PROVOZNĚ TECHNICKÉ FUNKCE SYSTÉMŮ V BUDOVÁCH A

Transkript

1 Katedra elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - TU Ostrava ZÁKLADY SYSTÉMOVÉ TECHNIKY BUDOV PROVOZNĚ TECHNICKÉ FUNKCE SYSTÉMŮ V BUDOVÁCH A DOMECH Úvod Zajištění automatizace provozu budovy Automatizace budov Řídicí systémy provozu budov a dispečerská technika Ing. Tomáš Mlčák, Ph.D. Ing. Jan Vaňuš, Ph.D. prosinec 2011 ZÁKLADY SYSTÉMOVÉ TECHNIKY BUDOV 1 Provozně technické funkce systémů

2 1. ÚVOD Trochu jiný přístup při realizaci domovní elektroinstalace zvolily některé firmy, které začaly tyto obvody budovat jako sběrnicové systémy. Tento trend není až tak nový a byl umožněn hlavně rozvojem průmyslové automatizace. Dále také například zlevněním a zpřístupněním mikroprocesorů a dalších polovodičových obvodů, zvýšením výkonu a dostupností osobních počítačů. Tyto systémy by měly především zvýšit komfort při každodenní obsluze elektrického vybavení domácnosti. Jejich další přínosem je zvýšení bezpečnosti při obsluze (na mnoha prvcích se vyskytuje pouze stejnosměrné napětí 24V což je ochrana malým bezpečným napětím i v prostorách zvláště nebezpečných), dále začlenění protipožární ochrany a ochrany proti vloupání do objektu. Neméně důležitou výhodou je vysoká přizpůsobivost sběrnicových systémů což znamená, že při rekonstrukci objektu není potřeba rozsáhlých stavebních změn, ale v mnoha případech stačí pouze přeprogramovat funkci jednotlivých přístrojů. Neméně důležitou výhodou je úspora elektrické energie a tudíž určitá návratnost investic do tohoto druhu elektroinstalace. Automatizovaný systém řízení je systém, který samočinně vyhodnocuje okamžitý stav snímaných fyzikálních veličin a při jejich změně nad stanovenou mez zpravidla provádí regulační zásah. Někdy může být zpráva o překročení provozních parametrů pouze předána obsluze (opticky hlášení na displeji nebo monitoru, akusticky sirénou, apod.) a samotný zásah ponechán na rozhodnutí obsluhy. V případě systémové techniky budov jde o decentralizovaný systém každý prvek systému má svůj vlastní mikroprocesor (většinou jednočipový mikroprocesor od firmy Motorola) a vlastní paměť (flash s ovládacím programem a uživatelským programem; a dále paměť RAM pro ukládání provozních dat). Nejedná se tedy o systém, který se používá ve velkých správních budovách nebo v průmyslu, kde je jeden centrální počítač, který sbírá data od spousty čidel umístěných v budově a vykonává veškeré regulační zásahy a signalizaci. Tento přístup by se v malých budovách vůbec neuplatnil především z hlediska vysoké pořizovací ceny a vysokých nároků na ovládání. Decentralizovaný systém je také mnohem spolehlivější. Samozřejmě není vyloučeno propojení obou systémů navzájem. 2. ZAJIŠTĚNÍ AUTOMATIZACE PROVOZU BUDOVY Na obrázku č. 1 jsou popsány aplikace, které musí automatické systémy co nejúčinněji spravovat, tedy zajišťovat ekonomické, ekologické a komfortní řízení, aby byl zajištěn optimální provoz celého objektu. Pro zajištění komplexního řízení musí být zajištěna automatizace následujících funkčních celků: 2.1 osvětlení standardní ovládací místa u dveří a průchodů zůstávají zachována a jsou dále doplněna o ovládání např. od sedací soupravy, lůžka, popřípadě ovládání přenosným infračerveným ovladačem. v chodbách, koridorech a na zahradě mohou být použita pohybová čidla. je možné vytvořit skupinu osvětlení, která je při napadení objektu spínána tlačítkem např. od lůžka. při opuštění domu je osvětlení součástí soustavy pro simulaci přítomnosti osob. lze vytvořit možnost centrálního vypnutí při odchodu z domu např. inteligentním zámkem při odchodu. osvětlení lze ovládat přes centrální dohlížecí médium, tzn. přes televizor nebo domácí počítač s vizualizačním programem. ZÁKLADY SYSTÉMOVÉ TECHNIKY BUDOV 2 Provozně technické funkce systémů

