Sterowanie instalacjami w smart domu: oszczędności i kontrola

Współczesne domy mają nowoczesne instalacje grzewcze, coraz częściej też wentylację z rekuperatorem oraz klimatyzację. Wszystkimi tymi systemami da się sterować, a właściwie trzeba to robić, bo inaczej wykorzystamy tylko ułamek ich możliwości. Ponadto kontrola nad nimi to również trzymanie rachunków za energię w ryzach.

Nowoczesne sterowanie instalacjami, czyli co znaczy smart?

W praktyce nie sposób wszystkie domowe urządzenia kontrolować ręcznie. Przecież nie będziemy ciągle biegać do kotłowni i zmieniać ustawienia ogrzewania, a po drodze zaglądać jeszcze jak radzi sobie centrala wentylacyjna. Trudno żeby ktoś miał na to siłę i czas, a do tego dość wiedzy, żeby pilnować optymalnych parametrów pracy.

Dlatego używamy rozmaitej automatyki - sterowników, regulatorów, termostatów... Ale nie oszukujmy się - po pierwszym okresie ekscytacji nowym sprzętem, kiedy wręcz bawimy się jego ustawieniami, najchętniej przestawilibyśmy wszystko na pełen automat. Idealne byłoby ustawienie przy którym nie musimy robić nic. Trochę tak, jak ze sprzętem AGD - kto pamięta, ile w ogóle programów mają pralka i zmywarka? A tym bardziej, czym się różnią?

Właśnie po to, żeby wszystko działo się "samo", a my nie musieli biedzić się z ustawieniami poszczególnych urządzeń, wymyślono instalacje inteligentne. Bo tak naprawdę ideał to określenie przez użytkownika tylko tego jaki ma być efekt końcowy. Zaś nasz Smart Dom ma zadziałać tak, aby ten cel osiągnąć. Banalny przykład - my chcemy jedynie, żeby w domu od poniedziałku do piątku pomiędzy 6.30 i 7.30 było 21°C, bo w tych godzinach wstajemy i szykujemy się do pracy.

Przy dobrym, zintegrowanym sterowaniu w wersji Smart, zupełnie nas przy tym nie interesuje, kiedy trzeba będzie w tym celu włączyć ogrzewanie (i z jakim wyprzedzeniem), kiedy zaś klimatyzację, a może zamiast niej wystarczy nie spieszyć się z całkowitym podnoszeniem rolet zewnętrznych na nasłonecznionych oknach? Być może, żeby to osiągnąć przyda się też latem automatyczne uchylenie okien w godzinach nocnych, żeby nieco przechłodzić budynek.

Oczywiście, liczymy się z tym, że zależnie od pory roku i pogody w danym dniu, nasza automatyka będzie musiała podjąć zupełnie różne działania. Ale na tym właśnie polega Smart Dom, że nie powtarza on zupełnie mechaniczne tych samych sekwencji czynności, lecz dostosowuje swoje dzianie do sytuacji. Zaś dokładniej mówiąc - do tego, jakie sygnały spływają z dostępnych w systemie czujników (temperatury, nasłonecznienia itd.).

W Smart Domu określamy jedynie jakie warunki (np. temperaturę) chcemy mieć. Dalej system sam decyduje, w jaki sposób to osiągnąć. (fot. Somfy)

Dlaczego ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja powinny ze sobą współpracować?

Ogrzewanie, wentylacja, klimatyzacja to trzy instalacje w największym stopniu odpowiedzialne za komfort oraz zużycie energii. Dlatego koniecznie powinny ze sobą współpracować, tym bardziej, że ich wymagania często są potencjalnie sprzeczne. Przykładowo, jeśli chcemy mieć zawsze świeże i czyste powietrze, to nic prostszego, jak stale ustawić jego intensywną wymianę. Bez względu na porę roku i dnia.

