decyzje, np. o uchyleniu okien, opuszczeniu rolet, zacienieniu, uruchomieniu refleksoli, nawadnia­niu trawnika przed domem, uruchomieniu urządzeń chłodniczych, korekcie natężenia światła czy włączeniu zabezpieczeń przeciwpo­żarowych. System reaguje na określone sygnały, stanowiące zbiory informacji, na podstawie których realizowane są zaprogramowane reakcje systemu.

O tym, jak bardzo zaawansowany jest to system, decydują:
»liczba czynników (parametrów) branych pod uwagę,
»możliwości przygotowania prawidłowej reakcji,
»stopniowanie intensywności, monitoring efektów oraz ewentualna korekta.

Inteligentny system umożliwia rozpoznawanie podobnych sytuacji i podejmowanie adekwatnego działania w oparciu o dane historycz­ne gromadzone w ramach systemu.

Digitalizacja naszej rzeczywistości w coraz większym stopniu dotyczy stale rosnącej grupy wyrobów, w tym przeznaczonych do bu­downictwa, oraz całych obiektów budowlanych. Wyroby budowlane związane z produkcją lub zużyciem energii, takie jak: pompy ciepła, kotły, klimatyzatory, zasobniki ciepła, okna czy centrale wentyla­cyjne powinny posiadać etykiety energetyczne i w większości mają producencką automatykę sterującą.

Pojawia się zatem pytanie: po co stosować scentralizowane systemy integrujące BMS, skoro mamy automatykę produktową? Czy jest taka potrzeba?

Systemy zarządzania energią i ich wpływ na budynek aktualnie nie są uwzględnione w polskich aktach wykonawczych, co utrudnia szacowanie korzyści, jakie mogą być osiągnięte przez integrowanie i inteligentne zarządzanie procesami energetycznymi. Z drugiej strony na podstawie doświadczeń autorów, wykorzysta­nie nowoczesnych systemów zarządzania energią pozwala zmniej­szyć zużycie energii o 5–25%. Zintegrowanie i centralne zarządzanie produkcją, dystrybucją oraz magazynowaniem i wykorzystaniem energii pozwala opty­malizować, tak aby zmniejszyć zużycie energii końcowej przy mi­nimalnych kosztach eksploatacyjnych. Należy też zapewnić jak najmniejsze oddziaływanie budynków na środowisko naturalne. Miarą może być wartość EP – nieodnawialnej energii pierwotnej oraz emisja CO2.
Pojawia się zatem pytanie, czy w dobie unijnego priorytetu do­tyczącego poprawy efektywności energii wprowadzenie zarządzania energią stanie się obowiązkiem prawnym, czy koniecznością wyni­kającą ze stale rosnących potrzeb i możliwości?

IDEA BUDYNKU INTELIGENTNEGO

Ideę inteligentnego budynku zapoczątkowano już w latach 70. XX wieku [1]. Skupiano się wtedy na automatyzacji procesów produk­cyjnych i optymalizacji wydajności ekonomicznej firm. W latach 80. ideę zaadaptowano na potrzeby budownictwa użyteczności publicz­nej oraz poprawy bezpieczeństwa energetycznego w budynkach mieszkalnych [2].Szybki rozwój technologii i dynamicznie zmieniające się oczeki­wania użytkowników spowodowały, że znaczenie pojęcia „inteligent­ny budynek” w dużej mierze ewoluowało. Obecnie przez inteligentny rozumie się budynek wyposażony w urządzenia techniczne, ale przede wszystkim taki, w którym zachodzi możliwość efektywne­go współkorzystania z tych urządzeń. Jest to zatem cały budynek.

ZARZĄDZANIE ENERGIĄ W BUDYNKACH – CZY TO TYLKO OBOWIĄZEK PRAWNY?

(lub mieszkanie), w którym zintegrowany system sterowania funk­cjami technicznymi, tzw. BMS lub HEMS, zarządza wszystkimi sterowalnymi czynnościami, takimi jak oświetlenie, ogrzewanie, wentylacja, klimatyzacja, kontrola dostępu, monitorowanie stanu instalacji elektrycznej, ostrzeganie w przypadku pojawienia się dymu, gaszenie pożarów czy też kontrola z użyciem systemów wizyjnych (kamery, fotokomórki itp.) oraz steruje sprzętami domowymi AGD i RTV [3].

