BMS - system zarządzania budynkami. Na czym polega system automatyki BMS?

BMS (z ang. Building Management System ) to system automatyki budynkowej, który daje możliwość monitorowania i zarządzania wszystkimi urządzeniami i systemami znajdującymi się w budynku i jego otoczeniu. Wykorzystywany do zarządzania instalacjami oświetleniowymi, grzewczymi, klimatyzacyjnymi czy alarmowymi, umożliwia wygodniejsze i efektywniejsze ich stosowanie, a nawet na przekształcenie budynku w obiekt typu Smart House, czyli inteligentny dom. Dowiedz się więcej o urządzeniach, sterownikach oraz technologiach sterowania systemem BMS.

Spis treści

1. Nowoczesne instalacje elektryczne typu SMART
2. Co to jest system sterowania budynkiem BMS?
3. BMS - jak działa zintegrowany system sterowania?
4. Na czym polega sterowanie systemem BMS?
5. BMS, czyli optymalizacja kosztów utrzymania budynku
6. Rodzaje systemów automatyki budynkowej BMS
7. Jak dobrze zaplanować system BMS w budynku?
8. Systemy BMS dostępne na rynku

Nowoczesne instalacje elektryczne typu SMART

Pierwsze instalacje elektryczne w budynkach miały za zadanie oświetlać pomieszczenia oraz zasilać różne odbiorniki. Z czasem, wraz z rozwojem technologii, zaczęto poszerzać ich tradycyjną funkcjonalność o możliwość automatycznego sterowania urządzeniami. Na początku stosowano proste układy automatyki stycznikowo-przekaźnikowej, a następnie układy elektroniczne. Systemy działały niezależnie, a różne rozwiązania i standardy powodowały, że ich instalacja i późniejsza konserwacja były kosztowne i kłopotliwe (własne okablowanie i czujniki, obsługa tylko przez wyspecjalizowane firmy dostarczające poszczególne rozwiązania). Kolejnym etapem rozwoju automatyki budynkowej była integracja niezależnych systemów automatyki w jeden wspólny system zarządzania budynkiem (BMS), nazywany również systemem sterowania budynkiem (BCS, z ang. Building Control System) lub automatyka budynku (BAS, z ang. Building Automation System). Natomiast zalecanym przez normę określeniem jest system sterowania i automatyzacji budynku (BACS, z ang. Building Automation and Control System).

Poza tradycyjnymi instalacjami elektrycznymi obecnie w obiektach montowane są instalacje, które można przyporządkować do trzech systemów:

• automatyzacji budynku (BAS), zarządzającego funkcjami technicznymi obiektu,
• zarządzania bezpieczeństwem (SMS, z ang. Security Management System), nadzorującego systemy bezpieczeństwa,
• zarządzania energią (EMS, z ang. Energy Management System), kontrolującego zużycie energii i mediów.

Instalacje elektryczne nowej generacji, czyli takie, których częścią są systemy automatyki budynkowej, stosuje się coraz częściej także w obiektach mieszkalnych, zarówno w budynkach jedno-, jak i wielorodzinnych.

Co to jest system sterowania budynkiem BMS?

Przy obecnej technologii w nowo wznoszonych lub modernizowanych budynkach powinno się stosować zintegrowane systemy sterowania (sieci sterowania), które oferują bezproblemową integrację funkcjonalną modułów automatyki (sterowania), elementów monitoringu pracy urządzeń (różnych producentów) i zużycia energii, a także rozmaitych instalacji technicznych obiektu. Tego typu rozwiązania obejmują urządzenia i aparaturę instalacyjną, a także systemy komunikacyjne, dzięki którym użytkownik ma dostęp do danych i możliwość zarządzania funkcjonowaniem całego obiektu. Porównanie struktury systemów automatyki budynku zorganizowanych w sposób niezależny oraz zintegrowanego systemu sterowania przedstawiono na poniższym rysunku. 

Odpowiednio zaprojektowany system BMS umożliwia:

• monitoring i sterowanie poszczególnymi elementami systemu,
• zmianę nastaw parametrów pracy,
• definiowanie harmonogramów i scenariuszy pracy,
• diagnostykę systemu,
• optymalizację zużycia energii,
• zmianę dotychczasowych funkcji i rozbudowę.