Ale tu pojawia się problem. Przecież duża wymiana powietrza to większe straty ciepła w zimie i czynnik sprzyjający nadmiernemu nagrzewaniu się wnętrz w czasie upałów. Czyli patrząc pod kątem efektywności ogrzewania oraz klimatyzacji, należy ją jednak ograniczyć. Dlatego potrzebne jest wypracowanie równowagi pomiędzy wymogami poszczególnych instalacji. Chodzi o sytuację, w której każda z instalacji działa w pełni swoich możliwości, lecz równocześnie nie przeszkadzając pozostałym.

Dlatego, zostając już przy przykładzie z wentylacją, można tak sterować centralą z rekuperatorem, żeby ograniczała ona wentylację tylko w niektórych godzinach, kiedy i tak jesteśmy poza domem, albo tylko w wybranych pomieszczeniach, gdzie akurat nikt nie przebywa. Poza tym zmniejszając wymianę powietrza do poziomu, który nie powoduje odczucia dyskomfortu. Tu pomocne są czujniki stężenia tlenku węgla oraz wilgotności powietrza. Dzięki nim intensywność wentylacji można dostosować do faktycznych potrzeb.

Wentylacja z rekuperatorem i gruntowym wymiennikiem ciepła (GWC) może znacząco zmniejszyć zapotrzebowanie domu na ciepło. Ponadto GWC może latem ochładzać powietrze, zmniejszając w ten sposób obciążenie klimatyzacji. (fot. Pro-Vent)

Jakie korzyści wynikają z połączenia ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji?

Integrując i w pełni automatyzując sterowanie trzema interesującymi nas instalacjami, możemy liczyć na:

• zwiększenie komfortu;
• obniżenie rachunków;
• lepszą kontrolę nad zużyciem mediów i działaniem całości.

Od razu trzeba uprzedzić, że to, na ile efekt będzie odczuwalny w każdym z tych obszarów, zależy od konkretnego przypadku. Specyfika domu wynika z cech samego budynku, ale w nie mniejszym stopniu ze sposobu życia i nawyków jego mieszkańców. Nie bez przyczyny instalacje inteligentne zawsze projektuje się indywidualnie, niejako na miarę.

Zupełnie inaczej będzie przecież reagować na włączenie lub wyłączenie ogrzewania albo klimatyzacji dom o lekkiej konstrukcji szkieletowej, niż wzniesiony z bloczków silikatowych. Ten drugi zarówno nagrzewa się, jak i stygnie bardzo powoli. W nim po prostu nie da się szybko zmienić temperatury, wszystko trzeba zaplanować ze sporym wyprzedzeniem. Za to lekka konstrukcja oznacza możliwość, a właściwie konieczność, dynamicznego sterowania.

W obu przypadkach można osiągnąć komfortowe warunki i właściwą temperaturę, ale dojść do tego trzeba zupełnie innymi drogami. Na to nakładają się potrzeby mieszkańców. Jeżeli dom przez większość dnia stoi pusty, bo jesteśmy w pracy lub szkole, to obniżenie w tym czasie temperatury we wnętrzach i ograniczenie wentylacji może przynieść odczuwalne zmniejszenie rachunków.

W końcu 8 godzin dnia pracy to 1/3 doby. Ale pod warunkiem, że wyłączenie ogrzewania faktycznie przekłada się na spadek temperatury wewnętrznej, co jest w praktyce możliwe tylko w domach o dość lekkiej konstrukcji. Inaczej wielotonowa masa ścian i stropów działa jak akumulator ciepła i sterowanie ogrzewaniem w funkcji czasu staje się fikcją. Z drugiej jednak strony, musimy pamiętać, że ta bezwładność temperaturowa daje znaczną odporność na przegrzanie w czasie upałów. Nieco paradoksalnie, w niektórych budynkach wznoszonych jako energooszczędne okazuje się, że zapotrzebowanie na moc chłodniczą klimatyzacji jest znacznie wyższe, niż na ogrzewanie w miesiącach zimowych.

