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 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 dostępu Kontrola dostępu
Bezpieczeństwo
Bezpieczeństwo Ochrona p.poż.Ochrona p.poż.
Urządzenia ziębnicze Urządzenia ziębnicze
Ogrzewanie, wentylacja, klimatyzacja
Ogrzewanie, wentylacja,
klimatyzacja Sterowanie windamiSterowanie windami Telewizja przemysłowa
Telewizja przemysłowa Inne systemyInne 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
Wykrywanie pożaru
Oświetlenie Obsługa techniczna
Kontrola dostępu
Automatyka instalacji System antywłamaniowy
CHILLERPLANT
CHILLERPLANT
Integracja systemów....
Kontrola dostępu
CHILLERPLANT
Automatyka HVAC Sterowanie oświetleniem Wykrywanie włamania Wykrywanie pożaru Zarządzanie zużyciem energii
Telewizja dozorowa Nadzór instalacji techn.
...wspólna magistrala (sieć) komunikacyjna ...wspólna magistrala (sieć) 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
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
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 zarządzania
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 zarządzania
Poziom komunikacji i sterowników
obiektowych DDC
DDC
DDC
DDC
Router
LE
LG LC
Wzmacniacz
LC
licznik ciepła
licznik gazu
licznik ciepła 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 cząstkowych zarządzania energią
w budynku na poziomie stacji operatorskich i na poziomie sterowników
jedno urządzenie (komputer)
Dane do obliczeń
Stacja operatorska
BEMS
Sterownik
obiektowy Sterownik obiektowy
Sterownik obiektowy
Opomiarowanie
obiektowe Opomiarowanie obiektowe
Opomiarowanie obiektowe
Interface
Zarządzanie zużyciem energii - poziom sterowników
Obniżenie nocne - programy czasowe
Optymalny czas startu/stopu Pasmo zerowej energii
Chłodzenie nocne Kontrola obecności
Obecność Optymalny
czas startu
Oszczędności energii
Noc Noc
Czas Optymalny czas stopu
Frost
TEMP.
Tryb nocny Tryb dyżurny 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
Wpływ czujnika obecności na program czasowy
Optymalizacja temp. zasilania Kontrola CO2
Kontrola jakości powietrza (VOC)
“Obcinanie” zużycia szczytowego
Kontrola entalpii (T i RH) - recyrkulacja Sterowanie oświetleniem
Temperatura zewnętrzna Czas
Temperatura wody
Temperatura zewnętrzna Lato
Zima
Nastawa temp. Zużycie energii elektrycznej Ograniczenie górne
Zarządzanie zużyciem energii
Zarządzanie zużyciem energii -- poziom sterownikówpoziom sterowników
Optymalizacja temp. zasilania
Temperatura zewnętrzna, °C
Temperatura zasilania, °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
Energia, GJ
0 50 100 150 200
Rozbiór 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 12 Godzina
Energia, GJ
0 50 100 150 200
Rozbiór 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 12 Godzina
Energia, GJ
0 50 100 150 200
Rozbiór 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 12 Godzina
Energia, GJ
0 50 100 150 200
Rozbiór 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 12 Godzina
Energia, GJ
0 50 100 150 200
Rozbiór c.w.u., dm3
Rozbiór c.w .u. dm3 Energia cieplna GJ
24h 14,2
24h BEMS 13,7
10,8 BEMS
9,8
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Tydzień 1 Tydzień 2
Energia, 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
Energia, 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
Zużycie energii cieplnej, 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-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.
