Zarządzanie energią w zabudowie rozproszonej

*****
W artykule przeanalizowano specyfikę rynku energetycznego w Polsce, a także przedstawiono propozycję systemów zarządzania budynkami w zabudowie rozproszonej. Wyjaśniono pojęcie protokołów komunikacyjnych oraz zwrócono uwagę na możliwości odpowiedniego oprogramowania do zarządzania energią.

Energy management in dispersed settlements

The article analyses the specifics of the energy market in Poland and presents proposals for building management systems in dispersed settlements. It explains the concept of communication protocols and highlights the possibilities of suitable software for energy management.
*****

Zastosowane w Polsce rozwiązania wykazały skuteczność energetyczną i ekonomiczną systemów zarządzania energią także w obiektach rozproszonych, pozwalając uzyskać oszczędności energii i kosztów na poziomie od 5 do 10%. Obecne warunki geopolityczne i niestabilny rynek paliw kopalnych powinny się stać impulsem do rozwoju technologii opartych na energetyce rozproszonej. Chmurowe systemy automatyki gwarantują rozwój takiej energetyki w Polsce oraz poprawę krajowej efektywności energetycznej.

Czytaj też: Integracja automatyki budynkowej a efektywność energetyczna

Struktura produkcji energii w Polsce i w UE

Analizując polski rynek energetyczny, nie sposób nie odnieść się do standardów UE i porównać sytuację w naszym kraju oraz w państwach o wyższym standardzie energetycznym i ekologicznym. Gruntowne analizy i wynikające z nich wnioski powinny zachęcić do podjęcia odpowiednich decyzji.

Poniższy artykuł nie stanowi próby analizy systemów energetycznych, ale odnosi się do konieczności (bądź nie) stosowania systemów sterowania i zarządzania energią w budownictwie rozproszonym. Omówienie aktualnej struktury energetycznej w Polsce pozwoli ustalić poziom, od którego można planować rozwój inteligentnych systemów zarządzania energią.

Miks energetyczny

W 2020 r. energia zużywana w polskich gospodarstwach domowych aż w 25,5% pochodziła z węgla kamiennego, natomiast w UE średnio w 2,4%. Warto dodać, że w Polsce zdecydowana większość energii elektrycznej pozyskiwana jest nadal ze spalania węgla, w tym brunatnego, znaczny jest również udział węgla kamiennego w ciepłownictwie sieciowym. Jeśli zsumujemy dane dla ciepłownictwa, energetyki i bezpośredniego spalania, udział węgla w całości energii zużywanej w gospodarstwach domowych można oszacować na ok. 50%. Z kolei na biomasę składa się głównie drewno opałowe, spalane z niską sprawnością energetyczną. Polski miks energetyczny zaprezentowano na RYS. 1, a na RYS. 2 zestawiono dla porównania źródła energii w 27 krajach UE.

Jeżeli chodzi o źródła odnawialne, w Polsce największy udział w zużyciu energii mają biopaliwa stałe – 71,6%, na drugim miejscu jest energia wiatru – 10,85%, a na trzecim biopaliwa ciekłe – 7,79%. Podobnie wygląda sytuacja w 27 krajach UE, jednak udział biopaliw stałych w miksie OZE jest tu znacznie mniejszy i wynosi 40,26%. Szczegółowe informacje podano na RYS. 3 i 4.

Każde z wymienionych źródeł energii, również odnawialne, może zostać zintegrowane w ramach nadrzędnego systemu sterowania i zarządzania energią, tzw. systemu makro, oraz w lokalnym, czyli budynkowym systemie mikro. Tym samym odpowiednie zarządzanie energią umożliwi jej optymalne wykorzystanie zarówno z tradycyjnych, jak i alternatywnych źródeł, w tym z OZE.

Zarządzanie energią a jej koszty

Czy zastosowanie nowoczesnych systemów zarządzania energią w budownictwie pozwala obniżyć zużycie energii oraz koszty eksploatacyjne? Takie pytanie pada najczęściej na spotkaniach poświęconych efektywności energetycznej, warto zatem przeanalizować historyczne uwarunkowania rozwoju technologii sterowania i zarządzania energią.

