Komputerowe systemy zarządzania energią w budynkach Wykład 4 Podstawy informatyczne

Transkrypt

1 Komputerowe systemy zarządzania energią w budynkach Wykład 4 Podstawy informatyczne Jan SYPOSZ

2 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.

3 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 zaopatrzeniawenergię imedia średnio wciągu roku w zakresie od 10 do 50%

4 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

5 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.

6 Instalacje BAS w nowoczesnym budynku biurowym Kontrola dostępu Urządzenia ziębnicze Telewizja przemysłowa Inne systemy Bezpieczeństwo Ogrzewanie, wentylacja, klimatyzacja Sterowanie windami Ochrona p.poż.

7 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.

8 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.

9 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.

10 Instalacje infrastruktury technicznej w nowoczesnym budynku biurowym zarządzane przez IBMS

11 Zarządzanie budynkiem - systemy niezależne Automatyka instalacji Oświetlenie Kontrola dostępu System antywłamaniowy Wykrywanie pożaru Obsługa techniczna CHILERPLANT CHILERPLANT

12 Integracja systemów... HVAC Sterowanie oświetleniem Kontrola dostępu Wykrywanie włamania Wykrywanie pożaru Telewizja dozorowa Zarządzanie zużyciem energii Nadzór instalacji techn. CHILLERPLANTAutomatyka...wspólna magistrala (sieć) komunikacyjna oraz jeden standard wymiany informacji np.

13 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.

14 Centralny system zarządzania podział funkcjonalny obsługi. Instalacje techniczne System wykrywania pożaru Ochrona, Systemy bezpieczeństwa. CHILLERPLANT

15 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,

16 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.

17 Zakres działania BMS STEROWANIE I MONITORING ZUŻYCIA ENERGII BEMS WODA ZARZĄDZANIE ENERGIĄ AUTOMATYKA INSTALACJI TECHN. AUTOMATYKA HVAC BAS SZTUCZNE OŚWIETLENIE BMS KONTROLA DOSTĘPU IB OBSŁUGA TECHNICZNA WYKRYWANIE POŻARU OCHRONA ANTYWŁAMA -NIOWA

18 Pożądane cechy BMS Do podstawowych cech jakie powinny posiadać systemy BMS należą: otwartość systemu, niezawodne medium komunikacyjne, przyjazna w obsłudze stacja dyspozytorska.

19 Struktura (hierarchiczna)systemów BMS (BEMS) Poziom zarządzania Poziom sterowników systemowych DDC DDC DDC DDC DDC DDC Poziom sterowników obiektowych Lx LC Poziom aparatury polowej LE H T

20 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.

21 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.

22 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.

23 Wymagania stawiane BMS inter -operacyjność najnowsze technologie integracja systemów przyjazne oprogramow. otwartość i skalowalność niezawodność pracy KOMPUTEROWY SYSTEM ZARZĄDZANIA zarządzanie informacją opomiarowanie zużycia algorytmy DDC utrzymanie komfortu procedury optymalizacji generowanie oszczędności

24 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.

25 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.

26 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.

27 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).

28 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.

29 Struktura otwartego systemu BMS (BEMS) Poziom zarządzania internet Wzmacniacz DDC licznik en.elek. LE DDC DDC licznik gazu licznik ciepła Poziom komunikacji i sterowników obiektowych LC LG LC DDC licznik ciepła Router

30 Struktura funkcyjna BEMS System automatyki budynkowej Pomiar zużycia energii i mediów Pomiar parametrów klimatu STEROWANIE i REGULACJA MONITORING ZARZĄDZANIE ENERGIĄ Dostosowanie dostaw Ograniczanie zużycia Optymalizacja Harmonogram pracy Kalendarz serwisowy Rozliczenia za zużycie Obsługa techniczna RAPORTY ALARMY INFO

31 Modelowanie energetyczne budynków -model zużycia energii BEMS MODELOWANIE ZAPOTRZEBOWANIA NA ENERGIĘ I MEDIA ENERGTYCZNE MODEL ZUŻYCIA ENERGII W BUDYNKU STEROWANIE W OPARCIU O SPRAWNY MODEL MATEMATYCZNY TYPOWANIE I SYMULACJA PRZEDSIĘWZIĘĆ ENERGOOSZCZĘDNYCH PRZEWIDYWANIE EFEKTU CZYNNOŚCI ENERGOOSCZĘDNYCH

32 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

33 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

34 Struktura BEMS wykorzystującego emulator obiektu EMULATOR Model matematyczny Oprogramowanie aplikacyjne algorytmów cząstkowych zarządzania energią w budynku na poziomie stacji operatorskich i na poziomie sterowników Dane do obliczeń Sterownik obiektowy Opomiarowanie obiektowe jedno urządzenie (komputer) SYSTEM BEMS Interface Stacja operatorska BEMS Sterownik obiektowy Opomiarowanie obiektowe Wyniki symulacji Sterownik obiektowy Opomiarowanie obiektowe

