Przyszłość Systemów Zarządzania Budynkiem i Energią BMS SZE BEMS

Marnotrawstwo energii w dużej mierze wynika z niewykorzystania potencjału automatyki systemu zarządzania budynkiem (BMS) na każdym etapie cyklu życia obiektu Projekt> Wykonawstwo> Rozruch> Eksploatacja. Punktuje konkretne  obszary do poprawienia efektywności energetycznej systemów BMS oraz wskazuje możliwości rozwoju.

Artykuł powstał na kanwie przemyśleń przed konferencją Projekt BMS 2017 https://projektbms.pl na którą zostałem zaproszony.  Konferencja Projekt BMS 2017, jako jedyna, jest poświęcona głównie tematyce systemów BMS/SZE i będzie dobrą okazją, by skonfrontować rzeczywiste potrzeby i braki z aktualnymi trendami i ofertami dostawców rozwiązań.

Primo – skoordynowane i przemyślane założenia i działania na każdym etapie życia budynku.

         Główny Energetyk – Energy Manager, Building Commissioning – dział koordynujący prace od założeń projektowych po eksploatację. System Zarządzania Budynkiem BMS musi być przemyślanie międzybranżowo skoordynowany oraz dostosowany do wymagań inwestora i przyszłego przeznaczenia budynku. Wiele razy widziałem, kiedy brak efektywnej współpracy poszczególnych instalacji, np. chłodzenia i ogrzewania, co oczywiście jest zadaniem systemu BMS.  Energetyk na każdym etapie dopinałby globalnie w skali obiektu optymalizację energetyczną współpracujących ze sobą instalacji i specjalistów branżowych pracujących na tym. Efektywność energetyczna wzrośnie dzięki prawidłowemu dopilnowaniu automatyki i jej funkcjonalności oraz zastosowanych rozwiązań w każdym cyklu życia obiektu. Dostawca systemów BMS, BEMS (Building Energy Management Systems), SZE (System Zarządzania Energią)  przypisywałby Energetyka jako Asesora do każdego projektu. Taki swoisty mentor przydałby się do dopilnowania do  konsultacji z inwestorem, projektantem, wykonawcą, jak i dbałby o prawidłowe wdrożenie. W etapie gwarancji okresowo wspomagać i dostrajać system zarządzania budynkiem. Dodatkowa usługa byłaby korzystna dla wszystkich. Dostawca rozwiązań posiada informacje z pierwszej linii frontu, dzięki czemu ulepsza na bieżąco swoje produkty, a Inwestor/użytkownik cieszy się dopracowanym budynkiem o bardzo wysokiej efektywności energetycznej. Obecnie  w dużej niniejsze założenia realizowane są poprzez  BUILDING COMMISSIONING jak przez proces certyfikacji budynków BREEAM, LEED strona Polskiego Green Building Council o certyfikacji BREEAM (link już nieaktywny) itp.

Software VS Hardware

Zwiększanie inteligencji automatyki budynku BMS poprzez polepszenie jakości oprogramowania automatyki. Mówi się o inteligentnych budynkach, lecz obecna inteligencja budynków w większości  polega na zaimplementowaniu prostych algorytmów sterowania instalacjami/urządzeniami. Przykładowo zwykłe proste harmonogramy włącz/wyłącz zamiast zaawansowanego algorytmu dostosowania się do warunków zewnętrznych/wewnętrznych czy zaawansowanej współpracy między instalacjami/urządzeniami. Zazwyczaj lokalne urządzenia, jak centrale wentylacyjne, pompy ciepła, agregaty chłodnicze itp. posiadają bardzo zaawansowaną i efektywną energetycznie lokalną automatykę producencką. Pomimo wszystko w pojęciu globalnym całego obiektu stosuje się proste i często nieefektywne algorytmy sterowania. Często nawet nie ma jakiejkolwiek współpracy między systemami pomimo istniejących możliwości automatyki budynkowej. Np. brak korelacji pracy i nastaw centrali wentylacyjnej z klimatyzacją poszczególnych pomieszczeń, co prowadzi do zjawiska jednoczesnego grzania i chłodzenia.  Przykładowo centrala podgrzewa powietrze zewnętrzne np. z 10 do 20 stopni, a w pomieszczeniach biurowych, gdzie często mamy duże zyski ciepła z komputerów, ludzi i szklanej elewacji, musimy je znacząco chłodzić. Takie przypadki widywałem nawet w prestiżowych nowoczesnych obiektach, co daje pole do popisu procesowi optymalizacji energetycznej budynków poprzez usprawnienia istniejących algorytmów sterowania. Optymalizacja energetyczna eksploatowanych budynków w poradniku: Podstawy optymalizacji energetycznej obiektów