BUDYNEK INTELIGENTNY: EMS, HEMS, BMS

W ogólnym ujęciu budynek inteligentny to taki, który wykazuje się elastycznością w korzystaniu z dostępnych źródeł energii oraz współ­pracy z inteligentnymi sieciami typu: inteligentne osiedla czy inte­ligentne miasta [18]. Aby to osiągnąć, oczekiwane efekty w postaci racjonalizacji energii oraz wykorzystania AZE (alternatywne źródła energii) przez własną konsumpcję, konieczna jest integracja poszcze­gólnych branż oraz centralne zarządzanie. Zarówno w dyrektywie europejskiej [4], jak i polskiej strategii DSRB [10] pojawiają się pojęcia, które pozwalają skategoryzo­wać systemy zarządzania budynkiem (BMS, HMS, HEMS, EMS) oraz ocenić stopień inteligencji budynku (SRI – Smart Readiness Index) [7].Zarządzanie energią – smart home System zarządzania energią smart home to system automatyki domowej, dzięki któremu zadania wykonują się automatycznie lub zdalnie. Pozwala on zdalnie wyłączyć lub włączyć dowolne urządzenie podłączone do sieci w domu. Można też włączyć ogrze­wanie, kiedy użytkownik wraca do domu. System ten pełni również funkcję zarządzania rozdziałem i zużyciem energii elektrycznej w całym domu.

System HEMS

System HEMS/SHEMS/HMS (ang. Home Energy Management System) to system będący odpowiednikiem systemu BMS w ujęciu domowym/mieszkalnym z większym naciskiem na ergonomię i funk­cjonalność użytkowania. Wysoka ergonomia użytkowania obejmuje: gotowe scenariusze ogrzewania, wentylacji, ciepłej wody, chłodzenia, a nawet oświetlenia, wyposażone w tryby: wakacje, poza domem czy dostosowane do zwyczajów domowników. Systemy HEMS mają zintegrowany wieloobwodowy licznik energii elektrycznej, który pozwala na szybką ocenę i optymalizację oraz regulację poszczegól­nych układów lokali mieszkalnych. HEMS jest to inteligentny system nadzoru i przepływu energii w domu. Jego celem jest osiągnięcie najwyższego poziomu efektyw­ności energetycznej poprzez optymalizację zużycia energii. HEMS pozwala właścicielom domów sterować działaniem poszczególnych urządzeń energetycznych i wyrobów budowlanych, aby podwyższyć komfort użytkowania oraz zaoszczędzić na kosztach eksploatacji. System HEMS może sprawić, że gospodarstwa domowe można będzie uznać za budynki o wysokim komforcie oraz niskim poziomie karbonizacji. W przypadku bardziej zaawansowanych rozwiązań (HEMS i BMS) system może wykorzystywać sztuczną inteligencję, ucząc się zachowań użytkowników, zajętości i reakcji na warunki pogodowe, aby efektywnie zarządzać zużyciem energii w domu. HEMS opiera się na magazynowaniu energii i zarządza jej wykorzy­staniem, dostosowując do potrzeb użytkowników. Pozwala połączyć w jedną sieć wszystkie urządzenia, które produkują, wykorzystują i magazynują energię.

Sterowanie EMS System zarządzania energią EMS (ang. Energy management sys-tem) jest przeznaczony do zakładów przemysłowych. Służy on do kontroli parametrów pracy elektrowni pracujących samodzielnie lub przy zakładzie przemysłowym. Dodatkowo system zapewnia algorytmy optymalizujące zużycie energii elektrycznej, np. kompen­sacji mocy biernej lub funkcja ZeroExport. System można skonfigurować do sterowania hybrydowym ukła­dem zasilania o wielu źródłach, np. do współpracy z fotowoltaiką, magazynem energii, agregatem, biogazownią, elektrownią wiatrową, pompą ciepła lub stacją ładowania pojazdów. System ma funkcje sterowania magazynami energii w każdej technologii, z wodorową włącznie. Inteligentne sterowanie rozpływem energii w zakładzie

RYS. 1. Schemat ­działania­ systemu­ HEMS ;­rys.: El-Piast

przemysłowym zapewnia optymalne wykorzystanie wszystkich za­sobów energetycznych.EMS gromadzi dane na temat zużycia energii elektrycznej w poszczególnych obwodach związanych z procesami produkcji oraz z systemami technicznymi budynku (klimatyzacja, wentylacja, ciepłownictwo, chłodnictwo, c.w.u., c.o.) oraz czuwa nad wykry­waniem anomalii, awarii oraz przekroczeń (np. strażnik mocy). Wykorzystując funkcjonalności systemu BMS (harmonogramy, opóźnienia w inicjalizacji, kalendarze), jest w stanie zareago­wać na anomalie lub zbliżające się przekroczenie mocy, awarie oraz wprowadzić opóźnienia w uruchamianiu mechanizmów, np. sterowanie przesłonami słonecznymi, roletami z podziałem na strefy wraz z celowo oszacowanym opóźnieniem w celu unik­nięcia przekroczenia mocy, przesunięcia we włączaniu oświetlenia w budynku, opóźnienia strefowe w uruchamianiu klimatyzatorów (chłodzenie, grzanie) itp.