35 Zarządzanie zużyciem energii - poziom sterowników Obniżenie nocne - programy czasowe Optymalny czas startu/stopu Pasmo zerowej energii Chłodzenie nocne Kontrola obecności Wpływ czujnika obecności na program czasowy 2 2 Tryb nocny Tryb dyżurny 0 Tryb komfortowy 0 2 Optymalny czas startu Frost Obecność Optymalny czas stopu Oszczędności energii TEMP Noc Noc Czas

36 Zarządzanie zużyciem energii - poziom sterowników Optymalizacja temp. zasilania Kontrola CO2 Kontrola jakości powietrza (VOC) Obcinanie zużycia szczytowego Kontrola entalpii (T i RH) -recyrkulacja Sterowanie oświetleniem Temperatura wody Nastawa temp. Lato Zima Zużycie energii elektrycznej Ograniczenie górne Temperatura zewnętrzna Temperatura zewnętrzna Czas

37 Optymalizacja temp. zasilania Temperatura zasilania, C P1 P2 P3 P4 P5 Temperatura zewnętrzna, C

38 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 iprzesuwa wyłączenie na inne, -załącza do ruchu rezerwowe źródła energii, -przywraca założone nastawy oraz programowo załącza odbiory energetyczne natychmiast gdy to jest możliwe.

39 Przykład systemu - BEMS C-6 PARAMETRY KLIMATU ZEWNĘTRZNEGO CENTRALE KLIMATYZACYJNE STACJE OPERATORSKIE POMIAR ZUŻYCIA MEDIÓW TEMPERATURY WEWNĘTRZNE LABORATORIA BADAWCZE WĘZŁY CIEPŁOWNICZE

40 Układ przygotowania c.w.u. Ograniczenie zużycia ciepła przez dostosowanie czasu pracy układu c.w.u. i cyrkulacji: Energia, GJ 0,04 0,03 Rozbiór c.w.u. dm3 Energia cieplna GJ Rozbiór c.w.u., dm3 Energia, GJ 0,04 0,03 Rozbiór c.w.u. dm3 Energia cieplna GJ Rozbiór c.w.u., dm3 0, , , , Godzina Godzina 0

41 Układ przygotowania c.w.u. Ograniczenie zużycia ciepła przez dostosowanie czasu pracy układu c.w.u. i cyrkulacji: Energia, GJ 0, , , , % 22% 24h 14,2 32% Rozbiór c.w.u. dm3 Energia cieplna GJ GJ 26% 27% 76% 23% BEMS 10,8 31% 34% 32% 24h 13,7 29% BEMS 9, % 23% 24% Rozbiór Rozbiór c.w.u., c.w.u., dm3 dm3 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% sty lut mar Tydzień kwi 1 maj cze lip sie wrztydzień paź 2 Godzina lis gru 60,0 46,3 55,0 42,6 42,9 29,3 57,5 44,3 51,7 38,0 48,2 34,9 44,7 31,0 40,8 27,1 41,5 28,3 47,9 34,3 57,4 44,2 57,6 44,0 5% 0% 24h BEMS Oszczędność %

42 Ograniczenie zużycia ciepła Zużycie energii cieplnej, GJ % 92% Zużycie energii cieplnej, GJ Wartość procentowa 85% 105% 100% 95% 90% % / / / % 75% Zużycie ciepła w budynku C-6 w trzech kolejnych sezonach pracy BEMS C-6, sprowadzone do warunków sezonu 2003/2004.

43 Uzyskane oszczędności W sezonie badawczym 2005/2006 dzięki BEMS C-6 uzyskano następujące oszczędności: Lp Cel Osłabienia c.o. w święta i długie weekendy (307 godzin) Korekta mocy c.o. od nasłonecznienie w strefie zachodniej Wyłączenia c.w.u. w godzinach 22:00-5:00 Osłabienie zasilania w ciepło wentylacji w godzinach 19:00-7:00 Energia cieplna Energia elektryczna Razem 5 069,75 zł 141,83 zł 5 211,58 zł 5 572,47 zł - zł 5 572,47 zł 5 978,70 zł 122,64 zł 6 101,34 zł 1 442,45 zł 360,00 zł 1 802,45 zł ,84 zł Stanowi to 8,3% rocznych kosztów energii dla części wysokiej budynku C-6.

44 Wnioski 1. Opracowane algorytmy regulacji imodele energetyczne BEMS C-6 doskonale nadają się do zastosowania winnych obiektach.

45 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.

46 Dziękuję za uwagę