Integracja automatyki budynkowej a efektywność energetyczna

***
Przedmiotem artykułu jest wpływ integracji automatyki budynkowej na efektywność energetyczną. Autorzy omawiają integrację z systemami zarządzania energią w świetle Ustawy o charakterystyce energetycznej budynków, po czym analizują charakterystykę energetyczną według zużycia energii, zasady kontroli systemów energetycznych, weryfikację mocy i sprawności, wyniki kontroli efektywności energetycznej oraz integrację automatyki budynkowej ze szczególnym uwzględnieniem oświetlenia i zagadnień związanych z regulacją systemu HVAC. Poruszają również temat sprawności energetycznej budynku oraz systemu zarządzania energią.

Building automation integration and energy efficiency

The subject of the article is the impact of building automation integration on energy efficiency. The authors discuss integration with energy management systems in the light of the Act on the Energy Performance of Buildings, and then analyse the energy performance according to energy consumption, principle of energy systems control, power and efficiency verification, energy efficiency control results and the integration of building automation, with particular emphasis on lighting and issues related to the HVAC system adjustment. They also address the subject of energy efficiency of the building and the energy management system.
***

Poprawa efektywności energetycznej, z uwzględnieniem długofalowych skutków wykorzystywania odnawialnych oraz nieodnawialnych źródeł energii, kreuje potrzebę optymalizacji zarówno procesów pozyskiwania energii elektrycznej, jej magazynowania oraz transportu jak i przetwarzania na potrzeby oświetlenia, ogrzewania, chłodzenia, przewietrzania, wentylacji i zastosowań. Optymalizacja popytu na energię zmniejszy negatywny wpływ przemysłu na środowisko naturalne oraz zapewni komfort życia.

Budownictwo odpowiada za ponad 40% całkowitego zapotrzebowania na energię [1]. Nowoczesne budynki powinny być niemal zeroenergetyczne. Przewiduje się, że wymagania prawne określające minimalne zużycie energii będą ulegały zmianie. Poprawa efektywności energetycznej stała się bowiem najważniejszym działaniem we wszystkich dziedzinach życia. Do oceny i porównania efektywności energetycznej służą np. etykiety energetyczne. Etykieta energetyczna to etykieta zawierająca informacje o klasie energetycznej i podstawowych parametrach urządzenia, mających wpływ na zużycie energii czy poziom hałasu. Etykieta taka daje konsumentowi możliwość porównania różnych urządzeń według tych samych zasad. Dla budynków wyznacza się charakterystykę energetyczną, która stanowi zbiór danych i wskaźników energetycznych określających całkowite zapotrzebowanie na energię użytkową, końcową oraz nieodnawialną energię pierwotną [2].

Integracja z systemami zarządzania energią

Integracja rozumiana jest jako proces odczytu, zapisu, analizy oraz optymalizacji sygnałów autonomicznych systemów automatyki, np. instalacji technicznych budynku, w jeden centralny system automatyki. To w oparciu o standaryzowane protokoły komunikacji umożliwiamy zarządzanie autonomicznymi systemami, niezależnie od ich interoperacyjności. Celem integracji centralnego systemu automatyki jest efektywne zarządzanie procesami energetycznymi w celu zapewnienia komfortu użytkowania pomieszczeń przy optymalizacji zużycia energii. Poniższy artykuł jest próbą oceny skutków integracji systemów energetycznych przez BMS.

Ustawa o charakterystyce energetycznej budynków

W 2022 r. doszło do nowelizacji Ustawy o charakterystyce energetycznej budynku [3]. Zmiany objęły m.in. nowe, rozszerzone obszary obowiązkowego sporządzania świadectw charakterystyki energetycznej oraz zasady kontroli kotłów, instalacji grzewczych, klimatyzacji i wentylacji. Ustawa na nowo definiuje zasady kontroli systemów ogrzewania, klimatyzacji i wentylacji w budynkach oraz stosowanie systemów sterowania, a co za tym idzie również wykorzystanie systemów automatyki. Ma to na celu skuteczne sterowanie każdym z aspektów przetwarzania i transportowania energii dla zapewnienia jej optymalnego wytwarzania, dystrybucji, magazynowania i wykorzystywania.

Czytaj też o: Transformacji energetycznej Polski i krajów UE do 2050 r.

Okresowe kontrole systemów ogrzewania i klimatyzacji mają na celu kontrolę sprawności systemu energetycznego oraz wskazanie działań mających poprawić sytuację. Pozwalają też na zasygnalizowanie zagrożeń oraz wykazanie potencjalnych nieprawidłowości w działaniu instalacji.

Charakterystyka energetyczna wg zużycia energii

Świadectwo charakterystyki energetycznej sporządza się w oparciu o ustawy o charakterystyce energetycznej budynków oraz Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej. Wyróżnione zostały dwie metody:

1. metoda oparta na standardowym sposobie użytkowania budynku lub części budynku (metoda obliczeniowa),
2. metoda oparta na faktycznie zużytej ilości energii (metoda zużyciowa) [4].

