Komputerowe systemy zarządzania energią

w budynkach Wykład 4

Podstawy informatyczne

Jan SYPOSZ

Wprowadzenie

Komputerowe systemy nadzoru powstały jakokonsekwencja rozwoju techniki mikroprocesorowej.

Powszechne stosowanie regulatorówmikroprocesorowych umożliwiło nie tylko zwiększeniemożliwości sterowania lokalnego ale również cyfroweprzesyłanie informacji pomiędzy sterownikiem akomputerem dla potrzeb sterowania nadrzędnego imonitoringu.

Wprowadzenie

Komputerowe systemy zarządzania instalacjamiuzbrojenia technicznego budynków należą donajbardziej dynamicznie rozwijających się działówtechniki budynkowej.

Przyczyna zainteresowania tymi systemami tkwi wdużych możliwościach obniżania kosztóweksploatacyjnych budynków.

Wg publikowanych danych systemy te zastosowane wdużych budynkach biurowych obniżają kosztyzaopatrzenia w energię i media średnio w ciągu roku wzakresie od 10 do 50%

Wprowadzenie c.d.

•Pierwsze komputerowe systemy zarządzające ogrzewaniem i klimatyzacją w wysokich budynkach wykonano w USA już w latach 60-tych (wieżowce WTC).

•Jednak na dużą skalę zaczęto stosować systemy tego typu na przełomie lat osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych.

•Pierwszym w świecie budynkiem opisywanym w publikacjach jako „inteligentny” jest wybudowany 1983 roku The City Place Building w Hatford USA

Etapy rozwoju systemów budynkowych:

• wprowadzenie do automatyzacji budynków regulatorów (sterowników) cyfrowych,

• systemy automatyki budynkowej BASBuilding Automation System,

• systemy zarządzające infrastrukturą techniczną budynków BMS (BEMS),Building Management System,

• zintegrowane systemy zarządzające infrastrukturą techniczną budynków IBMS - systemy zintegrowane są nazywane także „inteligentnymi budynkami” IB Intelligent Building.

Instalacje BAS w nowoczesnym budynku biurowym

Kontrola dostępuKontrola dostępu

BezpieczeństwoBezpieczeństwo Ochrona p.poż.Ochrona p.poż.

Urządzenia ziębniczeUrządzenia ziębnicze

Ogrzewanie, wentylacja, klimatyzacjaOgrzewanie, wentylacja, klimatyzacja

Sterowanie windamiSterowanie windami

Telewizja przemysłowaTelewizja przemysłowa Inne systemyInne systemy

Definicja systemu BMS

BMS jest to komputerowy interfejs użytkownika, któryw przyjazny, graficzny sposób pozwala centralniezarządzać i automatycznie nadzorować instalacjetechniczne oraz bezpieczeństwa w budynku lubkompleksie budynków, zapewniając komfort,bezpieczeństwo oraz minimalizowanie kosztóweksploatacji.

Definicje c.d.•Precyzując pojęcie „inteligentnego budynku” można posłużyć się definicjami uznanych autorów czy instytucji jak EIBG (ang. European Intelligent Building Group).

• Z publikowanych definicji wynika, że głównym zadaniem komputerowych systemów IB jest efektywne zarządzanie budynkiem i optymalizacja jego eksploatacji. Instalowane w budynku systemy tworzą warunki dla optymalizacji jego podstawowych elementów tj. struktury, parametrów technologicznych, eksploatacji oraz wspierają personel zarządzający w realizacji przyjętych zadań związanych z kosztami, jakością, niezawodnością i bezpieczeństwem zaopatrzenia w energię.

•Interpretując te definicje trzeba zwrócić uwagę na trzy bardzo konkretne właściwości, którymi powinny charakteryzować się budynki, aby można było im nadać miano “inteligentnych”:

- integracja systemów teletechnicznych w budynku,

- centralny system sterowania i monitoringu,

- wykorzystanie okablowania strukturalnego budynku jako nośnika sygnałów sterujących instalacjami w budynku.

Instalacje infrastruktury technicznej w nowoczesnym budynku biurowym zarządzane przez IBMS

Zarządzanie budynkiem - systemy niezależne

Wyk

ryw

anie

poża

ru

Ośw

ietle

nie

Obsłu

gate

chni

czna

Kon

trola

do

stęp

u

Aut

omat

yka

inst

alac

ji

Sys

tem

anty

wła

man

iow

y

CHILLERPLANT

CHILLERPLANT

Integracja systemów....

