SYSTEM POMIAROWY DO DIAGNOSTYKI CIEPLNEJ BUDYNKÓW

1. SYSTEM POMIAROWY DO DIAGNOSTYKI CIEPLNEJ BUDYNKÓW Beata Krupanek, Ryszard Bogacz Instytut Metrologii, Elektroniki i Automatyki Politechniki Śląskiej

2. System pomiarowy do diagnostyki cieplnej budynków Praca wykonana w ramach projektu strategicznego: Zintegrowany system zmniejszania eksploatacyjnej energochłonności budynków Zadanie badawcze: Rozwój diagnostyki cieplnej budynków.

3. Zespół projektowo - wykonawczy Kierownik zadania 4: prof. dr hab. inż.Zbigniew Popiołek, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechniki Śląskiej w Gliwicach Kierownik podzadania E : prof. dr hab. inż.Jerzy Jakubiec, Wydział Elektryczny Politechniki Śląskiej w Gliwicach Wykonawcy: • Dr inż. Janusz Tokarski • Dr inż. Jerzy Roj • Mgr inż. Ryszard Bogacz • Mgr inż. Roman Żurkowski • Mgr inż. Beata Krupanek • Mgr inż. Maciej Grygiel • Dr inż. Tadeusz Topor-Kamiński

4. Plan prezentacji • Ocena energetyczna budynków • Systemy spotykane w praktyce • System pomiarowy do diagnostyki cieplnej budynków • Założenia przyjęte przy budowie systemu • Elementy systemu (sterownik, koordynator, ruter, moduł wejść analogowych) • Struktury systemu • Oprogramowanie komputera lokalnego

5. Ocena energetyczna budynków Zgodnie z dyrektywami Unii Europejskiej przygotowywane są w Polsce przepisy, na podstawie których każdy nowy budynek będzie musiał mieć świadectwo energetyczne w postaci certyfikatu energetycznego. W celu uzyskania certyfikatu przeprowadzany jest audyt energetyczny, który można zdefiniować jako zespół działań obejmujących ocenę bilansu energetycznego budynku.

6. Ocena energetyczna budynków Metody wykonywania audytu energetycznego: • Obliczenia teoretyczne wykonywane przy założeniu znormalizowanych warunków użytkowania budynku i klimatu zewnętrznego. Obliczenia wykonywane są na podstawie danych katalogowych na temat izolacyjności przegród (np. ściany, drzwi, okna), oraz teoretycznych strat na wentylację itp. • Obliczenia jak w punkcie 1, wspomagane pomiarami niektórych parametrów cieplnych budynku. Najczęściej stosowane są kamery termowizyjne w celu zmierzenia rzeczywistej izolacyjności przegród. • Wyznaczanie parametrów cieplnych budynków przy użyciu systemów, które mają za zadanie dostarczenie empirycznych danych pozwalających na wyznaczenie całościowego bilansu energetycznego budynku.

7. Systemy spotykane w praktyce • systemy monitorowania zintegrowane z systemami automatyki • systemy autonomiczne • stacjonarne systemy monitorowania stanu cieplnego budynków • systemy przenośne – mogą realizować zadania na wielu obiektach

8. Założenia przyjęte przy budowie systemu • System przenośny. • Po zakończeniu projektu system będzie używany do prowadzenia audytu energetycznego budynków, którego celem jest wydawanie świadectw energetycznych budynków. • System elastyczny - zdolność do integracji różnorodnej aparatury pomiarowej, stosowanej aktualnie i w najbliższej przyszłości. • Brak konieczności ciągnięcia kabli pomiędzy modułami systemu.

9. System pomiarowy do diagnostyki cieplnej budynków System przenośny  System bezprzewodowy

10. System pomiarowy do diagnostyki cieplnej budynków Podstawowe założenie zbudowanego systemu: • Urządzenia wykonywane w ramach projektu są uniwersalne - ich konstrukcja jest taka sama niezależnie od funkcji spełnianych w systemie. • Dostosowanie urządzenia do konkretnych zadań realizowane jest w sposób programowy, z konsoli operatora systemu.

11. System pomiarowy do diagnostyki cieplnej budynków KOMUNIKATOR - prototyp Komunikator może spełniać w systemie cztery funkcje: • sterownika węzła pomiarowego zarządzającego zespołami przyrządów pomiarowych za pośrednictwem szeregowych interfejsów przewodowych, • rutera sieci bezprzewodowej, spełniającego w systemie funkcję wzmacniacza sygnału radiowego, • koordynatora sieci bezprzewodowej, zarządzającego komunikacją w sieci, • urządzenia sprzęgającego sieć bezprzewodową z komputerem lokalnym, który służy do zarządzania systemem z poziomu obiektu.

