Rola systemów BMS w obiekcie – zarządzanie nowoczesnym budynkiem

Jak wyglądało zarządzanie budynkami przed erą zastosowania systemów BMS? Co zmieniło wprowadzenie tych systemów?

Jeszcze w latach 1985–1990 nie istniały zintegrowane systemy sterowania. Idea była bardzo prosta  –  wykorzystywało się pojedyncze systemy automatyki związane z bieżącymi potrzebami, np. do kontroli dostępu, układów sterowania ogrzewaniem czy oświetlenia. Z biegiem lat dostrzeżono potrzebę integracji tych systemów. Zauważono, że jeden sygnał pochodzący z czujnika może być wykorzystany przez kilka systemów sterowania. Przykładowo, czujnik-kontaktron przy oknie może powiadomić system sygnalizacji włamania i napadu, a także system wentylacji mechanicznej. Wprowadzenie BMS-ów uprościło wiele procesów. W złożonych strukturach dużych obiektów BMS-y mają kluczowe znaczenie. Wcześniej wykorzystywano samodzielnie działanie systemów, przy czym każdy z nich miał swoją własną centralę. Rynek wymusił sytuację, że powinny być one ze sobą zintegrowane i kompatybilne. Tym samym obecnie stosuje się kilka standardów, które stanowią podstawę zintegrowanych systemów sterowania.

Obecnie systemy BMS to standard w nowoczesnym budownictwie. Kiedy nastąpił moment przełomowy w ich rozwoju?

W 1996 r. w Polsce było ok. 200 obiektów, w których istniały BMS-y. Aktualnie systemy te są normą w każdym nowo wybudowanym budynku komercyjnym. Należy dodać, że coraz więcej prywatnych obiektów jest już wyposażonych w elementy automatyki budynkowej. Rozwój systemów BMS nastąpił wykładniczo, a wraz z postępem techniki zaobserwowaliśmy szybki rozwój automatyki budynkowej. Obecnie mamy do czynienia z transferem danych poprzez technologię 5G. Pozwoliło to na sprawniejsze działanie BMS-ów dzięki zdalnemu przesyłowi danych  do chmury, gdzie wykonywane są analizy oraz wnioskowanie według założonych kryteriów optymalizacji procesów. Ma to ogromny wpływ na działanie systemów automatyki w danym obiekcie.

Jaką rolę odgrywają BMS-y podczas pandemii koronawirusa?

Pandemia jest zjawiskiem wyjątkowym, na które powinniśmy  w szczególny sposób reagować. Uważam, że odpowiednie wykorzystanie systemów BMS może nam w tym pomóc. Oczywiście wszystko zależy od funkcjonalności danego obiektu  – inne technologie stosujemy w różnego typu obiektach. Systemy te mogą nam zapewnić bezkolizyjne przemieszczanie się między strefami w obiekcie bez konieczności dotykania jakichkolwiek elementów płaskich typu klamki czy też guziki w windzie. Funkcjonowanie mechanicznej wentylacji w połączeniu z lampami UV może zmniejszyć patogen COVID-19 na drodze dostarczania świeżego powietrza do poszczególnych stref w budynku. Możemy odpowiednio sterować przepływem powietrza, aby zminimalizować ryzyko rozwoju koronawirusa i zarażania kolejnych osób w danym obszarze. Możemy również w odpowiedni sposób sterować procesem dezynfekcji danych stref czy płaszczyzn poprzez ograniczanie dostępu osób do tych obszarów.

W jakim stopniu systemy BMS są w stanie pomóc w zakresie osiągnięcia i utrzymania pożądanego wyniku efektywności energetycznej?

Efektywność energetyczna jest bardzo ważna. System BMS stwarzają szerokie możliwości w odpowiednim zintegrowaniu systemów automatyki w obiekcie. Podczas budowy budynku mamy pewien określony termin oddania obiektu, przez co w ustalonej kolejności wprowadzane są systemy w budynku. Pod koniec procesu budowy zazwyczaj okazuje się, że główny automatyk ma bardzo mało czasu, aby cały system odpowiednio skonfigurować i zoptymalizować. Z pewnością można byłoby to poprawić.

W Na Politechnice Krakowskiej powstało Małopolskie Laboratorium Budownictwa Energetycznego, które pomaga w lepszym zrozumieniu  efektywności energetycznej w zależności od typu obiektu i technologii, w jakiej go wykonano. Jest to budynek, w którym wytworzono 1100 m powierzchni badawczej. Zastosowano różne źródła chłodu i ciepła w postaci pomp powietrznych, gazowych, elektrycznych, MPC oraz kotła gazowego. Dzięki temu można badać, jak dane źródło wpływa na proces ogrzewania w budynku. Istnieje możliwość zróżnicowania lokalnego źródła ciepła i chłodu  –  za pomocą zastosowania ogrzewania i chłodzenia ściennego, podłogowego oraz sufitowego, ogrzewania kanałowego, ale też przy użyciu central wentylacyjnych. Można wstępnie podgrzewać lub wychłodzić powietrze dostarczane do central wentylacyjnych. Wszystko to jest wsparte przez unikatowy system pomiarowy  –   ponad 3000 czujników wtopionych w ściany, między przegrodami, w gruncie oraz w pomieszczeniach. Te działania są możliwe wyłącznie przy współpracy interdyscyplinarnego zespołu specjalistów.

