Efektywność energetyczna budynków i Smart Metering
Współczesne systemy automatyki budynkowej zapewniają przede wszystkim komfort i bezpieczeństwo użytkowania budynków, dopasowując pracę urządzeń i podsystemów do wymogów użytkowników lub zarządców oraz realizując kontrolę dostępu o różnym stopniu zaawansowania, monitoring parametrów pracy urządzeń, monitoring i rejestrację zdarzeń, współpracę z systemami sygnalizacji włamania i napadu, systemami pożarowymi itp.
W większych obiektach (komercyjnych, użyteczności publicznej) działania te coraz częściej realizowane są w ramach jednego, zintegrowanego systemu zarządzania budynkiem – BMS (Business Management System), do którego możliwy jest również zdalny dostęp dla osób uprawnionych przez Internet. W tego typu aplikacjach systemy automatyki budynkowej są stosowane od wielu lat. Udoskonala się ich funkcje w tym zakresie, dzięki czemu stają się bardziej niezawodne, a użytkownicy korzystają z nich z większym zaufaniem, w praktyce często nawet bez świadomości użytkowania zaawansowanych technologii z dziedziny tzw. inteligentnych budynków.
W ostatnim okresie coraz więcej uwagi poświęca się jednak nie tylko komfortowi użytkowania i bezpieczeństwu w budynkach, ale również efektywności energetycznej, optymalizacji kosztów eksploatacji, możliwości wykorzystania alternatywnych źródeł energii elektrycznej i cieplnej w budynkach itd. Do działań w tym kierunku obligują przyjmowane w licznych instytucjach prawodawczych i zarządzających dyrektywy i rozporządzenia, których celem do roku 2020 jest:
- redukcja emisji gazów cieplarnianych w Unii Europejskiej o 20% w stosunku do poziomu emisji z roku 1990,
- osiągnięcie średniego poziomu 20% wykorzystania energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych (dla Polski planuje się 15%),
- redukcja całkowitego zapotrzebowania na energię o 20%, poprzez zastosowanie procedur poprawiających efektywność energetyczną odbiorów.
Nie bez znaczenia jest również kwestia konieczności badań energochłonności nowo powstających oraz remontowanych budynków (charakterystyka energetyczna), które zgodnie z nowymi przepisami muszą mieć wystawione świadectwa energetyczne. Stosowne zapisy dotyczące tych wymogów zawarte są w tzw. dyrektywie EPBD – 2002/91/EC. Okazuje się bowiem, że to właśnie budynki są jednym z największych konsumentów energii elektrycznej i cieplnej, stąd tak usilne działania w celu poprawy ich efektywności energetycznej, optymalizacji zużycia energii i mediów, przy jednoczesnym zachowaniu komfortu i bezpieczeństwa użytkowania.
Efektywność energetyczna w budynkach
Optymalizacja i racjonalizacja użytkowania różnych rodzajów energii w czasie eksploatacji budynków może być rozpatrywana w dwóch aspektach:
- technologii budowlanych i konstrukcyjnych budynku oraz prawidłowej organizacji prac projektowych – konsultacji wielobranżowych,
- dostępności sieciowych, magistralowych systemów automatyki budynkowej, zapewniających integrację funkcjonalną różnych urządzeń i podsystemów infrastruktury budynkowej.
Pierwszy z nich dotyka niezwykle istotnego problemu dobrego przygotowania projektu nowego budynku lub opracowania jego dokumentacji remontowej tak, by prace budowlane, aranżacyjne i instalacyjne w obiektach były realizowane optymalnie, z wykorzystaniem najnowszych technologii oraz przy uwzględnieniu racji wielu stron uczestniczących w realizacji takich przedsięwzięć.