Konieczność sterowania procesami energetycznymi znana jest od czasów pierwszego użycia ognia. Początkowo realizowana była w oparciu o doświadczenie „palacza” oraz stałą kontrolę procesów energetycznych. Od połowy XX w. zaczęto wprowadzać do użytku pierwsze urządzenia automatycznie sterujące pracą głównie dużych kotłów lub urządzeń kogeneracyjnych produkujących energię cieplną oraz energię elektryczną. Wyznaczano krzywe grzewcze umożliwiające dostosowanie parametrów pracy urządzeń do warunków zewnętrznych.

W latach 80. XX w. nastąpił rozwój informatyczny – pojawiły się komputery osobiste, a następnie proste urządzenia sterujące, które umożliwiły, a w konsekwencji doprowadziły do stosowania automatycznego sterowania procesami energetycznymi.

Lata 90. XX w. przyniosły szybki rozwój elektroniki i wyposażanie urządzeń grzewczych w automatykę oferowaną przez producentów urządzeń energetycznych. Dziś kotły i pompy ciepła do ogrzewania i chłodzenia wyposażane są w coraz bardziej zaawansowane systemy sterujące.

Rozwój informatyczny, dostępność internetu oraz telefonii komórkowej umożliwiły uruchomienie zaawansowanych systemów zarządzania energią w dowolnej zabudowie. Nadal jednak rozwiązania pozwalające na realne zarządzanie energią w budynkach inteligentnych, takie jak EMS-y lub BMS-y, są wdrażane bardzo rzadko, głównie z powodu kosztów inwestycyjnych. Ponadto użytkownicy posiadający narzędzia do inteligentnego sterowania budynkiem nie potrafią wykorzystywać możliwości tych technologii.

Na podstawie wieloletnich obserwacji można stwierdzić, że im bardziej zaawansowany system zarządzania energią stosowany jest w budynku, tym maleje poziom wykorzystania jego możliwości przez użytkowników (TABELA 1).

Potrzebny specjalista od zarządzania energią

Do obsługi zaawansowanych systemów zarządzania energią w budynkach konieczne może być zatrudnienie specjalisty, zwłaszcza w przypadku systemów wieloobiektowych o podobnych funkcjach. Jeszcze trudniejszym zadaniem jest jednak zarządzanie energią w budynkach o różnych funkcjach. Potrzebne są wówczas analizy dotyczące pojemności cieplnej budynku czy wartości stałej czasowej. Pomocna może być charakterystyka energetyczna budynku wraz z informacją o jego szczelności powietrznej potwierdzona pomiarami.

System sterowania pracą kotłowni nie wymaga najczęściej aż tak skomplikowanych i wielokryterialnych informacji o strukturze budynku. Kotłownie indywidualne wyposażane są w automatykę kotłową sterowaną w oparciu o temperaturę powrotu. Rzadziej stosowana jest automatyka pokojowa działająca w oparciu o temperaturę zadaną w pomieszczeniu referencyjnym. Praca w oparciu o temperaturę zewnętrzną, zadaną wewnętrzną oraz wyznaczoną krzywą grzania pozwala dokładnie i efektywnie sterować pracą kotła. Automatyka kotłowa, której aktualnie podstawowym zadaniem jest zapewnienie wymaganej temperatury wewnętrznej, coraz częściej umożliwia optymalizację zużycia energii.

Sterowanie i zarządzanie energetyczne budynkiem, w którym występują różne urządzenia wyposażone w automatykę producentów, jest zadaniem skomplikowanym. Nadrzędna automatyka, tzw. Master, steruje oraz pozwala na zdalne sterowanie, rejestrowanie zużycia energii, kontrolowanie sprawności wytwarzania, integrację urządzeń, uruchamianie programów czasowych oraz współpracę z serwisem. System taki wymaga odpowiedniego oprogramowania, opomiarowania nośników energii oraz rejestracji odczytów i generowania raportów. Istniejąca automatyka kotłowa prawie zawsze uniemożliwia realizację oczekiwanych przez inwestora zadań stawianych systemom zarządzania energią, czyli zapewnienie komfortu użytkowania przy optymalizacji zużycia energii, minimalizacji kosztów ogrzewania i chłodzenia oraz realizacji zorganizowanych zadań serwisowych.

