Sběr dat pro vyhodnocování spotřeb energie klimatizačních jednotek

Při úkolu energeticky optimalizovat již pracující či nové klimatizační zařízení je třeba v první řadě získat historická data o spotřebách energie, ale i o dalších veličinách. Některé senzory a měřiče ve vzduchotechnických jednotkách najdeme, jiné je nutné doplnit. Příspěvek popisuje možnosti sběru a registrace dat nutných pro vyhodnocování energetické náročnosti klimatizačních jednotek.

Pokud chceme vyhodnocovat spotřeby energie klimatizačních jednotek a optimalizovat jejich provoz, musíme mít k dispozici provozní veličiny pro konkrétní jednotky naměřené nejlépe během několika sezon. Ne všechny instalace jsou vybaveny vyhovujícím souborem čidel a měřičů; spíše můžeme říci, že se jedná o výjimky. Rozvody otopné vody mají kalorimetr v nejlepším případě na větvi společné pro všechny jednotky, chlazená voda se u zdroje zpravidla neměří vůbec. Elektrická energie se měří na vstupu do budovy a podružná měření médií následují pouze tehdy, je-li od počátku jasné, že určitá část budovy s příslušejícími technologiemi bude pronajata cizímu subjektu. Za těchto podmínek je velmi obtížné vyhodnocovat spotřeby energie, natož podnikat úsporná opatření založená na analýze spotřeb a detekovat poruchy pomocí pokročilých statistických metod.

Skupiny měřených dat
Měřené hodnoty a snímané signály můžeme rozdělit do tří skupin.

1. Přímé signály poruch
Jedná se většinou o binární vstupy, které přímo hlásí poruchy technologie, například signál z čidla protimrazové ochrany, diferenčního manostatu na filtru, pomocného kontaktu motorové ochrany atd. Aktivní signál znamená poruchu. Většina těchto signálů je již dostupná v systému měření a regulace integrovaném do řídicího systému budovy (Building Management System, BMS) – a data jsou tak k dispozici v databázích historických hodnot. Pokud příslušné signály nejsou vzorkovány, nebývá problém je k trendovaným hodnotám přidat. K přímým signálům poruch také patří vybočení mimo pevné meze analogových hodnot, například pokles tlaku freonu nebo vody v systému vytápění či chladicím systému. Tyto signály mohou vznikat již v BMS, protože podmínky pro jejich aktivaci jsou pevně dané (např. jako zámraz na zpátečce ohřevu je vyhodnocován pokles teploty v potrubí pod 15 °C).

2. Kumulované hodnoty
Do této skupiny patří především naměřené spotřeby energie, provozní hodiny i další zajímavé údaje, jako jsou například četnosti spínání kompresorů. Jedná se o veličiny, jejichž hodnoty se v čase trvale zvyšují, a proto má smysl u nich počítat denní, týdenní, měsíční i roční přírůstky. Zdrojem těchto hodnot jsou převážně elektroměry, kalorimetry, vodoměry, ale i virtuální datové body a také zmíněné počty startů agregátů. Měřiče energie je dobré řešit samostatně a integrovat je do řídicího systému po sběrnici.

3. Odvozené signály poruch
Jsou to výsledky vyhodnocování řady naměřených i historických dat pokročilými statistickými metodami detekce poruch. Podstatné je těmto algoritmům poskytnout středně- až dlouhodobé soubory relevantních dat, což z hlediska měření a regulace představuje okamžité měřené i kumulované hodnoty. Odvozené signály nemají v systému měření a regulace žádný obraz, jsou to hodnoty vypočtené ve statistické nadstavbě nad BMS. V blízké budoucnosti nás ale díky zvyšujícímu se výpočetnímu výkonu a rostoucí záznamové kapacitě regulačních podstanic čeká prorůstání těchto funkcí i na automatizační úroveň, což představuje významnou změnu v pohledu na detekci poruch vůbec.

