Primena ISGE/ISEMIC modela na Fakultetu tehničkih nauka u Novom Sadu

Jovan R. PETROVIĆ, Aleksandar S. ANĐELKOVIĆ, Miroslav V. KLJAJIĆ, Damir D. ĐAKOVIĆ

Univerzitet u Novom Sadu, Fakultet tehničkih nauka, Departman za energetiku i procesnu tehniku

Trg Dositeja Obradovida 6, 21000 Novi Sad, Srbija

Apstrakt Uloga gradova postaje sve složenija usled porasta broja stanovnika, uticaja na klimatske promene i potrebe za povedanjem energetske sigurnosti. Kako bi se zadovoljili ovi zahtevi, mora da se inicira transformacija gradova u svim aktivnostima upravljanja resursima i kritičnim infrastrukturama, počevši sa poboljšanjem energetske efikasnosti javnih zgrada. Na ovaj način demonstriraju se primeri najbolje prakse, koji omogudavaju širenje znanja među građanima i promovisanje poboljšanja energetske efikasnosti u privatnim kudama i poslovnim prostorima. U rezidencijalnom i sektoru usluga, informacija o potrošnji energije i vode se uobičajeno obezbeđuje samo na mesečnoj ili dvomesečnoj osnovi. Često primalac informacija nema referentnu tačku koja bi mu pomogla u proceni da li su nivoi potrošnje uobičajeni ili preveliki. Ovaj rad prikazuje implementaciju ISEMIC modela na Fakultetu tehničkih nauka (FTN) u Novom Sadu. Ova Web aplikacija povezuje procese prikupljanja podataka u zgradama i njihovu potrošnju energije i vode, posmatra indikatore potrošnje, detektuje sve anomalije ili neregluarnosti tokom vremena, postavlja ciljeve energetske efikasnosti i izveštava o uštedama u potrošnji energije i vode. FTN je prvi u Srbiji (obrazovni sektor) instalirao tzv. „pametno merenje” za prikupljanje informacija o potrošnji energije i vode. Svi podaci se skladište u SCADI koji je povezan sa ISEMIC aplikacijom. Ovaj koncept upravljanja energijom omogudava ogroman potencijal za uštede energije i vode na FTN. Projekat je deo istraživanja podržanog od strane fonda SEE-ERA.NET PLUS (ERA 163/01-ISEMIC).

1. Opseg istraživanja Poboljšanje efikasnosti energetske potrošnje je centralna tema bilo koje energetske politike. Poboljšanje energetske efikasnosti zadovoljava 3 cilja energetske politike: sigurnost snabdevanja, konkretnost i zaštitu životne sredine. Sistematsko upravljanje energijom je skup znanja i veština zasnovan na organizacionoj strukturi koja povezuje ljude sa dodeljenim odgovornostima, procedurama monitoringa efikasnosti i kontinualnim merenjem i poboljšanjem energetske efikasnosti. Ovaj skup znanja mora da bude podržan odgovarajudim IT infrastrukturom za skupljanje, procesuiranje i širenje znanja o potrošnji energije, ciljevima i informacijama o energetskoj efikasnosti. Inteligentni informacioni sistem za monitoring i verifikaciju energetskog upravljanja u gradovima (ISEMIC, eng. Intelligent Information System for Monitoring and Verification of Energy Management in Cities) [1], [2] je softverska alatka koja povezuje procese prikupljanja podataka o zgradama i njihovoj potrošnji energije, indikatorima potrošnje, postavljanja ciljeva energetske efikasnosti i izveštaja o energetskim uštedama. ISEMIC je poboljšana verzija Informacionog sistema za upravljanje energijom (eng. Energy Management Information System (EMIS)) u kome se akcenat stavlja na stvaranje mreže ljudi koji obavljanju redovni monitoring i ručno unose podatke o potrošnji u EMIS preko Weba. Takođe, EMIS nema mogudnost unosa „pametnog merača” (eng. smart meter). Ova dva nedostatka su fokusna tačka ISEMIC razvoja (Slika 1). ISEMIC arhitektura ima tri nivoa:

