Inżynierowie elektrycy i automatycy zaangażowani w realizację instalacji i sieci transmisji danych w budynkach powinni rozważyć zalety integracji systemów elektrycznych dzięki komunikacji sieciowej – ułatwiające monitorowanie zużycia energii oraz zarządzanie popytem, a także wpływ tego rozwiązania na niezawodność systemu.
W stale zmieniającym się świecie technologii wydaje się czasem, że wprowadzenie na rynek innowacyjnego rozwiązania wymaga tworzenia nowych terminów bądź łączenia już istniejących w modne zwroty i określenia. Wszystko po to, aby nadać im nowoczesne i nowatorskie brzmienie. A może po prostu po to, aby zdezorientować odbiorcę? W istocie trudno wyobrazić sobie branżę, w której używa się więcej chwytliwych zwrotów i akronimów niż konstrukcyjno-budowlana. Jeśli chodzi o integrację sieciową systemów elektrycznych oraz zarządzanie energią, to w tej dziedzinie również nie brakuje modnego żargonu: „cyfrowe sieci energetyczne” monitorujące „rozproszone zasoby energii” powiązane w „wirtualne elektrownie” czy też „szczegółowe badania energetyczne (DES)” na potrzeby „działania na rzecz oszczędności energii (ECM)” i powiązania ich z „systemem zarządzania budynkiem (BMS)” – można by wymieniać dalej… Ale co to wszystko oznacza w odniesieniu do integracji sieciowej różnych systemów oraz idei ogólnego zarządzania energią, szczególnie w budynkach?
W ostatnich latach dostawcy energii elektrycznej wydali miliardy dolarów na technologie inteligentnych sieci elektroenergetycznych. Na taką sieć składa się dwukierunkowa komunikacja cyfrowa między odbiorcami energii (obiektami) a centrum obsługi sieci dostawcy. Wykorzystanie koncepcji tej inteligentnej technologii i adaptowanie jej na potrzeby budynku (aż do urządzenia końcowego) otwiera możliwości lepszego zarządzania całkowitą mocą – od indywidualnego obiektu aż po mechanizm obejmujący ich wiele. Systemy zarządzania budynkiem (BMS) funkcjonują w wielu gmachach użyteczności publicznej i komercyjnych od lat, umożliwiając monitorowanie i kontrolowanie m.in. urządzeń HVAC. Systemy BMS pozwalają też na zintegrowanie systemów przeciwpożarowych, bezpieczeństwa i sterowania oświetleniem. Jednakże wdrażane w ostatnim czasie programy zarządzania energią, np. reagowanie na zmieniające się zapotrzebowanie, motywują do całkowitego zintegrowania elementów infrastruktury budynków pomijanych w tradycyjnych systemach BMS. Dodatkowe elementy – takie jak urządzenia prądotwórcze, system zasilania bezprzerwowego, urządzenia przełączające zasilanie i inne obciążenia mierzone – mogą teraz stanowić część tego samego inteligentnego systemu. Jeden z najnowszych chwytliwych terminów opisujących tendencję do takich wdrożeń w obiektach to „zintegrowane systemy elektryczne”. Koncepcja takiego systemu obejmuje nie tylko instalację elektryczną dostarczającą energię, lecz również elementy, które z tej energii korzystają.