Metoda obliczeniowa jest co prawda obecnie powszechnie stosowana, jednak dopiero odpowiednie opomiarowanie ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji, oświetlenia i urządzeń pomocniczych daje nam możliwość określenia energii końcowej i pierwotnej oraz wykonania świadectwa charakterystyki energetycznej budynku. Proponowane wskaźniki sprawności instalacji grzewczych oraz chłodniczych uniemożliwiają uwzględnienie integracji systemów energetycznych, np. za pomocą BMS-u.

Zasady kontroli systemów energetycznych

Wdrożenie dyrektywy EPDB narzuciło konieczność poddawania budynków okresowej kontroli systemów energetycznych. Zakres kontroli obejmuje system ogrzewania lub klimatyzacji. Kontrola obejmuje ocenę stanu technicznego systemu grzewczego i chłod­niczego oraz weryfikację mocy źródła energii do potrzeb użytkowych.

Przy ocenie systemów energetycznych należy wykonać czynności mające na celu określenie efektywności energetycznej źródła ogrzewania oraz systemu klimatyzacji lub/i wentylacji. Miarą efektywności energetycznej może być sprawność wytwarzania. Obejmuje ona m.in. ocenę poprawności doboru mocy źródła energii.

Moc źródła energii nie powinna być przewymiarowana ani tym bardziej za mała. Wyższa sprawność wytwarzania występuje zazwyczaj w urządzeniach wyposażonych w płynną regulację mocy. Pozwala ona dostosować moc do warunków pogodowych i pracować w całym zakresie mocy w optymalnej sprawności wytwarzania. Płynna regulacja mocy umożliwia zrezygnowanie ze stosowania magazynów energii i w efekcie poprawienie sprawności systemu, obniżenie kosztów inwestycyjnych oraz eksploatacyjnych.

Wyznaczenie sprawności wytwarzania kotła gazowego lub olejowego wymaga wglądu do DTR-ki urządzenia oraz wykonania następujących pomiarów uzupełniających:

• pomiar zawartości O₂ lub CO₂ w spalinach suchych,
• pomiar temperatury spalin za kotłem oraz temperatura powietrza doprowadzanego do spalania,
• pomiar wilgotności powietrza i temperatury w pomieszczeniu kotła.

Ostatecznie ocena sprawności kotła podlega porównaniu sprawności obliczonej z wartościami deklarowanymi przez producenta. Wyznaczenie w ten sposób sprawności wytwarzania jest obarczone błędami, których skutkiem jest wskazanie sprawności wytwarzania w sposób przybliżony, a czasami nawet błędne. Zastosowanie odpowiedniego opomiarowania oraz rejestracji wyników pomierzonej energii źródła pozwala wyznaczyć dokładną wartość sprawności źródła oraz wartość mediany w dowolnym czasie.

Weryfikacja mocy i sprawności

Zastosowanie urządzeń o zbyt dużej mocy może być przyczyną obniżonej sprawności wytwarzania. Wykonujący czynności kontrolne musi oszacować obciążenie cieplne budynku i dokonać oceny jego wpływu na sprawność. Zastosowanie odpowiedniego opomiarowania źródła i właściwej rejestracji wartości mierzonych pozwala dokładnie określić moc źródła i wpływ przewymiarowania na sprawność średnioroczną.

Podstawową wartością w ocenie kotłów centralnego ogrzewania jest parametr sprawności nominalnej i użytkowej wytwarzania ciepła. Sprawność nominalna jest wielkością podawaną przez producenta, natomiast sprawność użytkową kotłów można określić metodą pośrednią, dysponując sumą strat cieplnych.

O stratach cieplnych źródła energii stanowią:

• strata wylotowa,
• strata niecałkowitego spalania,
• strata niezupełnego spalania,
• strata do otoczenia,
• strata odmulania,
• strata postojowa.

W praktyce najczęściej uwzględnia się pierwsze cztery parametry. Przy określaniu wartości będących skutkami poszczególnych strat najprostszym rozwiązaniem jest ich oszacowanie dla danego kotła na podstawie danych o parametrach technicznych kotła i warunkach jego eksploatacji (RYS. 1–2).

Wyniki kontroli efektywności energetycznej

Przeprowadzenie kontroli ma dać odpowiedź na pytanie, jaka jest efektywność energetyczna systemów występujących w budynku. Podstawowym parametrem określającym efektywność źródła energii jest sprawność wytwarzania, choć zdaniem autorów ocenie powinny podlegać również sprawność i moc urządzeń pomocniczych, bardziej rozbudowane i skuteczne systemy regulacji w źródle oraz w pomieszczeniu.

Kontrola kotłów (TABELA 1) zgodnie z [6] powinna być realizowana ustawicznie, nie rzadziej niż:

   a) co najmniej raz na 5 lat – dla kotłów o nominalnej mocy cieplnej od 20 kW do 100 kW,
b) co najmniej raz na 2 lata – dla kotłów opalanych paliwem ciekłym lub stałym o nominalnej mocy cieplnej większej niż 100 kW,
c) co najmniej raz na 4 lata – dla kotłów opalanych gazem o nominalnej mocy cieplnej większej niż 100 kW,
d) co najmniej raz na 3 lata – dla źródeł ciepła niewymienionych w lit. a–c, dostępnych części systemu ogrzewania lub połączonego systemu ogrzewania i wentylacji, o sumarycznej nominalnej mocy cieplnej większej niż 70 kW.

