Inteligentne technologie w budynkach

W Unii Europejskiej budynki zużywają ok. 40% całości zużywanej energii i emitują 36% CO₂. Realizacja unijnych celów redukcji zużycia energii z paliw kopalnych oraz zwiększania efektywności energetycznej jest konieczna m.in. dla zachowania zdrowia i bezpieczeństwa ekonomicznego przyszłych pokoleń. 75% budynków w UE jest nieefektywnych energetycznie. Kwestia ta nabiera szczególnego znaczenia w kontekście bezpieczeństwa w obliczu wojny i kryzysu energetycznego.

W technologiach inteligentnego budynku upatruje się dużego potencjału uzyskiwania wysokiego komfortu przy niskim zużyciu energii i zwiększania udziału energii odnawialnej. Potencjał ten w odniesieniu do sektora budowlanego wskazany został w dyrektywie 2018/844 zmieniającej dyrektywę w sprawie charakterystyki energetycznej budynków i dyrektywę w sprawie efektywności energetycznej. Wprowadzono do niej m.in. koncepcję inteligentnego wskaźnika gotowości (SRI). „Inteligentność” budynku odnosi się do jego zdolności do wyczuwania, interpretowania, komunikowania się i aktywnego reagowania w skuteczny sposób na zmieniające się warunki w kontekście eksploatacji systemów technicznych budynku i środowiska zewnętrznego (głównie wobec sieci energetycznych) oraz wymagań, jakie stawiają mieszkańcy budynku. SRI ocenia inteligentną gotowość budynków pod kątem ich zdolności do realizacji trzech kluczowych funkcji: optymalizacji efektywności energetycznej i ogólnej wydajności użytkowej, dostosowania swojego działania do potrzeb mieszkańców oraz dopasowania się do sygnałów z sieci (np. elastyczność energetyczna). Zadaniem SRI jest też zwiększanie świadomości nt. korzyści oferowanych przez technologie inteligentnego budynku, czyli automatykę i monitoring jego systemów, zwłaszcza ogrzewania, ciepłej wody, wentylacji i oświetlenia. Wdrożenie ram SRI ma wspierać innowacje technologiczne w sektorze budowlanym i zachęcać tym samym do integracji najnowocześniejszych inteligentnych technologii w budynkach.

Relacja budynek – człowiek

Systemy techniczne w budynkach służą zaspokajaniu potrzeb jego użytkowników. Między budynkiem a jego mieszkańcami zachodzą interakcje często inicjowane i regulowane przez systemy sterowania i automatyki, czyli systemy zarządzania budynkiem. Sterują one ogrzewaniem, wentylacją i klimatyzacją, a także innymi systemami technicznymi (takimi jak kontrola dostępu, systemy przeciwpożarowe itp.) i tym samym mogą umożliwiać różne poziomy interakcji. Przed szybkim rozwojem cyfryzacji interakcje te zachodziły w obrębie jednego budynku, a jego użytkownicy mieli na nie ograniczony wpływ.

W ostatnich latach nastąpiła eksplozja nowych technologii energetycznych możliwych do wykorzystania w budynkach, takich jak odnawialne źródła energii, systemy magazynowania ciepła i energii elektrycznej, algorytmy sterowania predykcyjnego itp. Pojawiły się też nowe oczekiwania użytkowników, dotyczące elastycznego kształtowania przestrzeni w budynku, wysokiej jakości powietrza, kontroli energii, komfortu i bezpieczeństwa. Weszliśmy także w etap interakcji energetycznych między budynkami – to m.in. usługi w zakresie elastyczności sieci energetycznej i zarządzanie stroną popytową. Wszystko to wymaga systemów zarządzania budynkami i narzędzi nowej generacji, takich jak IoT (internet rzeczy), a zwłaszcza platformy monitorowania energii. 

