Pod koniec grudnia 1983 r. w „The New York Times” ukazał się artykuł zapowiadający oddanie do użytku pierwszego na świecie inteligentnego budynku – 38-piętrowego biurowca City Place w Hartford. Zarządzany przez centralny komputer, który z poszczególnymi urządzeniami łączył się przez sieć światłowodową, stanowił unikalny przykład połączenia funkcji ogrzewania, klimatyzacji, wentylacji, oświetlenia, bezpieczeństwa, ochrony przeciwpożarowej oraz usług z zakresu telekomunikacji w ramach jednego systemu informatycznego z możliwością centralnej regulacji. Po 30 latach możemy z całą pewnością stwierdzić, że jego projektanci okazali się wizjonerami swoich czasów. Debiutując na gruncie automatyki budynkowej, trafnie zdefiniowali hierarchię priorytetów sektora inteligentnego budownictwa, na pierwszym miejscu stawiając człowieka i jego komfort, w tym komfort cieplny, a jednocześnie wierząc, że można na tym sporo oszczędzić. Prognoza ta po ponad 30 latach okazuje się wciąż aktualna, co znajduje wyraz w rozwoju nowych inteligentnych systemów sterowania w branży HVAC (ang. Heating, Ventilation and Air Conditioning).

Inteligentne ogrzewanie

Badania wykazują, że obniżenie temperatury w pomieszczeniu o 1°C przekłada się na zmniejszenie zapotrzebowania na energię elektryczną średnio o 6% w skali roku. Już ta prosta kalkulacja pozwala uzmysłowić sobie, że rozsądne zarządzanie ogrzewaniem budynku może przynieść wymierne oszczędności. W przypadku tradycyjnych systemów grzewczych wymaga to jednak sporej samodyscypliny: nie chcąc ograniczać komfortu pracy personelu, należy pamiętać o wyłączaniu ogrzewania w godzinach wieczornych i uruchamianiu go po wejściu do budynku. Strategia ta nie uwzględnia jednak czasu potrzebnego na nagrzanie wnętrza (stopnia bezwładności pomieszczeń i systemów grzewczych), a tym samym jest tyleż czasochłonna, co nieefektywna.
Alternatywą – choć niedoskonałą – mogą być systemy programowane czasowo, które włączają się i wyłączają o określonej godzinie. Jeśli jednak zakład pracy czy biuro pracują w systemie zmianowym, a na dodatek poszczególne pomieszczenia są wykorzystywane z różną intensywnością w zależności od pory dnia lub zmiany, to sam harmonogram czasowy nie wystarczy.

Zasada działania regulatora temperatury z zaworem dwupołożeniowym

Dlatego producenci inteligentnych systemów ogrzewania poszli o krok dalej, oferując możliwość podziału obiektu na strefy z opcją indywidualnego programowania temperatury dla każdej z nich w zależności od pory dnia oraz warunków cieplnych panujących w pomieszczeniu (m.in. lokalizacji względem stron świata, a tym samym stopnia nasłonecznienia). Co więcej, uzupełnili ją o funkcje automatycznego reagowania na określone zdarzenia, w tym zmianę temperatury na zewnątrz, obecność osób w pomieszczeniu, otwarcie/zamknięcie okna czy załączenie alarmu. Ich realizację powierzono zestawowi czujników (temperatury, ruchu) oraz kamer rozlokowanych w każdym pomieszczeniu i połączonych z centralnym systemem sterowania drogą radiową. Łączność zdalna pozwala w tym przypadku na uzyskanie swobody rozmieszczenia urządzeń oraz ich dodawania lub demontażu w zależności od bieżących potrzeb. Gdy czujnik stwierdzi obecność człowieka w nieogrzewanym pomieszczeniu, natychmiast wysyła do systemu sygnał uruchomienia ogrzewania. Jeśli wykryje otwarcie okna w celu przewietrzenia pomieszczenia, zmniejszy intensywność grzania. To samo uczyni w przypadku włączenia alarmu sygnalizującego opuszczenie terenu biura czy zakładu przez personel.
Oprócz czujników pomiarowych na inteligentne systemy grzewcze składają się źródło ciepła (np. pompa), wymienniki ciepła (grzejniki, ogrzewanie podłogowe), jednostka sterująca i panel sterujący (programator). Za właściwą realizację poleceń wysyłanych przez centralny system sterowania odpowiadają regulatory zintegrowane z wymiennikami ciepła. Ich typ, a tym samym dokładność regulacji temperatury, zależy ściśle od rodzaju systemu grzewczego. W systemach niskotemperaturowych (pompa ciepła) stosuje się głównie regulatory i zawory dwupołożeniowe, otwierane bądź zamykane w zależności od temperatury panującej w pomieszczeniu.

