Pobierz
najnowszy numer

Newsletter

Zapisz się do naszego Newslettera, aby otrzymywać informacje o nowościach z branży!

Jesteś tutaj

Budynek o wysokim IQ

Printer Friendly and PDF

leadCi, którzy inwestują we współczesne duże budynki, takie jak biurowce, szkoły, szpitale i kliniki, apartamentowce, hotele i restauracje, obiekty sportowe, galerie handlowe, a nawet rezydencje i wille, przywiązują coraz większą wagę do efektywnego wykorzystania energii przy równoczesnym zapewnieniu wysokiego komfortu i bezpieczeństwa użytkownikom. Wynika to nie tylko z dążenia do racjonalnego obniżenia kosztów eksploatacyjnych, lecz także z wymogów obowiązujących przepisów krajowych i zaleceń Parlamentu Europejskiego i Rady Europy.

Zgodnie z art. 5 ust. 1 pkt 1 prawa budowlanego [1] „Obiekt budowlany wraz ze związanymi z nim urządzeniami budowlanymi należy, biorąc pod uwagę przewidywany okres użytkowania, projektować w sposób określony w przepisach, w tym techniczno-budowlanych, oraz zgodnie z zasadami wiedzy technicznej, zapewniając (…) oszczędność energii i odpowiednią izolacyjność cieplną przegród”.

Zgodnie z §328 rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [2] „Budynek i jego instalacje ogrzewcze, wentylacyjne i klimatyzacyjne, ciepłej wody użytkowej, a w przypadku budynku użyteczności publicznej również oświetlenia wbudowanego, powinny być zaprojektowane i wykonane w taki sposób, aby ilości ciepła, chłodu i energii elektrycznej, potrzebne do użytkowania budynku zgodnie z jego przeznaczeniem, można było utrzymać na racjonalnie niskim poziomie” oraz „Budynek powinien być zaprojektowany i wykonany w taki sposób, aby ograniczyć ryzyko przegrzewania budynku w okresie letnim”.

Zgodnie z dyrektywą 2006/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady Europy [4] „W Unii istnieje potrzeba efektywności wykorzystania energii przez użytkowników końcowych”.

Mając na uwadze powyższe wymagania inwestorów oraz wymogi przepisów, projektanci instalacji elektrycznych coraz częściej przewidują wykonanie w dużych budynkach zintegrowanego systemu zarządzania budynkiem BMS (Building Management System).

Zintegrowany system zarządzania budynkiem BMS

Ostatnie stulecie obfitowało w wiele koncepcji nowoczesnego budynku. W ostatnich latach konstruktorzy i projektanci w prześcigali się w mniej lub bardziej interesujących pomysłach i wizjach nowoczesnego zautomatyzowanego budynku. Dopiero era techniki mikroprocesorowej pozwoliła realizować ogromną część wizji konstruktorów. Ciągle malejące ceny podzespołów elektronicznych wywołały szybki, wręcz „rewolucyjny” rozwój automatyki budynkowej. Okazało się, że każdy producent ma swoje własne rozwiązania, mniej lub bardziej ciekawe. Jednak w żaden sposób nie można było ich razem powiązać. Dopiero w ostatniej dekadzie XX wieku prace programistów zaowocowały wprowadzeniem wspólnych protokołów umożliwiających pracę urządzeń różnych producentów w tym samym systemie. Był to ogromny skok w rozwoju automatyki budynkowej. Powstał BMS. Obecnie w nowoczesnym budynku możemy spotkać kilka, a nawet kilkanaście różnych protokołów transmisji danych z różnych autonomicznych systemów, które trzeba powiązać ze sobą. Są to najczęściej protokoły otwarte, co umożliwia zastosowanie łatwo dostępnych bramek, które „tłumaczą” jeden protokół na drugi. Najpowszechniejsze protokoły, które można spotkać w budynku obecnie to BACnet, LonWorks, Modbus, M-BUS itp.

