Komputerowe systemy
zarządzania energią
w budynkach
Wykład 12
Jan SYPOSZ
Wprowadzenie
Komputerowe
systemy
nadzoru
powstały
jako
konsekwencja rozwoju techniki mikroprocesorowej.
Powszechne
stosowanie
regulatorów
mikroprocesorowych umożliwiło nie tylko zwiększenie
możliwości sterowania lokalnego ale również cyfrowe
przesyłanie informacji pomiędzy sterownikiem a
komputerem dla potrzeb sterowania nadrzędnego i
monitoringu.
Wprowadzenie
Komputerowe
systemy
zarządzania
instalacjami
uzbrojenia
technicznego
budynków
należą
do
najbardziej dynamicznie rozwijających się działów
techniki budynkowej.
Przyczyna zainteresowania tymi systemami tkwi w
dużych
możliwościach
obniżania
kosztów
eksploatacyjnych budynków.
Wg publikowanych danych systemy te zastosowane w
dużych
budynkach
biurowych
obniżają
koszty
zaopatrzenia w energię i media średnio w ciągu roku w
zakresie 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:
Systemy budynkowe rozwija
ły się w następujących etapach:
• wprowadzenie do automatyzacji budynków regulatorów
(sterowników) cyfrowych,
• systemy automatyki budynkowej BAS
Building Automation System,
• systemy zarz
ądzające infrastrukturą techniczną budynków BMS
(BEMS),
Building Management System,
•
zintegrowane systemy zarz
ądzające infrastrukturą techniczną
budynków IBMS - systemy zintegrowane s
ą nazywane także
„inteligentnymi budynkami” IB Intelligent Building.
Definicja systemu BMS
BMS jest to komputerowy interfejs użytkownika, który
w przyjazny, graficzny sposób pozwala centralnie
zarządzać i automatycznie nadzorować instalacje
techniczne oraz bezpieczeństwa w budynku lub
kompleksie
budynków,
zapewniając
komfort,
bezpieczeństwo
oraz
minimalizowanie
kosztów
eksploatacji.
Definicje systemów IB
•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.
Definicje systemów IB
•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
W
y
k
ry
w
a
n
ie
p
o
ża
ru
O
św
ie
tl
e
n
ie
O
b
s
łu
g
a
te
c
h
n
ic
z
n
a
K
o
n
tr
o
la
d
o
s
tę
p
u
A
u
to
m
a
ty
k
a
in
s
ta
la
c
ji
S
y
s
te
m
a
n
ty
w
ła
m
a
n
io
w
y
C
H
IL
L
E
R
P
L
A
N
T
C
H
IL
L
E
R
P
L
A
N
T
Integracja systemów....
K
o
n
tr
o
la
d
o
s
tę
p
u
C
H
ILLE
R
P
LAN
T
A
u
to
m
a
ty
k
a
H
V
A
C
S
te
ro
w
a
n
ie
o
św
ie
tl
e
n
ie
m
W
y
k
ry
w
a
n
ie
w
ła
m
a
n
ia
W
y
k
ry
w
a
n
ie
p
o
ża
ru
Z
a
rz
ą
d
z
a
n
ie
z
u
ży
c
ie
m
e
n
e
rg
ii
T
e
le
w
iz
ja
d
o
z
o
ro
w
a
N
a
d
z
ó
r
in
s
ta
la
c
ji
te
c
h
n
.
...wspólna magistrala (sie
ć) komunikacyjna
...wspólna magistrala (sie
ć) komunikacyjna
oraz 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.
System
wykrywania
po
żaru
Ochrona,
Systemy
bezpiecze
ństwa.
C
H
ILLE
R
P
LA
N
T
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
KONTROLA
DOSTĘPU
OCHRONA
ANTYWŁAMA
-NIOWA
WYKRYWANIE
POŻARU
OBSŁUGA
TECHNICZNA
AUTOMATYKA
HVAC
SZTUCZNE
OŚWIETLENIE
AUTOMATYKA
INSTALACJI
TECHN.
