Internet Rzeczy (IoT) w optymalizacji zużycia energii w budynkach: Kompleksowy przewodnik

Fundamentalne znaczenie Internetu Rzeczy (IoT) w zarządzaniu energią: Od Smart Home do HEMS

Rola Internetu Rzeczy (IoT) w budownictwie stale rośnie. Technologie te stanowią fundament dla nowoczesnych systemów zarządzania energią. Systemy te działają zarówno na poziomie pojedynczego mieszkania, jak i dużego obiektu komercyjnego. Kluczowym narzędziem jest Home Energy Management System (HEMS). Jest to zaawansowane rozwiązanie, które łączy w sieć wszystkie urządzenia elektroniczne. Obejmuje to sprzęty, które zużywają energię, ale też te, które ją produkują. HEMS wykorzystuje złożone algorytmy. Wpływają one na efektywność energetyczną budynków. Systemy te optymalizują zużycie w wielu obszarach. Dotyczy to chłodzenia, wentylacji, ogrzewania oraz oświetlenia. Nowoczesny inteligentny budynek wykorzystuje dane w czasie rzeczywistym. Dzięki temu minimalizuje marnotrawstwo energii. HEMS zarządza też innymi źródłami energii. Chodzi o gaz, olej opałowy czy węgiel. Systemy te pozwalają również integrować odnawialne źródła energii (OZE). Przykłady to fotowoltaika czy pompy ciepła. Umożliwiają one bieżące monitorowanie produkcji oraz zużycia. Automatyka budynkowa dąży do maksymalnej automatyzacji powtarzalnych czynności. Zapewnia to podniesienie bezpieczeństwa. Generuje to również spore oszczędności w domowym budżecie. Internet Rzeczy (IoT) dostarcza niezbędne dane do działania tych zaawansowanych systemów.

Systemy zarządzania energią domową (HEMS) wykorzystują sztuczną inteligencję. Stosują również zaawansowane uczenie maszynowe. Technologie te pozwalają na minimalizację zaangażowania użytkowników. Systemy HEMS magazynują i przetwarzają Big Data. Pochodzą one z połączonych ze sobą urządzeń. Na podstawie tych informacji HEMS-wykorzystuje-AI. Dzięki temu dostosowuje się do zmieniającego się rytmu życia mieszkańców. Systemy uczą się, kiedy dom jest pusty. Wiedzą też, jakie są preferencje temperaturowe. Automatycznie redukują zużycie w okresach nieobecności. Zapewniają jednocześnie komfort przed powrotem domowników. To adaptacyjne podejście jest niezwykle efektywne. Eliminuje ono błędy spowodowane czynnikiem ludzkim. Człowiek często zapomina o obniżeniu temperatury. Sztuczna inteligencja robi to za niego. Inteligentne czujniki dokonują regularnych pomiarów temperatury. Systemy zarządzania energią domową są elastyczne. Zezwalają na dowolne modyfikacje. Możesz dodawać kolejne urządzenia w dowolnym czasie. Użycie uczenia maszynowego pozwala na ciągłe doskonalenie algorytmów. Skutkuje to maksymalną efektywnością. Systemy HEMS różnią się między sobą. Użytkownik może je dostosować do indywidualnych wymagań.

Kluczowym aspektem jest inteligentna dystrybucja energii. Jest to szczególnie ważne przy posiadaniu instalacji fotowoltaicznej. Włączenie Fotowoltaika-generuje-energię do systemu Smart Home jest praktyczne. System pozwala maksymalnie wykorzystać samodzielnie wyprodukowaną energię. Warto zaprogramować system w określony sposób. Nadwyżki energetyczne nie są wtedy oddawane do sieci ze stratą. Zamiast tego są zużywane lokalnie. Częstą praktyką jest podgrzewanie wody użytkowej energią z paneli. Nadwyżki można też wykorzystać do ładowania samochodu elektrycznego. Można również uruchomić grzałkę elektryczną w zasobniku ciepła. Pozwala to zaoszczędzić gaz lub olej opałowy. Optymalizacja zużycia odbywa się przez inteligentną kontrolę odbiorników. Przykładem są inteligentne gniazdka. Umożliwiają one kontrolę zużycia elektrycznego przez podłączone sprzęty. Rekuperator, czyli centrala wentylacyjna, również może być inteligentnie sterowany. Podobnie działa pompa ciepła. System inteligentny budynek kontroluje-HVAC w sposób skoordynowany. To minimalizuje straty. Właściciele budynków wielolokalowych mogą obniżyć rachunki. Zmniejszają także emisję dwutlenku węgla. Oszczędność zaczyna się już od 1°C. Nowoczesne sterowanie ogrzewaniem jest kluczowe.