1. Web pretraživač sa strane klijenta kao alatka sa korisničkim interfejsom; 2. Apache Tomcat kao Servlet Container; 3. Oracle baza podataka kao skladište podataka;

Slika 1: Arhitektura i razvoj ISEMIC aplikacije

Osnovni ciljevi projekta su:

stvaranje softverskog sistema za upotrebu merenja iz “pametnih merača” i posledično procesuiranje podataka i analiza;

instaliranje opreme za “pametne merače” u najmanje jednoj odabranoj zgradi u svakoj zemlji učesniku za sprovođenje probnog projekta „pametnog merenja“ korišdenjem ISEMIC-a, koji se sastoji od „pametnog električnog merača“ i brojila za vodu za impulsnim izlazom, senzorima za merenje spoljašnje i unutrašnje temperature, gasnim brojilom, optičkim displejem, impulsnim izlazom i sa interfejsom do sistema za akviziciju podataka, brojilom za toplotu, M-bus modulima;

instaliranje kablova, postavljanje opreme i druge IT infrastrukture za komunikaciju između ISEMIC-a i “pametnih merača”;

uvođenje koncepta Centara za potrošnju energije (eng. Energy Consumption Centers (ECC)) za monitoring i verifikaciju upravljanja energijom u gradovima omogudavanjem ulaza različitih konfiguracija brojila unutar zgrade ili grupe zgrada (npr. kampus, veliki bolnički kompleks);

stvaranje sistema za postavljanje ciljeva za inteligentnu potrošnju – način za proširenje ciljeva na nacionalnom i gradskom nivou u odnosu (npr. postizanje energetskih ušteda od 15% ukupne potrošnje) na nivo pojedinačnih zgrada;

stvaranje sistema otvorene dostupnosti informacija i znanja za komunikaciju i razmenu rezultata između menadžera (tehničko osoblje u zgradama) i energetskih menadžera (u energetskim kancelarijama u gradskim vedima i ministarstvima);

stvaranje fleksibilnih sistema za izveštavanje za različite periode i ciljne grupe (od individualnih vlasnika zgrada do gradonačelnika i ministarstava).

2. Uvođenje i opis ISEMIC Web aplikacije Informacioni sistem upravljanja energijom (eng. Energy Management Information System (EMIS)) je softver razvijen u Hrvatskoj za pomod u ispunjavanju programa upravljanja energijom u javnim zgradama. Primenjen je bez neke značajne analitičke mašine za analizu podataka, pošto je akcent stavljen na stvaranje mreže ljudi koji obavljaju redovni monitoring i ručno unose podatke o potrošnji preko Weba. Takođe, ne postoje ulazne sposobnosti za „pametno merenje” u sistemu.

Ove dve nedostajude opcije su fokusne tačke razvoja ISEMIC-a. Unapređenje ISEMIC-a i poboljšanje postojede EMIS platforme novim funkcionalnostima za kontinualno skupljanje, skladištenje i analizu podataka o potrošnji energije u zgradama čiji je vlasnik grad, okrug ili ministarstvo. ISEMIC dalje izvršava novorazvijenu metodologiju za analizu podataka o prethodnoj potrošnji energije upotrebom regresione analize, metode najmanjih kvadrata, linija za najbolje fitovanje, trend rasejanih podataka, kao i postavljanje kaskadnih ciljeva upotrebom korelacione i analize rizika korišdenjem distribuiranja verovatnode za planiranje mera poboljšanja. Usled složenosti ISEMIC Web aplikacije i velikog obima njegovim mogudnosti u ovom poglavlju se daje samo kratak opis. Za vreme razvoja ISEMIC razvoja istraživanje naročito usmereno na [3], [4]:

uvođenje koncepta centara za potrošnju energije (ECC) za monitoring i verifikaciju upravljanja energijom u gradovima omogudavanjem ulaza različitih konfiguracija brojila u grupama zgrada (npr. kampus, veliki bolnički kompleks);

uvođenje napredne regresione analize kako bi se definisali osnovni pravci potrošnje energije i vode;

uvođenje algoritama za detektovanje odstupanja u energetskim podacima i mogudnosti za dokumentovanje razloga za odstupanja;

uvođenje verifikacije podataka i rutina za propuste za upravljanje energijom – nadzornih korisnika (npr. službenici za upravljanje energijom u gradovima) koji koriste softver za inteligentno otkrivanje odstupanja u odnosu na potrošnju kako bi se odredila optimalna potrošnja pojedinih tipova zgrada i/ili potrošača;

upotreba tzv. Metode kumulativne sume (eng. Cumulative Sum (CUSUM) method) za monitoring promena u potrošnji energije i kontrola progresa za poboljšanje energetske efikasnosti.