Wyzwanie na lata 2023–2050

Zgodnie z aktualną mapą drogową renowacji zasobów budowlanych w Polsce, wyznaczoną w ramach długoterminowej strategii renowacji budynków [8], zarządzanie procesami energetycznymi dotyczyć będzie ok. 14 mln budynków. Część z nich, ok. 43%, posiada podstawową automatykę źródeł energii pozwalającą na bardzo uproszczone zarządzanie energią, uniemożliwiające uzyskanie podstawowych korzyści (RYS. 5).

Propozycja systemów zarządzania budynkami w zabudowie rozproszonej

W jaki sposób można wykorzystać infrastrukturę znajdującą się na terenie Polski?

Należy się najpierw przyjrzeć możliwościom wykorzystania protokołów, które nie blokują komunikacji w systemie rozproszonym. Największe możliwości dają protokoły działające w konwencji TCP/IP – sieć internet umożliwia przesył informacji pomiędzy budynkami wchodzącymi w skład podsieci. W 2021 r. na obszarach wiejskich w Polsce ponad 91,8% domów miało dostęp do internetu, w miastach wskaźnik ten był jeszcze wyższy i sięgał nawet 93,8% [3] (RYS. 6).

Aktualna dostępność sieci wiąże się z olbrzymim potencjałem infrastruktury, który mógłby zostać wykorzystany w procesach:

• zarządzania energią w skali makro i mikro (w poszczególnych budynkach),
• zmniejszania zużycia energii,
• poprawy efektywności energetycznej wykorzystania dostępnych źródeł energii, zwłaszcza OZE,
• dekarbonizacji budownictwa oraz decentralizacji energetyki.

Według danych opublikowanych przez GUS, udział energii ze źródeł odnawialnych w końcowym zużyciu energii brutto w Polsce w 2020 r. wynosił ok. 16% i już wymagał wprowadzenia systemów pozwalających optymalnie wykorzystać dostępną energię z OZE.

Zarządzanie energią powinno obejmować, oprócz sterowania produkcją (ciepła i chłodu oraz energii elektrycznej), również:

• zdalne sterowanie pracą urządzeń energetycznych,
• zdalne sterowanie transportem energii,
• zdalne sterowanie temperaturą w pomieszczeniach (regulacja miejscowa),
• zdalne sterowanie temperaturami w strefach termicznych,
• monitoring i zdalne sterowanie magazynowaniem nadmiaru energii w czasie jej zwiększonej konsumpcji, np. energii z PV,
• wykorzystanie zmagazynowanej energii w odpowiednim (zadanym) czasie,
• zdalną regulację forsowania przerw w produkcji energii,
• automatyczną komunikację z serwisem poszczególnych urządzeń energetycznych,
• współpracę z automatyką produktową nadrzędnego systemu integrującego funkcjonowanie budynku z urządzeniami mającymi wpływ na zużycie energii, np. osłonami słonecznymi, wykorzystaniem dostępnych magazynów energii, np. gromadzenie energii słonecznej w zasobnikach c.w.u.,
• monitorowanie zużycia energii przez odpowiednie umieszczenie liczników energii,
• monitorowanie sprawności chwilowej, średniomiesięcznej i rocznej źródeł energii,
• generowanie raportów na temat zużycia energii czy sprawności systemów energetycznych,
• umiejętne wykorzystanie pojemności cieplnej w optymalizacji zużycia energii,
• sterowanie oświetleniem,
• wykorzystanie punktów biwalentnych do sterowania pracą powietrznych pomp ciepła,
• gromadzenie danych mających wpływ na zużycie energii oraz automatyczne generowanie raportów i odpowiednich porównań, w dowolnej konfiguracji wskazanej przez doradcę energetycznego.

Priorytetem jest bezpieczeństwo energetyczne obiektu i jego użytkowników oraz komfort, a także minimalizacja zużycia energii i oddziaływania na środowisko naturalne przy możliwie niskich kosztach eksploatacyjnych. Budynki spełniające takie wymagania stanowią niewielką grupę – nie wymagają modyfikacji czy instalacji systemu zarządzania i optymalizowania zużycia energii.

