Zarys integracji systemów automatyki budynkowej

STRESZCZENIE

Integracja rozproszonych systemów zarządzania energią w budynku w obrębie miast prowadzi do idei smart city, a włączenie do inteligentnej sieci smart grid pozwoli na uzyskanie wymiernych korzyści. Podstawą ich pozyskania są innowacyjne materiały i technologie budowlane oraz sterowanie funkcjami budynku za pomocą nowoczesnych algorytmów, m.in. opartych na tzw. soft computing, zaimplementowanych w automatyce budynkowej. Pozwoli to na sterowanie wieloma podsystemami i elementami budynku w celu nadzorowania przepływów energii oraz minimalizacji jej zużycia.

ABSTRACT

The integration of distributed energy management systems in a building within cities leads to the smart city concept, while the connection to the smart grid will provide tangible financial and environmental benefits. To obtain benefits it is essential to use modern building materials and technologies, as well as to control building functions using modern algorithms, including the ones based on the so-called soft-computing implemented in building automation. This will make it possible to control multiple building subsystems and elements to monitor energy flows and minimize energy consumption.

Rys. 1. Diagram dążenia do smart cities

Budynki odpowiadają za ponad 40% całkowitego zużycia energii i ok. 55% zużycia energii elektrycznej w Unii Europejskiej [1]. Są także źródłem emisji dwutlenku węgla. Według danych z USA, w 2004 r. budynki były odpowiedzialne za 39% całkowitej emisji dwutlenku węgla i wyprzedziły w tym względzie transport oraz przemysł (odpowiednio 33 i 29%) [2].

W wielu rejonach daje się zauważyć migracje ludności do terenów miejskich, łączenie się skupisk miejskich w aglomeracje. Integracja rozproszonych systemów zarządzania energią w budynku w obrębie miast prowadzi do idei inteligentnego miasta (ang. smart city), a włączenie do inteligentnej sieci elektroenergetycznej (ang. smart grid) pozwoli na uzyskanie wymiernych korzyści finansowych i środowiskowych. Jak można wywnioskować na podstawie wcześniej przytoczonych danych, jest ku temu duży potencjał. Podstawą uzyskania korzyści są nowoczesne materiały i technologie budowlane. Zapewnienie odpowiedniej izolacyjności i parametrów przegród, minimalizacja zużycia energii poprzez stosowanie energooszczędnych urządzeń to jeden z początkowych etapów poprawy efektywności energetycznej. Konieczne jednak są kolejne kroki.

Szybki rozwój elektroniki i technik informatycznych pozwala na wykorzystanie nowoczesnych algorytmów, m.in. opartych na tzw. soft computing (ze względu na brak dobrego polskiego tłumaczenia jako soft computing można zdefiniować wszelkie techniki „miękkie obliczeniowo”, gdzie nie sprawdzają się tradycyjne, ściśle zdefiniowane algorytmy znane w matematyce i informatyce), do sterowania wieloma podsystemami i elementami budynku w celu nadzorowania przepływów energii oraz minimalizacji jej zużycia.

Rys. 2. Przykład interfejsu utworzonego w OpenHab, dostępny na http://demo.openhab.org

Przyczyny rozwoju budynków inteligentnych

Poza korzyściami finansowymi i zmniejszeniem negatywnego wpływu na środowisko, inteligentny budynek to również zwiększenie wygody mieszkańców, poprawa mikroklimatu wewnątrz, zwiększenie komfortu termicznego, itd. Na dążenie do poprawy efektywności energetycznej i rozwój systemów automatyki budynkowej mają także wpływ obowiązujące akty prawne. Według wymogów prawnych UE [3] konieczne będzie zmniejszenie emisji CO₂, osiągane m.in. poprzez zredukowanie całkowitego zużycia energii, zwiększenie wykorzystania energii odnawialnej i minimalizację strat [4, 5].

