Jak połączyć instalację fotowoltaiczną z inteligentnym budynkiem?
Termin „inteligentny budynek” coraz częściej przewija się w kontekście nowoczesnych rozwiązań, które służą uzyskaniu wymiernych oszczędności w kosztach eksploatacji. Dlatego instalacja fotowoltaiczna, która jest źródłem czystej i taniej energii, powinna z systemem automatyki budynkowej być zintegrowana i odgrywać w nim ważną rolę. Poniższy artykuł opisuje, jak połączyć ze sobą te dwa światy.
Dr inż. Maciej Piliński
Technologie i standardy w automatyce budynkowej
Zacznijmy od krótkiego przeglądu technologii, standardów i pojęć stosowanych w szeroko pojętym zagadnieniu określanym mianem „automatyki budynkowej”. Jaki jest cel wprowadzania takich rozwiązań? Przede wszystkim chodzi o wymianę informacji pomiędzy jak największą ilością urządzeń, czujników i instalacji w danym budynku. Dzięki temu można zarówno osiągnąć podniesienie komfortu użytkowania poprzez automatyczne dostosowywanie do panujących warunków pogodowych (temperatury, oświetlenia, opadów atmosferycznych), ale także: zwiększenie bezpieczeństwa, obniżenie kosztów eksploatacji oraz łatwość sterowania wszystkimi systemami np. poprzez urządzenia mobilne.
Pierwsza linia podziału dotyczy wielkości budynku. O ile w przypadku budynków biurowych czy przemysłowych mówimy o integracji wszystkich instalacji (elektrycznej, HVAC, CCTV, p.-poż., itd.) w celu automatyzacji procesów prowadzących do oszczędności energii, obniżenia kosztów i podniesienia poziomu bezpieczeństwa, o tyle w przypadku domów mieszkalnych, czyli w automatyce domowej (zwanej popularnie „inteligentnym budynkiem”) przede wszystkim chodzi o podniesienie standardu i wygody użytkowania danego mieszkania.
Automatyka budynkowa, ze względu na wielkość i złożoność poziomu integracji, korzysta z otwartych protokołów komunikacji wykorzystujących połączenia przewodowe. W Polsce to przede wszystkim Modbus RTU, Modbus TCP oraz KNX (dawniej EIB). Cechą wspólną tych rozwiązań jest otwarty protokół komunikacji umożliwiający rozwijanie funkcjonalności automatyki budynkowej i integracji urządzeń przez dowolnych producentów z całego świata.
W przypadku automatyki domowej największą popularność zdobyły również otwarte standardy: ponownie KNX oraz bezprzewodowe protokoły, takie jak Z-Wave czy ZigBee.
I tu przechodzimy do najbardziej krytycznej i ważnej cechy technologii sieciowych, którym jest medium służące do transmitowania sygnału. Systemy radiowe używają fal radiowych, układy typu "powerline communication" (PLC) - istniejących linii energetycznych, wszystkie pozostałe wymagają dodatkowego, specjalnego okablowania. Doskonałym przykładem jest EIB/KNX-TP, który jako medium używa "skrętki" (TP = Twisted Pair), Modbus RTU wykorzystuje trzyprzewodową magistralę szeregową RS-485, a Modbus TCP komunikuje się poprzez sieć Ethernet. Okablowanie takie musi być jednak wcześniej zaplanowane i ułożone razem z instalacją elektryczną. To wada w stosunku do systemów bezprzewodowych (radiowych), ale zaletą jest bezsprzeczna pewność transmisji, zapewnia również zasilanie podłączonym do magistrali aktorom i sensorom. Sprawy się nieco komplikują, gdy mamy do czynienia już z gotowym domem lub mieszkaniem, do którego chcielibyśmy dodać "inteligencję". Jeśli remont generalny nie wchodzi w grę, pozostaje wyłącznie transmisja bezprzewodowa.
