Свързани сензори за енергийна ефективност

Безжичните сензорни мрежи (WSNs) и Internet of Things (IoT) са сред водещите съвременни тенденции в областта на сградната автоматизация, особено в приложения, свързани с оптимизиране на енергийната ефективност. WSN мрежите позволяват добавянето на смарт функционалност към съществуващата сградна инфраструктура, без да е необходимо допълнително окабеляване или монтаж на сензори на труднодостъпни места.

Благодарение на безжичните сензори потреблението на енергия на ОВК системите, осветлението и другите големи консуматори в сградите може да бъде управлявано интелигентно с цел реализиране на значителни икономии.

BAS системи и енергийна ефективност
Системите за сградна автоматизация (BAS) са мощен инструмент за енергиен мениджмънт в жилищния, комерсиален и индустриален сектор. Те са подходящи за внедряване в нови сгради или в такива без съществуваща инфраструктура за автоматизация, за ретрофит на остарели пневматични механизми, както и за подмяна на DDC (direct digital control) оборудване.

Възможностите за постигане на икономии на енергия до голяма степен зависят от това какъв потенциал за оптимизиране на енергийната ефективност е налице.

Системите за сграден мениджмънт управляват енергийните консуматори в обекта с цел намаляване потреблението на енергия, същевременно осигурявайки оптимален комфорт за ползвателите.

Някои от най-често срещаните стратегии за редуциране на консумацията на енергия, реализирани посредством BAS системите, са: създаване на графици за работа на захранваното с електроенергия оборудване; “lockout” програми за заключване, които гарантират, че оборудването няма да се включи, освен ако не е необходимо.

Сред прилаганите стратегии за оптимизиране на енергийната ефективност са и: автоматично нулиране на работните параметри, за да е сигурно, че оборудването работи с необходимата мощност, но не и с по-голяма; диагностика - на база данните от мониторинга на сградните инсталации, осъществяван посредством сензори и измервателни устройства, BAS системите могат да определят кога оборудването не работи изправно или ефективно. С внедряването на платформа за сградна автоматизация могат да бъдат постигнати годишни икономии на енергия до над 30%.

Енергийна ефективност по време на жизнения цикъл на сградите
Оптимизирането на енергийната ефективност е комплексно мероприятие, което включва целия жизнен цикъл на сградата. Основните етапи са: дизайн - симулации за прогнозиране на енергийните характеристики; строеж - реално тестване на индивидуалните подсистеми; експлоатация - мониторинг на консуматорите в реална среда; поддръжка - разрешаване на инфраструктурните проблеми, причинени от енергийно неефективни инсталации; разрушаване - рециклиране на използваемите материали и елементи.

По време на тези фази е важно регулярно да се преразглеждат показателите, въз основа на които се измерва енергийната ефективност, за да се адаптира системата за управление на енергията към моментните условия в сградата. Данните за потреблението на енергия във фазата на експлоатация се събират посредством мониторинг чрез система от сензори.

Мониторинг на потреблението в сгради с различна функция
По време на мониторинга на енергийната консумация в една сграда информация от разнородни източници (сензори и измервателни уреди) се събира и анализира с цел идентифициране на специфичен потенциал за оптимизиране на енергийната ефективност и иницииране на мероприятия за постигането му.

Сградите с различни функции имат различни профили на потребление на енергия. Ето защо е препоръчително, преди да се инициира мониторинг, да са ясни основните консуматори за конкретната сграда, за да се позиционират там сензорите за измерване на енергийната консумация.

В жилищните сгради например най-голям дял от потреблението на енергия съставляват сградните услуги, свързани с комфорта на обитателите (ОВК, осветление и др.), докато в промишлените обекти най-голяма част от консумацията се дължи на работещото индустриално оборудване и инфраструктурата, свързана с производствените процеси.

Мониторинг на електроуреди, които постоянно са свързани с мрежата
Важно е да се определи минималното потребление на електроенергия на сградата, което се дължи на постоянно свързаните с мрежата електроуреди. За целта се извършва мониторинг на консумацията за даден период от време, в който не работят други товари освен постоянните консуматори. На база данните от измерванията може да се определи с точност и минималното дневно потребление на сградата.