WODA
BMS
BMS
ZARZĄDZANIE
ENERGIĄ
STEROWANIE
STEROWANIE
I MONITORING
I MONITORING
ZUŻYCIA ENERGII
ZUŻYCIA ENERGII
BEMS
BEMS
IB
IB
BAS
BAS
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 sterowników
systemowych
Poziom zarz
ądzania
Poziom sterowników
obiektowych
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
najnowsze
technologie
procedury
optymalizacji
integracja
systemów
otwartość
i skalowalność
algorytmy
DDC
niezawodność
pracy
przyjazne
oprogramow.
generowanie
oszczędności
zarządzanie
informacją
utrzymanie
komfortu
opomiarowanie
zużycia
KOMPUTEROWY
SYSTEM
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 zarz
ądzania
Poziom komunikacji
i sterowników
obiektowych
DDC
DDC
DDC
DDC
Router
LE
LG
LC
Wzmacniacz
LC
licznik
ciep
ła
licznik
gazu
licznik
ciep
ła
licznik
en.elek.
internet
Struktura otwartego systemu BMS (BEMS)
Poziom zarz
ądzania
Poziom komunikacji
i sterowników
obiektowych
DDC
DDC
DDC
DDC
Router
LE
LG
LC
Wzmacniacz
LC
licznik
ciep
ła
licznik
gazu
licznik
ciep
ła
licznik
en.elek.
internet
Zalecane budynkowe standardy
komunikacyjne
LonWorks:
• technologia wprowadzona na rynek przez firmę
ECHELON CORPORATION,
• jest systemem otwartym, umożliwiającym współpracę
urządzeń różnych typów i producentów,
• ponadto jest systemem o rozproszonej inteligencji,
tzn. takim, w którym sterowanie może być
zdecentralizowane.
LonWorks – rozproszona inteligen
cja
• Oznacza to, że każdy z elementów jest niezależnym urządzeniem,
które ma możliwość komunikacji i współpracy z innymi urządzeniami.
• Jest to elastyczność, która pozwala rozpoczynać budowę sieci od
dwóch elementów, a kończyć na trzydziestu dwóch tysiącach.
• Konieczność rozpraszania inteligencji w systemach kontroli i
sterowania wynika z rosnącej liczby jednocześnie wykonywanych
zadań i wyeliminowania wpływu awarii jednego z elementów systemu
na pracę pozostałych elementów
lub uniknięcia zablokowania
niektórych funkcji całego systemu. Zniszczenie dowolnego elementu
nie powoduje zatrzymania pracy systemu a sąsiednie elementy mogą
przejąć niektóre jego funkcje.
Topologia sieci LonWorks
•Bardzo elastyczna topologia sieci dopuszcza stosowanie
zarówno struktury magistralowej, gwiazdy, pierścienia, a
nawet dowolne połączenie tych układów (rys.3).
•System LonWorks ma również przewagę wszędzie tam
gdzie nie ma możliwości położenia nowej sieci. Swoboda
w wyborze medium komunikacyjnego stała się hasłem
reklamowym firmy ECHELON głoszącym, że do budowy
systemu kontroli i sterowania w budynku w technologii
LonWorks można wykorzystać istniejącą instalację
elektryczną obniżając w ten sposób koszt okablowania
systemowego.
Topologia sieci LonWorks
Topologia magistrali
Topologia dowolna
Technologia LonWorks
•Technologia LonWorks obejmuje cztery podstawowe
płaszczyzny:
•protokół komunikacyjny LonTalk,
•mikroprocesor tzw. Neuron-Chip,
•urządzenia sprzęgające i sterujące,
•sieciowy system operacyjny LNS (ang. LonWorks Network
Services).
Technologia LonWorks
• Podstawowym elementem sieci jest Neuron-Chip.
• Neuron poprzez system operacyjny operuje pomiędzy
wejściami/wyjściami a siecią.
• Połączenie neuronu z medium komunikacyjnym (skrętka, linia
energetyczna) zapewnione jest poprzez urządzenie zwane
transceiverem (nadajnik/odbiornik).