Polem działania systemu BMS jest optymalizacja i racjonalne zużycie energii (elektrycznej, cieplnej i potrzebnej do chłodzenia), sterowanie i monitorowanie, raportowanie, rejestracja danych i zdarzeń oraz zintegrowanie:

  • urządzeń i instalacji elektroenergetycznych,
  • sieci teleinformatycznej,
  • systemu wentylacji i klimatyzacji,
  • ciepła użytkowego i technologicznego,
  • budynkowych przepompowni ścieków i hydroforni,
  • systemu alarmowego,
  • systemu przeciwpożarowego i instalacji tryskaczowych,
  • systemu kontroli dostępu,
  • systemu telewizji dozorowej,
  • urządzeń audio-wideo i innych urządzeń codziennego użytku.

To są ogólne założenia, jednak każdy budynek jest inny i wymagania mogą być różne. Dlatego ważne są wcześniejsze konsultacje ze specjalistami dotyczące zautomatyzowania, bezpieczeństwa oraz integracji systemów. W dzisiejszych czasach inwestorzy zwracają dużą uwagę na koszty wykonania instalacji, eksploatacji itp. Zalety takich systemów muszą być konkretne, a inwestor musi rozumieć i widzieć korzyści płynące z ich zainstalowania. Obecnie systemy BMS rozkwitają, nowe budynki są wyposażane w automatykę budynkową oraz BMS. To dobry znak. Inwestorzy widzą zyski płynące z decyzji o zakupie tych systemów.

fot1

Przykładem działania BMS może być reakcja systemu na opuszczenie pokoju pracownika. Pracownik zamyka drzwi kartą zbliżeniową. Kontrola dostępu rejestruje to zdarzenie i wysyła informację do BMS, który z kolei uruchamia procedurę oszczędzania energii elektrycznej i cieplnej oraz energii potrzebnej do chłodzenia. Następuje obniżenie temperatury w pokoju oraz wyłączenie obwodów oświetleniowych. W skrócie – pokój pracowniczy przechodzi w stan spoczynku. Gdy pracownik wraca do pracy, otwiera pokój kartą zbliżeniową, a pokój wraca do „życia”, czyli temperatura podnosi się, obwody oświetleniowe załączają się itp. Ponadto kontrola dostępu może być wyposażona w rejestrator czasu pracy, który z kolei pozwala na efektywne rozliczanie pracowników z godzin pracy.

W przypadku biurowców liczba pokoi może sięgać nawet tysięcy, a już na pewno setek. Centralne zarządzanie automatyką tych pokoi skraca czas obsługi, oszczędza energię, monitoruje stan pomieszczeń i temperaturę, obniża koszty i podnosi komfort pracy. Redukuje zbędne etaty do niezbędnego minimum.

Integracja systemów w budynku pozwala skrócić czas serwisu; informacja o awarii pojawia się błyskawicznie na monitorze komputera centralnego, a obsługa otrzymuje w tym samym czasie dane kontaktowe konkretnego serwisu. Technicy serwisu mogą zdalnie, przez sieć Ethernet, obejrzeć system i zorientować się, co się wydarzyło. Nierzadko wystarczy jeden telefon do stanowiska obsługi budynku, by uzyskać dokładniejsze wyjaśnienie zdarzenia, które miało miejsce. Jeżeli konieczny jest przyjazd obsługi serwisowej, serwisanci będą bardzo dobrze zorientowani w sytuacji w budynku i będą wiedzieli, jakie części zamienne muszą zabrać ze sobą. Skraca to czas serwisu i liczbę przyjazdów, co przekłada się na obniżkę kosztów ponoszonych przez inwestora.

