Do sterowania ogrzewaniem, klimatyzacją i wentylacją wykorzystuje się obecnie zaawansowaną automatykę budynkową, która zapewnia odpowiednią regulację temperatury i wilgotności oraz skuteczną wymianę powietrza. Co istotne, dzięki sterowaniu urządzeniami HVAC można w znacznym stopniu zoptymalizować koszty zużycia ciepła i energii.

System HVAC (ang. Heating, Ventilation, Air Conditioning), na który składa się system ogrzewania, wentylacji oraz klimatyzacji, odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu odpowiednich parametrów środowiskowych osobom przebywającym w budynku. W niektórych rodzajach budynków, jak np. muzea, obiekty wystawowe itp., zapewnienie takich parametrów jest również konieczne ze względu na ochronę prezentowanych przedmiotów czy dzieł. Jednocześnie system HAVC generuje największe koszty związane z utrzymaniem obiektu. Chcąc zminimalizować te koszty, a przy tym zapewnić jak najlepsze warunki klimatyczne w pomieszczeniach obiektu, należy zadbać o dobór odpowiednich ustawień wszystkich urządzeń wchodzących w skład systemu HVAC.

Optymalnym rozwiązaniem w tym zakresie jest zarządzanie systemami HVAC z poziomu zintegrowanego i rozproszonego systemu BMS, dzięki czemu możliwa jest pełna integracja poszczególnych systemów (ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji) również z innymi podsystemami infrastruktury budynkowej. W ten sposób możliwości wszystkich systemów mogą zostać w pełni wykorzystane.

Odpowiednia regulacja to podstawa

Źródło: Distech Controls

Poprawne działanie systemu HVAC jest możliwe dzięki odpowiedniej regulacji, bazującej na bieżącym dokonywaniu pomiarów określonej wartości wielkości fizycznej (tzw. wielkości regulowanej), a następnie porównywaniu jej z inną wielkością (tzw. zadaną). W konsekwencji wywierany jest taki wpływ na obiekt regulacji, że niezależnie od oddziaływania wielkości zakłócających, różnica między tymi wielkościami utrzymywana jest w założonym zakresie uchybu regulacji. W systemach HVAC wielkością regulowaną jest np. temperatura oraz wilgotność powietrza w pomieszczeniu. Natomiast wielkościami zakłócającymi mogą być m.in.: czynniki pogodowe (np. temperatura na zewnątrz, promieniowanie słoneczne, wiatr) oraz zmiany obciążeń cieplno-wilgotnościowych pomieszczeń, będące następstwem obecności ludzi, otwierania drzwi, okien itd.

Na straży poprawnego funkcjonowania całego obwodu regulacyjnego stoją urządzenia automatycznej regulacji, składające się z części: pomiarowej (czujniki: temperatury, wilgotności, jakości powietrza itp.), elektronicznej (sterowniki cyfrowe) oraz wykonawczej (np. zawory regulacyjne).

Aby wszystkie elementy wchodzące w skład systemu HVAC działały w jak najbardziej efektywny sposób, ich funkcjonowanie musi być ze sobą skoordynowane, tworząc jeden wspólny system sterowania i wzajemnego oddziaływania. Dlatego też sterowniki, czujniki i elementy wykonawcze muszą mieć możliwość wymiany informacji, danych między sobą, dzięki porozumiewaniu się za pomocą wspólnego języka. Tu w sukurs przychodzą otwarte systemy sieciowe i rozwiązania techniczne, z własnymi, standardowymi protokołami komunikacji, jak np. LonWorks, BACnet oraz inne systemy stosowane na rynku automatyki budynkowej. W pełni programowalne sterowniki, w oparciu o wcześniej ustalone ustawienia, na bieżąco koordynują pracę urządzeń HVAC, umożliwiając zbudowanie systemu szytego na miarę, optymalnie dostosowanego do preferencji użytkowników. Przy ich pomocy można sterować układami HVAC, pompami ciepła, centralami klimatyzacyjnymi, wentylatorami wewnętrznymi itd. Zadaniem systemu sterowania jest też odnotowywanie i informowanie użytkownika o awariach i nieprawidłowościach pracy systemów HVAC.

Regulatory i sterowniki

Spośród wszystkich urządzeń regulacyjnych bardzo ważną rolę w systemach HVAC odgrywają regulatory bezpośredniego działania, które używane są do regulacji: temperatury (termostaty przygrzejnikowe, regulatory temperatury ciepłej wody, ograniczniki temperatury powrotu), ciśnienia (regulatory i reduktory ciśnienia), różnicy ciśnień (regulatory różnicy ciśnień), przepływu (regulatory i ograniczniki przepływu), poziomu (regulatory poziomu wody). Wykonywane są one także jako wielofunkcyjne regulatory bezpośredniego działania, służąc np. do jednoczesnej regulacji różnicy ciśnień i przepływu wody sieciowej w węźle.