Integrując systemy i tworząc BMS, który nadzoruje i uruchamia wszystkie procesy, można poznać pewne relacje z dziedziny automatyki oraz budownictwa. Zwraca się szczególną uwagę na technologię, w jakiej wykonany jest obiekt czy też spełnienie określonych wymogów co do szczelności i izolacyjności samej konstrukcji budynku. Dzięki temu można zbadać relacje pomiędzy poszczególnymi procesami technicznymi, np. ogrzewaniem, chłodzeniem, wentylacją mechaniczną oraz co i na co ma wpływ. Ta wiedza pozwala stwierdzić, jak ważne jest poznanie zagadnień takie jak fizyka budowli, instalacje techniczne i ich relacji między sobą oraz sposób użytkowania obiektu (nawyki i preferencje użytkownika).

Jak odpowiednio wykorzystać dane z systemu BMS?

Uważam, że dane z systemu BMS są niesamowicie istotne i warto je gromadzić. Pamiętajmy, że procesy w budynkach cechuje pewna bezwładność, więc nie ma potrzeby zbierać tych danych co 15 sekund. Należy odpowiednio ustalić skalę dla każdego obiektu. Bezwładność, o której wspominam, zależy m.in. od parametrów przegród, izolacyjności oraz warunków, w  jakich dany budynek funkcjonuje. Natomiast po tym, gdy w przemyślany sposób stworzymy bazę danych i odpowiednio ją uporządkujemy, za pomocą narzędzi matematycznych, można je porównywać i dokonywać analizy.

W swojej pracy naukowej w tym zakresie stosuję metody porównawcze, które tworzą strukturę danych, które reprezentujące drzewo uwzględniające wielu czynników. Mogą one wpłynąć na efektywność energetyczną, ale też na komfort użytkowy  –  analiza, m.in. ANOWA, pozwala ustalić, jaki wybrany czynnik wpływa na proces. Z tego wynika, że z bazy, która liczy 50-70 czynników i parametrów przypuszczalnie zbieranych przez system, nieliczna grupa ma istotny wpływ na proces i brana jest w dalszych rozważaniach pod uwagę. Następnie do analizy w danym obiekcie stosujemy tylko te wybrane czynniki, które wykazał algorytm obliczeniowy. Upraszcza to znacznie system, sieć SI otrzymuje na starcie mniej danych, które są już odpowiednio zoptymalizowane. Dzięki temu otrzymane wyniki pracy sztucznej inteligencji są dużo bardziej skuteczne.

Jakie kompetencje powinna mieć osoba zarządzająca systemami BMS?

Moim zdaniem, konieczna jest współpraca pomiędzy nauką a firmami, które budują nowoczesne budynki. Dzięki temu będziemy w stanie wprowadzić nowości do algorytmów sterowania działających w obiektach. Osoba, która obsługuje dany BMS, powinna zapewniać prawidłową pracę tego systemu, a jej obowiązki powinny być sprzężone z pracą naukowców wytwarzających i wskazujących trendy na świecie. Warto śledzić literaturę i dobre praktyki z innych krajów, które wprowadzają nowinki w swoich obiektach. Wiedza ta powinna przekładać się na rozwój systemów BMS w Polsce. Moim marzeniem jest, aby istniał szybki transfer wiedzy. Niestety, na chwilę obecną nie wytworzyliśmy jeszcze takiej drogi komunikacji między biznesem a nauką.

Czy możliwości, jakie oferują systemy BMS, są obecnie w pełni wykorzystywane?

Obserwując obiekty, uważam, że nadal bardzo dużo można zdziałać, wykorzystując możliwości BMS-ów. Normą są budynkach ze zintegrowanymi systemami sterowania. Teraz należy usprawniać i poprawiać ich działanie poprzez wprowadzanie przemyślanych i opartych na rzeczywistych obliczeniach i analizach wyników i strategii. System ten jest taki sam, mając dwa podobne obiekty, BMS-y mogą działać odmiennie  – wszystko zależy od odpowiedniej optymalizacji. W mojej ocenie właściwa optymalizacja może podnieść efektywność energetyczną obiektu nawet o 20%.

Jak rozwój systemów BMS wpłynie na smart cities?

