DR INŻ. JACEK BISKUPSKI

POLITECHNIKA KRAKOWSKA

AGH KRAKÓW

Systemy zarządzania energią w budynkach dla zwiększenia efektywności energetycznej

Kim jestem ?

� Z wykształcenia : chemikiem, informatykiem i ekonomistą� Z zamiłowania: Bojownikiem o zrównoważony rozwój � Pracuje jako: wykładowca „Systemów Energii Odnawialnych” i

„Wpływów środowiskowych pozyskiwania energii odnawialnych”oraz Praktycznych „Zastosowań pomp ciepła w budownictwie jednorodzinnym” na PK i AGH w Krakowie

� Uprawnienia: Projektanta/instalatora systemów PV (UDT), Certyfikatora Energetycznego (PK), Instalatora Pomp ciepła i PV (kilku firm), doradcy (Green Associate) w systemie LEED

� Mieszkam w zrównoważonym domu nZEB (Dom Galia w Jerzmanowicach koło Pieskowej Skały )

� Jestem członkiem PLGBC (Polska) , UCS (Union of Concerned Scientists w USA)

� W 2016 r otworzyłem przewód doktorski na temat budynków nZEB (PK w Krakowie)

Teza 1

� Współczesne budownictwo (podobnie jak wiele innych dziedzin życia ) nie może się jużfunkcjonować bez zaawansowanych i rozbudowanych systemów elektroniczno –informatycznych, głównie z powodów efektywności oraz wpływów środowiskowych.� Przykład 1 -VW Garbus 1974 – nie da się nim dziś jeździć – bo

ma zbyt dużą emisjię zanieczyszczeń ze spalin. � Przykład 2 - Dom z lat ‘70 - bez głębokiej termomodernizacji –

nie ma sensu wstawiać nowoczesnego kotła czy pompy ciepła, bo nie będzie dobrze działać powodując frustrację i starty

� Konsekwencją tego jest – zarówno konieczność przeglądów auta co roku jak i unowocześnienia infrastruktury technicznej budynków.

Współczesne systemy sterowania wyposażeniem technicznym budynku mieszkalnego

� Aktualnie, prawie każde urządzenie wyposażenia techniczne domu mieszkalnego ma swój sterownik (kocioł, rekuperator, kominek, pompa ciepła, pralka, zmywarka)

� Wszystkie one mają możliwość sterowania czasowego, pogodowego, sytuacyjnego (np. funkcja party)

� Zgranie ich i optymalizacja współdziałania wymaga od użytkownika podejmowania szeregu sekwencyjnych działań – zmieniających sięwielokrotnie w ciągu roku (praktycznie 24 h przez 365 dni w roku).

� Zastosowanie (nieprzewidywalnych) źródeł energii odnawialnych stwarza dodatkową konieczność regulacji i „korekty reakcyjnej”

� Proste sterowanie czasowe czy pogodowe na zasadzie „włącz- wyłącz kiedy natsąpi to” nie sprawdza się w rozbudowanych systemach domów energooszczędnych gdzie wymwgane jest współdziałanie Proste systemy dają duże odchyły od nastaw optymalnych powodując tym samym konieczność stałego nadzoru i korygowania parametrów przez użytkownika (lub akceptację dla zwiększonych opłat i emisjii).

Pojedyncze sterownikiPojedyncze sterowniki BMSBMS

� Kotła, pompy ciepła –sterowanie czasowe, reakcja na temp zew., brak możliwości zdalnej korekty krzywej kotłowej

� Rekuperatory, sterowanie czasowe, brak możliwości korekty nastaw z zewnątrz

� Źródła OZE – sterowanie czasowe , sztywna praca on-grid lub off-grid, korzystamy lub oddajemy ee

� Steruje reakcyjnie wykorzystuje „pseudointeligentne(AI)*”algorytmy postępowania

� Możliwość korekty krzywej kotłowej *

� Rekuperatory* – pełna możliwość współpracy z HVAC

� Możliwość przełączania pomiędzy źródłami dla OŹE*(, zmienna praca off i on –grid), składowanie ee i późniejsze jej wykorzystanie w domu, prowadzenie bilansu ee przez cały rok