Мониторинг на електроуреди, които само понякога са свързвани с мрежата
В зависимост от предназначението на сградата, в нея се използват различни електрически уреди с разнообразни приложения. При мониторинг на енергийното потребление на обекта е необходимо да се идентифицират моделите на използване на въпросните електроуреди.

За да се изчисли консумацията им на енергия, от общата използвана енергия при включени допълнителни уреди се изважда минималното потребление на сградата, което се дължи на постоянно включените в мрежата товари.

На базата на събраните от сензорите данни (за температура, влажност, присъствие и т. н.) от зоните на обекта системата за автоматизация управлява отделните интегрирани подсистеми (ОВК, осветление, система за сигурност и т. н.).

Свързани сензори
Устройствата за мониторинг и сензорите в системите за сграден контрол, пожаробезопасност, осветителен контрол и други приложения в сферата на сградната автоматизация и IoT стават все по-свързани и “умни”. Съвременните интелигентни сгради разчитат на безжична сензорна инфраструктура, която спомага за преодоляване на традиционните проблеми с инсталацията, свързани с окабеляване и трудно достъпни монтажни локации.

Във все по-голям брой приложения в сферата на сградната автоматизация се залага на свързани устройства и технологии в контекста на концепцията за Internet of Тhings. Основно предимство на свързаните решения е възможността до тях да бъде осъществяван отдалечен достъп от всяка точка посредством интернет.

Интегрирането на различни типове свързани сензори (за температура, влажност, движение и т. н.) в единна мрежа позволява комплексен мониторинг на сградните системи, който спомага и за значително оптимизиране на енергийното им потребление.

Свързаните сензори са IoT устройства (наричани още и Internet-of-Everything - IoE устройства), които разчитат на наличните безжични честотни ленти и миниатюрни антени, способни да изпращат и получават данни с висока скорост при ниски нива на сигнала.

Два от най-разпространените съвременни комуникационни стандарта в сградния сектор са ZigBee и 6LowPan, като и двата отговарят на спецификациите на IEEE 802.15.4 и са разработени за безжични сензорни мрежи с ниска мощност.

Сензори за енергийна ефективност
Сред най-важните функции на свързаните безжични сензори за сградна автоматизация в съвременните интелигентни сгради е повишаването на енергийната ефективност посредством детайлен енергиен мониторинг.

За целта сензорите идентифицират енергийното потребление на специфичните сградни подсистеми и отделните консуматори, а интелигентни електромери отчитат цялостната консумация на ниво система.

За консуматорите, които не са постоянно включени в електрическата мрежа (т.нар. plug loads), обикновено се прилагат два подхода за мониторинг на консумацията - директно и индиректно сензорно отчитане.

При директното измерване (direct sensing) свързан сензор за енергийна ефективност е директно закачен във веригата на товара, а при индиректното (indirect sensing) се извършва изчисляване на база данните от електромерите без инсталиране на сензор за всяко отделно устройство.

За получаване на по-точна разбивка на потреблението по подсистеми и консуматори техниките за т. нар. неинтрузивен мониторинг на натоварването (Non-intrusive Load Monitoring) се комбинират с комплексни алгоритми и индиректни свързани сензори. Тези сензори регистрират наличието на вариации в магнитното поле около товарите, които не са постоянно свързани с мрежата.

Предимствата на индиректния мониторинг са свързани с по-малкия брой сензори, които е необходимо да се закупят, инсталират и поддържат, но директните методи са много по-точни.
Производителите на IoT решения за измерване на енергийната ефективност в интелигентни системи за сградна автоматизация разработват различни сензорни решения за отчитане на консумацията на свързаните електроуреди, като тенденцията на пазара е да се премине изцяло към безжични системи.

Паралелно с развитието на технологиите в областта, намаляват и цените на сензорите, което разширява сегмента и приложната област на свързаните сензорни решения. Достъпни са цялостни платформи със съответния софтуер за енергиен мениджмънт и мониторинг, като възможностите за достъп включват PC-базирани локални клиенти и браузър-базирани клиенти за облачно съхранение, както и мобилни приложения за достъп до платформата през таблет или смартфон.

