Wzorzec specyfikacji przetargowej na instalacje techniczne budynków oraz systemy BACS, TBM i BMS: norma PN-EN 15232:2017

Artykuł przedstawia propozycję wzorca specyfikacji przetargowej na instalacje techniczne budynków oraz systemy automatyki (BACS) i technicznego zarządzania budynkami (TBM i BMS) na podstawie normy PN-EN 15232-1:2017 [1]. Norma ta jest de facto kamieniem węgielnym do metodyki oceny gotowości budynków do „inteligencji” – wprowadzonego rozszerzeniami do najnowszej wersji dyrektywy EPBD:2018 wskaźnika Smart Readiness Indicator. Zgodnie z wymaganiami dyrektywy wskaźnik ten ma być podstawą do na razie opcjonalnej oceny budynków pod kątem efektywności energetycznej, elektromobilności, gotowości do współpracy z inteligentnymi sieciami zasilającymi (Smart Grid) i racjonalnego wykorzystania energii w zmiennym środowisku energetyki rozproszonej, przy aktywnym współudziale świadomego użytkownika.

W drugiej części artykułu zaproponujemy wzorzec specyfikacji przetargowej na systemy BACS i TBM, ściśle powiązany ze szczegółowymi rozwiązaniami instalacji technicznych, których systemy dotyczą. Wpływ systemów automatyki na efektywność energetyczną budynków zależy nie tylko od tych systemów, ale przede wszystkim zależy od tego, czy wybrane rozwiązania instalacji technicznych pozwalają na efektywną automatyzację funkcjonalności pod kątem minimalizacji zużycia energii przy zachowaniu komfortu użytkowania.

Wprowadzenie

Norma [1] jest źródłową normą definiującą wpływ systemów automatyki i technicznego zarządzania budynkami na efektywność energetyczną budynków. Mówi ona o efektywności energetycznej budynków,a więc o wszelkich formach zużycia energii i mediów w budynkach, w tym energii elektrycznej, energii cieplnej, energii chłodu, mediów zasilających źródła energii i odbiorniki energii, wody grzewczej, ciepłej wody użytkowej, wody chłodniczej oraz współdziałaniu instalacji technicznych budynku. Historia tej normy jest bezpośrednim odwzorowaniem historii dyrektyw EPB (Energy Performance Building Directive) i odpowiedzią europejskich środowisk normalizacyjnych, głównie CEN, na zlecenia Komisji Europejskiej w zakresie usystematyzowania i jednoznacznego wskazania technicznych metod ograniczania zużycia wszelkich form energii przez instalacje techniczne budynków. Znalazła również ona swoje odzwierciedlenie w normalizacji światowej, ponieważ 7 września 2021 r. został opublikowany przez Międzynarodowy Komitet Normalizacyjny ISO końcowy projekt nowej normy ISO pod oznaczeniem ISO FDIS 52120-1:2021 (status normy – końcowa wersja do głosowania), wzorowany na [1].

Fot. stock.adobe/comtippapatt

Począwszy od pierwszej wersji normy EN 15232:2007, w dokumencie precyzyjnie usystematyzowano instalacje techniczne w budynkach, które mają decydujący wpływ na zużycie energii przez budynki, a także równie precyzyjnie zidentyfikowano możliwe do stosowania sposoby sterowania tymi instalacjami. Sposoby sterowania instalacjami technicznymi ściśle zależą od rozwiązań konstrukcyjnych zastosowanych w tych instalacjach, szczególnie od zastosowania w instalacjach mniejszej lub większej ilości elementów instalacji technologicznych umożliwiających lokalne sterowanie dostawami różnych form energii do indywidualnych pomieszczeń budynku. Od właściwości konstrukcyjnych instalacji technicznych i wynikających z tego sposobów ich sterowania wynika finalna efektywność energetyczna budynków.

Specyfikacje instalacji technicznych oraz sposoby sterowania tymi instalacjami pod kątem efektywności energetycznej budynku

Kluczowym elementem normy PN-EN 15232-1:2017 jest tab. 4 [1], w której zebrano wszystkie instalacje techniczne możliwe do zastosowania w budynku wraz ze wszystkimi możliwymi sposobami sterowania tymi instalacjami. Jak opisano w [2], podstawowe instalacje techniczne odpowiadające za zużycie energii w budynku to instalacje:

1. ogrzewania,
2. ciepłej wody użytkowej,
3. chłodnicze,
4. wentylacji i klimatyzacji,
5. oświetlenia,
6. osłon przeciwsłonecznych,
7. technicznego zarządzania budynkiem.