Inteligentny system ogrzewania Danfoss Link

W systemach wysokotemperaturowych (CO, wodne ogrzewanie podłogowe) przeważają regulatory i zawory PWM, również dwupołożeniowe, które porównują temperaturę mierzoną z zadaną i na tej bazie wyznaczają krzywą grzewczą, stanowiącą z kolei podstawę formowania impulsu on/off o określonym czasie trwania. Największą dokładnością sterowania temperaturą cechują się jednak regulatory PI z regulowanym stopniem otwarcia zaworu, w których o zakresie otwarcia decyduje krzywa grzewcza. Stosuje się je przeważnie w układach ogrzewania, w których źródło ciepła stanowi kocioł grzewczy. Całość bazuje na okablowaniu łączącym system sterowania z regulatorami oraz komunikacji radiowej między czujnikami i jednostką sterującą. Niejako niezależnie od tej funkcji łączność radiowa pozwala również na ręczne sterowanie pracą systemu za pośrednictwem smartfona czy tabletu z dostępem do internetu, w tym m.in. na włączenie ogrzewania w drodze do biura. Tą samą drogą generowane są raporty dotyczące pracy systemu grzewczego, temperatury i warunków panujących w poszczególnych pomieszczeniach, a także globalnego zużycia energii.

Inteligentna klimatyzacja

W dobrze rozplanowanym i właściwie skonfigurowanym systemie automatyki budynkowej zestaw czujników, który w zimie wykorzystywany jest do sterowania ogrzewaniem pomieszczeń, w lecie posłuży do regulacji pracy układu inteligentnej klimatyzacji. Podobnie jak ogrzewanie klimatyzacja może być sterowana centralnie na podstawie harmonogramu czasowego i/lub przy wykorzystaniu układu czujników wykrywających ruch w pomieszczeniu. W tym ostatnim przypadku, aby zapewnić szybkie nagrzanie/schłodzenie pomieszczenia, można połączyć systemy ogrzewania i klimatyzacji, tj. zamiast grzejników i klimatyzatorów zastosować konwektory wentylatorowe (klimakonwektory) lub klimatyzatory z funkcją grzewczą. W urządzeniach tego typu wymienniki ciepła (nagrzewnica i chłodnica) są zasilane wodą nagrzaną w kotle w czasie zimy lub chłodzoną agregatem chłodniczym w lecie. Szybką dystrybucję ciepła zapewnia zaś wentylator załączany przy dużych różnicach temperatur między wartością zadaną a mierzoną.
Alternatywą dla klimawentylatorów może być centralny system klimatyzacyjny typu multisplit z odzyskiem ciepła (VRV), w którym w funkcji czynnika transportującego ciepło/chłód wykorzystuje się freon. Taka rewersyjna powietrzna pompa ciepła składa się z dwóch jednostek: zewnętrznej (sprężarki i wymiennika ciepła) oraz wewnętrznej (klimakonwektora). Równolegle chłodzi ona część pomieszczeń i ogrzewa inne, wykorzystując do tego nagrzane powietrze wyprowadzane z pomieszczeń cieplejszych.

Panele sterownicze rozlokowane w wielu pomieszczeniach zapewniają maksymalną wygodę obsługi systemu z każdej części budynku

O ile jednak w przypadku urządzeń wielofunkcyjnych możliwa jest szybka zmiana temperatury w pomieszczeniu w reakcji na obecność pracowników, o tyle już elastyczna regulacja nawiewu w zależności od ich liczby, rozmieszczenia i preferencji przekracza możliwości większości tradycyjnych systemów grzewczo-klimatyzacyjnych. Kierunek i intensywność strumienia powietrza, mniej istotne przy ogrzewaniu, w systemach klimatyzacji odgrywają kluczową rolę w zapewnieniu pełnego komfortu cieplnego. Dlatego ich producenci wyposażają je w coraz bardziej zaawansowane systemy czujników, zdolne rozpoznać, ile osób jest w pomieszczeniu (czujnik ruchu, kamera tradycyjna), w której jego części się znajdują (kamera termiczna), a także jakie obiekty znajdują się na drodze nawiewu powietrza i mogą przeszkadzać w jego dystrybucji (kamera podczerwona). Taki układ trzech kamer oferuje m.in. japońska firma Hitachi. Coraz większą popularnością cieszą się też systemy z elastyczną regulacją strumienia i trybu nawiewu powietrza – od bezpośredniego przez pośredni (z boku) po łagodną bryzę napływającą falami.
Ciekawostką może być w tym kontekście urządzenie Ambi Climate opracowane przez start-up Ambi Labs z Hongkongu. W zeszłym roku na rynku pojawiła się druga, wzbogacona wersja systemu, na którą składają się czujniki ruchu, temperatury, wilgotności i światła dziennego oraz niewielka jednostka sterująca połączona z internetem. Zintegrowany z systemem klimatyzacji Ambi Climate umożliwia precyzyjne sterowanie nawiewem dzięki uczeniu się naszych nawyków i preferencji (uczenie maszynowe). Nową wersję dodatkowo wyposażono w Alexę, czyli wirtualną asystentkę, która pozwala na sterowanie temperaturą w pomieszczeniu za pomocą głosu.