W TABELI 2 zestawiono (na podstawie analiz własnych) dane nt. budynków, które bardzo często użytkowane są w sposób niewłaściwy, choć posiadają co najmniej następujące rozwiązania:

• sterowanie zasilaniem i powrotem oraz temperaturą w pomieszczeniach (regulacja miejscowa),
• sterowanie temperaturami w strefach termicznych,
• monitoring i zdalne sterowanie magazynowaniem nadmiaru energii, np. z PV,
• wykorzystanie w odpowiednim (zadanym) czasie zmagazynowanej energii,
• regulacja forsowania przerw w produkcji energii, np. czasowe wstrzymanie produkcji energii elektrycznej w przypadku przekroczenia progów jej prognozowanego wykorzystania – w takim wypadku nie jest konieczne magazynowanie energii czy jej przetwarzanie oraz przeciążanie sieci,
• umiejętne wykorzystanie pojemności cieplnej budynku i jego części do optymalizacji zużycia energii.

W kolumnie 4a uwzględniono rozwiązania wyposażone w automatykę wystarczającą do sterowania i optymalizacji zużycia energii, wymagającą jedynie niewielkich inwestycji (np. podłączenie do internetu, wprowadzenie liczników energii, zapewnienie komunikacji ciągłej, gromadzenie danych).

Typ i przeznaczenie budynku nie mają większego znaczenia w aspekcie wdrożenia systemu nadrzędnego dla automatyki. Co więcej, zarządzanie wieloma obiektami, nawet w konfiguracji typu: 1×stacja benzynowa, 2×obiekt handlowy, 1×apteka oraz 1×dom wielorodzinny, może być realizowane z poziomu jednego serwera. Gromadzenie danych pomiarowych dla każdego z budynków umożliwia budowę bazy danych informującą o realnym zużyciu energii elektrycznej i cieplnej, chłodu oraz wody, z podziałem na porę dnia i roku. Dane mogą być gromadzone w okresie nawet 20-letnim, co pozwoli przeanalizować zużycie energii i porównać je z szacowaną sprawnością urządzeń odpowiedzialnych za produkowanie ciepła i chłodu (kotły gazowe, olejowe, węglowe etc.) (TABELA 3 i 4).

Pod kątem rozłożenia w czasie inwestycji, jaką jest system zarządzania energią BMS/EMS, nie ma ograniczeń dotyczących podstawowego zakresu układu nadrzędnego. W pierwszym etapie może on obejmować przykładowo jedynie:

• oświetlenie – komunikacja urządzeń wykonawczych z serwerem, zdefiniowanie sygnałów w systemie, realizacja pracy zgodnie z harmonogramem pracy budynku, funkcjonalnością i zapotrzebowaniem użytkowników;
• instalacje c.o. i c.w.u. – komunikacja urządzeń wykonawczych z serwerem, zdefiniowanie sygnałów w systemie, realizacja pracy zgodnie z harmonogramem pracy budynku, funkcjonalnością i zapotrzebowaniem użytkowników;
• instalacje wentylacyjne – komunikacja urządzeń wykonawczych z serwerem, zdefiniowanie sygnałów w systemie, realizacja pracy zgodnie z harmonogramem pracy budynku, funkcjonalnością i zapotrzebowaniem użytkowników;
• instalacje chłodnicze i klimatyzacyjne – komunikacja urządzeń wykonawczych z serwerem, zdefiniowanie sygnałów w systemie, realizacja pracy zgodnie z harmonogramem pracy budynku, funkcjonalnością i zapotrzebowaniem użytkowników.

Pierwszy etap obejmuje skonfigurowanie przynajmniej jednego systemu technicznego działającego w budynku, który mógłby być zarządzany centralnie. Kolejne etapy mogą zajmować przykładowo 1,5 roku po zakończeniu etapu pierwszego, ale mogą zostać zrealizowane również w tym samym terminie. Uzależnione jest to od budżetu i planów inwestora oraz systemów technicznych, które już się w budynku znajdują.