Kon

trola

dos

tępu

CHILLERPLANT

Aut

omat

yka

HVA

C

Ste

row

anie

ośw

ietle

niem

Wyk

ryw

anie

wła

man

ia

Wyk

ryw

anie

poża

ru

Zarząd

zani

ezuży

ciem

ene

rgii

Tele

wiz

jado

zoro

wa

Nad

zór

inst

alac

ji te

chn.

...wspólna magistrala (sieć) komunikacyjna...wspólna magistrala (sieć) komunikacyjnaoraz jeden standard wymiany informacji …np.oraz jeden standard wymiany informacji …np.

Zalety integracji na przykładzie algorytmu działania wykonywanego podczas alarmu pożarowego.

- 4 minutowe opóźnienie alarmu ogólnego,

- zatrzymanie instalacji klimatyzacyjnych i zamknięcie klap dymowych w kanałach wentylacyjnych danej strefy zagrożenia (sterowanie wentylacją, klimatyzacją),

- oddymianie w strefie zagrożenia oraz przygotowanie dróg ewakuacji - klatki schodowe (instalacja wentylacyjna oddymiająca)

- zwolnienie dróg ewakuacji ludzi (instalacja kontroli dostępu)

- sprowadzenie wind na poziom parteru (sterowanie windami)

- poinformowanie ludzi (system nagłośnienia),

- wizualizacja elementów systemu na tablicy synoptycznej.

Centralny system zarządzania – podział funkcjonalny obsługi.

Systemwykrywania

pożaru

Ochrona,Systemy

bezpieczeństwa.

CHILLERPLANT

Instalacje techniczne

Integrowane instalacje i systemy

•Integracja systemów powinna obejmować następujące instalacje i systemy:

- automatyka wentylacji i klimatyzacji,

- automatyka instalacji grzewczych,

- instalacje indywidualnego sterowania i nadzoru parametrami otoczenia w pomieszczeniach tzw. IRC (ang. Individual Room Control),

- instalacje elektro-energetyczne,

- sterowanie oświetleniem,

Integrowane instalacje i systemy

- system wykrywania i sygnalizacji pożaru,

- system oddymiania,

- sterowanie windami,

- system kontroli dostępu,

- system sygnalizacji włamania i napadu,

- system telewizji dozorowej,

- system informatyczny.

Zakres działania BMS

KONTROLADOSTĘPU

OCHRONAANTYWŁAMA

-NIOWA

WYKRYWANIEPOŻARU

OBSŁUGATECHNICZNA

AUTOMATYKAHVAC

SZTUCZNEOŚWIETLENIE

AUTOMATYKAINSTALACJI

TECHN.WODA

BMSBMS

ZARZĄDZANIEENERGIĄ

STEROWANIESTEROWANIEI MONITORINGI MONITORINGZUŻYCIA ENERGIIZUŻYCIA ENERGII

BEMSBEMS

IBIB

BASBAS

Pożądane cechy BMS

Do podstawowych cech jakie powinny posiadać systemy BMS należą:

•otwartość systemu,

•niezawodne medium komunikacyjne,

•przyjazna w obsłudze stacja dyspozytorska.

Poziom aparatury polowej

Struktura (hierarchiczna)systemów BMS (BEMS)

Poziom sterownikówsystemowych

Poziom zarządzania

Poziom sterownikówobiektowych

DDC

DDC

DDC

DDC

DDC

DDC

H T

LC

LE

Lx

Poziom zarządzania•Poziom zarządzania z serwerem, stanowiskami pomocniczymi i urządzeniami peryferyjnymi.

•Na poziomie tym istnieje pełny dostęp do wszystkich informacji zbieranych przez system. Tu dokonywana jest archiwizacja danych pomiarowych, ich obróbka i analiza. Koordynowane są wszystkie zadania i inicjowane działania dotyczące funkcjonowania urządzeń uzbrojenia technicznego budynku. Z poziomu zarządzania poprzez sieć konfigurowany jest system.

•Dla tego poziomu zalecany jest standard komunikacyjny Ethernet.

Poziom sterowników systemowych.

•Na poziomie tym odbywa się sterowanie zbieraniem i przepływem informacji. Tu koncentrują się wszystkie magistrale sieciowe i przygotowywane są dane dla sterowania nadrzędnego.

•Ze względu na dużą gęstość przesyłanych informacji zaleca się stosowanie standardów komunikacyjnych typu BACnet.