Instalace měřicích míst
Při projektování rozlišujeme dočasnou a trvalou instalaci. Dočasná instalace bude po skončení měření opět odstraněna a slouží pro jednorázové (např. sezonní) měření, které má například vyhodnotit, zda se vyplatí rekonstrukce zařízení, nebo spíše jeho demontáž a instalace nového. U přímých signálů a okamžitých hodnot většinou dočasná instalace nepředstavuje zásadní položku v rozpočtu.

Využije se buď přenosný systém sběru dat s možností exportu ve vhodném formátu, ideál­ně připojený na IT infrastrukturu pro pohodlné odečty, nebo v jednodušších případech dataloggery (např. Comet). Ty mají ovšem tu nevýhodu, že je nutné je čas od času obejít a odečítat do počítače. Bezdrátová čidla, byť je jejich instalace nejjednodušší, se pro vyšší pořizovací náklady a riziko nedostatečného dosahu zatím příliš nepoužívala; pokud se pohybujeme pouze ve strojovnách, je navýšení pro bezdrátové provedení srovnatelné s cenou kabeláže čidel drátových.

Pro měření elektrické energie jsou poměrně dostupné komunikativní elektroměry a síťové analyzátory za cenu již od 6 000 Kč, měřicí transformátory pro zvýšení rozsahu stojí několik set korun. Pro jednodušší případy se dají použít elektroměry s impulsním výstupem a čítací moduly na sběrnici, např. M-Bus. Cenový rozdíl ale není velký a nevyváží komfort instalace komunikativního elektroměru. Pro měřiče ostatních médií (hlavně kalorimetry) ovšem pořizovací cena měřiče bývá významnou položkou rozpočtu, a tedy často důvodem, proč dočasnou instalaci raději nerealizovat. Měřič tepla pro průtok 60 m³/h vyjde přibližně na 30 000 Kč, nepočítaje v to náklady na montáž, sběr dat a komplikace spojené s vypouštěním systému.

Proto je už při projektování nových zařízení vhodné přinejmenším uvažovat o pozdější instalaci podružných měřičů a dalších měřicích míst. Vícenáklady na přípravu u nových instalací jsou minimální (kulové ventily, mezikusy, jímky, trasy pro vedení atd.). Dále je možné využívat periferie, které již některé potřebné hodnoty poskytují, například řada frekvenčních měničů zpracovává kumulované hodnoty spotřeby energie, a tím může nahradit podružný elektroměr.

Samozřejmě ve světle neustávajících snah o snižování investičních nákladů se asi nepodaří zdůvodnit instalaci dvou kalorimetrů a elektroměru pro každou jednotku s tím, že tyto přístroje napomohou optimalizaci provozu. Je však dobré, alespoň tam, kde investor je zároveň provozovatelem (výrobní provozy apod.), pracovat s celkovými náklady na vlastnictví po celou dobu životnosti (Total Costs of Ownership, TCO). Jedině ty mohou být argumentem pro uplatnění úsporných opatření. Může se ovšem také ukázat, že potenciální úspory nebudou tak velké, aby vyvážily potřebné navýšení rozpočtu. Příkladem mohou být jednotky s velmi krátkou životností, jako jsou výrobní linky pro čisté prostory, které se musejí amortizovat i do tří let.

Projektant měření a regulace obvykle narazí na překážku v podobě nevyhovující topologie rozvodů médií – například rozvaděč napájí několik klimatizačních jednotek najednou, větrací jednotka zásobuje celé patro, které patří několika nájemcům, atd. Tam nelze spotřeby efektivně přiřadit jednotlivým spotřebitelům a musejí nastoupit rozpočítávací metody, často značně nepřesné – až v řádu desítek procent. Pomoci může měření a regulace, která předem připraví vybrané hodnoty (požadavky na vytápění a chlazení, provozní hodiny) nebo stanoví výkony dohřevů ze zónových regulátorů, které tyto hodnoty obsahují.

Příklady zařízení s komunikací

Kotle a chladicí zařízení
Komunikativní systémy (např. Buderus Ecoport, EMS) dávají kromě okamžitých hodnot k dispozici nanejvýš počet provozních hodin, výjimečně spotřebu paliva (Viessmann Vitotro­nic). Provozní hodiny je pak vhodnější odečítat v systému měření a regulace, pokud komunikace není instalována tak jako tak, nebo integrace není extrémně nenáročná (bez nutnosti pořizovat hardwarové rozhraní navíc). U chladicích zařízení jsou k dispozici okamžité hodnoty, někdy výkon (Sabroe). Elektřinu není problém měřit předřazeným elektroměrem, jehož cena v dodávce zdroje chladu nehraje významnější roli.