Ocenie efektywności energetycznej powinien podlegać również system klimatyzacji. Propozycja ustawy [3] narzuca wykonanie kontroli nie rzadziej niż raz na 5 lat w zakresie:

a) dostępnych części systemu klimatyzacji o nominalnej mocy chłodniczej większej niż 12 kW,

b) połączonego systemu klimatyzacji i wentylacji o sumarycznej nominalnej mocy chłodniczej większej niż 70 kW.

Kontrola systemu klimatyzacji obejmuje ocenę sprawności tego systemu i doboru jego wielkości do wymogów chłodzenia budynku oraz zdolności systemu klimatyzacji do optymalizacji działania w typowych warunkach jego użytkowania lub eksploatacji.

Nie dokonuje się ponownej kontroli w zakresie oceny doboru wielkości systemu klimatyzacji w przypadku, gdy od czasu przeprowadzenia takiej kontroli nie dokonano zmian w systemie klimatyzacji lub połączonym systemie klimatyzacji i wentylacji lub zmian w charakterystyce energetycznej budynku.

W TABELI 2 dokonano analizy sprawności systemu c.o., w ramach którego dokonano rozdzielenia sprawności regulacji i wykorzystania na sprawność regulacji źródła, sprawność regulacji miejscowej, zlokalizowaną w miejscach wykorzystania, oraz sprawność wykorzystania, która zależy od prawidłowego usytuowania grzejnika, np. na ścianie zewnętrznej pod oknem, a także od tego, czy jest on obudowany i w jakim stopniu jego zasłonięcie ma wpływ na sprawność w jego wykorzystaniu. Sprawność regulacji miejscowej zależy np. od rodzaju i sprawności działania urządzeń regulacji, od rodzaju zaworów termostatycznych i ich prawidłowego montażu, np. położenia głowicy oraz wyregulowania.

Regulacja miejscowa ma niezbyt wiele wspólnego z regulacją pracy kotła. Automatyka kotłowa steruje produkcją ciepła i może działać w oparciu o:

• temperaturę powrotu,
• temperaturę w referencyjnym pomieszczeniu (tzw. regulację pokojową),
• temperaturę w danym pomieszczeniu, tzw. wewnętrzną, a także temperaturę zewnętrzną w oparciu o krzywą grzania.

Sprawność regulacji zależy też od możliwości regulacji mocy kotła (płynna lub stopniowa) oraz od występowania stref będących oddzielnymi obiegami grzewczymi, które podzielą obiekt na strefy. Sterowanie staje się bardziej złożone, wobec czego wykorzystywanie jedynie automatyki kotłowej może okazać się niewystarczające. Niestety nie ma jeszcze informacji, w jaki sposób uwzględniać poprawę sprawności układu od stosowania w prawidłowy sposób integracji, jaką daje BMS.

Zastosowanie samego BMS-u nie rozwiązuje jednak problemów prawidłowego działania systemów energetycznych budynku. Niezbędne jest prawidłowe zastosowanie automatyki opartej na systemie BMS i prawidłowe zaprogramowanie komputera nadrzędnego (master) integrującego i sterującego wszystkimi systemami energetycznymi. Wykonanie tego zadania jest bardzo trudne i wymaga umiejętności wykorzystania np. pojemności cieplnej budynku i lokali, oszacowania i prawidłowej projekcji zysków ciepła, prawidłowej pracy urządzeń mających wpływ na klimat wewnętrzny (np. osłon przeciwsłonecznych), współpracy z urządzeniami produkującymi energię, sterowania podażą i popytem na energię, tak aby wykorzystać zmienność ceny energii.

W praktyce zadanie to staje się jeszcze bardziej interesujące i skomplikowane. Błędne zaprojektowanie pracy systemu może spowodować niepożądane skutki, a brak monitoringu efektów, czyli zużycia energii, sprawia, że nikt nie wie, czy system działa poprawnie, zgodnie z przyjętymi założeniami, a tym bardziej czy działa optymalnie, to znaczy czy zużycie energii będzie najmniejsze lub optymalne ze względu na koszty i wreszcie czy koszty energii będą minimalne. Analizy zastosowanych systemów zintegrowanego zarządzania energią potwierdzają zmniejszenie zużycia energii do 20%, a nawet 25%. Najczęściej jednak poprawnie działający system energetyczny bez integracji BMS-em zmniejsza zużycie jedynie o 5%, a czasami o 10%. Jest więc o co walczyć. Korzyści stosowania BMS-u są znacznie większe.

Zgodnie z obowiązującym prawem [3] nie jest wymagana prawnie okresowa kontrola systemu ogrzewania oraz systemu klimatyzacji w budynkach mieszkalnych wyposażonych w system automatyki, opomiarowania zużycia energii oraz sterowania, który umożliwia stałe monitorowanie elektroniczne dokonujące pomiarów sprawności systemu ogrzewania, połączonego systemu ogrzewania i wentylacji, systemu klimatyzacji, połączonego systemu klimatyzacji i wentylacji informujące właścicieli i zarządców budynku o spadku sprawności tych systemów i potrzebie ich konserwacji, naprawy lub wymiany.

