Směry systémového řešení budov z hlediska jejich technického zařízení

Definice inteligentní budovy vyslovená pracovní skupinou CIB W098 z roku 1995 a upravená Výzkumným ústavem inteligentních budov v Brně z roku 2010 zní: Inteligentní budova je dynamická a citlivá architektura, strukturálně funkcionální metoda konstrukce a technologie stavby, jež poskytuje každému obyvateli produktivní, úsporné a ekologicky přijatelné podmínky, pomocí soustavné interakce mezi svými čtyřmi základními prvky: budovou (materiál, struktura, prostor), zařízením (automatizace, kontrola, systémy), provozem (údržba, provoz) a vzájemnými vztahy mezi nimi.
Vložíme-li koncept inteligentní budovy do paradigmatu informační společnosti, dospějeme pak k následující výstižnější definici: Koncept inteligentní budovy je holistickou kombinací stavebních řešení, která uspokojuje potřeby obyvatel a přizpůsobuje se a roste s moudrostí. Z hlediska uživatelů budovy existují čtyři nezastupitelné oblasti: estetika, smysly, pohodlí a trvalá hodnota. Inteligentní budovy musí splňovat všechna tato kritéria.
Počátečním bodem pro vytvoření modelu inteligentní budovy jsou lidé, protože oni určují myšlenkovou základnu budovy. Lidé nejsou pasivními příjemci svého okolí, ale přizpůsobují se fyziologicky a behaviorálně, tedy svým chováním. Lidé reagují individuálně a jakákoli odezva může být dočasná nebo taková, jež bude uložena v dlouhodobé paměti. Budova a její prostředí, sociální klima, práce a její řídicí procesy, to vše vyvolává systém odezvy. Smysly jsou užívány, avšak zároveň mohou být zapojovány s cílem dosažení naplnění v práci. Inteligentní budova musí odpovídat požadavkům smyslů a na vyšší úrovni v ní lze vidět zdroj environmentální stimulace - na základní úrovni je přístřeším, jenž poskytuje bezpečí a ochranu před nepříznivým počasím.
Ve skutečnosti příliš mnoho budov vytváří nepříjemné klima a nechrání jejich obyvatele před zločinem. Inteligentní budovy ovlivňují naši pohodu a zdraví.
Změny ve společnosti i v technologiích utvářejí naši budoucnost. Demografické změny, změny v počtu obyvatelstva a délce dožití, globalizace, komunikace a globální změny představují část nejvážnějších výzev, jimž čelí celý svět. Budovy jsou navrhovány, stavěny, spravovány a modernizovány lidmi pro lidi, kteří v nich budou pracovat a bydlet. Práce se starými budovami a navrhování nových je o poskytování nabídky, která má uspokojovat poptávku. Budovy v sobě tvoří vnitřní prostředí, což má několik důsledků. Spotřeba materiálu, energií a vody vedle emisí do ovzduší a produkce odpadu znamenají, že je nezbytné maximálně využívat jejich účinnost a efektivitu provozu. Neméně důležitá je skutečnost, že narůstá množství jasných důkazů o tom, že fyzické prostředí má vliv na náladu člověka a na jeho schopnost práce, potažmo pracovní výkon.