Ale prawidłowo zaprojektowany dom inteligentny umożliwi trzymanie rachunków w ryzach. Choćby dzięki opuszczaniu (całkowitemu lub częściowemu) rolet zewnętrznych w godzinach największego nasłonecznienia. Ale możliwości jest znacznie więcej. Jeśli będziemy mieć instalację PV (panele fotowoltaiczne), to automatyka może optymalizować zużycie energii - klimatyzatory będą pracowały głównie w czasie, gdy nasza mikroelektrownia daje najwięcej energii. Pozyskany w ten sposób prąd zużyjemy od razu na własne potrzeby, co jest najbardziej opłacalną opcją. W ten sposób z fotowoltaiką może też współpracować pompa ciepła (ogrzewająca budynek lub ciepłą wodę użytkową).

Jeżeli mamy więcej niż jedno źródło ciepła, np. kocioł gazowy i pompę ciepła, to system może sam wybierać urządzenie, którego praca będzie w danym momencie bardziej ekonomiczna - uwzględniając zarówno cenę nośnika energii i sprawność w panujących warunkach.

Można powiedzieć, że wspólne sterowanie ogrzewaniem, wentylacją i klimatyzacją to swoista optymalizacja kosztów eksploatacji. Są one niższe bo przede wszystkim nie marnujemy ciepła i energii elektrycznej. Choćby przez to, że nie przegrzewamy wnętrz ani nie wietrzymy ich bardziej niż jest to faktycznie potrzebne.

Trzymamy też w ryzach potencjalnie bardzo energochłonną klimatyzację. Bo w pierwszym rzędzie Smart Dom zadba o ograniczenie nagrzewania się budynku. Praktyka wykazuje, że w domach z instalacją inteligentną można obniżyć zużycie energii nawet o 20-30%. I co bardzo ważne, nie odbywa się to kosztem wyrzeczeń ze strony mieszkańców, nie prowadzi do spadku komfortu. Oni sami zaś nie są nawet zaangażowani w cały proces. Nie muszą się głowić nad tym, jak dobrać ustawienia poszczególnych urządzeń.

W systemie inteligentnym wszystko możemy monitorować i zmieniać ustawienia. (fot. Satel)

Instalacje inteligentne - jak pracować wspólnie?

Instalacje inteligentne mogą różnić się zasadniczo nie tylko stopniem rozbudowania i możliwościami, ale i samą koncepcją systemu oraz sposobu komunikacji pomiędzy jego elementami.

Generalnie, w każdym takim układzie mamy urządzenia wykonujące jakąś konkretną pracę. To kocioł, centrala wentylacyjna, klimatyzatory, pompa ciepła, napędy rolet zewnętrznych i wiele innych. Żeby móc kierować nimi z sensem, potrzebne są informacje, których dostarczają rozmaite czujniki. Informują one o zmianach temperatury na zewnątrz i w domu, o jakości powietrza, ale także o otwarciu okien, nasłonecznieniu itd. Do tej samej grupy projektanci i instalatorzy zaliczają urządzenia, za pomocą których to użytkownicy wpływają na działanie systemu - klawiatury, piloty, ekrany dotykowe, aplikacje na smartfona. Bo przecież ostatecznie najważniejsze jest to, że z nich płyną sygnały, które trzeba uwzględnić, sterując całym układem.

Tu dochodzimy do pierwszej zasadniczej różnicy. System inteligentny może być scentralizowany lub zdecentralizowany (rozproszony). W wersji scentralizowanej mamy główny moduł, coś w rodzaju komputera, z którym połączone są pozostałe elementy. Do niego trafiają sygnały z czujników, a także informacje zwrotne ze wszystkich urządzeń wykonawczych (np. o tym, z jaką intensywnością odbywa się wymiana powietrza, czy jaka jest temperatura wody przygotowywanej przez kocioł). Pod względem logicznym, koncepcja jest bardzo prosta - centrala zbiera sygnały, przetwarza je, następnie wysyła odpowiednie polecenia do kontrolowanych urządzeń.