Automatyka, opomiarowanie zużycia energii oraz skuteczne sterowanie ma na celu zapewnienie optymalnego wytwarzania, dystrybucji, magazynowania i wykorzystywania energii w budynkach mieszkalnych i niemieszkalnych umożliwiające:

• stałe monitorowanie, rejestrowanie, analizowanie i dostosowywanie zużycia energii oraz analizę porównawczą efektywności energetycznej budynku wykonanej na podstawie rzeczywistych wartości zużywanych nośników energii,
• wykrywanie utraty efektywności systemów: ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji, przygotowania ciepłej wody użytkowej, oświetlenia wbudowanego, automatyki i sterowania, wytwarzania energii elektrycznej w budynku,
• informowanie właściciela lub zarządcy budynku o możliwościach poprawy efektywności energetycznej, a także komunikację, interoperacyjność z połączonymi systemami: analizę porównawczą efektywności energetycznej budynku, wykrywanie utraty efektywności systemów ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji, przygotowania ciepłej wody użytkowej, oświetlenia wbudowanego, automatyki i sterowania, wytwarzania energii elektrycznej w budynku, a także informowanie właściciela lub zarządcy budynku o możliwościach poprawy efektywności energetycznej.

Dla tak działającego systemu BMS nie jest wymagana kontrola systemu ogrzewania oraz systemu klimatyzacji.

Obiekt wyposażony w systemy techniczne powinien wykonywać analizę porównawczą efektywności energetycznej budynku, wykrywanie utraty efektywności systemów: ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji, przygotowania ciepłej wody użytkowej, oświetlenia wbudowanego, automatyki i sterowania, wytwarzania energii elektrycznej w budynku, a także informowanie właściciela lub zarządcy budynku o możliwościach poprawy efektywności energetycznej.

Właściwe opomiarowanie, uwzględniające odpowiednie pomiary, pozwala wygenerować świadectwa w oparciu o zużycie energii (RYS. 3).

Integracja automatyki budynkowej

Integracja automatyki budynkowej opiera się na kompatybilności komunikacji pomiędzy systemami technicznymi budynku a systemem automatyki, która realizowana jest za pomocą standardowych protokołów komunikacyjnych (MOBUS, BACnet, TCP, M-BUS, PROFIBUS, MPBUS, LONWorks, CANOpen, KNX, SMTP, RTSP, SNMP, DMX, Zigbee i inne). System integrujący koniecznie musi umożliwiać dostęp (zapis lub/i odczyt) zmiennych kluczowych do sterowania/monitorowania systemów: klimatyzacji i wentylacji, ogrzewania, chłodzenia, oświetlenia, CWU oraz urządzeń pomocniczych.

System automatyki (RYS. 4) musi posiadać możliwość integracji wszystkich zastanych systemów sterujących (obsługujących standardowe protokoły komunikacji) bez ograniczania się jedynie do kilku największych producentów – zapewnia to możliwość wykorzystania systemów już istniejących (pod warunkiem spełniania podstawowych norm wynikających z prawa budowlanego oraz regulacji związanych z warunkami technicznymi budynków).

Integracja automatyki budynkowej powinna zostać przeprowadzona w najszerszym możliwym zakresie. Przy zachowaniu komfortu oraz użyteczności budynku lub jego części każdy z systemów technicznych obecnych lub zaprojektowanych w budynku powinien zostać skomunikowany z nadrzędnym systemem automatyki budynku. W idealnym przypadku konieczność wymiany elementów, np. systemu ogrzewania, wymaga jedynie redefinicji sygnałów, wizualizacji oraz uprawnień do nowo zdefiniowanej automatyki, bez konieczności utylizacji już istniejącego systemu automatyki budynkowej, do którego obsługa jest już przyzwyczajona.

Prawidłowo zaimplementowany system automatyki (RYS. 5) nie zamyka możliwości zmiany przeznaczenia lokali/części budynku/budynku. System umożliwia przeprogramowanie algorytmów oraz zmianę godzin użytkowania lokalu oraz zakresu komfortu bez generowania odpadów w postaci urządzeń elektrycznych (sterowniki, moduły, czujniki). Tym sposobem budynek na każdym etapie istnienia (budowy, użytkowania oraz rozbiórki) ma zminimalizowany wpływ na środowisko naturalne.

Oświetlenie

Z uwagi na zróżnicowanie obwodów oświetleniowych występujących w budynkach (wielorodzinnych, jednorodzinnych, użyteczności publicznej itp.) zróżnicowaniu podlega również ich integracja. W budynkach wielopiętrowych, np. biurowcach, oświetlenie integrowane i zarządzanie często uwzględnia podział na strefy budynku, piętra, części wspólne lub lokale użytkowe (TABELA 3, RYS. 6–7).

Po zapoznaniu się z cyklem dobowym, miesięcznym, kwartalnym i rocznym użytkowania systemu oświetlenia (w oparciu o dane historyczne z systemu i wiedzę administratorów budynku) system integrujący umożliwia implementację:

• harmonogramów załączania/wyłączania (zatrzymanie dobowe),
• harmonogram załączania/wyłączania (zatrzymanie weekendowe),
• przycisk umożliwiający włączanie/wyłączanie wielu wybranych obwodów oświetleniowych przez administratora (również w strefach wspólnych budynku: korytarze, klatki schodowe, przedsionki windowe, kładki, ogrody wewnętrzne, fontanny itp.) Przycisk wyzwala akcję, załączania/wyłączania oświetlenia i ­indukuje opóźnienie (+30 s/+40 s/+60 s itp., aby uniknąć skoku mocy biernej zużycia energii elektrycznej); system nadrzędny zarządzania budynkiem pełni rolę strażnika mocy,
• sterowanie natężeniem oświetlenia w zależności od ilości światła, które dociera do czujnika (połączonego bezprzewodowego lub przewodowego).

