Wpływ BMS na charakterystykę energetyczną budynku.

Transkrypt

1 Technika instalacyjna w energooszczędnym budownictwie. Wpływ BMS na charakterystykę energetyczną budynku. dr hab. inż. prof. PP Zakład Ogrzewnictwa, Klimatyzacji i Ochrony Powietrza Instytut Inżynierii Środowiska Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechnika Poznańska mgr inż. Zakład Informatyki Stosowanej Wydział Fizyki Uniwersytet Adama Mickiewicza

2 Technika instalacyjna w energooszczędnym budownictwie. Plan wystąpienia: 1) Wstęp zarządzanie energią. Fakty. 2) Certyfikacja energetyczna budynków. 3) BMS jako integrator systemów technicznego wyposażenia budynku. 4) Systemy IIBMS w odniesieniu do charakterystyki energetycznej. 5) Podsumowanie i wnioski końcowe.

3 1. Wstęp zarządzanie energią.. Fakty. Struktura bezpośredniego zużycia energii przez sektory gospodarki w Polsce. Na ogrzewanie budynków, ich oświetlenie, podgrzanie CWU, klimatyzację, użytkowanie RTV i AGD itp. potrzebujemy więcej energii niż na cały przemysł, czy też transport. Na podstawie: EU Energy and Transport in Figures, Komisja Europejska 2008

4 Ponad 40% wykorzystywanej energii w Polsce przypada na budynki. W tym: ok % przypada na budynki mieszkalne, ok. 6-8% przypada na pozostałe obiekty budynkowe (obiekty handlowe, służby zdrowia, szkolne, rzędowe, przemysłowe ). Zużycie energii w budynkach mieszkalnych przedstawia się następująco: Na podstawie: KAPE

5 Jak zatem i czy w ogóle Polak oszczędza energię? Jakie zna Pan/Pani sposoby oszczędzania energii, które można zastosować domu? W jaki sposób oszczędza Pan/Pani energię w swoim mieszkaniu/domu? (8% nie!!!) Na podstawie: Raport TNS OBOP Polacy o oszczędzaniu energii

6 1a. Cele i możliwo liwości oszczędno dności energii. Jednym z celów i zadań w gospodarce Polski zgodnych z dyrektywami UE jest poprawa efektywności energetycznej. Zatem? Zmniejszenie zużycia energii w sektorze budynków zdecydowanie przyczyni się do realizacji założonego celu, Oszczędności zużycia energii uzyskane zostaną dzięki efektywnym energetycznie budynkom.

7 1b. Podjęte działania. ania. Certyfikacja energetyczna budynków wyznaczenie charakterystyki energetycznej budynku (np. Dania, po wprowadzeniu certyfikowania w przeciągu 30 lat uzyskała 50% redukcję w zużyciu energii w budownictwie). Termomodernizacja budynków w tzw. technologicznym zakresie: uszczelnienie przegród (ocieplenie od zewnątrz i wewnątrz ścian zewnętrznych, ocieplenie dachów i stropodachów, wymiana okien), usprawnienie systemu wentylacji (systemy wentylacji z odzyskiem ciepła), usprawnienie i modernizacja instalacji obwodów CO i CWU (oraz wprowadzenie rozliczania kosztów ogrzewania i zużycia ciepłej wody użytkowej).

8 1b. Podjęte działania ania cd. Wykorzystanie energii odnawialnej: energia cieplna ze spalania biomasy (dedykowane kotły), energia cieplna od promieniowania słonecznego (kolektory słoneczne), zastosowanie pomp ciepła (wykorzystanie ciepła z ziemi lub zbiorników wodnych), energia geotermalna (z głębi ziemi), energia elektryczna z elektrowni wodnej lub elektrowni wiatrowej Optymalizacja sterowania systemami technicznego wyposażenia budynków (kierunek minimalizacja zużycia energii przy maksymalnie wydajnych układach) IBMS (Intelligent Building Management System)