Przy prawidłowej organizacji etapu projektowego i wykonawczego podmioty zaangażowane w prace nie będą sobie nawzajem przeszkadzać, a co jeszcze ważniejsze – przy wykonaniu prac jednych będą uwzględniane uwagi, sugestie i potrzeby drugich (np. w trakcie prac budowlanych przewiduje się miejsca na instalacje elektryczne oraz teleinformatyczne, systemy sterowania i monitoringu itp.). Obecnie w konstrukcji budynków stosuje się również wiele nowoczesnych materiałów budowlanych, izolacyjnych, innowacyjnych rozwiązań z zakresu ogrzewania (patrz: rys. 1) i wentylacji, systemów klimatyzacyjnych, które sprzyjają poprawie komfortu użytkowania i efektywności energetycznej takich obiektów.
Przy niektórych budynkach instalowane są pompy ciepła, współpracujące niekiedy ze studniami geotermalnymi, które dostarczają naturalne ciepło do instalacji budynkowych. Bardzo często przy nowych konstrukcjach pojawiają się również panele fotowoltaiczne i kolektory słoneczne, wytwarzające energię elektryczną i zapewniające ogrzanie wody użytkowej.
Oprócz zastosowania konkretnych rozwiązań technologicznych wpływ na redukcję zużycia energii w budynku ma jednak również jego konstrukcja architektoniczna. Na przykład w budynkach biurowych, komercyjnych możliwe jest zastosowanie koncepcji centralnego przeszklenia dachu budynku – nad wewnętrznym atrium i oplatającymi je ciągami komunikacyjnymi między pomieszczeniami, które dzięki temu nie wymagają dodatkowego sztucznego oświetlenia w czasie dnia.
Niebagatelne znaczenie ma również modernizacja infrastruktury budynkowej w starszych obiektach, gdzie niejednokrotnie funkcjonują urządzenia i systemy (np. wentylacji czy klimatyzacji) pracujące nieprzerwanie od kilkunastu czy kilkudziesięciu lat. Zwykle, oprócz niskiej wydajności energetycznej, nie spełniają one wielu obowiązujących obecnie rygorystycznych norm i przepisów dotyczących sprawności energetycznej, poziomu hałasu, stężenia dwutlenku węgla w pomieszczeniach, poziomu intensywności oświetlenia stanowisk pracy i ciągów komunikacyjnych, ochrony przeciwpożarowej, bezawaryjności działania itp. Przykładowe rozwiązania i działania podejmowane w tym zakresie, w ramach modernizacji obiektów budynkowych, były poruszone w artykule będącym tematem numeru pierwszego wydania magazynu Inteligentny Budynek.
Drugi ze wspomnianych wcześniej aspektów związanych z poprawą efektywności energetycznej budynków to stosowanie zintegrowanych i rozproszonych systemów sterowania i monitoringu infrastruktury budynkowej, tworzących system zarządzania budynkiem BMS, często pojawiających się również pod sloganowym hasłem tzw. „inteligentnych budynków”. Większość współczesnych nowo budowanych obiektów użyteczności publicznej, biurowców i powierzchni komercyjnych wyposażonych jest w tego typu systemy, różnych standardów.
Podstawą zasady ich funkcjonowania jest wspólny interfejs wymiany informacji cyfrowych pomiędzy tzw. węzłami sieciowymi, które są zwykle niewielkimi sterownikami, bazującymi na układach mikrokontrolerów z aplikacjami sterującymi. Takie moduły sterujące mogą być zlokalizowane w bezpośredniej bliskości obsługiwanych urządzeń (np. rolety okienne, panele dotykowe i wyłączniki, oprawy oświetleniowe, agregaty klimatyzacyjne, zawory grzejników i układów grzewczych, moduły kontroli dostępu itp.), zapewniając ich obsługę funkcjonalną i monitoring parametrów pracy. Niekiedy mogą również współpracować z klasycznymi urządzeniami, sterowanymi sygnałami We/Wy, cyfrowymi, impulsowymi lub nawet analogowymi, dzięki czemu nie jest konieczna kompleksowa ich wymiana na starszych obiektach.
