Na efektywność energetyczną budynku wpływ ma wiele czynników. Można wśród nich wyróżnić także grupę związaną z infrastrukturą sterującą i monitorującą.
Zgodnie z założeniami przedstawionymi w serii norm PN-EN ISO 16484, elementy infrastruktury sterującej i monitorującej w ramach systemów BACS powinny spełniać odpowiednie wymagania dotyczące sprzętu oraz ogólnej funkcjonalności i usług inżynieryjnych do realizacji systemu automatyzacji i sterowania budynku.
W ramach BACS wyróżnia się głównie następujące składniki: 1. sprzęt:
• urządzenia obiektowe, • urządzenia sterujące, • okablowanie,
• komunikacja systemowa,
• urządzenia zarządzające (obliczeniowe); 2. oprogramowanie do realizacji funkcji,
32
Do urządzeń obiektowych BACS należy zaliczyć czujniki i urządzenia wykonawcze oraz inne urządzenia obiektowe (np. moduły sprzęgające, lokalne urządzenia zadające/sygnalizacyjne). Mogą być one połączone z interfejsami wejścia/wyjścia sterowników/stacji automatyzacji bezpośrednio lub poprzez urządzenia/sieci komunikacyjne. Czujniki, urządzenia wykonawcze i inne urządzenia obiektowe dostarczają niezbędnych informacji o warunkach, stanach i wartościach procesów w instalacji oraz o wyniku zaprogramowanych operacji. Urządzenia obiektowe obsługują następujące funkcje: (i) przełączanie, (ii) pozycjonowanie, (iii) monitorowanie stanu, (iv) zliczanie oraz (v) pomiary.
Urządzenia sterujące, stacje automatyzacji, jednostki przetwarzające i zewnętrzne urządzenia sterujące, wykorzystując specyficzne oprogramowanie aplikacji i parametrów, zapewniają pełną automatyczną możliwość realizacji takich zadań jak: (i) bezpośrednie sterowanie cyfrowe, (ii) optymalizacja zużycia energii oraz optymalizacja działania, (iii) monitoring działania instalacji, (iv) informacje o alarmie, błędzie, konserwacji i działaniach, (v) sterowanie automatyczne i ręczne (z wyłączeniem operacji lokalnego wymuszenia), (vi) dane do statystyk i analiz wartości lub stanów, (vii) wymiana informacji pomiędzy funkcjami przetwarzającymi z urządzeniami obiektowymi i funkcjami operatora a programami zarządzającymi. Wymienione operacje są realizowane poprzez funkcje przetwarzania, które mogą zostać podzielone na następujące grupy: (i) monitorowanie, (ii) uzależnienia, (iii) sterowanie w zamkniętej i otwartej pętli sterowania, (iv) obliczenia/ współzależne optymalizacje instalacji/systemu, (v) funkcje dla sterowania pomieszczeniem (np. indywidualne sterowanie strefowe, sterowanie oświetleniem, sterowanie zasłonami/żaluzjami). Dodatkowo należy wyróżnić funkcje wejścia-wyjścia, które zapewniają interfejs pomiędzy funkcjami przetwarzania a urządzeniami obiektowymi. Mogą one zostać podzielone na: (vi) funkcje fizycznych wejść i wyjść oraz (vii) funkcje współdzielonych wejść i wyjść, do komunikacji z obcymi produktami.
Parametry techniczne dla połączeń i okablowanie pomiędzy urządzeniami jest również jednym ze składników BACS. Okablowanie elektryczne i instalacje elektryczne powinny odpowiadać odpowiednim normom regionalnym. Wszystkie kable powinny być oznakowane w sposób zrozumiały i trwały na obu końcach i powinny być powiązane z wykazem okablowania i schematami obwodów. Wyróżnić też można dwie grupy metod połączeń urządzeń: (i) metoda połączenia lub okablowania urządzeń obiektowych do sterowników oraz (ii) metoda połączenia lub okablowania innych urządzeń BACS.
Infrastruktura komunikacyjna np. nośniki transmisji danych, specyfikacja elektryczna interfejsów i protokołów komunikacyjnych, mogą różnić się zgodnie z wymaganą funkcjonalnością lub przyjętymi do jej realizacji technologiami. W ramach komunikacji systemowej istotnym elementem jest określenie topologii sieci właściwej danemu projektowi oraz długości segmentów sieci sterowania. Z reguły funkcje zarządzania wymagają wysokiej szybkości transmisji danych, szczególnie wtedy, gdy występuje przesyłanie dużych plików (np. pliki graficzne, dane archiwalne i pliki konfiguracyjne systemu). Natomiast funkcje automatyzacji i sterowania zwykle wymagają komunikacji typu punkt-punkt. Czujniki i urządzenia wykonawcze, które są połączone z siecią obiektową, mogą być zasilane w energię elektryczną poprzez sieć sterowania lub z innych źródeł energii.
