مدیریت انرژی ساختمان

با افزایش نیاز به کاهش سطح مصرف انرژی و رشد مستمر مصرف انرژی توسط ساختمان‌های تجاری، نیاز به توسعه تکنیک‌های نوآورانه برای کاهش و بهینه‌سازی مصرف انرژی ساختمان ایجاد شده است. اخیراً سیستم مدیریت انرژی ساختمان (BEMS) به دلیل افزایش علاقه به صرفه جویی در انرژی و صرفه جویی در ساختمان محبوبیت پیدا کرده است. سیستم مدیریت انرژی ساختمان توانایی کنترل و پایش انرژی مورد نیاز ساختمان را دارد. سیستم مدیریت انرژی ساختمان نه تنها آسایش حرارتی داخلی را فراهم می کند، بلکه محیطی امن و سالم را در ساختمان های مسکونی از جمله ساختمان های سازمانی، تجاری و صنعتی ایجاد می کند و می تواند مصرف انرژی را کاهش دهد.

به منظور بهبود بهره وری کلی انرژی و صرفه جویی در هزینه برق ساختمان منجر به صرفه جویی در مصرف برق می شود. هدف این مقاله بررسی روش‌ها یا تکنیک‌های پیشنهادی محققان برای کنترل و پایش الگوهای مصرف انرژی در ساختمان‌ها می‌باشد. علاوه بر این، نرم افزارهای مختلف توسعه یافته در سیستم مدیریت انرژی ساختمان به ویژه BEMOSS (نرم افزار منبع باز مدیریت انرژی ساختمان) را برجسته می کند و همچنین مزایای سیستم مدیریت انرژی ساختمان را مورد بحث قرار می دهد.

معرفی سیستم مدیریت انرژی ساختمان

در سال های اخیر، انرژی مصرف شده در بخش ساختمان شامل مصرف کنندگان نهایی مسکونی و تجاری به سرعت در حال افزایش است. سهم مصرف انرژی در ساختمان تقریباً 20.1٪ از کل انرژی تحویلی مصرف شده در سراسر جهان است و انتظار می رود تا سال 2040 1.5٪ در سال افزایش یابد. تأثیر منفی افزایش مصرف انرژی با کاهش سوخت‌های فسیلی و گازهای گلخانه‌ای انباشته آشکارتر می‌شود. گاهی اوقات به دلیل تقاضای زیاد در ساعات اوج مصرف منجر به خاموشی در کشورها می شود.

هند در آگوست 2012 با همان خاموشی مواجه شد که منجر به بی برقی حدود 650 میلیون نفر شد. در نتیجه نیاز به توسعه سیستم مدیریت انرژی ساختمان هوشمند به یک ضرورت تبدیل می شود. سیستم مدیریت انرژی ساختمان هوشمند به معنای سیستمی است که مجموعه ای از تکنیک ها را برای نظارت و کنترل نیازهای انرژی ساختمان با حفظ کیفیت خوب زندگی در محل ساختمان ارائه می دهد. علاوه بر این، هدف یک سیستم مدیریت انرژی ساختمان معمولی بهینه سازی استفاده از انرژی، کاهش هزینه انرژی و بهبود اثرات زیست محیطی است.

HVAC

سیستم مدیریت انرژی ساختمان توانایی کنترل تجهیزات الکتریکی و مکانیکی ساختمان یعنی HVAC (گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع) را دارد. برای این منظور، افزایش آگاهی در مورد اهمیت دسترسی مردم به داده های پیرامون مصرف انرژی ضروری شده است. بنابراین مطالعه سیستم مدیریت هوشمند انرژی برای پاسخگویی به تقاضای روزافزون انرژی الکتریکی به دلیل افزایش جمعیت، شهرنشینی، صنعتی شدن و غیره ضروری است.

در این مقاله، ما مروری بر تکنیک‌ها و نرم‌افزارهای مختلفی که برای مدیریت کارآمد انرژی در ساختمان‌ها یا خانه‌ها توسعه یافته‌اند، ارائه می‌کنیم. ساختار این مقاله به شرح زیر است: در بخش دوم، کارهای مرتبط با تکنیک های مختلف مدیریت انرژی ساختمان مورد بحث قرار گرفته است. در بخش سوم، مقدمه ای مختصر در مورد نرم افزارهای موجود در دنیای واقعی بحث شده است. در بخش چهارم، مزایای مختلف سیستم مدیریت انرژی ساختمان مورد بحث قرار گرفته است. در نهایت در بخش پنجم ما کار را به پایان رساندیم و سپس منابع را به دست آوردیم.

