El-Piast: Systemy automatyki i sterowania dla budynków
Pierwszym znanym układem automatycznej regulacji był datowany na II połowę XVIII wieku, układ z regulatorem Watta, będący elementem obrotowej maszyny parowej. Wykorzystywał on sprzężenie zwrotne, które oparte było dopływ pary, prędkość obrotową kulek, koło zamachowe oraz sprężynę.
Odpowiednie odziaływanie wielkości uzyskuje się przez odpowiednie połączenie elementów układu, tworzących układ zamknięty. W początkowej fazie rozwoju regulacji układy rozwijały się niezależnie od siebie.[1] Innymi słowy, koryguje się wartość zadaną na podstawie wartości aktualnej.
Wraz z rozwojem przemysłu, budynki mieszkalne, w zależności od usytuowania, możliwości finansowych inwestora czy lokalizacji geograficznej zaczęły być wyposażane w obligatoryjne bądź legislacyjnie opcjonalne systemy regulacji ciepła, chłodu, wentylacji, oświetlenia, dostępu, ciśnienia, jakości powietrza oraz zużycia energii elektrycznej. Z założenia im więcej systemów regulacji parametrów panujących wewnątrz układu regulacji jakim jest dom mieszkalny tym stabilniejsze warunki bytowania i większa ergonomia użytkowania.
Czy tak jest naprawdę ? Czy pomimo tego, że mamy XXI wiek wiemy jak sprząc więcej niż jeden układ regulacji, tak aby układy np. klimatyzacji, wentylacji oraz oświetlenia uwzględniały dodatkowe własności ? Czy wiemy jak to zrobić efektywnie energetycznie? Co na to polskie prawo?
Na rys. 1, na którym widoczny jest uproszczony dla czytelnika układ regulacji widoczny jest wpływ regulatora (np. regulator PID w algorytmie sterowania centralą klimatyzacyjno-wentylacyjną) na obiekt regulacji (np. temperaturę pomieszczenia) poprzez urządzenie wykonawcze np. zawór nagrzewnicy elektrycznej. Na temperaturę wpływ mają również zakłócenia z (pochodzące z poza układu, np. niezamknięte okna – przy brak zastosowania kontaktronu, ustawianie skrajnie odmiennej temperatury w sąsiednim pomieszczeniu).
Zgodnie z prawem budowlanym[2] budynek należy wyposażyć w systemy automatyki i sterowania, gdy jest to uzasadnione technicznie i opłacalne z ekonomicznego punktu widzenia, w terminie do dnia 31 grudnia 2024 r gdy:
- ogrzewania lub połączonym systemem ogrzewania i wentylacji o sumarycznej nominalnej mocy cieplnej ponad 290 kW,
- klimatyzacji lub połączonym systemem klimatyzacji i wentylacji o nominalnej sumarycznej mocy chłodniczej ponad 290 kW
Wymagania dotyczące Systemu zarządzania budynkiem/domem (ang. Building/Home Management System)[3], którego definicja pojawia się w DSRB, mają zapewnić dostęp do nastaw, odczytów bieżących, historycznych oraz narzędzia do analizy zgromadzonych danych. W jakim celu? Monitorowanie przebiegów zmienności parametrów wpływa na możliwość identyfikacji nietypowych, niebezpiecznych lub niestabilnych zachowań urządzeń wykonawczych.
System BMS oprócz analizy porównawczej efektywności energetycznej budynku, wykrywania strat 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 informuje również o możliwościach poprawy efektywności energetycznej. W przypadku wykrycia dużych zużyć w sterowanej grupie urządzeń ( Rys.2) sugerowana jest optymalizacja algorytmu sterowania lub/i sterowanie oparciu o dynamiczne taryfy energii elektrycznej.
Rys.2. Uproszczona topologia automatyki budynkowej zintegrowanej w BMS uwzględniająca efektywne sterowanie wysokopoziomowe (tj. automatyzacja zdarzeń z kalendarza, zarządzanie grupowe w strefach, nocna redukcja temperatury, etc.) oraz niskopoziomowe (tj. optymalizacja sterowania urządzeń pomocniczych, klimatyzacyjno-wentylacyjnych, grzewczych, AZE). Źródło: EL-PIAST
Niestety, aby było to możliwe kluczowa okazuje się komunikacja i interoperacyjność z połączonymi systemami ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji, przygotowania ciepłej wody użytkowej, oświetlenia wbudowanego, automatyki i sterowania, wytwarzania energii elektrycznej w budynku.
W przypadku, gdy nie występuje wspólne odziaływanie wielu układów w ramach systemu jakim jest budynek, następuje szereg niekorzystnych oraz niepotrzebnych operacji, które mogą powodować częściowe zakłócanie stabilnej pracy systemów budynkowych, np. zamontowanie czujnika temperatury od kurtyny powietrznej przy wyjściu z budynku – po wewnętrznej stronie, na nieodpowiedniej wysokości spowoduje ciągłe włączanie się i wyłączanie grzania/chłodzenia urządzenia, z uwagi na duże, krótkotrwałe skoki temperatury odczytanej.
Tabela.1 Zestawienie korzyści z zastosowania centralnego systemu zarządzania budynkiem względem budynków, które nie są wyposażone w BMS. Źródło: EL-PIAST
Podsumowując, samo zastosowanie centralnego układu zarządzania układami sterowania, jakim jest system BMS (z modułem zarządzania energią EMS) nie gwarantuje sukcesu w redukcji zużycia energii elektrycznej oraz mediów. Krytyczna okazuje się jego poprawna konfiguracja i parametryzacja. Niewątpliwie po pierwszym roku użytkowania BMS, można ocenić ex post, czy wartości obliczeniowe założonej efektywności energetycznej korespondują w rzeczywistymi zużyciem. Dodatkowo udokumentowanie źródła nieścisłości jest banalnie proste – co stanowi doskonałe narzędzie do planowania długoterminowej termomodernizacji budynków przewidzianej w DSRB.
Bibliografia:
1. Gessling R., Podstawy Automatyki, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2001
2. Ustawa z dnia 7 października 2022 r. w sprawie zmiany ustawy o charakterystyce energetycznej budynków i ustawy – Prawo budowlane https://isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/DocDetails.xsp?id=WDU20220002206
3. Długoterminowa strategia renowacji budynków, Załącznik do uchwały nr 23/2022 Rady Ministrów z dnia 9 lutego 2022 r.