Do urządzeń zarządzających należy zaliczyć sprzęt, który w ramach infrastruktury sterującej i monitorującej realizuje operacje przetwarzania danych (stacja serwera), przechowywania i archiwizowania danych, dostarczania systemowego interfejsu użytkownika (jednostka
33
wyświetlająca), wymiany informacji pomiędzy BACS i dedykowanymi systemami specjalnymi (jednostka interfejsu danych) oraz sygnalizacji i ogłaszania alarmów lub zdarzeń (urządzenia sygnalizacyjne optyczne i/lub akustyczne). Do funkcji zwykle wykonywanych przez urządzenia zarządzające należy zaliczyć: (i) komunikację z urządzeniami sieci sterowania i dołączonymi systemami obcymi, (ii) komunikację w celu wymiany danych ze specjalnymi dedykowanymi lub obcymi systemami (np. system alarmu przeciwpożarowego), aby zapewnić realizację funkcji operatorskich i funkcji zarządzania wewnątrz BACS, (iii) rejestrowanie i archiwizowanie danych historycznych oraz analizy statystyczne, (iv) wspomaganie decyzji (np. do zarządzania energią). Funkcje zarządzające zwykle są obsługiwane z użyciem urządzeń przetwarzających dane.
Wśród elementów infrastruktury sterującej i monitorującej należy wyróżnić funkcje operatorskie. Obejmują one: zarządzanie systemem, występującymi zdarzeniami oraz stanami wartości w systemie; ustawiania parametrów pracy oraz ręcznego sterowania włącz/wyłącz, lokalnych operacji pomieszczeniowych. Funkcje operatorskie są dostarczane przez systemowy interfejs użytkownika. Składają się z grafik, rysunków i animacji specyficznych dla danego projektu, informacji tekstowych oraz odpowiednio przypisanych punktów danych. Dane wejściowe z funkcji operatorskich są przetwarzane przez inne funkcje. Dane wyjściowe dla funkcji operatorskich są wysyłane na jednostki wyświetlające, drukarki optyczne i akustyczne urządzenia sygnalizacyjne lub są dostarczane do innych funkcji wewnątrz BACS w celu dalszego przetwarzania.
Istotnym elementem realizacji systemów automatyzacji i sterowania są prace inżynierskie. Są one usługami specyficznymi dla systemu w procesie projektowania, instalacji i konfiguracji oraz komisjonowania i bindowania podczas uruchamiania BACS. Prace inżynierskie można opisać jako systematyczne stosowanie wiedzy i metod naukowych i technicznych (tzw. know-how) oraz doświadczeń w projektowaniu, wdrażaniu, testowaniu i dokumentacji oprogramowania i urządzeń dla systemu [24], [25].
Urządzenia i systemy automatyzacji i sterowania budynku (BACS) umożliwiają sterowanie podsystemami technicznymi budynku zapewniając realizację wielu funkcjonalności począwszy od zapewnienia bezpieczeństwa , a na komforcie użytkowania skończywszy. Istotną rolę wśród tych funkcjonalności ma również możliwość oddziaływanie na efektywność energetyczną budynku, poprzez monitoring i sterowanie podsystemami technicznymi budynku, z których najważniejsze to:
1. ogrzewanie,
2. przygotowanie ciepłej wody użytkowej, 3. chłodzenie,
4. wentylacja i klimatyzacja, 5. oświetlenie,
6. ochrona przed słońcem,
7. pozostała elementy zużywające energię w budynku.
Wpływ elementów infrastruktury sterującej i monitorującej na efektywność energetyczną budynków można zdefiniować przez funkcje sterowania, które będą realizowane dla poszczególnych podsystemów technicznych i funkcji budynku. Funkcje te i procedury będą z jednej strony realizowały sterowanie zmierzające do zmniejszenia zużycia energii, a równocześnie realizowały algorytmy zgodne z aktualnym trybem użytkowania budynku i z potrzebami użytkownika. Dla poszczególnych podsystemów można zdefiniować zestawy
34
funkcji automatycznego sterowania, których algorytmy mogą być realizowane. W uproszczeniu, każdy z podsystemów i instalacji technologicznych może być sterowana na cztery sposoby: (i) bez sterowania automatycznego, (ii) z automatycznym sterowaniem centralnym, (iii) z indywidualnym, autonomicznym sterowaniem pomieszczeniem, (iv) z indywidualnym sterowaniem pomieszczeniem, z komunikacją z systemem nadrzędnym oraz z funkcją sterowania zależną od zapotrzebowania (np. od obecności użytkownika, aktualnej temperatury wewnętrznej i zewnętrznej, trendu temperatury zewnętrznej itp.). Należy podkreślić, że o wpływie elementów infrastruktury sterującej i monitorującej na efektywność energetyczną budynków w bardzo dużym stopniu decyduje sposób konstrukcji i realizacji instalacji technologicznych zastosowanych w budynku. Im bardziej instalacje te umożliwiają dostarczenie poszczególnych form energii do indywidualnego pomieszczenia lub strefy, tym lepsza będzie jakość wpływu systemów automatyzacji i sterowania budynkiem. Zestawienie funkcji sterowania poszczególnych podsystemów wykorzystujących niezbędne elementy infrastruktury sterującej zostało przedstawione w tabeli nr 2.2