Изграждането на интелигентна сградна инфраструктура
на базата на свързани сензорни възли, освен мониторинг, позволява и автоматизирано управление на ел. консуматорите в сградната мрежа. В съвременните домове до 30% от електроенергията се губи в неправилно използване или ненужна работа с по-висока мощност на уредите и системите, които са с голямо потребление.

Свързаните сензорни мрежи за енергийна ефективност спомагат за значително редуциране на тези загуби чрез възможности за автоматично изключване на товарите, когато не се използват. На базата на сензори за температура, присъствие, движение и т. н. платформата за сградна автоматизация може да включва и изключва осветлението, ОВК оборудването, системите за сигурност и другите консуматори според моментните потребности.

Свързаните сензори позволяват на потребителя да осъществява мониторинг и контрол на тези процеси в реално време от всяка точка през мобилния си телефон.

Интелигентният мониторинг и контрол на ОВК оборудването
Инсталирането на множество свързани сензори за температура и влажност в отделните помещения на едно жилище или една сграда, вместо използването на едно централизирано устройство за контрол на ОВК системата, позволява много по-гъвкаво управление на оборудването и подобрен комфорт, съобразени с използването на помещенията и моментните потребности на потребителите.

В големите публични и офис сгради много често се внедряват системи за контролирана от нуждите вентилация (DCV - Demand controlled ventilation), оборудвани със специални броячи. На базата на сензори те изчисляват нужното количество пресен въздух, което трябва да се подаде към дадено помещение, въз основа на броя на хората, които са в него към момента.

В сравнение с автоматичното управление на ОВК системите съобразно предварително зададени графици и стойности на температурата и влажността, този подход позволява значителни икономии на енергия от ненужна работа на оборудването.
Заедно с осветлението, ОВК системите са “виновни” за до 60% от енергията, консумирана в една сграда с публично или комерсиално предназначение.

Този огромен дял от потреблението може да бъде значително редуциран с помощта на интелигентни решения за мониторинг и контрол, базирани на свързани сензори. Смарт сензорите за контрол на осветлението са главно детектори за присъствие с ниска консумация и т. нар. energy harvesting датчици за дневна светлина с безбатерийно захранване.

Те се грижат за включване, изключване и димиране на осветлението в зависимост от моментните потребности, а управлението в реално време през мобилно устройство осигурява необходимата гъвкавост на потребителите не само в жилищни, но и в по-големи комерсиални приложения като хотели, офис сгради и т. н.

Свързаните IoT електронни устройства и електроуреди
в съвременните интелигентни сгради осигуряват не само подобрен комфорт, но и възможности за по-гъвкаво управление на енергията от всякога благодарение на смарт електромери и свързани сензори.

Данните, събирани от тези устройства, са с големи обеми и могат да бъдат детайлно анализирани с цел прецизно идентифициране на наличния потенциал за икономии на енергия и оптимизиране на енергийната ефективност. Съхраняването им все по-често се случва в облачни сървъри, което елиминира нуждата от поддръжка на физическа инфраструктура за съхранение.

На базата на резултатите от енергийния мониторинг посредством смарт сензори сметките за ток на дадена сграда могат да бъдат намалени с над една трета. Ето защо преходът към интелигентни системи за управление на енергията в дома и офиса макар и свързан с по-висока първоначална инвестиция за закупуване и инсталиране, в дългосрочен план многократно се изплаща на потребителя.

Големите обеми данни, генерирани от измерванията на свързаните сензори за енергийна ефективност, позволяват прилагането на грануларен подход за постепенно идентифициране на неефективните системи и консуматори и повишаване на енергийната ефективност с течение на времето.

Като критичен компонент на IoT мрежите, свързаните сензори автоматизират събирането на различни типове данни за околната среда и ги изпращат към отдалечени точки (извън обекта) през интернет. Тези възможности преодоляват пространствените ограничения, свързани с обхвата на конвенционалните безжични сензорни мрежи.

Свързаните сензорни платформи за енергийна ефективност осигуряват мащабируеми, софтуерно обвързани решения за намаляване на потреблението на електроенергия в един обект в дългосрочен план.

В редица приложения те се оказват много по-достъпен и рентабилен вариант от прилагането на друг тип мерки за повишаването на енергийната ефективност като преминаването към ВЕИ енергия например, защото не изискват закупуването на скъпо едромащабно оборудване като соларни инсталации.