Inteligentna wentylacja

O ile ogrzewanie i klimatyzacja zapewniają odpowiedni komfort cieplny, o tyle odpowiednia wentylacja – ostatni z elementów inteligentnych systemów HVAC – jest nieodzownym warunkiem zachowania dobrego samopoczucia i maksymalnej koncentracji podczas pracy. Zbyt duże stężenie dwutlenku węgla w powietrzu sprzyja bowiem poczuciu senności, a zbyt mała wilgotność powoduje wysychanie śluzówek skutkujące suchością w ustach lub przesuszeniem jamy nosowej. Z kolei jej nadmiar prowadzi do rozwoju grzybów i pleśni, których wdychanie może mieć niekorzystne skutki zdrowotne.

Inteligentne systemy klimatyzacji automatycznie dostosowują tryb pracy klimatyzatorów do liczby i rozmieszczenia osób w pomieszczeniu

Stąd też producenci inteligentnych systemów wentylacji wyposażają je przeważnie w dwa typy czujników: czujniki poziomu CO2  oraz czujniki wilgotności względnej. Połączone bezprzewodowo z jednostką sterującą pracą wentylatora, na bieżąco monitorują kluczowe parametry powietrza i w razie stwierdzenia odchyłek od zadanych wartości przesyłają sygnał do otwarcia lub zamknięcia wentylatora. W nowo wznoszonych budynkach funkcję tę pełni przeważnie centralny wentylator dachowy. W istniejących obiektach, ze względów ekonomicznych i logistycznych, lepszym rozwiązaniem wydaje się instalacja małych nawiewników ściennych, które otwierają się i zamykają automatycznie, sterowane sygnałem z czujników lub programatora, a jednocześnie filtrują powietrze docierające z zewnątrz.
Jak dowodzą eksperci, taki inteligentny system mechaniczny jest tańszy niż wentylacja mechaniczna z rekuperatorem, w której wentylator wymusza dopływ powietrza i podgrzewa je ciepłem powietrza zużytego, wyprowadzanego z pomieszczenia. Jest również bardziej efektywny niż wentylacja grawitacyjna, gdzie dopływ powietrza z zewnątrz realizowany jest wyłącznie na zasadzie różnicy ciśnień między pomieszczeniem a otoczeniem budynku.

Błędy w automatyce budynkowej

Choć z założenia systemy inteligentnego budownictwa mają poprawiać komfort pracy przy jednoczesnym, niekiedy znacznym, ograniczaniu kosztów eksploatacyjnych, to sama instalacja systemu nie gwarantuje jeszcze sukcesu. Nawet najlepszy system automatyki budynkowej nie spełni pokładanych w nim nadziei, jeśli nie został dobrze przemyślany już na etapie projektowania. Dlatego dogłębne rozważenie jego obecnych i przyszłych funkcji powinno stanowić punkt wyjścia do rozmów z wykonawcą projektu i podstawę wyboru oferenta.
Należy pamiętać, że nie każda firma, która ma w swojej ofercie systemy inteligentnego budownictwa, rzeczywiście specjalizuje się w tej tematyce. Oznaką tego może być brak inicjatywy przy doborze poszczególnych komponentów wyposażenia (nieznajomość rynku), a także brak zainteresowania potrzebami klienta. W efekcie zaprojektowany przez nią system może nie spełniać oczekiwań właściciela, a co gorsza – wykazywać brak kompatybilności poszczególnych układów wykonanych w różnych standardach kodowania i obsługi. Niewłaściwie dobrane i rozlokowane komponenty nie pozwalają też na rozbudowę w przyszłości, stanowiąc zamkniętą strukturę o skończonym zakresie funkcji. A wystarczyłoby zostawić nieco miejsca w szafie sterowniczej i uwzględnić możliwość modyfikacji systemu sterowania. Dalszej rozbudowie nie sprzyja także brak dokładnej dokumentacji poszczególnych komponentów: ich rozmieszczenia, połączeń i sposobów programowania. Częstym błędem projektantów i użytkowników systemów inteligentnego budownictwa jest również bagatelizowanie kwestii bezpieczeństwa. Nawet jeśli system działa właściwie, może być podatny na ataki z zewnątrz. Dlatego warto zabezpieczyć go hasłem, a dodatkowo zainstalować czytnik linii papilarnych, który oprócz identyfikacji użytkownika umożliwia automatyczne dostosowanie trybu pracy systemu do preferencji jego operatora.