Komputerowe systemy

zarządzania energią

w budynkach

Wykład 4

Podstawy informatyczne

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:

• 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

techniczn

ą budynków IBMS - systemy zintegrowane

s

ą nazywane także „inteligentnymi budynkami” IB

Intelligent Building.

Instalacje BAS w nowoczesnym budynku

biurowym

Kontrola dost

ępu

Kontrola dost

ępu

Bezpiecze

ństwo

Bezpiecze

ństwo

Ochrona p.po

ż.

Ochrona p.po

ż.

Urz

ądzenia ziębnicze

Urz

ądzenia ziębnicze

Ogrzewanie, wentylacja,
klimatyzacja

Ogrzewanie, wentylacja,
klimatyzacja

Sterowanie windami

Sterowanie windami

Telewizja przemys

łowa

Telewizja przemys

łowa

Inne systemy

Inne systemy

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 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

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 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

Optymalizacja temp. zasilania

Temperatura zewn

ętrzna, °C

T

e

m

p

e

ra

tu

ra

z

a

s

il

a

n

ia

,

°C

P2

P3

P4

P5

P1

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