Z punktu widzenia branży energetycznej, jako jeden z elementów powstającej sieci smart grid, konieczne jest wprowadzenie systemu smart metering (inteligentnych systemów pomiarowych). Inteligentne liczniki staną się pośrednikiem między wytwórcami energii elektrycznej a jej odbiorcami, pozwalającym na bardziej odpowiedzialne jej wykorzystanie.

Polska do 2020 r. zobowiązała się zainstalować u 80% odbiorców komunalnych inteligentne liczniki energii elektrycznej [6, 7]. Na dzień dzisiejszy pojawiają się jednak dążenia, aby opomiarowane były wszystkie media dostarczane do budynku, z możliwością monitorowania ich zużycia w czasie rzeczywistym. Odbiorcy przemysłowi mogą negocjować indywidualne umowy na dostawę energii pod warunkiem udziału w programach zarządzania popytem. Automatyzacja udziału w tego typu programach będzie wymagała integracji inteligentnych liczników smart meters z systemami automatyki budynkowej,

a efektem końcowym ma być integracja wszystkich systemów. U podstaw zmian leży jednak świadomość społeczna dotycząca efektywności energetycznej (rys. 1).

Rys. 3. Stanowiska testowe licznika smart meter z algorytmami opartymi na fuzzy logic: a – licznik, b – model rozdzielnicy domowej, c – zespół współpracujący z ogniwem PV, d – system akwizycji danych oparty na oprogramowaniu LabView, e – przyłącze ogniw PV, f – wykres prezentujący dobowy profil obciążenia (czerwone obszary; dzięki mechanizmom peak-shifting i peak-shaving udało się zmniejszyć całkowity pobór energii oraz moc szczytową)

Systemy HMS/BMS

Obecnie pod pojęciem budynek inteligentny najczęściej rozumiany jest budynek wyposażony w system automatyki budynkowej. Systemy automatyki budynkowej, oznaczane anglojęzycznym akronimem BMS (ang. Building Management System) lub HMS (Home Management System) to zintegrowane systemy składające się z:

• sensorów, czyli elementów wejściowych przekazujących informacje o stanie budynku (czujniki ruchu, czujniki obecności, kontaktrony itd.) i mierzących wybrane wielkości fizyczne (temperatura, wilgotność, stężenie CO2, natężenie oświetlenia itd.);
• aktuatorów (aktorów), czyli elementów wykonawczych, pozwalających sterować poszczególnymi urządzeniami zainstalowanymi w budynku (siłowniki okienne, rolety, oświetlenie, zawory);
• elementów interfejsowych (bramek), czyli urządzeń pośredniczących między systemem HMS/BMS a innymi urządzeniami (np. w celu sterowania dedykowanym sterownikiem centrali wentylacyjnej za pomocą systemu BMS budynku biurowego lub kinem domowym w powiązaniu ze scenami świetlnymi zaprogramowanymi w systemie HMS domu jednorodzinnego).

W nowych realizacjach pojawia się trend, aby istniejące systemy opomiarowania mediów integrować z systemami HMS/BMS. Na rynku dostępnych jest wiele standardów komunikacyjnych automatyki budynkowej, do najpopularniejszych należą obecnie:

• KNX,
• BACNET,
• LonWorks,
• LCN.

Systemy te można zaklasyfikować jako systemy obszarowe, nadające się do zarządzania budynkami o dużej kubaturze i dużej liczbie zainstalowanych sensorów oraz elementów wykonawczych. Często stosowane są przy dużych inwestycjach, np. biurowcach, dworcach, dużych halach przemysłowych czy obiektach sportowych. Nie znaczy to jednak, że nie nadają się do instalacji w budynkach mieszkalnych i domach jednorodzinnych. Barierą z reguły jest cena, która mimo wielu potencjalnych korzyści z instalacji systemu potrafi skutecznie odstraszać inwestorów. Dlatego też rozwija się wiele mniejszych systemów, przeznaczonych głównie dla małych budynków mieszkalnych oraz pojedynczych mieszkań. Często potrafią one zapewnić funkcjonalność podobną do wcześniej wspomnianych rozwiązań, a poza tym są znacznie bardziej konkurencyjne pod względem ekonomicznym. W tej grupie warto wymienić kilka takich systemów rozwijanych w Polsce:

• Fibaro,
• Grenton,
• Ampio,
• Zamel Exta Life,
• F&F Home.