3 2.2 zásuvky dálkové a časové ovládání zásuvek, lze zavést kontrolu stavu (vizualizace), zásuvky pro pokojové svítidla mohou být i se stmíváním. 2.3 vytápění centralizované či necentralizované vytápění, při otevřeném okně je zablokováno vytápění místnosti, dálkové ovládání zapínání a vypínání topení (mobil), možnost nastavení denních teplotních režimů v závislosti na čase a přítomnosti osob v místnosti, optimalizace tepelných poměrů v závislosti na účelu využití prostoru kontrola provozního stavu topného agregátu, regulace kotlů na tuhá paliva, optimalizace různých zdrojů pro ohřev TUV (slunce, plyn, elektrika). 2.4 rolety a žaluzie elektronické pohony mohou okamžitě reagovat na okamžitou změnu povětrnostních podmínek a slunečního záření, lokální ovládání z místnosti, možnost zapojení časových režimů a simulace přítomnosti, vizualizace okamžitého stavu polohy žaluzií, nastavení předdefinovaných stavů. 2.5 pohyblivé markýzy a sluneční clony možnost reakce na okamžitou povětrnostní situaci a sluneční záření, možnost zapojení časových režimů a simulace přítomnosti. 2.6 kontrola uzavření otvorů obvodového pláště (okna, dveře apod.) okamžitý stav oken a dveří a jejich vizualizace, zapojení do managementu vytápění (blokování vytápění), ovládání elektrickými pohony, 2.7 kontrola vody, plynu a elektrické energie 2.8 kontrola netěsnosti 2.9 kontrola spotřeby médií 2.10 domácí spotřebiče (Home Electronic System) standardní lokální ovládání, časové a dálkové ovládání zahrada pohybové senzory detekují pohyb na otevřeném prostoru (alarm, rozsvícení světel), zalévání půdy na základě vyhodnocení rezistivity půdy zabezpečení objektu pomocí pohybových a tříštivých čidel a okenních kontaktů lze zabezpečit objekt proti narušení nepovolanými osobami, vizualizace narušení v budově a avízo na telefon či policejní stanici, nastavení poplachové konfigurace systému při alarmu (zvukový a světelný alarm), ZÁKLADY SYSTÉMOVÉ TECHNIKY BUDOV 3 Provozně technické funkce systémů

4 signalizace požáru, získání přehledu o energeticko provozní situaci v budově a její zprostředkování přes různá média (zobrazovací panely, monitor počítače, televizní obrazovku, telefonní linku, ISDN linku, Internet, atd.) a zálohování (na paměťová média a v tištěné podobě). Obr. 1. Aplikace zajišťované automatickými systémy. Je samozřejmé, že tyto systémy jsou mnohem nákladnější a je tudíž potřeba pečlivě zvážit, kdy je účelné je nasadit. Kupodivu se stále ještě nedostala kupředu možnost vybavit tímto systémem budovy jejichž budoucí účel při stavbě není znám po upřesnění požadavků budoucích nájemníků se pak systém pouze přeprogramuje k požadovanému účelu, bez dalšího zasahování do stavby. Jak již bylo řečeno, této vlastnosti se dá s výhodou použít při rekonstrukcích což je ale víceméně výhoda pro kanceláře a objekty podobného využití nebo objekty které často střídají majitele. Možnost rozšiřování těchto systémů je takřka neomezená. 3. REALIZACE AUTOMATIZACE BUDOV POMOCÍ SBĚRNICOVÉHO SYSTÉMU NIKOBUS Automatizace budov rodinných domů a bytů se v mnoha zemích Evropy zavádí z důvodů optimalizace komfortu ovládání přístrojů v domácnosti a optimalizace bezpečnosti. Dalšími přínosy sběrnicové instalace jsou úspora energie, funkce centrálního ovládání a signalizace poplachu. ZÁKLADY SYSTÉMOVÉ TECHNIKY BUDOV 4 Provozně technické funkce systémů

