Metódy a nástroje energetického monitoringu bytových a verejných budov

Medzinárodné skúsenosti ukazujú, že energetickým monitoringom možno dosiahnuť úsporu energie a vody medzi 5 až 15 % energetickej spotreby. Bežná prax v projektoch energetických úspor ukazuje, že spotrebu energie budovy možno výrazne znížiť prostredníctvom technických opatrení, ako sú zateplenie obvodových konštrukcií, výmena okien a dverí, inštalácia automatickej regulácie a ovládania atď.

Úroveň spotreby energie po znížení môže byť určitý čas konštantná. Skúsenosti z praxe však ukazujú, že už po niekoľkých rokoch môže spotreba energie rásť a dokonca sa vrátiť na rovnakú úroveň ako pred energeticky úspornými opatreniami [1], a to už po 3 až 5 rokoch. Hlavným dôvodom, prečo úroveň spotreby energie po znížení nezostane dlho konštantná, je chýbajúci systém monitoringu energetickej spotreby budovy. Energetický monitoring je nástroj na sledovanie a udržiavanie energetickej spotreby na želanej nízkej úrovni. Je založený na periodickom (pravidelnom) zázname energetickej spotreby a príslušných ovplyvňujúcich parametrov (napríklad priemernej vonkajšej teploty).

Okrem odhalenia zvýšenej energetickej spotreby či spotreby vody a následnej nápravy energetický monitoring umožňuje:

• správnu funkciu technických zariadení,
• dokumentáciu výsledkov z energeticky úsporných opatrení,
• identifikáciu budov s najväčším potenciálom energetických úspor,
• rýchlu spätnú väzbu pri zmenách prevádzkových režimov,
• lepšiu vedomosť o možnostiach úspor,
• lepšiu bilanciu nákladov na spotrebu energie a vody.

Medzinárodné skúsenosti z energetického monitoringu ako samostatného úsporného opatrenia ukazujú, že dosiahnutá úspora energie a vody je medzi 5 až 15 % energetickej spotreby [1].

Metódy energetického monitoringu budov

Zdrojom energetického monitoringu sú dáta z meračov energie všetkých energetických nosičov používaných v budove a namerané klimatické dáta. Odčítanie a záznam údajov sa môžu vykonávať manuálne alebo automaticky.

Postup energetického monitoringu budovy zahŕňa tri kroky:

1. určenie požadovaných (cieľových) indikátorov pre budovu,
2. zber dát a sledovanie energetickej spotreby budovy,
3. analýzu výsledkov energetického monitoringu.

Prvý krokom je určenie cieľových hodnôt, ktoré sú potrebné na kontrolu budúcej energetickej spotreby. Druhým krokom je monitoring nameranej spotreby a overenie, či neprekračuje požadovanú (cieľovú) úroveň. V treťom kroku, v prípade zistenej nadmernej spotreby energie (o 5 – 10 % vyššej, ako je cieľová), treba zistiť príčinu a prijať príslušné opatrenie.

Metóda mernej spotreby

Jedna z najpoužívanejších metód sledovania energetickej spotreby budov je metóda mernej spotreby. Pri tejto metóde sa s použitím klimatických údajov a tepelnotechnických výpočtov porovnáva spotreba s normatívnymi hodnotami energetickej spotreby. Tieto hodnoty, uvedené pre rôzne typy budov, možno nájsť aj v právnych predpisoch. Metóda spočíva v tom, že nameraná spotreba energie budovy by nemala presiahnuť konkrétnu normatívnu hodnotu. Výhodou tejto metódy je jednoduchosť, keďže netreba zbierať podrobné dáta spotreby energie a ovplyvňujúcich faktorov. Monitoring a analýza výsledkov sa vykonávajú raz ročne.

Metóda založená na energeticko-teplotnom diagrame

Ďalšou z bežne používaných metód energetického monitoringu v obytných a verejných budovách je metóda založená na energeticko-teplotnom (ET) diagrame [2 – 6]. Hlavným nástrojom je diagram s energeticko-teplotnou krivkou, jedinečnou pre každú budovu. ET krivka zobrazuje úroveň energetickej spotreby pri rôznych hodnotách vonkajšej teploty, pri zohľadnení správnej prevádzky budovy. Vstupnými údajmi ET diagramu sú merná spotreba energie na jednotku vykurovanej plochy budovy za týždeň (kWh/(m² . týždeň)) a priemerná vonkajšia teplota (°C/týždeň). ET krivka môže byť zostavená pomocou energetických výpočtov použitím softvéru [3, 5] alebo použitím histórie nameranej spotreby energie a vonkajšej teploty.

