System zarządzania energią EMS - co to jest, jak działa i jakie daje korzyści?

Na popularności zyskują systemy zarządzania energią EMS (ang. Energy Management System) stosowane m.in. w budynkach biurowych. Wzrost cen energii elektrycznej skłania do poszukiwania rozwiązań pozwalających obniżyć rachunki za prąd.

Spis treści

1. Jak obniżyć rachunki za prąd?
2. Inteligentne budynki z systemem EMS
3. Jak działa system zarządzania energią w biurowcu?
4. Jakie korzyści daje system EMS?
5. System zarządzania energią - opis urządzeń
6. Jak zwiększyć efektywność energetyczną z systemem EMS?
7. Inteligentne oświetlenie w systemie EMS
8. Współpraca systemu EMS z BMS, SMS, HVAC i SSWiN
9. Efektywny system zarzadzania energią - jakie warunki trzeba spełnić?

Jak obniżyć rachunki za prąd?

Ceny energii wędrują w górę już od dłuższego czasu, np. hurtowe stawki prądu wynoszą nawet pięć razy więcej niż ich średnia wartość w ubiegłorocznych kontraktach. I choć nie wszyscy dotkliwie odczuli skutki podwyżek, to prędzej czy później również ich nie ominą. W przypadku np. indywidualnych odbiorców wyższe ceny zostaną uwzględnione dopiero w przyszłorocznych rachunkach za prąd. Co gorsza, nie widać niestety końca tych wzrostów, dlatego tak istotna staje się dzisiaj kwestia efektywności energetycznej.

W biurowcach wydatki na energię stanowią istotną część całkowitego kosztu utrzymania budynku, choć poziom ich energochłonności zależy od wielu różnych składowych. Olbrzymi wpływ na wielkość zużycia energii elektrycznej mogą mieć m.in. zachowania ludzi, a także stan techniczny użytkowanych urządzeń i całej infrastruktury elektrycznej.

Na szczęście istnieje wiele nowoczesnych i energooszczędnych technologii oraz rozwiązań, które mogą pomóc zmniejszyć zużycie energii. Jedną z takich metod jest wdrożenie systemów umożliwiających kompleksowe zarządzanie energią.

Stanowią one kombinację różnych środków, dzięki którym można np. na bieżąco monitorować zużycie energii, analizować je i w efekcie redukować je dzięki odpowiednim działaniom, m.in. poprzez sterowanie infrastrukturą znajdującą się w budynku. Głównym celem jest bowiem zminimalizowane nakładu energii przy zachowaniu wymaganej wydajności.

• Przeczytaj również: Ceny prądu 2023 - mimo zamrożenia oraz limitów i tak nie unikniemy podwyżki cen prądu w 2023 roku

Inteligentne budynki z systemem EMS

Próbę poprawy efektywności energetycznej warto przeprowadzić w każdym obiekcie biurowym, niemniej poziom zaawansowania technologicznego nowoczesnych, tzw. inteligentnych budynków sprawia, że to właśnie w nich najszybciej będą widoczne efekty takich działań.

Obiekty określane mianem inteligentnych wykorzystują różne rozwiązania pozwalające zautomatyzować wiele procesów, jakie w nich zachodzą. Do tego celu stosują różne systemy zintegrowane z czujnikami i urządzeniami wykonawczymi. Ułatwiają one nadzór nad funkcjonowaniem całego obiektu i pozwalają sterować pracą wszystkich znajdujących się w nim instalacji. Najbardziej zaawansowane systemy są w stanie na bieżąco reagować na wszelkie istotne zmiany, jakie zachodzą w budynku i poza nim, zapewniając wysoki poziom komfortu i bezpieczeństwa, a jednocześnie nie wpływając negatywnie na przebywających w nim ludzi.

Dostępne w inteligentnych biurowcach rozwiązania można podzielić na trzy podstawowe grupy, które w różnym stopniu powinny ze sobą współpracować. Są to systemy:

• bezpieczeństwa,
• monitorowania i sterowania instalacjami technicznymi,
• teleinformatyczne.