• Każda jednostka zawierająca neuron, transceiver i urządzenia
wejście/wyjście nazywana jest węzłem (nodem) – rys.5.
• W przypadku sieci złożonej z wielu mediów komunikacyjnych
konieczne jest zastosowanie urządzenia sprzęgającego te media.
Służy do tego urządzenie zwane routerem.
• Router musi zawierać dwa transceivery umożliwiające współpracę z
konkretnymi mediami.
Struktura węzła sieci LonWorks
Proces
Transceiver
Neuron-Chip
We/wy zewnętrznej
elektroniki
Sieć LonWorks
Technologia LonWorks – media komunikacyjne
Jako medium można wykorzystać:
•parę skręcaną popularnie zwaną skrętką,
•linie energetyczne niskiego i średniego napięcia,
•transmisję radiową za pośrednictwem radiomodemu,
•kabel koncentryczny,
•kabel światłowodowy,
•łącze transmisji w podczerwieni,
•łącze transmisji ultradźwiękowej.
Struktura sieci LonWorks
Wzmacniacz
Router
W
ęzeł
Interfejs
Wzmacniacz
W
ęzeł
W
ęzeł
W
ęzeł
Segment
Segment
Segment
Kana
ł
Kana
ł
Protokół transmisji LonTalk
•Protokół LonTalk jest zalecany przez Elektronics Industry
Association jako standard do automatyzacji budynków.
Jest on także częścią standardu automatyki budynków
BACnet.
•Obecnie protokół komunikacyjny dostępny jest jedynie w
jednej formie - wbudowany w procesor Neuron-Chip.
Wbudowanie protokołu LonTalk do procesora neuronu
znacznie upraszcza programowanie urządzeń
zawierających neurony i skraca czas jego przygotowania.
Neuron-Chip
•Neuron-Chip zawiera trzy wbudowane współpracujące ze
sobą procesory. Dwa z nich skonfigurowane są do obsługi
protokołu a trzeci zawiera aplikację użytkownika.
• Pierwszy procesor tzw. MAC (ang. Media Access Control)
steruje dostępem do medium komunikacyjnego. Obsługuje
transceiver i jest odpowiedzialny za kontrolę kolizji.
•Drugi procesor nazywany sieciowym zajmuje się obsługą
zmiennych sieciowych, adresowaniem, kontrolą przepływu
informacji, badaniem zgodności danych, diagnostyką,
timerami, kontrolą działania funkcji sieciowych i logiką
połączeń.
Neuron-Chip
•Trzeci procesor - aplikacyjny, zawiera aplikację
użytkownika. Jak więc widać neuron stanowi zarówno
procesor komunikacyjny jak i aplikacyjny.
•Aplikacja użytkownika tworzona jest w rozbudowanej
wersji języka ANSI C - tzw. NEURON C.
•Na rynku dostępne są neurony dwóch producentów:
Toshiba i Motorola.
Neuron-Chip
•Każde urządzenie LonWorks zawiera neuron z
wbudowanym identycznym w każdym przypadku
protokołem komunikacyjnym LonTalk.
•Zapewnia to, że niezależnie od producenta sterownika lub
urządzenia sieciowego możliwa jest współpraca urządzeń.
• Pozwala to wyeliminować problem niepełnej
kompatybilności i sprawia, że jest to w pełni otwarty
system.
Router
•W skład routera wchodzą dwa węzły zawierające po
jednym neuronie i jednym bloku nadawczo-odbiorczym.
• Przykładowy router łączący dwa kanały różnego typu
pokazano na rys.
Router
W
W
W
ęzły
Kana
ł typu TP/FT - 10
Kana
ł typu TP/XF- 1250
Router
•Routery spełniają dwie funkcje:
•Służą do transformacji sygnałów pomiędzy różnymi
mediami przesyłu (do łączenia kanałów o różnych
pojemnościach i topologii). W przypadku kanałów tego
samego typu jest on wzmacniaczem pomiędzy węzłami po
obu stronach routera.
