Řízení systémů tvorby prostředí - součást integrovaných řídicích systémů budov (II)

Odvozené požadavky na HVAC systémy

Subsystémy řízení a monitorování HVAC v inteligentních budovách by měli vyhovovat výše uvedeným požadavkům. Subsystém zahrnující zařízení HVAC je velmi rozsáhlý a komplexní měla by být pro něj použita komplexní metodologie vyhovující i ostatním aplikacím pro jednotlivé subsystémy.

Požadavky by měly být řazeny do jisté posloupnosti zahrnující skupiny a vztahy jak mezi prvky ve skupině, tak mezi skupinami

• Definice vztahů mezi zařízeními ve skupinách a mezi skupinami
• Popis užití každého zařízení
• Sumarizace funkčních požadavků a funkčních nastavení
• Analýza existujících a připravovaných norem

Typická sestava skupin pro domovní aplikace může být následující:

• Externí komunikace;
• Vnitřní elektronika a domovní komunikace;
• Užitné vzory domovní komunikace a řízení;
• Energetická optimalizace (optimalizace výkonu a užití elektrických spotřebičů, optimalizace výkonu vytápěcí a klimatizační techniky);
• Řízení osvětlení;
• Řízení žaluzií;
• Řízení vytápění a chlazení;
• Řízení větrání;
• Centrální funkce a přenosové brány;
• Zařizovací předměty;
• Zabezpečovací zařízení;
• Telekomunikace;
• Telematika.

Požadavky mohou být uspořádány do maticové formy tak, aby bylo možno snadněji znázornit vzájemné vazby. Matice tvoří objektově orientovaný popis sestavy přednostně ve formě tabulkového procesoru, kde jednotlivé objekty jsou komunikující nebo/a řídící prvky (zařízení). Příklad objektu v systému vytápění a větrání je demonstrován v tabulce 5 a komunikační matice je uvedena v tabulce 6.

Aplikace	Funkce	Poznámka
Manualní tlačítkový spínač	3 rychlostní spínání	ventilátor: zastaveno, rychlost 1, 2 nebo 3
(IR, RF) dálkový řídicí pokyn	ohřev/chlazení vzduchu	nastavení žádaná hodnota teploty (přednastavená při funkčních zkouškách)
Větrací vzduchovody	3 rychlostní spínání podle zapojených vzduchovodů	ventilátor: spínání rychlostí podle počtu otevřených vzduchovodů
Teplota přívodního vzduchu	PI-teplotní regulace	l pulsní nastavitelná hodnota nahoru/dolů
Výkon (ohřívače/ chladiče (chlazení vzduchu)	řízení topného/chladicího výkonu	řízení výkonu ohřívače/chladiče pomocí frekvenčního měniče pohonu čerpadel
Časový programátor	automatická funkce, časové řízení větrání	může být programován denní, týdení cyklus, nebo cyklus v závislosti na kalendářním datu
Detekce kvality vnitřního vzduchu	automatické přemostění jiných funkcí	kvalita vnitřního vzduchu přednastavena při funkčních zkouškách
Informace o funkci zařízení	displej	schematické zobrazení zařízení a monitorovaných (řízených) hodnot
Booleanská funkce	řízení interakce mezi různými vstupními signály signals	interakce priorit

Tabulka 5 - Příklad objektu v systému vytápění a větrání

Tabulka 6 - Komunikační matice

Tab. 5 a 6 mají tyto účely:

• identifikovat všechna nezbytná zařízení a aplikace příslušného softwaru podle požadované funkce;
• získat výpis materiálu a zařízení;
• odhadnout předpokládaný rozsah projekčních a inženýrských činností.

Existující řídicí a informační systémy pro vytápění a vzduchotechniku

Široce stále používané systémy řízení a monitorování jsou založeny na hierarchickém systému řízení řídicími podstanicemi (PLC) a mikroprocesorů. Architektura hiearchického systému monitorování a řízení HVAC je schematicky uvedena na obr. 5.

Víceúrovńová architektura používající účelové regulátory může omezit přístup k datům - (např. pro řízení jsou používaná jiná čidla než pro monitorování), může generovat poruchy způsobené přerušením komunikace v jediném místě sítě, způsobovat slabá místa v komunikaci a omezit používání produktů regulace pro různé účely. Největším problémem pro uživatele je, že zavedením tohoto systému bude po dobu života instalace odsouzen k používání zařízení pouze původního dodavatele.

Kompatibilita a otevřenost řídicích systémů vzduchotechniky vytápění a vzduchotechniky může být řešena otevřeným systémem. Typickými reprezentanty těchto řešení pro HVAC jsou systémy EIB/KNX^®, LONWORKS^® používající konfigurační programy TS3^®, LONTALK^® a částečně systém BACNET^®, který je specializován především na řízení systémů HVAC, ovšem neobsahuje všechny již zmíněné vrstvy OSI. Architektura otevřeného systému monitorování a řízení HVAC je schematicky uvedena na obr. 6.