Budynki biurowe typu smart coraz częściej wykorzystują rozwiązania tzw. Internetu Rzeczy (ang. Internet of Things, IoT), będące częścią złożonego systemu. Połączono w nim wszystkie urządzenia, czujniki oraz elementy wykonawcze wchodzące w skład infrastruktury budynku. Dzięki współpracy i wysokiemu poziomowi automatyzacji wielu procesów możliwe jest uzyskanie licznych korzyści, także związanych z oszczędzaniem energii.

Zobacz również: Systemy zabezpieczeń osób i mienia - rozwój branży

Jak działa system zarządzania energią w biurowcu?

Systemy zarządzania energią w budynkach biurowych służą do sprawowania kontroli nad kluczowymi elementami ich wyposażenia, które mogą mieć wpływ na zużycie energii i jej podstawowych parametrów oraz reagowania w przypadku przekroczenia granicznych wartości. Działanie systemów EMS nie sprowadza się wyłącznie do monitorowania i analizy zużycia energii elektrycznej. Często nadzorują one również dane dotyczące zużycia ciepła, gazu, wody użytkowej czy np. ścieków, zarówno na poziomie całego budynku, jak i z podziałem na poszczególne powierzchnie czy najemców. Najbardziej zaawansowane, inteligentne rozwiązania potrafią także – na podstawie zgromadzonych w trakcie prowadzonego monitoringu danych – przewidywać przyszłe zdarzenia i zawczasu na nie reagować, a także optymalizować zachodzące w budynku procesy.

Działanie systemów EMS bazuje na jednostce centralnej, która zarządza wszystkimi podłączonymi do niej urządzeniami (monitorującymi, sterującymi), gromadzi pozyskane dane i na ich podstawie przeprowadza analizy zużycia prądu oraz wpływu na nie poszczególnych czynników, a także prognozuje przyszłe jego wartości i obciążenie sieci. Ważną rolę odgrywają też różne czujniki, które monitorują pracę urządzeń w biurowcu oraz sterują pożądanymi parametrami. 

Systemy zarządzania energią i ich poszczególne składowe można obsługiwać za pośrednictwem specjalnych programów komputerowych lub aplikacji. Połączenie z jednostką centralną może być przewodowe lub bezprzewodowe. To drugie rozwiązanie staje się w ostatnim czasie coraz powszechniejsze, ponieważ umożliwia zdalną obsługę poprzez aplikacje mobilne, co w teorii pozwala na zarządzanie budynkiem nawet z dużych odległości. Najbardziej rozbudowane EMS z reguły składają się z mniejszych podsystemów, które skupiają się na działaniu wybranych obszarów funkcjonalnych budynku. Dzięki temu są one w stanie lepiej monitorować i kontrolować ich pracę. Zalicza się do nich m.in. systemy:

• monitorowania instalacji technicznych,
• zasilania awaryjnego,
• sterowania oświetleniem, ogrzewaniem, wentylacją i klimatyzacją,
• okablowania instalacji elektrycznej,
• opomiarowania i rozliczania,
• fotowoltaiczne.

Jakie korzyści daje system EMS?

Redukcja zużywanej energii elektrycznej, a także innych mediów, a co za tym idzie ograniczenie wydatków związanych z ich pozyskiwaniem, to oczywiście podstawowa korzyść z zastosowania inteligentnego systemu zarządzania energią w budynkach biurowych. Oznacza bowiem zmniejszenie kosztów prowadzenia działalności, co jest przecież kluczowe w przypadku każdego przedsiębiorstwa i dążenia do maksymalizacji zysków.

Systemy EMS wymuszają także stosowanie najlepszych praktyk w obszarze zarządzania i wykorzystywania energii. Pozwalają one zidentyfikować, a następnie kontrolować te obszary funkcjonowania budynku, które są najbardziej energochłonne. Mając taką wiedzę, można wprowadzić odpowiednie działania (zarówno od strony technicznej, jak i organizacyjnej), które ograniczą wyjątkowo wysoki poziom zużycia energii. Istotną korzyścią stosowania nowoczesnych rozwiązań, które są odpowiedzialne za pomiar zużycia energii, jest także możliwość kontrolowania podstawowych parametrów sieci. Można w ten sposób sprawdzać jakość dostarczanej energii, wykryć słabe punkty w sieci, a także niesymetryczne obciążenie.