Wspomniany interfejs komunikacji cyfrowej umożliwia węzłom sieciowym wymianę informacji między sobą oraz z systemem nadrzędnym, zarządzającym i monitorującym. Konfiguracja połączeń następuje w procesie integracji i może być zmieniana w trakcie eksploatacji systemu, bez konieczności dodatkowych prac. Powstaje w ten sposób rozproszony system sterowania i zarządzania infrastrukturą budynku. Na rynku dostępne są tylko trzy międzynarodowe standardy magistralnych systemów automatyki dedykowanych do zastosowań w automatyce budynkowej (patrz: tabela 1).
Są to przede wszystkim standardy otwarte, urządzenia z interfejsami tych standardów pojawiają się więc w ofercie różnych producentów. Dzięki standaryzacji protokołów komunikacji i programowych platform niezbędnych do integracji funkcjonalnej budowane systemy automatyki i monitoringu mogą być łatwo rozbudowywane i przeprogramowywane, zapewniając dużą elastyczność w dopasowaniu do wymogów użytkowników (ważne w budynkach na wynajem) oraz swobodę organizacji funkcjonalnej. Wspomniana integracja, czyli wzajemne powiązanie funkcji różnych urządzeń lub całych podsystemów w budynkach, wykorzystywana była dotychczas (i wciąż jest) przede wszystkim w celu podniesienia komfortu użytkowania budynków.
Wraz z coraz powszechniejszym zastosowaniem alternatywnych i odnawialnych źródeł energii oraz wzrostem zainteresowania kwestiami poprawy efektywności energetycznej całych budynków i poszczególnych, pracujących w nich urządzeń otwarły się nowe obszary zastosowań systemów automatyki budynkowej. Szczególnie istotna okazuje się tu właśnie możliwość integracji na poziomie bezpośredniej komunikacji między węzłami sieci, sterownikami. Konieczne jest również upowszechnienie wiedzy o innowacyjnych rozwiązaniach w środowiskach projektantów, wykonawców i użytkowników oraz badanie i ocena skutków ich stosowania. Tylko bowiem skuteczne współdziałanie tych podmiotów od początku fazy projektowania nowych lub modernizacji starszych budynków zapewni optymalne wykorzystanie wszystkich dostępnych funkcji, wzrost bezpieczeństwa osób i urządzeń oraz poprawę efektywności energetycznej i komfortu użytkowników.
Smart metering – by optymalizować, trzeba najpierw zmierzyć
Kwestia poprawy efektywności energetycznej, wprowadzenia alternatywnych, odnawialnych źródeł energii – to sprawa stosunkowo nowa i podnoszona dopiero od kilku lat. Wcześniej pomiary zużycia energii elektrycznej, cieplnej i innych mediów prowadzone były przede wszystkim w celach rozliczeniowych, czyli kontrolowane jedynie na bieżąco lub okresowo spisywane, a po upływie dość krótkich okresów rozliczeń – kasowane. Do rzadkości należały choćby najprostsze bazy danych dedykowane dla ciągłej rejestracji tego typu parametrów, prowadzenia wielokryterialnych analiz danych o zużyciu energii, w odniesieniu do parametrów technicznych zainstalowanych urządzeń, zastosowanych w budynku technologii budowlanych, możliwości integracyjnych pomiędzy wieloma różnymi podsystemami itp.
Przy dostępności współczesnych technologii pomiarowych i transmisji danych działania zmierzające w dalszej perspektywie do poprawy i optymalizacji współczynników efektywności energetycznej budynków powinny w pierwszym rzędzie skupiać się na rozwoju zaawansowanych metodologii pomiarów i zasad organizacji wielokryterialnych systemów pomiarowych w budynkach, zwłaszcza użyteczności publicznej.
Na rynku dostępne są bowiem liczniki zużycia energii elektrycznej i cieplnej oraz innych mediów, analizatory parametrów zasilania, wyposażone nie tylko w mikrokontrolery z własnymi aplikacjami i zaawansowanymi funkcjami, ale również z różnego typu interfejsami komunikacji cyfrowej – wśród nich standardów automatyki budynkowej. Takie liczniki mogą stać się węzłami sieci sterowania i monitoringu w budynkach, mogą być integrowane z coraz popularniejszymi systemami BMS, współpracować z bazami danych i serwerami wyposażonymi w narzędzia do analizowania, prognozowania, generacji trendów, alarmowania, a co najistotniejsze – cała ich obsługa odbywa się zdalnie.