Integracja obwodów oświetleniowych może być zrealizowana przez połączenie szaf zasilająco-sterujących zawierających sterowniki swobodnie programowalne standardowym protokołem komunikacji (np. BACnet, MODBUS, LON, MBUS).

W budynkach biurowych wiele uwagi poświęca się klimatyzatorom (AC), podczas gdy 29% całkowitego zużycia energii w tych budynkach przypada na system oświetlenia [8]. System nadrzędny umożliwia implementację programów Demand Response (DR)/Multi-Agent Systems (MAS) na podstawie wzorców użytkowania instalacji oświetleniowych w budynku (TABELA 4).

Automatyzacja regulacji oświetlenia poprawia efektywność energetyczną budynku. Skutkuje to utrzymaniem komfortu użytkowania i funkcjonalności przy jednoczesnej redukcji zużycia energii na oświetlenie aż o 49%.

Jak widać wyeliminowanie manualnego sterowania oświetleniem jest wysoce korzystne energetycznie. Centralny system automatyki zachowuje jednak możliwość ręcznej obsługi układu, jak również możliwość przeniesienia harmonogramów realizujących scenariusze oświetleniowe na sterowniki swobodnie programowalne. Znajomość cyklu użytkowania oraz przeznaczenia budynku ułatwia ponadto opracowanie i wdrożenie automatycznej regulacji oświetlenia. Zastosowanie licznika energii elektrycznej z komunikacją standardową, np. z MODBUS, BACnet, które to systemy umożliwiają archiwizowanie oraz monitorowanie przez system nadrzędny budynku, ułatwia udokumentowanie poprawy oceny efektywności energetycznej.

Regulacja systemu HVAC

Największy wpływ na komfort użytkownika/mieszkańca lokalu/budynku ma jakość powietrza wewnątrz pomieszczeń. Bazując na zadanych progach parametrów fizykochemicznych, takich jak temperatura powietrza, wilgotność względna, ilość CO₂ itp., sterujemy układem klimatyzacji i wentylacji. Prawidłowo wysterowany układ jest stabilny oraz utrzymuje lub dąży do zadanych parametrów. Czym jest komfort cieplny? Jest to stan, w którym człowiek czuje, że jego organizm znajduje się w stanie zrównoważonego bilansu cieplnego, tzn. nie odczuwa uczucia gorąca ani zimna.

Przez pojęcie mikroklimatu wnętrz rozumie się zespół wszystkich parametrów fizycznych i chemicznych danego pomieszczenia, wywierający wpływ na organizm człowieka. Do głównych parametrów mikroklimatu zaliczyć można:

• temperaturę powietrza,
• średnią temperaturę powierzchni przegród,
• prędkość ruchu powietrza,
• wilgotność powietrza.

Do czynników pozatermicznych, których wpływ na organizm człowieka jest mniejszy i słabiej poznany, należą:

• zanieczyszczenie powietrza,
• jonizacja powietrza,
• poziom hałasu,
• oświetlenie itp.

Mianem komfortu cieplnego określa się warunki dobrego samopoczucia, tj. taki stan otoczenia, w którym zachowana jest równowaga cieplna organizmu ludzkiego. Odczuwanie ciepła lub zimna przez człowieka, czyli stopień obciążenia układu termoregulacyjnego organizmu, zależy od wymienionych głównych parametrów mikroklimatu. System regulacji termicznej człowieka, którego zadaniem jest utrzymywanie stałej temperatury ciała wynoszącej ok. 37°C, oddziałuje na ilość ciepła oddawanego przez organizm przez promieniowanie, konwekcję, przewodzenie i odparowanie wilgoci. Ilość oddawanego ciepła związana jest ponadto z wydatkiem energetycznym organizmu, a więc zależy od rodzaju wykonywanych czynności.

Równocześnie straty ciepła organizmu zależą od izolacyjności cieplnej odzieży. Organizm człowieka może samoczynnie przystosować się tylko w pewnych niewielkich granicach do zmian warunków otoczenia. Przekroczenie tych granic prowadzi do zachwiania równowagi cieplnej organizmu, co zagraża zdrowiu, a nawet życiu człowieka. Dlatego w pomieszczeniach przeznaczonych do mieszkania, pracy i wypoczynku należy stwarzać optymalne warunki, w zależności od rodzaju ich użytkowania.

Strumień cieplny produkowany przez organizm w wyniku przemiany materii M zależy od rodzaju wykonywanego zajęcia i jest proporcjonalny do intensywności oddychania. Przykładowo dla człowieka odpoczywającego w bezruchu (w pozycji siedzącej) strumień ciepła produkowanego przez organizm M jest w przybliżeniu stały i wynosi ok. 58 W na 1 m² powierzchni ciała w ciągu 1 godz. Przy ciężkiej pracy fizycznej strumień ciepła wzrasta do ok. 1000 W/(m²∙h). Przy maksymalnym chwilowym wysiłku strumień ciepła może wynosić nawet kilka tysięcy W/(m²∙h).

