Snímače parametrů prostředí v budovách
Při návrhu a instalaci systémů automatizace budov tvoří jednu ze zásadních částí systému vstupní periferie – čidla environmentálních veličin. Trh se snímači parametrů prostředí v budovách má ve srovnání se snímači průmyslovými některé specifické vlastnosti.
Při návrhu a instalaci systémů automatizace budov tvoří jednu ze zásadních částí systému vstupní periferie – čidla environmentálních veličin. Tato skupina výrobků je v centru zájmu prakticky všech zúčastněných profesí: architekta a uživatele zajímá vzhled, technolog řeší měřené veličiny potřebné pro funkci strojní části, programátor se zajímá o vazbu na řídicí systém a montéři kladou důraz na intuitivní a jednoduchou instalaci. Trh se snímači parametrů prostředí v budovách má ve srovnání se snímači průmyslovými některé specifické vlastnosti.
Design
Řada čidel se vyskytuje v prostorech trvale přístupných nebo dokonce obývaných. Pokojové ovladače s čidly by měly být jako měřicí prvky vizuálně snadno identifikovatelné, aby je uživatelé nezastavěli nábytkem nebo nezatížili zdrojem tepla, který by měření zkresloval (typicky se jedná o čidlo nad ledničkou). Při jejich výběru uživatel obvykle žádá vzhled shodný s vypínači pro ovládání osvětlení a žaluzií, praxe ovšem ukazuje, že pokud je čidlo teploty instalováno do krabice pod omítku, musí být mechanická část opravdu kvalitně vyřešena, aby bylo zaručeno proudění vzduchu a čidlo měřilo správně. Kritická situace nastává, pokud je v pouzdru navíc aktivní elektronika, která je zdrojem ztrátového tepla, jež měření teploty (a s ní související relativní vlhkosti) může silně ovlivňovat. Výrobci tento problém řeší nejrůznějšími hardwarovými i softwarovými korekcemi, praxe pak ukazuje, že je vhodné, když lze tuto korekci ještě upravit při uvádění do provozu nebo postcommissioningu. Platí staré pravidlo, že teploměr zákazníka má vždy pravdu.
U čidel s ovládacími prvky zvažme jejich ergonomické vlastnosti – záleží na nich především v kancelářích a ještě více v hotelovém provozu, kde se střídají hosté z nejrůznějších kulturních prostředí. Platí, že méně znamená více; jednoduché ovládání a minimum „rušivých prvků“ zvyšuje uživatelskou spokojenost. Provozovatelé hotelů dokonce preferují ovladače bez displejů, aby host pouze mohl nastavit, zda chce v pokoji tepleji nebo chladněji.
V případě čidel instalovaných v technologických prostorech je vhodné čidla značit a umisťovat tak, aby nedošlo k jejich poškození při údržbě, úklidu nebo běžných provozních činnostech. Zvláště kritické je to u čidel prostorové teploty ve skladech, kde často nepomáhá ani provedení se zvýšenou mechanickou odolností nebo zvláštní opatření, jako jsou kovové klece, plechové ochranné kryty atd.
Čidla teploty
V technologii řízení budov se z cenových důvodů nejčastěji používají pasivní (odporová) čidla se standardními prvky Pt1000 nebo Ni1000 (zde pozor na dvě odlišné charakteristiky, Ni1000-5000 ppm/°C, tzv. Landis, a Ni1000-6180 ppm/°C, tzv. Sauter). Pt100 a Pt500 najdeme často u měřičů tepla a chladu v podobě spárovaných čidel s pevnými kabely pro přívod a zpátečku, jako samostatná čidla se tolik nepoužívají, protože jsou pro svůj nižší odpor citlivější na chybu způsobenou odporem kabeláže. Čidla NTC se většinou nasazují u autonomních klimatizačních jednotek, v klasických volně programovatelných řídicích systémech se nevyskytují často, nejspíš proto, že vyžadují široký rozsah měření odporu (až stovky kΩ). Aktivní čidla s výstupem 0..10 V nebo 4..20 mA ss nasazujeme tam, kde by signál z čidla odporového mohl být ovlivněn rušením. Signál 0..10 V je ostatně v technologiích budov oblíbeným standardem pro přenos ostatních veličin, jako je relativní vlhkost, tlak, kvalita vzduchu, CO2 atd.