Bolączki zarządzającego obiektem
Energia jest głównym składnikiem kosztów eksploatacyjnych w przypadku większości instytucji. Według EnergyStar.gov może stanowić 30% opłat eksploatacyjnych typowego biurowego budynku komercyjnego (rys. 1). Zarządzanie zużyciem energii bywa jednak trudnym zadaniem. Osoba zarządzająca obiektem jest często poddawana presji na obniżenie kosztów, gdy ceny energii rosną. Ponadto pogarsza się niezawodność dostawy tej energii. Oczekiwanie, że zarządzający obiektem będą „robić więcej przy mniejszych środkach”, to wyzwanie nawet dla doświadczonych osób o wysokich kwalifikacjach. Faktem jest też starzenie się pracowników odpowiedzialnych za nadzorowanie tych złożonych systemów energetycznych. Według Międzynarodowego Stowarzyszenia Zarządców Nieruchomości (IFMA, International Facility Management Association) w 2011 r. średnia wieku osoby zarządzającej budynkiem wynosiła 49 lat. Według ośrodka Sloan Center on Aging and Work należy się zaś spodziewać, że ponad 50% kadry kierowniczej obiektów budowlanych przejdzie na emeryturę w ciągu najbliższych 10 lat. Dobrą wiadomością jest to, że z raportu IFMA z 2011 r. wynika, iż więcej młodych ludzi zaczyna zarządzać obiektami. 9% z nich to osoby do 34. roku życia, to 2% więcej niż cztery lata wcześniej. Jednak jeśli takie tempo się utrzyma, wymiana „jeden za jednego” nie będzie możliwa. To wyzwanie zarówno dla konstruktorów, jak i odbiorcy końcowego. Ze względu na to, że normy szybko się zmieniają, a koszty energii wciąż rosną, inżynier jest zobowiązany zapewnić skuteczne rozwiązanie projektowe na potrzeby zarządzania obiektem. Jednocześnie zarządzający budynkiem jest odpowiedzialny za obsługę systemów zgodnie z ich przeznaczeniem przy zmniejszonej całkowitej sile roboczej. Wdrożenie połączonego i monitorowanego systemu zasilania w energię elektryczną, w ramach którego można śledzić i kontrolować zużycie z centralnej lokalizacji, jest konieczne w każdym obiekcie, w którym zasilanie stanowi element krytyczny. Obiekty opieki zdrowotnej, handlowe, produkcji przemysłowej, rządowe, centrów danych, szkolnictwa wyższego itp. – to idealni kandydaci do zastosowania tej technologii. Szczególnie nadają się do tego wielkie kampusy, gdzie trzeba monitorować dużą liczbę budynków. Dobrym rozwiązaniem w takich aplikacjach mogłaby się okazać migracja do scentralizowanego systemu zarządzania.
Pomiary i weryfikacja
Należy wziąć pod uwagę kilka aspektów zintegrowanych systemów elektrycznych. Pierwszym z nich jest przeniesienie popularnego stwierdzenia z zakresu zarządzania na grunt energetyki: „Nie można zarządzać czymś, czego nie można zmierzyć”. Zrozumienie, jakie czynniki i elementy zwiększają zużycie energii, jest pierwszym krokiem do zarządzania nią. Zinterpretowanie danych i zdecydowane, co z nimi zrobić, to kolejna czynność konieczna do skutecznego wdrożenia zmian w systemie po to, aby uzyskać oczekiwany efekt końcowy.
Branżowy termin „pomiary i weryfikacja” (M&V) jest procesem ilościowego określenia oszczędności wyznaczonych działaniami na rzecz zmniejszenia zużycia energii. Chociaż koncepcja M&V jest ciągle na etapie rozwoju, różne normy i protokoły określają najlepsze praktyki. Jedną z najpopularniejszych jest program oceny LEED Amerykańskiego Stowarzyszenia Budownictwa Ekologicznego. Program LEED odwołuje się w szczególności do Międzynarodowego Protokołu Pomiarów Eksploatacyjnych i Weryfikacji (IMPVP), tom III: „Koncepcje i opcje określania oszczędności energii w nowych budowlach”. Innym stosowanym w Stanach Zjednoczonych odniesieniem jest Wytyczna ASHRAE 14: „Pomiar energii i ograniczanie zapotrzebowania”.
W Protokole IPMVP tom III określono, że został on opracowany w celu „zapewnienia zwięzłego opisu najlepszych praktyk na potrzeby weryfikacji wydajności energetycznej nowych projektów budowlanych. Ma to na celu zapewnienie jasnych wytycznych dla profesjonalistów, których zadaniem jest weryfikacja pomiarów energii i ograniczenie zapotrzebowania na poziomie elementu/urządzenia lub całego budynku w nowym obiekcie budowlanym”.
Wytyczną ASHRAE 14 opracowano w celu „zapewnienia wytycznych na potrzeby wiarygodnych pomiarów energii i ograniczenia zapotrzebowania urządzeń komercyjnych”.