9 2. Certyfikacja energetyczna budynków. W celu poprawy i wzrostu efektywności energetycznej budynków wprowadzono ocenę energetyczną budynku, która prowadzi do wyznaczenia charakterystyki energetycznej budynku. W wielu krajach UE na podstawie charakterystyki energetycznej budynku dokonuje się określenia klasy danego budynku: niskoenergetyczny (20-45kWh/m 2 rok), energooszczędny (45-80kWh/m2 rok), średnioenergooszczędny (80-100kWh/m2 rok), średnioenergochłonny ( kWh/m2 rok), energochłonny ( kWh/m2 rok), bardzo energochłonny (ponad 250kWh/m2 rok). Źródło.:

10 Charakterystyka energetyczna budynku. Charakterystyka energetyczna budynku jest to zbiór danych i wskaźników energetycznych budynku dotyczących obliczeniowego zapotrzebowania na energię: centralne ogrzewanie (CO), ciepła woda użytkowa (CWU), wentylacja, klimatyzacja. oraz (dla części obiektów, budynki niemieszkalne): oświetlenie. Rys.:

11 Charakterystyka energetyczna budynku - korzyści. Certyfikacja energetyczna budynków powoduje: motywację, a wręcz wymuszenie do budowy energooszczędnej, podjęcie działań związanych z termomodernizacją istniejących już budynków. zmniejszenie zużycia energii, zmniejszenie kosztów eksploatacji, ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, bezpieczeństwo prawne (świadectwo jest dokumentem poświadczającym wartość lokalu lub obiektu budowlanego w transakcjach najmu bądź sprzedaży, dla kupującego natomiast jest zabezpieczeniem przed kupnem wadliwego lokalu/obiektu budowlanego).

12 3. BMS jako integrator systemów w technicznego wyposażenia budynku. Building Management System BMS??? (System Zarządzania Budynkiem): to zintegrowany system, który daje możliwość monitorowania i zarządzania wszystkimi urządzeniami i systemami znajdującymi się w budynku i jego otoczeniu jedna z definicji. Budynki z tego typu systemami zwykło nazywać się budynkami inteligentnymi.

13 Czy zatem budynek może e być inteligentny??? Inteligencja to zdolność: dostosowania się umysłu do zaistniałej sytuacji, wrodzonego intelektu do przyjęcia informacji o zaistniałej sytuacji i dostosowania się do niej w zgodzie z już posiadanymi zasobami. Zatem kim lub czym jest umysł budynku, który będzie odwzorowywał jego inteligencję?

14 Inteligencja budynku jest zatem (cytaty) inteligencja zaczyna się tam, gdzie występuje reakcja na zmiany zachodzące w środowisku - rozwiązania, dzięki którym budynek "rozumie" nasze polecenia, mogą uczynić go inteligentnym, budynek inteligentny to taki, który potrafi dostosować się do potrzeb użytkowników, a także zaadaptować nowoczesne technologie, wyznacznikiem inteligencji budynku jest pełna integracja działających w nim podsystemów, budynek "inteligentny" ma zapewniać komfort i bezpieczeństwo użytkownikom, inteligentny budynek ma zapewniać maksymalny zwrot nakładów inwestycyjnych, zainstalowanie odpowiednich systemów nie wystarczy, aby budynek był inteligentny ; potrzebne są jeszcze osoby, które będą potrafiły tę inteligencję z obiektu wydobyć, inteligencja budynku nie powinna przerastać inteligencji użytkowników

15 3a. Inteligentny budynek instalacje BMS. Realizacja budynku tylko z systemami (nawet zautomatyzowanymi) technicznego wyposażenia budynku nie kwalifikuje go do uznania za budynek inteligentny. Inteligencja budynku polegać będzie na integracji i wzajemnym oddziaływaniu wszelkich systemów składowych (to jest właśnie rola BMS u). Rys.:

16 W skład systemu zarządzania budynkiem wchodzą: w zakresie bezpieczeństwa użytkowników (DMS Danger Management System; SMS Security Management System): podsystem wykrywania i sygnalizacji pożaru (FAS Fire Alarm System), podsystem wykrywania, sygnalizacji i zabezpieczenia przed włamaniem (IS Intrusion System), podsystem kontroli dostępu do wybranych pomieszczeń i stref budynku (ACS Access Control System), podsystem telewizji dozorowej (CCTV Closed Circuit Television), w zakresie higieny i komfortu (BAS Buliding Automation System): podsystem ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC), podsystem sterowania pracą instalacji elektroenergetycznej (oświetlenie, rozdzielnice elektryczne i stacje transformatorowe), podsystem sterowania transportem wewnętrznym (windy, drzwi, etc), podsystem sterowania łącznością i przepływem informacji.