12. System pomiarowy do diagnostyki cieplnej budynków KOMUNIKATOR

13. System pomiarowy do diagnostyki cieplnej budynków - KOMUNIKATOR Mikrokontroler ATXMEGA128-A3 Zegar DS1307 (MAXIM) Pamięć 64MB DataFlash AT45DB642 (Atmel) Transmiter ZigBee ATZB-A24-UFL (Atmel)

14. Komunikator • Do komunikacji bezprzewodowej wykorzystano układ ATZB-A24-UFL firmy Atmel • Transmiter pracuje w standardzie ZigBee. • Sprzężony jest z mikrokontrolerem przy użyciu interfejsu RS232C. • Układ ten przy pełnej mocy nadajnika zapewnia transmisję na odległość do 1 km przy braku przeszkód. • Może być konfigurowany jako urządzenie końcowe sieci bezprzewodowej i w takiej roli pracuje w sterowniku węzła. • W przypadku, gdy spełnia funkcję rutera komunikator wykorzystywany jest do wzmacniania sygnałów radiowych i wówczas mikrokontroler główny znajduje się w stanie uśpienia. • Użycie tego układu jako koordynatora sieci powoduje, że mikrokontroler główny spełnia rolę elementu sprzęgającego sieć bezprzewodową z komputerem lokalnym za pomocą interfejsu USB.

15. Komunikator Komunikator może być zasilany z trzech źródeł: • sieci energetycznej, • akumulatorów wewnętrznych, doładowywanych za pomocą ładowarki zewnętrznej • z akumulatora zewnętrznego. • Poszczególne rodzaje przełączane są automatycznie za pomocą układu sterującego. • Dzięki możliwości wprowadzania mikrokontrolera głównego w stan uśpienia w okresie między momentami obsługiwania przyrządów pomiarowych możliwa jest długotrwała praca komunikatora bez zasilania sieciowego. • W przypadku, gdy komunikator spełnia role koordynatora sieci bezprzewodowej, to zasilany jest z komputera lokalnego przez port USB.

16. Komunikator jako sterownik węzła pomiarowego Zadania sterownika: • komunikacja z przyrządami pomiarowymi PP za pomocą interfejsu RS 232C lub RS 485, • archiwizacja danych ze wszystkich przyrządów za okres trwania eksperymentu pomiarowego, • komunikacja z koordynatorem sieci bezprzewodowej. S - sterownik węzła, PP – przyrząd pomiarowy, MA – moduł analogowy, CZ – czujnik

17. Komunikator jako sterownik węzła pomiarowego • Do jednego sterownika można podłączyć do 8 przyrządów, • W tym maksymalnie 4 moduły analogowe, mierzące rezystancję, napięcie lub prąd. • Dane pomiarowe są gromadzone w sterowniku i równocześnie przesyłane na bieżąco, za pomocą sieci bezprzewodowej, do koordynatora współpracującego z komputerem lokalnym przy użyciu łącza USB. S - sterownik węzła, PP – przyrząd pomiarowy, MA – moduł analogowy, CZ – czujnik

18. Moduł wejść analogowych Moduł wejść analogowych został zbudowany w celu umożliwienia zwiększania zasobów pomiarowych sterownika. • Każdy z modułów dysponuje pojedynczym wejściem analogowym, które jest przystosowane do doprowadzenia sygnału z jednego czujnika o wyjściu: • napięciowym, • prądowym, • rezystancyjnym.

19. Moduł wejść analogowych ADuC836 (Analog Devices)

20. Struktury systemu Struktura skupiona Stosowana do prowadzenia pomiarów zasadniczo w jednym pomieszczeniu, gdy możliwa jest bezpośrednia komunikacja bezprzewodowa między sterownikami węzłów W1, …, Wn a koordynatorem sieci bezprzewodowej.

21. Struktury systemu Struktura zdekomponowana systemu • System o strukturze zdekomponowanej wykorzystywany jest w przypadku, gdy pomiary przeprowadza się równocześnie w kilku odległych pomieszczeniach, jak również w sytuacji, gdy obiektem pomiaru jest zbiór budynków. • System taki można traktować jako zbiór autonomicznych systemów o wspólnej bazie danych.

22. Struktury systemu Struktura rozproszona • Jeden komputer lokalny, pomiary realizowane w odległych pomieszczeniach lub osobnych budynkach - na ogół nie jest możliwe bezpośrednie połączenie radiowe między węzłami a koordynatorem i trzeba zastosować rutery. • Na drodze między węzłem a koordynatorem może pracować kilka ruterów, co pozwala w tego rodzaju systemie na uzyskiwanie dość znacznych odległości między węzłami i koordynatorem.