ساخت تکنیک های مدیریت انرژی

با پیشرفت تکنولوژی، تحقیقاتی برای ارتقای کیفیت استانداردهای زندگی در ساختمان انجام شده است. در سال‌های اخیر، ابتکارات زیادی توسط دولت کشورهای مختلف انجام شده است (به عنوان مثال، در ایالات متحده، پاسخ به تقاضا مورد قوی تجاری برای برش پیک است)، شرکت‌های خدماتی (مانند جنرال الکتریک، گوگل، مایکروسافت، سیسکو و غیره) و گروه‌های فناوری (مانند صنایع، کمیته‌ها، اتحاد و غیره).

تلاش‌ها برای طراحی استانداردهای جدید، پروتکل‌ها، فناوری‌های ارتباطی ادامه دارد. خدمات مبتنی بر وب و غیره برای کاهش هزینه در زمان واقعی و همچنین بهینه سازی مصرف انرژی. نویسندگان یک راه حل خانه هوشمند با استفاده از وب سرور PHP و میکروکنترلر آردوینو پیشنهاد کردند. سیستم مدیریت انرژی ساختمان می تواند به عنوان پلی بین طرف مصرف کننده و شبکه برق برای اجرای پاسخ به تقاضا عمل کند و رویای شبکه هوشمند را قابل مشاهده کند.

به عنوان مثال، نویسنده راه حل یکپارچه ای را برای پیش بینی تقاضای انرژی کاربر و کمک به کاربر برای راه اندازی وسایل خود در زمان بهینه اجرا پیشنهاد می کند تا مصرف کننده بتواند فعالانه در پاسخ به تقاضا و قیمت گذاری زمان استفاده شرکت کند.

محققان یک سیستم مدیریت انرژی در خانه (iHEM) و طرح مدیریت انرژی مسکونی مبتنی بر بهینه سازی (OREM) را پیشنهاد کردند که هدف آن کاهش هزینه های انرژی و بارهای اوج است. این طرح‌ها از فناوری‌های ارتباطی، شبکه محلی حسگر بی‌سیم و واحد مدیریت انرژی (EMU) استفاده می‌کنند. سرگی روتگر-گریفول، اوبه ولینگ و رون هیلسبرگ جاکوبسن در مورد یک سیستم مدیریت انرژی ساختمان چند مدل به ویژه برای ساختمان های مسکونی بحث کردند. هم ارائه پاسخ تقاضا و هم کنترل کارآمد محلی را امکان پذیر می کند.

این مدل در آزمایشگاهی به نام Grundfos Dormitory Lab واقع در آرهوس، دانمارک تأیید شده است. در حالی که در مقاله دیگری نویسندگان یک ویرایشگر طرح هماهنگی برای سیستم مدیریت ساختمان ارائه کردند. این یک دستگاه مبتنی بر وب است که به طور مداوم مصرف انرژی را نظارت و کنترل می کند. مرجع اجزای سخت افزاری اصلی مورد نیاز برای انجام نظارت و کنترل وسایل مصرف نهایی را مورد بحث قرار داد.

نویسنده در مقاله دیگری، یک الگوریتم هوشمند HEM را پیشنهاد کرد که به نگه داشتن بار خانگی زیر حد معین کمک می کند. همچنین به اجرای درخواست پاسخ کمک می کند. نویسندگان یک ابزار شبیه سازی ایجاد کردند که برنامه پاسخ تقاضا را با استفاده از این الگوریتم شبیه سازی می کند. در مقاله دیگر، بر سیستم مدیریت انرژی ساختمان کارآمد سایبری تمرکز دارد. BEMS به مالک ساختمان اجازه می دهد تا به طور فعال در کنترل هوشمند بار بر اساس سیگنال های ابزار، اولویت مشتری و اولویت بار مشارکت کند. BEMS های مختلفی که بر اساس فناوری های مختلف ارتباط بی سیم مانند ZigBee، Wi-Fi و غیره طراحی شده اند و فناوری های ارتباطی سیمی مانند اترنت، حامل خط برق و غیره نیز در دسترس هستند.

ساختن نرم افزارهای مدیریت انرژی

پلتفرم‌های نرم‌افزاری مختلفی وجود دارد که به کمک آن‌ها می‌توانیم نظارت و کنترل انرژی در ساختمان‌های تجاری و مسکونی را انجام دهیم. آنها دسترسی، درک و استفاده از تمام داده هایی را که می توان از سیستم مدیریت انرژی جمع آوری کرد، برای مدیران یا مالکان ساختمان آسان تر می کند. برخی از نرم‌افزارهای منبع باز مانند Freedomotic ، Open Remote  و openHAB  و غیره در دسترس هستند، اما این نرم‌افزارها قادر به اجرای درخواست پاسخ نیستند.