17 Źródło: Integrated Building System GigaCon

18 BMS to zatem... inteligenta infrastruktura sprzętowa wpisana we wszystkie planowane i przewidywane funkcje inteligentnej instalacji o rozproszonych zasobach informacyjnych, zrealizowana jako system fool-proof ( idioto-odporny ) o wysokiej trwałości i łącząca automatykę wszelkich urządzeń z informatycznym zarządzaniem. Rys.:

19 Oczekiwania od inteligentnego budynku: zapewnienie bezpieczeństwa życia i mienia, sprawne i niezawodne działanie wszystkich mediów, a tym samym niezawodność dostaw, właściwe warunki mikroklimatu wewnętrznego, wspomaganie pracy (sprawny i niezakłócony obieg informacji), zagwarantowanie niskich kosztów utrzymania budynku, niskie zapotrzebowanie na energię i niska emisja zanieczyszczeń do środowiska, wysoki komfort (realizacja potrzeb człowieka), wysoka wartość i atrakcyjność rynkowa, możliwość stosunkowo łatwego dostosowania do nowych, zmieniając się potrzeb (elastyczność, łatwość adaptacji).

20 3b. Inteligentny budynek integracje systemów. Hierarchiczny system sterowania przemysł.

21 BMS Hierarchiczny system inteligentnego budynku. Źródło: Integrated Building System GigaCon

22 BMS Hierarchiczny system inteligentnego budynku. 1) Poziom pierwszy wykonawczy: następuje kontakt z otoczeniem, środowiskiem, ciągły pomiar czujniki, powoduje, że na podstawie danego algorytmu regulator uruchamia dane urządzenie wykonawcze, komunikacja następuje za pomocą połączeń fizycznych, 2) Poziom drugi automatyzacji: każdy sterownik sprawuje nadzór nad daną sekcją; posiada lokalny procesor, oprogramowanie, lokalny system decyzyjny, moduł komunikacyjny, pamięć, komunikacja przebiega w określonych protokołach łącz fizycznych lub w dedykowanych sieciach przemysłowych,

23 BMS Hierarchiczny system inteligentnego budynku. 3) Poziom trzeci zarządzania informacją: stacje wizualizacji i ciągłego monitoringu procesów, interfejs operator komputer, komunikacja przebiega w sieci LAN, Ethernet, 4) Poziom czwarty administracji: nadzór nad całością procesu, baza danych, archiwizacja wszystkich niezbędnych danych, komunikacja LAN, Ethernet.

24 3c. Inteligentny budynek przeznaczenie. Inteligentne budynki mają różne przeznaczenia i wielkość: budynki biurowe (wieżowce), budynki handlowe (markety), budynki edukacyjne (szkoły, uczelnie), budynki służby zdrowia (szpitale, przychodnie), budynki przemysłowe (hale produkcyjne), domy mieszkalne (bloki, domki jednorodzinne, wille). Wobec każdego budynku są inne oczekiwania, a tym samym i konieczność instalacji różnych systemów.

25 Inteligentne mieszkanie, dom. Oczekiwania i funkcje dla inteligentnego mieszkania, domu: sterownie ogrzewaniem, klimatyzacją i wentylacją, monitoring drzwi i okien (systemy bezpieczeństwa), sterowanie roletami i oświetleniem, monitoring wizyjny, wideofon, obsługa audio-video, zdalny dostęp do systemów w domu (przez tel. kom. lub Internet). Rys.:

26 Inteligentny biurowiec. Oczekiwania i funkcje dla inteligentnego biurowca: integracja urządzeń oraz magistral automatyki, monitoring systemów bezpieczeństwa (włamania i napadu, p.poż., kontroli dostępu), sterowanie i monitoring HVAC, sterowanie i monitoring oświetlenia, monitoring zasilania (awaryjne), systemy wew. TV (monitoring), pełna obsługa uprawnień użytkowników. Rys.:

27 Inteligentny hotel. Oczekiwania i funkcje dla inteligentnego hotelu: automatyzacja czynności ogólnie powtarzalnych (oświetlenie hallu, wind, korytarzy, etc.), monitoring systemów bezpieczeństwa (p.poż., kontroli dostępu), sterowanie i monitoring HVAC (uzależnione od aktywacji pokoju), monitoring zasilania (awaryjne), systemy wew. TV (monitoring), pełna obsługa uprawnień użytkowników. Rys.:

28 3d. BMS -> > IBMS -> > IIBMS (wczoraj( wczoraj-dziś-jutro) Kompleksowy system BMS powinien integrować wszystkie systemy istniejące w budynku. Jedynie w pełni zintegrowany system jest w stanie zagwarantować stabilne i optymalne (pod każdym względem) funkcjonowanie budynku. IBMS Integrated Building Management System Chcąc uzyskać w odpowiednich systemach IBMS u optymalne i stabilne sterowanie bez względu na wszelkie zakłócenia, powinno wprowadzać się do tych systemów algorytmy sztucznej inteligencji (samoadaptacyjne, rozmyte, neuronowe, czy neuronowo-rozmyte). IIBMS Intelligent Integrated Building Management System

29 2d. Zasada 3E i 3O dla IIBMS W pełni zintegrowany i wyposażony w inteligencję system IIBMS powinien spełniać 2 zasady: 3E, czyli: ekonomiczny, energooszczędny, ekologiczny; 3O, czyli zapewniający: ochronę informacji, ochronę fizyczną, ochronę systemów.

30 3. Systemy IIBMS w odniesieniu do charakterystyki energetycznej. Certyfikacja energetyczna budynków prowadząca do wyznaczenia charakterystyki danego budynku oraz systemy IIBMS w inteligentnym budynku dążące do optymalizacji sterowania i regulacji wszelkich systemów występujących w budynku mają wspólne cele: minimalizowanie zużycia energii w budynku, minimalizowanie kosztów eksploatacji. Przez to sam budynek staje się: bardziej atrakcyjny na rynku, funkcjonuje w zgodzie z otoczeniem (jest ekologiczny), jest bardziej funkcjonalny i przyjazny dla użytkownika.

31 Wpływ systemów w IIBMS na poszczególne elementy charakterystyki energetycznej. Elementy charakterystyki energetycznej, na które system IIBMS NIE MA WPŁYWU Dane podstawowe: informacje adresowe, dane o przeznaczeniu i technologii wznoszenia. Dane klimatyczne: strefa klimatyczna, naturalne zacienienie, szerokość geograficzna. Krotność wymiany powietrza n 50 : szczelność budynku (technologiczna), osłonięcie budynku. MA WPŁYW Ogrzewanie: sterowanie instalacją CO, regulacja temp. miejscowej i strefowej, możliwości tzw. czasowego obniżenia (nocne, weekendowe, brak obecności etc.). Wentylacja: sterowanie obwodami instalacji wentylacji, wentylacja z odzyskiem, wentylacja z regulatorami VAV. Chłodzenie: sterowanie obwodami instalacji klimatyzacji, regulacja temp. miejscowej i strefowej.

32 Wpływ systemów w IIBMS na poszczególne elementy charakterystyki energetycznej. Elementy charakterystyki energetycznej, na które system IIBMS NIE MA WPŁYWU Geometria budynku: współczynnik kształtu, kubatura budynku, powierzchnia przegród. MA WPŁYW Ciepła woda użytkowa (CWU): sterowanie obiegiem w obwodzie CWU, priorytetowość obwodu CWU. Oświetlenie: sterowanie oświetleniem w zależności od obecności osób, sterowanie oświetleniem w korelacji ze światłem dziennym. Urządzenia pomocnicze. Optymalizacja sterowania: pomp CO i CWU, siłowników, zaworów, wentylatorów, urządzeń sterujących.