Poziom sterowników obiektowych

•Poziom sterowników obiektowych z regulatorami i sterownikami wykonującymi funkcje regulacji i sterowania autonomicznego, pośredniczące w zbieraniu informacji o parametrach pracy i stanie systemów uzbrojenia technicznego oraz w sterowaniu nadrzędnym.

•Na tym poziomie przekazywana jest relatywnie mała ilość informacji.

•Zalecanymi standardami komunikacyjnymi dla poziomu pola są LON oraz EIB.

inter-operacyjność

Wymagania stawiane BMS

najnowszetechnologie

proceduryoptymalizacji

integracjasystemów

otwartość i skalowalność

algorytmyDDC

niezawodnośćpracy

przyjazneoprogramow.

generowanieoszczędności

zarządzanie informacją

utrzymaniekomfortu

opomiarowaniezużycia

KOMPUTEROWYSYSTEM

ZARZĄDZANIA

Wymagania stawiane BMS

•Uzyskanie maksymalnych efektów wynikających z zastosowania systemu IB, to jest możliwie najbardziej komfortowych i bezpiecznych warunków pracy użytkowników budynku oraz minimalizacja kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych wymaga, już na etapie projektowania systemów, zastosowania odpowiednich rozwiązań technologicznych.

•Zasadniczy wpływ na efektywność tych rozwiązań mają interoperacyjność stosowanych urządzeń oraz stopień integracji - otwartość zastosowanych systemów komputerowych.

Interoperacyjność

•Interoperacyjność jest to zdolność techniczna urządzeń pochodzących od różnych producentów do wzajemnie zamiennego zastosowania w danym systemie BMS na poziomie wspólnego przetwarzania danych i wzajemnej komunikacji z zachowaniem tych samych cech funkcjonalnych.

Otwartość systemów BMS

•System otwarty jest to taki system, w którym wszystkie elementy systemu komunikują się wykorzystując standardowy protokół komunikacyjny.

•Protokół komunikacyjny jest to zbiór zasad wymiany danych w sieci komputerowej. Zasady te są spisywane w postaci specyfikacji określającej wszystko co jest wymagane do zgodności ze standardem, począwszy od rodzaju medium komunikacyjnego (np. typu kabla) aż do sposobu sformułowania każdego polecenia czy żądania.

Protokół otwarty

•W automatyce budynkowej jest stosowanych wiele konkurujących między sobą standardów komunikacyjnych nazywanych protokołami otwartymi.

•Należą do nich: LonWorks, BACnet, EIB, Modbus, Profibus, M-bus.

•W ostatnich latach daje się zauważyć tendencję do wyróżniania trzech standardów wybieranych przez czołowych producentów urządzeń automatyki budynków:

•BACnet stosowany na poziomie systemowym zarządzania (sterowniki sieciowe i sieci komputerowe),

•LonWorks i EIB stosowane na poziomie kontroli i sterowania technologią (sterowniki i aparatura polowa).

Struktura systemów otwartych

Zastosowanie systemów w pełni otwartych upraszcza strukturę do dwu poziomów:

•poziomu zarządzania,

•poziomu automatyzacji z urządzeniami zarządzającymi przepływem informacji (np. routery, wzmacniacze), sterownikami oraz aparaturą polową.

Struktura otwartego systemu BMS (BEMS)

Poziom zarządzania

Poziom komunikacji i sterownikówobiektowych

DDC

DDC

DDC

DDC

Router

LE

LG LC

Wzmacniacz

LClicznikciepła

licznikgazu

licznikciepła

liczniken.elek.