Dlatego firmy i zespoły naukowe branży „inteligentnych budynków” aktywnie angażują się w badania i prace wdrożeniowe zmierzające do weryfikacji możliwości tych systemów jako narzędzi bezpośredniej obsługi zdalnych mierników energii i mediów, ich integracji z innymi funkcjami budynków. Zespół Katedry Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych krakowskiej Akademii Górniczo-Hutniczej rozpoczął w maju 2010 r. realizację projektu „Zoptymalizowanie zużycia energii elektrycznej w budynkach”, finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (NCBiR). W projekcie uczestniczy również Politechnika Śląska (badania energochłonności cieplnej) i Park Naukowo-Technologiczny Euro-Centrum z Katowic. Celem całego zadania badawczego jest opracowanie wytycznych dotyczących projektowania i eksploatacji budynków, zmierzających do zminimalizowania zużycia energii elektrycznej w instalacjach technicznych budynków oraz ciepła, bazujące na lokalizacji (identyfikacji) miejsc największego zużycia energii i wskazaniu metod ograniczenia jej zużycia. Badania prowadzone są w dwóch podstawowych obszarach – energii elektrycznej i cieplnej. Zespół AGH zaangażowany jest w pierwszym z nich.
W ramach zrealizowanych już prac wykonano kompleksowe opomiarowanie trzech budynków użyteczności publicznej – jednego w kampusie krakowskiej AGH i dwóch na terenie kompleksu biurowo-komercyjnego (pomieszczenia pod wynajem) pozostających w dyspozycji Parku Naukowo-Technologicznego Euro-Centrum. Jeden z nich (budunek nr 7, Euro-Centrum) wykonany jest jako tzw. budynek energooszczędny, z wykorzystaniem najnowszych technologii budowlanych oraz teletechnicznych. System opomiarowania i akwizycji danych zbudowano w oparciu o infrastrukturę sieciową magistralowego systemu automatyki budynkowej standardu ISO/IEC 14908 (standard LonWorks). Został on uruchomiony wiosną 2011 r., a dane pomiarowe są zbierane zdalnie w bazie danych na serwerach zlokalizowanych na krakowskiej AGH.
Na terenie Akademii opomiarowano z kolei budynek Wydziału Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki (pawilon B-1), w którym wydzielono dwie sekcje zasilania – dla prawego i lewego skrzydła budynku. Instalacja zasilająca jest podzielona na strony lewe i prawe na każdej kondygnacji. W budynku jest pięć kondygnacji: tzw. niski parter, poziom 0, poziom 1 i poziom 2, dlatego w sumie zainstalowano 10 liczników, po jednym dla każdej kondygnacji, oddzielnie dla strony prawej i lewej budynku. Schematycznie pokazano to na rys. 2, który przedstawia połączenie liczników w sieci standardu LonWorks, w oknie pakietu integratorskiego LonMaker.
Wszystkie zainstalowane tu liczniki wyposażone są w interfejs komunikacji LON, a więc są węzłami sieciowymi i wysyłają dane pomiarowe bezpośrednio w postaci tzw. zmiennych sieciowych standardu LonWorks, które z kolei na potrzeby systemu nadrzędnego przetwarzane są na telegramy protokołu IP. Pozwala to na zdalny odczyt zużycia energii i wybranych parametrów sieci zasilającej praktycznie z dowolnego miejsca, z dostępem do Internetu. Na rys. 3 pokazano zdjęcia wybranych liczników zamontowanych w budynku AGH.