Kluczowe obszary optymalizacji zużycia w inteligentny budynek:

• Inteligentne sterowanie ogrzewaniem i chłodzeniem dostosowane do stref użytkowania.
• Automatyczne zarządzanie wentylacją w zależności od jakości powietrza i obecności osób.
• Dynamiczna kontrola oświetlenia wewnętrznego i zewnętrznego z wykorzystaniem czujników zmierzchu.
• Maksymalizacja wykorzystania systemów fotowoltaicznych poprzez lokalne magazynowanie i zużycie.
• Zintegrowane zarządzanie bezpieczeństwem i dostępem, redukujące pobór mocy przez nieużywane urządzenia.

Maksymalna automatyzacja powtarzalnych czynności jest jednym z celów systemu automatyki domowej. Systemy smart home gwarantują generowanie sporych oszczędności w domowym budżecie. Jednym z głównych założeń inteligentnego domu jest ekologia.

• Programuj system tak, aby nadwyżki energetyczne z fotowoltaiki były wykorzystywane lokalnie.
• Wykorzystaj inteligentne gniazdka do kontroli zużycia energii elektrycznej przez podłączone sprzęty.
• Koszt instalacji automatyki budynkowej zależy od rodzaju i wielkości budynku, a górna granica cenowa nie ma limitu w przypadku inwestycji komercyjnych.

Zaawansowana optymalizacja zużycia energii w systemach HVAC i wentylacyjnych dzięki IoT

Projektanci instalacji i inżynierowie eksploatacji mają szerokie możliwości. Mogą oni przeprowadzić optymalizację zużycia energii w budynkach. Wykorzystują do tego zaawansowane systemy regulacji HVAC. Czynnik ludzki nie sprzyja konsekwentnej energooszczędności. Subiektywne poczucie komfortu często prowadzi do marnotrawstwa. Dlatego to zadanie powierza się automatyce. Automatyka zapewnia stałe utrzymywanie prawidłowej i oszczędnej eksploatacji. Dotyczy to wszystkich systemów, instalacji i urządzeń. Najważniejszymi elementami optymalizacji energetycznej są układy regulacji. Chodzi o dostawę ciepła, chłodu i powietrza do pomieszczeń. Regulacja obejmuje również strumień powietrza oraz wentylatorów. Konieczna jest kontrola wymiany i odzysku ciepła. Systemy regulacji muszą zapewniać strefę martwą. Musi ona wynosić minimum 3°C. Jest to wymagane między nastawami ogrzewania i chłodzenia. Takie podejście wymusza norma ASHRAE 90.1-2016.

Kluczowym elementem optymalizacji jest regulacja kaskadowa. Stosuje się ją w centralach wentylacyjnych. System regulacji centrali musi zapewnić odpowiednią temperaturę pomieszczenia. Wartość zadana temperatury powietrza musi uwzględnić skrajne temperatury. Chodzi o temperatury zadane dla poszczególnych pomieszczeń. W okresie ogrzewania temperatura powietrza wychodzącego z centrali powinna być niższa. Powinna być równa najniższej temperaturze zadanej. W okresie chłodzenia temperatura nawiewu musi być niższa niż temperatura zadana. Należy unikać nastawiania stałej w ciągu roku temperatury nawiewu. Innym ważnym mechanizmem jest regulacja DCV. DCV oznacza wentylację zależną od potrzeb. Stosuje się ją w pomieszczeniach o wysokim zagęszczeniu użytkowników. Wykorzystuje się w tym celu czujniki CO2. Dopuszczalna zawartość CO2 wynosi 800–1000 ppm. Wzrost stężenia CO2 powinien zredukować strumień powietrza recyrkulowanego. Recyrkulacja sterowana przez czujnik CO2 jest bardzo efektywna. Zmniejsza ona zużycie energii na ogrzewanie i chłodzenie. W okresie braku osób przepływ powietrza świeżego redukowany jest do minimum. Czujnik CO2-steruje-recyrkulacją. Właściwa regulacja układu odzysku ciepła pozwala na odzyskiwanie chłodu z powietrza wywiewanego.

