Czynne zarządzanie energią i budynkiem w biurowcach i centrach handlowych

Galerie handlowe, zwane też centrami handlowymi lub handlowo-rozrywkowymi, to obiekty, w których znajdują się nie tylko liczne sklepy, ale także różnego rodzaju lokale gastronomiczne, kluby fitness, kawiarnie, pralnie chemiczne czy wielkopowierzchniowe sklepy i biura. Lokale te mają odmienne potrzeby funkcjonalno-użytkowe oraz zapotrzebowanie na ciepło, chłód, wydajność wentylacji, oświetlenie i energię elektryczną.

Zróżnicowane przeznaczenie tego typu obiektów wymaga wdrożenia centralnego systemu zarządzania budynkiem (BMS) z systemem zarządzania energią (EMS) oraz obligatoryjnym systemem rozliczania najemców (SRN). Moduł rozliczania najemców musi podlegać pod BMS, który odpowiada nie tylko za monitoring, ale przede wszystkim za aktywne zarządzanie energią, ciepłem i chłodem. SRN generuje zestawienia zużycia poszczególnych mediów w oparciu o numery seryjne liczników przyporządkowanych do najemcy lokalu. Żeby system BMS efektywnie spełniał wyznaczone mu zadania (monitorowanie, rozliczanie, wymiana powietrza np. w oparciu o poziom CO₂), powinien uwzględniać mechanizmy automatyzujące dopasowane do wielkości centrum handlowego, jego typu zabudowy, lokalizacji geograficznej, pojemności cieplnej, szczelności oraz zieleni, która może wpływać na funkcjonowanie budynku. Powierzchnie galerii handlowych w Polsce są znacznie zróżnicowane – najmniejszą jest obecnie Galeria Jurand w Szczytnie o powierzchni ok. 3700 m² [5] (rys. 1), a największą łódzka Manufaktura o pow. 127 000 m². 

Celem niniejszego opracowania jest wskazanie dobrych praktyk oraz przykładów zarządzania energią, budynkiem oraz SRN w lokalach handlowych będących elementami galerii handlowych.

Z kolei zgodnie z definicją Polskiej Klasyfikacji Obiektów Budowlanych (z 1999 roku) budynki biurowe to miejsca pracy dla działalności biur i zalicza się do nich także obiekty administracyjne, tj. budynki urzędów pocztowych, urzędów miejskich, gminnych, ministerstw, sądów i parlamentów itp., czyli również obiekty infrastruktury krytycznej i strategicznej. Istotny jest szczególny kontekst prawny związany z zabudową tego typu, ponieważ obiekty publiczne podlegają następującym regulacjom:

• rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych (WT), jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, które określa szczegółowo m.in. wymagania techniczne dotyczące bezpieczeństwa, higieny, ochrony zdrowia, dostępności dla niepełnosprawnych [1],
• kodeksowi urbanistyczno-budowlanemu (ustawa Prawo budowlane), który określa podstawowe wymogi dotyczące procesów projektowania, budowania, użytkowania i rozbiórki, jakim podlega każdy budynek wykorzystywany na potrzeby publiczne [2],
• ustawie o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym, która reguluje proces planowania przestrzennego oraz określa zasady lokalizacji budynków i której powinien podlegać każdy obiekt użyteczności publicznej [3].

Oprócz szczególnych wymagań dotyczących m.in. pomieszczeń higieniczno-sanitarnych, temperatur powietrza oraz schodów, krytyczne znaczenie mają także kwestie efektywności energetycznej budynków użyteczności publicznej, będących w dużej mierze również budynkami biurowymi. Zgodnie z WT [1] budynki o takim przeznaczeniu powinny się charakteryzować najwyższą charakterystyką energetyczną, aby stanowić wzór do naśladowania dla pozostałych obiektów budowlanych na terenie RP (patrz tabela 1).

Rynek powierzchni biurowych w Polsce jest największym w Europie Środkowo-Wschodniej – zasoby nowoczesnych biur w największych ośrodkach w kraju szacowane są na ok. 13 mln m2. Kryje się w nich bardzo duży potencjał zarządzania energią oraz dekarbonizacji budownictwa. Przykładowo zmniejszenie zapotrzebowania energetycznego tych obiektów w godzinach 8:00–17:00, gdy cena energii elektrycznej nie jest najniższa, umożliwi redukcję kosztów ich użytkowania, jak również odciąży sieci energetyczne, ponieważ pobór energii z sieci jest zaplanowany, kontrolowany i generuje niższe ryzyko związane z przeciążeniami.