Do najbardziej nowoczesnych urządzeń regulacyjnych, znajdujących zastosowanie w systemach HVAC, z pewnością można zaliczyć sterowniki cyfrowe, zwane również regulatorami DDC (Direct Digital Control). Działają one w zakresie sygnałów cyfrowych, natomiast sygnały analogowe z czujników pomiarowych są przekazywane do regulatora przez przetwornik analogowo-cyfrowy (A/D). Warto dodać, że użytkownicy szczególnie cenią sobie układy DDC ze względu na możliwość: realizacji dowolnie złożonych algorytmów sterowania (włącznie ze sterowaniem optymalnym i adaptacyjnym), ciągłego pomiaru i rejestracji wartości dowolnych parametrów procesu, przetwarzania danych pomiarowych, wykrywania i sygnalizacji stanów awaryjnych, większej dokładności sterowania, wynikającej z precyzyjnej identyfikacji obiektu regulacji. Można powiedzieć, że system DDC pełni takie same funkcje jak konwencjonalne regulatory, jednak – co istotne – często zastępuje znaczną liczbę układów regulacji konwencjonalnej.

Ciekawym rozwiązaniem są także regulatory pomieszczeniowe, które łączą w sobie cechy tradycyjnych termostatów i sterowników programowalnych.

Optymalizacja kosztów

Źródło: ankieta czasopisma Inteligentny Budynek

Zważywszy na rosnące ceny energii, dążenie do zwiększenia wydajności energetycznej systemów HVAC jest jak najbardziej uzasadnione. Ich wysoka sprawność energetyczna przekłada się bowiem na redukcję kosztów eksploatacyjnych. Z ankiety redakcyjnej przeprowadzonej wśród czytelników magazynu Inteligentny Budynek wynika, że większość sondowanych osób jest świadomych tej zależności. Jak pokazuje rys. 1, optymalizacja kosztów zużycia energii została uznana za największą korzyść wynikającą ze sterowania urządzeniami HVAC. Twierdzi tak 89% respondentów.

Źródło: ankieta czasopisma Inteligentny Budynek

Faktem jest, że system HVAC zużywa bardzo dużo energii, emitując przy tym sporą ilość gazów cieplarnianych. Poprawa sprawności energetycznej budynków, realizowana m.in. przez sterowanie pracą systemów grzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, jest jak najbardziej możliwa do osiągnięcia. Poza tym warto podkreślić, że do oszczędzania energii obligują przepisy prawa. Po roku 2020 wszystkie budynki w Unii Europejskiej będą musiały spełniać ścisłe normy w zakresie oszczędności energii oraz emisji gazów cieplarnianych. Co ciekawe, z badania przeprowadzonego przez firmę McKinsey & Company wynika, że do roku 2030 jest szansa obniżenia emisji aż o 29% – przede wszystkim dzięki zwiększeniu sprawności energetycznej budynków.

Źródło: ankieta czasopisma Inteligentny Budynek

Warto dodać, że na pytanie: „Ile energii potrzebnej do utrzymania komfortowych parametrów powietrza w budynku można zaoszczędzić dzięki optymalnemu sterowaniu urządzeniami HVAC?”, co trzecia sondowana osoba odpowiedziała, że 30%. Podobna liczba ankietowanych wskazała na 20%. Natomiast zdaniem 16% respondentów optymalne sterowanie umożliwia zaoszczędzenie więcej niż 30% energii, a 14% badanych uważa, że dzięki temu rozwiązaniu można spodziewać się oszczędności na poziomie 10%. W opinii pozostałych 6% osób w ten sposób można zaoszczędzić mniej niż 10%, a jedynie 2% jest przekonanych, że sterowanie systemami HVAC nie ma żadnego wpływu na zminimalizowanie ilości energii (rys. 2).

Natomiast jeśli chodzi o koszty, które należy ponieść, inwestując w rozwiązania umożliwiające sterowanie pracą urządzeń HVAC, to w opinii 73% ankietowanych są one dosyć wysokie, ale jednak adekwatne do możliwości, jakie oferują. Niespełna 20% osób twierdzi, że są stanowczo za wysokie. Pozostały odsetek osób jest zdania, że koszty te są przeciętne lub niskie (rys. 3).

Komfortowe parametry powietrza

Źródło: Samsung

Zgodnie ze wskazaniami 80% respondentów, największą korzyścią wynikającą ze sterowania urządzeniami HVAC jest wysoki komfort przebywania osób w pomieszczeniach. Należy podkreślić, że na komfort ten składają się przede wszystkim takie czynniki, jak: właściwa temperatura oraz wilgotność powietrza, a także jego prawidłowa wymiana.

