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

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

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

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

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.

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.

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

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.

System pomiarowy do diagnostyki cieplnej budynków System przenośny  System bezprzewodowy

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.

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.

System pomiarowy do diagnostyki cieplnej budynków KOMUNIKATOR

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

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.

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.

Komunikator jako sterownik węzła pomiarowego S - sterownik węzła, PP – przyrząd pomiarowy, MA – moduł analogowy, CZ – czujnik 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.

Komunikator jako sterownik węzła pomiarowego S - sterownik węzła, PP – przyrząd pomiarowy, MA – moduł analogowy, CZ – czujnik 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.

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.

Moduł wejść analogowych ADuC836 (Analog Devices)

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.

Struktura zdekomponowana systemu 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.

Struktura rozproszona 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.

Struktury systemu

Struktury systemu

Struktury systemu

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.

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.

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.

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

Oprogramowanie komputera lokalnego Przepływ danych w systemie pomiarowym

Oprogramowanie komputera lokalnego

Oprogramowanie komputera lokalnego

Oprogramowanie komputera lokalnego

Oprogramowanie komputera lokalnego

Dziękuję za uwagę

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.

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.