Systemy zarządzania energią w budynkach dla zwiększenia efektywności energetycznej DR INŻ. JACEK BISKUPSKI POLITECHNIKA KRAKOWSKA AGH KRAKÓW

Transkrypt

1 Systemy zarządzania energią w budynkach dla zwiększenia efektywności energetycznej DR INŻ. JACEK BISKUPSKI POLITECHNIKA KRAKOWSKA AGH KRAKÓW

2 Kim jestem? Z wykształcenia : chemikiem, informatykiem i ekonomistą Z zamiłowania: Bojownikiem o zrównoważony rozwój Pracuje jako: wykładowca Systemów Energii Odnawialnych i Wpływów środowiskowych pozyskiwania energii odnawialnych oraz Praktycznych Zastosowań pomp ciepła w budownictwie jednorodzinnym na PK i AGH w Krakowie Uprawnienia: Projektanta/instalatora systemów PV (UDT), Certyfikatora Energetycznego (PK), Instalatora Pomp ciepła i PV (kilku firm), doradcy (Green Associate) w systemie LEED Mieszkam w zrównoważonym domu nzeb (Dom Galia w Jerzmanowicach koło Pieskowej Skały ) Jestem członkiem PLGBC (Polska), UCS (Union of Concerned Scientists w USA) W 2016 r otworzyłem przewód doktorski na temat budynków nzeb (PK w Krakowie)

3 Teza 1 Współczesne budownictwo (podobnie jak wiele innych dziedzin życia ) nie może się już funkcjonować bez zaawansowanych i rozbudowanych systemów elektroniczno informatycznych, głównie z powodów efektywności oraz wpływów środowiskowych. Przykład 1 -VW Garbus 1974 nie da się nim dziś jeździć bo ma zbyt dużą emisjię zanieczyszczeń ze spalin. Przykład 2 - Dom z lat 70 - bez głębokiej termomodernizacji nie ma sensu wstawiać nowoczesnego kotła czy pompy ciepła, bo nie będzie dobrze działać powodując frustrację i starty Konsekwencją tego jest zarówno konieczność przeglądów auta co roku jak i unowocześnienia infrastruktury technicznej budynków.

4 Współczesne systemy sterowania wyposażeniem technicznym budynku mieszkalnego Aktualnie, prawie każde urządzenie wyposażenia techniczne domu mieszkalnego ma swój sterownik (kocioł, rekuperator, kominek, pompa ciepła, pralka, zmywarka) Wszystkie one mają możliwość sterowania czasowego, pogodowego, sytuacyjnego (np. funkcja party) Zgranie ich i optymalizacja współdziałania wymaga od użytkownika podejmowania szeregu sekwencyjnych działań zmieniających się wielokrotnie w ciągu roku (praktycznie 24 h przez 365 dni w roku). Zastosowanie (nieprzewidywalnych) źródeł energii odnawialnych stwarza dodatkową konieczność regulacji i korekty reakcyjnej Proste sterowanie czasowe czy pogodowe na zasadzie włącz- wyłącz kiedy natsąpi to nie sprawdza się w rozbudowanych systemach domów energooszczędnych gdzie wymwgane jest współdziałanie Proste systemy dają duże odchyły od nastaw optymalnych powodując tym samym konieczność stałego nadzoru i korygowania parametrów przez użytkownika (lub akceptację dla zwiększonych opłat i emisjii).

5 Porównanie systemu BMS z pojedynczymi sterownikami vs zintegrowany BMS Pojedyncze sterowniki Kotła, pompy ciepła sterowanie czasowe, reakcja na temp zew., brak możliwości zdalnej korekty krzywej kotłowej Rekuperatory, sterowanie czasowe, brak możliwości korekty nastaw z zewnątrz Źródła OZE sterowanie czasowe, sztywna praca ongrid lub off-grid, korzystamy lub oddajemy ee BMS Steruje reakcyjnie wykorzystuje pseudointeligentne(ai)* algorytmy postępowania Możliwość korekty krzywej kotłowej * Rekuperatory* pełna możliwość współpracy z HVAC Możliwość przełączania pomiędzy źródłami dla OŹE*(, zmienna praca off i on grid), składowanie ee i późniejsze jej wykorzystanie w domu, prowadzenie bilansu ee przez cały rok