•Redukują tłok komunikacyjny w sieci. Router „słucha”
wszystkich komunikatów w kanale, jeżeli są adresowane
po tej samej stronie routera nie robi nic. Jeżeli są
adresowane do węzłów po drugiej stronie routera,
wówczas wzmacnia je i przesyła do drugiego kanału. W
ten sposób liczba komunikatów przesyłana do drugiego
kanału jest redukowana.
Zmienne sieciowe
•Zmienne sieciowe w LonWorks są używane do
przesyłania danych pomiędzy węzłami.
•Dla każdego urządzenia przyłączonego do sieci producent
narzuca typ zmiennych sieciowych. Są one częścią
protokołu komunikacyjnego węzła.
•Dane wysyłane przez węzeł mogą być odebrane tylko
przez zmienną wejściową tego samego typu innego węzła.
• Proces łączenia zmiennych wyjściowych z tego samego
typu zmiennymi wejściowymi nazywa się powiązaniem
(ang. binding).
Zmienne sieciowe
•W celu umożliwienia wymiany informacji pomiędzy
urządzeniami różnych producentów wprowadzono
standaryzację zmiennych sieciowych.
•Skrótem tego standardu jest nazwa SNWT (ang. Standard
Network Variables Type).
•Producenci urządzeń pracujących w standardzie LonWorks
powołali międzybranżowe stowarzyszenie użytkowników
LonWorks o nazwie LonMark Interoperability Association.
Produkty oznaczone znakiem LonMark (rys7) zapewniają
interoperacyjność systemu LonWorks.
SNVT–Masterlist
•Stowarzyszenie LonMark utworzyło listę standardowych
zmiennych sieciowych SNVT–Masterlist
Wyciąg z SNVT-Masterlist wg LonMark
SNVT-Typ
Wielkość
Jednostka
Zakres
Rozdzielczość
SNVT_index
SNVT_amp
prąd
Amper
-32 767…+32 737
1 A
1
SNVT_date_time
czas doby
HH:MM:SS
00:00:00…23:59:59
1 s
12
SNVT_elec_kwh
energia elektr.
kWh
0…65 535
1 kWh
13
SNVT_temp
temperatura
°C
-274..6279,5
0,1 °C
39
SNVT_lev_percent
stopień otwarcia
%
-163,4…+163,83
0,005
81
SNVT_temp_p
temperatura
°C
-273,17…+327,66
0,01 °C
105
Przykład działania sieci LonWorks
T
Sie
ć LonWorks
W
ęzeł
„regulator”
W
ęzeł
„si
łownik”
W
ęzeł
„czujnik”
SNVT_temp
SNVT_lev_percent
Czujnik temperatury
Zawór z si
łownikiem
Działanie sieci LonWorks zastosowanej w układzie automatycznej
regulacji temperatury powietrza w pomieszczeniu
•Sieć składa się z trzech węzłów: regulatora,
inteligentnego czujnika temperatury powietrza oraz
inteligentnego siłownika zaworu.
•„Inteligentny czujnik” jest urządzeniem
mikroprocesorowym, które powstaje w wyniku połączenia
aktywnego czujnika (przetwornika) temperatury (np. o
standardowym wyjściu analogowym napięciowym 0...10 V)
z węzłem typu LonWorks.
•Podobnie „inteligentny siłownik” składa się z siłownika
elektrycznego oraz węzła typu LON.
Działanie sieci LonWorks zastosowanej w układzie
automatycznej regulacji temperatury powietrza w
pomieszczeniu
•W opisywanym przykładzie węzeł o nazwie „czujnik”
wysyła zmierzoną wartość regulowaną temperatury y
m
jako zmienną standardową typu SNVT_temp do węzła
„regulator”, który oblicza wartość sygnału sterującego u i
przesyła go w postaci zmiennej standardowej
SNVT_lev_percent do węzła o nazwie „siłownik”,
powodując odpowiednie nastawienie stopnia otwarcia
przyłączonego do niego zaworu regulacyjnego.