Hlavnou výhodou tohto spôsobu energetického monitoringu je možnosť jeho použitia pri všetkých typoch budov. Metóda je založená na hodnotení spotreby energie v závislosti od zmien vonkajšej teploty. Medzi jej nevýhody patrí pomerne častý odpočet z meračov energie a teploty, výpočet týždenných hodnôt spotreby energie, ako aj výpočet cieľových hodnôt spotreby. Pri použití metódy sa tiež predpokladá, že vnútorná teplota vždy spĺňa normatívne požiadavky, keďže sa v analýze neberie do úvahy.

Metóda zohľadňujúca prevádzkový režim budovy

Pri energetickom monitoringu – najmä verejných budov – je dôležité zohľadniť spôsob prevádzky budovy a zároveň posúdiť spotrebu energie pri prevádzkovom režime počas pracovného času, mimo neho a počas víkendov a sviatkov [7]. Pri použití tejto metódy sa ako vstupy používajú denné dáta o spotrebe energie v budove. Odpočet dát sa uskutočňuje dvakrát denne, na začiatku a na konci pracovného a nepracovného času. V závislosti od času odpočtu a hodnôt spotreby sa pre pracovný a nepracovný čas vypočítajú priemerné hodnoty hodinovej spotreby energie a potom jej cieľové hodnoty. Cieľová spotreba pre víkendy a sviatky sa môže určiť použitím faktora zníženia spotreby (0,8 × spotreba počas pracovného dňa) alebo použitím výpočtov s historickými dátami pre víkendy a sviatky.

Cieľové hodnoty sa môžu aktualizovať v závislosti od nových dát, čo znamená, že sa získavajú aj počas monitoringu, nielen z historických alebo priemerných hodnôt. Výhodou tejto metódy je jej jednoduchosť a rýchlejšie zistenie odchýlky spotreby energie. Zároveň umožňuje prísnejšie sledovať plnenie harmonogramu prevádzky zariadení v budove. Nevýhodou je častý odpočet údajov spotreby energie (dvakrát počas dňa). Táto metóda neumožňuje zohľadniť ani faktory, ako sú vnútorná a vonkajšia teplota.

Metóda „Kontroly a normalizácie“

Najúčinnejšou metódou energetického monitoringu v budovách je metóda „Kontroly a normalizácie (KaN) [8]. Metóda KaN je analýza histórie energetickej spotreby budovy so stanovením základných a cieľových hodnôt spotreby energie, s ktorými sa porovnávajú namerané hodnoty spotreby. Faktormi, ktoré ovplyvňujú spotrebu energie, sú vonkajšia teplota alebo dennostupne, keďže vykurovanie budovy závisí od vonkajšej a aj želanej vnútornej teploty. Hodnota dennostupňov (pri každom dni) predstavuje rozdiel medzi priemernou dennou teplotou vzduchu vnútri vykurovanej budovy a priemernou dennou vonkajšou teplotou.

kde: n_i je hodnota dennostupňa i-teho dňa,
    T_in,i – priemerná teplota vnútorného vzduchu,
    T_out,i – priemerná teplota vonkajšieho vzduchu,
     _i – počet dní.

Prvým krokom metódy KaN je analýza histórie, ktorou sa stanovia základné a cieľové úrovne spotreby energie. Na tento účel sa používa lineárny regresný model v tvare

kde: Y je spotreba energie počas dňa,
    X – hodnota ovplyvňujúceho faktora (počet dennostupňov alebo priemerná vonkajšia teplota počas dňa),
    a – variabilná zložka spotreby energie závislá od vplyvu faktora,
    b – konštantná zložka spotreby.

Základná úroveň spotreby je potrebná na kontrolu budúcich hodnôt spotreby energie s cieľom pokryť súčasnú energetickú náročnosť budovy. Aby sa však dala táto metóda úplne využiť, treba určiť realistickú cieľovú úroveň. Jednou z metód určenia cieľovej spotreby je vytvorenie lineárneho regresného modelu (2) použitím tých hodnôt, ktoré sa nachádzajú pod úrovňou základnej spotreby. Pri dostupnosti historických dát pre pracovný a mimopracovný čas sa môže táto metóda použiť pri oboch druhoch režimu zvlášť. Medzi výhody tejto metódy patrí možnosť jej použitia pri všetkých typoch budov (obytných aj verejných). Táto metóda berie do úvahy aj meniacu sa vonkajšiu a vnútornú teplotu – cez hodnotu dennostupňov. V procese monitoringu sú použité denné dáta, ktoré umožňujú rýchlejšiu detekciu odchýlky v energetickej spotrebe a následnú nápravu. Hlavnou nevýhodou tejto metódy je pomerne častý odpočet hodnôt (dvakrát počas dňa) energetickej spotreby a tiež aj teploty.