Z kolei w Parku Naukowo-Technologicznym Euro-Centrum w Katowicach opomiarowano dwa budynki noszące numery 6 i 7. Jednak ze względu na trwające prace, związane z rozwojem infrastruktury sieci teleinformatycznych, budynek nr 6 nie może być jak dotąd podłączony do zewnętrznej sieci, w związku z czym nie jest możliwy zdalny odczyt liczników zlokalizowanych w tym obiekcie.
Budynek nr 7, wykonany zgodnie ze standardami budynków energooszczędnych, został dokładnie opomiarowany, wraz z umieszczeniem liczników głównych dla każdej kondygnacji: poziom 0, poziom 1 i poziom 2. Wydzielono też i opomiarowano obwody: wind, infrastruktury systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC), administracyjne (np. kurtyny powietrzne, oświetlenie zewnętrzne, rolety). Oprócz tego zainstalowano osobno liczniki dla obwodów zasilania, oświetlenia i gniazd komputerowych u każdego najemcy pomieszczeń w budynku nr 7, z tym że na pojedynczych obwodach (oświetlenia i gniazd komputerowych) zainstalowano liczniki z wyjściami impulsowymi, podłączonymi do koncentratorów z interfejsami LonWorks. Na rys. 4 pokazano strukturę połączeń sieciowych LonWorks liczników i koncentratorów w budynku nr 7, a na rys. 5 – zdjęcie wybranych liczników zamontowanych w budynku nr 7 PNT Euro-Centrum.
Smart metering – preludium do smart grid
Przedstawiany wcześniej projekt to jedno z serii podobnych działań realizowanych obecnie w naszym kraju. Na wdrożenie pilotażowych instalacji już nie tylko inteligentnego opomiarowania (smart metering), ale również lokalnych inteligentnych sieci energetycznych (smart grid) decydują się dystrybutorzy energii i lokalne zakłady energetyczne w wielu regionach Polski. Warto podkreślić, że w wielu tego typu instalacjach pojawiają się standardy komunikacyjne znane z rozwiązań dla sieci automatyki budynkowej.
Jednym z przykładów może być doświadczalna instalacja systemu odczytu liczników komunalnych w PGE Dystrybucja Zamość, gdzie wdrażane jest kompletne opomiarowanie komunalnych odbiorców energii elektrycznej wsi Teratyn (89 odbiorców, zasilanych z linii kablowej – 17 liczników 1-faz., 72 liczniki 3-faz.) oraz Janki (95 odbiorców, zasilanych z linii napowietrznej – 34 liczniki 1-faz., 61 liczników 3-faz.). Jest to pierwsza w Polsce instalacja z wykorzystaniem systemu firmy Echelon Network Energy System (patrz: rys. 6), bazującego, podobnie jak system opisany wcześniej, na standardzie sieci rozproszonych ISO/IEC 14908-3, z wykorzystaniem jako medium transmisji linii energetycznych.
Inny przykład to projekt „Inteligentny Półwysep”, mający na celu wprowadzenie rozwiązań smart grid na Półwyspie Helskim. W projekt zaangażowane są: Grupa Energa, Instytut Energetyki w Gdańsku oraz samorządy lokalne.
– Nasz projekt ma przede wszystkim zapewnić odbiorcom stałą dostawę energii, zwłaszcza tam, gdzie następują największe wahania związane z sezonem – tłumaczy Ireneusz Kulka, wiceprezes zarządu spółki Energa-Obrót. – Ponadto będzie można wprowadzić godzinowe rozliczanie dla indywidualnych klientów. Oznacza to, że w pewnych porach dnia cena prądu będzie niższa, w związku z tym wówczas będzie warto włączyć np. pralkę.
Półwysep Helski został wybrany nieprzypadkowo. Energa-Operator uruchomiła tu pierwsze w kraju próbne systemy zdalnego odczytu, istnieje zatem odpowiednia infrastruktura techniczna projektu, która będzie dodatkowo modernizowana. Obszar ten charakteryzuje się również wysokimi różnicami zużycia energii (duży pobór latem, znacznie mniejszy zimą), co stanowi dodatkowe wyzwanie dla inżynierów-energetyków. Wdrożony system będzie charakteryzować wysoka niezawodność i elastyczność w obsłudze odbiorców, umożliwiając im optymalizację zużycia energii, zmiany taryf energetycznych oraz korzystanie z powstających alternatywnych źródeł energii – panele fotowoltaiczne, niewielkie turbiny wiatrowe itp. Co szczególnie istotne, już w założeniach projektu pojawia się wzmianka o tworzeniu możliwości współpracy sieci smart grid z budynkami inteligentnymi.