Jakość wykonania systemu

Nie da się uciec od wzajemnego powiązania jakości i ceny. Chyba większość ludzi na świecie próbuje znaleźć „złoty środek” w odniesieniu do stosunku ceny do jakości, czyli otrzymać jak najlepsze rozwiązanie za umiarkowaną cenę. Tak naprawdę „optymalne rozwiązanie” dla różnych ludzi znaczy co innego. Musimy pamiętać o jakości wykonania, zwłaszcza w przypadku skomplikowanych, rozległych systemów, które niejednokrotnie mają po kilka tysięcy punktów (punktami są wszystkie wejścia i wyjścia w systemie, sensory, elementy aktywne) i odbierają bieżące dane z innych systemów, np. informacje z analizatorów parametrów sieci. Nawet jednoprocentowy błąd w wykonaniu instalacji może oznaczać brak lub błędy kilkudziesięciu, a nawet kilkuset punktów. Instalacja musi być wykonana bezbłędnie, a jakość podzespołów bardzo wysoka. Gwarantuje to bezproblemową eksploatację przez wiele lat. Trzeba pamiętać, że żywotność systemów tego typu ma być wieloletnia. Należy bowiem uwzględnić czas, w którym instalacja się zwróci, a później zacznie przynosić zyski inwestorowi. Jeśli okres prawidłowego funkcjonowania takiej instalacji będzie krótszy od okresu amortyzacji, inwestor straci swoje pieniądze. Zaangażowanie inwestora w dobór systemu lub zlecenie tego zadania sprawdzonej, zaufanej firmie minimalizuje takie zagrożenie praktycznie do zera. Warto żądać od wykonawcy przedstawienia referencji, a nawet porozmawiać osobiście z innym inwestorem, z którym dana firma współpracowała.

fot2

Sprawdzony wykonawca to dla inwestora minimalizacja problemów prawnych i eksploatacyjnych, gwarancja wysokiej jakości wykonania systemu BMS oraz jego realizacji zgodnie z obowiązującymi przepisami, normami i współczesną wiedzą techniczną. Nakłady finansowe związane z wysoką jakością wykonania są niewielkie, natomiast zwracają się w bardzo krótkim czasie i procentują przez długie lata bezproblemowej eksploatacji.

Elementy systemu elektroenergetycznego w BMS

Współczesne budynki wysokie i wysokościowe, szpitale i kliniki, budynki edukacyjne, hotele, restauracje, obiekty sportowe i galerie handlowe cechuje duże zapotrzebowanie na energię elektryczną. Wymaga się od nich wysokiej niezawodności, zasilania dwustronnego, a nawet awaryjnego z własnego agregatu prądotwórczego. W tego typu budynkach przewiduje się wydzielone pod względem pożarowym pomieszczenia przeznaczone na komory transformatorowe z transformatorami o mocach 1000 kVA i większych, rozdzielnie 15 kV, rozdzielnice główne niskiego napięcia z automatyką samoczynnego załączania rezerwy i odciążania, rozdzielnice pożarowe oraz systemy zasilania bezprzerwowego (UPS).

Z uwagi na bezpieczeństwo pracowników i mienia, a także ciągłość pracy urządzeń komputerowych oraz systemów pożarowych bardzo istotna jest informacja o pracy systemu elektroenergetycznego oraz niedopuszczanie do wyłączeń będących skutkiem przeciążeń. Wymagana jest wysoka niezawodność zasilania urządzeń wentylacyjnych i chłodniczych (związanych z utrzymaniem odpowiedniej temperatury w komorach transformatorowych) w warunkach normalnej pracy i w przypadku wystąpienia pożaru w budynku, a także niedopuszczenie do wyłączenia transformatorów na skutek braku chłodzenia.

BMS nie tylko monitoruje system elektroenergetyczny i steruje pracą urządzeń i instalacji, lecz także umożliwia racjonalne obniżenie kosztów eksploatacyjnych oraz kosztów zużycia energii.