ISEMIC je konačno razvijen u julu 2011. Glavni server korišden za potrebe projekta je instaliran na kompjuteru postavljenom na Fakultetu elektrotehnike i računarstva u Zagrebu. ISEMIC Web aplikacija je instalirana na serveru i moguće joj je pristupiti praćenjem sledećeg linka: http://161.53.66.25:8080/IsemicIntro/ i klikom na logo projekta otvara se naslovna strana ISEMIC Web aplikacije. Partneri projekta (slika 2) su se dogovorili da de oprema za merenje biti instalirana u svakoj od institucija partnera. Kupovina opreme za „pametno merenje” i uspostavljanje infrastrukture za „pametno merenje” trenutno se sprovodi nakon čega se očekuje probni rad [5].

FOND

SEE-ERA.NET PLUS

KOORDINATOR PROJEKTA

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE

I RAČUNARSTVA

Zagreb, Hrvatska

FAKULTET TEHNIČKIH

NAUKA

Novi Sad, Srbija

MAŠINSKI FAKULTET

Sarajevo, BIH

INSTITUT JOŽEF STEFAN

Ljubljana, Slovenija

UNDP HRVATSKA

Zagreb, Hrvatska

Slika 2: Partneri na projektu

Pet različitih korisničkih uloga definiše ISEMIC aplikacija; sistem je projektovan na takav način da

može da podrži neograničeni broj uloga, pri čemu su ovih pet unapred definisane:

sistem administrator (SA),

energetski administrator (EA),

energetski menadžer (EM),

korisnik (U) i

gost (G)

Ispod je prikazana šema ISEMIC aplikacije na slici 3. Struktura aplikacije za SA korisnika ugrađuje sve

mogude funkcionalnosti razvijene u ovom projektu. Uloge drugih korisnika nemaju njima

odgovarajude funkcionalnosti; oni imaju smanjena SA ovlašdenja. Koliko je to smanjeno zaviside od

precizne uloge korisnika (EA, EM, U ili G).

Slika 3: Prikaz ISEMIC aplikacije

3. Opis ISEMIC modela na Fakultetu tehničkih nauka u Novom Sadu Fakultet tehničkih nauka je osnovan kao Mašinski fakultet u Novom Sadu, kao deo Univerziteta u Beogradu 18. maja 1960. kao vladina institucija. Nakon što je osnovan Univerzitet u Novom Sadu 28. juna 1960. fakultet je postao integralni deo Univerziteta u Novom Sadu. Danas Fakultet tehničkih nauka ima 13 departmana, 8 sektora za posebne usluge i 15 istraživačkih centara sa 12000 studenata i 850 zaposlenih i više laboratorija na površini od 33000 m2.

Na FTN su “pametni merači” instalirani u zgradi “Mašinski institut (MI)“. Ukupna površina ove zgrade je 6300 m2. Postoji 6 mesta za merenje: jedno za potrošnju električne energije, jedno za proizvodnju električne energije (PV paneli), dva za potrošnju toplotne energije i dva za potrošnju vode. Merna mesta su prikazana na slici 4.