Tepelná čerpadla
Tepelná čerpadla představují prudce se rozvíjející obor. Na trhu jsou však zatím k dispozici většinou zařízení, která umožňují pouze zobrazení aktuálních hodnot. Nebývá ale problém doplnit je podružným elektroměrem, protože tepelné čerpadlo představuje jeden odběrný bod. Velmi zajímavé bude sledovat závislost topného faktoru na venkovní teplotě během několika let provozu. Existují systémy, které umožňují doplnit zařízení o server pro rozpočítávání nákladů na jednotlivé vnitřní jednotky. I když i zde se jedná o poměrové rozpočítávání spolu s integrací pulzních elektroměrů, nikoli
o přímé měření chladicí a otopné energie.

Klimatizační jednotky splitové a multisplitové
Známé značky mají rozhraní pro integraci do BMS po standardních protokolech – LON, BACnet/IP, BACnet-MS/TP, Modbus. Cena rozhraní nebývá předmětem standardní nabídky a může znamenat vícenáklady, pokud požadavek na integraci není výslovně uveden v zadání. Například zařízení firmy Toshiba a Mitsubishi poskytují pouze okamžité hodnoty, systémy společnosti Daikin (VRV) i kumulované spotřeby elektřiny jednotlivých vnitřních jednotek.

Kompaktní VZT jednotky s vlastní regulací
Pro příklad lze uvést zařízení od firmy Carel, Regin a další. Zde záleží často i na autorovi aplikace – u stejných regulačních systémů najdeme různé funkce. Jednotka vždy „žije v přítomnosti“, nejvýše poskytuje kumulované provozní hodiny či celkovou dobu provětrávání podle čidla CO₂. Pro funkce detekce poruch můžeme ovšem dobře použít okamžitý průtok vzduchu nebo tlak na výstupu, někdy dokonce výkon přívodního a odtahového ventilátoru (Swegon).

Zónové regulátory (regulace jednotlivých místností, IRC)
Podle dostupných dat jsou ze zónových regulátorů k dispozici pouze okamžité hodnoty, výjimečně i okamžitý výkon elektrického dohřevu (Siemens RXC), počítaný ze zadaného jmenovitého výkonu a míry buzení (tedy na kolik procent se dohřívá).

Zvlhčovače
Zde bývají k dispozici celkové provozní hodiny a okamžitý výkon na páře (kg/h), například Flair.

Frekvenční měniče
Opět jsou na rozhraní k dispozici vesměs okamžité hodnoty a výkon motoru (Danfoss), někdy včetně provozních hodin (ABB), či dokonce kumulované spotřeby (Omron Varispeed).

Měření kumulovaných hodnot
Základním prostředkem pro sběr dlouhodobých dat ale zůstává měření kumulovaných hodnot po vlastní sběrnici, kterou je nejčastěji M-Bus nebo Modbus (např. elektroměry značky Lovato, Janitza a další). Výjimečně se vyskytne uzavřený standard (např. Frako) a pak je třeba počítat s cenou rozhraní, například OPC serveru, která se může v českých korunách včetně inženýringu vyšplhat i na šestimístnou částku.

V zásadě lze říci, že se velmi vyplatí nasazovat měřiče s komunikačním rozhraním místo měřičů s impulsním výstupem a následnými převodníky. Při použití impulsních převodníků bývá problém během uvádění do provozu zjistit váhu impulsu zejména u elektroměrů a plynoměrů, některé měřiče nejsou později dostupné (zamčené rozvodny). Navíc delší impulsní vedení může způsobovat problémy s rušením, kdy se impulsy ztrácejí nebo na­opak přibývají. U rozhraní M-Bus je sice pravda, že každý výrobce má poněkud jinou strukturu telegramu, ale kvalitní systém sběru dat obsahuje drivery pro běžně se vyskytující typy nebo by pro jeho dodavatele neměl být problém tyto typy do driverů doplnit.