Systemy zarządzania budynkiem bazują na tzw. węzłach sieciowych – modułach wyposażonych w mikrokontrolery (z zaimplementowanym standardowym protokołem wymiany danych) i interfejs sieciowy.

BMS - jak działa zintegrowany system sterowania?

Moduły rozproszone w budynku połączone są ze sobą magistralą transmisji danych (z wykorzystaniem różnych nośników transmisji – przewodowych lub bezprzewodowych). Każdy z węzłów sieciowych ma zdolność lokalnego przetwarzania informacji i sterowania wyjściami (elementami wykonawczymi) na podstawie sygnałów pochodzących z wejść (sensorów). Sensory są podstawowym źródłem informacji o parametrach pracy poszczególnych urządzeń oraz warunkach wewnętrznych i zewnętrznych (np. temperatura, opad deszczu, siła wiatru, nasłonecznienie czy jakość i skład powierza), a także stanie otwarcia okien, obecności użytkowników itp. Elementy wykonawcze natomiast to wszystkie urządzenia, które umożliwiają realizowanie funkcji użytkowych (np. zawory grzejników, pompy, napędy rolet, styczniki uruchamiające poszczególne obwody oświetleniowe).

Na czym polega sterowanie systemem BMS?

Sterowanie BMS może odbywać się całkowicie automatycznie, przy częściowym udziale użytkownika lub ręcznie. W ramach działań automatycznych sterowanie realizuje się na dwa sposoby:

• czasowy,
• parametryczny (np. praca na podstawie pomiaru poziomu temperatury, wykrycia stanu otwarcia okna lub obecności użytkownika w pomieszczeniu).

System BMS umożliwia sterowanie pojedynczym elementem (np. lampa, grzejnik, roleta), jedną lub kilkoma grupami odbiorników (np. oświetlenie w pomieszczeniu, poszczególne jego obwody), a także jednocześnie wszystkimi urządzeniami (np. wyłączenie oświetlenia w całym domu, zamknięcie okien/rolet). Ponadto pozwala tworzyć tzw. scenariusze pracy, obejmujące zadane nastawy parametrów pracy różnych urządzeń w zależności od przyjętego celu, np. scenariusz dla konferencji wideo może obejmować włączenie/wyłączenie odpowiednich punktów oświetlenia, przysłonięcie rolet, włączenie telewizora i nagłośnienia czy ustawienie temperatury w pomieszczeniu. Dzięki nim możliwe jest łatwe i szybkie dostosowanie pomieszczenia do różnych rodzajów aktywności lub preferencji (np. do pracy lub odpoczynku). Scenariusze mogą być uruchamiane ręcznie lub automatycznie o wybranej porze.

Użytkownik może komunikować się z systemem BMS za pomocą komputera, naściennych paneli dotykowych, przycisków i przełączników, a po podłączeniu systemu do internetu również przy użyciu urządzeń mobilnych (smartfon, tablet, komputer) – w tym przypadku należy zwrócić jednak szczególną uwagę na kwestie bezpieczeństwa. Dzięki intuicyjnej wizualizacji zarządzanie budynkiem nie wymaga specjalistycznych kwalifikacji branżowych.

BMS, czyli optymalizacja kosztów utrzymania budynku

Zastosowanie systemów BMS wciąż wiąże się z wyższymi kosztami inwestycyjnymi w fazie budowy w stosunku do obiektu tradycyjnego. Jednak w perspektywie późniejszej eksploatacji obiektu (która stanowi ok. 70% wszystkich kosztów cyklu życia obiektu, uwzględniających również wzniesienie budynku i dzięki dostępnym funkcjom ograniczającym zużycie energii wykorzystanie BMS może przynieść znaczne oszczędności. W dużych obiektach rozbudowane systemy BMS cechują się strukturą hierarchiczną, składającą się z kilku poziomów, natomiast w mniejszych, np. domach jednorodzinnych, mieszkaniach lub punktach usługowych, mogą być zrealizowane tylko na poziomie wykonawczym, ew. wykonawczym i automatyzacji. Ten pierwszy składa się z regulatorów, prostych sterowników wykonujących bezpośrednie funkcje sterowania, sensorów, elementów wykonawczych, a także central autonomicznych systemów bezpieczeństwa oraz wyspecjalizowanych układów sterowania niektórych odbiorów (np. central wentylacyjnych, pomp ciepła). Poziom automatyzacji obejmuje natomiast sterowniki sieciowe obsługujące poszczególne strefy lub podsystemy budynku.