23. Struktury systemu

24. Struktury systemu

25. Struktury systemu

26. Komputery lokalne i zdalne Komputer lokalny - zarządzanie systemem: • konfigurowanie systemu - przekazywanie do węzłów informacji z jakimi przyrządami mają współpracować oraz określenie parametrów pomiarów (rodzaju mierzonej wielkości, częstotliwości próbkowania itp.), • bieżące odbieranie danych pomiarowych oraz ich archiwizacja, • wizualizacja danych pomiarowych w postaci przebiegów oraz wskazań przyrządów, • komunikacja z operatorem. Oprogramowanie komputera lokalnego utworzono przy użyciu pakietu LabView. Komputer lokalny jest połączony z komputerami zdalnymi za pośrednictwem Internetu. Komputery zdalne mogą spełniać rolę bazy danych lub zdalnych konsol komputera lokalnego, dzięki czemu umożliwiają realizację wszystkich jego zadań na odległość.

27. Urządzenia integrowane w systemie • Przepływomierze ultradźwiękowe przenośne. • Mikromanometry dla powietrza i wody. • Termometry termoelektryczne 30-kanałowe. • Mierniki energii elektrycznej. • Stacja meteorologiczna. • Analizator spalin. • Monitory jakości powietrza wewnętrznego.

28. Oprogramowanie komputera lokalnego • Zadaniem komputera lokalnego jest bieżące zarządzanie procesem pomiaru wielkości charakteryzujących stan cieplny budynku bezpośrednio z poziomu obiektu pomiaru. Zarządzanie to przede wszystkim ma na celu realizację następujących działań: • konfigurowanie systemu, polegające na wskazaniu urządzeń pomiarowych wykorzystywanych w aktualnie stosowanej wersji systemu, • nadzór nad prawidłowym wykonywaniem pomiarów oraz bieżącą wizualizację danych pomiarowych, • pozyskiwanie danych pomiarowych i lokowanie ich w centralnej bazie danych, • udostępnienie przez Internet bazy centralnej komputerowi zdalnemu, celem przechowania ich w bazie archiwalnej.

29. Oprogramowanie komputera lokalnego Bloki funkcjonalne programu zarządzającego systemem zaimplementowanego na komputerze lokalnym

30. Oprogramowanie komputera lokalnego Przepływ danych w systemie pomiarowym

31. Oprogramowanie komputera lokalnego

32. Oprogramowanie komputera lokalnego

33. Oprogramowanie komputera lokalnego

34. Oprogramowanie komputera lokalnego

35. Dziękuję za uwagę

37. Komunikator • Mikrokontroler ATXMEGA128-A3 • pamięć programu typu flash o pojemności 120 KB, z dodatkowym obszarem 8 KB, który może być przeznaczony na dane oraz 8 KB pamięci zawierającej program ładujący. • Pamięć danych - 8 KB pamięci trwałej EEPROM oraz 2 KB pamięci statycznej SRAM. • Odmierzanie czasu astronomicznego - układ DS1307 firmy MAXIM. • Trwała pamięć zewnętrzną DataFlash AT45DB642 firmy Atmel o pojemności 64Mb. • Jeden rekord pomiarowy obejmuje 4 bajty znacznika czasu, 4 bajty wyniku pomiaru w formacie zmiennoprzecinkowym oraz 2 bajty identyfikatora wielkości mierzonej. Zatem pojemność pamięci zewnętrznej pozwala na przechowanie około 800 000 rekordów pomiarowych, dzięki czemu możliwa jest realizacja pomiarów nawet przy długotrwałym zerwaniu transmisji bezprzewodowej. • Mikrokontroler obsługuje: • 5 kanałów transmisji w standardzie RS488, • 3 kanały RS 232C, wyposażone w optoizolację, • jedno złącze USB, wykorzystywane do komunikacji z komputerem lokalnym.

38. Moduł analogowy • Podstawowym układem modułu analogowego jest mikrokontroler ADuC836 firmy Analog Devices. • Zawiera on dwa tory pomiarowe zakończone 16-bitowymi przetwornikami AC typu Sigma-Delta, przy czym jeden z torów ma na wejściu wzmacniacz o regulowanym cyfrowo współczynniku wzmocnienia. • Mikrokontroler wyposażony jest w czujnik temperatury, co daje możliwość korygowania błędów temperaturowych toru pomiarowego. • Moduł zawiera ponadto źródło napięcia wzorcowego o dużej stabilności temperaturowej, co łącznie z opisanymi jego właściwościami pozwala na realizację pomiarów z dużą dokładnością. • Maksymalna częstotliwość próbkowania wynosi około 100 razy na sekundę, co w pełni zaspakaja potrzeby próbkowania wartości chwilowych sygnałów charakteryzujących procesy cieplne.