Slika 4: Prikaz mernih mesta (SCADA prikaz)

Ukratko merenje funkcioniše na slededi način: Kontroler Clorius ISC2100 je osnova svega (slika 5). ISC 2100 pripada porodici kontrolera sa slobodnim programiranjem projektovanih tako da pokrivaju širok spektar od malih do veoma velikih instalacija. ISC 2100 je podesan za kontrolu merenja za potrošnju toplote, električne energije i vode i može da radi kao PLC. On komunicira sa kontrolerom Danfoss ECL300 (slika 6) koji je postavljen u dve toplotne podstanice (dozvoljava očitavanje i postavljanje parametara kontrolera). U unutrašnjosti Danfoss-ovog kontrolera je ECA 71 MODBUS komunikacioni modul (slika 7) koji omogudava uspostavljanje RS485 komunikacije sa kontrolerom Clorius ISC2100. Očitavanje vrednosti sa kalorimetra MULTICAL 66-CDE (slika 8) se ostvaruje preko RS232 komunikacije (ugrađene u komunikacionim modulima (slika 9)) i vrednosti sa merača vode DS TRP MID (slika 10) preko pulsnog ulaza. Kontroler Clorius ISC2100 takođe komunicira preko RS485 komunikacije sa mrežnim analizatorom u transformatorskoj stanici, EEM-MA200 (slika 11). Unutar mrežnog analizatora EEM-MA200 je ugrađen RS485 komunikacioni modul. Temperaturski senzor ESM-10 je instaliran u referentnoj sobi i meri trenutnu unutrašnju temperaturu. Kontroler Clorius ISC2100 je povezan na našu Ethernet (LAN) mrežu i komunicira sa kompjuterom na kome su SCADA aplikacije (sistem Wonderware In Touch 2012 SCADA). Svakom kontroleru može da se pristupi preko IP adrese sa bilo kog računara u lokalnoj mreži preko Web pretraživača ili sa udaljene lokacije ukoliko je dozvoljen pristup mreži van nje. Računar šalje tražene izveštaje (očitavanja sa mernih uređaja) na server u Zagrebu. Softver za obradu podataka (ISEMIC) je instaliran na tom serveru. FTN je iz svojih resursa i donacija uspeo da napravi prvu solarnu elektranu (PV) za proizvodnju električne energije. Fotovoltaično polje čine dva niza od po 20 panela, redno povezanih, sa pojedinačnom nominalnom snagom od 240 Wp. Nominalna izlazna snaga PV invertora je 8kW. Proizvodne informacije o električnoj energiji, kao i meteorološki podaci koji preovlađuju tokom proizvodnje električne energije se snimaju, procesuiraju i skladište u SCADA sistemu.

Slik 5: Kontroler Clorius ISC2100 Slika 6: Kontroler Danfoss ECL300

Slika 7: ECA71 komunikacioni modul

Slika 8: Kalorimetar MULTICAL 66-CDE

Slika 9: RS232 komunikacioni modul za MULTICAL 66-CDE

Slika 10: Merač za potrošnju vode DS TRP MID

Slika 11: Mrežni analizator EEM-MA200

Analiza podataka je glavna prednost ISEMIC Web aplikacije. Ručni unos, kao i unošenje podatak preko „pametnih (daljinskih) merača” mora da prođe procedure provere za konzistentnost vrednosti i vremena kako bi bio sačuvan u ISEMIC aplikaciji. Regresiona analiza [6] je najčešde korišdena za analizu podataka o prethodnoj potrošnji energije i

vode. Za ovu svrhu ona je uključena u ISEMIC aplikaciju.

Slika 12: Odnos između proizvodnje i potrošnje energije

Regresiona analiza prikazuje kako je zavisna promenljiva – potrošnja energije – povezana sa nezavisnom – npr. temperaturom ili proizvodnjom, pri čemu se dobija jednačina koja omogudava procenu potrošnje energije za zadatu temperaturu (slika 12). Odnos između proizvodnje i potrošnje energije je u vedini slučajeva linearnog oblika što znači da relacija između tačaka na grafiku može da se aproksimira pravom linijom i izrazi linearnom jednačinom (y=a·x+b). Ako se konstantne vrednosti (a i b) izračunaju metodom najmanjih kvadrata, rezultujuda linija de prodi kroz centar rasutih podataka i zato se naziva linijom najboljeg fitovanja. Ova linija ima određeno svojstvo – suma vertikalnih rastojanja tačaka koje predstavljaju podatke od linije najboljeg fitovanja je jednaka nuli. Korelacioni koeficijent pokazuje koliko dobro linija najboljeg fitovanja objašnjava varijacije vrednosti promenljive promenljive, tj. energije. Ako je korelacioni koeficijent jednak jedinici, sve tačke koje predstavljaju podatke de biti tačno na regresionoj liniji. Ovo bi bio slučaj savršene korelacije. Što je vede rasipanje oko linije najboljeg fitovanja, to je manji korelacioni koeficijent, odnosno slabija je korelacija. Ima smisla za procenu energetskog učinka uzeti najbolju performansu kao reper za procenu i kao cilj

za budude performanse (slika 13).