در مقاله دیگر، نویسندگان نرم‌افزاری به نام نرم‌افزار منبع باز مدیریت انرژی ساختمان (BEMOSS) پیاده‌سازی کردند که حس و کنترل تجهیزات را در ساختمان‌های کوچک و متوسط بهبود می‌بخشد و همچنین قادر به اجرای پاسخ تقاضا است.

BEMOSS

BEMOSS یک نرم افزار متن باز است که هدف آن بهبود نظارت و کنترل لوازم الکتریکی در ساختمان های تجاری کوچک (<5000 فوت مربع) و متوسط ​​(5000-50000 فوت مربع) است. همچنین به کاهش مصرف انرژی و اجرای بسیار خوب پاسخ تقاضا کمک می کند.

Pipattanasomporn، و همکاران. ارائه شده چگونه می‌توانیم سه بار اصلی را در یک ساختمان کنترل و نظارت کنیم: HVAC (مانند کنترل‌کننده RTU/VAV و ترموستات‌های هوشمند)، روشنایی (مانند سوئیچ‌های نور Wi-Fi و بالاست‌های قابل تنظیم) و بارهای دوشاخه (مانند دوشاخه‌های هوشمند). علاوه بر این، قابلیت ادغام با دستگاه های IoT را نیز دارد

(IoT شبکه ای از اشیاء فیزیکی است که می توان از طریق اینترنت نظارت و کنترل کرد). از سنسورها (حضور، نور، دما و رطوبت) و اندازه گیری برق/انرژی پشتیبانی می کند. ادغام کنترلرها با BEMOSS در شکل 1 ارائه شده است. در این معماری، تنها یک کامپیوتر تک برد (به عنوان مثال، یک Odroid) با BEMOSS برای نظارت و کنترل تمام کنترل کننده های بار در ساختمان کافی است.

شکل 1. معماری سیستم BEMOSS برای ساختمان های تجاری

1) فن آوری های ارتباطی پشتیبانی شده توسط BEMOSS:

فناوری های ارتباطی مختلفی توسط نرم افزار BEMOSS پشتیبانی می شود. این می تواند فناوری های سیمی باشد، مانند: اترنت، ارتباط خط برق (PLC) و سریال (RS-485). یا بی سیم، مانند: Zwave، Wi-Fi، ZigBee و EnOcean. در حال حاضر، فناوری‌های ارتباطی توسط BEMOSS به شرح زیر پشتیبانی می‌شوند: اترنت (IEEE 802.3)، سریال (RS-485)، ZigBee (IEEE 802.15.4) و Wi-Fi (IEEE 802.11)، همانطور که در جدول I خلاصه شده است.

جدول I. فن آوری های ارتباطی پشتیبانی شده توسط BEMOSS [19]

در حال حاضر، BEMOSS از پروتکل های زیر پشتیبانی می کند: پروتکل های BACnet، Modbus، Web، OpenADR، ZigBee API و Smart Energy، همانطور که در جدول II خلاصه شده است. در نویسندگان معماری نرم افزار BEMOSS را مورد بحث قرار دادند که از چهار لایه تشکیل شده است. این لایه ها عبارتند از: 1. لایه رابط کاربری (UI)، 2. لایه مدیریت برنامه و داده، 3. لایه سیستم عامل و چارچوب و 4 لایه اتصال. لایه رابط کاربری رابط بین کاربر و نرم افزار را توصیف می کند و اساساً یک رابط HumanMachine است که توسط آن کاربر می تواند به طور مداوم وضعیت را نظارت کند.

لایه مدیریت برنامه و داده الگوریتمی را برای نظارت و کنترل دستگاه های سخت افزاری که با نرم افزار در ارتباط هستند را ارائه می دهد. لایه سیستم عامل و چارچوب، این لایه در مورد سیستم عامل و عوامل مختلف (عامل کشف، عامل کنترل، عامل شبکه و غیره) صحبت می کند و ارتباط بین تمام لایه ها و دستگاه های سخت افزاری که با نرم افزار در ارتباط هستند توسط آخرین لایه اتصال مراقبت می شود.

2) نرم افزار تبادل داده که توسط BEMOSS پشتیبانی می شود:

جدول II. نرم افزار تبادل داده پشتیبانی شده توسط BEMOSS

BEMOSS نرم افزاری است که چندین ویژگی مانند اقتصادی، معماری متن باز، قابلیت همکاری، مقیاس پذیر، استحکام، Plug and Play، ایمن، نظارت محلی/از راه دور و غیره را ارائه می دهد.