Do profitów należy również zaliczyć poprawę wizerunku firmy. Wdrożenie systemu EMS, działanie według odpowiednich norm (np. ISO 50001 i jej najnowszego polskiego odpowiednika PN-EN ISO 50001:2018), a także uzyskanie z tego tytułu różnych certyfikatów (np. zielonych budynków) pozwala ukazać przedsiębiorstwo jako dbające o środowisko naturalne i społecznie odpowiedzialne. 

Nowoczesne systemy EMS są obecnie wysoce kompatybilne i modułowe. Oznacza to, że można łączyć je z innymi systemami budynkowymi, a także rozszerzać o kolejne funkcjonalności.

System zarządzania energią - opis urządzeń

• System kontrolno-pomiarowy

Za najbardziej rozbudowany uznaje się pierwszy poziom obejmujący wszystkie urządzenia odpowiedzialne za dokonywanie pomiarów zużycia energii. Im większa liczba odbiorników w budynku i im bardziej rozbudowana instalacja energetyczna, tym więcej elementów będzie obejmować ta grupa. W ostatnich latach rozwój aparatury pomiarowej, która coraz częściej korzysta z rozwiązań IoT, pozwala na bardziej wydajne pomiary, nie tylko w rozdzielni elektrycznej, lecz także zdalnie, poza nią. W skład tej grupy urządzeń wchodzą różnego rodzaju czujniki, liczniki energii i pozostałych mediów, a także moduły pomiaru i monitorowania wielu innych parametrów sieci.

• Sterowanie

Grupa urządzeń systemu EMS odpowiedzialna za sterowanie instalacją i jej poszczególnymi elementami (np. monitoringiem, klimatyzacją, ogrzewaniem, oświetleniem, żaluzjami i roletami, systemem antywłamaniowym) w sytuacji wystąpienia określonego zdarzenia (np. pojawienie się sytuacji awaryjnej). Oprócz modułu sterującego niezbędny jest także komponent sygnalizacyjny, który informuje o aktualnym stanie danego urządzenia.

• System operacyjny i zarządzania

Cechą najbardziej zaawansowanych systemów EMS, wykorzystujących rozwiązania Internetu Rzeczy, jest wzajemna komunikacja między jego poszczególnymi składowymi, które są podpięte do sieci internetowej. W najnowszych rozwiązaniach dominują już oczywiście technologie bezprzewodowe. Są to najczęściej zdecentralizowane, rozproszone systemy sieciowe bazujące na standardowych platformach komunikacji danych.

Jak zwiększyć efektywność energetyczną z systemem EMS?

Jak pokazuje doświadczenie, efektywność energetyczną budynków biurowych można zwiększać na różne sposoby, wykorzystując do tego celu równocześnie wiele różnych metod. Z pewnością podstawą powinno być stałe monitorowanie obciążenia w całym obiekcie. Każdorazowe przekroczenie któregokolwiek z kluczowych parametrów powinno skutkować automatyczną reakcją systemu albo natychmiastowym kontaktem do operatora. W przypadku gdy wykryte zostanie np. przekroczenie dopuszczalnego obciążenia, niektóre odbiorniki mogą zostać odłączone (zgodnie z ustalonym wcześniej priorytetem). Takie rozwiązanie niekoniecznie pozwoli obniżyć samo zużycie energii w budynku, ale z pewnością udoskonali ochronę całej instalacji przed przeciążeniem, w tym przewodów zasilających, przyłączy, a także końcowych odbiorników. 