Slika 13: Određivanje osnovnog pravca za ocenu energetskog učinka

U ISEMIC-u, stvarne uštede se definišu kao potrošnja ili troškovi nakon poboljšanja, preuzeti iz bazne

potrošnje, što bi bio slučaj ako se projekti poboljšanja efikasnosti ne bi implementirali. Svi drugi

faktori ostaju konstantni. Linija bazne potrošnje se izražava kao bazna jednačina, koja se računa na

osnovu dogovorenog skupa podataka za baznu potrošnju (regresiona analiza). Jednačina energetske

potrošnje računata na osnovu prethodnih podataka o potrošnji je E'. Merena energetska potrošnja je

Em.

Energetske uštede = Em – E’

Ako rezultat gornje jednačine ima negativnu vrednost, to znači da je energetska efikasnost poboljšana pošto je stvarna potrošnja niža od potrošnje u baznoj jednačini koja se računa sa istom nezavisnom promenljivom. ISEMIC računa uštede energije na isti način za svaki dan/mesec/godinu i dodaje ih dnevnim/mesečnim/godišnjim uštedama. Kumulativna suma (CUSUM) *6+ predstavlja akumulirane razlike za svaki dan/mesec/godinu i računa se dodavanjem prirasta iz prethodnog dana/meseca/godine (slika 14). CUSUM grafik izražava uštede u bilo kom trenutku i omogudava direktno poređenje sa ciljnim količinama energije koja treba da se uštedi. Između ostalog, ISEMIC ima mogudnost pregleda unete potrošnje i monitoringa prema metodi

Nelson rules.

Slika 14: CUSUM grafik

4. Rezultati Podaci o potrošnji energije i vode “Mašinskog instituta (MI)” koji pripada Fakultetu tehničkih nauka

(FTN) su uneti sa računa za period od 2009. do prve polovine 2012. u ISEMIC aplikaciju i dole su

prikazani neki od dobijenih rezultata.

Prva slika (slika 15) prikazuje udeo svakog od oblika energije u ukupnim troškovima sa PDV – om za svaku godinu. Naredne tri slike prikazuju ukupnu potrošnju električne (slika 16) i toplotne energije (slika 17) i vode (slika 18) zgrade MI za svaku godinu. Takođe je mogude analizirati ukupne troškove sa PDV – om, mesečnu potrošnju i mesečnu potrošnju sa PDV – om za svaki tip potrošnje energije posebno.

Slika 15: Udeo svakog od oblika energije u ukupnim troškovima sa PDV – om za 2009., 2010., 2011. i prvu polovinu 2012. godine

Slika 16: Ukupna potrošnja električne energije u kWh za 2009., 2010., 2011. i prvu polovinu 2012.

godine

Slika 17: Ukupna potrošnja toplotne energije u kWh za 2009., 2010., 2011. i prvu polovinu 2012.

godine

Slika 18: Ukupna potrošnja vode u m3 za 2009., 2010., 2011. i prvu polovinu 2012. godine

Naredne slike (slike 19 i 20) prikazuju mesečne emisije CO2 i potrošnju primarne energije tokom

perioda od 2009. do prve polovine 2012. nastalu usled potrošnje toplotne energije. Takođe je

mogude videti mesečne emisije CO2 i potrošnju primarne energije prouzrokovanu potrošnjom drugih

oblika energije.