BMS w systemie elektroenergetycznym (EE) monitoruje:

  • położenie rozłączników 15 kV użytkownika oraz wyłączników głównych i sprzęgłowych w rozdzielnicy głównej niskiego napięcia i rozdzielnicy pożarowej, a także działanie automatyki systemu zasilania rezerwowego,
  • obciążenie transformatorów,
  • temperatury w pomieszczeniach komór transformatorowych oraz zadziałanie zabezpieczeń temperaturowych transformatorów,
  • zadziałanie systemu odciążania pracującego transformatora w przypadku zaniku napięcia na transformatorze zapasowym,
  • stany pracy, awarii oraz niskiego poziomu paliwa agregatu prądotwórczego,
  • zadziałanie przeciwpożarowych wyłączników prądu,
  • zadziałanie ograniczników przepięć w rozdzielnicy głównej, pożarowej oraz rozdzielnicach piętrowych,
  • stany awaryjne i pracę rozdzielnic automatyki wentylacji bytowej i pożarowej oraz klimatyzacji,
  • stany awaryjne i pracę rozdzielnic technologicznych (przepompowni ścieków, hydroforni, urządzeń tryskaczowych, urządzeń do ogrzewania przeciwoblodzeniowego oraz rurociągów na dachu),
  • stan pracy UPS-ów oraz temperatury w pomieszczeniu z UPS-ami i w serwerowni,
  • stan opraw oświetlenia awaryjnego.

Ponadto BMS umożliwia odczyty i rejestrację mocy zapotrzebowanych z zainstalowanych analizatorów parametrów sieci w rozdzielnicach głównych (MODBUS) oraz odczyty liczników energii elektrycznej najemców (LonWorks).

fot3

Możliwości sterowania systemem EE:

  • niedopuszczanie do przeciążeń i przekroczenia mocy zamówionej,
  • wyłączanie nawilżaczy, agregatów chłodniczych i pojemnościowych ogrzewaczy wody według ustalonej z inwestorem kolejności w celu odciążenia zasilania,
  • załączanie i wyłączanie ogrzewaczy pojemnościowych na poszczególnych kondygnacjach,
  • załączanie i wyłączanie oświetlenia zewnętrznego, reklam i elewacji,
  • załączanie i wyłączanie oświetlenia garaży,
  • załączanie i wyłączanie oświetlenia klatek schodowych, korytarzy i wspólnych przedsionków na poszczególnych kondygnacjach,
  • włączanie ogrzewania rurociągów na dachu w przypadku spadku temperatury poniżej +5°C,
  • zamykanie okien i klap oddymiających używanych do przewietrzania w przypadku silnego wiatru i opadów,
  • sterowanie żaluzjami.

Sieć komunikacyjna BACnet

Obecnie najpopularniejszą siecią budynkową jest BACnet. Jest to protokół komunikacyjny otwarty, umożliwiający współdziałanie systemów sterowania i monitorowania pochodzących od różnych producentów.

Protokół BACnet jest niezależny od sprzętu, co jest jego wielką zaletą, gdyż pozwala na połączenie dowolnych urządzeń elektronicznych od niezależnych producentów w jeden wspólny system.

Aktualnie BACnet obsługuje następujące media transmisyjne:

  • Ethernet,
  • protokół internetowy IP (dokładniej UDP/IP),
  • protokół PTP (Point to Point) – przeważnie modemy lub linie dzierżawione (łącze szeregowe RS232),
  • MS/TP (Master Slave/Token Passing) po pojedynczej parze miedzianej (magistrala RS485),
  • ARCNET.

Wybór medium transmisyjnego zależy od potrzebnej prędkości komunikacji oraz dostępnych złącz fizycznych w urządzeniach.

Obecnie wybiera się przeważnie transmisję w sieci Ethernet. Daje to duże możliwości. Sieć Ethernet jest tania, łatwa w instalacji i daje ogromne możliwości transmisyjne. Jedynym minusem technologii Ethernet jest niewielka długość pojedynczych odcinków sieci (ok. 100 m), ale w jednej gałęzi może być kilka odcinków (około czterech), a jeżeli to nie wystarczy, wówczas z powodzeniem można zastosować technologię światłowodową, co znacznie zmniejszy ograniczenia odległościowe.  