Systemy zarządzania energią nie powinny mieć ograniczeń wpływających na możliwości rozbudowy i rozwoju systemu nadrzędnego (tj. opłaty licencyjnej uzależnionej od liczby punktów wchodzących w skład systemu oraz ograniczeń limitujących możliwość gromadzenia danych historycznych poza systemem). Informacje powinny być dostępne do analizy w formie tabelarycznej lub bazy danych, umożliwiając identyfikację sygnałów.

Zgodnie z szacunkami Międzynarodowej Agencji Energii Odnawialnej IRENA, odnawialne źródła energii mogą już do 2050 r. pokryć 86% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Wykorzystanie energetyki rozproszonej umożliwiłoby kontynuowanie realizacji polityki prowadzącej do osiągnięcia neutralności klimatycznej oraz zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego Polski, wymaga to jednak stosowania zaawansowanych i inteligentnych systemów zarządzania i sterowania produkcją energii (TABELA 6 i 7).

Zarządzanie energią w zabudowie rozproszonej

Jeśli zarządzanie energią ogranicza się do jednego budynku, to przepływ energii odbywa się w ramach jednego systemu i wykorzystanie jej nadwyżek jest utrudnione. Ze względu na brak zintegrowanego zarządzania zespołami budynków wszelkie nadprodukcje energii nie są wykorzystywane – potrzebne jest w tym celu wdrożenie systemu, który będzie zarządzał energią w ujęciu makro, jednocześnie współpracując z automatyką budynkową.

W przypadku zarządzania energią w budynkach, które nie sąsiadują ze sobą bezpośrednio, podejście musi być dwutorowe. Przede wszystkim każdy z budynków wchodzących w skład sieci musi posiadać centralny system automatyki, który w sposób mierzalny i ciągły rejestrować będzie zużycie energii w poszczególnych obiektach.

W przypadku współdzielenia nadmiarowych zasobów energii w ramach inteligentnych sieci następuje udostępnianie pozyskanej energii do budynków, w których występuje jej niedobór. Dotyczy to przede wszystkim obiektów podlegających ochronie konserwatorskiej, w których zazwyczaj nie można zastosować typowych źródeł OZE, np. instalacji PV, problematyczne jest również wykonanie GWC, a nawet postawienie zewnętrznej jednostki powietrznej pompy ciepła. Konieczne jest wówczas wsparcie dodatkowej infrastruktury, która będzie czuwała i zarządzała przesyłem i redystrybucją energii.

Oprócz wymienionych powyżej aspektów, zarządzanie energią w skali makro i mikro [4], czyli na poziomie każdego budynku, w szczególności w przypadku zabudowy rozproszonej, jest utrudnione ze względu na ograniczenia wynikające ze sposobu działania standardowych protokołów, które odpowiadają za komunikację pomiędzy budynkami. Do takich standardowych protokołów w automatyce budynkowej należą: Modbus TCP, Modbus RTU, BACnet IP i BACnet MS/TP.

Wady i zalety protokołów komunikacyjnych (Modbus, BACnet)

Czym są protokoły komunikacyjne?

Protokół komunikacyjny to pojęcie stosowane w informatyce i komunikacji [5]. Określa zestaw reguł i zasad, które określają sposób wysyłania i odbierania informacji wymienianych pomiędzy urządzeniami. Można je porównać do kodeksu drogowego dla samochodów – gdzie samochodom odpowiadają paczki informacji, które poruszają się po drogach, czyli w tym przypadku trasach kablowych przeznaczonych do komunikacji. Są one specjalnie przygotowywane, aby wyeliminować zakłócenia oraz skrócić czas przesyłu informacji („przejazdu samochodu”).

Standardy umożliwiają ujednolicenie komunikacji pomiędzy urządzeniami pochodzącymi od różnych producentów, ułatwiają ich integrację. W dużym uproszczeniu: nawet jeśli węzeł ciepła komunikuje się w protokole MBUS, po skorzystaniu z translatora, tzw. bramki komunikacyjnej, może „rozmawiać” z pozostałymi systemami, również nadrzędnymi.