Směry řešení a aplikací technických zařízení v inteligentní budově

Budoucí vizí při navrhování budov je, že budovy inteligentního rozměru budou konstruovány s ohledem na uchování jejich hodnoty, ochranu vod, blaho, zdraví, prevenci bezpečnosti a kriminality a také produktivitu svých uživatelů, využíváním obnovitelných zdrojů a s komplexním důrazem na efektivitu využívání a úsporu energií. Jak bude přistupováno k těmto faktorům, je znázorněno v následujícím konceptu energetických ukazatelů a úspor v integrované inteligentní budově (obr. 1). Dlouhý seznam položek technického vybavení a systémů nezaručují inteligenci budovy. Koncept inteligentní budovy lze lépe popsat tím, že jsou uvedena kritéria vlastností (např. lepší, ještě lepší, nejlepší; apod.) budovy než jen seznamem high-tech instalací. Využití lidských smyslů, inteligence a pocitů, jakož i duševních nebo možná i duchovních dovedností ve stavebnictví i v technologiích, může vést ke vzniku nových psychologických, sociálních a duševních kritérií designu budovy. Nejdříve se zdálo, že koncept inteligentní budovy je kombinací lidské inteligence a umělé inteligence. Umělá inteligence je lepší v logice a lidská inteligence je lepší v umění, kde je třeba mnoho citu. Inteligence spolu se vzděláním nám dává sílu ducha a rozlet. Správně usuzovat, dobře rozumět smyslu, umět logicky uvažovat jsou základními aktivitami lidské inteligence. Umělá inteligence je naopak označení uměle vytvořeného jevu, který dostatečně přesvědčivě připomíná fenomén lidské inteligence. Umělá inteligence zahrnuje například expertní systémy, neuronové sítě, zpracování hlasu, což jsou jen některé systémy, které mohou být aplikovatelné i v inteligentních budovách. Ovšem takto chápaný koncept inteligentní budovy není dokonalý a nemůže být realistický, protože na inteligentní budovy se díváme nejen jako na objekt reálného světa s určitou časoprostorovou rozlišovací úrovní popsanou jednoznačným matematickým modelem, ale také na systém typu biologického, ekonomického, ekologického či sociálního. To znamená, že v případě složitých systémů, jako jsou inteligentní budovy, u kterých se výrazně uplatňují jejich holistické a synergetické vlastnosti, mnohdy nelze oddělit uživatele od užívaného prvku, nebo od pozorovatele, který vnímá osvětlení od světelného zdroje, atd. A. Einstein vyslovil citát: Čím lépe matematické zákony popisují realitu, tím jsou méně přesné, a čím jsou přesnější, tím hůře popisují realitu. Tento fakt nás vede k formulování tzv. principu inkompatibility, který v podstatě říká totéž, co zmíněný citát, a to řečí fuzzy množin. Tento princip zní: Čím blíže je příslušný problém reálnému světu, tím více fuzzy (neostré) se stává řešení. Vložíme-li koncept inteligentní budovy do paradigmatu informační společnosti, dospějeme pak k následující výstižnější definici: Koncept inteligentní budovy je holistickou kombinací stavebních řešení, která uspokojuje potřeby obyvatel a přizpůsobuje se a roste s moudrostí.

Směry odborných a teoretických zákonitostí uplatňovaných při řešení inteligentních budov