ب. کارشناس ساختمان EcoStruxure

EcoStruxure Building (که قبلاً به عنوان راه حل SmartStuxure Lite شناخته می شد) متخصص که راهی سریع و آسان برای نظارت و کنترل ساختمان های کوچک تا متوسط ​​با استفاده از یک رابط وب بدون هزینه مجوز و فناوری های بی سیم است. EcoStruxure یک معماری سیستم یکپارچه است که به منظور کنترل، نظارت و مدیریت کل عملکرد سازمانی طراحی شده است. D. Mora، M. Taisch، A.W. کلمبو روش EcoStruxure را در قالب فرآیند چرخه عمر چهار مرحله ای مورد بحث قرار داد که در شکل 5 نشان داده شده است.

محققان بر کنترل سه بار به‌خصوص تهویه مطبوع، رعد و برق و اندازه‌گیری تأکید دارند که می‌تواند تقریباً 56 تا 81 درصد از مصرف انرژی ساختمان شما را پوشش دهد. Heart of the EcoStruxure Building Expert یک دستگاه مدیریت چند منظوره (MPM) است که وظایف کنترل کننده قابل برنامه ریزی، دروازه و وب سرور را به هم متصل می کند.

شکل 2. فرآیند چرخه حیات چهار مرحله ای

در یک دستگاه MPM میزبان EcoStruxure Building Expert است، بنابراین به دروازه یا سرور خاصی نیاز نیست، در نتیجه کمترین هزینه را برای هر مکان برای ساختمان های کوچک و متوسط ​​فراهم می کند. در نتیجه، [24] مزایا و ویژگی‌های مختلف استفاده از EcoStruxure را پیشنهاد می‌کند: مقیاس‌پذیری، دسترسی آزاد، ارزان‌تر، نظارت، کنترل، مدیریت چند منظوره، رابط با حسگرها و غیره.

این معماری سیستم عمدتاً برای پنج حوزه از جمله: مدیریت ساختمان، مدیریت نیرو، مدیریت فرآیند و ماشین، مدیریت اتاق فناوری اطلاعات و مدیریت امنیت [25] استفاده می‌شود.

پروتکل ها و استانداردهای پشتیبانی شده توسط EcoStruxure:

اینها پروتکل ها و استانداردهایی هستند که به وسیله آنها ما با موفقیت وسایل برقی مختلف (HVAC، روشنایی و غیره) را با وب EcoStruxure ارتباط برقرار می کنیم.

1. BACnet: پروتکل های ارتباطی برای اتوماسیون و کنترل ساختمان است. کنترل و نظارت بر لوازم الکتریکی مانند HVAC، کنترل روشنایی و غیره.

2. Modbus: پروتکل ارتباطی سریالی است که توسط ModiCon معرفی شده است.

3. oBIX: oBIX مخفف Open Building Information Exchange می باشد. این یک استاندارد برای رابط های مبتنی بر وب سرویس برای اتوماسیون ساختمان است.

4. CANbus: مخفف عبارت Control area network است و برای ارتباط بین میکروکنترلر و دستگاه های متصل بدون هیچ دروازه ای استفاده می شود.

1. ZigBee: یک پروتکل ارتباطی سطح بالا است که برای شبکه های شخصی استفاده می شود. این بر اساس استاندارد IEEE802.3 است.
2. EnOcean: این یک فناوری بی سیم است که عمدتاً برای اتوماسیون ساختمان استفاده می شود.
3. Cisco Energy Wise Suit

لباس مدیریت عاقلانه انرژی سیسکو خانواده ای از محصولات و خدمات است که به مشتریانی که می خواهند هزینه انرژی را کاهش دهند و استفاده از انرژی را در دفاتر، ساختمان یا خانه خود بهینه کنند، کمک می کند. این نرم افزار مصرف مداوم انرژی را ارائه می دهد، تجزیه و تحلیل انرژی پیشرفته را ارائه می دهد و به کاهش هزینه انرژی کمک می کند. این نرم افزار دارای تعدادی ویژگی است که برخی از آنها به شرح زیر است: مشاهده انرژی، صرفه جویی فوری، تجزیه و تحلیل و گزارش گیری قدرتمند، قابلیت هشدار و غیره. سیسکو چهار عملکرد عمده دارد.

لباس مدیریت انرژی.

1) کشف و اندازه گیری: به طور خودکار دستگاه های متصل به شبکه، سیستم و غیره را کشف می کند.

2) ارزیابی و شبیه سازی: مصرف انرژی، انتشار کربن، دما، رطوبت و غیره را تجزیه و تحلیل کنید.

