Zeroemisyjny dom w inteligentnym mieście – odwiedzamy Brobyholm

Tworzenie zeroemisyjnych budynków mieszkalnych z inteligentnym systemem zarządzania energią – ten trend obecnie dominuje sektor budowlany i automatyki. Jakie są zadania pompy ciepła i fotowoltaiki w domu blisko i zero energetycznym? Sprawdzimy to na podstawie case study ze szwedzkiego smart city – niedaleko Sztokholmu.

Podziel się
Po pierwsze współpraca
Na początku warto wspomnieć o jednej prostej zależności – inteligentne budynki tworzą inteligentne miasto. Właśnie taki przypadek weźmiemy pod lupę. W mieście Brobyholm firma Samsung i inni rynkowi giganci zaprojektowali zeroemisyjny ekosystem dla domu w oparciu o pompę ciepła i fotowoltaikę oraz w połączeniu z pozostałymi odbiornikami energii. Chodzi tu o stworzenie kompletnego systemu zarządzania energią, gdzie praca pompy ciepła i generacja z fotowoltaiki wraz z użyciem magazynowania energii jest komplementarna.
Po kolei – czym jest ta zeroenergetyczność? Pojęcie to oznacza, że zużycie energii pierwotnej w rocznym bilansie danego budynku zostało ograniczone do zera.
- W dzisiejszych czasach coraz bardziej dostrzegamy potrzebę optymalizacji zużycia energii zarówno przez pompę ciepła będącą głównym odbiornikiem energii elektrycznej w domu, jak również przez wszystkie inne urządzenia, które z tej energii elektrycznej korzystają. To jest klucz do sukcesu, w najskuteczniejszym dążeniu do zeroenergetyczności w swoim domu – Erwin Szczurek, ekspert firmy Samsung.
Temat komplikuje się w momencie, gdy chcemy efektywnie zarządzać zużyciem energii przez wszystkie urządzenia. Najwięcej energii z OZE jest w dzień, ale my jesteśmy poza domem np. w pracy, zarządzanie więc musi przejąć automatyka, aby optymalnie wkomponować je w profil generacji energii elektrycznej z instalacji fotowoltaicznej.
Jak stworzyć kompletny ekosystem?
System, na którym się skupimy, znajduje się w domu jednorodzinnym w szwedzkim Brobyholm. Samsung, ABB i SMA opracowały na bazie swoich rozwiązań technologicznych optymalne działanie całego ekosystemu zarządzania zieloną energią. Unikatowym atutem całego przedsięwzięcia jest możliwość transferu danych pomiędzy systemami (zarządzanie sprzętem - bilans energii) na poziomie chmury. Szczegóły projektu zostały przybliżone przez przedstawiciela firmy Samsung – Erwina Szczurka podczas Forum Pomp Ciepła.