Slika 19: Ukupne emisije CO2 u tonama za 2009., 2010., 2011. i prvu polovinu 2012. godine

Slika 20: Ukupna potrošnja primarne (toplotne) energije u kWh za 2009., 2010., 2011. i prvu

polovinu 2012. godine

Detaljniji i precizniji prikaz rezultata o potrošnji, kao i budude predviđanje potrošnje energije i vode na Mašinskom institutu bide na raspolaganju nakon uspostavljanja infrastrukture “pametnog merenja” što de započeti 1. novembra 2012.

5. Inovativni aspekti Web aplikacija ISEMIC može da postane veoma važna alatka za upravljanje energijom u javnim zgradama. Ona de omoguditi lokalnim i državnim vlastima da imaju alatku koja može da im pomogne u obezbeđivanju pozitivnih efekata u obezbeđivanju povedanja energetske efikasnosti i instaliranju pametnih merača. ISEMIC stvara dodatnu vrednost na sledede načine, prikazujudi nove i koncepte spremne za upotrebu:

međusobna povezanost sa pametnim meračima slededa za stvaranje mreže podataka, koji de

obezbediti monitoring potrošnje na dnevnoj osnovi ili češde;

upotreba IT infrastrukture za upravljanje energijom u zgradama pre kao usluga, nego kao

proizvod (potrebna je samo veza sa Internetom)

upotreba algoritama koji podržavaju ekspertsko znanje za pronalaženje mogudnosti za

promenu i postavljanje ciljeva za poboljšanje;

usmeren, robustan sistem za određivanje osnovnih pravaca potrošnje upotrebom regresione

analize na osnovu prethodnih podataka o potrošnji, definisanje ciljeva potrošnje i verifikaciju

ušteda korišdenjem CUSUM tehnike;

monitoring promena u energetskim performansama radi procene efekta poboljšanja koja su napravljena, radi provere da li su zadovoljeni ciljevi potrošnje i radi obezbeđivanja dokaza o progresu prema poboljšanim energetskim uštedama.

6. Zaključak Očekuje se da de ISEMIC poboljšati energetsku efikasnost u zgradama, povedati svest korisnika zgrada

o potrošnji energije i iskoristiti merenja pametnih merača. Primeri iz prakse pokazuju da uvođenje

sistema monitoringa potrošnje energije povedava svest zaposlenog o energetskim troškovima, što

vodi do 5% ušteda u potrošnji energije i vode bez dodatnih investicija u mere energetske efikasnosti.

Nakon potpune implementacije ISEMIC-a i primene nekih prostih mera energetske efikasnosti,

očekuje se da de uštede u potrošnji energije i vode dostidi najmanje 10% od trenutnih troškova

potrošnje svih partnera na projektu.

Potencijalni uticaj ovog projekta je veoma veliki i bio bi odličan primer kako bi mogle da se ostvare

značajne uštede sistematskim energetskim monitoringom i upravljanjem obezbeđenim upotrebom

ISEMIC-a. Nakon uspešnog završetka projekta očekuje se da grad, opština ili ministarstvo pokažu vedi

interes za povezivanje javnih zgrada u njihovom vlasništvu sa ISEMIC web aplikacijom i da počnu

sistematski energetski monitoring i upravljanje. Povezivanje privatnih zgrada sa ISEMIC-om se

očekuje u daljoj bududnosti.

Reference

[1] UNDP (groupa autora), Functional specification of ISEMIC web application, 2010. [2] UNDP (groupa autora), Technical specification of ISEMIC web application, 2011.

[3] Tomšid, Z,. et al., Defining an Intelligent Information System for Monitoring and Verification of Energy Management in Cities, 20th HED Forum, Zagreb, Hrvatska, 2011 [4] Tomšid, Z,. et al., Energy management in the public building sector – measuring, collecting, analyzing, verification and monitoring of energy and water consumption in buildings, World Sustainable Energy Days, Wels, Austrija, 2012 [5] Sučid, B,. et al., Energy management in the public building sector – measuring, collecting, analyzing, verification and monitoring of energy and water consumption in buildings, World Sustainable Energy Days, Wels, Austrija, 2012 [6] Morvay, Z., Gvozdenac, D., Applied Industrial Energy and Environmental Management, John Wiley and Sons – IEEE press, London, 2008