Tabela 2.2. Sterowanie możliwe do zastosowania w poszczególnych podsystemach technologicznych i funkcjach w budynku
1. Podsystem ogrzewania
1.1. Sterowanie emisją (wydatkiem)
1.2. Sterowanie emisją przez termoaktywne systemy budynkowe (ang. TABS)
1.3. Sterowanie temperaturą w sieci zasilania ciepłej wody (na zasilaniu lub powrocie) 1.4. Sterowanie pompami w sieci zasilania
1.5. Sterowanie z przerwami zasilania i/lub dystrybucji
1.6. Sterowanie źródłem ze względu na spalanie i ogrzewanie z sieci miejskiej 1.7. Sterowanie źródłem dla pomp ciepła
1.8. Sekwencyjne sterowanie różnymi źródłami 1.9. Zasobniki energii termicznej (ang. TES) 2. Podsystem zasilania w ciepłą wodę użytkową
2.1. Sterowanie temperaturą w zasobniku ciepłej wody użytkowej (DHW) ze zintegrowanym ogrzewaniem elektrycznym lub elektryczną pompą ciepła
2.2. Sterowanie temperaturą w zasobniku ciepłej wody użytkowej (DHW) z zastosowaniem zewnętrznych źródeł ciepła
2.3. Sterowanie temperaturą w zasobniku ciepłej wody użytkowej (DHW) z zastosowaniem zewnętrznych źródeł ciepła lub zintegrowanego ogrzewania elektrycznego, w zależności od sezonu
2.4. Sterowanie temperaturą w zasobniku ciepłej wody użytkowej (DHW) z zastosowaniem kolektorów słonecznych i zewnętrznych źródeł ciepła
2.5. Sterowanie pompą obiegową ciepłej wody użytkowej (DHW) 3. Podsystem chłodzenia
3.1. Sterowanie emisją (wydatkiem)
3.2. Sterowanie emisją przez termoaktywne systemy budynkowe (ang. TABS)
3.3. Sterowanie temperaturą w sieci zasilania wody chłodniczej (na zasilaniu lub powrocie) 3.4. Sterowanie pompami w sieci zasilania
3.5. Sterowanie z przerwami zasilania i/lub dystrybucji
3.6. Blokada pomiędzy ogrzewaniem i chłodzeniem w emisji i dystrybucji 3.7. Sterowanie różnymi źródłami chłodu
35 3.9. Zasobniki energii termicznej (ang. TES) 4. Podsystem sterowania wentylacją i klimatyzacją
4.1. Sterowanie przepływem powietrza na poziomie pomieszczenia
4.2. Sterowanie temperaturą powietrza w pomieszczeniu (systemy powietrzne) 4.3. Sterowanie temperaturą powietrza w pomieszczeniu (systemy powietrzno-wodne) 4.4. Sterowanie przepływem powietrza wywiewanego
4.5. Sterowanie przepływem powietrza lub ciśnieniem na poziomie jednostki przygotowującej powietrze
4.6. Sterowanie zabezpieczeniem przed zeszronieniem strony wywiewu wymiennika odzysku ciepła/chłodu
4.7. Sterowanie wymiennikiem ciepła (zapobieganie przegrzewaniu) 4.8. Swobodne chłodzenie mechaniczne
4.9. Sterowanie temperaturą powietrza zasilającego 4.10. Sterowanie wilgotnością
5. Podsystem sterowania oświetleniem
5.1. Sterowanie od obecności (zajętości) pomieszczenia 5.2. Sterowanie od oświetlenia dziennego
6. Podsystem sterowania żaluzjami (roletami) 6.1. Sterowanie żaluzjami
7. Techniczne zarządzanie domem i budynkiem 7.1. Możliwości obsługi
7.2. Wykrywanie usterek w systemach domowych i budynkowych i zapewnienie wspomagania diagnostyki tych usterek
7.3. Raportowanie ze względu na zużycie energii, warunki wewnętrzne oraz 8. Funkcja obecności w pomieszczeniu lub strefie
8.1. Program czasowy
8.2. Ocena zajętości pomieszczenia
9. Funkcja zapewnienia warunków środowiskowych w pomieszczeniu 9.1. Wybór odpowiedniej formy energii i obliczanie punktów nastaw
9.2. Sterowanie temperaturą w pomieszczeniu (ogrzewanie, chłodzenie, klimatyzacja) 9.3. Sterowanie wentylacją
10. Funkcja zapewnienia warunków oświetlenia 10.1. Sterowanie oświetleniem
11. Funkcja ochrony przed wpływem energii słonecznej
11.1. Ochrona przed czynnikami pogodowymi (dotyczy zewnętrznych elementów zacieniających np. markizy
11.2. Sterowanie przeciw oślepiające 11.3. Sterowanie żaluzjami (roletami)
11.4. Wspomaganie ogrzewania albo chłodzenia 11.5. Sterowanie napędem elektrycznym