Rodzaje systemów automatyki budynkowej BMS

Poszczególne urządzenia automatyki budynków mogą się komunikować ze sobą za pomocą różnych nośników transmisji, tj: para przewodów skręconych (TP, z ang. Twisted Pair), przewód koncentryczny, przewody tradycyjnej instalacji elektrycznej (PL, z ang. Power Line) czy światłowodowe, a także bezprzewodowo. Na poziomie wykonawczym poszczególne podsystemy korzystają z własnych protokołów komunikacji (takich jak ModBus, M-Bus, Lon Works, KNX lub protokołów producentów rozwiązań). Na poziomie automatyzacji następuje integracja systemowa i sprzętowa, co umożliwia wzajemną komunikację urządzeń.

Można wyróżnić dwa rodzaje systemów automatyki budynkowej:

• zamknięte (firmowe) – oparte na niejawnej technologii zastosowanej w produktach konkretnego producenta. Zazwyczaj są przeznaczone do konkretnych zadań (np. wentylacja, oświetlenie, RTV/AGD) i często zdarza się, że nie są wyposażone we wszystkie elementy niezbędne dla realizacji kompletnego systemu BMS. Ich zasadniczą wadą jest niekompatybilność standardów, co powoduje, że połączenie jednego systemu z innym, rozbudowa lub modernizacja są trudne i kosztowne. Ponadto ich instalację oraz serwisowanie przeprowadzają jedynie wyspecjalizowane firmy.

• otwarte – wykorzystujące technologię i standardy komunikacji niezależne od poszczególnych firm, tzn. że mogą być zaimplementowane w urządzeniach różnych producentów. Zapewniają one pełną współpracę urządzeń pochodzących od różnych producentów na płaszczyźnie fizycznej i funkcjonalnej, umożliwiają tworzenie elastycznych systemów, które mogą być w przyszłości dowolnie rozbudowywane. Ponadto na rynku jest dostępna duża liczba urządzeń, dzięki czemu klient nie jest uzależniony od konkretnego producenta, a system może być zrealizowany i serwisowany przez firmę z nim niezwiązaną. Obecnie jedne z najbardziej popularnych na całym świecie systemów otwartych to LonWorks i KN.

Jak dobrze zaplanować system BMS w budynku?

Zasadniczo większość urządzeń automatyki budynkowej montuje się podobnie jak urządzenia w konwencjonalnej instalacji elektrycznej: podtynkowo w puszkach instalacyjnych lub w rozdzielnicach na szynie DIN. Niektóre mocuje się także natynkowo (np. radiowe urządzenia sterujące) lub wewnątrz sterowanego odbiornika (np. elementy wykonawcze). Planując system sterowania i automatyki w budynku, należy pamiętać, że w celu realizacji wielu funkcji wymaga on instalacji technologicznych (np. ogrzewania, wentylacji lub c.w.u.) o odpowiednich właściwościach, tzn. umożliwiających sterowanie przez elementy wykonawcze systemu BMS, czyli wyposażonych we właściwe urządzenia, zawory lub przepustnice. Ponadto powinno się przeanalizować wymagania, ograniczenia i własności instalacyjne urządzeń. Decydując się na system oparty o rozwiązania przewodowe, należy zwrócić uwagę na maks. dopuszczalną długość magistrali, liczbę urządzeń, które mogą być obsługiwane oraz zasilane przez jeden zasilacz, a także maks. odległość między zasilaczem a najdalszym urządzeniem.

Jeżeli chodzi o popularną dzisiaj komunikację bezprzewodową, jeszcze niedawno budzącej obawy projektantów automatyki budynkowej, dostępne są rozwiązania radiowe m.in. bazujące na takich standardach, jak: Wi-Fi, ZigBee, EnOcean czy Z-Wave. Podstawową ich zaletą jest elastyczność w instalacji urządzeń. Cechę tę można wykorzystać do rozbudowy systemu przewodowego w pomieszczeniach, w których instalacja okablowania byłaby zbyt kłopotliwa (np. ze względu na konieczne prace murarskie).