Z doświadczeń autorów wynika, że integracja w budynku wielu urządzeń różnych producentów nie stanowi z punktu widzenia integratora bariery technicznej (rys. 2), pod warunkiem zachowania zasady interoperacyjności oraz korzystania ze standardowych i otwartych protokołów komunikacyjnych popularnych w automatyce budynkowej. Sytuacja staje się trudniejsza, jeśli zastosowano mniej popularny protokół komunikacji bądź ma on odpłatną licencję, co generuje stosunkowo duże koszty dla użytkownika końcowego oraz wymaga zakupu dodatkowych urządzeń peryferyjnych, które muszą zostać wykorzystane, żeby dwukierunkowa komunikacja była efektywna.

Przykładem zarządzania systemami technicznymi budynku może być biurowiec o powierzchni ok. 30 000 m2, w którym w chwili powstawania tego artykułu monitorowanych jest 13 063 zmiennych, a system generuje rocznie ok. 300 000 zdarzeń. Funkcjonalności systemu zostały rozbudowane zgodnie z życzeniem inwestora tak, aby zniwelować popełnione wcześniej błędy projektowe – lokalizacja central klimatyzacyjno-wentylacyjnych oraz orientacja budynku względem stron świata uniemożliwiały efektywne sterowanie temperaturą w pomieszczeniach. Obecnie administrator budynku wydzielił strefy – grupy pomieszczeń – które zarządzane są również nadrzędnie, aby można było osiągnąć stabilną temperaturę i zachować wysoką efektywność energetyczną w budynku.

Integracja wszystkich systemów technicznych budynku i zarządzanie nimi (lub monitorowanie) umożliwia automatyzację i zaplanowanie zdarzeń, które mogą występować w sposób cykliczny (np. przełączanie klimakonwektorów w tryb automatyczny lub załączanie oświetlenia). Istotnym elementem zarządzania oraz podziału obowiązków ze względu na funkcje sprawowane w hierarchii administracyjnej lub firmowej jest zachowanie odpowiedzialności zgodnej z kompetencjami użytkownika. W tym celu konieczna jest kontrola dostępu do systemu oparta na zakresie możliwości – samego monitorowania bądź monitorowania i sterowania lub niejednokrotnie parametryzacji pracy samych układów (rys. 3).

Wywiad funkcjonalno-użytkowy

Jednym z wymagań dotyczących energo­oszczędności jest użytkowanie budynku zgodnie z programem funkcjonalno-użytkowym, temperaturami obliczeniowymi i użytkowymi oraz wymaganiami higienicznymi. Użytkownicy powinni zostać zaznajomieni ze sposobem działania systemów budynkowych, a także z mechanizmami oraz ograniczeniami, które mają zagwarantować niskie zużycie energii. System nadrzędny wymusza często dodatkowe scenariusze regulacji, np. w postaci weekendowych obniżeń temperatury układu klimatyzacyjno-wentylacyjnego czy ograniczeń maksymalnej i minimalnej temperatury zadanej w pomieszczeniu. Co istotne, aby właściwie zaprojektować zdarzenia odpowiedzialne za oszczędzanie energii elektrycznej w harmonogramie dobowym/tygodniowym, konieczne jest doświadczenie oraz znajomość funkcjonowania budynku, jego zajętości, szczelności i innych danych. Przy czym przez zajętość rozumie się średnią liczbę osób znajdujących się w danym pomieszczeniu podczas typowych godzin działania budynku i poza nimi, natomiast szczelność budynków określa współczynnik n50, czyli liczba wymian powietrza wypełniającego budynek w ciągu godziny przy różnicy ciśnień miedzy wnętrzem budynku a środowiskiem zewnętrznym równej 50 Pa (im mniejsza wartość, tym większa szczelność budynku). 