Informačný systém „Energetický monitoring budov“

Aby sa mohli uvedené metódy monitoringu a analýzy spotreby energie budov uplatniť, bol v programe Excel navrhnutý nástroj „Energetický monitoring budov“ [9].

Vzhľadom na funkčné vlastnosti pozostáva nástroj zo štyroch častí:

• zadanie vstupných údajov,
• analytické spracovanie (metódy monitoringu a analýzy),
• správy,
• výstupy.

Okrem sledovania spotreby energie umožňuje tento nástroj vykonávať porovnávaciu analýzu spotreby energie (skutočnej spotreby a merných ukazovateľov podľa rokov a mesiacov), posúdenie emisií CO2 a mesačných finančných nákladov na energiu.

Využitie nástroja energetického monitoringu

Ďalej sa v článku budeme venovať ukážke konkrétneho využitia nástroja na energetický monitoring, a to v budove školy v období od 27. januára do 26. februára 2014. Budova sa využíva od 8.00 do 17.00 hod. každý deň, od pondelka do soboty. V nedeľu je zatvorená. Monitoring sledoval spotrebu elektriny a zemného plynu a zároveň teploty vnútri budovy aj mimo nej počas 31 dní, a to zvlášť v pracovnom a nepracovnom čase. Celková spotreba elektrickej energie bola 329 kWh a zemného plynu 4 844 m³. To znamená, že denná spotreba sa pohybovala v rozpätí 3 až 23 kWh elektrickej energie, v prípade zemného plynu medzi 75 a 245 m³. Vonkajšia teplota bola medzi 4,7 až 19,3 °C. Vnútorná teplota spĺňala normatívne požiadavky. Spotreba elektrickej energie sa monitorovala metódou, ktorá berie do úvahy režim prevádzky budovy. Spotreba zemného plynu sa monitorovala metódou „Kontrola a Normalizácia“ so zohľadnením pracovného a nepracovného času.

Obr. 1 Určenie cieľovej spotreby elektrickej energie

Monitoring spotreby elektrickej energie

Na základe údajov spotreby elektriny od 27. januára do 9. februára sa definovali cieľové hodnoty (obr. 1), ktoré sa použili na kontrolu budúcich hodnôt energetickej spotreby. Na obr. 2 vidieť výsledky v tomto týždni monitoringu. Na 16. február pripadol víkend – cieľová spotreba tohto dňa je určená na základe faktora 0,8 z pracovného dňa. Nasledujúca analýza zobrazuje dni so zistenou spotrebou energie vyššou, ako je cieľová, v pracovnom, nepracovnom čase. Ako možno vidieť z výsledkov, celková odchýlka elektrickej spotreby bola 23 kWh, pričom podstatnú časť tvorí spotreba počas pracovného času. Zaujímavá je spotreba energie z 13. a 16. februára, kde je odchýlka vyššia než povolená (>10 %).

Obr. 2 Výsledky z monitoringu elektrickej energie od 10. 2. 2014 do 16. 2. 2014

V tomto prípade treba zistiť príčinu náhleho zvýšenia energetickej spotreby a prijať opatrenia na to, aby sa takejto odchýlke v budúcnosti zabránilo. Ako ukazujú výsledky monitoringu od 17. do 23. februára (obr. 3), opatrenia potrebné na odstránenie odchýlky v spotrebe sa nevykonali, čo viedlo k zvýšeniu spotreby elektrickej energie na 72 kWh. Aj keď sa cieľová úroveň spotreby elektrickej energie nedosiahla, analýza pre ďalšie hodnoty sa nezmení. Na obr. 4 vidieť výsledky monitoringu od 24. do 26. februára. Je zrejmé, že prípustná odchýlka sa prekročila 24. a 26. februára v pracovnom čase. Odchýlka spotreby elektriny počas týchto troch dní bola 7 kWh.