Czynnikiem decydującym o odczuciu komfortu cieplnego jest temperatura powietrza i średnia temperatura powierzchni otaczających człowieka przegród (TABELA 5).

Trzeba pamiętać, że obiekt budowlany jako całość oraz jego poszczególne części, wraz ze związanymi z nim urządzeniami budowlanymi, należy, biorąc pod uwagę przewidywany okres użytkowania, projektować i budować w sposób określony w przepisach, w tym techniczno-budowlanych, oraz zgodnie z zasadami wiedzy technicznej.

Należy więc zapewnić spełnienie podstawowych wymagań wobec obiektów budowlanych dotyczących:

• nośności i stateczności konstrukcji,
• bezpieczeństwa pożarowego,
• higieny, zdrowia i środowiska,
• bezpieczeństwa użytkowania i dostępności obiektów,
• ochrony przed hałasem,
• oszczędności energii i izolacyjności cieplnej,
• zrównoważonego wykorzystania zasobów naturalnych.

Poniżej podano braki wyregulowania układu automatyki, np. centrali klimatyzacyjno-wentylacyjnej, skutkujące ciągłymi stratami energii elektrycznej oraz brakiem komfortu:

• brak ustalenia histerezy,
• brak kalibracji czujników temperatury, wilgotności lub jej niepoprawne skonfigurowanie,
• błędne ustalenie wydajności centrali,
• ustawienie sprężu,
• brak ustawienia przetworników ciśnienia – w zależności od przepustowości centrali klimatyzacyjno-wentylacyjnej.

System techniczny autonomiczny, który nie jest zintegrowany z pozostałymi systemami technicznymi budynku, może działać w sposób antagonistyczny względem pozostałych systemów odpowiedzialnych za regulację parametrów fizykotechnicznych powietrza (klimatyzatory, kurtyny wodne, elektryczne aparaty grzewcze i inne).

Dobrym przykładem takiego zachowania jest np. działanie kurtyn powietrznych. Zastosowanie czujnika temperatury wewnętrznej zamiast czujnika temperatury zewnętrznej powinno wpływać bezpośrednio na poziom wysterowania oraz wydajność kurtyny powietrznej.

W systemach HVAC bardzo istotną kwestią jest wybór sposobu nagrzewania wstępnego centrali klimatyzacyjno-wentylacyjnej. Natomiast wytwarzanie ciepła, po etapie wstępnym, przejmowane jest przez centralę klimatyzacyjno-wentylacyjną. Jak wynika z doświadczeń autorów, często niekorzystne energetycznie jest korzystanie z nagrzewnicy elektrycznej centrali klimatyzacyjno-wentylacyjnej, jeśli mamy do dyspozycji klimatyzatory. Ocena opłacalności podejmowana jest na podstawie danych wprowadzonych do BMS (obliczeniowo, na podstawie ceny za 1 kWh energii elektrycznej, mocy nagrzewnicy, wydajności centrali i wydajności jednostek wewnętrznych – klimatyzatorów).

Właściwe wyregulowanie układu HVAC (optymalny algorytm sterowania, właściwe wyregulowanie układu, poprawnie skalibrowane czujniki, wykluczenie antagonizmów wynikających z działania innych systemów automatyki w budynku) pozwala na obniżenie zużycia energii elektrycznej, np.:

• dla małej stacji benzynowej o 9% w skali roku,
• dla dużej stacji benzynowej o 13% w skali roku.

W oparciu o specyfikę budynku – obiektu użyteczności publicznej – możliwa jest implementacja mechanizmu obniżenia temperatury w porze nocnej.

Utrzymanie temperatury na umiarkowanym poziomie (zarówno w porze letniej, jak i zimowej) wpływa na zmniejszenie zużycia mocy biernej, m.in. przez falowniki w układach automatyki, oraz obniża straty energii czynnej w sieci i transformatorach. Obniżanie powoduje również redukcję zużycia energii czynnej – czyli energii zamienianej na pracę – ponieważ produkcja chłodu i ciepła jest ograniczona (RYS. 8–9).

Centralny system automatyki, oparty na standardowych protokołach komunikacji, umożliwia integrację urządzeń wielu producentów. Rozbudowa takiego systemu może odbywać się po wielu latach użytkowania. Jak wynika z doświadczeń autorów, najczęściej konieczna jest integracja nowo powstałych systemów technicznych. Przykładem takiego obiektu jest klub jachtowy (RYS. 10), w którym zintegrowano system solarny. Integracji podlegają zmienne dotyczące temperatur przepływu, temperatury na powrocie, temperatury zbiornika i trybu pracy oraz sygnały sterujące pomp (RYS. 11).

Na podstawie zgromadzonych w bazie danych parametrów wygenerowano (RYS. 12–17).