Dodatkowo istotne jest zaprojektowanie układów technicznych, np. central klimatyzacyjno-wentylacyjnych, elektrozaworów czy rolet, przy uwzględnieniu najbardziej nasłonecznionej strony budynku. Jeśli połowa budynku/pomieszczeń biurowych od strony nasłonecznionej jest klimatyzowana i wentylowana przez centralę wentylacyjną nr 1, a druga połowa budynku regulowana przez centralę nr 2, nierealne jest wysterowanie central w taki sposób, aby można było osiągnąć komfort w pomieszczeniach nasłonecznionych i zacienionych z uwagi na ich odmienną charakterystykę.

System rozliczania najemców (SRN)

W oparciu o rzetelnie przeprowadzony wywiad funkcjonalno-użytkowy integrator systemów budynkowych powinien w porozumieniu z projektantem zaproponować sposób oddzielnego rozliczania poszczególnych najemców lokali, uwzględniający instalacje oświetlenia zewnętrznego, oświetlenia wewnątrz budynku, urządzeń pomocniczych, c.o., c.w.u., wentylacji i chłodzenia. Celem takiego rozwiązania jest możliwość uzyskiwania oddzielnych zestawień zużycia energii elektrycznej, ciepła, chłodu oraz wody z podziałem na grupy urządzeń, jeśli jest to możliwe (rys. 4). Każdy z najemców ponosi własne koszty użytkowania lokali i są one udokumentowane wydrukami i zestawieniami z systemu BMS. Otrzymywanie zestawień, np. drogą mailową, umożliwia szybką analizę zużycia oraz zaproponowanie sposobów optymalizacji na zlecenie najmującego. Tego typu podejście pozwala z jednej strony zbiorczo kupować media (energię elektryczną, wodę, ciepło i chłód), co wiąże się z możliwością wynegocjowania bardziej atrakcyjnych cen, a jednocześnie dokonywać podziału kosztów na podstawie zużycia danego najemcy – z punktu widzenia administratora, najemcy oraz inwestora jest to najmniej problematyczny sposób rozliczeń.

Dodatkowo podział pomieszczeń oraz lokali o różnym zapotrzebowaniu na poszczególne rodzaje energii (np. sklepy spożywcze generują nadmiar energii cieplnej podczas pracy agregatów urządzeń chłodniczych) sprawia, że może być ona wykorzystana w pomieszczeniach sąsiadujących bądź odzyskana i przekształcona w chłód (na który sukcesywnie zwiększa się zapotrzebowanie w naszej części Europy).

Dzięki zastosowaniu systemu zarządzania budynkiem w jednej z galerii handlowych inwestor mógł zaproponować najemcom rozliczanie poszczególnych lokali z uwzględnieniem odczytów mocy biernej, której umiejętna kompensacja również wpływa na obniżenie kosztów energii elektrycznej. Moc bierna pojemnościowa generowana jest do sieci przez odbiorniki liniowe – zasilacze awaryjne (UPS-y), zasilacze komputerowe, oświetlenie diodowe, falowniki (instalacja PV, centrale klimatyzacyjno-wentylacyjne), klimatyzatory itp. Urządzenia te pobierają z sieci prąd odkształcony i przesunięty w fazie względem napięcia oraz emitują do sieci moc bierną pojemnościową, która powoduje obniżenie wydajności sieci – odbiorca ponosi tego koszty. Natomiast moc bierna indukcyjna jest pobierana z sieci przez urządzenia, w których zachodzi zjawisko indukcji, m.in. lodówki, transformatory czy silniki indukcyjne – odbiorca również ponosi jej koszt.

Zmiana przeznaczenia lokali a automatyka budynkowa

Istotnym aspektem, zwłaszcza z punktu widzenia zarządcy, jest zmieniająca się liczba najemców oraz zmienna wielkość użytkowanej przez nich powierzchni. Niejednokrotnie zdarza się, że ze względu na rozwój albo niedoszacowany potencjał biznesowy najemca lokalu decyduje się na zmianę lokalizacji lub powiększenie lokalu w budynku galerii handlowej. W obu przypadkach możliwe jest dostosowanie systemu zarządzania budynkiem do zmieniającej się powierzchni/lokalizacji. Najemca może w dalszym ciągu korzystać z systemu automatycznego rozliczania SRN. Także w przypadku zmiany przepisów konieczna jest aktualizacja oprogramowania, co gwarantuje rzetelność i ciągłość rozliczeń. Systemy zarządzania budynkiem powinna cechować duża elastyczność w całym cyklu życia budynku.