Inteligentny budynek wg UE

Zgodnie z tym, co proponują regulacje unijne, inteligentny budynek:

• zużywa jak najmniej energii, aby zaspokoić potrzeby mieszkańców (efektywność energetyczna na pierwszym miejscu),
• wytwarza energię na miejscu lub w pobliżu z odnawialnych źródeł energii, a nawet stara się generować więcej energii, niż zużywa,
• korzysta z technologii, które umożliwiają inteligentne interakcje z siecią energetyczną, zwłaszcza magazynowanie energii i zarządzanie ładowaniem pojazdów elektrycznych,
• daje użytkownikom dostęp do danych o zużyciu i wytwarzaniu energii, zapewniając im informacje i kontrolę nad wpływem ich zachowań na zużycie energii i jakość powietrza w pomieszczeniach.

Taki opis standardu inteligentnego budynku jest bardzo szeroki i trudny do łatwego oznaczenia. Zadanie to ma spełnić wskaźnik SRI, który dostarczy informacji o budynku w formie graficznej, jednoznacznie wskazującej na poziom jego inteligencji. Pojawiają się różne propozycje informacji, jakie powinien zawierać ten wskaźnik [6]. Jednak aby spełnił swoje zadanie, musi być prosty i czytelny dla każdego (tak jak w przypadku klas energetycznych urządzeń zasilanych energią elektryczną).

Budynki nie będą jednak w pełni „smart” bez inteligentnych sieci energetycznych. Wykorzystanie potencjału inteligencji budynków wymaga, aby sieci elektryczne i cieplne również poprawiły swój poziom interakcji. To z kolei wymaga monitorowania i kontroli energii, doskonalenia modeli prognozowania popytu i podaży energii, zwłaszcza odnawialnej, a także prognozowania jej cen. Do tego trzeba dodać usługi i narzędzia służące do zarządzania podażą energii i jej bilansowaniem. Działania te prowadzone są na żywym organizmie, czyli na działającej sieci energetycznej, która musi zapewniać bezpieczeństwo i stabilność dostaw energii. Wywołuje to pewne opory ze strony firm zajmujących się przesyłem energii. Operatorzy systemów dystrybucyjnych powinni tu odgrywać kluczową rolę, dostarczając sygnały i odbierając z budynków oraz zarządzając przepływami energii za pomocą zaawansowanych pomiarów i narzędzi prognostycznych. Bez zapewnienia dystrybutorom wsparcia dla działań umożliwiających budowanie inteligentnej sieci energetycznej same narzędzia w obrębie budynków nie dadzą oczekiwanego efektu i możliwej do uzyskania interakcji budownictwa i energetyki.

Do realizacji planów dotyczących inteligentnych budynków i sieci konieczne jest również opracowanie innowacyjnych narzędzi i usług. Mamy już wprawdzie na rynku sporo ofert technologii Smart Home i Smart Building, jednak nie wszystkie są w stanie wejść w interakcję z siecią energetyczną. Niemiej w mieszkaniach wykorzystujemy już inteligentne kuchenki, lodówki, pralki, piekarniki, odkurzacze, które mogą zużywać energię w czasie, gdy występuje jej nadpodaż, czyli jest tańsza. Oświetlenie jest w stanie reagować na obecność użytkowników. Wentylacja może pracować według zapotrzebowania, czyli dokonywać wymiany powietrza na podstawie poziomu dwutlenku węgla w pomieszczeniach. Ogrzewanie i chłodzenie także może się kierować informacją o obecności osób oraz pracować tak, by korzystać z najtańszej energii. Suma cząstkowych oszczędności energii, czyli mniejszych kosztów eksploatacyjnych, daje znaczący łączny efekt. Potrafią to zapewnić już oferowane systemy i aplikacje, zwłaszcza przeznaczone dla domów jednorodzinnych.