5 3.1 Osvětlení V systému sběrnicové instalace Nikobus lze definovat různé osvětlovací skupiny nebo trasy např. osvětlení garáže, chodby a obývacího pokoje při příchodu domů, nebo zapnutí osvětlení v noci lampa na nočním stolku, osvětlení chodby a koupelny. Uživatel si zvolí tyto skupiny sám, případně si je může později přizpůsobit. Každému ovládacímu místu lze přidělit různé povely a provedení různých funkcí. Ve spojení s radiofrekvenčním ovládáním lze realizovat další komfortní funkce, jako například dálkové ovládání svítidel, rolet a žaluzií, dokonce i v různých pokojích. Sběrnicovým tlačítkem lze automaticky stmívat osvětlení nebo automaticky spouštět a vytahovat rolety. Z jednoho nebo i z více ovládacích míst lze centrálně zapínat nebo vypínat vícero nebo i všechna svítidla v domě (například ve dvoupodlažním domě všechna svítidla na chodbách nahoře i dole). Do systému lze také začlenit detektory pohybu, přičemž se světlo automaticky zapne a po předem určeném intervalu vypne. To je pohodlné, šetří to energií a nezapomíná to. Detektory pohybu se používají pro ovládání osvětlení chodeb, sklepů, WC pro hosty, skladů, garáží a podkrovních prostorů. Všechny funkce, které jsou přiřazeny jistému ovládacímu místu, lze jednoduše a pružně změnit bez nutnosti položení nového kabelu nebo bez nutnosti sekat zeď jednoduše změnou nastavení na řídicích jednotkách v rozváděči. Ovládání lze bez problémů rozšířit i pomocí radiofrekvenčního systému. Systém umožňuje vytvářet i různé světelné scény. Stiskem spínače "sledování TV", "stolování", "čtení" se osvětlení nastaví na předem nastavenou úroveň podle požadavků na osvětlení pro dané činnosti. Tyto světelné scény si může uživatel kdykoliv jednoduše změnit a nastavit. 3.2 Zvýšení komfortu Centrální ovládací místa mají tu přednost, že jedním tlačítkem lze zapnout nebo vypnout celé skupiny nebo i všechny elektrické spotřebiče. Tím lze zabránit například tomu, že se např. při opuštění bytu zapomene vypnout osvětlení nebo spínané spotřebiče. Samozřejmě, netýká se to spotřebičů, které mají zůstat zapnuty (například budík, chladnička atd.). Ovládání rolet nebo žaluzií může být místní, centrální nebo i dálkové. Rolety lze ovládat i automaticky pomocí spínacích hodin nebo signálem z vnějších senzorů, jako jsou detektory větru nebo deště nebo soumrakové spínače. Ovládání rolet se může kombinovat s ovládáním osvětlení (při zapnutí světla se spustí rolety). Samozřejmě, do systému Nikobus může být připojeno i ovládání topení. 3.3 Vytápění - Klimatizace Topení lze zapínat a vypínat v závislosti na času nebo ručně. U termostatů Niko lze přepínat noční pokles teploty pomocí spínacích hodin ručně, nebo přes telefonní rozhraní připojené na pevnou linku nebo mobilní systém. Při použití regulačních ventilů na topných tělesech lze pomocí detektoru pohybu nebo spínacími hodinami ovládat topení jednotlivých místností, např. u méně používaných místností. Centrálním spínačem "den lze například zapnout nejen určité skupiny osvětlení, ale také topení zvolených místností. Je-li např. zapnuto světlo v ložnici, může se topení ostatních místností přepnout na noční pokles. Přitom teplota v ložnici může zůstat ještě na nastavený čas na komfortní hodnotě. Jsou-li okna vybavena okenními kontakty, lze při otevření okna automaticky snížit teplotu topení na ekonomickou (noční pokles). Podobným způsobem lze provozovat i klimatizaci: ruční ovládání, časově závislý provoz, ZÁKLADY SYSTÉMOVÉ TECHNIKY BUDOV 5 Provozně technické funkce systémů