Niezwykle ważnym zagadnieniem jest zapewnienie odpowiedniej jakości powietrza. Dzięki sterowaniu przepływem powietrza możliwe jest utrzymanie jego jakości na jak najwyższym poziomie. W ten sposób można wydmuchiwać je na zewnątrz, ogrzewać, chłodzić, osuszać lub nawilżać. Co więcej, można oczyścić powietrze, dodawać do niego inne składniki, mieszać, doprowadzać do wybranych miejsc, zwiększać prędkość przepływu itp. Sterowanie powietrzem w pomieszczeniach jest istotne nie tylko z powodów zdrowotnych (m.in. zapobiega rozwojowi bakterii, wirusów, pleśni itd.), ale także wpływa korzystnie na utrzymanie w dobrej kondycji samego budynku (uniknięcie tzw. syndromu chorego budynku).

Nie bez znaczenia pozostaje też fakt, że środowisko wewnątrz budynku w znacznym stopniu wpływa na większą wydajność pracowników, koncentrację studentów i uczniów, przyspiesza proces rekonwalescencji pacjentów itd.

Dla dobrego samopoczucia użytkowników duże znaczenie ma ilość dwutlenku węgla w pomieszczeniu.

Na skutek zbyt wysokiej zawartości CO2 dochodzi do obniżenia koncentracji, bólu głowy czy zmniejszenia wydolności fizycznej. Taka sytuacja najczęściej dotyczy miejsc, w których przebywa wiele osób. Dzięki czujnikom CO2, zintegrowanym w ramach systemu BMS, można temu skutecznie zapobiec – po osiągnięciu ustawionych wartości granicznych czujnik zintegrowany na poziomie obiektowym załącza mechanizm otwarcia okna lub system wentylacji. Zapewnia to optymalną jakość powietrza w pomieszczeniu.

Warto dodać, że monitorowanie i utrzymywanie wysokiej jakości powietrza w pomieszczeniach jest obecnie kluczowym zagadnieniem, znajdującym swoje odzwierciedlenie w całościowej ocenie budynku. W przypadku budynków komercyjnych zapewnienie wysokiego komfortu, także tego związanego z powietrzem, jest bardzo istotnym aspektem, wpływającym na zwiększenie ich konkurencyjności na rynku nieruchomości.

Reakcja na otoczenie

Źródło: Siemens

Wśród głównych korzyści, będących następstwem sterowania urządzeniami HVAC, znalazła się również reakcja systemu na otoczenie (ok. 70% wskazań). Optymalizacja pracy urządzeń grzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych możliwa jest dzięki zainstalowaniu na obiekcie szeregu czujników. Przy czym brane są pod uwagę takie czynniki, jak np. pora dnia oraz roku, kąt padania promieni słonecznych na budynek czy siła wiatru. Sterowanie urządzeniami HVAC będzie jeszcze bardziej efektywne, jeśli zostanie powiązane z innymi funkcjami, np. sterowaniem roletami zewnętrznymi. Zamykanie ich w nocy pozwala utrzymać odpowiednią temperaturę wewnątrz budynku, dzięki czemu można w znacznym stopniu zwiększyć efektywność energetyczną.

Reakcja na użytkowników

Zapewnienie optymalnych warunków klimatycznych wewnątrz budynku to nadrzędne zadanie systemu HVAC. Powinien on jednak reagować zarówno na obecność, jak i nieobecność ludzi. W pomieszczeniach, które nie są używane, nie ma konieczności zachowania wszystkich parametrów jakości powietrza i wysokiego komfortu termicznego czy wilgotności. Jeśli przez ustalony czas nie będzie nikogo w pomieszczeniu, wówczas czujnik obecności zintegrowany w ramach BMS wymusi zredukowanie temperatury do takiego poziomu, by oszczędzać energię, a jednocześnie utrzymać minimalne wymagane parametry jakościowe i termiczne. Pojawienie się osób w pomieszczeniu spowoduje natychmiastowe wejście układu sterowania w stan aktywny i stopniowe podniesienie temperatury do poziomu komfortowego. Podczas nieobecności użytkowników również klimatyzacja i wentylacja nie muszą pracować z wysoką intensywnością i wydajnością. Żeby nie marnować energii, agregaty i wentylatory są ustawiane na minimalną moc. Takie rozwiązanie nie ma jednak wpływu na komfort osób, które będą przebywały w tych pomieszczeniach, gdyż tuż przed ich przybyciem pomieszczenia te mogą być intensywnie wietrzone.