33 Wyznaczanie charakterystyki energetycznej - parametry. Wyznaczając charakterystykę energetyczną budynku wyliczany jest wskaźnik zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotna E P oraz energia końcową E K, na które wpływ mają przede wszystkim tzw. obciążenia: wewnętrzne: pochodzące od ludzi, pochodzące od oświetlenia, pochodzące od maszyn i urządzeń, od przenikania z sąsiadujących pomieszczeń zewnętrzne: od przenikania przez przegrody nieprzezroczyste, od przenikania przez przegrody przezroczyste, od promieniowania przez przegrody przezroczyste, wynikające z infiltracji powietrza zewnętrznego.

34 Nie zapomnijmy o użytkowniku u i zapewnieniu mu komfortu klimatycznego. Schemat blokowy przepływu sygnałów w systemie utrzymania komfortu klimatycznego.

35 Wyznaczanie charakterystyki energetycznej z uwzględnieniem systemów w IIBMS. 1) Analiza ruchu ludzi: sterowanie oświetleniem, sterowanie obwodami ogrzewania, wentylacji, chłodzenia, w algorytmach samoadaptacyjnych uwzględnianie wpływu samego człowieka na mikroklimat. Rys.: D.Shrestha Winoa State University

36 Wyznaczanie charakterystyki energetycznej z uwzględnieniem systemów w IIBMS. 2) Oświetlenie: wspominane wcześniej uzależnienie od obecności człowieka, regulacja z wykorzystaniem światła dziennego. Rys.: zawód: architekt 02/2009

37 Wyznaczanie charakterystyki energetycznej z uwzględnieniem systemów w IIBMS. 3) Przegrody przezroczyste: sterowane rolety, żaluzje wewnętrzne ograniczają wpływ promieniowania, sterowane rolety, żaluzje zewnętrzne ograniczają wpływ wiatru. Rys.: xcomfort.pl

38 Wyznaczanie charakterystyki energetycznej z uwzględnieniem systemów w IIBMS. 4) Wentylacja/chłodzenie: systemy wentylacji z odzyskiem ciepła (rekuperacja), systemy sterowania z regulatorami VAV.

39 Wyznaczanie charakterystyki energetycznej z uwzględnieniem systemów w IIBMS. 5) Ogrzewanie: sterowanie lokalne i rozproszone, funkcje zadawanych obniżeń, funkcje wyłączenia danego obwodu, w algorytmach regulacji samoadaptacyjnej i niekonwencjonalnej uwzględnianie zmieniającej się dynamiki obiektu. Rys.: compit.pl

40 4. Podsumowanie. Systemy BMS (IIBMS) mają ten sam cel z certyfikacją energetyczną zatem jak najbardziej mają wpływ na charakterystykę energetyczną budynku, Zużycie energii przez budynki to ok. 40% w całej skali, zatem poprawa ch-ki energetycznej z wykorzystaniem systemów BMS jak najbardziej ma sens!!!, Należy pamiętać, że wszystkie systemy technicznego wyposażenia budynku powinny być już ujęte w fazie projektu budynku, Sensownym i powodującym kompleksowe sterowanie wszystkimi elementami w budynku jest pełna integracja systemów BMS (IBMS).

41 4. Podsumowanie. Wpływającym na optymalizację sterowania z oduzależnieniem się od wszelkich czynników zakłócających jest wprowadzenie w poszczególne obwody regulacji samoadaptacyjnej i niekonwencjonalnej, Minimalizacja do granic możliwości technicznych zapotrzebowania na energię spowodować może pogorszenie się samego mikroklimatu pomieszczeń (ważne są odczucia człowieka), Należy pamiętać, że instalacje wszystkich obwodów mają być dla człowieka, a nie człowiek dla nich!!!, Świadomość klienta podnosi się. Coraz częściej nie będzie już tylko pytał ile samochód pali na setkę, ale ile pali również moje mieszkanie, dom, biuro (ile energii ono zużywa przy eksploatacji???).

42 4. Podsumowanie. Cykl życia budynku trwa ok. 40lat. Automatyka wraz ze wszelkimi systemami BMS jest instalowana w czasie jego budowy. Koszt budowy budynku wynosi ok.11% kosztów w całym cyklu jego życia. W tych 11% ok.1-2% to koszt systemów sterowania. Te 1-2% ma wpływ na ograniczenie 75% kosztów związanych z całym użytkowaniem budynku. Na podstawie: automatyka-budynkowa.com

43 DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