6 provoz závislý na pohybu osob nebo na teplotě. Svítí-li do pokoje delší dobu slunce (intenzitu slunečného osvětlení vyhodnocuje soumrakový spínač), lze automaticky spustit markýzy nebo žaluzie, aby se zabránilo přehřátí místnosti. 3.4 Bezpečnostní funkce V úvodu je třeba říci, že Nikobus neplní standardní funkce alarmu (EZS). Přesto však může být výstupní kontakt instalovaného alarmu napojen do systému Nikobus a tím lze například při narušení střeženého prostoru v objektu vyvolat přídavné funkce např.: zapnou se všechna světla v domě, vytáhnou se rolety, začne blikat vnější osvětlení zahrady, aktivovat přídavné poplachové zařízení, informace přes telefonní rozhraní Telecontrol o narušení objektu systém předá na max. 3 předvolená telefonní čísla. To jsou jen některé příklady funkcí, které mohou být uživatelem nastaveny. Pro prevenci před násilným vnikem do objektu je možná funkce simulace přítomnosti osob v domě. Uživatel si přitom může zvolit skupiny světel, které se mají po dobu jeho nepřítomnosti např. o dovolené apod. libovolně spínat a nastaví se také čas, kdy se mají tato světla náhodně spínat. To platí i pro spuštění a navíjení rolet. Náhodný simulační generátor ve spínacích hodinách Nikobus pak nezávisle pozměňuje tyto časy. Nikobus nabízí také možnost technických alarmů, které lze aktivovat pomocí bezpotenciálových kontaktů (např. detektor plynu, kouře, vody, CO2 nebo rozbití skla). Při aktivaci některého z těchto alarmů se mohou zapnout nebo vypnout předvolené spotřebiče nebo se zapne pouze signalizace. Signalizace by se měla použít hlavně v bytech starších lidí. Např. stiskem tlačítka (poplach) začne blikat vnější osvětlení. Některé přístroje v domácnosti (např. fritéza, žehlička, kávovar ap.) a osvětlení se mohou přitom centrálně vypínat. Nikobus tak přispívá k lepšímu pocitu bezpečnosti obyvatelů domu. 3.5 Úspora energie Nikobus umožňuje také spínání jistých spotřebičů (pračka, sušička, čerpadla) v době výhodnějších tarifů za spotřebovanou energii, např. na základě signálu HDO (hromadného dálkového ovládání). Tato efektivní úspora energie přispívá také k částečnému navrácení vložených investic do systému Nikobus. 4. ŘÍDICÍ SYSTÉMY PROVOZU BUDOV A DISPEČERSKÁ TECHNIKA Řídicí systémy provozu budov (Building Automation Systems - BAS) slouží k zajištění jednoduchého, bezpečného, spolehlivého a hospodárného provozu technických zařízení budov. Automatickým monitorováním, spouštěním (resp. odstavováním) provozu zařízení přitom usnadňuje obsluhujícímu personálu řešení rutinních úloh a optimalizací provozu zařízení podle aktuální potřeby umožňuje dosáhnout úspory nákladů na energie (programy omezování spotřeby). Řídicí systémy provozu budov kontrolují, ovládají a regulují následující technická zařízení: vzduchotechnická zařízení, otopná zařízení a zdroje tepla, chladicí zařízení a zdroje chladu, ZÁKLADY SYSTÉMOVÉ TECHNIKY BUDOV 6 Provozně technické funkce systémů