Nagminnym nawykiem wielu osób jest pozostawianie urządzeń po zakończonej pracy w trybie czuwania. Wprawdzie pobór energii jest wtedy stosunkowo niewielki – zwykle wynosi od kilkunastu do kilkudziesięciu watów na godzinę – jednak w skali miesiąca czy roku przy wielu takich sytuacjach może przełożyć się to na całkiem dużą kwotę. Inteligentne rozwiązania, po wystąpieniu określonych warunków, są w stanie automatycznie wyłączać urządzenia pozostawione w trybie czuwania. Warunkiem może być brak osób w danym pomieszczeniu, nieużytkowanie sprzętu przez określony czas czy ustalona moc pobieranego prądu. Z reguły system może także samodzielnie przywrócić te urządzenia do działania, np. wraz z pojawieniem się pierwszej osoby w danym pomieszczeniu. 

Nieefektywne sterowanie systemem ogrzewania, klimatyzacji i wentylacji również bywa częstą przyczyną znacznego wzrostu poboru energii elektrycznej. Inteligentne rozwiązania, które łączą w sobie funkcję sterowania tymi systemami, dążą do utrzymywania stałej i optymalnej temperatury w pomieszczeniu. Zwykle otwarcie okna przerywa działanie klimatyzacji w pomieszczeniu, gdyż i tak chłodzone powietrze szybko by się ulatniało. Czujnik otwarcia okien i/lub drzwi z parametrem opóźnienia będzie w stanie odróżnić, czy było to tylko chwilowe otwarcie (np. ktoś wchodził do pomieszczenia), czy długotrwałe. Na podstawie tego zdecyduje, czy należy wyłączyć klimatyzację, czy jednak nie przerywać jej działania. 

Ogromny wpływ na wzrost efektywności energetycznej budynku może przynieść zintegrowanie systemu EMS z fotowoltaiką. Wiadomo bowiem, że ilość energii wyprodukowanej przez instalację PV zależy przede wszystkim od stopnia nasłonecznienia paneli. Nie zawsze więc pobór energii z instalacji będzie tożsamy z zapotrzebowaniem na nią. Stąd też nadwyżka energii z paneli PV powinna być odpowiednio wykorzystana, a kiedy jej pobór jest zbyt niski niektóre urządzenia mogą zostać odłączone. Znając aktualne zużycie, dzięki inteligentnym licznikom i poziomom produkowanej energii, jednostka sterująca połączonymi systemami EMS i fotowoltaicznym będzie na bieżąco decydować o kierunku jej dystrybucji. Przy nadwyżce energii można np. uruchomić moduł ładowania baterii samochodów na parkingu, zwiększyć temperaturę kotła, a nawet uruchomić zmywarkę w biurowej kuchni.

Zaproponowane rozwiązania stworzą – rzecz jasna – katalog otwarty. W praktyce występuje wiele innych, często małych sposobów na ograniczenie zużycia energii. Rolety i żaluzje mogą np. być automatycznie pozycjonowane, żeby zmniejszyć nagrzewanie pomieszczeń w lecie i zwiększyć poziom dogrzania zimą. Latem, w upalne dni, można przeprowadzić nocne wietrzenie pomieszczeń, które pozwoli na akumulację chłodu wewnątrz budynku. Co więcej, inteligentny system, który jest w stanie przewidzieć nadchodzące upały, mógłby uruchamiać wcześniej chłodzenie pomieszczeń albo przeprowadzić rankiem wietrzenie, kiedy temperatura na zewnątrz jest jeszcze stosunkowo niska. Z kolei systemy rekuperacji ciepła lub chłodu, a także recyrkulacji powietrza umożliwią efektywniejsze zarządzanie chłodzeniem i grzaniem pomieszczeń.

Inteligentne oświetlenie w systemie EMS

Znaczne korzyści energetyczne może przynieść odpowiednie zaprojektowanie i wdrożenie zautomatyzowanego systemu oświetlenia. Takie rozwiązania, ze względu na znaczne oszczędności, jakie są w stanie zapewnić, stają się już standardem w nowoczesnych biurowcach. Pozwalają one bowiem zaprogramować i połączyć różne grupy oświetleniowe zgodnie np. z trybem pracy w danym budynku i jego pomieszczeniach. W ten sposób można np. zaprogramować, kiedy poszczególne oświetlenie ma się włączyć, a kiedy wyłączyć, co może być powiązane z godzinami rozpoczęcia i zakończenia pracy, a także z zaplanowanymi przerwami. Można również w taki sposób zautomatyzować regulację natężenia oświetlenia, żeby zmieniało się wraz z porą dnia, a nawet w zależności od zachmurzenia na zewnątrz. Mniejsze zużycie energii można także uzyskać dzięki zintegrowaniu oświetlenia z systemem czujników ruchu. W tych pomieszczeniach, w których osoby przebywają rzadko, światło jest przez cały czas wyłączone i włącza się dopiero po wykryciu czyjejś obecności.