Platforma promocji SRI

Komisja Europejska prowadzi na swoich stronach [4] dział poświęcony wskaźnikowi SRI, czyli wspólnemu unijnemu systemowi oceny inteligentnej gotowości budynków. Znaleźć tam można m.in. publikacje poświęcone opłacalności tworzenia zdrowych, energooszczędnych i komfortowych budynków oraz platformę do dyskusji i wymiany doświadczeń na temat wdrażania SRI w UE. Platforma obejmuje m.in. spotkania plenarne otwarte dla wszystkich zainteresowanych – najbliższe odbędzie się online 23 listopada 2022 r., rejestracja pod adresem: https://ec.europa.eu/eusurvey/runner/SRI-Platform-Plenary-Session-2. Spotkanie to dostarczy aktualnych informacji na temat prac przeprowadzonych w ostatnich miesiącach w celu wsparcia wprowadzenia SRI w Europie. Przedstawiony też zostanie plan pracy eksperckich grup roboczych, skupiających się na: fazie testowej SRI państwa członkowskiego, doskonaleniu metodologii obliczeń SRI oraz propozycjach wartości SRI i środkach wspierających.

Obecnie prace w fazie testowej prowadzi kilka państw: Austria, Czechy, Chorwacja, Dania, Francja i Finlandia. W każdym z nich administracja krajowa jest wspierana przez jednego lub kilku lokalnych partnerów technicznych oraz Zespół Wsparcia SRI.

W Finlandii faza testowa prowadzona jest przez Ministerstwo Środowiska przy wsparciu MOTIVA, firmy zajmującej się promowaniem i wspieraniem zrównoważonego rozwoju. Eksperci zewnętrzni ocenią pod kątem SRI 150 budynków różnego typu. Faza testowa powinna trwać około dwóch lat i obejmować ocenę wpływu społecznego oraz przydatności programu dla Finlandii.

W Chorwacji faza testowa SRI jest prowadzona przez Ministerstwo Planowania Przestrzennego, Budownictwa i Aktywów Państwowych, wspierane przez instytucję naukową non-profit Energetski Institut Hrvoje Požar (EIHP). Prace są prowadzone w ramach projektu LIFE i obejmują zbadanie potencjału i możliwości SRI w kontekście chorwackim oraz ogólny rozwój i doskonalenie metodologii obliczeń.

W Austrii fazę testową prowadzi Austriacki Instytut Inżynierii Budowlanej (OIB) i Austriackie Ministerstwo Klimatu (BMK), przy udziale AEE Intec oraz Uniwersytetu Zasobów Naturalnych i Nauk Przyrodniczych w Wiedniu (BOKU). Działania obejmują m.in. porównanie metodologii SRI z innymi metodami opracowanymi w Austrii z naciskiem na elastyczność energetyczną.

W Czechach faza testowa jest prowadzona przez Ministerstwo Przemysłu i Handlu (MPO), przy wsparciu Czeskiego Uniwersytetu Technicznego w Pradze (CTU). Badana jest powszechna metodologia SRI i wrażliwość wyników na zmiany adaptacyjne.

W Danii fazę testową prowadzi Duńska Agencja Energii (DEA) wraz z Duńskim Instytutem Technologicznym (DTI), a dotyczy ona potencjału i możliwości SRI w kontekście krajowym. Badania są prowadzone na ok. 30 budynkach, w tym w biurach, budynkach wielorodzinnych i edukacyjnych – starych i nowych, z różnymi źródłami energii.

We Francji fazę testową prowadzi Ministerstwo Przemian Ekologicznych, przy wsparciu instytucji CEREMA. Oceny SRI dokonują strony trzecie – przeszkoleni specjaliści, a formalne certyfikaty wyda CEREMA. Pierwszy etap obejmuje 30 budynków.

Komisja Europejska zachęca również inne państwa członkowskie do przyłączenia się do programu testującego SRI.