6 Przykłady sterowania przez system alarmowy lub/i pogodowy System pogodowy firmy NetAtmo (IoS) Możliwość pomiaru wszystkich parametrów komfortu klimatycznego oraz zewnętrznych paramatrów pogodowych Zapis wszystkich danych w chmurze Brak możliwości realnego sterowania 1 maks 2 wyłączniki typu termostatowego włącz/ wyłącz System alarmowy polskiej firmy Możliwość pomiaru temperatur, otwarcia okna, wilgotności, zalania wejścia Brak możliwości wykonywania algorytmów wielokronie złożonych (tylko proste działanie wł- wył) oraz brak możliwości sterowania linowego (np V dla sterowania 0-100%)

7 Konieczność wprowadzenia systemu zintegrowanego W roku 2005 w swojej książce Intelligent Buildings prof. Derek Crome napisał, że optymalnym rozwiązaniem zarządzania infrastrukturą techniczną Domu Zrównoważeonego jest jego zintegrowanie automatyczne zarządzanie przez inteligentny system zarządczy W Polsce ( ), żaden ze znanych autorowi systemów sterowników dostawców infrastruktury (pomp ciepła, rekuperatorów, oświetlenia, systemów PV) NIE ZAPEWNIA TAKIEGO WSPÓŁDZIAŁANIA ani też możliwości programowania i rozbudowy o dalsze (współpracujące) elementy. Systemy BMS takie jak TAC Schneider, Johnson Control itp. Zapewniają integrację z wybranymi urządzeniami ale po protokołach przez nich zaproponowanych a nie wszystkich możliwych Wynika to z zastosowanie systemów zamkniętych (firmowych) zamiast systemów otwartych (LonWOrks, KNX EiB, BAcNet) jako sieci połączeń między sterownikami tych urządzeń oraz braku koncepcji współdziałania w warunkach domowych. Najlepszym rozwiązaniem jest zintegrowany system zarządzania całą infrastrukturą techniczną budynku BMS (*Building Management System) jak np. BMS Unihome

8 Nazewnictwo czy BMS czy może polska nazwa? Pojęcie BMS nawet w zakresie techniki budynkowej przestało być jednoznaczne : BMS Building Management System BMS Battery Management System Polska propozycja Zintegrowany System Zarządzania Budynkiem (ZSZB) System Automatyki Budynkowej SAB Zintegrowany System Automatyki Budynkowej

9 Teza 2 Nie jest możliwe uzyskanie optymalnego efektu sterowania wszystkimi podsystemami domu energoszczędniego bez ich integracji w jednym systemie zarządczym Systemy ogrzewania, chłodzenia i wentylacji (HVAC) Systemy przygotowywania CWU Systemy zamykanie żaluzji i rolet dla celów energet. Systemy zarządzania włączaniem urządzeń domowych Urządzenia oraz systemy OZE

10 11 przykładów na słuszność Tezy 2 Pomiar temperatury pomieszczeń 1. Sterowanie temperaturą pomieszczeń nie może odbywać się w stosunku do jednego wybranego pomieszczenia (klasyczny układ kotła gazowego lub pompy ciepła), ponieważ pomieszczenia mają różne przeszklenia i różny wpływ słońca oraz wychłodzenia (zależny od stron świata) 1A zintegrowany system BMS który mierzy temperaturę w każdym pomieszczeniu i indywidualnie (w zależności od nasłonecznienia/wychłodznia oraz obecności lub nie domowników wskazuje na konieczność redukcji/podwyższenia ogrzewania. W konsekwencji sterowniki pomieszczeń sterują zaworami grzewczymi danej strefy Można to zrobić na zasadzie indywidualnego sterowania, ale trzeba będzie zmieniać nastawy w każdym pomieszczeniu (np. 8 ) co najmniej 4 razy do roku. Jest to szczególnie trudne przy ogrzewaniu powierzchniowym