Systemy sterowania oświetleniem bazujące na standardzie DALI dają jeszcze większe możliwości regulowania oświetlenia w biurze, ponieważ jest on uniwersalnym interfejsem dla wszystkich składników: sterowników oświetleniowych, czujników ruchu i obecności, cyfrowych ściemniaczy, układów zasilających i samych opraw. Najwyższy poziom zaawansowania zapewnia połączenie zautomatyzowanego systemu oświetleniowego, np. z systemami kontroli okien, żaluzji czy instalacją wentylacyjną.

Współpraca systemu EMS z BMS, SMS, HVAC i SSWiN

Nowoczesne budynki należą do bardzo zaawansowanych technologicznie obiektów o wielu skomplikowanych funkcjonalnościach. W znacznej mierze są one mocno zautomatyzowane – do zarządzania i sterowania różnymi procesami wykorzystują różne systemy z obszaru automatyki budynkowej. System zarządzania energią jest często tylko jednym z kilku, jakie funkcjonują w danym obiekcie. Początkowo rozwiązania tego typu działały całkowicie niezależnie od siebie, jednak szybko okazało się, że nie jest to opłacalne, gdyż wykorzystywana w nich infrastruktura często się dublowała. Aby całość przynosiła jak największe korzyści, zaczęto je ze sobą – w miarę możliwości – integrować w ramach ich infrastruktury.

Poza EMS do najczęściej spotykanych rozwiązań w budynkach biurowych, należą:

• SMS (ang. Security Management System) – system zarządzający systemami bezpieczeństwa budynku,
• HVAC (ang. Heating, Ventilation, Air Conditioning) – system sterowania systemami ogrzewania, wentylacji, chłodzenia i klimatyzacji w budynku,
• SSWiN – system sygnalizacji włamania i napadu, przeciwpożarowy,
• BMS (ang. Building Management System) – system zarządzający funkcjami technicznymi budynku.

Obecnie BMS bardzo często ma nadrzędną rolę wobec innych systemów, a do jego zadań należy również gromadzenie wielu danych, ich analiza i wymiana informacji pomiędzy powiązanymi systemami. Pozwoliło to lepiej wykorzystać funkcjonalności wdrożonych rozwiązań, a tym samym zoptymalizować ich działanie.

Efektywny system zarzadzania energią - jakie warunki trzeba spełnić?

Systemy zarządzania energią, a zwłaszcza ich inteligentne odmiany w coraz większym stopniu będą stanowić integralną część nowoczesnych budynków biurowych. Ich rola w ograniczaniu zużycia energii, a tym samym kosztów eksploatacyjnych obiektów, będzie bowiem coraz istotniejsza. Nie wynika to tylko z rosnących cen energii, lecz także udoskonalania metod ograniczania zużycia energii. 

Żeby jednak system EMS przynosił maksymalne korzyści, należy spełnić kilka podstawowych warunków i zasad działania. Niezbędna jest poprawna eksploatacja obiektu i wszystkich urządzeń w jego wnętrzu, a także przestrzeganie ustalonych procedur operacyjnych. Cała infrastruktura budynkowa powinna znajdować się w odpowiednim stanie technicznym, dlatego też niezbędne jest przeprowadzanie okresowych prac serwisowych i konserwacyjnych. Poprawie efektywności energetycznej obiektu powinno też sprzyjać przygotowywanie i wdrażanie planów na podstawie gromadzonych przez EMS danych dotyczących zużycia energii, które pozwolą zoptymalizować różne procesy wewnątrzbudynkowe. 

Wojciech Traczyk