System BMS

Systemy BMS charakteryzują się wysokim stopniem zaawanso­wania algorytmicznego, niezawodnością, stabilnością działania, możliwością wprowadzania nowych danych, zmiany ustawień, generowania raportów zestawień oraz wykresów. Szeroki zakres możliwości magazynowania danych historycznych (ilość danych, zakres czasowy, próbkowanie) pozwala na wprowadzanie zmian w zarządzaniu budynkiem na podstawie zagregowanych danych całego budynku. BMS jest aktualnie stosowanym systemem zarządzania dużymi obiektami o skomplikowanej strukturze i przeznaczeniu, np. bu­dynki zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej, biurowe, przemysłowe lub o specjalnym zastosowaniu, dla których oprócz zarządzania energią realizowane jest zarządzanie budynkiem, mikro­klimatem. Bywa, że BMS zarządza procesami produkcyjnymi. Może być używany w dowolnych obiektach, zwłaszcza tych, w których występują szczególnie wymagające warunki użytkowe, takie jak laboratoria czy wylęgarnie. Z uwagi na dużą skalę rozwiązania (monitorowanie i zarządzanie dużą ilością zmiennych nawet w systemach o bardzo restrykcyjnych reżimach produkcyjnych) może doprowadzić do ogromnych strat. Przedstawiony na RYS. 3 schemat BMS w ideowy sposób prezentuje, że jest systemem nadrzędnym nad systemem EMS, który jest jednym z jego elementów.

Swoboda i otwartość programistyczna pozwala w dowolny spo­sób kreować np. system kontroli dostępu, dotrzymanie zadanych parametrów powietrza: temperatury, wilgotności, poziomu natężenia światła, prognozowanie pogody i odpowiednie planowanie produkcji ciepła i chłodu, z wyprzedzeniem uwzględniając pojemność cieplną budynku. Współpraca ze stacją meteorologiczną oraz prognozami pogody opartymi o modele matematyczne pozwala na tworzenie systemu proaktywnego, a nie reaktywnego sposobu działania. Zestawienie redukcji zużycia nieodnawialnej energii elektrycznej w odniesieniu do poszczególnych kombinacji elementów systemów budynku o różnym stopniu zintegrowania. Wartości oszacowano na podstawie budynku dużej stacji paliw. Ilość zaoszczędzonej energii elektrycznej jest zależna od ilości zintegrowa­nych systemów automatyki w systemie centralnym oraz optymalnego sposobu ich zarządzania. Możliwe do uzyskania korzyści ze stosowania BMS (HEMS):
»poprawa efektywności energetycznej domu,
»oszczędności kosztów energii,
»efektywne wykorzystanie energii z fotowoltaiki oraz innych źródeł OZE,
»zmniejszenie śladu węglowego gospodarstwa domowego,
»kontrola działania urządzeń domowych,
»obniżenie kosztów obsługi serwisowej poprzez predykcję usterek,
»system powiadamiania (SMS, e-mail),
»system priorytetyzacji alarmów, alertów,
»system wizualizacji danych wspomagających zrozumienie sku­mulowanych danych oraz tendencji użytkowników systemu,
»system harmonogramów (załączanie się obwodów oświetle­niowych w zależności od pory dnia, dnia tygodnia, pory roku, lokalizacji),
»centralna synchronizacja czasu urządzeń,
»zwiększenie bezpieczeństwa użytkowania systemu (czujniki cza­du, zalania etc.),
»dostęp do narzędzi wizualizacji wewnątrz systemu BMS z możli­wością eksportu wykresów, tabel, zestawień, statystyk.

STEROWANIE LOKALNE, CENTRALNE
Najstarszą metodą zarządzania produkcją energii była metoda ręcz­nej regulacji centralnej. Wraz z rozwojem technologii i systemów informatycznych zaczęto stosować coraz nowsze systemy regulacji centralnej oraz miejscowej (zawory termostatyczne), strefowanie in­stalacji c.o., tryby pracy, osłabienia weekendowe jako element insta­lacji c.o. oraz np. czujniki ruchu jako element systemów oświetlenia. Regulacja centralna realizowana może być przy udziale automa­tyki poszczególnych urządzeń energetycznych, np. automatyki kotła: sterowanie w oparciu o:
»zadaną temperaturę powrotu,
»temperaturę wewnętrzną w referencyjnym pomieszczeniu strefy,
»krzywą grzania,
»z wykorzystaniem złożonych systemów informatycznych.

RYS. 4. System­zarządzania­energią­elektryczną­w­budynku­użyteczności­publicznej;­rys.: El-Piast

RYS. 5. Systemy ­budynkowe­ w­ ujęciu­ sterowania ­zużyciem ­energii­ elektrycznej.­
Każdy ­z­ systemów ­jest ­sterowany ­przez ­autonomiczny ­system ­automatyki. ­Nadrzędnie ­korzystanie ­ze­standaryzowanych ­protokołów ­komunikacji­ pozwala ­na­ integrację­ sterowania ­wszystkimi­ układami budynku ­oraz ­implementację ­zależności­ pomiędzy­ nimi.

Pełny wpis: link