11 11 przykładów na słuszność Tezy 2 Wentylacja wyciągowa indywidualna 2Q W jaki sposób zapewnić odpowiednią, ekonomicznie uzasadnioną, liczbę wymian powietrza w budynku nie znając źródeł i intensywności zanieczyszczeń? Lokalnie mierzyć stężenie CO2 czy wentylaować zgodnie z normą PN? Większość systemów wentylacji (i rekuperacji) stosuje czujnik CO2 który zwiększa wentylację po przerokoczeniu zadanego poziomu 2A VoD wentylacja sterowana, system BMS mierzy cały czas stężenie CO2 i dopasowuje intensywność wentylacji do potrzeb całego budynku, tak aby zapewnić optymalny zadany poziom w całym domu

12 11 przykładów na słuszność Tezy 2 Wentylacja indywidualna nawiewna 3Q Z podobnych jak w przypadku przyczyn (strony świata, nasłonecznienie) wentylacja powinna nawiewać/wywiewać świeże powietrze o określonych parametrach do różnych pomieszczeń. Jak nawiewać powietrze do 10 pomieszczeń mierząc ich temp i wilgotność tylko w jednym? 3A BMS mierząc temperatury w poszcz. Pomieszczeniach (w ważnych również wilgotność i zaw. CO2) dopasowuje temperaturę i intensywność wymian powietrza do REALNYCH potrzeb budynku (raz dogrzewa a raz schładza powietrze nawiewane) i indywidualnie je nawiewa do pom.

13 11 przykładów na słuszność Tezy 2 Efektywnie chłodzenie pomieszczeń 4Q W jaki sposób efektywnie chłodzić różne pomieszczenia mając do dyspozycji tylko 1-2 czujniki temp pomieszczeń? Jak reagować na wzrost temperatury w pomieszczeniach okresowo nasłonecznionych? 4A- BMS mierzy temp w każdym z pomieszczeń i steruje indywidualnie intensywnością schładzania pomieszczeń w których występuje nasłonecznienie zamykając żaluzje (lub tylko przymykając lamele) lub rolety tam gdzie zagrożony jest komfort klimatyczny (ale nie powodując zaciemnienia pomieszczeń pomiar naświetlenia wew.) oraz zwiększa/zminiejsza intensywność nawiewu

14 11 przykładów na słuszność Tezy 2 Efektywne zarządzanie energią OZE 5 Q W jaki sposób efektywnie zarządzać CWU w systemie wspomaganym z OZE? Klasycznie źródło CWU nagrzewane jest z paneli słonecznych i dogrzewane z gazu/en.el bez wpływu na to kiedy pozyskujemy (dochodzi problem wakacji) 5 A - BMS mając świadomość w jakim okresie roku i doby jakie są potrzeby w zakresie CWU decyduje kiedy składować a kiedy zrzucać nadmiary ciepła co CO lub i basenu.

15 11 przykładów na słuszność Tezy 2 Efektywne zarządzanie uzyskami słonecznymi g 6Q W jaki sposób efektywnie i automatycznie zasłaniać żaluzje w budynku tak aby optymalizować zapotrzebowanie na ciepło/chłód szczególnie pod nieobecność domowników? 6 A - BMS mając świadomość w jakim stanie obecności mieszkańców jest proponuje (sms, ) kiedy zamykać a kiedy przymykać żaluzje/rolety tak aby ograniczać zapotrzebowanie na energię w budynku (ważne szczególnie w okresie letnim).

16 11 przykładów na słuszność Tezy 2 Efektywne zarządzanie energią z OZE 7 Q W jaki sposób zapewnić najefektywniejsze wykorzystanie OZE (np. paneli słonecznych czy PV) w okresie całego roku, skoro (klasycznie) rozdzielone są one od systemu CO i magazynowanie energii i można co najwyżej oddawać do OSD? 7 A BMS analizując zapotrzebowanie na energię w budynku, wylicza co powinien zrobić z chwilowymi nadmiarami z OZE i magazynuje ją (w akumulatorach lub OSD), włączając ją następnie do obiegu w czasie kiedy to jest potrzebne. Jest to jedyne rozwiązanie pozwalające na dynamiczne kreowanie bilansu zeroenergetycznego w budynku nzeb

17 11 przykładów na słuszność Tezy 2 Efektywne zarządzanie energią z ZE 8 8Q jak najefektywniej wykorzystać tani prad z ZE? Grzać wodę (w II strefie) na cele CO czy na CWU do jakiej temperatury? Gdzie ją magazynować? 8A BMS wylicza dobowe zapotrzebowanie (na podstawie wielu parametrów) oraz wpływu energii słonecznej na budynek na potrzebną energię i decyduje czy potrzebne jest nagrzewanie okresowe czy nie. Jeżeli wyliczy że tak to dokonuje tego automatycznie, jeżeli nie to rezygnuje z tego.