Sposoby integracji instalacji fotowoltaicznej z automatyką budynkową
Skoro podstawą idei automatyki budynkowej jest integracja wszystkich instalacji w budynku, należy zastanowić się, w jaki sposób włączyć instalację fotowoltaiczną (ang. photovoltaics, PV) do takiego systemu. Problem nie jest trywialny, głównie ze względu na rozmaitość stosowanych w inteligentnych budynkach rozwiązań. Z pomocą przychodzi urządzenie pod nazwą Datamanager 2.0 firmy Fronius (rys. 1.), standardowo instalowane we wszystkich falownikach fotowoltaicznych tego producenta. Jest to dodatkowa karta zapewniająca przede wszystkim monitorowanie pracy instalacji fotowoltaicznej na portalu Solar.Web (https://www.solarweb.com), ale oferuje ona również znacznie bardziej zaawansowane funkcje.
Modbus RTU / TCP
Protokół komunikacyjny MODBUS został stworzony przez firmę Modicon, jednak ze względu na liczne zalety, stał się otwartym standardem zaakceptowanym przez wielu producentów urządzeń automatyki. Protokół określa zasady wymiany informacji pomiędzy kilkoma urządzeniami, z których zawsze jedno pełni rolę urządzenia nadrzędnego (typu Master), a reszta jest podrzędna (typu Slave).
Kontrola i sterowanie odbywa się poprzez odczyt i zapis odpowiednich rejestrów. To producent urządzenia podaje adresy tych rejestrów, podobnie, określa możliwość ich zapisu, bądź tylko odczytu. W przypadku producentów sprzętu do instalacji fotowoltaicznych zawiązało się stowarzyszenie, które opracowało otwarty protokół SunSpec. Aktualnie dostępnych jest kilkaset rejestrów, które umożliwiają zaawansowany monitoring i sterowanie.
Urządzenia firmy Fronius standardowo wyposażone są zarówno w Modbus TCP, jak i RTU. Oprócz warstwy fizycznego połączenia, operator instalacji BMS (ang. Building Management System) powinien zdefiniować w urządzeniu nadrzędnym odpowiednie adresy rejestrów oraz wszystkie operacje i zależności logiczne pomiędzy urządzeniami.
Integracja instalacji fotowoltaicznej z budynkiem poprzez protokół Modbus daje największe możliwości, ponieważ umożliwia nie tylko odczyt danych z falownika, ale również jego pełną kontrolę, w tym sterowanie mocą bierną i czynną. Dlatego też zadanie to wymaga największej wiedzy i doświadczenia od integratora. Na stronie firmy Fronius (https://www.fronius.pl) dostępna jest pełna dokumentacja zawierają adresy wszystkich rejestrów, oraz ich przeznaczenie.
KNX/EIB
KNX (dawniej znany jako EIB) jest systemem opartym na topologii rozproszonej, w której nie ma konieczności stosowania jednostki centralnej. Każdy element podłączony do magistrali KNX (np. przycisk, stycznik, regulator) jest wyposażony we własny procesor i odpowiedni zestaw czujników lub elementów wykonawczych. Dzięki takiemu podejściu, w przypadku awarii pojedynczego elementu, pozostałe elementy systemu nadal działają poprawnie. Niemniej jednak, bardziej złożone funkcje logiczne wymagają zastosowania nadrzędnej jednostki sterującej.
Firma Loxone (http://www.loxone.com) oferuje rozwiązania dla inteligentnych domów w formie centrali, którą instaluje się w rozdzielni budynku – Loxone Miniserver (rys. 2.) – zawierającej 8 cyfrowych i 4 analogowe wejścia oraz 8 wyjść przekaźnikowych i 4 analogowe wyjścia 0-10V. Oprócz możliwości wizualizacji w sieci Ethernet i dołączania dodatkowych modułów – Loxone Extensions – Miniserver wyposażony jest również w interfejs KNX/EIB.