Osobną grupą są systemy budowane samodzielnie przez niektórych użytkowników, z wykorzystaniem oprogramowania Open Source, które gwarantuje bardzo szeroki wybór platform sprzętowych typu Arduino, Raspberry PI. Jedne z najbardziej popularnych rozwiązań programowych tej grupy to: OpenHAB (rys. 2), Domoticz, Home Assistant, HEM. Platformy sprzętowe Raspberry PI i pochodne, mogące stać się niedługo standardem przemysłowym, wypierają sterowniki przemysłowe PLC (ang. Programmable Logic Controller), które zamiast dedykowanych rozwiązań, głównie ze względu na koszty, były czasami używane do budowy małych systemów automatyki domowej [8].

Rys. 4. Schematyczne przedstawienie koncepcji integracji wszystkich podsystemów budynku

System zarządzania energią EMS

Pod pojęciem systemu zarządzania energią EMS (ang. Energy Management System) najczęściej kryją się systemy sterujące urządzeniami HVAC (ang. Heating, Ventilation, Air Conditioning). Jest tak prawdopodobnie dlatego, że urządzenia z tej grupy mają duży udział (bliski 60%) w całkowitym zużyciu energii przez budynek. Funkcjonalności takie, jak sterowanie ogrzewaniem i wentylacją na podstawie harmonogramów oraz timerów czy uzależnianie ilości wymian powietrza w pomieszczeniu od liczby obecnych w nim osób, są już wdrażane i możliwe do realizacji jako jedna z funkcjonalności dostępnych na rynku systemów HMS/BMS. Stosuje się też strategie takie, jak tzw. precooling, czyli chłodzenie budynku w okresach niższych cen energii elektrycznej. Są również próby wykorzystania w sterowaniu predykcji z wykorzystaniem prognoz pogody i danych historycznych [9, 10]. Rozważane są także strategie sterowania, powiązane z planami taryfowymi, dopuszczające okresowy (np. 1 miesiąc w roku) dyskomfort termiczny w zamian za wymierne efekty ekonomiczne.

Kolejnym etapem rozwoju systemów EMS będzie możliwość samouczenia, dynamicznej reakcji na ceny energii, uwzględnianie prognozy pogody, a także prognozowanych cen energii w strategiach sterowania.

Poza zarządzaniem urządzeniami HVAC, systemy EMS powinny również objąć pozostałe podsystemy budynku oraz mieć możliwość zarządzania lokalnie zainstalowanymi źródłami energii (jedną z opcji jest wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej w obrębie budynku).

Inteligencja w budynku?

Istnieje wiele dostępnych rozwiązań automatyki budynkowej. Czy są one jednak inteligentne? Obecnie dostępne systemy są dopiero pierwszym etapem wdrażania „inteligencji” do budynku. Instalacja tego typu systemów pozwala na pewną optymalizację i oszczędności. Możliwe jest to dzięki podstawowym algorytmom bazującym na niskopoziomowej automatyce, umożliwiającym sterowanie np.:

• oświetleniem na podstawie sygnałów z czujników ruchu,
• jednocześnie oświetleniem i markizami na podstawie pomiarów natężenia oświetlenia naturalnego,
• ogrzewaniem/chłodzeniem z uwzględnieniem obecności osób,
• wentylacją mechaniczną na podstawie pomiarów jakości powietrza.

Stosowane teraz algorytmy są oparte na dobrze poznanych, wykorzystywanych od lat metodach sterowania. Ich inteligencja zależy od liczby przypadków, które przewidział i zaprogramował ich twórca. Jeżeli pojawią się warunki, które nie zostały przewidziane na etapie programowania, takie rozwiązanie prawdopodobnie stanie się bezużyteczne lub efekty jego działania nie będą zadowalające. Inteligencja, czyli możliwość działania i reagowania w nowych warunkach, a nie tylko tych przewidzianych na etapie projektowania i programowania, pojawi się dopiero po zastosowaniu metod soft computing i inteligencji obliczeniowej.