Porównanie systemu BMS z pojedynczymi sterownikami vs zintegrowany BMS

Przykłady sterowania przez system alarmowy lub/i pogodowy

� System pogodowy firmy NetAtmo (IoS)� Możliwość pomiaru wszystkich parametrów komfortu

klimatycznego oraz zewnętrznych paramatrów pogodowych� Zapis wszystkich danych „w chmurze”� Brak możliwości realnego sterowania – 1 maks 2 wyłączniki

typu termostatowego – włącz/ wyłącz

� System alarmowy polskiej firmy� Możliwość pomiaru temperatur, otwarcia okna, wilgotności,

zalania wejścia…� Brak możliwości wykonywania algorytmów wielokronie

złożonych (tylko proste działanie wł- wył) oraz brak możliwości sterowania linowego (np. 0-10 V dla sterowania 0-100%)

Konieczność wprowadzenia systemu zintegrowanego

� W roku 2005 w swojej książce „Intelligent Buildings” prof. Derek Crome napisał, że optymalnym rozwiązaniem zarządzania infrastrukturątechniczną Domu Zrównoważeonego jest jego zintegrowanie automatyczne zarządzanie przez inteligentny system zarządczy”

� W Polsce (01.2017), żaden ze znanych autorowi systemów sterowników dostawców infrastruktury (pomp ciepła, rekuperatorów, oświetlenia, systemów PV) NIE ZAPEWNIA TAKIEGO WSPÓŁDZIAŁANIA ani teżmożliwości programowania i rozbudowy o dalsze (współpracujące) elementy.

� Systemy BMS takie jak TAC Schneider, Johnson Control itp. Zapewniająintegrację z wybranymi urządzeniami – ale po protokołach przez nich zaproponowanych a nie wszystkich możliwych� Wynika to z zastosowanie systemów zamkniętych (firmowych) zamiast systemów

otwartych (LonWOrks, KNX EiB, BAcNet) jako sieci połączeń między sterownikami tych urządzeń oraz braku koncepcji współdziałania w warunkach domowych.

� Najlepszym rozwiązaniem jest zintegrowany system zarządzania całąinfrastrukturą techniczną budynku BMS (*Building Management System) jak np. BMS Unihome

Nazewnictwo – czy BMS czy może polska nazwa ?

� Pojęcie BMS – nawet w zakresie techniki budynkowej przestało być jednoznaczne :

� BMS – Building Management System

� BMS – Battery Management System

� Polska propozycja� Zintegrowany System Zarządzania Budynkiem (ZSZB)

� System Automatyki Budynkowej – SAB

� Zintegrowany System Automatyki Budynkowej

Teza 2

� Nie jest możliwe uzyskanie optymalnego efektu sterowania wszystkimi podsystemami domu energoszczędniego bez ich integracji w jednym systemie zarządczym

� Systemy ogrzewania, chłodzenia i wentylacji (HVAC)

� Systemy przygotowywania CWU

� Systemy zamykanie żaluzji i rolet dla celów energet.

� Systemy zarządzania włączaniem urządzeń domowych

� Urządzenia oraz systemy OZE

11 przykładów na słuszność Tezy 2Pomiar temperatury pomieszczeń

� 1. Sterowanie temperaturą pomieszczeń – nie może odbywać się w stosunku do jednego wybranego pomieszczenia (klasyczny układ kotła gazowego lub pompy ciepła), ponieważ pomieszczenia mają różne przeszklenia i różny wpływ słońca oraz wychłodzenia (zależny od stron świata)

� 1A – zintegrowany system BMS który mierzy temperaturę w każdym pomieszczeniu i indywidualnie (w zależności od nasłonecznienia/wychłodznia oraz obecności lub nie domowników wskazuje na konieczność redukcji/podwyższenia ogrzewania. W konsekwencji sterowniki pomieszczeń sterujązaworami grzewczymi danej strefy� Można to zrobić na zasadzie indywidualnego sterowania, ale trzeba

będzie zmieniać nastawy w każdym pomieszczeniu (np. 8 ) co najmniej 4 razy do roku. Jest to szczególnie trudne przy ogrzewaniu powierzchniowym

11 przykładów na słuszność Tezy 2 Wentylacja wyciągowa indywidualna

� 2Q – W jaki sposób zapewnić odpowiednią, ekonomicznie uzasadnioną, liczbę wymian powietrza w budynku nie znając źródeł i intensywności zanieczyszczeń? Lokalnie mierzyćstężenie CO2 czy wentylaować zgodnie z normą PN ? Większość systemów wentylacji (i rekuperacji) stosuje czujnik CO2 który zwiększa wentylację po przerokoczeniu zadanego poziomu