W zakresie każdej z instalacji 1–6 rozważa się w ramach budynku trzy aspekty: źródła energii lub nośnika energii stosowane w instalacji, systemy dystrybucji energii lub nośnika energii oraz systemy odbioru energii lub nośnika W odniesieniu do każdego z tych aspektów energetycznych (źródła, dystrybucja, odbiór) dla każdego medium można stosować różne funkcjonalności oraz sposoby sterowania z wykorzystaniem energii lub medium. W normie zidentyfikowano listy możliwych funkcjonalności dla poszczególnych instalacji.

W odniesieniu do każdej instalacji można zastosować różne, aktualnie będące w użyciu, rozwiązania technologiczne, literalnie wymienione w tab. 4 normy [1], a w odniesieniu do każdego rozwiązania technologicznego można zastosować kilka dalszych wariantów szczegółowych rozwiązań technicznych, od których zależy możliwość zastosowania określonego sposobu sterowania. Łącznie możemy te warianty instalacji i sposobów sterowania nazwać Usługami realizowanymi przez system sterowania, w skrócie Usługami.

Sklasyfikowanymi w normie i tab. 4 normy [1] sposobami sterowania urządzeniami wchodzącymi w skład danej instalacji technologicznej i wynikającymi z tego sposobami sterowania parametrami fizycznymi komfortu i zużycia energii są:

1. całkowity brak sterowania automatycznego (0),
2. centralne sterowanie automatyczne (1) w odniesieniu do źródeł energii i sterowanie ręczne w odniesieniu do odbiorników energii,
3. indywidualne sterowanie automatyczne odbiornikami w każdym pomieszczeniu (2),
4. indywidualne sterowanie automatyczne odbiornikami w każdym pomieszczeniu z komunikacją z systemem nadrzędnym (3),
5. indywidualne sterowanie automatyczne odbiornikami w każdym pomieszczeniu z komunikacją z systemem nadrzędnym oraz identyfikacją zapotrzebowania na energię danego typu (4).

To, w jaki sposób sterowanie można zastosować w odniesieniu do urządzeń technicznych wchodzących w skład danej instalacji, jest determinowane przez rozwiązania zastosowane w danej instalacji. Na przykład: jeżeli chcielibyśmy zastosować indywidualne sterowanie przepływami powietrza w każdym pomieszczeniu, to instalacja wentylacji musi być wyposażona w sterowane przepustnice lub urządzenia VAV na nawiewie i wywiewie z tego pomieszczenia. Przepustnice lub urządzenia VAV są elementami instalacji technologicznej, a nie instalacji systemu automatyki i sterowania (BACS).

Wybór rozwiązań technologicznych determinuje możliwe sposoby sterowania.

Według normy [1] tab. 4 służy do precyzyjnego zdefiniowania zastosowanych w budynku lub planowanych do zastosowania w budynku projektowanych rozwiązań technicznych w poszczególnych instalacjach technologicznych wraz ze sposobami sterowania urządzeniami wchodzącymi w skład tych instalacji i wynikającymi z tego parametrami wielkości fizycznych w poszczególnych pomieszczeniach budynku. Ta definicja lub identyfikacja służy do oceny wpływu tych instalacji i ich sterowania na efektywność energetyczną budynku.

Polecamy:

Pompy ciepła w modernizowanych obiektach

Energooszczędna szkoła z rozwiązaniami smart home

Wzorcowa specyfikacja instalacji technicznych w budynku wg normy PN-EN 15232-1:2017 jako precyzyjna specyfikacja przetargowa na instalacje techniczne oraz systemy BACS, TBM I BMS

Z punktu widzenia projektu budynku precyzyjna definicja rozwiązań technicznych zastosowanych w poszczególnych instalacjach technologicznych wg tab. 4 normy [1] może być potraktowana jako dokładna specyfikacja przetargowa zarówno instalacji technologicznych, jak i rozwiązań technicznych zastosowanych w tych instalacjach, a finalnie również jako bardzo dobra specyfikacja systemów automatyki i sterowania budynku (BACS) oraz technicznego zarządzania budynkiem (TBM), włącznie z BMS.