Algorytmy samouczące, które sprawdzają się doskonale w innych dziedzinach, mogą mieć bardzo wiele zastosowań w inteligentnych budynkach. Do poprawy sterowania niektórymi urządzeniami, zamiast klasycznych regulatorów, można zastosować np. logikę rozmytą, która z powodzeniem jest używana w systemach asystentów parkowania [11, 12]. Również sieci neuronowe, które znalazły praktyczne zastosowania, choćby w systemach rekomendacji dla sklepów internetowych [13], mogą pomóc poprawić komfort termiczny i jakość powietrza w pomieszczeniach biurowych typu open space.

Wyzwania rynkowe i techniczne

Niestety, obecnie brak jeszcze na rynku systemów pozwalających na praktyczne wykorzystanie wspomnianych metod, wykorzystujących inteligencję obliczeniową. Są one ciągle na etapie badań i rozważań akademickich. Autorzy artykułu, pracownicy Katedry Aparatów Elektrycznych, badają obecnie potencjał drzemiący w tego typu algorytmach, jednocześnie kształcąc studentów na pierwszym w Polsce kierunku związanym z inteligentnymi budynkami. Prowadzone są m.in. badania nad integracją ogniw fotowoltaicznych PV (ang. Photovoltaics) małej mocy w budynku, przy wykorzystaniu sterowania fuzzy logic zintegrowanego z inteligentnym licznikiem (rys. 3), a szybki rozwój nowych technologii ogniw PV, zwiększenie ich sprawności, popularyzacja ogniw PV, będących jednocześnie elementami konstrukcyjnymi (np. dachówki, okna), mogą znacznie zwiększyć opłacalność takich rozwiązań. Należy jednak jeszcze raz podkreślić, że podstawą jest odpowiednio wykonany budynek, spełniający określone normy budowlane, z przegrodami zapewniającymi odpowiednią izolacyjność i racjonalnie dobraną stolarką okienną. Niezbędny element to również odpowiednio wykonana instalacja elektryczna. Przede wszystkim musi być bezpieczna, wyposażona we właściwie dobraną aparaturę zabezpieczającą i przewody o właściwych przekrojach. Dopiero wówczas zasadne jest myślenie o systemie automatyki budynkowej. Posiadając podstawowy system i właściwie wykonaną instalację, można rozważać ich odpowiednie programowanie oraz integracje z pozostałymi elementami.

Integracja

Obecnie głównym problemem jest występowanie w budynkach wielu podsystemów pochodzących od różnych producentów, których instalacja często odbywała się bez wcześniejszej koordynacji. Wyzwaniem, z którym należy się zmierzyć, będzie ich integracja w jedną spójną całość współpracującą z systemem zarządzania energią EMS, który z kolei w przyszłości współpracował będzie z inteligentnym dwukierunkowym licznikiem smart meter. Problem ten uwidacznia się zwłaszcza w budynkach mieszkalnych, jednorodzinnych, ponieważ inwestorzy, wybierając np. piec ze sterownikiem zarządzanym przez sieć Internet czy system alarmowy, kierują się głównie ceną i funkcjonalnością. Nie rozważają, czy w dalszej kolejności uda się wszystkie elementy zintegrować w jeden spójny system. Zadanie to wymaga dużej wiedzy, a często również doświadczenia integratora, które zdobywane jest metodą prób i błędów, co niestety wpływa znacząco na ceny takich usług. Nadzieję na zmiany w tym względzie można pokładać w rozwiązaniach programowych Open Source, dających szansę na pewną standaryzację.

Obecnie integracja realizowana jest na bazie jednego z systemów, np. KNX [14], który traktowany jest jako system nadrzędny, a za pomocą dodatkowych elementów w postaci bramek interfejsowych realizowane są punkty styku z innymi systemami, np. alarmowym, monitoringu wizyjnego, sterowania HVAC, monitoringu mediów (rys. 4). Wizualizacja jest dokonywana za pomocą dodatkowego serwera, będącego jednocześnie serwerem bazy danych, gromadzącym dane historyczne z czujników (np. serwer OPC).