Inaczej jest jednak w przypadku takich obiektów, jak np. archiwa czy muzea, gdzie niezależnie od obecności osób, w wybranych pomieszczeniach muszą być zapewnione odpowiednie warunki klimatyczne. W przeciwnym razie wrażliwe, unikatowe czy bardzo drogie przedmioty łatwo mogłyby ulec zniszczeniu.

Istotne cechy systemu sterowania instalacjami HVAC

Zdaniem Krzysztofa Jasińskiego, prezesa zarządu w firmie Distech Controls Poland, najistotniejszymi cechami zintegrowanego systemu sterowania instalacjami ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji, decydującymi o jakości rozwiązania, są przede wszystkim:

• funkcje oszczędzania energii, zapewniające efekt ekonomiczny niezależnie od zaangażowania, woli i świadomości użytkownika;

• wysoka jakość regulacji i łatwość obsługi;

• łatwość zaprojektowania, montażu, rozruchu serwisu;

• wymiana informacji zamiast powielania jej źródeł (eliminacja autonomicznych układów automatyki, które nie komunikują się z resztą instalacji, a czasem nawet między sobą. Pozwala to uniknąć konieczności integracji, zbędnego okablowania i szeregu problemów ze współdziałaniem);

• spójność systemu pod względem funkcjonalnym (wykluczenie możliwości przeciwstawnego działania niezależnych instalacji, efektywne sterowanie wszystkimi elementami);

• możliwość zdalnej diagnostyki;

• stosowanie przez producenta standardów sygnałów i komunikacji, zapewniających możliwość rozbudowy i zastępowalność urządzeń w długim okresie eksploatacji.

Zarządzanie na odległość

Źródło: ankieta czasopisma Inteligentny Budynek

Jak zaznacza Ireneusz Jeleń, menedżer ds. marketingu i szkoleń w firmie Hewalex, zdalne sterowanie pracą systemów HVAC gwarantuje użytkownikom wysoki poziom komfortu oraz bezpieczeństwa. Popularność takiej opcji wzrasta w ostatnich latach dzięki rozwojowi mobilnych urządzeń z dostępem do Internetu. Zmiana trybu pracy systemu HVAC nie wymaga już obecności w budynku, co może być przydatne, gdy zapomni się np. o ograniczeniu pracy systemu grzewczego lub włączeniu trybu ochrony dla instalacji solarnej, podczas wyjazdu urlopowego. Jak podkreśla ekspert, zazwyczaj tego rodzaju systemy zdalnego nadzoru pozwalają na archiwizowanie danych i dzięki temu na ocenę pracy instalacji grzewczej, wentylacyjnej, wody użytkowej itd. Umożliwia to korektę nastaw sterownika dla optymalizacji jego pracy.

Z ankiety redakcyjnej wynika, że zdalne sterowanie instalacjami klimatyzacji, wentylacji i ogrzewania jest przez 59% osób badanych postrzegane jako konieczność (rys. 4). Przede wszystkim ze względu na optymalizację parametrów środowiskowych i współdziałania wszystkich urządzeń, a także łatwiejsze zarządzanie przez jedną osobę wielu systemów w różnych lokalizacjach. Ogólnie można powiedzieć, że im większy obiekt, tym istotniejszy jest dostęp mobilny do informacji. Jeśli jeden operator ma obsłużyć kilka budynków, system sterowania z dostępem zdalnym jest wręcz niezbędny.

Z kolei zdaniem 39% ankietowanych zdalne sterowanie instalacjami HVAC jest przydatne, ale nie jest konieczne. Pozostały odsetek respondentów uważa, że takie rozwiązanie jest całkowicie zbędne.

Jeśli chodzi o dostęp do danych o pracy systemu HVAC, to okazuje się, że ankietowani uznali za najistotniejsze następujące rozwiązania: dostęp przez Internet – WWW (77%) oraz przez smartfon – Android/iOS (48%), powiadomienia SMS (36%), dostęp przez tablet – Android/iOS (27%), powiadomienia przez e-mail (18%) oraz głosowe powiadomienia o stanie systemu i pomiarach (5%).

Autor: Agata Abramczyk 

Raport powstał w oparciu o dane uzyskane z ankiety przeprowadzonej wśród czytelników magazynu Inteligentny Budynek. Oprócz tego przy tworzeniu raportu bazowano na informacjach pochodzących od dostawców urządzeń/rozwiązań służących do sterowania instalacjami. Raport nie odzwierciedla pełnego obrazu rynku. 

Za pomoc w opracowaniu raportu szczególnie dziękujemy firmom Distech Controls Poland (www.distech.pl) oraz Hewalex (www.hewalex.pl). Dziękujemy również wszystkim Czytelnikom magazynu Inteligentny Budynek, którzy odpowiedzieli na pytania zawarte w ankiecie.

Tekst pochodzi z nr 2/2016 magazynu „Inteligentny Budynek”.