Sieć BACnet może składać się maksymalnie z 65 533 podsieci, w których może występować w sumie 4 194 303 urządzeń.

fot4

Aparatura obiektowa

Nowoczesny budynek powinien być wyposażony w BMS, czyli „mózg budynku”, aktory – elementy czynne (siłowniki zaworów i przepustnic, głowice elektromechaniczne i termomechaniczne, napędy wentylatorów, styczniki itp.) oraz sensory (czujniki temperatury, ciśnienia, wilgotności i przepływu, zadajniki, nastawniki itp.). Automatyka budynku i integracja daje w efekcie klasyczny system mechatroniczny dużej skali. Pod wpływem sygnałów z sensorów elementy czynne – aktory – wykonują czynności według algorytmu zapisanego w sterowniku. Tworzy się spójny łańcuch procedur, akcji i reakcji.. Ich liczba w budynku może wynosić od kilkudziesięciu do kilkunastu tysięcy, w zależności od wielkości instalacji.

Bardzo ważne jest stosowanie systemu oznaczników aparatury obiektowej oraz przewodów do niej podłączonych. Nietrudno wyobrazić sobie chaos spowodowany brakiem tychże oznaczeń – przez jakiś czas system będzie pracował bezproblemowo, ale gdy zaistnieje potrzeba konserwacji czy naprawy, pracownicy serwisu będą mieli nie lada kłopot z identyfikacją poszczególnych połączeń, co z pewnością spowoduje zwiększenie kosztów usługi i doprowadzi do sytuacji nieprzyjemnych dla obu stron.

Zautomatyzowanie klimatyzacji i wentylacji

W przypadku wentylacji i klimatyzacji automatyka ma za zadanie sterowanie napędami elektrycznymi. Układ automatyki powinien zapewniać racjonalną i oszczędną pracę urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych oraz realizować następujące funkcje:

  • optymalizację pracy central wentylacyjnych w celu obniżenia zużycia energii,
  • sterowanie załączaniem wentylatorów,
  • sterowanie pracą wymiennika odzysku ciepła,
  • sterowanie pracą nagrzewnic i chłodnic,
  • monitorowanie pracy wentylatorów (działanie i parametry pracy),
  • blokadę załączenia wentylatorów (np. w przypadku zagrożenia pożarem, alarmu przeciwzamrożeniowego),
  • programowanie czasów pracy zespołu według schematów czasowych,
  • uniemożliwienie załączenia wentylatorów przy zamkniętych przepustnicach,
  • monitorowanie otwarcia przepustnic,
  • monitorowanie temperatur nawiewu, wywiewu, wyrzutu, za pompą ciepła i powrotu z nagrzewnicy,
  • generowanie alarmów przekroczenia limitów wartości analogowych,
  • monitorowanie czasu pracy wentylatorów i pomp,
  • sygnalizację zabrudzenia filtrów.

Układ regulacji temperatury wykorzystuje regulatory typu PID, których działanie jest bardzo dokładne i które umożliwiają szybkie osiągnięcie zadanej temperatury i utrzymywanie jej w sposób ciągły, bez zbędnych wahań temperatury, co ma miejsce w regulatorze proporcjonalnym typu P (zwykły termostat). Zastosowanie regulatorów PID daje wymierne korzyści finansowe, oszczędności ciepła, chłodu, energii elektrycznej, jeżeli sterujemy ciśnieniem powietrza dyspozycyjnego. W zależności od typu instalacji należy utrzymywać albo stałą temperaturę nawiewu z kompensacją nastawy w zależności od temperatury zewnętrznej, albo stałą temperaturę wyciągu z temperaturą nawiewu jako temperaturą zadaną. System ma generować komunikaty ostrzegawcze i alarmowe w przypadku przekroczenia ustawialnych, granicznych wartości temperatur. Uprawniony operator ma możliwość zmiany nastaw maksymalnej i minimalnej temperatury nawiewu, stałych całkowania i zakresów proporcjonalności.

Zautomatyzowanie węzła cieplnego

Układ automatyki węzła cieplnego powinien umożliwiać integrację i współpracę z BMS w budynku w przypadku użycia otwartej technologii BACnet lub LonWorks.