Co tedy znamená fuzzy logika? Klasická logika pracuje na principu dvou ostrých protipólů, kterými se vyjadřuje příslušnost do jedné ze dvou těchto pólů (tříd): Pravda - Nepravda, Ano - Ne atd. Mluvíme o tzv. binární logice, která je okrajovým případem fuzzy logiky. U fuzzy logiky je situace zcela jiná. V případě jejího použití se dají zařazovat objekty do různých tříd v závislosti na tzv. stupni příslušnosti. Například v dané místnosti máme jeden nebo více světelných zdrojů, pokud budeme chtít postupně v dané místnosti osvětlení upravovat co do míry a plynulé hodnoty osvětlení v luxech (stmívání), budeme tuto funkcionalitu fúzovat atd. Slovy jako ?malý počet? nebo ?velký počet? v podstatě lidé vyjadřují právě daný stupeň příslušnosti. Z toho plyne, že fuzzy logika je schopna převádět vágní (slovní, nepřesné) výrazy do čísel, se kterými se pak provádějí logické operace, jež vedou k výsledkům, ke kterým by došla i uvažující inteligentní bytost. Například na základě operací typu součet, součin atd. je určité zařízení (spínací logický člen apod.) vybaveno fuzzy logikou, a pak je schopno provádět usuzování a rozhodování ne tak napodobené lidskému. Za tímto účelem se vytváří tzv. If - Then (jestliže - pak) pravidla, která jsou zcela běžně používána v běžném životě, jako například ?Jestliže je teplota vzduchu nízká, pak zvětšíme teplotu pomocí termostatického ventilu na otopném tělese?. Jinými slovy If - Then jsou pravidla, v nichž je v lingvistické formě ?zakódována? příčina a její příslušný následek. Fuzzy logiku lze tedy použít všude tam, kde je zapotřebí inteligentní činnosti obecně. V procesu tvorby a projektování inteligentních budov je prakticky nezastupitelná. Fuzzy logika je a bude vedle neuronových sítí a evolučních výpočtů jeden z pilířů umělé inteligence, která sehraje významnou roli při tvorbě a návrhu inteligentních budov a ve vzniku systémů se skutečnou všestrannou inteligencí.
Duševní růst člověka je předmětem zájmu lidí v informační společnosti. Potřeba bezpečí, sounáležitosti, poznání a porozumění včetně fyziologických a estetických potřeb jsou podle Maslowa základními kameny osobního naplnění jednotlivce. Současná informační společnost, jejíž význam a vývoj má vzestupnou tendenci, toto povyšuje s jednoduchostí a transparentností informačních toků a vyhledávání informací. Lidé v informační společnosti by měli usilovat také o duševní růst, jelikož se chtějí umět vyrovnat se stresem a proměnlivostí práce s vědomostmi. Návrháři, projektanti nebo jiní stavební odborníci by neměli podvědomě opakovat řešení svých vlastních potřeb či prostě potřeb jiných lidí, ale měli by v každé situaci kriticky posuzovat jejich přiměřenost a příslušnost k dané skupině. To umožňuje otevřeně naslouchat potřebám zákazníků a dokonce je dovést k tomu, že sami určí své podvědomé potřeby na základě svých znalostí a zkušeností zařazených do určité třídy příslušnosti. Harmonie uvnitř sebe sama nepřímo pomáhá druhým. Dávat druhému je snazší, je-li člověk v souladu se svými vlastními potřebami. Probíhá vědecká debata o pořadí, v jakých by měly být potřeby uspokojovány, a o úloze fyziologických, bezpečnostních potřeb, příslušnosti, lásky a uznání při uspokojování dalších potřeb.
Jakékoli úvahy o inteligentních budovách, ať při jejich studiu, navrhování či řízení, vyžaduje svobodu myšlení, které může zahrnout transdisciplinární myšlenky a systémy. Slovo transdisciplinárnost je skutečně holistický a interaktivní koncept. Strategie inteligentních budov zahrnují mnoho kritérií a snaží se integrovat myšlenky napříč širokého spektra problémů.
Na obr. 1. je zobrazena koncepce energetických úspor v inteligentní budově, kde v podmnožině ?zařízení? je výčet možných přístrojů a zařízení, které se mohou v inteligentní budově instalovat. Tato množina není vyčerpávající, s postupem času a technických možností může být rozšiřována, stejně tak jako ostatní dvě podmnožiny. S touto podmnožinou úzce souvisí podmnožina ?provoz?, kde je výčet celé řady možných provozních aplikací a funkcí vyžadujících především orientaci na energetickou úsporu a prostředí budov. Podmnožina ?budova? se zabývá řešením konstrukce, technologie a architektury inteligentní budovy s tím, že s oběma podmnožinami ?zařízení? a ?provozem? tvoří komplexní fenomén funkcí (model soustavy; komplexní množinu) - komplexní integrovaný systém řízení prostředí korespondující s lidskými smysly a managementem energií v systémové automatizaci budov.

¤ Obr. 1. Koncept energetických úspor v inteligentní budově

Soubor všech možných množin řešení - funkcionalit vytváří stavbu podobnou stavbě pyramidy, tj. stavba GUI (graphical user interface) se solidními základy. Základem je právě zmíněná funkcionalita. Pokud GUI nezajišťuje potřebnou funkcionalitu, není k ničemu. Dokud nemáme jasno ve funkcionalitě, je zbytečné se zabývat vyššími stupni, jako je použitelnost, design či estetika. Příkladem funkcionality může být: zabezpečení objektu před napadením a požárem, tedy jeho chováním v budoucnu při splnění několika požadavků či předpovědí například odchodem všech osob z objektu; zakódováním systémů EPS a EZS; uzamknutím všech dveří, oken a průchodů atd., nebo řízením osvětlení na základě konečného počtu časových okamžiků, kdy má nastat určitý stav osvětlení vymezeného prostoru. Takových funkcionalit v systému řízení inteligentních budov je nespočet. Můžeme je vyjádřit matematicky:

F_j - 0 až m; j-tá funkcionalita

F_i = f (z_i, p_i) V

F_i - 0 až n; i-tá funkcionalita
z_i - prvek podmnožiny ?zařízení?(i = 0 až n)
p_i - prvek podmnožiny ?provoz? (n = 0 až n)
V - vlastnost prvků podmnožin Z a P (v závislosti na konstrukci a architektuře budovy z podmnožiny ?budova?)

Z = {z₁, z₂, ... z_n}

P = {p₁, p₂, ... p_n}

Z - množina všech prvků podmnožiny ?zařízení?
P - množina všech prvků podmnožiny ?provoz?
z_i - prvek (funkce) podmnožiny Z
p_i - prvek (funkce) podmnožiny P
i - i = 1 až n

K tomu je nutné použít tzv. matematický model soustavy s vysoce moderní metodou regulace. Touto metodou je prediktivní regulace, protože ta pracuje na principu predikce, tzn. předpovědi, jak se bude dotyčný systém chovat v budoucnu v dané situaci. Prediktivní regulace je regulace diskrétní. Rozděluje časovou osu na určitý konečný počet časových okamžiků. Pro každý takový okamžik se optimalizuje akční zásah:
• regulátor sestavuje posloupnost akčních zásahů a testuje na modelu jejich dopad;
• regulátor optimalizuje tuto posloupnost akčních zásahů;
• po vybrání nejlepší posloupnosti vybírá její první akční zásah a ten provede na reálném modelu.

Celospolečenská poptávka po úsporách energií obrací pozornost k zapojení prediktivních řídicích algoritmů při provozování budov. To je základní fenomén podmnožiny ?provoz?. Zde se představuje další možnost úspor energií pomocí prediktivního regulátoru, který využívá termodynamický model budovy a předpovědi počasí. To umožňuje předpovídat vývoj teplot vnitřního vzduchu v krátkodobém časovém horizontu a na základě toho nastavit parametry regulace tak, aby byly splněny požadavky na hodnoty vnitřních teplot a přitom byla minimalizována energetická náročnost.

¤ Porozumění povahy znalostní práce a lidských nároků na prostor, architekturu, design a další vlastnosti budov je klíčovým faktorem úspěchu ve stavebním průmyslu

