Metodika návrhu řízení a monitorování energetických systémů budov

V této oblasti se plně projevuje potřeba integrovaného přístupu k řešení celého problému, který lze rozdělit do několika na sebe navazujících a vzájemně se ovlivňujících kroků:

• formulace zadání;
• koordinace projektu;
• aplikace zvolené metody.

Formulace zadání
Na počátku je většinou ne zcela přesně formulovaná myšlenka investora, kterou lze popsat jako: ?chci využít nejmodernější technologie pro řízení svého domu?, ?chci mít přehled o provozních stavech?, ?chci mít minimální spotřebu energie?, nebo ?chci mít kontrolu nad provozem domu??.
Druhým krokem je převedení této myšlenky do zadání projektu řídicího systému. Toto zadání již musí specifikovat jednotlivé požadované funkce ? například kolik místností bude mít individuální řízení teploty, jak se bude regulovat výkon vytápěcího, případně chladicího zařízení, zda se bude snímat poloha otevření okna, měřit koncentrace CO2 ve vzduchu a další funkce.

Koordinace projektu
Na základě zadání lze zpracovat projekt řídicího systému, obsahujícího jednak potřebné hardwarové prvky, jednak program pro řízení regulátorů vytvořený pro konkrétní řešení. V tomto kroku je nutná součinnost všech dotčených profesí ? architekt, topenář, vzduchotechnik, specialista na elektro ? se zpracovatelem projektu řídicího systému. Bohužel, právě v této oblasti je ještě celá řada zažitých postupů, které brání efektivnímu využívání možností moderních technologií. Inteligentní dům je vždy jen výtvorem lidského ducha a odrazem schopnosti jednotlivých aktérů vzájemně komunikovat a hledat společné optimální řešení.
Typickým příkladem je koordinace návrhu vytápění a jeho regulace ? topenář svým hydraulickým zapojením, počtem okruhů i osazením aktivních prvků předurčuje způsob regulace výkonu a v případě, že zpracovatel projektu regulace zvolí jinou koncepci, soustava buď nefunguje, nebo v ní je v lepším případě umístěno nadbytečné množství součástek. Většina moderních aktivních prvků otopných soustav obsahuje prvky autonomního řízení ? od tradičních termostatických hlavic, přes inteligentní oběhová čerpadla, po kotle vybavené programovatelnými regulátory s ekvitermní regulací. Napojení otopné soustavy na systém integrovaného řízení budovy pak sebou přináší nutnost buď odstavit jednotlivé autonomní regulační prvky, nebo hledat další řešení, jak má na autonomní chování jednotlivých prvků reagovat nadřazený regulační systém.
Dalším krokem je zpracování algoritmů a software pro řídicí systém, který definuje regulační zásahy, uživatelský interface a případnou archivaci sledovaných veličin. Posledním krokem je instalace, oživení a seznámení uživatele s obsluhou.
Pro efektivní řešení celého tohoto procesu je možné použít několik scénářů, které definují vzájemnou komunikaci mezi jednotlivými zúčastněnými. Nutno konstatovat, že největší překážkou bývá časová souslednost jednotlivých kroků ovlivňujících výsledné řešení.

• Prvním scénářem bývá dnes běžná situace, kdy zadání projektu řídicího systému přichází v okamžiku, kdy je zpracována projektová dokumentace jednotlivých profesí a na již předurčené řešení se navrhuje řídicí systém. Při tomto postupu je základem optimálního výsledku zkušenost zpracovatelů projektových dokumentací jednotlivých profesí, které jsou řešeny s ohledem na možnosti řídicího systému. Zpracovatel projektu řídicího systému má již velmi omezené možnosti aplikace a mnohdy nelze využít všech dostupných služeb.
• Druhý scénář je opačným extrémem, kdy je koncepce řídicího systému vstupním parametrem pro návrh energetických systémů budov ? například vytápění, větrání apod. V tomto případě lze očekávat, že řešení energetických systémů bude přizpůsobeno požadavkům řídicího systému z hlediska umístění regulačních prvků, členění na sekce a volby autonomních regulačních prvků.

Z obou scénářů tedy vyplývá nutnost vzájemné komunikace a vzájemné sdílení informací, což bývá mnohdy překážkou v efektivním řešení.