Jeżeli dodamy jakiś nowy sprzęt do systemu, to zmian w oprogramowaniu i ustawieniach wymagać będzie wyłącznie centrala. Z jednej strony, ułatwia to konfigurację i pozwala podłączyć wiele urządzeń, które nie muszą mieć zaawansowanych własnych modułów sterujących. Z drugiej strony, awaria centrali paraliżuje cały system. Jednak wbrew temu, co czasem widzimy w filmach s-f, nie oznacza to apokalipsy. Po prostu, do czasu naprawy centrali, trzeba przejść na ręczne ustawianie parametrów pracy każdego urządzenia. Czyli dokładnie tak, jak robi się to w domu bez instalacji inteligentnej. Tyle że przyzwyczajeni do wygody i tego, że wszystko "robi się samo", możemy mieć z tym problem.

Układ zdecentralizowany opiera się na zupełnie innej koncepcji. Tu nie ma centrali. Za to każde urządzenie może nadawać własne sygnały oraz odbierać wszystkie te, które trafiły do systemu. Mamy więc niejako wspólny kanał komunikacji. Ale już wybór tych sygnałów, które są akurat ważne oraz ich interpretacja odbywa się na poziomie poszczególnych urządzeń. Można powiedzieć, że każde decyduje samo, które sygnały wykorzysta i jak na nie zareagować.

Tak działa chociażby znany w Europie od lat system KNX. Mamy w nim tzw. magistralę, wspólny przewód sygnałowy do wszystkich urządzeń. Tu wymagana jest zgodność podłączonych do systemu sprzętów z tym konkretnie standardem, bo każdy z nich musi być wyposażony w odpowiedni moduł komunikacyjny. W takim układzie nie ma ryzyka, że awaria jednego elementu uniemożliwi od razu działanie i komunikację całej reszcie. Ale wybór urządzeń jest mimo wszystko mniejszy.

Poza tym, ze względu na dostępność elementów i możliwości rozbudowy, bardzo ważną cechą każdego systemu inteligentnego jest to, jaki interfejs komunikacyjny wykorzystuje. Mogą to być rozwiązania własne danego producenta. Wtedy wybór tego, co możemy podłączyć, jest siłą rzeczy ograniczony. Ale wykorzystywany może być równie dobrze popularny standard Ethernet, jak w typowych sieciach komputerowych. W tym przypadku, do komunikacji przewodowej służy typowy kabel sieciowy, tzw. skrętka, a urządzenia wyposażone są w karty sieciowe, ewentualnie współpracują z resztą za pośrednictwem modułu z taką kartą. Nie jesteśmy więc ograniczeni do produktów jednej firmy.

Wszystkie urządzenia w systemie mogą być kontrolowane przez centralny moduł sterujący, albo wymieniać się bezpośrednio informacjami w systemie zdecentralizowanym. (fot. Satel)

Jaki system w smart domu - kablowy czy bezprzewodowy?

Z praktycznego punktu widzenia, ogromne znaczenie ma to, czy w naszym Smart Domu zdecydujemy się na system kablowy czy bezprzewodowy. Te pierwsze uważane są za pewniejsze w działaniu, bo sygnały są mniej podatne na zakłócenia, nie ma problemów z zanikiem zasięgu, ani z wymianą baterii.

Jednak w praktyce, dobrej jakości systemy bezprzewodowe radzą sobie zupełnie dobrze i są wolne od tych przypadłości. Tym bardziej, że domy jednorodzinne to nie są przecież ogromne, wielopiętrowe obiekty, a zasięg i moc sygnału można zwiększyć, stosując tzw. ekstendery. Działają one analogicznie do dodatkowych punktów dostępowych w komputerowych sieciach bezprzewodowych.

W dużej mierze zdezaktualizował się też istotny dawniej argument finansowy. Rzeczywiście, kiedyś elementy bezprzewodowe były znacznie droższe, teraz już tak nie jest. Ponadto mniej płacimy za wykonawstwo, a radiowy system łatwiej jest zmodyfikować lub rozbudować.

Jedno nie ulega wątpliwości - systemy kablowe można tanio i bez kłopotu ułożyć w nowych budynkach, przed otynkowaniem ścian. Robienie bruzd w tynku, układanie kabli, szpachlowanie to duży koszt i przede wszystkim kłopot. W wykończonym już budynku ma sens się na to decydować tylko przy okazji większego remontu. Dlatego w użytkowanych domach najczęściej wybierane są systemy bezprzewodowe.