Sprawność urządzeń a koszty utrzymania

Europejska dyrektywa w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (EPDB) wymaga okresowych kontroli sprawności systemów ogrzewania i klimatyzacji. Powinny się one odbywać: 

• co najmniej raz na 5 lat w przypadku kotłów o nominalnej mocy cieplnej od 20 do 100 kW,
• co najmniej raz na 2 lata w przypadku kotłów opalanych paliwem ciekłym lub stałym o nominalnej mocy cieplnej większej niż 100 kW,
• co najmniej raz na 4 lata w przypadku kotłów opalanych gazem o nominalnej mocy cieplnej większej niż 100 kW,
• co najmniej raz na 3 lata w przypadku źródeł ciepła niewymienionych w pkt a–c, dostępnych części systemu ogrzewania lub połączonego systemu ogrzewania i wentylacji o sumarycznej nominalnej mocy cieplnej większej niż 70 kW.

Właściciel lub zarządca budynku ma ponadto poddawać ocenie efektywności energetycznej dostępne części systemu klimatyzacji o nominalnej mocy chłodniczej większej niż 12 kW, a także połączonego systemu klimatyzacji i wentylacji o sumarycznej nominalnej mocy chłodniczej większej niż 70 kW. Taka ocena powinna być dokonywana co najmniej raz na 5 lat.

Ocena sprawności wymienionych rodzajów urządzeń może wykazać ich nieprawidłowy dobór (przewymiarowanie), co będzie również wpływało na obniżanie sprawności wytwarzania. Warto mieć na uwadze, że ocena sprawności jest kosztowna i dotyczy wszystkich urządzeń odpowiedzialnych za klimatyzację, wentylację i wytwarzanie ciepła oraz uwzględnia jedynie pomiary chwilowe, które nie dają wyników średnich i nie odzwierciedlają wszystkich czynników mających wpływ na ten parametr.

Natomiast dzięki zastosowaniu systemu zarządzania budynkiem z archiwizacją danych nt. sprawności poszczególnych urządzeń klimatyzacyjnych, wentylacyjnych i wytwarzających ciepło zarządca może zgodnie z obowiązującym prawem w sposób ciągły monitorować ich pracę i weryfikować zużycie energii. Zaletą mechanizmu automatycznego generowania zestawień informacji o pracy urządzeń jest bezsprzecznie oszczędność czasu i kosztów. Podsumowując, odpowiednie opomiarowanie źródła ciepła i właściwa rejestracja mierzonych wartości pozwalają dokładnie określić moc i wpływ przewymiarowania urządzeń na ich średnioroczną sprawność. Poza systemem BMS nie ma w tej chwili innych narzędzi, które umożliwiałyby skuteczną i ciągłą kontrolę urządzeń grzewczych, uwzględniającą efektywność energetyczną źródeł ciepła.

Ocena sprawności skaluje się wraz z liczbą budynków, w których musi zostać przeprowadzona. Jeśli zarządca ma pod opieką wiele rozproszonych po mieście obiektów, proces ten komplikuje się i jest czasochłonny. Zdecydowanie upraszcza go moduł, który zbiera dane z wielu systemów i budynków do jednej stacji roboczej.

Utrzymanie funkcjonalności i komfortu użytkownika

Systemy BMS umożliwiają zdalny monitoring zarządzania budynkiem i energią, powiadomień mailowych i SMS-owych, oprogramowania odpowiedzialnego za monitorowanie sprawności urządzeń i wielu innych. Bezpieczne połączenie się ze stacją roboczą oraz serwerem odpowiedzialnym za kumulację danych w systemie zarządzania budynkiem pozwala na szybką reakcję pomocy technicznej, która w sposób rzetelny, efektywny, korzystny ekonomicznie i zgodny z interesem danego podmiotu przeprowadzi diagnostykę bez konieczności fizycznego pojawienia się w budynku. Prowadzi to do obniżenia kosztów związanych z dojazdem (co bezpośrednio przedkłada się także na zmniejszenie śladu węglowego). Przyjazd serwisanta do budynku jest często niezasadny (jak wynika z doświadczenia autorów, nieprawidłowości można naprawić zdalnie lub zaproponować konkretne czynności diagnostyczne, które powinny zostać przeprowadzone) – tylko w 20% przypadków konieczna jest natychmiastowa reakcja na miejscu.