Możliwości są ogromne. W smart cities budynek nie jest elementem zawieszonym w próżni. Istnieje on w pewnym ekosystemie jako integralna część danego obszaru. Obiekty zużywają energię o różnych porach, np. budynki biurowe w ciągu dnia, a galerie handlowe po południu. Strategiczne zarządzanie energią nadal nie jest w Polsce wykorzystywane odpowiednio. Ekonomia wskazuje nam, że jest to istotne. Budynek nie jest jednostką samą w sobie, a częścią większego układu. Gdy dodamy do niego transport, funkcjonowanie poszczególnych obszarów w danym mieście, nawyków i potrzeb użytkowników, to bardzo wiele możemy osiągnąć, jeśli chodzi o poprawę efektywności energetycznej.

W jaki sposób rozwijał się będzie system BMS? Czy popularny ostatnio Internet of Things (IoT) może w tym pomóc?

Przyszłość zapowiada się bardzo ciekawie. Już teraz możemy wprowadzić ogólny podział na procesy sterowania w budynkach. Mamy dwa kryteria: wpływ na zużycie energii oraz komfort użytkowy. Pierwszy z nich zapewnia realizację zasady zrównoważonego rozwoju. Pamiętajmy, że obecnie budownictwo zużywa 40% energii całego świata. W związku z tym jest to obszar, w którym mamy istotny wpływ na zanieczyszczenie środowiska.

Bardzo wiele działań, również prawnych, prowadzonych jest w kierunku poprawy efektywności energetycznej. Ważna jest zintegrowana praca, która polega na tym, że nie tylko automatycy wykonują pewne kroki, aby optymalizować zużycie energii. Już na etapie projektowania obiektu powinna występować współpraca wielu specjalistów, aby poprawić współpracę pomiędzy systemami w budynku.

Kolejnym krokiem jest działanie w jednym celu dla poprawy komfortu użytkowego danej przestrzeni. Powinna ona przede wszystkim służyć jak najlepiej swoim użytkownikom. Komfort użytkowy musi być każdorazowo uwzględniony w projekcie budynku. Przez to powstaje pewien konflikt, gdyż jego poprawa niesie za sobą zwiększenie zużycia energii. Należy nieustannie poszukiwać takich sposobów sterowania procesami w budynkach, żeby spełniać oba te kryteria. W tym wypadku dużą rolę odgrywają odpowiednie narzędzia.

Należy stworzyć w sposób przemyślany algorytmy sterowania, integracji procesów (np. relacja światło dzienne a oświetlenie sztuczne, które pomoże nam zmniejszyć zużycie energii). Istotne jest, aby w przemyślany sposób sterować procesami w obiekcie.

Obiekty różnią się od siebie, oprócz procesu projektowania oraz wykonania systemów automatyki, koniecznie należałoby wprowadzić trzeci etap, czyli kalibrację. Obserwując obiekt przez rok (przez wszystkie pory roku), dokonując analiz statystycznych, możemy w taki sposób skalibrować algorytmy sterowania, aby optymalnie wykorzystywały możliwości systemów BMS i zapewniały spełnienie powyższych dwóch kryteriów. Nowe technologie są wyłącznie narzędziem (szybki  transfer danych czy też działania na big data), które pozwolą nam w bardzo precyzyjny sposób sterować procesami. Wisienką na torcie jest sztuczna inteligencja, którą powinniśmy wprowadzać w sposób przemyślany.

Jaka jest przyszłość systemów automatyki?

Jako naukowiec wiem, że warto być zawsze krok przed zmianami na rynku. Należy stworzyć pewną wizję, znać trendy i umożliwiać wprowadzenie nowych technologii do istniejących oraz nowo tworzonych obiektów budowlanych. Biorąc pod uwagę inteligentny budynek, musimy mieć świadomość, że jest on nowoczesny.

Aktualnie znajdujemy się w bardzo ciekawym momencie rozwoju budownictwa, dlatego że wprowadzono przepisy dotyczące budynków o prawie zerowym zużyciu energii. Oczywiście niesie to za sobą poważne konsekwencje co do wymogów, jakie musi spełniać dany obiekt. Jednocześnie okazuje się, że technologia stwarza konkretne możliwości.

Uczestniczę w projektach, które mają na celu m.in. wprowadzenie sztucznej inteligencji (SI) w algorytmach sterowania. Na dzisiaj nie odważyłabym się, aby „oddać” SI pełne sterowanie procesami w budynku. Natomiast pewne, pojedyncze elementy systemów można na podstawie danych historycznych danego obiektu wykorzystać do tego, aby infrastruktura budynku odpowiednio reagowała na pewne wzorce zmian. Nie chodzi tylko o predykcję, ale przede wszystkim o inteligentne zarządzanie obiektem. To zagadnienie stwarza nowe możliwości dla systemów BMS.