Struktura funkcyjna BEMS
Pomiar
parametrów
klimatu
Pomiar zużycia
energii
i mediów
System
automatyki
budynkowej
Kalendarz serwisowy
Rozliczenia za zużycie
Optymalizacja
Ograniczanie zużycia
Dostosowanie dostaw
Harmonogram pracy
Obsługa techniczna
ALARMY
RAPORTY
INFO
STEROWANIE
i REGULACJA
MONITORING
ZARZĄDZANIE
ENERGIĄ
Modelowanie energetyczne budynków
- model zużycia energii
TYPOWANIE
TYPOWANIE
I SYMULACJA
I SYMULACJA
PRZEDSIĘWZIĘĆ
PRZEDSIĘWZIĘĆ
ENERGOOSZCZĘDNYCH
ENERGOOSZCZĘDNYCH
MODELOWANIE
MODELOWANIE
ZAPOTRZEBOWANIA
ZAPOTRZEBOWANIA
NA ENERGIĘ I MEDIA
NA ENERGIĘ I MEDIA
ENERGTYCZNE
ENERGTYCZNE
PRZEWIDYWANIE
PRZEWIDYWANIE
EFEKTU
EFEKTU
CZYNNOŚCI
CZYNNOŚCI
ENERGOOSCZĘDNYCH
ENERGOOSCZĘDNYCH
STEROWANIE
STEROWANIE
W OPARCIU
W OPARCIU
O SPRAWNY MODEL
O SPRAWNY MODEL
MATEMATYCZNY
MATEMATYCZNY
BEMS
BEMS
MODEL
ZUŻYCIA 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 BEMS
SYSTEM BEMS
EMULATOR
EMULATOR
Struktura BEMS wykorzystującego
emulator obiektu
Model
matematyczny
Wyniki
symulacji
Oprogramowanie
poziomie sterowników
Oprogramowanie
aplikacyjne
algorytmów
cz
ąstkowych
zarz
ądzania energią
w budynku na
poziomie stacji
operatorskich i na
poziomie sterowników
je
d
n
o
u
rz
ąd
z
e
n
ie
(
k
o
m
p
u
te
r)
Dane
do
oblicze
ń
Stacja
operatorska
BEMS
Sterownik
obiektowy
Sterownik
obiektowy
Sterownik
obiektowy
Opomiarowanie
obiektowe
Opomiarowanie
obiektowe
Opomiarowanie
obiektowe
Interface
Zarządzanie zużyciem energii - poziom sterowników
Obni
żenie nocne - programy
czasowe
Optymalny czas startu/stopu
Pasmo zerowej energii
Ch
łodzenie nocne
Kontrola obecno
ści
Obecno
ść
Optymalny
czas startu
Oszcz
ędności
energii
Noc
Noc
Czas
Optymalny
czas stopu
Frost
TEMP.
Tryb nocny
Tryb dy
żurny
Tryb komfortowy
2
2
0
0
2
4
6
8
1
0
1
2
1
4
1
6
1
8
2
0
2
2
0
0
2
10
11 12
Wp
ływ czujnika
obecno
ści na
program czasowy
Optymalizacja temp. zasilania
Kontrola CO
2
Kontrola jako
ści powietrza (VOC)
“Obcinanie” zu
życia szczytowego
Kontrola entalpii (T i RH) - recyrkulacja
Sterowanie o
świetleniem
Czas
Temperatura zewn
ętrzna
T
e
m
p
e
ra
tu
ra
w
o
d
y
Temperatura zewn
ętrzna
Lato
Zima
N
a
s
ta
w
a
t
e
m
p
.