7 sanitární zařízení, protipožární zařízení, silnoproudá zařízení, záložní zdroje, osvětlovací zařízení, výtahy a dopravní zařízení, slaboproudá zařízení. Zařízení, která se používají nebo obsluhují, a tedy i kontrolují individuálně, nemusejí být připojena na řídicí systém provozu budovy. Patří mezi ně např.: výpočetní technika, kopírovací stroje, datové terminály, kuchyňské přístroje. Tyto úkoly mohou hospodárněji řešit speciální informační systémy. Řídicí systém pouze kontroluje jejich provozní stav. Řídicí systém provozu budovy by neměl přímo řešit úkoly, které souvisejí s bezpečností a se zpracováním osobních údajů, jako jsou např.: požární signalizace, hlášení o narušení objektu, kontrola vstupu, evidence docházky, sběr údajů pro účely stravování atd. Znamenalo by to totiž speciální požadavky na systém i na obsluhu, přičemž současně není možné vyloučit i otázky ochrany údajů. U rozsáhlých a sofistikovaných budov (tzv. inteligentních budov) se však budují integrované systémy správy budovy (Facility Management System - FAS, Building Management System - BMS), které zahrnují jak řídicí systém provozu budovy, tak i řadu výše uvedených slaboproudých systémů. Jejich vzájemným komunikačním propojením lze vytvářet složité vazby mezi nimi, a tím dosáhnout vyššího komfortu, větší hospodárnosti provozu a větší bezpečnosti budovy. Aby mohl plnit řídicí systém provozu budovy svojí úlohu, musí být nadřízen technickým zařízením budov, ale bez zpochybnění jejich autonomností z hlediska možnosti nouzového provozu. Podmínky pro komunikační rozhraní jsou definované v příslušných normách (např. VDI 3814). Struktura systému Charakteristické prvky řídicího systému provozu budov jsou znázorněny na obr. 2: jedna nebo více dispečerských pracovních stanic s obslužnými přístroji, řídicí podstanice s funkčními moduly, komunikační síť mezi podstanicemi a dispečinkem a mezi dispečerskými stanicemi. V současné době se používají decentralizované řídicí systémy využívající na základní, nejnižší, úrovni jejich hierarchické struktury programovatelné mikroprocesorové regulátory (podstanice). Tyto podstanice řídí podle definovaných algoritmů, uložených v jejich paměti, jednotlivá zařízení - tedy i vzduchotechniku, jednotlivé kotelny výměníky, topné okruhy nebo přípravu TUV Informace jsou v podstanicích uloženy a zpracovávány v digitální formě, a je proto možné je prostřednictvím datové komunikace přenášet a využívat přitom všechny moderní metody dálkového přenosu dat. Datové komunikační sběrnice propojují lokální podstanice s řídicími zařízeními na vyšších úrovních decentralizované struktury, protokoly ZÁKLADY SYSTÉMOVÉ TECHNIKY BUDOV 7 Provozně technické funkce systémů

8 pro přenos dat a konkrétní topologie systému řízení se mohou v detailech lišit podle konkrétního zvoleného řídicího systému. Obr.2 Struktura řídícího systému provozu budovy (systém Johnson Controls). ZÁKLADY SYSTÉMOVÉ TECHNIKY BUDOV 8 Provozně technické funkce systémů