W kontekście zarządzania energią, pompa ciepła instalacja jest efektywnym rozwiązaniem. Wykorzystuje ona energię z otoczenia. Zapewnia ogrzewanie lub chłodzenie pomieszczeń. Przekłada się to na znaczną redukcję zużycia tradycyjnych źródeł energii. Optymalizacja zużycia energii w budynkach firmowych to istotny krok. Jest to krok w kierunku zrównoważonego rozwoju. Pomaga też obniżyć koszty operacyjne przedsiębiorstwa. Przed montażem pompy ciepła niezbędna jest szczegółowa analiza potrzeb energetycznych budynku. Analiza musi uwzględniać izolację termiczną obiektu. Należy też sprawdzić obecny system ogrzewania. Na podstawie analizy projektuje się cały system. Wybierany jest typ pompy ciepła odpowiedni dla warunków lokalnych. Dotyczy to również lokalizacji, na przykład Poznań. Decyzja o wyborze pompy ciepła powinna być poparta kalkulacją zwrotu z inwestycji. Montaż wymaga pracy wykwalifikowanych specjalistów. Warto zadbać o integrację nowego systemu z istniejącą infrastrukturą budynku. Efekty optymalizacji przynoszą korzyści środowiskowe i ekonomiczne.

Kluczowe wymogi normy ASHRAE 90.1-2016 dla inteligentny budynek:

1. Własna regulacja temperatury w poszczególnych pomieszczeniach.
2. Zapewnienie strefy martwej (min. 3°C) między ogrzewaniem a chłodzeniem.
3. Automatyczne wyłączanie wentylatorów poza okresem użytkowania obiektu.
4. Zakaz jednoczesnego nawilżania i osuszania tego samego strumienia powietrza.
5. Stosowanie regulacji DCV (wentylacja zależna od potrzeb) w pomieszczeniach o wysokim zagęszczeniu.

Tryb	Ogrzewanie (T zadana)	Chłodzenie (T zadana)
Komfort	20°C	22°C
Prekomfort	18°C	28°C
Ekonomiczny	18°C	35°C
Martwa strefa	N/A	N/A

Temperatura prekomfortowa to nastawa pośrednia. Utrzymuje się ją tuż przed przybyciem gościa, na przykład w hotelach. Doprowadzenie pomieszczenia z temperatury ekonomicznej do komfortowej wymaga czasu. Dlatego stosuje się ten tryb. Jest on źródłem bardzo dużych oszczędności w niewykorzystanych pomieszczeniach.

Wykres przedstawia procentowy wzrost zużycia energii wynikający ze zmiany temperatury zadanej o 1°C.

Inżynieria zasilania i maksymalizacja żywotności baterii w urządzeniach Internetu Rzeczy (IoT)

Długotrwała i efektywna praca Internetu Rzeczy zależy od zasilania. Kluczowe jest optymalne zarządzanie energią w IoT. Dotyczy to poziomu samego urządzenia. Węzeł czujnikowy IoT jest podstawowym elementem systemu. Często jest on umieszczony w odległej lokalizacji. Dlatego jest zasilany z baterii. Żywotność tej baterii determinuje czas eksploatacji. W większości zastosowań węzeł czujnikowy pozostaje w trybie uśpienia. Przełącza się w tryb aktywny tylko na czas akwizycji danych. Typowe aplikacje czujników działają w bardzo małych cyklach pracy. Cykl pracy wynosi od 0,01% do 1%. Węzeł czujnikowy-jest zasilany-z baterii przez większość czasu. Aby zmaksymalizować żywotność baterii, należy minimalizować prąd. Chodzi o prąd pobierany przez aplikację IoT w czasie uśpienia. Oszacowanie zużycia energii dotyczy trzech komponentów. Są to czujnik, mikrokontroler oraz transceiver radiowy.