Sztuczna inteligencja i algorytmy genetyczne przyszłością dla automatyki BMS SZE BEMS

Dzisiejsze systemy automatyki obiektów (BMS) i Systemy Zarządzania Energią (SZE) są na tyle inteligentne, jak zaprogramowano w chwili oddania instalacji. Standardowe algorytmy sterowania i regulatory PID mają bardzo duże ograniczenia w zwiększaniu efektywności energetycznej. Szczególnie w pojęciu globalnym współdziałania instalacji oraz w obliczu zmieniających się warunków pogodowych i użytkowania obiektu. W zaawansowanej formie systemy  powinny wykorzystywać zarówno dane historyczne, jak i wspomniane wcześniej metody predykcji (prognozy). Dobrym przykładem potwierdzającym skuteczność wysuwanych wniosków jest zastosowanie sztucznej inteligencji opartej na sieciach neuronowych przez Pana Eryka Chmielnickiego ceet.pl. Algorytm genetyczny? Jest to najoptymalniejszy algorytm według ustalonych kryteriów, np. zużycia energii, wyłoniony w procesie „ewolucji”, „selekcji naturalnej” algorytmów.  Takie rozwiązania inteligentne rzucają całkowicie nowe światło na oprogramowanie automatyki BMS/SZE i pewnie trochę czasu minie, zanim będą powszechnie stosowane względem całego obiektu. Poprzez aktywne działanie obsługi budynku w realizowaniu bieżących korekt nastaw i sterowania w zależności od pogody, użytkowania ograniczyć zużycie energii o kilka %. Lecz ile można siedzieć przed komputerem oraz ile można wykonać operacji w 1 momencie? Jako mechatronik i praktyk zarządzania optymalizacji przez systemy BMS uważam, że zastosowanie wspomnianych rozwiązań jest kolejnym krokiem ku poprawie efektywności energetycznej, który ograniczy wpływ operatora, a może stanie się od niego lepszy? Kiedyś mówiono, że komputer nie wygra z człowiekiem w szachy… dr inż. Piotr Bartkiewicz  z Politechniki Warszawskiej w monografii „Budynki o niemal zerowym zużyciu energii”  http://kodnzeb.pl/?page_id=557 wskazuje na trendy w stosowaniu sieci neuronowych, logiki rozmytej oraz algorytmów genetycznych.

Standaryzacja danych – Projekt Haystack

Wprowadzanie danych w standardzie Haystack  https://project-haystack.org/ daje bardzo szeroką i łatwą możliwość wymiany danych między instalacjami budynkowymi – klimatyzacja, pomieszczeniowe centrale wentylacyjne, kontrola dostępu etc.  Standaryzacja daje wielkie ułatwienie również dla instalatorów w czasie oprogramowywania nowego i istniejącego budynku, gdzie dużo łatwiej sposób możną włączać do systemu kolejne urządzenia, szczególnie te w dużych ilościach, jak klimakonwektory, centrale wentylacyjne, kontrola dostępu.