Obr. 3 Výsledky z monitoringu elektrickej energie od 17. 2. 2014 do 23. 2. 2014

Obr. 4 Výsledky z monitoringu elektrickej energie od 24. 2. 2014 do 26. 2. 2014

Monitoring spotreby zemného plynu

Na základe údajov o spotrebe zemného plynu od 27. januára do 9. februára sa určila základná a cieľová úroveň spotreby pre pracovný aj nepracovný čas (obr. 5). Podobne ako pri elektrickej energii, aj tu možno sledovať spotrebu plynu denne alebo v dlhšom intervale. Výsledky monitoringu spotreby zemného plynu v priebehu nasledujúcich siedmich dní sú uvedené na obr. 6. Ďalšia analýza je zobrazená na obr. 7. V tomto prípade sa kontrola dát vykonala porovnaním so základnou úrovňou spotreby. Ako ukazujú výsledky, odchýlka sa pozorovala 14. februára mimo pracovného času, inak sa však základná úroveň spotreby splnila. Nameraná spotreba medzi 17. a 23. februárom bola na úrovni základnej (obr. 8) a aj cieľovej spotreby (obr. 9).

Obr. 5 Určenie základnej a cieľovej spotreby plynu

Obr. 6 Výsledky monitoringu spotreby zemného plynu od 10. 2. 2014 do 16. 2. 2014

Obr. 7 Správa z monitoringu spotreby zemného plynu od 10. 2. 2014 do 16. 2. 2014

Celková spotreba plynu za toto obdobie bola 1 067 m³. Zvýšená spotreba plynu sa pri porovnaní so základnou spotrebou zaznamenala len 22. februára v pracovnom čase. Tu bolo potrebné nájsť príčinu odchýlky s hodnotou 41 m³ (približne 4 % celkovej spotreby). Pri porovnaní s cieľovou spotrebou boli vyššie spotreby zaznamenané v pracovnom čase v dňoch 17., 19., 20. a 22. februára. Zvlášť zaujímavá je spotreba 22. februára. Celková odchýlka za obdobie je 93 m³, čo predstavuje 8 % z celkovej spotreby za dané obdobie.

Obr. 9 Monitoring spotreby zemného plynu od 17. 2. 2014 do 23. 2. 2014 (v porovnaní s cieľovou spotrebou)

Zhrnutie

Energetický monitoring je veľmi užitočný nástroj na zlepšenie energetickej účinnosti počas celej životnosti budovy. Nepretržité vykonávanie monitoringu umožňuje identifikovať a odstrániť nadmernú spotrebu energie, správne používať technické zariadenia budov a poskytuje aj príležitosť na optimalizáciu nákladov na energiu. Metóda založená na ET diagrame a metóda KaN sú veľmi efektívne pri sledovaní spotreby energie počas vykurovacej sezóny a aj v teplých letných mesiacoch, so zohľadnením vplyvu faktorov vonkajšej teploty alebo dennostupňov. Metóda, ktorá berie do úvahy spôsob prevádzky budovy, je vhodná na monitoring spotreby elektrickej energie a spotreby teplej a studenej vody, a to bez potreby zohľadnenia teploty a dennostupňov. Na monitorovanie spotreby energie je vhodné použiť príslušný informačný nástroj, napríklad systém „Energetický monitoring budov“.

Literatúra
1. Energy Monitoring. Introduction. ENSI, 2009, www.ensi.no.    
2. Active Learning Toolbox/Energy Monitoring/Monitoring school energy consumption.
3. Energy Auditing of Buildings Software (EAB Software).
4. General Tips to the Energy Managers/Day to day Energy Management of the Building. http://www.display-campaign.org.
5. About Energinet ISO 50001 Energy Management Software. http://www.cebyc.no.
6. FINAL NARRATIVE REPORT Contract ENPI 2011 281-292. Description of the Energy Monitoring System. www.energycluster.com.ua.
7. Khudayarov, M. B.: Methods and tools for the energy management of buildings, Materials 1 russian scientific and practical conference „Energy efficiency and conservation: theory and practice“, Kemerovo, 2014.
8. Nikolaenko, A., Tarnowski, M.: Presentation on „Monitoring energy consumption and energy efficiency“, 2010, www.optimenergo.com.
9. Salikhov, T. P., Khudayarov, M. B.: Information system for monitoring energy consumption of the building, Certificate of official registration of computer program, DGU 02933 18.12.2014, Tashkent, the Agency for Intellectual Property of RUz.

Text: M. B. Khudayarov
Obrázky: autor/thinkstock.com
Autor pôsobí v Inštitúte energie a automatizácie Akadémie vied republiky Uzbekistan v Taškente.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.