Sběrnicové systémy a protokoly v inteligentních budovách

Automatizace budov se vyvinula v samostatný a významný aplikační obor automatizační techniky, který poskytuje zákaznicky orientovaná řešení jak provozovatelům, tak uživatelům všech druhů budov. Automatizační prvky, jakými jsou senzory, akční členy a regulátory, řídicí mikropočítače a vizualizace procesů, zpravidla fungují v režimu distribuované inteligence. Tato zařízení musí být vybavena komunikačním systémem pro vzájemnou výměnu dat.
Moderní budovy kladou stále vyšší požadavky na instalovaná technická zařízení v celém svém aplikačním komplexu. Při moderních způsobech projektování a instalace technických zařízení budov, energie a vytváření prostředí (TZEPB) dnes stále častěji zjišťujeme, že na zařízení jednotlivých profesí už nelze pohlížet izolovaně, ale abychom byli schopni splnit požadavky na energetickou účinnost, resp. úspornost (obnovitelné zdroje i neobnovitelné zdroje, jako je biomasa, fosilní paliva), bezpečnost technologií staveb a jejich zařízení a požadovanou míru komfortu, je nutno je vzájemně propojit.
Současný vývoj v oblasti technologie budov vede k užšímu propojování slaboproudu a silnoproudu. Typickým příkladem je problematika úsporné regulace teploty v místnostech. V inteligentních budovách výpočetní technika řídí např. teplotu, osvětlení a výměnu vzduchu v místnostech. Vypíná topení v prázdných místnostech, automaticky zhasíná zapomenutá světla, odhalí v zimě zbytečně otevřená nebo rozbitá okna, upozorní na závady v otopném systému, hlásí vznik požáru, prasknutí potrubí, vniknutí nepovolaných osob, má zařízení pro likvidace odpadů, zařízení pro kanalizaci a odpadní vody, výtahy, zdviže apod. Inteligentní řídicí obvody ovládají prvky silového rozvodu elektrické energie. Spínají čerpadla, ventilátory, ventily v topení, osvětlení, apod. Proto je nutné, aby se každý odborník z oblasti projektování a realizace inteligentních budov, z oblasti TZB a silnoproudých elektroinstalací, inteligentních rozvodných sítí až po myslící rozvodnou síť (jako zprostředkovanou oblast budovy) seznámil se základy slaboproudu, automatizační a výpočetní techniky, zejména logického řízení.
Systémová technika budov popisuje propojení sítí, sestavených ze systémových komponent a účastnických stanic pomocí instalační sběrnice (Installation Bus) do jednoho systému, sladěného s elektroinstalací tak, že zajistí funkce, provozní fungování a spojení v příslušné budově. Inteligence systému je distribuována na jednotlivé komponenty. Informační toky probíhají přímo mezi jednotlivými účastníky. Jedním z důvodů, proč používat komunikační sběrnice v automatizaci budov, je hospodárnost. Základním předpokladem pro integraci všech technických zařízení do celého systému budovy je přenos informací, které jsou realizovány komunikačním propojením. Jednotlivá technická zařízení jsou určitým způsobem propojena s centrálním nadřazeným počítačem, toto propojení je řešeno systémem sběrnic (Bus Systém). S přibývající složitostí celých systémů se na trhu sběrnic prosadila myšlenka otevřených systémů a jednotných komunikačních protokolů.
Zatímco v průmyslové automatizaci byla již dříve vytvořena řada standardů, došlo v automatizaci budov teprve v druhé polovině 80. let k formování prvních komunikačních standardů, jako byl např. německý protokol pro přenos dat nezávislý na firmách FND a Profibus GA s profily pro automatizaci budov. V roce 1990 byl pak na evropské úrovni ustanoven technický výbor, který pro automatizaci budov vybíral sběrnice ze stávajících standardů. Pro operátorskou úroveň byly zvoleny sběrnicové standardy BACnet a FND, pro řídicí úroveň BACnet s LonTalk, Profibus FMS a WorldFIP, pro nejnižší úroveň BatiBus, EHS, EIB a LON, zakotvené od roku 1996 v evropské normě EN 50170.

Závěr

Budovy byly stavěny inteligentně již po staletí. Informační společnost, umělá inteligence, tvorba vnitřního prostředí, bezpečnost a úspora energií, to vše postavilo základ pro budování konceptu inteligentních budov. Porozumění povahy znalostní práce a lidských nároků na prostor, architekturu, design a další vlastnosti budov je klíčovým faktorem úspěchu ve stavebním průmyslu. Využitelnost budovy je toho důsledkem.

Použitá literatura:
[1] Bucceri, R.: How to Automate Both New & Existing Homes, Silent Servant, 2006
[2] Garlík, B.: Základy elektrotechniky, ČVUT Praha, 2010; interní skriptum katedry TZB
[3] Horák, Z., Krupka, F.: Fyzika. 2, Vyd. Praha: SNTL 1976
[4] Javorskij, B. M., Selezněv, J. A.: Přehled elementární fyziky, 1. vyd., Praha SNTL 1989
[5] Lepil, O.: Fyzika pro gymnasia - Optika, 3. vyd. Praha: Prometheus, 2002
[6] Králová, J., Doležal, P.: Different approaches to kontrol of TISO thermal system, In Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava, Rada strojní, 2. vyd., 2009, roč. 55, c. 2, s. 73-78
[7] Garlík, B.: Elektrotechnika & Inteligentní budovy, Skriptum ČVUT, Praha 2010
[8] http://autnt.fme.vutbr.cz/szz/2010/DP_Richter.pdf