Poniżej w tabelach przedstawiono poszczególne instalacje techniczne budynku wraz z różnymi funkcjonalnościami, które mogą podlegać sterowaniu w ramach tych instalacji. Oczywiście warunkiem zastosowania danego sterowania jest taka konstrukcja instalacji, w której występują elementy technologiczne, umożliwiające oddziaływanie sterowania na te instalacje. Wymienione tabele mogą stanowić wstępną specyfikację przetargową instalacji technicznych, w które ma być wyposażony budynek, oraz funkcjonalności tych instalacji i funkcjonalności systemu sterowania. Zastosowana w powyższych tablicach numeracja rodzajów instalacji technicznych budynku podlegających sterowaniu oraz numeracja funkcjonalności w ramach instalacji jest numeracją zastosowaną w normie, z intencją jednoznacznego wskazania określonego rodzaju instalacji i określonej funkcjonalności w ramach tej instalacji. Oczywiście, nie wszystkie typy instalacji i nie wszystkie funkcjonalności w ramach danej instalacji muszą występować w każdym budynku i jego systemie sterowania. Niemniej jednak zastosowanie numeracji zgodnej z oznaczeniami normy ułatwia i pozwala na jednoznaczną specyfikację instalacji i ich funkcjonalności dla danego budynku, zarówno dla celów projektowych, jak i przetargowych. Dzięki takiej precyzyjnej metodzie specyfikacji można jednoznacznie opisać instalacje techniczne budynku.

Przykładowa specyfikacja instalacji technicznych budynku i ich funkcjonalności:

1. Instalacja ogrzewania – tak
1.1 Sterowanie grzejnikami c.o. – tak
1.2 Nie ma zastosowania w danym budynku
1.3 Sterowanie temperaturą ciepłej wody grzewczej – tak
1.4 Sterowanie pompami w sieci zasilania wody grzewczej – tak
1.5. Funkcjonalność 5 – nie ma zastosowania w danym budynku
1.6. Sterowanie wymiennikiem ciepła z sieci miejskiej – tak
2. Instalacja ciepłej wody użytkowej – tak
2.1. Sterowanie ładowaniem zasobnika c.w.u. ogrzewaniem elektrycznym – tak
2.2. Sterowanie ładowaniem zasobnika c.w.u. wodą grzewczą c.o. – tak
2.3. Funkcjonalność 3 – nie ma zastosowania w danym budynku
2.4. Sterowanie pompą obiegową c.w.u. – tak
3. Instalacja chłodnicza – nie ma zastosowania w danym budynku
4. Instalacja wentylacji i klimatyzacji – nie występuje w budynku
5. Instalacja oświetlenia – tak
5.1. Sterowanie od obecności w pomieszczeniu – tak
5.2. Sterowanie poziomem natężenia oświetlenia w zależności od oświetlenia naturalnego – tak
6. Instalacja osłon przeciwsłonecznych – nie występuje
7. Instalacja zarządzania technicznego budynkiem (TBM i BMS) – tak
7.1. Zarządzanie wartościami zadanymi – tak
7.2. Zarządzanie pracą systemu – tak
7.3. Wykrywanie usterek – tak
7.4. Raportowanie zużycia energii oraz warunków wewnętrznych w pomieszczeniach – tak
7.5. Zarządzanie lokalną produkcją energii przez źródła własne, w tym źródła energii odnawialnej – lokalna produkcja energii nie ma zastosowania w danym budynku
7.6. Zarządzanie odzyskiem ciepła oraz magazynowaniem i wykorzystaniem ciepła zmagazynowanego – tak
7.7. Integracja z systemem Smart Grid – nie

Taka specyfikacja jednoznacznie określa, jakie instalacje techniczne są lub będą w budynku i jakie funkcjonalności tych instalacji podlegają sterowaniu. Uszczegółowienia wymaga tylko ilość elementów składowych każdej instalacji i funkcjonalności oraz sposób sterowania każdej funkcjonalności.

Dzięki takiemu podejściu można uzyskać bardzo precyzyjną specyfikację systemu BMS i w dokumentacji przetargowej zamiast nic niemówiącego „BMS – 1 komplet” można na jednej stronie dokumentacji przetargowej zawrzeć bardzo konkretną specyfikację systemu BMS.