Oferowane są także usługi integracji poszczególnych podsystemów, a następnie zdalnego zarządzania zasobami budynku przez zewnętrzne firmy. Usługa tego typu może być wykonywana w zamian za udział w potencjalnych zyskach pochodzących z oszczędności energii.

To jednak jest opłacalne tylko dla dość energochłonnych budynków o dużej kubaturze (np. użyteczności publicznej, przemysłowych).

Wraz z coraz większym zapotrzebowaniem na tego typu zarządzanie zasobami energetycznymi, niezbędne jest wypracowanie ogólnych standardów i zautomatyzowanych algorytmów, korzystających z nowoczesnych technik obliczeniowych, pełniących rolę elementu integrującego wszystkie systemy w budynku. W Polsce obecnie prowadzone są prace koncepcyjne i standaryzacyjne przez odpowiednie agendy rządowe, co zostało uwzględnione w Strategii na rzecz Odpowiedzialnego Rozwoju (SOR), i zespoły pracujące w ramach Krajowych Inteligentnych Specjalizacji (KIS) [15].

prof. dr hab. inż. Piotr Borkowski, prof. nadzw. PŁ

mgr inż. Adrian Chojecki
Katedra Aparatów Elektrycznych, Politechnika Łódzka

Literatura

1. Energy Efficiency Trends and Policies in the Household and Tertiary Sectors An Analysis Based on the ODYSSEE and MURE Databases (2015), http://www.odyssee-mure.eu/publications/br/energy-efficiency-trends-policies-buildings.pdf.
2. Building and Climate Change, USGBC, 2013, http://www.eesi.org/files/climate.pdf.
3. Energy Roadmap 2050, Publications Office of the European Union, 2012, https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/documents/2012_energy_roadmap_2050_ en_0.pdf.
4. Questions & Answers on Energy Performance in Buildings Directive, https://ec.europa.eu/info/news/ questions-answers-energy-performance-buildings-directive-2018- apr-17_en.
5. https://ec.europa.eu/clima/policies/strategies/2050_en.
6. http://gramwzielone.pl/dom-energooszczed- ny/10484/ smart-metering-w-polsce-juz- 450-tys-inteligentnych-licznikow.
7. http://gramwzielone.pl/trendy/28327/spor-o-inteligentne-liczniki-energa-pozwana-na- 174-mln-zl.
8. Inteligentny dom – sterownik PLC – Forum użytkowników, http://plc-home.pl/forum/.
9. Y. Peng, A. Rysanek, Z. Nagy, A. Schluter, Using machine learning techniques for occupancy-prediction-based cooling control in office buildings, Applied Energy, V. 211, pp. 1343-1358, 2018.
10. K.H. Khan, C. Ryan, E. Abebe, Optimizing HVAC Energy Usage in Industrial Processes by Scheduling Based on Weather Data, in IEEE Access, vol. 5, pp. 11228-11235, 2017.
11. R. Precup, H. Hellendoorn, A survey on industrial applications of fuzzy control, Computers in Industry, Vol. 62, Issue 3, pp. 213-226, 2011.
12. Y. Zhao, E.G. Collins, Robust automatic parallel parking in tight spaces via fuzzy logic, Robotics and Autonomous Systems, Vol. 51, Issues 2-3, pp. 111-127, 2005.
13. I. Portugal, P. Alencar, D. Cowan, The use of machine learning algorithms in recommender systems: A systematic review, Expert Systems with Applications, Vol. 97, pp. 205-277, 2018.
14. KNX The worldwide STANDARD for home and building control, KNX Association International, 2017, https://www.knx.org.
15. Krajowe Inteligentne Specjalizacje 5: Inteligentne i energooszczędne budownictwo, http://krajoweinteligentnespecjalizacje.pl/zrownowazona-energetyka/kis-5-inteligentne-energooszczedne-budownictwo/.