Wykorzystanie dostępnych wytycznych jest właściwym punktem wyjścia dla inżyniera projektującego rozwiązanie, które dostarczy zarządzającemu obiektem odpowiednich narzędzi do zarządzania energią w budynku. Wytyczne te sugerują różne punkty wyjściowe na podstawie wymaganego poziomu M&V, w tym wykonywanie szczegółowych badań energetycznych (DES) i planowanie określonych działań na rzecz oszczędności energii (ECM), które mają zostać uwzględnione w projekcie. Przed przystąpieniem do realizacji ważne jest jednak, aby na etapie wyboru odpowiedniej metody monitorowania ocenić potrzeby i możliwości odbiorców końcowych.
Rozwiązania w zakresie monitorowania
Niektóre rozwiązania w ramach monitorowania mogą polegać po prostu na dozorowaniu obsługi głównego zasilania i kilku linii zasilających rozdziału wysokiego szczebla. Ten dość prosty system umożliwia zarządzającemu obiektem monitorowanie ogólnej jakości zasilania i korygowanie jej na poziomie systemu. Funkcjonuje on już od pewnego czasu, metodę tę trudno jednak uznać za rozwiązanie zintegrowane. W pełni zintegrowany system elektryczny obejmuje znacznie szerszy zakres elementów, w tym zarówno te, które wytwarzają energię, jak i te, które ją zużywają (rys. 2). Śledzenie umożliwia nie tylko monitorowanie systemu, ale również realizację strategii kontroli na potrzeby zarządzania zużyciem energii i ilościowej oceny wyników. Na przykład osoba zarządzająca budynkiem biurowym może chcieć dozorować obciążenie gniazd i poszczególnych obwodów zasilania na konkretnych stanowiskach roboczych, aby określić zużycie i przedstawić je w formie wykresu. Śledzenie tych danych może wykazać, że nadmierna ilość energii jest zużywana, gdy w budynku zwykle nikogo nie ma, być może ze względu na to, że użytkownicy nieumyślnie pozostawiają komputery i inne urządzenia włączone na całą noc. Dzięki temu zarządzający obiektem dysponuje odpowiednimi danymi do realizowania polityki poprawy efektywności energetycznej określonego budynku; może też zainstalować automatyczne urządzenia przełączające w celu zminimalizowania zużycia.
Jak wcześniej wspomniano, systemy zarządzania budynkiem (BMS) mogą monitorować i kontrolować elementy HVAC oraz inne instalacje w ramach systemów elektrycznych. Wiele systemów i powiązanych z nimi elementów sterujących komunikuje się za pomocą wspólnego protokołu, takiego jak Modbus, BACnet lub LonWorks. Jednakże wprowadzenie do systemu dodatkowych składników wiąże się zwykle z wykorzystaniem urządzeń różnych producentów i różnych modeli, niejednorodnych pod względem parametrów i wykorzystywanych protokołów komunikacyjnych. To jedno z największych wyzwań w zakresie integrowania systemów, ale jeśli ta tendencja się utrzyma, będzie powstawać coraz więcej firm, takich jak Blue Pillar w stanie Indiana czy Power Assure w Kalifornii (USA), dążących do zapewnienia prawdziwie zintegrowanego systemu elektrycznego. Twierdzi się, że zintegrowane rozwiązania opracowane przez takie firmy mają być łatwiejsze do wdrożenia niż kiedykolwiek zarówno w nowym budownictwie, jak i modernizowanych obiektach. Z uwagi na potencjalne oszczędności energii i przewidywany zwrot z inwestycji (ROI) stwierdzenie to zasługuje na zgłębienie.