Čidla vlhkosti
Jde v drtivé většině o čidla relativní vlhkosti na kapacitním principu, vybavená prvky jako SHT... firmy Sensirion. Prvky mají slušnou dlouhodobou stabilitu a přesnost cca. ±5 %, u vybraných typů až ±2 %. Pokud u některých aplikací, jako jsou například sušárny, výroba DVD apod., potřebujeme měřit vlhkost absolutní, obvykle se používá kombinované čidlo relativní vlhkosti a teploty a vlhkost absolutní se spočítá buď v mikroprocesoru čidla, které má pak výstup s napětím úměrným přímo absolutní vlhkosti v g/kg (což je poněkud dražší varianta), nebo přímo v aplikaci v PLC. Čidla absolutní vlhkosti jsou drahá a vyžadují pravidelnou údržbu. Pro bezpečnostní účely, jako je hlídání max. vlhkosti za zvlhčovačem, nasazujeme mechanické hygrostaty nebo čidla s reléovým výstupem a funkcí hygrostatu, aby tato funkce mohla být nezávislá na PLC.
Čidla kvality vzduchu
Zde se setkáváme se dvěma skupinami senzorů: čidla oxidu uhličitého a čidla směsných plynů (VOC, volatile organic compounds). Mají trochu odlišné oblasti nasazení (podle doporučení VDMA 24 772):
| Typ prostoru | Zdroje zátěže | Měřená veličina | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Osoby | Zvláštní zátěž, zápachy | ||||
| Nekuřáci | Kuřáci | CO2 | VOC | ||
| Školy | |||||
| Školy – učebny | ✓ | ✓ | |||
| Školy – tělocvičny | ✓ | ✓ | |||
| Kancelářské prostory | |||||
| Halové kanceláře | ✓ | ✓ | |||
| Konferenční místnosti | ✓ | ✓ | |||
| Kanceláře | ✓ | ✓ | |||
| Kulturní zařízení | |||||
| Divadla | ✓ | ✓ | |||
| Koncertní sály | ✓ | ✓ | |||
| Haly | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | |
| Předsálí | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | |
| Výstavní haly | ✓ | ✓ | |||
| Pohostinství | |||||
| Jídelny | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | |
| Hotelové pokoje | ✓ | ✓ | |||
| Hotelové pokoje | ✓ | ✓ | ✓ | ||
| Kuchyně | ✓ | ✓ | ✓ | ||
| Sanitární zařízení | ✓ | ✓ | ✓ | ||
| Konferenční místnosti | ✓ | ✓ | |||
| Prodejny | |||||
| Prodejní plochy | ✓ | ✓ | |||
| Sklady | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | |
| Výrobní prostory | |||||
| Dílny bez cizích látek | ✓ | ✓ | |||
| Dílny zatížené (nátěrové hmoty atd.) | ✓ | ✓ | ✓ | ||
| Obytné prostory | |||||
| Obytné prostory (podle využití) | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
Tabulka byla vůči původnímu znění redukována o kanceláře a veřejné prostory s povoleným kouřením, tyto případy se již dnes nevyskytují.
Častou otázkou je, co vlastně znamená VOC a v jakých jednotkách se měří. Princip čidla směsných plynů HMOS (heated metal oxide semiconductor) je následující: na rozžhavené mřížce dochází k ionizaci plynů a pracovní oblast čidla mění svůj elektrický odpor. Ten se převádí na výstupní signál. Senzor reaguje na organické plyny jako čpavek, metan, organická rozpouštědla atd. - pro kalibraci se používají směsi plynů od jednoduchých (např. CO, H2S a metan, doplněné kyslíkem a dusíkem) po směsi obsahující až 65 složek (Linde Gas SPECTRA VOC). Čidlo není selektivní – a nás ani koncentrace jednotlivých plynů nezajímá, měříme celkovou zátěž místnosti. Konkrétní koncentrace plynů v měřeném prostoru není tudíž známá, obdržíme pouze signál 0...100 %, který odpovídá míře znečištění vzduchu. Je tedy nutné empiricky stanovit přijatelnou hranici pro pobyt osob a na ni pak regulovat. Nastavení požadované kvality vzduchu má významný vliv na spotřebu energie klimatizačního zařízení, proto je třeba mu věnovat náležitou pozornost i při dlouhodobém dolaďování systému měření a regulace. Pozor, čidla VOC neměří koncentraci CO2.