Protokoły Modbus RTU oraz Modbus TCP

Modbus to jeden z najstarszych cyfrowych protokołów komunikacyjnych (powstał w 1979 r.). Wykorzystywany jest do znakowanej wymiany informacji pomiędzy urządzeniami wchodzącymi w skład systemów automatyki przemysłowej. Stosowane są dwie odmiany protokołu Modbus RTU – za pomocą łącz RS-485 lub Ethernet. W wersji TCP informacje wymieniane w ramach protokołu/dane Modbus przekazywane są wewnątrz pakietu TCP/IP. Dzięki temu urządzenia Modbus TCP mogą się komunikować za pośrednictwem istniejących sieci Ethernet i sieci światłowodowych, dających znacznie większe możliwości niż RS-485 – jednoczesną pracę wielu Masterów i gigabitową prędkość. O ile maksymalna liczba urządzeń w sieci Modbus RTU wynosi 247, w Modbus TCP ograniczeniem jest wyłącznie warstwa fizyczna sieci – to zwykle ok. 1024 urządzeń.

Szybkie wykorzystanie Ethernetu w sterowaniu procesami i w innych gałęziach automatyki uczyniło Modbus TCP jednym z najbardziej popularnych protokołów przemysłowych. Mimo że większość producentów o różnym udziale w rynku opracowała własne protokoły ethernetowe, wciąż oferują oni wsparcie dla Modbus TCP. W odniesieniu do sterowników pozostałych firm opracowano specjalne konwertery stosowane zamiast oryginalnych modułów oraz całkowicie niezależne urządzenia wzbogacające możliwości komunikacyjne PLC o protokół Modbus.

Protokół ten nie zawsze się jednak sprawdza przy zabudowie rozproszonej. W przypadku pojedynczej magistrali linia przewodów RS-485 nie powinna być dłuższa niż 1000 m (przy czym z doświadczenia autorów wynika, że ze względu na opóźnienia w odpowiedziach urządzeń na tak długiej linii nie powinna ona mieć więcej niż 500 m), natomiast dla odmiany Modbus TCP odległość w linii od sterownika Master do ostatniego sterownika Slave nie powinna przekraczać 100 m.

Protokoły BACnet MS/TP i BACnet TCP

BACnet (Building Automation and Control Networks) to otwarty protokół komunikacyjny umożliwiający współdziałanie systemów sterowania i monitorowania pochodzących od różnych producentów. Posiada aprobatę ISO 16484-5 i został zatwierdzony przez ASHRAE w 2004 r. Sieć BACnet może się składać z maks. 65 533 podsieci, w których występować może łącznie 4 194 303 urządzeń. Adresy urządzeń muszą być unikatowe w ramach danej podsieci. Jeżeli podsieć jest oparta na Ethernecie, adresami urządzeń są MAC adresy. W przypadku podsieci opartej na protokole IP adresami urządzeń będą adresy IP wraz z numerem portu. Protokół BACnet nie przewiduje ograniczeń dotyczących długości adresu urządzenia, chociaż w rzeczywistych implementacjach miewają one maks. 8 bajtów (oktetów). Pomiędzy dowolnymi urządzeniami może istnieć tylko jedna droga przesyłania danych, a drogi te mogą być stałe lub okresowe (np. połączenia modemowe).

Zalety stosowania protokołu BACnet [7]:

• ogólnoświatowa ustandaryzowana komunikacja danych dla automatyki budynkowej,
• niezależność od konkretnych technologii i dostawców,
• rozwiązanie kompleksowe dla sieci sterowania i automatyki budynkowej,
• kompatybilność z infrastrukturą IT i wysoce skalowalnymi rozwiązaniami,
• walidacja w niezależnych laboratoriach badawczych i certyfikacja produktu,
• ciągłe utrzymywanie i modernizacja przy jednoczesnym zachowaniu bieżących inwestycji.

Typowe zastosowania BACnet:

• ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja,
• kontrola oświetlenia,
• monitorowanie działania windy,
• kontrola dostępu,
• monitoring i integracja systemów bezpieczeństwa i sygnalizacji pożaru,
• zarządzanie energią i usługi energetyczne,
• dane operacyjne (XML).