� 2A – VoD – wentylacja sterowana, system BMS mierzy cały czas stężenie CO2 i dopasowuje intensywność wentylacji do potrzeb całego budynku, tak aby zapewnić optymalny zadany poziom w całym domu

11 przykładów na słuszność Tezy 2 Wentylacja indywidualna nawiewna

� 3Q – Z podobnych jak w przypadku przyczyn (strony świata, nasłonecznienie) wentylacja powinna nawiewać/wywiewać świeże powietrze o określonych parametrach do różnych pomieszczeń. Jak nawiewać powietrze do 10 pomieszczeńmierząc ich temp i wilgotność tylko w jednym ?

� 3A – BMS mierząc temperatury w poszcz. Pomieszczeniach (w ważnych również wilgotność i zaw. CO2) dopasowuje temperaturę i intensywnośćwymian powietrza do REALNYCH potrzeb budynku (raz dogrzewa a raz schładza powietrze nawiewane) i indywidualnie je nawiewa do pom.

11 przykładów na słuszność Tezy 2 Efektywnie chłodzenie pomieszczeń

� 4Q – W jaki sposób efektywnie chłodzić różne pomieszczenia mając do dyspozycji tylko 1-2 czujniki temp pomieszczeń ? Jak reagować na wzrost temperatury w pomieszczeniach okresowo nasłonecznionych ?

� 4A- BMS mierzy temp w każdym z pomieszczeń i steruje indywidualnie intensywnością schładzania pomieszczeńw których występuje nasłonecznienie – zamykając żaluzje (lub tylko przymykając lamele) lub rolety tam gdzie zagrożony jest komfort klimatyczny (ale nie powodując zaciemnienia pomieszczeń – pomiar naświetlenia wew.) oraz zwiększa/zminiejsza intensywność nawiewu

11 przykładów na słuszność Tezy 2 Efektywne zarządzanie energią OZE

� 5 Q – W jaki sposób efektywnie zarządzać CWU w systemie wspomaganym z OZE ? Klasycznie źródło CWU nagrzewane jest z paneli słonecznych i dogrzewane z gazu/en.el bez wpływu na to kiedy pozyskujemy (dochodzi problem wakacji)

� 5 A - BMS – mając ”świadomość” w jakim okresie roku i doby jakie są potrzeby w zakresie CWU –decyduje kiedy składować a kiedy zrzucać nadmiary ciepła co CO lub i basenu.

11 przykładów na słuszność Tezy 2 Efektywne zarządzanie uzyskami słonecznymi g

� 6Q – W jaki sposób efektywnie i automatycznie zasłaniać żaluzje w budynku tak aby optymalizowaćzapotrzebowanie na ciepło/chłód szczególnie pod nieobecność domowników ?

� 6 A - BMS – mając ”świadomość” w jakim stanie obecności mieszkańców jest proponuje (sms, e-mail) kiedy zamykać a kiedy przymykać żaluzje/rolety tak aby ograniczać zapotrzebowanie na energię w budynku (ważne szczególnie w okresie letnim).

11 przykładów na słuszność Tezy 2 Efektywne zarządzanie energią z OZE

� 7 Q – W jaki sposób zapewnić najefektywniejsze wykorzystanie OZE (np. paneli słonecznych czy PV) w okresie całego roku, skoro (klasycznie) rozdzielone są one od systemu CO i magazynowanie energii i można co najwyżej oddawać do OSD?

� 7 A – BMS analizując zapotrzebowanie na energię w budynku, wylicza co powinien zrobić z chwilowymi nadmiarami z OZE i magazynuje ją (w akumulatorach lub OSD), włączając ją następnie do obiegu w czasie kiedy to jest potrzebne. Jest to jedyne rozwiązanie pozwalające na dynamiczne kreowanie bilansu zeroenergetycznego w budynku nZEB

11 przykładów na słuszność Tezy 2 Efektywne zarządzanie energią z ZE 8

� 8Q – jak najefektywniej wykorzystać tani prad z ZE ? Grzać wodę (w II strefie) na cele CO czy na CWU –do jakiej temperatury? Gdzie ją magazynować ?

� 8A – BMS wylicza dobowe zapotrzebowanie (na podstawie wielu parametrów) oraz wpływu energii słonecznej na budynek na potrzebną energię i decyduje czy potrzebne jest nagrzewanie okresowe czy nie. Jeżeli wyliczy że tak to dokonuje tego automatycznie, jeżeli nie to rezygnuje z tego.