Čidla CO2 dnes pracují na principu NDIR (nondispersive infrared sensor) a dosahují výborné dlouhodobé stability ±1 % rozsahu ročně. Jak napovídá tabulka, používají se v místnostech, kde kromě osob nejsou další významné zdroje znečištění. Jejich cena v posledních letech díky masivnímu rozšíření, ke kterému došlo i díky legislativním úpravám (např. školy v Nizozemí), klesla a v regulaci podle CO2 vidíme masivní potenciál úspor energie ve velkých objektech i rodinných domech s rekuperačními jednotkami. Rozsah měření bývá 0...2000 nebo 0...5000 ppm CO2, minimální dosažitelná koncentrace odpovídající čistému venkovnímu vzduchu je asi 300 ppm.
Další veličiny
Důležitými parametry prostředí jsou i intenzita osvětlení a diskrétní hodnoty, jako přítomnost osob (PIR čidla), otevřená okna (okenní kontakty) atd. U čidel osvětlení se používá jako snímací prvek fotoodpor nebo fotodioda, signál se dále upraví a normalizuje. Tuto oblast ale obvykle řeší projektanti osvětlení; měření a regulace se s ní setká pouze u integrovaných systémů řízení jednotlivých místností. Tam je sběrnicový systém podmínkou. Pokojová jednotka tak slouží buď jako ovladač a vstupně-výstupní modul pro řízení ventilů topení a chlazení atd., což opět vede k úsporám kabeláže, nebo přímo jako regulátor klimatizace, topení, světla a žaluzií. Konkrétní podoba systému závisí na ceně PLC a I/O modulů, například Wago používá svou podstanici 750-849 jako výkonný pokojový regulátor s možností přídavných komunikačních modulů pro bezdrátová čidla, řízení osvětlení přes EIB/KNX apod. „Inteligence“ systému se pak přesouvá do podhledu a bývá vzhledem k ceně PLC společná pro několik místností.
Komunikativní čidla
Ta využíváme většinou v těchto případech: u extrémních délek vedení (nad 100 m), kdy by signál již nemohl být do PLC přenášen s dostatečnou přesností nebo odolností proti rušení, nebo u sběrů dat v archivech, skladech atd., kde se vyplatí nasadit liniovou topologii, která přináší úspory kabeláže. Příklad: Komunikativní čidlo teploty a vlhkosti stojí asi 3000 Kč, čidlo s výstupem 2× 0...10 V asi 2400 Kč, přičemž musíme připočíst cenu dvou analogových vstupů na PLC. Dostaneme se tedy na přibližně stejnou cenu. Na stovkách metrů ušetřeného kabelu jsou to ovšem tisíce korun úspor.
Dalším důvodem, proč používat komunikativní čidla, je jednodušší rozšiřování nebo úprava systému: pokud se zákazník rozhodne doplnit VZT jednotku posluchárny frekvenčním měničem, komunikativní prostorový ovladač s čidlem teploty stačí vyměnit za ovladač s čidlem teploty a CO2 a žádné další hardwarové úpravy nejsou nutné.
V technologii budov se používá několik typů sériových sběrnic: nejčastější jsou dnes již klasický Modbus RTU na RS485, EIB/KNX, BACnet / MS-TP a LON spolu s firemně specifickými protokoly (většinou na RS485), jako je Arion firmy AMiT, Saia S-Bus, CIB (Teco) a další. Nelze říci, který z nich je „nejlepší“ – Modbus má výhodu třicetiletého standardu, jednoduchou implementaci v PLC a reálnou přenosovou rychlost plně vyhovující požadavkům na řízení budov, EIB/KNX nabízí intuitivní a komfortní engineering, ovšem s použitím placeného softwaru a nižší flexibilitou. Sběrnice LON s protokolem LonTalk se po velkém očekávání v 90. letech dnes v Evropě zase objevovat přestává, byť na asijských a amerických trzích je stále široce podporována. Trend potvrzují i vedoucí hráči v oboru: Siemens během posledních 15 let postupně uváděl na trh regulátory fancoilů s rozhraním LON (RXC...), KNX (RXB...) – a nejnovější regulátory (RDF...) disponují protokolem Modbus na RS485.
Závěrem
I když v oboru řízení budov panuje extrémní tlak na cenu produktů i služeb, trh v České republice nabízí kvalitní komponenty české i zahraniční výroby. Kritická místa jsou dnes především montáž, která může nevhodným umístěním čidla zavinit zásadní chybu měření, a chybějící postcommissioning, neboli průběžné zaregulovávání a optimalizace chodu technologií. Díky němu teprve mohou měřené hodnoty přispět k úspornému provozu zařízení a snížení provozních nákladů.
The design and installation of building automation systems constitutes one of the essential parts of the system input peripherals - Sensor environmental variables. Market with sensors of environmental parameters in buildings, in comparison with the sensors industry some specific characteristics.