System zarządzania budynkiem jest strażnikiem działania wszystkich systemów podrzędnych, takich jak klimatyzacja, wentylacja, oświetlenie, system pożarowy (i przekazywanie informacji przez niego generowanych), instalacje c.w.u. i c.o., systemy nawadniania, instalacje fotowoltaiczne, magazyny energii czy generatory wiatrowe. BMS umożliwia sterowanie systemem jako całością oraz dostęp do sterowania pojedynczymi systemami, czasem niskopoziomowo (np. automatyki producenckiej i parametryzacji). Centralny system zarządzania pozwala na interoperacyjność nawet urządzeń, które się nią jeszcze nie charakteryzują.

BMS daje narzędzia do sterowania, analizy oraz tworzenia dodatkowych nadrzędnych scenariuszy. Wdrożenie specjalnych procedur ma na celu optymalizację zużycia energii elektrycznej, co przekłada się na poprawę efektywności energetycznej budynku przy zachowaniu stałego komfortu jego użytkowania.

Prezentowany na rys. 6 schemat pokazuje poszczególne kroki definiowania pracy systemu BMS. Możliwe jest przesyłanie automatycznych powiadomień mailowych zgodnie ze zdefiniowaną listą adresową opartą na kontroli dostępu. Alarmowe wiadomości mailowe wysyłane są na podstawie selekcji priorytetów alarmów określanych dla poszczególnych użytkowników. Przykładowo jeden użytkownik może otrzymywać wszystkie wiadomości alarmowe, włączając alarmy pilne, krytyczne i zagrożenia życia, a inny wyłącznie alarmy krytyczne i zagrożenia życia – wszystko zależy od konfiguracji. Każdy użytkownik systemu po zaznajomieniu się z wiadomością alarmową może wykonać odpowiednie, wcześniej ustalone czynności. Pozwala to zminimalizować ryzyko zignorowania ostrzeżeń generowanych przez systemy techniczne budynku przez użytkownika, który jest za nie odpowiedzialny.

Mechanizmy oszczędzania energii elektrycznej

Systemy zarządzania budynkiem charakteryzują się wbudowanymi mechanizmami, które przy znajomości specyfiki i funkcjonowania obiektu umożliwiają wdrożenie scenariuszy mających na celu poprawę jego efektywności energetycznej. Jednym z takich mechanizmów jest możliwość konstruowania harmonogramów, które w określonych cyklicznych porach wykonują szereg zmian w pracy urządzeń zintegrowanych w systemie zarządzania budynkiem. Przykładowo takim scenariuszem może być połączenie lub zredukowanie intensywności działania układu klimatyzacji i wentylacji w oparciu o czas wykorzystywania danego lokalu. Podczas nieobecności użytkowników systemy nie zużywają się, a brak działania nie wpływa na komfort, bezpieczeństwo oraz zużycie mediów. System BMS umożliwia integrację kompensatora energii biernej oraz monitorowanie poprawności jego działania. Większość urządzeń komunikuje się za pomocą standardowych protokołów komunikacji popularnych systemów automatyki budynkowej, np. MODBUS czy BACnet.  

Ciąg dalszy artykułu z opisem korzyści finansowych wynikających z zastosowania BMS oraz przykładem realizacji tutaj.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2002, nr 75, poz. 690, z późn. zm.).
2. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane (DzU 2024, poz. 725 i 834).
3. Ustawa z dnia 27 marca 2003 r. o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym (DzU 2003, nr 80, poz. 717).
4. Majkowska Iwona, Obiekty biurowe w strukturze miasta – przykład Wrocławia, „Studia Miejskie” tom 41 (2021), https://doi.org/10.25167/sm.3974 (dostęp: 28.06.2024).
5. Madejski Mateusz, Najmniejsza galeria w Polsce będzie miała tylko 20 sklepów, Money.pl, https://www.money.pl/gospodarka/wiadomosci/artykul/najmniejsza-galeria-w-polsce,185,0,2417849.html (dostęp: 28.06.2024).