internet

Struktura funkcyjna BEMS

Pomiarparametrów

klimatu

Pomiar zużyciaenergii i mediów

Systemautomatykibudynkowej

Kalendarz serwisowy

Rozliczenia za zużycie

Optymalizacja

Ograniczanie zużycia

Dostosowanie dostaw

Harmonogram pracy

Obsługa techniczna

ALARMYRAPORTY INFO

STEROWANIEi REGULACJA

MONITORING

ZARZĄDZANIEENERGIĄ

Modelowanie energetyczne budynków - model zużycia energii

TYPOWANIE TYPOWANIE I SYMULACJAI SYMULACJA

PRZEDSIĘWZIĘĆPRZEDSIĘWZIĘĆENERGOOSZCZĘDNYCHENERGOOSZCZĘDNYCH

MODELOWANIEMODELOWANIEZAPOTRZEBOWANIAZAPOTRZEBOWANIANA ENERGIĘ I MEDIANA ENERGIĘ I MEDIA

ENERGTYCZNEENERGTYCZNE

PRZEWIDYWANIE PRZEWIDYWANIE EFEKTUEFEKTU

CZYNNOŚCICZYNNOŚCIENERGOOSCZĘDNYCHENERGOOSCZĘDNYCH

STEROWANIE STEROWANIE W OPARCIUW OPARCIU

O SPRAWNY MODELO SPRAWNY MODELMATEMATYCZNYMATEMATYCZNY

BEMSBEMS

MODELZUŻYCIA ENERGII

W BUDYNKU

Modelowanie energetyczne budynków

1. Modele w warunkach ustalonych (Steady State).

2. Modele o uproszczonej dynamice (Simple Dinami).

3. Modele odpowiedzi budynku (Response Function).

4. Modele numeryczne (Numerical).

5. Analogowe modele elektryczne (Electrical Analogue).

Modele autorskie i adaptowane

Modele numeryczne

98 programów symulacyjnych jest rekomendowanych przez Department of Energy (USA) w tym:

1. DesignBuilder

2. ECOTECT

3. EnergyPlus

4. ESP-r

5. EDSL TAS

SYSTEM BEMSSYSTEM BEMS

EMULATOREMULATOR

Struktura BEMS wykorzystującego emulator obiektu

Modelmatematyczny

Wynikisymulacji

Oprogramowanie

poziomie sterowników

Oprogramowanie aplikacyjne algorytmów cząstkowych

zarządzania energią w budynku na poziomie stacji

operatorskich i na poziomie sterowników

jedn

o ur

ządz

enie

(ko

mpu

ter)

Danedo

obliczeń

Stacja operatorska

BEMS

Sterownik obiektowy Sterownik

obiektowy

Sterownik obiektowy

Opomiarowanieobiektowe Opomiarowanie

obiektowe

Opomiarowanieobiektowe

Interface

Zarządzanie zużyciem energii - poziom sterowników

Obniżenie nocne - programy czasowe

Optymalny czas startu/stopuPasmo zerowej energiiChłodzenie nocneKontrola obecności

ObecnośćOptymalnyczas startu

Oszczędności energii

NocNoc

Czas

Optymalnyczas stopu

Frost

TEMP.

Tryb nocnyTryb dyżurny

Tryb komfortowy22

00 2 4 6 8 1

012

14

16

18

20

22

00 2

10 11 12

Wpływ czujnika obecności na

program czasowy

Optymalizacja temp. zasilaniaKontrola CO2

Kontrola jakości powietrza (VOC)“Obcinanie” zużycia szczytowegoKontrola entalpii (T i RH) - recyrkulacjaSterowanie oświetleniem

CzasTemperatura zewnętrzna

Tem

pera

tura

wod

y

Temperatura zewnętrzna

Lato

Zima

Nas

taw

a te

mp.

Zuży

cie

ener

gii

elek

trycz

nej Ograniczenie

górne

Zarządzanie zużyciem energii Zarządzanie zużyciem energii -- poziom sterownikówpoziom sterowników

Optymalizacja temp. zasilania

Temperatura zewnętrzna, °C

Tem

pera

tura

zas

ilani

a, °

C

P2

P3

P4P5

P1

Oprogramowanie aplikacyjne

Na poziomie zarządzania system zarządzający energią między innymi:- planowo obniża parametry komfortu dla określonych stref regulacji wbudynku,- programowo zmniejsza wydajność lub wyłącza określone instalacjeenergetyczne według zadanego priorytetu ważności, sekwencyjnie lubrotacyjne, uwzględniając dopuszczalną częstotliwość załączeń iwyłączeń,- przy długotrwałym deficycie energii automatycznie załącza określoneinstalacje po upływie dopuszczalnego czasu ich wyłączenia i przesuwawyłączenie na inne,- załącza do ruchu rezerwowe źródła energii,- przywraca założone nastawy oraz programowo załącza odbioryenergetyczne natychmiast gdy to jest możliwe.

PARAMETRYKLIMATU

ZEWNĘTRZNEGO

CENTRALEKLIMATYZACYJNE

LABORATORIABADAWCZE WĘZŁY

CIEPŁOWNICZE

STACJEOPERATORSKIE

POMIAR ZUŻYCIAMEDIÓW

Przykład systemu - BEMS C-6

TEMPERATURYWEWNĘTRZNE

Układ przygotowania c.w.u.