Sprawność energetyczna budynku

W obecnym kształcie Prawa budowlanego oraz Ustawy o charakterystyce energetycznej budynku nie można oszacować wpływu integracji automatyk i systemów energetycznych budynku. Nie wiadomo, w jaki sposób uwzględnić np. zintegrowanie BMS-em systemu grzewczego c.o. (straty statyczne) z systemem produkującym ciepło lub chłód do podgrzewania powietrza wentylowanego (straty dynamiczne). Integracja pozwala uwzględnić automatyczną regulację współpracy pomiędzy systemem grzewczym/chłodniczym z ruchomymi osłonami okiennymi, wykorzystywania potencjału energetycznego freecoolingu. Wykorzystanie systemu integrującego poszczególne elementy automatyki daje nowe możliwości, wymaga jednak, aby rozwiązania techniczne umożliwiały wykorzystanie potencjału integracji.

System zarządzania energią

Pierwotnie wiele budynków (obiektów) o tym samym przeznaczeniu (sklepy zlokalizowane w „galeriach”) pracowało w oparciu o schematy automatyki poszczególnych systemów energetycznych. Wprowadzono integrację systemów dla każdego z budynków sieci oraz umożliwiono kontrolę energetyczną i modyfikację ustawień realizowaną z wykorzystaniem „chmury” (RYS. 18). Każdy z budynków może być analizowany i raportowany osobno.

Zużycie mediów, monitorowane na bieżąco za pomocą liczników zużycia energii c.o., c.w.u. chłodu, wody, gazu, energii elektrycznej (również podział na systemy techniczne budynku), poddawane jest automatycznej analizie porównawczej z uwzględnieniem:

• sprawności wytwarzania ciepła i chłodu,
• zużycia energii końcowej na 1 m² powierzchni ogrzewanej oraz chłodzonej,
• prądów rozruchowych i ich konsekwencji na moc zamówioną,
• pracy systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych w zakresie sprawności rekuperacji i sprawności wytwarzania energii cieplnej oraz chłodniczej.

System pozwala sparametryzować węzły przepływu energii i poddać je szczegółowej analizie optymalizacyjnej. Istnieje możliwość grupowania obiektów:

• budynków podobnych lub takich samych o tym samym przeznaczeniu,
• budynków o podobnym roku wzniesienia i podobnym systemie energetycznym grzewczo-chłodniczym,
• budynków pod kątem zintegrowania zarządzania energią,
• budynków o tej samej lokalizacji geograficznej.

System automatyki wraz z zastosowaniem liczników energii pozwala na porównanie dowolnych parametrów sprawności wytwarzania systemów ogrzewania oraz klimatyzacji i wentylacji, sprawności systemu c.o., c.w.u. chłodu, sprawności rekuperacji.

Na RYS. 16 zamieszczono wyniki pomiaru z wykorzystaniem rozwiązań: ELPCLOUD. Jest to kompleksowy system zarządzania siecią budynków obejmujący:

• integrację wszystkich urządzeń i systemów w obiekcie,
• optymalizację kosztów pracy urządzeń,
• wsparcie serwisu i redukcję kosztów użytkowania budynku,
• jednolitą platformę przeznaczoną dla wielu budynków/sieci budynków,
• sprowadzenie sterowania i monitoringu w każdym budynku do jednego inteligentnego algorytmu sterowania.

W wyniku zastosowania ELPCLOUD oraz dostępnych w ramach systemu możliwości optymalizacji zużycia energii osiągnięto średnią oszczędność zużycia mediów na poziomie 20%. System ELPCLOUD zintegrował i umożliwił zarządzanie 77 budynkami o tym samym przeznaczeniu i bardzo podobnym sposobie użytkowania.

Implementacja systemu automatyki, jak wynika z doświadczeń oraz danych zebranych przez autorów, umożliwia poprawę efektywności energetycznej budynków. W TABELI 6 zamieszczono wyniki pomiarów zużycia energii w budynkach o tym samym przeznaczeniu oraz o różnych lokalizacjach.

Po wdrożeniu systemu umożliwiającego integrację systemów energetycznych osiągnięto ciekawe wyniki. Losowo wybrane obiekty opomiarowano, a następnie zintegrowano ich systemy energetyczne, wpięto w „chmurę” i poddano optymalizacji energetycznej oraz kosztowej. Wyniki były zaskakujące. Koszty zmalały – wykazano roczny zysk na energii elektrycznej na poziomie 309 056,93 zł (cena prądu 2023 PGE: 94 gr za 1 kWh.) Przy średnim koszcie inwestycyjnym integracji około 30 tys. zł, jednego budynku i oszczędności na energii elektrycznej 18,18%, zwrot inwestycji następuje po 2 latach i 8 miesiącach.

Zintegrowanie systemu umożliwia monitorowanie zużycia energii przez różne urządzenia lub grupy urządzeń, np. porównanie zużytej energii z podziałem na urządzenia gastronomiczne, lodówki, wentylację, klimatyzację, oświetlenie wewnętrzne oraz zewnętrzne i porównywanie otrzymanych pomiarów między obiektami (TABELA 7, RYS. 19–20). Pomierzono i zwizualizowano sumaryczne zużycie energii elektrycznej 12576,6 kWh z bieżącego miesiąca, które odpowiada kwocie 7546,0 zł, zgodnie ze zdefiniowanym cennikiem dostawcy energii.