Funkcjonalności poprawiające efektywność energetyczną w eksploatacji

Monitoring zużycia energii poszczególnych instalacji pozwala wykrywać nieprawidłowości w pracy instalacji, urządzeń czy zarządzaniu i konserwacji budynku.  Dostajemy również bardzo dobre narzędzie do optymalizacji energetycznej budynku.  Zużycie system BMS może odnosić do wskaźników wzorcowych i aktualnych wskaźników pogodowych, np. stopniodni grzania / chłodzenia. Na rynku już są dostępne podobne  usługi: (strona firmy G4E o usłudze Green FM, link już nieaktywny) Przy odpowiednim monitoringu zużycia energii w biurowcu możemy włączyć do gry całe biura,  które  by walczyły o osiągniecie jak  najlepszego wskaźnika zużycia energii i wody na 1 pracownika lub m2. Najlepsze zespoły biura dostają bonus i są na wyróżnieniu na jakiejś tablicy czy ekranie w głównym wejściu… – Diagnostyka efektywności energetycznej urządzeń oraz wykrywanie anomalii w zużyciu energii i pracy urządzeń na podstawie danych archiwalnych i założeń projektowych. W niedawno oddanych budynkach i spotykałem niesprawne odzyski ciepła bez alarmowania użytkownika, choć to ewidentnie można wywnioskować ze wskazań czujników. – Wyliczanie mocy elektrycznej, cieplnej i chłodniczej central wentylacyjnych bez liczników? Wiele falowników  udostępnia dane poboru mocy. A do wyliczenia (oszacowania) ciepła i chłodu wystarczą czujniki przepływu i odpowiednio umiejscowione czujniki temperatury, które często i tak często są w standardzie. – Załadowanie do harmonogramów domyślnych dni świątecznych i sugeruje i ułatwia użytkownikowi przełączanie instalacji w tryb świąteczny. – Podpowiadanie użytkownikowi optymalnych harmonogramów pracy urządzeń i innych możliwości optymalizacji. Na podstawie zliczania osób wchodzących/wychodzących i wskazań czujników CO2. Monitoring obecności może być zrealizowany poprzez wykorzystanie istniejącego systemu kontroli dostępu, pracy oświetlenia lub/i dodatkowego systemu zliczania osób. – Dostosowanie parametrów pracy na podstawie prognozy pogody. Wychodząc latem wcześnie rano, kiedy to jeszcze jest chłodno, wiedząc, że popołudniem upał, nie ubieramy się jesiennie, czyli przewidujemy – działamy inteligentnie i przewidujemy. Obecnie automatyka systemu zarządzania budynkiem reaguje tylko na bieżące warunki pogodowe, nic nie przewidując. Przykładowo w okresach przejściowych ogrzewamy rano powietrze, by za chwilę je chłodzić. Innym przykładem są upalne dni – automatyka intensywnie chłodzi obiekt dopiero wtedy, gdy już jest dość gorąco, w konsekwencji w takich tropikalnych warunkach trudno i mało efektywnie energetycznie jest wychłodzić obiekt. System BMS, wiedząc, że będzie upalny dzień, mógłby załączać odpowiednio wcześniej układ chłodzenia lub przewietrzania, wykorzystując poranny chłód w celu wychłodzenia obiektu, kiedy to korzystne. Agregaty chłodnicze pracują z większą sprawnością rano, kiedy to temperatura zewnętrzna jest najniższa w ciągu doby. Tak samo w zimę system BMS, wykorzystując prognozę pogody na kolejny dzień, mógłby adekwatnie do przyszłych warunków pogodowych załączać ogrzewanie, by wygrzać pomieszczenia. Systemy BMS, wyprzedzając działaniami pogodę, są kolejnym krokiem do podniesienia efektywności energetycznej budynków. Jak widzimy, wiele z powyższych rozwiązań są to głównie zagadnienia „Software”, które zwiększają stopień wykorzystania i integracji urządzeń / instalacji, przy stosunkowo niedużych ewentualnych nakładach „Hardware’owych”.

Efekt Priusa i grywalności – nagradzający monitoring zużycia energii, czyli Green FM.

Tabliczki o oszczędzaniu energii itp. większość ludzi „zlewa”, najważniejszy jest komfort i to często w przesadzie, bo przecież personalnie za rozsądne gospodarowanie (efektywność energetyczna) użytkownik czy zarządca nie odpowiada personalnie.   Co innego, kiedy jesteśmy nagradzani (chociaż informowani) za zużycie energii na każdy m2. Można do tego dodać element grywalności, a nawet współzawodnictwa. Przykładowo szczególnie nagradzamy raz w miesiącu najbardziej gospodarną grupę ludzi (np. wybrane biuro w budynku).  Dla zarządców i obsługi technicznej profity będą ze wskaźnika zużycia energii na każdy m2 w odniesieniu do warunków atmosferycznych (stopniodni grzania i chłodzenia itp.) w danym miesiącu.