Jesienią 2010 r. we Wrocławiu powołano do istnienia Konsorcjum Smart Power Grids – Polska, utworzone przy Politechnice Wrocławskiej, z udziałem Urzędu Regulacji Energetyki i Urzędu Komunikacji Elektronicznej oraz Banku Zachodniego WBK SA i Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Jak zapisano w liście rekomendacyjnym konsorcjum, przedmiotem jego działań są projekty badawcze i wdrożeniowe, zmierzające do zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego kraju oraz zmniejszenia społecznych kosztów pozyskiwania i użytkowania energii. Członkowie konsorcjum wyrażają też nadzieję, że jego powołanie stworzy podstawy do budowania w Polsce odpowiedniej infrastruktury, niezbędnej do realizacji zadań badawczo-rozwojowych i wdrożeniowych w zakresie światowych inteligentnych sieci elektroenergetycznych.
Projektów i wdrożeń tego typu jak opisane wcześniej jest coraz więcej, z czego należy się tylko cieszyć. Sprzyjają one bowiem rozwojowi i ukierunkowaniu technologii i metodologii, niezbędnych do realizacji inteligentnych systemów pomiarowych i dynamicznego zarządzania energią w budynkach i całym systemie energetycznym, w którym, o czym już wspomniano na początku artykułu, budynki odgrywają znaczącą rolę. Już czas, aby dość popularna „inteligencja” budynków związana z komfortem ich użytkowania wkroczyła w nowy obszar efektywności energetycznej. Współczesne systemy sterowania rozproszonego zapewniają bowiem nie tylko integrację z licznikami i analizatorami zużycia mediów energetycznych, ale również realizację algorytmów sterowania związanych z oszczędzaniem energii, uzależniających zapotrzebowanie energetyczne i załączanie/wyłączanie odbiorników od szeregu czynników, takich jak obecność użytkownika, natężenie oświetlenia, temperatura wewnętrzna i zewnętrzna, pora doby, dostępność i wydajność alternatywnych źródeł energii itp. W celu zastosowania takich systemów konieczne jest jednak opracowanie nowych zasad projektowania i realizacji instalacji elektrycznych zasilania, oświetlenia i ogrzewania, podatnych na lokalne sterowanie automatyczne, wypracowywane na podstawie wyżej wymienionych czynników.
Dlatego w ramach omawianego wcześniej projektu badawczego, realizowanego pod kierownictwem krakowskiej AGH, przeprowadzone zostaną odpowiednie analizy możliwości minimalizacji zużycia energii elektrycznej z wykorzystaniem nowych technologii w zakresie odbiorników energii elektrycznej oraz zastosowań funkcji rozproszonych systemów sterowania, bazujących na europejskich i światowych standardach. Osobnym obszarem analiz będzie również identyfikacja miejsc zużycia energii cieplnej w budynkach, ze szczególnym uwzględnieniem lokalizacji generujących straty ciepła. Ostatecznie planowanym rezultatem końcowym będzie udostępnienie projektantom budynków wytycznych projektowych, zapewniających określenie sposobów minimalizacji zużycia energii elektrycznej i cieplnej w budynkach przez projektowaną infrastrukturę techniczną budynku oraz dobór odpowiednich materiałów budowlanych. Inny rezultat to zaproponowanie podobnego zbioru wytycznych, zasad i instrukcji użytkowania budynków właśnie ich użytkownikom (administratorom), co również pozwoli na usprawnienie i efektywne eksploatowanie istniejących budynków.
Autor: Andrzej Ożadowicz, Jakub Grela