W praktyce dość popularne są także systemy mieszane, czyli takie, w których wykorzystujemy oba sposoby komunikacji. Po prostu kable układa się w tych miejscach, gdzie nie przysparza to kłopotu, oraz tam, gdzie sygnał radiowy zostałby mocno stłumiony (robi się np. kablowe przejścia przez stropy). Zaś elementy bezprzewodowe wykorzystuje się, jeśli jest to prostsze i wygodniejsze. Szczególnie w razie rozbudowy posiadanego systemu.

Jakie jeszcze instalacje warto wpiąć do systemu smart domu?

Sterowanie ogrzewaniem, wentylacją i klimatyzacją w ramach domu inteligentnego nie ogranicza się bynajmniej do połączenia ich ze sobą, tak aby mogły współpracować.

Warto zastanowić się, jakie jeszcze urządzenia i płynące z nich sygnały mogą być użyteczne. Szczególnie te, które i tak już mamy albo planujemy założyć. Bardzo dobrym przykładem są czujniki wykorzystywane w systemie alarmowym. Przykładowo, czujka ruchu może posłużyć nie tylko do wywołania alarmu. To przecież element wykrywający obecność osób w pomieszczeniu. W wielu domach inteligentnych, sygnały z nich służą również do sterownia oświetleniem. Nic nie stoi na przeszkodzie, żeby posłużyły jako źródło informacji dotyczących systemu grzewczego, klimatyzacyjnego i wentylacyjnego. Tam, gdzie nikt nie przebywa, można przecież obniżyć temperaturę, czy zmniejszyć wymianę powietrza.

Podobnie w przypadku kontaktronowych czujników otwarcia okien. Jeżeli i tak otworzyliśmy okna i zrobiliśmy przeciąg, to przecież możemy wyłączyć w tym momencie klimatyzację i wentylację w danym wnętrzu. Ich działanie i tak nic nie da. Będzie tylko marnowaniem energii. Te same czujki kontaktronowe mogą posłużyć do zaalarmowania nas, że w którymś pokoju zapomnieliśmy o zamknięciu okna.

W Smart Domu pomyślmy o jak najlepszym wykorzystaniu elementów, które i tak założymy, np. czujników ruchu oraz otwarcia okien. (fot. Schneider Electric)

Wspominaliśmy już o opuszczaniu rolet zewnętrznych, w celu ochrony domu przed przegrzaniem. To niedoceniana funkcja, a mająca ogromny wpływ na koszty klimatyzacji. Podstawowym źródłem tzw. zysków ciepła są właśnie nasłonecznione okna. O ile w zimie cieszymy się z dodatkowego ciepła słonecznego, to latem staje się ono poważnym kłopotem. Zaś opuszczenie osłon zewnętrznych może ograniczyć nagrzewanie się wnętrz nawet o ponad 70%.

Bardzo korzystne jest także rozwinięcie markiz, gdyż okna znajdują się dzięki nim w strefie cienia. Warto żeby osłony przeciwsłoneczne korzystały z sygnałów płynących z czujników nasłonecznienia. Wtedy będą rozwijać się/opuszczać w miarę potrzeby, znakomicie ograniczając koszty działania klimatyzacji. Nasz system może przy tym z powodzeniem wykorzystywać także czujniki wewnętrzne. Jeżeli detektor ruchu rejestruje obecność osób w pomieszczeniu, to roleta zewnętrzna może zostać opuszczona tylko częściowo, albo zamiast niej zostanie rozwinięta markiza.

Tego rodzaju przykłady można mnożyć. Istota działania Smart Domu nie polega bowiem na naszpikowaniu budynku setkami czujników. Przede wszystkim chodzi o jak najlepsze wykorzystanie informacji płynących z ich nawet niewielkiej liczby. I to wykorzystanie naraz przez wiele urządzeń, tak aby pracowały w sposób optymalny.

Jarosław Antkiewicz
fot. otwierająca: Serwis prasowy ABB / YASSEN HRISTOV