Podívejme se nyní na příklad rozpočtu pro doplnění systému měření energie pro velký hotel. V budově již byly některé měřiče nainstalovány. Doplnit se mělo 12 kalorimetrů, 9 vodoměrů a 14 podružných elektroměrů. Deset stávajících měřičů mělo být vybaveno převodníky a integrováno.

Pro větší názornost je na obrázku znázorněno poměrné zastoupení jednotlivých položek. Vidíme, že zásadní roli hraje cena měřičů, další větší položkou je cena softwaru a služeb (zde nešlo pouze o sběr a ukládání dat, ale i o aplikaci na míru a započtena je také cena projektu). Náklady na kabeláž a montáže měřičů by se daly významně snížit, kdyby se s měřiči počítalo již při stavbě. Tento objekt byl však postaven před dvaceti lety.

Tab. 1: Příklad rozpočtu pro doplnění měřicího systému

Závěr
Sběr dat pro vyhodnocování spotřeb energie a detekci poruch klimatizačních jednotek tvoří pouze část úlohy, jejímž konečným cílem je optimalizace chodu a úspory energie. Možná vhodnější výraz než „úspory energie“ je „úspory celkových provozních nákladů“, protože se může ukázat, že některá opatření vedoucí k přímým úsporám energie s sebou mohou nést vyšší výdaje na jejich realizaci. Proto je nutné nahlížet na tento problém jako na celek a nebát se například uznat, že v horizontu životnosti vzduchotechnické jednotky je již výhodnější nechat ji dosloužit než instalovat nákladný měřicí systém a výstupy z něj mít k dispozici v okamžiku, kdy je jednotka na hranici provozuschopnosti.

O to důležitější je ale tato analýza u zařízení nových, u nichž se optimalizační opatření vyplatí. Pokročilé diagnostice bude také hodně napomáhat zvyšující se výkon a „inteligence“ regulačních systémů; od autonomní regulace se přes volně programovatelné systémy řízení budov dostáváme k chytrým komunikativním regulátorům, které se dodávají již instalované v jednotkách. Výrobce pak může optimalizovat algoritmy podle vlastních zkušeností a představ, ale zároveň umožní integraci a přenos hodnot do automatizační úrovně systému BMS, kde obsluha má k dispozici všechny vstupy, výstupy a parametry, jako je tomu u volně programovatelných systémů. Tento trend pozorujeme hlavně v zemích, kde vzduchotechnické jednotky s vlastní regulací představují převážnou většinu dodávaných jednotek, například ve Slovinsku.

Dodavatel měření a regulace se pak stává opravdovým systémovým integrátorem, který se již tolik nemusí starat o oživování periferií a vlastní regulace, ale může se soustředit na koordinační funkce, grafiku BMS, jednotné uživatelské rozhraní pro všechny regulační systémy – a na optimalizaci provozu. Nemusí se bát vystoupit jako oponent vůči dodávané regulaci, protože není jejím dodavatelem. To může mít pozitivní vliv na celkovou funkčnost systému.

Posledním článkem v řetězu tak ale stále zůstává člověk, který s informacemi z řídicího systému pracuje. Operátor by neměl pouze kvitovat alarmy, ale měl by aktivně přispívat k efektivnějšímu provozu technologie. Pro větší celky se osvědčila dvoustupňová úroveň obsluhy, kdy technický pracovník udržuje zařízení v chodu a manažer, většinou energetik nebo koordinátor více budov, kontroluje, jestli je technologie provozována za předepsaných podmínek.

Ing. Jan Vidim

Auto působí ve firmě Domat Control System, s. r. o.
Recenzoval: Ing. Vladimír Zmrhal, Ph.D.

Foto a obrázek: archiv autora, Domat

Literatura
1. Firemní dokumentace ke komunikačním převodníkům jednotlivých firem.
2. Tiersch, F. – Kuhles, C.: BACnet und BACnet/IP. Wie funktioniert das?
CCI Promotor, 2007.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.