W pełni zintegrowane systemy elektryczne skupiają wszystkie aspekty zużycia i wytwarzania energii (rys. 3). Monitorowana infrastruktura może obejmować każdy element – od agregatów chłodniczych, urządzeń wentylacyjnych, układów paliwowych, pomp, rozdzielnic, oświetlenia i obciążenia wtyków aż po generatory z napędem silnikowym, zasilacze UPS, ogrzewacze akumulacyjne, urządzenia kogeneracyjne i inne. Celem jest umożliwienie monitorowania i kontrolowania z jednej lokalizacji wszystkich urządzeń zużywających energię, a także monitorowania i kontrolowania kompletu urządzeń generujących oraz magazynujących energię, aby prawidłowo wspierać użytkowników i zarządcę w jak najskuteczniejszym jej wykorzystaniu. Sieć systemu zbiera informacje i zapewnia zarządzającemu obiektem odpowiednie dane do podejmowania świadomych i szybkich decyzji. Niektóre konkretne przykłady potencjalnych korzyści dla obiektu wynikających z całkowitego zintegrowania systemu przedstawiono szczegółowo w kolejnych podpunktach.
Zapewnienie optymalnego działania. Gdy infrastruktura energetyczna obiektu jest prawidłowo zaprojektowana i oddana do eksploatacji, odpowiednie zakresy robocze są ustalane na podstawie czynników niekontrolowanych, takich jak pogoda, obciążenie od użytkowników pomieszczeń itp. Z upływem czasu optymalne nastawy zwykle – z wielu powodów – ulegają zmianom. Diagnostyka systemu zintegrowanego może być tak ustawiona, aby ostrzegać zarządzającego obiektem, gdy urządzenie nie pracuje przy optymalnej nastawie lub zużywa więcej energii niż przewidywano. Umożliwia to wdrożenie działań naprawczych. Przykładem mogą być nieszczelne zawory, wadliwe elementy sterujące przepustnic podgrzewaczy wody oraz ręczne zmiany nastawy urządzeń.
Poprawa niezawodności i jakości zasilania. Brudna energia to chwytliwy zwrot określający różne anomalie elektryczne występujące w obiekcie. Takie zjawiska, jak udary, spadki i skoki napięcia oraz zwarcia mogą siać spustoszenie wśród wrażliwych urządzeń elektrycznych i elektronicznych, jeśli brak odpowiedniego zarządzania. Brudna energia może mieć swój początek zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz obiektu. Na przykład uderzenie pioruna, przełączanie dostawcy energii czy zakłócenia w systemie jej rozdziału mogą mieć wpływ na jakość zasilania, zanim energia dotrze do obiektu. Dobowe wahania wewnątrz budynku, takie jak harmoniczne, wytwarzane przez obciążenia nieliniowe oraz urządzenia działające w trybie pracy cyklicznej, które są często włączane i wyłączane, wpływają na jakość zasilania od wewnątrz obiektów. Monitorowanie doprowadzanego zasilania oraz indywidualnych odbiorców końcowych, takich jak komputery i silniki, pomaga w identyfikowaniu źródeł „śmieci” w zasilaniu. Dzięki temu operator może podjąć działania naprawcze, aby polepszyć jakość zasilania, przez co unika się krytycznych uszkodzeń wrażliwych urządzeń i osiąga poprawę ogólnej niezawodności.
Zapobieganie przedwczesnej awarii urządzeń. Monitorowanie dużych silników i urządzeń HVAC umożliwia opracowanie programu konserwacji prognostycznej dzięki określeniu, kiedy wydajność urządzenia zaczyna spadać poniżej ustawionych poziomów lub czy występują inne niespodziewane anomalie. Na przykład jeśli pompa ze stałym obciążeniem zaczyna z upływem czasu mieć tendencję do zwiększenia zużycia energii elektrycznej, system zintegrowany identyfikuje tę tendencję. Może on ostrzegać zarządzającego obiektem, aby umożliwić zbadanie potencjalnych przyczyn, takich jak zwiększone tarcie łożyska lub ograniczenia w rurociągu. Ten system wczesnego wykrywania jest systemem konserwacji prognostycznej, który można wykorzystać do planowania konserwacji zapobiegawczej. Konserwacja zapobiegawcza prowadzi do ogólnego ograniczenia przestojów, zanim nastąpi uszkodzenie głównych urządzeń.