11 przykładów na słuszność Tezy 2 Efektywne zarządzanie energią biwalentną

� 9Q – Zakładając system biwalentny ( a nawet multienergetyczny dla domu energooszczędnego), np. pompę ciepła, kocioł na paliwo stałe (np. kominek) czy panele słoneczne (ST czy PV), jak zapewnić ciągłość dopływu energii HVAC do budynku tak, aby utrzymywać stałe zadane temperatury nie biegając pomiędzy urządzeniami ?

� 9A- BMS stale monitorując energię z poszczególnych źródeł dokonuje przełączenia pomiędzy nimi tak aby wykorzsytyać najbardziej ekonomicznie energie dostarczone z zewnątrz (np.. wg algorytmu – 1Słońce, 2. Biomasa, 3 Pompy ciepła 4. Prąd grzanie oporwe)

10 przykładów na słuszność Tezy 2Efektywne zarządzanie względem pogody

� 10Q – każdy sterownik urządzeń ma najczęściej zewnętrzny czujnik temperatury włączający urządzenia grzewcze/klimtyzayjne wg. zadanych progów zadziałania. Zdarza się, że wahanie dobowe –działając wg zadanych progów, powodują włączanie ogrzewania w nocy a chłodzenia w dzień. Dotyczy to nawetnowocześnych pomp ciepła sterowanych z jednego pomieszczenia. Jak temu przeciwdziałać ?

11 przykładów na słuszność Tezy 2Efektywne zarządzanie względem pogody

� 10A – system BMS musi wiedzieć jaką mamy poręroku i porę doby i postępować różnie w przypadku różnych stanów przejściowych, ignorując nawet (czy powiedzielibyśmy - wytrzymując nerwowo;-) chwilowe wahania temperatur i blokując reakcyjne zadziałanie systemu wynikające z przekroczenia progu – temperatury włączenia ogrzewania czy chłodznia… A efektem jest optymalizacja budynku do klasy nZEB

10 przykładów na słuszność Tezy 1 -10Efektywne zarządzanie zintgegrowane

� 10W jaki sposób zarządzać tym wszystkim z jednego miejsca a nie z 6 programów PC i 3 aplikacji telefonicznych ?

� 10 A Przy pomocy jednego zintegrowanego systemu BMS z dowolnego PC lub/i smartfonu.

Widok z panelu systemu BMS Unihome

Wydruk 02.2007 !

BMS rekuperacja

Wykres zeroenergetyczności budynku nZEB w wyniku zastosowania sterowania BMS

� Budynek niezbilansowany

Źródło: Jacek Biskupski :bilanse budynków nZEB w warunkach Polski, PolSl 2017

Budynek nZEB zbilansowany

Źródło: Jacek Biskupski: Bilanse budynków nZEB w warunkach Polski, PolSl 2017

System BMS daje możliwość bilansowania nZEB

� Budynek zbilansowany II – szczegóły

DR INŻ. JACEK BISKUPSKI

WWW.UNIHOME.PL

JCEK.BISKUPSKI@BES.NET.PL

Dziękuję za uwagę

Doświadczenia projektowe HVAC+BMS w jednorodzinnych domów energooszczędnych

� Pierwszy wzorcowy dom GALIA (Jerzmanowice pod Krakowem) – 2003 (Euco= 60-15 kwh/m2/a)

� Dom w Gliwicach (250 m2) – 2008-2014 (Euco= 20 kwh/m2/a)� PC Gruntowa, GWC, rekuperacja, żaluzje sterowane lamele, BMS

Unihome

� Dom w Swoszowicach (350 m2) z basenem 2010-2015 (Euco= 40 kwh/m2/a)� Dwie powietrzne pompy ciepła, rekuperacja z PC, kominek z

płaszczem, fotowoltaika, BMS Unihome

� Dom jednorodzinny w Radziechowy (280 m2) 2012-2016� Dwie pompy ciepła (gruntowa i pow.), rekuperatir, kominek z pł.wod,

fotowoltaika, BMS Unihome

� Dom jednorodzinny w Warszawie Wawer(290 m2) 2014 (Euco= 50 kwh/m2/a)� Kocioł gozowy, pompa ciepła, panele solrne CPC, kominek z

płaszczem, rekuperator, BMS Unihome