Źródłem energii dla budynku jest instalacja fotowoltaiczna współpracująca z magazynem energii. Ogromne nakłady pracy zostały włożone w integrację wszystkich urządzeń w tym budynku. System zarządzania energią skupił się na prądzie generowanym przez fotowoltaikę i zużyciu prądu przez urządzenia ekosystemu.
- Dział Samsung R&D jako twórca aplikacji SmartThings miał tutaj wielki wkład w połączenie całego systemu. Uzyskana integracja systemowa przyczyniła się do tego, że dzisiaj możemy zarządzać domami niezależnie, nadając urządzeniom określone funkcjonalności lub po prostu włączając je, lub wyłączając bez potrzeby fizycznej ingerencji – informuje ekspert.
Istotną rolę w ograniczeniu nakładów energetycznych na ogrzanie budynku odegrała pompa ciepła. Została wykorzystana jako źródło ciepła w centralnym ogrzewaniu oraz dla przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Rośnie rola systemu do CWU
Projekt ma docelowo objąć aż 2 tysiące domów, tworząc inteligentne miasto. Koncepcja stworzonego ekosystemu opiera się głównie na monitorowaniu zużycia energii, przenoszeniu obciążenia elektrycznego z sieci energetycznej na energię odnawialną wytwarzaną na bieżąco lub zmagazynowaną. W tym przypadku jako OZE wykorzystano fotowoltaikę. Dla uzupełniania profilu generacji z PV system doposażono w magazyn energii.
Wykorzystanie pompy ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej jest kluczowe dla zmniejszania zużycia energii całego budynku. Wraz ze zmniejszającymi się pozostałymi potrzebami energetycznymi, przygotowanie wody stanowi coraz większy udział w całości potrzebnej energii.
Dzieje się tak, ponieważ domy są coraz lepiej docieplane, tym samym straty energii do otoczenia maleją, przez co udział energii konsumowanej na przygotowanie wody użytkowej rośnie, pomimo że co do wartości pozostaje na stałym poziomie.
- Wygrzew ciepłej wody użytkowej odbywa się automatycznie w godzinach generacji prądu z instalacji fotowoltaicznej. Jeśli wystarczająca ilość nadprodukcji energii nie jest dostępna, energia pobierana jest z sieci. Jednak w tym przypadku wygrzewa się wodę do minimalnych wymaganych poziomów. Jeśli mamy nadwyżki produkcyjne z fotowoltaiki, to zasobnik jest wygrzewany do maksymalnego poziomu, nawet 70 stopni Celsjusza – wyjaśnia Erwin Szczurek
W domu znajduje się standardowy sprzęt AGD. Urządzenia współpracują z siecią WiFi i dlatego udało się je skomunikować poprzez platformę SmartThings. Ta aplikacja jest kluczowa w działaniu całego systemu, gdyż integruje zarządzanie całego systemu do jednej intuicyjnej aplikacji.
Ile energii udało się zaoszczędzić?
Użytkownik do dyspozycji dostaje wspomnianą aplikację, która pozwala integrować wszelkiego rodzaju sprzęt elektroniczny, zarządzać nim, zadawać momenty automatycznego włączenia i wyłączenia na określone zdarzenie bądź wykorzystania nadprodukcji z fotowoltaiki, kiedy ona ma miejsce.
- Nie każdy sprzęt można używać w dowolnych godzinach, zwłaszcza w momencie szczytowej produkcji z fotowoltaiki. Jednak urządzenia takie jak pralka i zmywarka mogą zostać uruchomione zdalnie w dowolnej porze. Wszelkie funkcjonalności można dostosować dzięki SmartThings. Aplikacja jest na tyle otwarta, że można pod nią podpiąć cały szereg różnego rodzaju urządzeń, które mają komunikację WiFi – informuje ekspert.
Choć każdy budynek daje inne możliwości zarówno z uwagi na swoje właściwości fizyczne, jak i zastosowany sprzęt, oszczędności energii można wygenerować na poziomie większości urządzeń. Zastosowanie odpowiedniej pralki z opcją mycia zimną wodą i zdalnego uruchamiania pozwala zmniejszyć jej nakłady na energię do 70%.
Wykorzystanie sztucznej inteligencji w lodówce pozwala na optymalizację pracy sprężarki i cyklu odmrażania, dając oszczędności do 30%. Dodatkowe inteligentne sterowanie temperaturą w pralce i suszarce daje możliwość obniżenia zużycia prądu do 20%.

Zmiany w systemie ogrzewania i ciepłej wody użytkowej pozwalają wygenerować oszczędności do 40%. W ramach instalacji klimatyzacji możliwe jest osiągniecie kolejnych 20%, dzięki czemu sumaryczne oszczędności na poziomie kilkudziesięciu procent w skali całego domu, będą wymiernym i widocznym obniżeniem rachunku za energię elektryczną.
Jak oszczędzać?
Obciążenia w zakresie przygotowania ciepłej wody użytkowej zostały przeniesione na momenty największej generacji z fotowoltaiki. W taki sam sposób funkcjonują pozostałe sprzęty.
- Muszę wspomnieć o module AI, który na podstawie wszystkich danych o transferach energii w tym jej zużycia i produkcji z fotowoltaiki tak dobiera algorytmy pracy, aby optymalnie wykorzystywać dostępną energię. W takim systemie określone zdarzenia wywołują następne, np. duże nasłonecznienie powoduje opuszczenie rolet okiennych i w efekcie ograniczenie pracy klimatyzacji – Erwin Szczurek.
Tak samo można ułożyć scenariusze swoich codziennych rutyn. Moduł AI w pompie ciepła nauczy się naszych zwyczajów m.in. o której godzinie najczęściej bierzemy prysznic i przystosuje do tego pracę pompy ciepła na rzecz przygotowania wody tak, aby zagrzana została w optymalnym z punktu widzenia energetycznego momencie i zawsze na czas.
Aplikacja SmartThings nie tylko monitoruje zużycie energii, jest w stanie je również prognozować np. w skali miesiąca. Można również ustawić progi wykorzystania energii, których nie chcemy przekraczać. Zaoszczędzoną energię, dzięki zastosowaniu modułów AI, na poszczególnych urządzeniach elektrycznych domowego ekosystemu, możemy przeglądnąć w aplikacji SmartThings poprzez jedno kliknięcie w telefonie w zakładce One-touch saving.

Wykorzystanie One-touch saving obrazuje, które obszary generują największe zużycie energii. Tym samym użytkownik wie, na co zwrócić szczególną uwagę i co dopracować. Ta aplikacja pozwala również odnieść bieżące zużycie energii do poziomów historycznych. Na tej podstawie można ustawić docelowe progi zużycia energii, zmniejszyć jej konsumpcję i rachunki.
Źródło: Forum Pomp Ciepła – Samsung