Sposoby sterowania instalacjami technicznymi – pełna specyfikacja instalacji i sposobów sterowania

Jak opisano, każda z funkcjonalności dla każdej z instalacji technicznych wymienionych w tab. 1–7 może podlegać sterowaniu na kilka różnych sposobów (patrz śródtytuł: Specyfikacje instalacji technicznych oraz sposoby sterowania tymi instalacjami pod kątem efektywności energetycznej budynku):

1. Całkowity brak sterowania automatycznego (0)
2. Centralne sterowanie automatyczne (1) w odniesieniu do źródeł energii i sterowanie ręczne w odniesieniu do odbiorników energii
3. Indywidualne sterowanie automatyczne odbiornikami w każdym pomieszczeniu (2)
4. Indywidualne sterowanie automatyczne odbiornikami w każdym pomieszczeniu z komunikacją z systemem nadrzędnym (3)
5. Indywidualne sterowanie automatyczne odbiornikami w każdym pomieszczeniu z komunikacją z systemem nadrzędnym oraz identyfikacją zapotrzebowania na energię danego typu (4)

Wprowadzając sposoby sterowania poszczególnych funkcjonalności do tabel instalacji technicznych, otrzymujemy pełną, szczegółową specyfikację każdej instalacji wraz z ich sposobami sterowania. W ten sposób otrzymujemy wzorcową specyfikację przetargową, która spełnia następujące funkcje:

1. jednoznacznie opisuje instalacje techniczne wraz z ich szczegółowymi funkcjonalnościami;
2. jednoznacznie opisuje sposoby sterowania poszczególnymi funkcjonalnościami instalacji technicznych;
3. pozwala ocenić wpływ zastosowanych rozwiązań technologicznych oraz ich sterowania na efektywność energetyczną budynku.

Metody oceny wpływu BACS I TBM na efektywność energetyczną budynku

W normie przedstawiono także metodykę oceny wpływu systemów automatyki i technicznego zarządzania budynkiem na jego efektywność energetyczną.

W pierwszej kolejności zdefiniowano cztery klasy wpływu (skuteczności) systemów BACS i TBM na efektywność energetyczną budynku:

1. Klasa D – najniższa, systemy automatyki nie mają wpływu na efektywność energetyczną budynku (brak sterowania lub wyłącznie centralne sterowanie źródłami). Takie rozwiązania nie powinny być stosowane we współczesnych budynkach.
2. Klasa C – systemy automatyki mają minimalny wpływ na efektywność energetyczną budynku dzięki zastosowaniu
   systemów centralnego sterowania instalacjami technicznymi oraz indywidualnego sterowania zużyciem energii w poszczególnych pomieszczeniach.
3. Klasa B – systemy automatyki mają duży wpływ na efektywność energetyczną budynku dzięki zastosowaniu sterowania rozproszonego każdym odbiornikiem energii w budynku oraz komunikacją między indywidualnymi sterownikami i systemem centralnym w celu zdalnego zadawania parametrów komfortu w poszczególnych pomieszczeniach w zależności od stanów pracy budynku (dzień/noc, lato/zima, dni robocze/dni weekendowe itp.).
4. Klasa A – systemy automatyki mają bardzo duży wpływ na efektywność energetyczną budynku dzięki zastosowaniu sterowania rozproszonego jak w klasie B, wzbogaconego o identyfikację zapotrzebowania na każdy rodzaj energii w każdym pomieszczeniu i sterowania wydajnością źródeł energii w całym budynku w zależności od sumarycznego zapotrzebowania.

Następnie przedstawiono trzy metody oceny wpływu systemów BACS i TBM na efektywność energetyczną budynku.

1. Metoda jakościowa (wpływ większy lub mniejszy) na podstawie szczegółowej check-listy instalacji technicznych wraz z ich metodami sterowania. Metoda ta pozwala na szybką, wstępną ocenę klasy wpływu (A, B, C, ) systemów BACS i TBM na efektywność energetyczną budynku.

2. Metoda ilościowa na bazie współczynników. Metodami symulacyjnymi obliczono współczynniki efektywności energetycznej poszczególnych rodzajów instalacji technicznych przy różnych metodach sterowania dla rozmaitych typów budynków, co pozwala obliczyć ilościowo skutek zastosowania określonego rozwiązania instalacji technicznej przy danym sposobie sterowania w odniesieniu do budynku referencyjnego w klasie wpływu automatyki na poziomie C.

3. Metoda obliczeniowa, która pozwala szczegółowo obliczyć prognozowane zużycie energii przez budynek i w ten sposób ustalić wpływ całościowy wybranych rozwiązań instalacji technicznych i ich sposobów sterowania na efektywność energetyczną Obliczenia należy zrealizować zgodnie ze wskazaniami odpowiednich norm branżowych.