Integracja wielu budynków w chmurze

Konieczność zarządzania efektywnością energetyczną, nie tylko w ramach pojedynczego budynku, ale również zbiorczo w budynkach rozproszonych po całym kraju, doprowadziła do zaimplementowania oprogramowania, które te cele realizuje. System cechuje się funkcjonalnością i niezawodnością charakterystyczną dla systemów SCADA oraz BMS/HMS, typową dla rozwiązań przemysłowych. Akwizycja danych o parametrach fizyko-chemicznych powietrza wewnętrznego, takich jak: wilgotność, temperatura, tryb pracy urządzeń klimatyzacyjno-wentylacyjnych, parametry pracy węzłów ciepła, chłodu, urządzeń pomocniczych i innych, pozwala na porównanie budynków o podobnej charakterystyce na każdym etapie użytkowania.

W systemach chmurowych brak konieczności lokalizacji budynków wokół serwera umożliwia integrację obiektów w zabudowie rozproszonej – inaczej niż przy podejściu BMS/HMS/SCADA, które narzucało konieczność skupienia systemu wokół serwera znajdującego się w budynku, który był przez ten system sterowany i monitorowany.

Popularność zyskują w naszym kraju instalacje fotowoltaiczne zamontowane na budynkach wielorodzinnych (tzw. blokach), m.in. z uwagi na możliwość uzyskania dotacji na finansowanie takiego przedsięwzięcia. Zachęca to wspólnoty mieszkaniowe do inwestycji w odnawialne źródła energii, a co za tym idzie, do dostarczania energii elektrycznej jednocześnie do wielu gospodarstw domowych – dywersyfikując i decentralizując w ten sposób źródło prądu.

Z kolei okoliczności towarzyszące pandemii COVID-19 wzmocniły tendencję migracji ludności z terenów zurbanizowanych.

„Przed pandemią wieś wzbogacała się kosztem miasta o jakieś 25–30 tys. mieszkańców rocznie. Według oficjalnych danych GUS w 2020 r. było to już 40 tys., a w 2021 r. – 50 tys. Ostatni tak duży ruch migracyjny z miasta na wieś Polska odnotowała przed światowym kryzysem finansowym w 2008 r.” – ocenia dr Andrzej Zborowski z Instytutu Geografii i Gospodarki Przestrzennej Uniwersytetu Jagiellońskiego. W tym kontekście chmurowe systemy zarządzania budynkami, dbające również o zarządzanie energią elektryczną w zabudowie rozproszonej, stają się remedium na problemy związane z brakiem skalowalności i elastyczności systemów SCADA oraz BMS.

Zarządzanie z wykorzystaniem „chmury” – przykłady

Przykładem budynku, w którym zużycie energii było rejestrowane, analizowane i zarządzane z wykorzystaniem chmury, jest sklep sportowy. System „chmurowy” archiwizuje wybrane parametry fizyko-chemiczne, energetyczne i kosztowe, istotne dla zarządcy sklepu. Jednym ze szczegółowo analizowanych parametrów jest stężenie VOC – lotnych związków organicznych (Volatile Organic Compounds) oraz TVOC (Total Volatile Organic Compounds) – grupy substancji organicznych wywołujących szereg negatywnych skutków dla ludzi oraz środowiska naturalnego. Przykładowy przebieg pomiaru ww. wskaźników wskazuje na dużą zmienność zanieczyszczenia. Przyczyną może być: liczba klientów (poziom zajętości sklepu), pora dnia, w której towar jest wykładany na zewnątrz, oraz jakość powietrza wprowadzanego do obiektu (RYS. 7).

W przypadku zastosowania zarządzania energią dla więcej niż jednego budynku ważnym elementem pomiaru i analizy jest rozliczanie kosztów energii z podziałem na rzeczywistych beneficjentów. Systemy chmurowe powinny wspomóc zarządcę w obsłudze roszczeń poszczególnych uczestników lokalnej sieci energetycznej. Przykładem takiego rozwiązania jest moduł rozliczania najemców w ramach chmurowego systemu automatyki, przedstawiony na RYS. 11 i 12.