Ograniczenie zużycia ciepła przez dostosowanie czasu pracy układu c.w.u. i cyrkulacji:

0

0,01

0,02

0,03

0,04

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12Godzina

Ene

rgia

, GJ

0

50

100

150

200

Roz

biór

c.w

.u.,

dm3

Rozbiór c.w .u. dm3Energia cieplna GJ

0

0,01

0,02

0,03

0,04

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12Godzina

Ener

gia,

GJ

0

50

100

150

200

Roz

biór

c.w

.u.,

dm3

Rozbiór c.w .u. dm3

Energia cieplna GJ

Układ przygotowania c.w.u.

Ograniczenie zużycia ciepła przez dostosowanie czasu pracy układu c.w.u. i cyrkulacji:

0

0,01

0,02

0,03

0,04

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12Godzina

Ener

gia,

GJ

0

50

100

150

200

Roz

biór

c.w

.u.,

dm3

Rozbiór c.w .u. dm3Energia cieplna GJ

0

0,01

0,02

0,03

0,04

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12Godzina

Ener

gia,

GJ

0

50

100

150

200

Roz

biór

c.w

.u.,

dm3

Rozbiór c.w .u. dm3

Energia cieplna GJ

0

0,01

0,02

0,03

0,04

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12Godzina

Ener

gia,

GJ

0

50

100

150

200

Roz

biór

c.w

.u.,

dm3

Rozbiór c.w .u. dm3

Energia cieplna GJ

24h14,2

24h13,7BEMS

10,8 BEMS9,8

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Tydzień 1 Tydzień 2

Ener

gia,

GJ

76%72%

60

,0

55,0

42,9

57,5

51,7

48,2

44,7

40,8

41,5

47,9

57,4

57,6

46,3

42,6

29,3

44,3

38,0

34,9

31,0

27,1

28,3

34,3

44,2

44,0

23% 22%

32%

23%

26% 27%

31%

34%32%

29%

23% 24%

0

10

20

30

40

50

60

70

sty lut mar kw i maj cze lip sie w rz paź lis gru

Ener

gia,

GJ

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

24h BEMS Oszczędność %

Ograniczenie zużycia ciepła

4904 4493 4185

100%

92%

85%

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

2003/2004 2004/2005 2005/2006

Zuży

cie

ener

gii c

iepl

nej,

GJ

75%

80%

85%

90%

95%

100%

105%

Zużycie energii cieplnej, GJ

Wartość procentow a

Zużycie ciepła w budynku C-6 w trzech kolejnych sezonach pracy BEMS C-6,sprowadzone do warunków sezonu 2003/2004.

Uzyskane oszczędności

W sezonie badawczym 2005/2006 dzięki BEMS C-6 uzyskano następujące oszczędności:

Stanowi to 8,3% rocznych kosztów energii dla części wysokiej budynku C-6.

Lp Cel Energia cieplna

Energia elektryczna

Razem

1. Osłabienia c.o. w święta i długie weekendy (307 godzin)

5 069,75 zł 141,83 zł 5 211,58 zł

2. Korekta mocy c.o. od nasłonecznienie w strefie zachodniej 5 572,47 zł - zł 5 572,47 zł

3. Wyłączenia c.w.u. w godzinach 22:00-5:00

5 978,70 zł 122,64 zł 6 101,34 zł

4. Osłabienie zasilania w ciepło wentylacji w godzinach 19:00-7:00

1 442,45 zł 360,00 zł 1 802,45 zł

18 687,84 zł

Wnioski

1. Opracowane algorytmy regulacji i modele energetyczne BEMS C-6doskonale nadają się do zastosowania w innych obiektach.

Wnioski

2. Budowa BEMS nie oznacza automatycznego osiąganiaoszczędności. Dla uzyskania właściwych efektów wymagana jestświadoma obsługa systemu.

3. Najlepsze efekty daje cykliczna analiza danych, właściwewnioskowanie i ciągłe poszukiwanie nowych możliwościoszczędzania energii.

4. Standardowym postępowaniem jest dostosowywanie systemuBEMS do rzeczywistego obiektu przez pierwszy sezon pracy.

5. W Polsce niestety najczęściej eksploatacja BEMS sprowadzanajest jedynie do funkcji monitoringu. Rosnące ceny energiizapewne w niedługim czasie przyczynią się do właściwegowykorzystania możliwości BEMS.

Dziękuję za uwagę