Instalacje teletechniczne w budynku inteligentnym

Występujące w budynku inteligentnym systemy, takie jak system sygnalizacji pożarowej, dźwiękowy system ostrzegawczy, system kontroli dostępu oraz sygnalizacji włamania i napadu, system telewizji dozorowej oraz instalacje okablowania strukturalnego, nie są przedmiotem niniejszego artykułu.

Systemy te współpracują z systemem automatyki BMS w celu zapewnienia maksymalnej wygody użytkowania, bezpieczeństwa czy optymalizacji kosztów. Standardowym przykładem jest np. przekazywanie informacji o obecności ludzi z systemu kontroli dostępu lub sygnalizacji włamania i napadu do systemu automatyki w celu regulowania temperatury lub informacja o zagrożeniu pożarowym, przekazana w celu uruchomienia przez automatykę procedur wyłączeń central wentylacyjnych.

Podsumowanie

Zastosowanie systemu BMS wiąże się z poniesieniem przez inwestora pewnych dodatkowych kosztów inwestycyjnych. Koszty te są jednak nieznaczne w stosunku do całej inwestycji i są rekompensowane przez:

  • znaczące i racjonalne obniżenie kosztów zużycia energii,
  • bieżącą analizę obciążeń, niedopuszczanie do przeciążeń oraz przekroczenia założonych mocy,
  • duże oszczędności kadrowe wynikające z wykonywania przez system szeregu czynności wynikających z przepisów eksploatacyjnych, np. z testowania stanu technicznego urządzeń i rejestracji wyników testów,
  • wysoki komfort pracy oraz bezpieczeństwo zatrudnionych pracowników,
  • bezpieczeństwo mienia i urządzeń technicznych,
  • precyzyjne powiadomienie odpowiedzialnych za eksploatację służb o wygenerowaniu przez BMS komunikatów o zagrożeniu lub awarii,
  • dostęp lokalny oraz z dowolnego miejsca poprzez Internet do centrali BMS, szybką analizę zarejestrowanych zdarzeń, znalezienie przyczyny zagrożenia i właściwą reakcję odpowiedzialnych za eksploatację służb,
  • zdalny dostęp poprzez Internet do informacji o aktualnych zapotrzebowaniach i zużyciach mocy i energii elektrycznej, cieplnej, chłodu oraz o temperaturach, a także możliwość wprowadzenia nowych nastaw bez konieczności przyjazdu,
  • atrakcyjność inteligentnego budynku w stosunku do konkurencyjnego tradycyjnego budynku.

 

Literatura

  1. Prawo budowlane (Dz.U. 2006 nr 156 poz. 1118,
  2. Dz.U. 2007 nr 99 poz. 665, Dz.U. 2007 nr 191 poz. 1373, Dz.U. 2008 nr 145 poz. 914, Dz.U. 2008 nr 206 poz. 1287, Dz.U. 2008 nr 210 poz. 1321, Dz.U. 2009 nr 161 poz. 1279)
  3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. 2002 nr 75 poz. 690, Dz.U. 2003 nr 33 poz. 270, Dz.U. 2004 nr 109 poz. 1156, Dz.U. 2008 nr 2001 poz. 1238, Dz.U. 2008 nr 228 poz. 1514, Dz.U. 2009 nr 56 poz. 461 – tekst ujednolicony GUNB)
  4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkowo oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (Dz.U. 2008 nr 201 poz. 1240)
  5. Dyrektywa 2006/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 5 kwietnia 2006 r. w sprawie efektywności końcowego wykorzystania energii i usług energetycznych oraz uchylająca dyrektywę
  6. Rady 93/76/EWG
  7. Dyrektywa 2002/91/WE Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 16 grudnia 2002 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków

mgr inż. Czesław Zimiński
mgr inż. Grzegorz Twardowski

Zabezpieczenia 2/2010

 

Wszelkie prawa zastrzeżone. Kopiowanie tekstów bez zgody redakcji zabronione / Zasady użytkowania strony