Pomiary zużycia energii w odniesieniu do poszczególnych uczestników sieci energetycznej umożliwiają wspomaganie pracy zarządcy nieruchomości w zakresie opomiarowania zużycia energii i mediów czy naliczania kosztów energii. Dotyczy to budynków wielorodzinnych, galerii handlowych i innych obiektów dowolnego rodzaju. Każde z gospodarstw lub przedsiębiorstw uczestniczących w rejestracji parametrów energetycznych musi mieć wgląd do danych agregowanych i archiwizowanych (backupowanych) przez system.

Gromadzenie danych historycznych dotyczących zabudowy rozproszonej oraz zastosowanie modeli matematycznych szacujących prognozowane zużycie pozwoli określić zapotrzebowanie energetyczne, które ułatwi kształtowanie nowego podejścia do kwestii energetyki, tj. energetykę rozproszoną.

Podsumowanie

Realizacja zarządzania energią w obiektach rozproszonych powinna bazować na wykorzystaniu odpowiedniego oprogramowania oraz infrastruktury towarzyszącej. Miejskie magazyny energii cieplnej lub/i elektrycznej występujące w budynkach jedno- i wielorodzinnych, obiektach publicznych czy sportowych w postaci istniejących oraz specjalnie zaprojektowanych zbiorników pozwalają wykorzystać energię ze źródeł alternatywnych, w tym z OZE, na własne potrzeby i zadania. Zaprezentowane przykłady, m.in. w TABELI 8, wykazały skuteczność energetyczną i ekonomiczną zastosowania systemów zarządzania energią zwłaszcza w obiektach rozproszonych.

Okoliczności geopolityczne i wzrost cen paliw kopalnych to okazja do naturalnego rozwoju rozwiązań opartych na energetyce rozproszonej. Monitorowanie całości przez chmurowe systemy automatyki gwarantuje nieograniczony rozwój tej dziedziny energetyki w Polsce. W wielu wypadkach brakuje jednak jeszcze wiedzy, że takie systemy istnieją i są dostępne dla wszystkich. Wykorzystanie chmurowych systemów zarządzania automatyką na szeroką skalę gwarantowałoby poprawę efektywności energetycznej w Polsce, a co za tym idzie oszczędności energii i kosztów o średnio 5–10%.

Literatura

1. Energia 2022, https://stat.gov.pl/obszary-tematyczne/srodowisko-energia/energia/energia-2022,1,10.html (dostęp: 5.07.2023)
2. PAN: Przez rozproszoną zabudowę gminy co roku tracą miliony, https://www.portalsamorzadowy.pl/inwestycje/pan-przez-rozproszona-zabudowe-gminy-co-roku-traca-miliony,100916.html (dostęp: 5.07.2023)
3. Jak korzystamy z Internetu?, Główny Urząd statystyczny 2021, https://stat.gov.pl/obszary-tematyczne/nauka-i-technika-spoleczenstwo-informacyjne/spoleczenstwo-informacyjne/jak-korzystamy-z-internetu-2021,5,12.html (dostęp: 5.07.2023)
4. Energetyka prosumencka i rozproszona, Ministerstwo Rozwoju i Technologii, https://www.gov.pl/web/rozwoj-technologia/energetyka-prosumencka-i-rozproszona (dostęp: 5.07.2023)
5. Protokół komunikacyjny, https://encyklopedia.pwn.pl/haslo/protokol-komunikacyjny;3962902.html (dostęp: 5.07.2023)
6. McConahay J., Modbus w automatyce i sterowaniu procesami cz. 2, Control Engineering Polska, 15.07.2015, https://controlengineering.pl/modbus-w-automatyce-i-sterowaniu-procesami-cz2/(dostęp: 5.07.2023)
7. About BACnet, THE BACnet INSTITUTE, https://thebacnetinstitute.org/about/(dostęp: 5.07.2023)
8. Załącznik do uchwały nr 23/2022 Rady Ministrów z dnia 9 lutego 2022 r. – Długoterminowa strategia renowacji budynków. Wspieranie renowacji krajowego zasobu budowlanego,
https://www.gov.pl/web/rozwoj-technologia/Dlugoterminowa-strategia-renowacji-budynkow (dostęp: 5.07.2023)