Z-Wave
Ideą radiowego protokołu Z-Wavejest synchronizacja urządzeń automatyki domowej w topologii mesh (tzw. siecikratowej), w której każde urządzenie komunikuje się z centralą inteligentnegozarządzania, będąc zarazem przekaźnikiem sygnału dla innych urządzeń – cokilkukrotnie zwiększa zasięg. W instalacji mogą być również wykorzystywaneurządzenia zasilane bateryjnie, co eliminuje problemy z koniecznościądoprowadzenia zasilania do lokalizacji w pobliżu okien, drzwi czy grzejników.
Jednym z najbardziejrozpoznawalnych producentów kompleksowego systemu automatyki domowej bazującegona protokole Z-Wave jest … polska firma Fibar Group z Poznania (http://www.fibaro.com).To bardzo dobra wiadomość, zwłaszcza że urządzenia Z-Wave aktualnie oferujekilkuset (ponad trzystu) producentów. A to z kolei daje pewność, że jeślijakiegoś z interesujących nas produktów w ofercie urządzeń Fibaro nieznajdziemy - możemy swobodnie wybierać wśród innych dostawców.
Urządzenia sterujące pozwalają na wprowadzenie idei domu energooszczędnego poprzez monitorowanie i kontrolę zużycia energii - większość sterowników ma wbudowany zaawansowany licznik energii. Doskonałym przykładem jest Fibaro Wall Plug (zdj. 4.) - czyli „gniazdko w gniazdku”, które oprócz podstawowej funkcji załączania/wyłączania podłączonego od niego odbiornika, zawiera miernik mocy chwilowej i licznik energii elektrycznej oraz diody RGB sygnalizujące swoim kolorem stan urządzenia (w tym pobieraną moc, wyłączenie, przeciążenie, itp.).
W Fibaro Home Center 2 należy stworzyć tzw. urządzanie wirtualne (ang. Virtual Device, VD) z krótkim kodem w języku skryptów, jakim jest „Lua” (słowo to w ojczyźnie tego języka, Brazylii, oznacza księżyc), a wbudowana funkcja json.decode() daje nam pełny i uporządkowany w formie zagnieżdżonych tablic dostęp do wszystkich przekazanych wartości. Niestety, w chwili obecnej wykorzystanie tej funkcjonalności i stworzenie odpowiednich powiązań wymaga od firmy instalacyjnej umiejętności pisania kodu w języku „Lua”, dla instalatorów systemów automatyki domowej nie powinna być to jednak przeszkoda.
Powiązanie informacji pochodzącej z instalacji PV ze sterowaniem najprostszym urządzeniem jakim jest Fibaro Wall Plug daje nam nieograniczone możliwości zaprogramowania „scen”: alarmy, progi zadziałania, zależności czasowe, monitorowanie, zaawansowana analiza produkcji i zużycia energii oraz bazujące na tych informacjach inteligentne sterowanie odbiornikami energii. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby odpowiednio sterować również bardziej zaawansowane urządzenia, choćby ściemniacze (ang. dimmer) czy kontrolery LED RGBW, których w sieci Z-Wave może być nawet 232.
Podsumowanie
Każda możliwość integracji instalacji PV z systemem automatyki budynkowej przyczyni się do optymalnego wykorzystania produkowanej w instalacji fotowoltaicznej energii, daje również możliwość pełnego monitorowania instalacji i podejmowania zaawansowanych działań, które w „zwykłej” instalacji nie byłyby możliwe. Dzisiaj nie jest już kluczowym zagadnieniem produkowanie energii ze źródeł odnawialnych, coraz ważniejsze staje się inteligentne tej energii wykorzystanie. Mam nadzieję, że rozwiązania techniczne opisane w niniejszym artykule pobudzą wyobraźnię projektantów, instalatorów i inwestorów. A to już tylko krok do spełnienia się wizji „24 godzin słońca”.