Projektowanie i budowa inteligentnego budynku jednorodzinnego

Pełne wykorzystanie możliwości, jakie dają technologie inteligentnych budynków i systemy zarządzania, wymaga ich uwzględnienia już na etapie tworzenia koncepcji budynku. Oczywiście możliwe jest też ich zastosowanie dopiero podczas renowacji budynku lub kompleksowego remontu. Można to prześledzić na przykładzie działań dotyczących budynków jednorodzinnych. Przed przystąpieniem do jakichkolwiek decyzji warto przekonać inwestora, żeby skonsultował z architektem i projektantem instalacji sanitarnych lub firmą remontową zamiar zastosowania inteligentnych technologii, tak by mogli oni wykorzystać wiedzę specjalisty od smart home na jak najwcześniejszym etapie. Przede wszystkim należy przekonać inwestora, aby określił swoje oczekiwania, i skonfrontować je z możliwościami finansowymi oraz warunkami technicznymi obiektu, a także faktycznymi potrzebami. Kolejnym krokiem jest określenie, jakimi funkcjami będzie dysponował system zarządzania budynkiem (projekt funkcyjny – od kwestii bezpieczeństwa poprzez ogrzewanie, wentylację, oświetlenie po np. podlewanie ogrodu). Ważne jest także ustalenie na tym etapie interakcji pomiędzy różnymi sygnałami i ich wpływu na kolejne działania [7].

Może Cię zainteresuje: Inteligentne systemy parkingowe – strumień przestrzenny czujników IoT

Po tych uzgodnieniach następuje faza projektu technicznego, czyli na plan budynku architekt powinien nanieść wszystkie instalacje elektryczne, sanitarne, grzewcze i wentylacyjne oraz miejsca montażu sterowników i czujników. Kolejny etap to montaż instalacji i okablowania – położenie przewodów elektrycznych, systemowych i alarmowych zgodnie z projektem. Następnie można przystąpić do montażu urządzeń grzewczych, wentylacyjnych i sanitarnych. Po montażu wato przeprowadzić próbne uruchomienia wraz z instalatorami tych urządzeń, żeby wyeliminować ewentualne nieprawidłowości i upewnić się, że wszystko działa poprawnie. Końcowym etapem budowy systemu zarządzania budynkiem jest konfiguracja systemu – zaprogramowanie funkcji i scenariuszy. To bardzo ważny etap, gdyż technologia smart jest na tyle inteligentna i „samodzielna”, na ile ją zaprogramujemy. Sama nie odgadnie, że trzeba oszczędzać energię na ogrzewanie, o ile nie dostanie sygnału, który wyzwoli działanie [7]. Jednak nawet najbardziej zaawansowane rozwiązanie wymaga poprawnego użytkowania – system ma nas wyręczać w wielu działaniach i decyzjach, ale wymaga także naszej reakcji w określonych sytuacjach.

Zakres możliwości, jakimi mogą dysponować inteligentne budynki, stale rośnie. Nawet dom jednorodzinny może korzystać z blisko 100 funkcji, np. w zakresie monitoringu i kontroli dostępu, monitorowania warunków zewnętrznych, sterowania klimatem w budynku, monitorowania instalacji użytkowych i technicznych, zarządzania mediami (woda, energia, gaz) czy sterowania sprzętem RTV i AGD oraz oświetleniem. Przykładowo w grupie metod sterowania domem mamy do dyspozycji: klasyczne włączniki, panele i ekrany dotykowe, detektory gestów, piloty, mobilne tablety i smartfony, stacjonarne komputery, sterowanie komendami głosowymi, sterowanie poprzez tagi NFC, SMS i e-mail. Do tego dochodzą czujniki temperatury i ruchu, otwarcia okien i drzwi, zadymienia, jakości powietrza (CO₂ i CO) czy zalania. One z kolei dostarczają danych potrzebnych do sterowania klimatem budynku i zarządzania ogrzewaniem, chłodzeniem i wentylacją, z takimi urządzeniami jak pompy ciepła, rekuperatory i klimatyzatory.

W aspekcie technologii smart oferowanych na rynku cieszy fakt, że nareszcie priorytetowo traktowane są kwestie sterowania ogrzewaniem pod kątem efektywności energetycznej i wykorzystania źródeł odnawialnych oraz interakcji z siecią energetyczną. Priorytetem staje się również sterowanie wentylacją i zapewnianie wysokiej jakości powietrza wewnętrznego także w domach jednorodzinnych, a nie tylko w biurowcach. Wielka w tym zasługa firm, także polskich, oferujących te technologie oraz ich wieloletniego doświadczenia w produkcji i rozwijaniu technologii sterowania tylko dla urządzeń i instalacji grzewczych.