Obrázek 6 - Architektura hiearchického systému monitorování a řízení HVAC

Otevřenost systému v důsledku inteligentních prvků (řídicích podstanic) a komunikace inteligentními routery, umožňuje přístup k libovolnému prvku systému, v kterémkoliv místě sítě a v důsledcích obecně vede k systému s menšími pořizovacími a provozními náklady, možnosti budoucího rozšíření, ale především nezávislosti na původním dodavateli. Otevřený systém tak umožňuje integrovat klíčové subsystémy v budovách, jako jsou HVAC, umělé osvětlení, zabezpečovací zařízení, protipožární zařízení, a řízení výtahů, integrovat do jednotného systému inteligentní budovy.

Obrázek 7 - Architektura otevřeného systému monitorování a řízení HVAC

KNX VS. LONWORKS

KNX

Partneři sdružení v CENELEC zabývající se řídicími systémy v budovách (BatiBUS, EIB a EHS) provedli koordinaci specifikaci parametrů v oblasti domovních aplikací a zformovali základ evropské normy EN 50 090 pro otevřené systémy v budovách a sdružili se do asociace KNX.. Tato norma je založena na komunikaci používané v systému EIB, rozšířené o další fyzické vrstvy, konfigurační moduly a aplikace. Jako konfigurační software je používán ETS (Engineering Tool Software), který je společný pro většinu produktů, které vyhovují požadavkům normy EN 50 0090, bez ohledu na výrobce nebo dodavatele produktu.

Komunikace KNX se řídí obecně normami EN 50090. Komunikace silovými kabely se řídí EN 50065-1.

V současné době se asociace KNX zaměřuje na podporu normalizace, certifikaci produktů, služeb pro zabezpečení systémové kompatibility a interoperability, podporu trhu pro produkty a systém implementující normu EN 50090 a podporu realizátorů aplikací. Ke KNX je také přidruženo KNX Scientific Partnership Forum, které je určeno pro výměnu informací z vědecké a výzkumné činnosti v této oblasti.

LonWorks

Echelon Corporation a společnost LONMARK vytvořila architekturu určenou pro oblast automatizace v budovách. LON definoval také způsob komunikace (především komunikační brány), která může být užita pro řízení zařízení a systémů v bytových domech. Na platformě LONWORKS existuje řada aplikací specializovaných firem na HVAC řídicí systémy (Schneider-Electric, Honeywell, Johnson Controls) zvláště ve velkých komerčních centrech a u průmyslových projektů.

Oba protokoly jsou v různém rozsahu přizpůsobeny na očekávané změny v domácnostech a budovách... všeobecný rozvoj komunikačních sítí, vývoj v oblasti komunikačních protokolů a co je nejdůležitější obecné použití Inernetu jako komunikačního media - specificky, webovských serverů, webovských služeb, HTML a XML a další.

Výhody a přínosy integrovaných systémů HVAC

Dobře komunikující systém řídicí systém s funkčním managementem je podstatná podmínka pro energeticky účinné provozování budovy. Velmi důležitá podmínka v tomto ohledu je naladit funkci zařízení a její řízení podle samotné budovy z hlediska jejího provozování a tepelně technických vlastností.

V současné době typický přístup k návrhu systému HVAC je, že projektant vzduchotechniky nebo/a (přičemž a je příznivější případ) vybere zařízení podle požadovaného tepelného, chladicího a vzduchového výkonu a toto zařízení poskládá. Tento návrh je pak předán pracovníku specializovanému na MaR, který navrhne zařízení, které vyhovuje pouze navrženému technickému zařízení. Tepelně technické (dynamické) parametry budovy jsou běžně zanedbány a nejsou brány do úvahy jako součást řídicího systému. Časové zpoždění vlivu klimatických podmínek na požadovaný tepelný nebo chladicí výkon způsobený tepelnou akumulací budovy, není při návrhu řídicího systému uvažováno. To vede v důsledcích ke spotřebě energie vyšší než je optimální a k tepelnému diskomfortu, bez ohledu na míru sofistikovanosti navrženého zařízení.