18 11 przykładów na słuszność Tezy 2 Efektywne zarządzanie energią biwalentną 9Q Zakładając system biwalentny ( a nawet multienergetyczny dla domu energooszczędnego), np. pompę ciepła, kocioł na paliwo stałe (np. kominek) czy panele słoneczne (ST czy PV), jak zapewnić ciągłość dopływu energii HVAC do budynku tak, aby utrzymywać stałe zadane temperatury nie biegając pomiędzy urządzeniami? 9A- BMS stale monitorując energię z poszczególnych źródeł dokonuje przełączenia pomiędzy nimi tak aby wykorzsytyać najbardziej ekonomicznie energie dostarczone z zewnątrz (np.. wg algorytmu 1Słońce, 2. Biomasa, 3 Pompy ciepła 4. Prąd grzanie oporwe)

19 10 przykładów na słuszność Tezy 2 Efektywne zarządzanie względem pogody 10Q każdy sterownik urządzeń ma najczęściej zewnętrzny czujnik temperatury włączający urządzenia grzewcze/klimtyzayjne wg. zadanych progów zadziałania. Zdarza się, że wahanie dobowe działając wg zadanych progów, powodują włączanie ogrzewania w nocy a chłodzenia w dzień. Dotyczy to nawetnowocześnych pomp ciepła sterowanych z jednego pomieszczenia. Jak temu przeciwdziałać?

20 11 przykładów na słuszność Tezy 2 Efektywne zarządzanie względem pogody 10A system BMS musi wiedzieć jaką mamy porę roku i porę doby i postępować różnie w przypadku różnych stanów przejściowych, ignorując nawet (czy powiedzielibyśmy - wytrzymując nerwowo;-) chwilowe wahania temperatur i blokując reakcyjne zadziałanie systemu wynikające z przekroczenia progu temperatury włączenia ogrzewania czy chłodznia A efektem jest optymalizacja budynku do klasy nzeb

21 10 przykładów na słuszność Tezy 1-10 Efektywne zarządzanie zintgegrowane 10W jaki sposób zarządzać tym wszystkim z jednego miejsca a nie z 6 programów PC i 3 aplikacji telefonicznych? 10 A Przy pomocy jednego zintegrowanego systemu BMS z dowolnego PC lub/i smartfonu.

22 Widok z panelu systemu BMS Unihome Wydruk !

23 BMS rekuperacja

24 Wykres zeroenergetyczności budynku nzeb w wyniku zastosowania sterowania BMS Budynek niezbilansowany Źródło: Jacek Biskupski :bilanse budynków nzeb w warunkach Polski, PolSl 2017

25 Budynek nzeb zbilansowany Źródło: Jacek Biskupski: Bilanse budynków nzeb w warunkach Polski, PolSl 2017

26 System BMS daje możliwość bilansowania nzeb Budynek zbilansowany II szczegóły

27 Dziękuję za uwagę DR INŻ. JACEK BISKUPSKI

28 Doświadczenia projektowe HVAC+BMS w jednorodzinnych domów energooszczędnych Pierwszy wzorcowy dom GALIA (Jerzmanowice pod Krakowem) 2003 (Euco= kwh/m2/a) Dom w Gliwicach (250 m2) (Euco= 20 kwh/m2/a) PC Gruntowa, GWC, rekuperacja, żaluzje sterowane lamele, BMS Unihome Dom w Swoszowicach (350 m2) z basenem (Euco= 40 kwh/m2/a) Dwie powietrzne pompy ciepła, rekuperacja z PC, kominek z płaszczem, fotowoltaika, BMS Unihome Dom jednorodzinny w Radziechowy (280 m2) Dwie pompy ciepła (gruntowa i pow.), rekuperatir, kominek z pł.wod, fotowoltaika, BMS Unihome Dom jednorodzinny w Warszawie Wawer(290 m2) 2014 (Euco= 50 kwh/m2/a) Kocioł gozowy, pompa ciepła, panele solrne CPC, kominek z płaszczem, rekuperator, BMS Unihome