Czego oczekują młodzi od budynków w miastach?

Urbaniści, architekci i projektanci już dziś powinni uwzględniać informacje, jakich budynków oczekiwać będą ludzie dopiero wchodzący w dorosłe życie. Inspiracji dostarcza m.in. projekt „Polskie Miasta Przyszłości 2050”, realizowany przez firmę Saint-Gobain i Polskie Towarzystwo Studiów nad Przyszłością. To pierwsze tak kompleksowe przedsięwzięcie skupiające się na kształcie naszych miast i m.in. próba odpowiedzi na pytanie, jak będą one wyglądały w przyszłości i które z nich mają szansę na największy rozwój. Raport wskazuje możliwe ścieżki rozwoju polskich miast i prawdopodobne do zastosowania innowacje oraz nowe koncepcje, technologie i rozwiązania.

Młodzi oczekują budynków wielofunkcyjnych, zapewniających niezbędne usługi, miejsca pracy oraz zielone strefy wypoczynkowe sprzyjające nawiązywaniu więzi międzysąsiedzkich. Nie chcą typowych bloków i zamkniętych osiedli. Budynki i miasta mają być wyposażone w inteligentne systemy zwiększające komfort użytkowania – Smart Home i IoT. Powinny być jak najbardziej samowystarczalne energetycznie. Mają mieć duże powierzchnie biologicznie czynne na zewnątrz i wewnątrz – zielone dachy i ściany oraz uprawne ogrody sąsiedzkie. Zabudowa powinna się piąć w górę, a nie rozlewać na tereny wokół miasta.

Młodzi widzą swoją pracę jako hybrydową – z domowych gabinetów i sąsiedzkich przestrzeni coworkingowych w budynkach mieszkalnych na przemian z pracą w biurach. Większość interakcji firmowych już odbywa się w internecie. Dlatego mieszkania powinny być wyposażone w specjalnie zaprojektowane przestrzenie, powalające na zachowanie balansu pomiędzy pracą a życiem osobistym. Nie tylko budynki, ale i całe miasta powinny się stać samowystarczalne, także energetycznie. Młodzież chce miast 15-minutowych – z możliwością dotarcia w tym czasie pieszo lub rowerem do pracy czy szkoły, a nie z trwającymi godzinami podróżami w korkach. Oczekuje nie tylko wygody fizycznej, ale i komfortu psychicznego dzięki rozwijaniu umiejętności społecznych.

Podsumowanie

Kolejne pokolenia wchodzą w dorosłe życie z wyraźnymi oczekiwaniami – pragną inteligentnych, przyjaznych i ekologicznych domów, mieszkań, szkół, biur i całych miast. I nawet gdyby nie obowiązywały przepisy zmuszające do stosowania technologii smart w budynkach, takich rozwiązań będą się domagać przyszli mieszkańcy i użytkownicy.

Literatura

1. https://www.saint-gobain.pl/polskie-miasta-przyszlosci-2050
2. https://smartreadinessindicator.eu/sites/smartreadinessindicator.eu/files/sri_summary_2nd_interim_report.pdf
3. https://ec.europa.eu/newsroom/ener/newsletter-archives/34153
4. https://energy.ec.europa.eu/topics/energy-efficiency/energy-efficient-buildings/smart-readiness-indicator_en
5. https://energy.ec.europa.eu/topics/energy-efficiency/energy-efficient-buildings/smart-readiness-indicator/connecting-stakeholders_en
6. Lițiu Andrei Vladimir, Seppänen Olli, Pantelis Spyridon, Hogeling Jaap, The smart readiness indicator for buildings: current status and next steps, „REHVA Journal” 3/2021, https://www.rehva.eu/rehva-journal/chapter/the-smart-readiness-indicator-for-buildings-current-status-and-next-steps
7. Materiały firmy SmartBMS, https://www.smartbms.pl/inteligentne/domy/jak-stworzy%C4%87-inteligentny-dom.html
8. Projekt Polskie Miasta Przyszłości 2050 (PMP 2050), https://www.saint-gobain.pl/polskie-miasta-przyszlosci-2050