Rejestracja interwałowa (interwał godzinowy), oprogramowanie oraz możliwość wizualizacji będąca elementem licznika wieloobwodowego umożliwiają porównanie zużycia energii z podziałem na ostatnią dobę, poszczególne tygodnie oraz zużycie godzinowe w ostatnim miesiącu (RYS. 21). Platforma umożliwia również porównanie bieżącego zużycia ze zużyciem w miesiącu poprzednim. Na podstawie danych historycznych oraz szacunków schemat „Prognozy” umożliwia predykcję zużycia (RYS. 22), które zmniejsza ryzyko przekroczenia założonego przez użytkownika budżetu, pozwala na wykrywanie awarii na wczesnym etapie, przyczyniając się do podniesienia stopnia ochrony obiektu oraz zapewnienia mu bezpieczeństwa pożarowego.

Podsumowanie

Budynek bez systemu integracji automatyki budynkowej narażony jest na:

• nieefektywne wykorzystanie istniejących systemów energetycznych,
• konieczność wykonywania obowiązkowych przeglądów systemów energetycznych w oparciu o metody szacunkowe.

Zastosowanie zintegrowanych systemów zarządzania energią, tworzonych indywidualnie i dostosowanych do potrzeb oraz oczekiwań użytkowników, daje wiele korzyści, do których należą:

• efektywne wykorzystanie istniejących systemów energetycznych,
• dokładne metody określania sprawności źródeł energii,
• ocena sprawności systemów energetycznych w dowolnej chwili,
• zwolnienie z obowiązku wykonywania przeglądów systemów energetycznych,
• prowadzenie automatycznego porównania zużycia energii na budynek i na 1 m² powierzchni użytkowej,
• przyspieszenie i optymalizacja czynności konserwatorskich i serwisowych.

Brak możliwości generowania zbioru danych i wskaźników energetycznych budynku na etapie użytkowania:

• pozwala zweryfikować świadectwo charakterystyki energetycznej,
• umożliwia wykrywanie anomalii w zakresie zużycia energii oraz utraty mediów,
• pozwala na szybkie wykrywanie oraz usuwanie awarii, co wpływa na utrzymanie komfortu oraz efektywności energetycznej na zadanym stabilnym poziomie.

Dobrze przygotowany system integracji sterowania i opomiarowania jest narzędziem, które pozwala optymalizować procesy eksploatacyjne w budynkach.

Literatura

 1. „Proposals for a Directive of the European Parliament and of the Council on the energy performance of buildings”, Brussels, 11.5.2001 COM(2001) 226 final.
 2. „Efektywność energetyczna budynków”, Ministerstwo Rozwoju i Technologii, https://www.gov.pl/web/rozwoj-technologia/efektywnosci-energetycznej-budynkow
 3. Ustawa z dnia 7 października 2022 r. w sprawie zmiany ustawy o charakterystyce energetycznej budynków i ustawy – Prawo budowlane (DzU z 2022 r., poz. 2206).
 4. „Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej”, https://sip.lex.pl/akty-prawne/dzu-dziennik-ustaw/metodologia-wyznaczania-charakterystyki-energetycznej-budynku-lub-18176491
 5. „Wybieramy kocioł gazowy tradycyjny czy kondensacyjny”, https://www.ogrzewamy.pl/poradnik/wybieramy-kociol-gazowy-tradycyjny-czy-kondensacyjny
 6. H.F. Chinchero, J.M. Alonso, „A Review on Energy Management Methodologies for LED Lighting Systems in Smart Buildings”, 2020 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2020 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC/I&CPS Europe), Madrid, Spain, 2020, s. 1–6,
doi: 10.1109/EEEIC/ICPSEurope49358.2020.9160796.
 7. I. Riyanto, L. Margatama, H. Hakim, M. Martini, D.E. Hindarto, „Motion Sensor Application on Building Lighting Installation for Energy Saving and Carbon Reduction Joint Crediting Mechanism”, „Appl. Syst. Innov”, 2018, 1, 23. https://doi.org/10.3390/asi1030023.
 8. N. Kandasamy, G. Karunagaran, C. Spanos, K. Tseng, B. Soong, „Smart lighting system using ANN-IMC for personalized lighting control and daylight harvesting”, „Building and Environment” 139/2018, s. 170–180.
 9. M. Fedorczak-Cisak, A. Kowalska, „Komfort użytkowania oraz klimat środowiska wewnętrznego budynków energooszczędnych”, „Materiały Budowlane” 6/2014, s. 97–100.
10. Pervez Hameed Shaikh, Nursyarizal Mohd. Nor, Perumal Nallagownden, Irraivan Elamvazuthi, „Intelligent Optimized Control System for Energy and Comfort Management in Efficient and Sustainable Buildings”.
11. L. A. Hurtado, P. H. Nguyen, W. L. Kling, „ZeilerBuilding Energy Management Systems – Optimization of comfort and energy use”.
12. Mahsa & Faria Khorram, Pedro & Vale Zita (2019), „Lighting Consumption Optimization in a SCADA Model of Office Building Considering User Comfort Level”, 10.1007/978-3-030-23946-6_3.
13. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane (DzU z 2021 r., poz. 2351, z późn. zm.)
14. „Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie” (DzU z 2022 r., poz. 1225).
15. „Indian Energy Policy and Programs”, U.S. Department of Energy, https://www.energy.gov/indianenergy/articles/build-tight-ventilate-right