3) سیاست و کنترل: پس از تجزیه و تحلیل مصرف انرژی، سیاست ها و دستورات کنترلی مختلفی را اجرا می کند.

4) گزارش و پشتیبانی تصمیم: در نهایت گزارش جامع ارائه می شود.

شکل 3. چهار عملکرد اصلی مجموعه مدیریت انرژی سیسکو

1. IV. مزایای ساخت سیستم مدیریت انرژی

نویسندگان مقاله دیگری در مورد مزایای سیستم مدیریت انرژی ساختمان بحث می کنند:

الف. اتلاف انرژی را به حداقل برسانید

نظارت و کنترل انرژی در زمان واقعی، صرفه جویی در انرژی را امکان پذیر می کند. انگیزه اصلی کاهش استفاده از روشنایی، تهویه مطبوع یا هر وسیله برقی دیگری نیست، بلکه بر استفاده هوشمندانه از یک وسیله برقی به عنوان مثال با توجه به میزان تقاضا، اشغال، سطح نور، میزان رطوبت، زمان استفاده از وسایل برقی تاکید و کمک می کند. روز، دما و غیره

ب. دوستدار محیط زیست

از آنجایی که تغییرات آب و هوایی به یک نگرانی واقعی تبدیل می شود، انتشار فزاینده گازهای گلخانه ای به تهدیدی برای سراسر جهان تبدیل شده است. بنابراین هنگامی که ما در مورد خانه سبز یا ساختمان سبز صحبت می کنیم به این معنی است که “این یک عمل ایجاد ساختارها و استفاده از فرآیندهایی است که از نظر زیست محیطی مسئول و کارآمد هستند”.

با استفاده از سیستم مدیریت انرژی ساختمان که به نظارت بر مصرف انرژی (به عنوان مثال، گرما، نور و برق در ساختمان‌ها) کمک می‌کند و با ارائه پیشنهادی برای کاهش انتشار CO2، یکی از دلایل اصلی گرمایش جهانی، می‌توانیم با موفقیت به این هدف دست یابیم.

ج. آرامش روانی

علاوه بر صرفه جویی در انرژی، باعث آرامش خاطر نیز می شود. کاربر نیازی به خاموش و روشن کردن وسایل برقی دائمی ندارد. آنها به طور خودکار با توجه به نیاز روشن و خاموش می شوند. BEMS الگوهای مصرف انرژی را در 24 ساعت شبانه روز پیگیری می کند و زمانی که کاربران از ساختمان دور هستند به آنها هشدار می دهد.

د. راه حل های پاسخگویی به تقاضا را برای تاسیسات انرژی تجدیدپذیر ارائه می دهد

با گذشت سالها، هر کشوری به دلیل دو دلیل عمده، ارزانتر بودن و دومی کاهش منابع تجدید ناپذیر، از منابع انرژی تجدیدپذیر استفاده می کند. بنابراین برای این منظور BEMS نیز کمک زیادی به اجرای برنامه پاسخگویی به تقاضا می کند، و باعث می شود شرکت های نرم افزاری بتوانند با BEMS در ساختمان های هوشمند ارتباط برقرار کنند [29].

ه. کاهش هزینه

از آنجایی که سیستم BEMS به طور مداوم بر مصرف انرژی نظارت و کنترل می کند، به طور خودکار قبض برق را کاهش می دهد.

و. راحتی

از آنجایی که BEMS شرایطی مانند دما، روشنایی، کیفیت هوا، تهویه، رطوبت و غیره را کنترل می کند. محیط را برای کارکنان راحت تر و آرامش بخش تر می کند.

نتیجه گیری

در این مقاله، فناوری‌های مختلفی را که توسط محققین در سال‌های گذشته پیشنهاد شده‌اند، مرور کرده و همچنین برخی از نرم‌افزارها (مانند BEMOSS و غیره) موجود در بازار را برای بهبود حس و کنترل وسایل در ساختمان مورد بحث قرار می‌دهیم. آنها می توانند تقریباً 10-35٪ در مصرف انرژی صرفه جویی کنند. با توجه به بررسی ادبیات ارائه شده، نقش اصلی سیستم مدیریت انرژی ساختمان بهینه سازی مصرف انرژی، ارائه محیط سالم تر در محل و تغییر رویکرد کاربر از «همیشه روشن» به «در صورت نیاز» است. از این رو می‌توان نتیجه گرفت که با استفاده از انواع نرم‌افزارها و تکنیک‌های مورد بحث، می‌توانیم مدیریت انرژی در یک ساختمان یا یک خانه را به صورت کارآمد و اقتصادی انجام دهیم.