Dodatkowymi elementami mogą być zarówno przyciski, czujniki, jak i elementy wykonawcze. W taki sposób można uzyskać mieszany system radiowo-przewodowy. Z użyciem sieci bezprzewodowych wiążą się jednak pewne ograniczenia i rozważając ich zastosowanie, należy zwrócić uwagę przede wszystkim na specyfikę zasięgu urządzeń.

Systemy BMS dostępne na rynku

Systemy BMS dostępne na rynku oferują duże możliwości funkcjonalne, wynikające z wzajemnej komunikacji i współdziałania wielu urządzeń, instalacji i podsystemów pracujących w ramach zintegrowanego systemu. W ramach każdego obszaru funkcjonalnego systemu można wyróżnić kilka podsystemów, odpowiedzialnych za realizację poszczególnych funkcji, których implementacja zależy od potrzeb użytkowników i przewidywanych nakładów finansowych na inwestycję. Podsystemy funkcjonalne oraz realizowane przez nie zadania w sposób ogólny scharakteryzowano poniżej.

Systemy bezpieczeństwa BMS

• system kontroli dostępu – odblokowuje drzwi, umożliwiając wejście na teren posesji, do budynku lub poszczególnych jego pomieszczeń jedynie upoważnionym osobom (w celu identyfikacji użytkowników mogą być wykorzystywane klawiatury kodowe, czytniki kart dostępowych lub odcisku palca);

• system kontroli wjazdu – otwiera bramę lub szlaban, umożliwiając wjazd na posesję tylko uprawnionym pojazdom;

• system sygnalizacji włamania i napadu – monitoruje pomieszczenia za pomocą różnorodnych czujników reagujących np. na ruch, stłuczenie szyby, otwarcie okna lub drzwi;

• system sygnalizacji pożaru – monitoruje przestrzeń budynku przy pomocy czujników dymu, ciepła lub płomienia, umożliwiając wykrycie i zlokalizowanie pożaru już w początkowej jego fazie;

• system monitoringu – dzięki kamerom i mikrofonom rejestruje i archiwizuje zdarzenia zachodzące na terenie obiektu. Użytkownik ma możliwość bieżącego podglądu budynku i/lub przestrzeni zewnętrznej, co pozwala mu weryfikować sygnalizowane zdarzenia (np. włamania); możliwy jest także dostęp do danych archiwalnych;

• system detekcji gazów – wykrywa np. ulatniający się gaz;

• system ochrony przed zalaniem – na podstawie informacji z czujnika sygnalizuje pojawienie się wody na posadzce, co umożliwia szybką reakcję użytkownika i ograniczenie strat materialnych;

• symulacja obecności – automatycznie realizowane scenariusze z wykorzystaniem sterowania oświetleniem, systemem audio-wideo, otwieraniem okien lub nawet odtwarzaniem zarejestrowanych wcześniej dźwięków, symulacją obecności mieszkańców w celu zapobiegania włamaniom i kradzieży;

• sterowanie zewnętrznymi roletami okiennymi – m.in. automatyczne ich zamykanie po opuszczeniu budynku przez ludzi, stosowane w celu ochrony przed włamaniem;

• system zasilania gwarantowanego – zapewnia nieprzerwane zasilanie budynku lub jego najważniejszych odbiorów, nawet w przypadku przerwy w dostawach energii elektrycznej z sieci. System może być zrealizowany w oparciu o zasilacz UPS, alternatywne źródła energii, kogenerację lub agregat prądotwórczy;

• sterowanie systemami w stanach alarmowych – w przypadku wykrycia zagrożenia przez podsystemy podejmowane są odpowiednie działania, np. sterowanie urządzeniami czy powiadomienie służby ochrony oraz użytkowników obiektu.

      2. Systemy zapewniające komfort klimatyczny

• sterowanie ogrzewaniem/chłodzeniem – dostosowanie temperatury w poszczególnych pomieszczeniach dla zapewnienia komfortu cieplnego użytkowników; w tym celu mogą być wykorzystywane systemy wentylacji lub lokalne systemy grzewcze i/lub chłodnicze. Ustawienia temperatury mogą być inne dla każdego pomieszczenia, a w celu ograniczenia ich przegrzewania w lecie rolety lub żaluzje mogą zostać automatycznie opuszczone;