9 Nejvýše ve struktuře řídicího systému je však vždy alespoň jedna dispečerská neboli operátorská pracovní stanice. Ta je realizována osobním počítačem, na kterém je implementováno příslušné systémové programové vybavení. Uživatelským programovým vybavením, zpracovaným dodavatelem řídicího systému, je operátorská pracovní stanice přizpůsobena konkrétním požadavkům dané aplikace. Při velkém počtu informačních bodů (zejména u rozsáhlých budov nebo komplexů budov) se vkládá mezi podstanice a dispečerské stanice ještě jedna řídicí úroveň z tzv. dohlížecích jednotek (řídicích modulů, koncentrátorů dat), ve kterých jsou realizovány řídící algoritmy vyšší úrovně. Dispečerské stanice jsou pak osvobozeny od řídicích a dohlížecích funkcí a slouží pouze jako prostředek pro komunikaci obsluhy s řídicím systémem - k definování nebo zpracování databází, vypracování přehledů, přijímání hlášení. Tato koncepce přispívá ke zrychlení komunikace (na vyšší úrovni.se používá vysokorychlostní počítačová síť a zvýšení spolehlivosti systému (dohlížecí jednotky tvoří počítač v průmyslovém provedení, nikoliv osobní počítač). Podstanice jsou instalovány spolu s rozváděči nebo v jejich blízkosti. Dispečink mívá samostatnou místnost (přibližně 20 m~) v blízkosti vrátnice nebo v oblasti bezpečnostní centrály. Ve velkých objektech je podstatné, že dispečink má trvalou obsluhu, přijímají se zde přicházející provozní hlášení a podle definované priority se zpracovávají. Protože dispečinky obsluhy řídicí techniky jsou pracoviště, resp. slouží k trvalému pobytu osob, je třeba je pokládat za kancelářský prostor s vysokým stupněm nároků na bezpečnost. U menších stavebních projektů nebo v budovách s menším standardem technického vybavení se nepoužívají dispečerské systémy, ale pouze prostředky centralizované obsluhy rozváděčové jednotky, obslužné panely, displeje nebo terminály). Projektování centrálního řídicího systému je mimořádně složitým úkolem a měl by ho primárně řešit odborník na automatizaci z oblasti vytápění, chlazení a vzduchotechniky, protože na tato zařízení se vztahuje převážná většina informačních vstupů, výstupů a funkcí zpracování informací. U velkých stavebních komplexů se doporučuje konzultace se zkušeným specialistou, který je schopen postihnout informační propojení všech provozních procesů a transformovat je do příslušných řídicích programů systému automatizace budov. Větší stavební projekty se středním až s vysokým standardem technické vybavenosti se nemohou obejít bez použití řídicího systému, protože provoz mnoha zařízení nemůže ručně ovládat jen jedna osoba nebo malá skupina osob. Mimo to, že tyto řídicí systémy musejí zabezpečit úsporu energie, slouží i k úspoře personálu obsluhy a profylaktické údržby i revize technických zařízení (úkoly správy budov - Facility Management). Potřeba prostoru pro příslušné dispečinky slaboproudých zařízení a především pro dispečink řídicího systému provozu budovy představuje v závislosti na velikosti objektu a komplexnosti technických zařízení asi 0,1 až 0,15 % úhrnné plochy podlaží (viz následující tabulka 1). Tab. 1 Zařízení řídící techniky budov Potřeba prostoru na Půdorys (m 2 ) Větrání Poznámky minimální( vybavení (obslužnou jednotku, skříň ovládání) Klimatizace Místnost s dopadem denního světla (např. kancelář) v blízkosti dílny Další přídavná technická zařízení pro jednu centrálu 2-3 Dimenzování podle odhadu ztrátového výkonu (oteplení) technických zařízení a počtu osob Použitá literatura [1] Valter J.; Regulace v praxi, BEN, Praha 2010, ISBN M ZÁKLADY SYSTÉMOVÉ TECHNIKY BUDOV 9 Provozně technické funkce systémů

10 [2] Hájíček T.: Systémy pro řízení inteligentních domů, BP 2009, ČVUT Praha. [3] [1] Toman,K.- Kunc,J.; Systémová technika budov - FCC Public spol. s r..o. v roce 1998 [2] Vlach,J.; Řízení a vizualizace technologických procesů; BEN Šmejkal; PLC a automatizace - 1.díl; [4] Firemní podklady firmy Siemens, [5] Firemní podklady firmy Moeller, [6] Firemní podklady firmy ABB, [7] Firemní podklady firmy Schneider Electric CZ, s. r. o., [8] Bothe R., Pávek J.; Inteligentní elektroinstalace Nikobus - systém Nikobus, Moeller, 2004 [9] Daniels K.; Technika budov, příručka pro architekty a projektanty, Jaga group,v.o.s., Bratislava 2003, ISBN X [10] Bastian P.&kol.; Praktická Elektrotechnika, Europa Sobotáles, Praha 2006, ISBN X [11] Tkotz K.; Příručka pro Elektrotechnika, Europa Sobotáles, Praha 2006, ISBN [12] Valeš M.; Inteligentní dům, ERA group spol.s r.o., Brno, 2006, ISBN: [13] Heřman J,; Elektrotechnické a telekomunikační instalace, Dashofer Holding, Ltd.&Verlag Dashofer, nakladatelství, s.r.o., Praha, 2007, ISBN [14] Hájek J.; Komunikační sběrnice používané v automatizaci budov, stáhnuto ZÁKLADY SYSTÉMOVÉ TECHNIKY BUDOV 10 Provozně technické funkce systémů