System wspomagania ograniczania kosztów stałych energii elektrycznej i cieplnej

Systemy BMS SZE BEMS pomagają głównie w ograniczaniu zużycia energii, lecz mamy ponadto potencjał w oszczędności na kosztach stałych związanych z mocą zamówioną.  Moc zamówiona cieplna i elektryczna to koszt ponoszony przez cały rok. Praktyka pokazuje, że moc zamówiona w większości przypadków jest dużo zawyżona. Związane jest to z brakiem narzędzi wspierających wyznaczenie optymalnej mocy zamówionej oraz okresowymi krótkimi skokami mocy.  Więcej Moc Zamówiona na celowniku – Optymalizacja zapotrzebowania na energię i mocy Większość istniejących systemów automatyki BMS mogłaby wspierać użytkownika w ograniczeniu kosztów mocy zamówionej poprzez: a) Przetwarzanie i archiwizację danych przydatnych przy doborze mocy zamówionej.

Poniżej przykład z raportu systemu zarządzania energią systemu Siemens, który jest pomocny przy ograniczeniu mocy zamówionej węzła cieplnego na podstawie realnego zapotrzebowania. b) Dynamiczne zarządzanie energią w celu ograniczenia skoków mocy – mocy zamówionej. Automatyka odczytuje aktualnie zużywaną moc obiektu z analizatora sieci i poprzez tymczasowe odłączenie mało ważnych obwodów i funkcjonalności ogranicza skoki maksymalnej mocy w celu zachowania mocy zamówionej na założonym poziomie.  Uchronić ma to przed kosztami przekroczeń mocy umownej, którą możemy znacznie zredukować w stosunku do przypadku braku strażnika mocy. W kolejnictwie z powodzeniem stosuje się proste strażniki mocy, które mogą tymczasowo ograniczyć przepływ energii do trakcji na korzyść zapewnienia zasilania obiektów stacjonarnych. Tutaj o systemie w dużej części spełniającym wspomniane potrzeby zdobyte na drodze eksploatacji: http://www.vpplant.pl/pl/enabler-dsr/ Na poziomie gastronomiiii z powodzeniem funkcjonuje system zarządzania energią – strażnik mocy:

System Zarządzania Energią Kuchni

Kolejną sprawą jest rozwój elektromobilności, co wiąże się z chwilowymi znaczącymi poborami mocy od szybkich ładowarek samochodów.  Dynamiczne zarządzanie energią – strażnik mocy może jak najbardziej uniknąć potrzeby zwiększania kosztownej mocy zamówionej, a nie daj Boże mocy przyłączeniowej (zdolność przyłącza do przenoszenia mocy) co wiązałoby z jeszcze większymi kosztami.

🔗 Aktualizacja – Link do  artykułu  i  rozwiązującej opisywane wcześniej problemy:

vpplant.pl

Podsumowując, w każdym przypadku potrzebne są prawdziwie inteligentne systemy zarządzania użytkowaniem energii lepiej wykorzystujące w pełni możliwości automatyki budynkowej(software)  Wspominane w artykule zalecenia  i problemy dotyczące software blogu problemy  zaczynają być po części skutecznie rozwiązywane przy pomocy znacznych środków na cele badawcze, jak: www.vpplant.pl/pl/obems/ .  Zmiany hardwerowe jedynie pozwoliłyby pogłębić oszczędności zużycia energii, zmniejszyć koszty eksploatacji oraz zwiększenie komfortu. Bibliografia:

• Portal i monografia „Budynki o niemal zerowym zużyciu energii” specjalistów z Politechniki Warszawskiej http://kodnzeb.pl/
• Doświadczenie autora i konsultacje ze specjalistami.