• sterowanie wentylacją – zarządzanie pracą centrali wentylacyjnej dystrybuującej świeże powietrze do pomieszczeń. Ilość nawiewanego powietrza może być automatycznie podnoszona w celu przewietrzenia. Sterowanie może także obejmować wstępne przygotowanie temperatury powietrza za pomocą nagrzewnicy, chłodnicy lub gruntowego powietrznego wymiennika ciepła, a także jego nawilżanie lub osuszenie. Wentylacja pomieszczeń może się także odbywać przez tzw. naturalne przewietrzanie, realizowane przez otwarcie okien (za pomocą siłowników) – w przypadku wykrycia przez stację pogodową opadów deszczu lub zbyt silnego wiatru okna zostaną automatycznie zamknięte;

• kontrola jakości powietrza – badanie jakości powietrza (np. zawartości dwutlenku węgla) w celu sterowania wydajnością wentylacji;

• sterowanie oświetleniem – zarządzanie oświetleniem wnętrz i otoczenia budynku, w tym jego automatyczne włączanie i wyłączanie oraz regulacja jasności lub barwy światła według potrzeb użytkowników bądź zależnie od ilości światła dziennego.

      3. Systemy zarządzania energią

• system monitoringu zużycia energii i mediów – zapewnia użytkownikom dostęp do informacji o obecnym, historycznym oraz prognozowanym zużyciu energii elektrycznej i cieplnej, wody czy gazu. Dzięki temu zwiększa się świadomość o rzeczywistym zużyciu oraz możliwe staje się identyfikowanie obszarów potencjalnych oszczędności oraz eksploatacja urządzeń w bardziej racjonalny sposób;

• system zarządzania i optymalizacji dystrybucji oraz zużycia energii i mediów – nadzoruje pracę i stan źródeł ciepła oraz chłodu budynku (np. kotłów gazowych, agregatów chłodniczych, pomp ciepła, układów kogeneracyjnych), a także lokalnych systemów ogrzewania i chłodzenia. Wytworzona energia może być rozprowadzana do poszczególnych pomieszczeń budynku według zapotrzebowania (zgodnie z zadaną temperaturą) w celu ich ogrzania bądź schłodzenia (również automatycznie dostosowywana zgodnie z założonym harmonogramem, np. zmniejszana w godzinach nocnych lub podczas nieobecności użytkowników). Oświetlenie może być sterowane automatycznie – wyłączane lub przyciemniane w przypadku nieobecności użytkowników lub wystarczającej ilości światła naturalnego. System może także nadzorować pracę układu wentylacji i regulować ilość świeżego powietrza w zależności od potrzeb (np. podczas nieobecności użytkowników obniżenie jej do niezbędnego minimum). Możliwy jest także odzysk ciepła zimą i chłodu latem ze zużytego powietrza (za pośrednictwem odpowiedniego rekuperatora) lub częściowa recyrkulacja na podstawie pomiaru jego jakości. W okresie letnim może być także realizowane przewietrzanie nocne, które pozwala na akumulację chłodu w konstrukcji budynku. Rolety i żaluzje mogą być samoczynnie pozycjonowane, aby ograniczyć przegrzewanie budynku w lecie oraz w celu jego dogrzewania energią słońca lub minimalizacji ucieczki ciepła przez okna w zimie. Skoordynowane sterowanie pozwala na uzyskanie najwyższej możliwej efektywność energetycznej budynku.

• system zarządzania poborem mocy i energii elektrycznej – nadzoruje pracę urządzeń, które mogą być włączane z opóźnieniem (w godzinach nocnych) w celu obniżenia opłat za energię elektryczną lub maksymalnego wykorzystania energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych (paneli fotowoltaicznych, kolektorów słonecznych, elektrowni wiatrowych);

• system zasilania gwarantowanego – zapewnia niezależność od dostaw energii elektrycznej z zewnątrz. W budynkach mieszkalnych najwięcej energii pochłaniają układy ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji. Zastosowanie podstawowych sposobów sterowania obniża ich energochłonność o przeszło 5%, natomiast zaawansowanych funkcji monitoringu i sterowania w ramach sytemu zarządzania budynkiem – nawet o 40%. Dzięki temu możliwe jest znaczne ograniczenie kosztów utrzymania budynku, a także jego oddziaływania na środowisko naturalne. Szczegółowe funkcje systemów BMS, wraz z klasyfikacją ich wpływu na energooszczędność budynku, przedstawiono w normie.