Specificky spotřeba energie v budovách, která je aktuálním tématem mnoha diskuzí, polemik a přemětem snah o její snižování, může být jednoduše snížena optimální funkcí zařízení HVAC, pouze optimalizací návrhu zařízení HVAC a řídicího systému. Tato optimalizace může být dosažena právě integrovaným přístupem při návrhu technických zařízení budov. Zvyšující se požadavky na tepelně izolační vlastnosti budov a specificky budov pro bydlení a administrativních budov, vedou také k novým funkčním požadavkům na prvky a systémy HVAC. Teoretické studie podložené experimenty prokázaly, že vysoce tepelně izolované budovy jsou velmi citlivé na tepelnou zátěž (tepelné ztráty a vnitřní í vnější zisky). Tato skutečnost může vést ke změnám existujících běžných požadavků na systémy HVAC. Specificky ve vysoce tepelně izolovaných budovách, s malou tepelně akumulační schopností, vzniká obecně požadavek na velkou pružnost systémů HVAC a v letním období zvýšený požadavek na kompenzaci tepelných zisků (obecně znatelný vliv na mikroklimatické podmínky může mít i provoz domácích spotřebičů) a paradoxně u těchto budov nemusí se zvyšující se tepelnou izolací klesat celková spotřeba energie potřebná na tvorbu optimálních mikroklimatických podmínek.

Další zdroj snižování spotřeby energie na provoz budovy může tedy být hledán především v optimalizaci systému tvořenou budovou, systémem HVAC a řídicím systému.

Skupina HVAC jako významná skupina (cluster) v informačním systému inteligentních budov má jednu z nejvyšších důležitostí. Správný návrh systému HVAC s vhodným řídicím a informačním systémem a s kvalifikovanou obsluhou jsou nezbytné podmínky pro efektivní řízení budovy.

ZÁVĚR

Poslední vývoj v technologiích, komunikaci, v požadavcích na úsporu energie a v neposlední řadě na poli sociálním (zvyšující se průměrný věk populace) vede ke zvyšujícím se požadavkům na řídicí a informační systémy obecně v prostředí budov a speciálně v prostředí budov pro bydlení. Nové aktivity v této oblasti vedly ke vzniku materiálu CENELEC SmartHouse Code of Practice CWA 50487:2005, který definuje obecné požadavky pro širší aplikaci řídicích a informačních systémů v budovách. Tato práce CENELECu není abstraktní futurologické dílo, ale je odvozena z posledního vývoje v této oblasti (tj. existujících prostředcích umožňujících uvedené aplikace). Z tohoto materiálu vyplývají požadavky na HVAC prvky a systémy a na způsob jejich řízení. V tomto příspěvku jsou nastíněny obecné teze těchto požadavků. V zásadě mohou být tyto požadavky splněny pouze použitím otevřených systémů komunikujících na společné platformě prostřednictvím sběrnic, routerů a ITP/IP protokolů tak, že systémy mohou být doplňovány, upgradovány a umožňují přístup k libovolnému prvku v síti a to fyzickým připojením k síti, nebo prostřednictvím internetu.

Otevřené systémy umožňují integraci jednotlivých domovních systémů jako je HVAC, osvětlovací soustava, bezpečnostní technologie, provoz výtahů a protipožární signalizaci do jednotného inteligentního systému. (Předpokládá se však použití pouze zařízení, které je certifikované podle příslušných norem). Takový otevřený systém umožňuje rozšíření libovolným certifikovaným prvkem a opačně libovolný prvek může být jednoduše ze systému odpojen bez zásadní korekce softwaru.

Poděkování

Tento příspěvek by vypracován v rámci grantu MŠMT ČR č. MSM 7088352102 a grantu Grantové Agentury ČR (GAČR) č.102/03/0625. Kontakt na autora: e-mail: zalesak@ft.utb.cz

Použité zdroje:

[1] SmartHouse Code of Practice CWA 50487:2005. CENELEC, 2005
[2] Open System Design Guide. Designing Open Building Control Systems Based on LONworks^® Technology. Version 2.0. ECHELON CORPORATION
[3] Open System Specification Famework. A Framework Systems with LONworks^® Technology. Version 4.0. ECHELON CORPORATION
[4] EN 50090 Home and building electronic system
[5] ISO 16484 Building Automation and Control Systems
[6] PrEN 14908 Control Networks Protocol
[7] ISO/IEC 15045-1: Information technology - Home electronic system (HES) getaway
[8] "Project Engineering for EIB Installations. Basic Principles", 4th (revised) edition, EIBA, 2005
[9] Zálešák, M., Vašek, V.: Problems of intelligent buildings control and communication systems. Proceedings of 16th International DAAM Symposium, 2005
[10] Balch, T.: A Perspective on Open Systems In Building Controls. Eurotex, 2005
[11] Kell, A., Colebrook, P.: "Open Systems for Homes and Buildings. Comparing LonWorks^® and KNX", i&i limited, 2004
[12] Sauter, T., Dietmar, D., Kastner,W.: EIB Installation Bus System. Publicis Kommunikations Agentur GmbH, Munich, 2001
[13] "Investigating open System. Comparing LONworks^® and BACnet^®". White paper. STRATA RESOURCE INC, 2004.