Zagadnieniom tym poświęconych jest wiele pozycji literatury, m.in. [3, 4].

Najważniejsze spostrzeżenia

Wpływ wybranych rozwiązań instalacji technicznych i systemów automatyki na efektywność energetyczną budynku określają tzw. klasy skuteczności wpływu automatyki na efektywność energetyczną, przy czym klasa D jest klasą najniższą i budynki z takimi rozwiązaniami nie powinny być współcześnie budowane, natomiast klasa A skuteczności wpływu automatyki jest klasą najwyższą, gwarantującą największy wpływ automatyki na efektywność energetyczną budynku. Warto zauważyć, że klasy wpływu automatyki na efektywność energetyczną budynku nie zależą od samej automatyki, ale przede wszystkim od wybranych rozwiązań technologicznych dla poszczególnych instalacji technicznych i dostępnych usług systemu sterowania. Funkcjonalności BACS w zakresie indywidualnego sterowania odbiornikami w poszczególnych pomieszczeniach są możliwe tylko wtedy, gdy instalacja technologiczna jest odpowiednio wyposażona w elementy pomieszczeniowe (elementy nastawcze wraz z siłownikami), na które mogą oddziaływać lokalne sterowniki. Możliwości współpracy odbiorników, systemu dystrybucji i źródeł energii zależą od spełnienia tego warunku. W przypadku tradycyjnej wodnej instalacji grzewczej to właśnie zawory wraz z siłownikami termicznymi na każdym grzejniku plus jako minimum lokalny sterownik pomieszczeniowy, za pomocą którego można zadać wartość temperatury w pomieszczeniu i który pełni funkcję termostatu, wysterują odpowiednio siłowniki zaworów na grzejnikach.

W przypadku instalacji wentylacyjnej nawiew/wywiew tymi nastawnikami zintegrowanymi z siłownikami będą urządzenia VAV na kanale nawiewnym i wywiewnym każdego pomieszczenia, które ma być objęte efektywnym systemem, i również lokalny sterownik pomieszczeniowy, który będzie sterował po pierwsze różnicą ilości powietrza nawiewanego i wywiewanego w zależności od charakteru pomieszczenia, a po drugie będzie dostosowywał ilość powietrza nawiewanego (i także wywiewanego) w zależności od harmonogramu, obecności użytkowników i/lub stężenia CO₂.

Podsumowanie

Przedmiotem niniejszego artykułu jest wykazanie, że norma PN-EN 15232-1:2017 dostarcza również narzędzia do precyzyjnej i jednoznacznej specyfikacji przetargowej funkcjonalności wszystkich instalacji technicznych budynku związanych z zużyciem przez budynek wszystkich form energii, a także precyzyjnej i jednoznacznej specyfikacji funkcji systemów sterowania i automatyki tych instalacji oraz funkcji systemów technicznego zarządzania budynkiem i BMS. W drugiej części artykułu przedstawione zostaną tabele, które z jednej strony mogą być check-listą, wskazującą, jakie instalacje techniczne i rozwiązania technologiczne w zakresie energożernych instalacji technicznych są lub będą zastosowane w budynku i jakie będą funkcjonalności systemów BACS, TBM i BMS, a z drugiej strony pozwolą także odpowiedzieć na pytanie, jaki to będzie miało wpływ na efektywność energetyczną budynku.

Dalszą część artykułu znajdziesz w miesięczniku „Inżynier Budownictwa” nr 5/2022 >>>

mgr inż. Paweł Kwasnowski
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
ekspert KT 173 PKN oraz delegat PKN do TC 247 CEN

Literatura

1. PN-EN 15232-1:2017 Energy Performance of Buildings – Energy performance of buildings – Part 1: Impact of Building Automation, Controls and Building Management, CEN 2017.

2. P. Kwasnowski, Leksykon skuteczności automatyki budynkowej w świetle EPBD i norm, cz. 2 (Lexicon of building automation efficiency in the light of EPBD and standards), WarunkiTechniczne.pl nr 1 (37)/2021.

3. P. Kwasnowski, Leksykon skuteczności automatyki budynkowej w świetle EPBD i norm (Lexicon of building automation efficiency in the light of EPBD and standards), WarunkiTechniczne.pl nr 5 (36)/2020.

4. P. Kwasnowski, Wprowadzenie do automatyki budynków w kontekście efektywności energetycznej, „Przewodnik Projektanta” nr 3/2021.