Z
u
ży
c
ie
e
n
e
rg
ii
e
le
k
tr
y
c
z
n
e
j
Ograniczenie
górne
Zarz
ądzanie zużyciem energii
Zarz
ądzanie zużyciem energii -- poziom sterowników
poziom sterowników
Oprogramowanie aplikacyjne
Na poziomie zarządzania system zarządzający energią między innymi:
- planowo obniża parametry komfortu dla określonych stref regulacji w
budynku,
- programowo zmniejsza wydajność lub wyłącza określone instalacje
energetyczne według zadanego priorytetu ważności, sekwencyjnie lub
rotacyjne, uwzględniając dopuszczalną częstotliwość załączeń i
wyłączeń,
- przy długotrwałym deficycie energii automatycznie załącza określone
instalacje po upływie dopuszczalnego czasu ich wyłączenia i przesuwa
wyłączenie na inne,
- załącza do ruchu rezerwowe źródła energii,
- przywraca założone nastawy oraz programowo załącza odbiory
energetyczne natychmiast gdy to jest możliwe.
PARAMETRY
KLIMATU
ZEWNĘTRZNEGO
CENTRALE
KLIMATYZACYJNE
LABORATORIA
BADAWCZE
WĘZŁY
CIEPŁOWNICZE
STACJE
OPERATORSKIE
POMIAR ZUŻYCIA
MEDIÓW
Przykład systemu - BEMS C-6
TEMPERATURY
WEWNĘTRZNE
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 12
Godzina
E
n
e
rg
ia
,
G
J
0
50
100
150
200
R
o
z
b
ió
r
c
.w
.u
.,
d
m
3
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 12
Godzina
E
n
e
rg
ia
,
G
J
0
50
100
150
200
R
o
z
b
ió
r
c
.w
.u
.,
d
m
3
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 12
Godzina
E
n
e
rg
ia
,
G
J
0
50
100
150
200
R
o
z
b
ió
r
c
.w
.u
.,
d
m
3
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 12
Godzina
E
n
e
rg
ia
,
G
J
0
50
100
150
200
R
o
z
b
ió
r
c
.w
.u
.,
d
m
3
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 12
Godzina
E
n
e
rg
ia
,
G
J
0
50
100
150
200
R
o
z
b
ió
r
c
.w
.u
.,
d
m
3
Rozbiór c.w .u. dm3
Energia cieplna GJ
24h
14,2
24h
13,7
BEMS
10,8
BEMS
9,8
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Tydzie
ń 1
Tydzie
ń 2
E
n
e
rg
ia
,
G
J
76%
72%
6
0
,0
5
5
,0
4
2
,9
5
7
,5
5
1
,7
4
8
,2
4
4
,7
4
0
,8
4
1
,5
4
7
,9
5
7
,4
5
7
,6
4
6
,3
4
2
,6
2
9
,3
4
4
,3
3
8
,0
3
4
,9
3
1
,0
2
7
,1
2
8
,3
3
4
,3
4
4
,2
4
4
,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
pa
ź
lis
gru
E
n
e
rg
ia
,
G
J
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
24h
BEMS
Oszcz
ędność %
Ograniczenie zużycia ciepła
4904
4493
4185
100%
92%
85%
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
2003/2004
2004/2005
2005/2006
Z
u
ży
c
ie
e
n
e
rg
ii
c
ie
p
ln
e
j,
G
J
75%
80%
85%
90%
95%
100%
105%
Zu
życie energii cieplnej, GJ
Warto
ść 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 cz
ęści 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-6
doskonale nadają się do zastosowania w innych obiektach.
Wnioski
2. Budowa
BEMS
nie
oznacza
automatycznego
osiągania
oszczędności. Dla uzyskania właściwych efektów wymagana jest
świadoma obsługa systemu.
3. Najlepsze efekty daje cykliczna analiza danych, właściwe
wnioskowanie
i
ciągłe
poszukiwanie
nowych
możliwości
oszczędzania energii.
4. Standardowym postępowaniem jest dostosowywanie systemu
BEMS do rzeczywistego obiektu przez pierwszy sezon pracy.
5. W Polsce niestety najczęściej eksploatacja BEMS sprowadzana
jest jedynie do funkcji monitoringu. Rosnące ceny energii
zapewne w niedługim czasie przyczynią się do właściwego
wykorzystania możliwości BEMS.
Dziękuję za uwagę