Aplikace metody
Možným řešením komunikačních problémů mezi projektanty je vytvoření takového softwarového nástroje, jenž umožní přímo zpracovatelům projektových dokumentací jednotlivých profesí (vytápění, chlazení, vzduchotechnika atd.) vytvořit návrh konceptu řídicího systému, z něj vygenerovat projektovou dokumentaci obsahující schéma zapojení a výpis prvků a současně i vytvoření programu určeného pro nahrání do řídicího systému.
Příkladem tohoto řešení je systém Kobra vyvíjený v rámci výzkumného projektu ve spolupráci ČVUT Fakulty stavební v Praze s českými firmami ADP CZ a Prolog. Vedle původního hardwarového řešení obsahuje systém software, umožňující zaškoleným osobám zpracovat většinu obvyklých řešení. Koncepce softwarového řešení odráží postup zpracování projektu a obsahuje dvě základní komponenty ? Kobra Architekt a Kobra Asistent.¨

Kobra Architekt 
Základním vstupem pro návrh je zapojení energetických systémů zpracované pro všechny dotčené profese nejlépe v koordinačním schématu obsahujícím energetické zdroje (kotle, tepelné čerpadlo, solární kolektory), akumulaci (pokud je použita), rozvody a spotřebiče (vytápění otopnými tělesy, podlahové vytápění, bazén, příprava teplé vody atd.). Toto schéma, interaktivně vytvořené ve vlastním grafickém replicas relojes omega programu, se osadí regulačními a monitorovacími moduly, které jsou v nabídce předdefinovaných schémat (obr. 3).
Druhým podkladem je půdorysné řešení daného objektu, sloužící k vyznačení umístění spotřebičů, čidel a ovládacích prvků (obr. 4).
U většiny prvků lze v rámci návrhu vytvořit prostor pro uživatelský scénář, který si může koncový uživatel upravovat podle potřeby. Pokud požadované řešení není zatím v již připravených schématech, pak jej autor projektu doplní a předá k dalšímu využití. S výjimkou tohoto případu není třeba k sestavení projektu žádný programátor ani jiný specializovaný pracovník dodavatele systému. Po ukončení návrhu provede program kontrolu zadání, ověří navržené komponenty, adresování aktuátorů a dalších prvků tak, aby bylo možné systém bezchybně sestavit a realizovat v budově.

¤ Obr. 3. Schéma energetického systému s osazenými prvky pro řízení energetického systému

 Obr. 4. Půdorysné řešení objektu s osazenými prvky

Kobra Asistent
Pro ovládání systému, programování uživatelských scénářů a monitorování měřených hodnot se primárně používá dotykového LCD panelu, který je součástí řídicí jednotky s technologickým procesorem. Kromě toho lze parametry systému monitorovat a pohodlně nastavovat prostřednictvím PC připojeného k internetu uživatelským programem Kobra Asistent (obr. 5).
Tento SW umožní přístup do systému, provedení úprav a nastavení a vizualizaci všech hodnot systémem monitorovaných (obr. 6).
Měřené a snímané hodnoty jsou ukládány v linuxovém serveru a krátkou i dlouhou historii lze zobrazit v grafu na obrazovce. Program umožňuje i vzdálený přístup pro servisní firmu za účelem predikce poruchy či nadměrného opotřebení. Veškeré zásahy provedené do systému programem Kobra Asistent se automaticky promítnou do řídicího technologického procesoru v dotykovém ovládacím panelu Kobra.

¤ Obr. 5. Grafický interface pro uživatele s možností nastavení požadovaných hodnot

 
¤ Obr. 6. Týdenní kalendář pro nastavení uživatelského scénáře

Závěr 
Kompletní sestavení projektu například rodinného domu o dvanácti místnostech s bazénem, solárním systémem, tepelným čerpadlem, zónovou regulací místností, stropním chlazením, cirkulací teplé vody, osvětlení, simulaci přítomnosti, řízením závlahy, zabere maximálně jednu hodinu. Výsledkem je projektová dokumentace, vizualizace a řídicí konfigurační soubor do technologického procesoru (obr. 1), který připraví řídicí jednotku s dotykovým panelem (obr. 2) přímo pro danou aplikaci. Tím končí veškerá příprava a pokud je připravená kabeláž, lze systém namontovat, oživit a předat do provozu.
Metoda, umožňující zpracování návrhu řídicího systému projektantem vytápění či vzduchotechniky, přináší výrazné zefektivnění práce, zkvalitnění návrhu a odstranění chyb vzniklých při přenosu informací mezi zpracovateli projektových dokumentací jednotlivých profesí. Kromě řady úspěšných realizací je v současnosti tato metoda využívána i při výuce posluchačů magisterského mezifakultního studijního programu Inteligentní budovy replique montre cartier, vyučovaným ve spolupráci Fakulty stavební, Fakulty strojní a Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze.

Tento článek vznikl za podpory grantu MPO 2A-1TP1/051

¤ Obr. 1. Řídicí jednotka s technologickým procesorem

¤ Obr. 2. Dotykový LCD panel pro ovládání systému, programování uživatelských scénářů a monitorování měřených hodnot. Do řídicího technologického procesoru v dotykovém LCD ovládacím panelu se automaticky promítnou veškeré zásahy provedené do systému například programem Kobra Asistent.