Ograniczenie ogólnych kosztów energii. Monitorowanie zużycia energii ogółem w celu określenia dokładnych wartości historycznych wskaże sposoby włączenia sieci do programu redukcji kosztów. Dane te pomagają zarządzającemu obiektem określić optymalny czas działania miejscowych urządzeń prądotwórczych lub innych urządzeń do magazynowania energii w celu zmniejszenia obciążeń szczytowego zapotrzebowania. Zwiększa to także niezawodność, zapewniając możliwość obsługi miejscowych urządzeń ze znanymi parametrami obciążeń w celu przetrzymania zarówno tymczasowych, jak i długotrwałych przerw w dostawie energii. Należy zauważyć, że wykorzystywanie miejscowych generatorów wysokoprężnych do zastosowań innych niż awaryjne pociąga za sobą dodatkowe wymogi przepisów, które projektant musi uwzględnić.
Większa efektywność między systemami zintegrowanymi. Zintegrowanie systemu HVAC i systemu sterowania oświetleniem zapewnia lepszą wydajność ich obu dzięki wspólnemu planowaniu i kontroli użytkowników pomieszczeń. Przepisy i normy, takie jak Międzynarodowy Kodeks Poszanowania Energii oraz Norma 90.1 ASHRAE: „Standard dotyczący energii dla budynków z wyjątkiem małych budynków mieszkalnych”, nakazują stosowanie urządzeń wykrywających obecność użytkowników pomieszczeń w celu ograniczenia oświetlenia i automatycznego sterowania odbiornikami w pustych pomieszczeniach. Urządzenia te mogą być integrowane z systemem HVAC w celu zredukowania dodatkowego poboru energii dzięki zmianie dostaw powietrza do pustych pomieszczeń poprzez modyfikację nastaw temperatury lub ograniczenie wymiany powietrza.
Ograniczenie czasu pracy personelu. Jak już wspomniano, obawy budzi starzenie się pracowników w sferze zarządzania obiektami, co oddziałuje również na nowo zatrudnionych. Dzięki w pełni zintegrowanemu systemowi elektrycznemu czynności, które kiedyś wymagały pełnej obsady w wielu lokalizacjach, mogą być wykonywane z jednego miejsca przez naciśnięcie przycisku – dotyczy to np. inicjowania programu reagowania na zapotrzebowanie. Ponadto dane gromadzone w systemie zintegrowanym mogą być wykorzystywane do automatycznego generowania raportów wymaganych do informowania o zgodności z przepisami, na potrzeby weryfikacji np. przez komisje akredytacyjne czy kontrolne. Pozwala to również zmniejszyć liczbę pracowników, potrzebnych wcześniej do fizycznego monitorowania i rejestrowania testów.
Refleksje końcowe
Chociaż idea w pełni zintegrowanych systemów elektrycznych wciąż jest dość nowa i rozwija się skokowo – wraz z postępem nowych technologii – ogólna koncepcja i obserwowane już dziś efekty działania udowadniają jej wysoką wartość dla właścicieli budynków i ich zarządców oraz samych użytkowników. Gromadzenie i analizowanie danych za pośrednictwem sieci systemowej pozwala rejestrować trendy, a następnie programować je pod kątem automatycznej modyfikacji zachowania obciążeń na podstawie tej analizy. Korzyści obejmują zapobieganie przedwczesnej awarii urządzeń, poprawę niezawodności i jakości zasilania, optymalne działanie sprzętu, obniżenie całkowitych kosztów energii, poprawę efektywności między zintegrowanymi systemami oraz ograniczenie czasu pracy personelu.
Ogólny zintegrowany system elektryczny zapewnia całodobowe monitorowanie jego elementów oraz natychmiastowe powiadamianie o zmianach i wydarzeniach. Umożliwia to zarządzającemu obiektem podejmowanie świadomych decyzji i przedstawianie możliwych do zweryfikowania wyników. Potencjalne oszczędności energii dzięki wykorzystaniu takich systemów sprawiają, że zastosowanie ich jest warte wnikliwego rozważenia.
Autor: Danna Jensen jest młodszym partnerem w CCRD w Dallas. Zajmuje się projektowaniem systemów rozdziału dla szpitali, a także systemów elektrycznych do obiektów biurowych i handlowych.