Kluczem do wydłużenia czasu pracy jest tryb głębokiego uśpienia. Pobór prądu w tym stanie jest nanoamperowy. Służy on do wydłużenia czasu pracy, gdy urządzenie jest w użyciu. Aplikacje IoT okresowo się budzą. Wykonują określone zadanie, na przykład pomiar. Następnie wracają do sleep mode. Wówczas wszystkie nieużywane obwody są wyłączone. Działają przy minimalnym zapotrzebowaniu na energię. Innym ważnym stanem jest tryb transportowy (ship mode). Jest to stan nanoenergetyczny. Jego celem jest ochrona ładunku baterii. Zapewnia to maksymalną żywotność baterii na etapie wysyłki. W tym trybie źródło zasilania jest elektrycznie odłączone. Ma to zminimalizować pobór mocy podczas magazynowania. Wyjście z tego stanu następuje zazwyczaj po naciśnięciu przycisku. Optymalizacja zużycia energii w trybach uśpienia jest kluczowa. Stan spoczynku stanowi ponad 99% czasu pracy węzła czujnikowego.

Tradycyjne rozwiązania wykorzystują elementy dyskretne. Są to zegar RTC, przełącznik napięcia oraz kontroler blokady. Nowoczesne układy zintegrowane oferują znaczną przewagę. Przykładem jest kontroler MAX16163 klasy 'nanopower'. Układ ten pozwala na zaprogramowanie czasu uśpienia. Ma też wbudowany przełącznik zasilania. Zastępuje w sumie trzy komponenty dyskretne. Ogranicza to koszty realizacji i zużycie energii. Zintegrowane kontrolery redukują zajętość miejsca na płytce drukowanej (PCB). Układ MAX16163 wydłuża żywotność baterii o około 20%. Dzieje się tak w porównaniu z podejściem konwencjonalnym. Optymalizacja poboru prądu w trybach shutdown i uśpienia jest najlepszym sposobem. Poprawia ona żywotność baterii w aplikacjach Internetu Rzeczy. Wybieraj zintegrowane kontrolery nanopower. Redukują one zajętość miejsca na PCB i obniżają prąd spoczynkowy. Wybudzanie z trybu głębokiego uśpienia zajmuje trochę czasu. Należy to uwzględnić w aplikacjach wymagających natychmiastowej reakcji.

Optymalizacja poboru prądu w trybach shutdown i uśpienia jest jednym z najlepszych sposobów na poprawę żywotności baterii. – Suryash Rai, Arrow Electronics Poland

5 kroków projektowania energooszczędnego węzła IoT:

1. Minimalizacja prądu w czasie tryb głębokiego uśpienia do poziomu nanoamperowego.
2. Wybór komponentów o niskim prądzie spoczynkowym, czyli tzw. nanopower.
3. Podział pracy na czas aktywny i nieaktywny, tworzący krótki cykl pracy.
4. Wykorzystanie zegara RTC do wybudzania modułu IoT o zaprogramowanym czasie.
5. Zastosowanie zintegrowanych kontrolerów zasilania, aby zmniejszyć liczbę komponentów.

Parametr	Elementy dyskretne	Układ MAX16163
Prąd w stanie shutdown	146 nA	30 nA
Prąd w stanie uśpienia	170 nA	10 nA
Liczba układów	3	1
Oscylator kwarcowy	wymagany	niewymagany
Zajmowane miejsce na PCB	130 mm²	50 mm²

Mniejszy prąd w trybie uśpienia jest bezpośrednią miarą wydajności energetycznej aplikacji. Ponieważ węzeł czujnikowy spędza w tym stanie większość czasu, redukcja prądu z 170 nA do 10 nA wydłuża żywotność baterii o około 20% dla typowego cyklu pracy 0,007%.