Zarządzanie wentylacją w domu zautomatyzowanym

Czy istnieją inteligentne budynki mieszkalne?

„Budynek inteligentny” to kierunek działań naukowców w przyszłości. Dziś jeszcze trudno mówić o inteligentnych domach czy budynkach, ponieważ nie spełniają one podstawowych założeń sztucznej inteligencji (AI), jak np. możliwość podejmowania decyzji na podstawie niepełnych danych czy przewidywanie. Nie znaczy to jednak, że nie istnieją już systemy informatyczne, które by to potrafiły – są obecnie w fazie badań i testów.

Dzisiejsze „inteligentne domy” to budynki wyposażone w mniej lub bardziej zaawansowane systemy automatyki realizujące określone działania będące reakcjami na sytuacje przewidziane przez projektantów i jako takie nie powinny być nazywane inteligentnymi, ale zautomatyzowanymi. Niemniej jednak w branży dość powszechnie funkcjonuje to pojęcie, trudno je zatem ignorować.

Przykładem może być energooszczędny budynek mieszkalny Galia o powierzchni 380 m2, który został oddany do użytku 10 lat temu jako dom zautomatyzowany. Jest on stale rozbudowywany i testowane są w nim niektóre funkcje sztucznej inteligencji będące wspomaganiem dla automatyki domowej. Być może stanie się on kiedyś budynkiem inteligentnym, obecnie jest budynkiem zasilanym całkowicie z energii odnawialnych: słońca, wiatru, lokalnego paliwa (uprawianych w pobliżu roślin), a co najważniejsze, jest w pełni sterowany przez BMS (Building Management System).

W budynku zastosowano system w technologii LON Works integrujący i zarządzający wszystkimi systemami technicznymi: ogrzewania, wentylacji, chłodzenia, c.w.u., oświetlenia, mediów, alarmu, telewizji przemysłowej (ang. closed-circuit television), lokalnej elektrowni słonecznej i wiatrowej, a nawet zawartością szamba, podlewaniem ogrodu i działaniem otwartego basenu ogrodowego.

Wszystkie elementy były wprowadzane stopniowo i integrowane, tworząc ostatecznie jeden spójny system, którym mieszkańcy mogą zarządzać lokalnie za pomocą monitorów dotykowych lub zdalnie przez internet i telefon komórkowy. Uzasadnieniem dla wprowadzenia takiego systemu był rachunek ekonomiczny, który wskazuje, że zintegrowany system BMS tego typu pozwala na uzyskanie znacznych oszczędności w całym okresie użytkowania budynku.

Bez zaawansowanej automatyki nie byłoby możliwe tak skuteczne wykorzystanie energii odnawialnych – w okresie letnim całkowity koszt utrzymania budynku wynosi ok. 100 zł miesięcznie (energia elektryczna, c.w.u., klimatyzacja i podgrzewany basen), głównie dzięki czerpaniu energii ze słońca i wiatru.

Zimowy tryb pracy HVAC BMS

W skład systemu HVAC (ang. heating, ventilation and air conditioning) działającego w domu Galia wchodzi jeden z dostępnych na rynku rekuperatorów, w którym zostały wymienione wentylatory, oraz podwójny system dogrzewania powietrza po rekuperacji. Tuż za rekuperatorem umieszczono szeregowo dwa urządzenia grzewcze – kanałowy wymiennik z c.o. i elektryczny ogrzewacz powietrza.

Obydwa urządzenia sterowane są za pomocą BMS, przy czym w przypadku pierwszego jest to jedynie sterowanie on/off bez możliwości regulacji temperatury czynnika (pochodzącego z aktualnie dostępnego źródła c.o.), natomiast drugie urządzenie obsługuje sterownik będący fragmentem zintegrowanego BMS, umożliwiając regulację mocy grzałek w zakresie od 0 do 100%.

Głównymi „zimowymi” źródłami ciepła dla c.o. i c.w.u. są kominek z płaszczem wodnym oraz pompa ciepła, które w razie potrzeby automatycznie włączane są do systemu dogrzewania wentylacji. Należy zaznaczyć, że wspomniany wymiennik kanałowy traktowany jest jako kolejne urządzenie grzewcze w systemie HVAC, przy czym jest on włączany bezpośrednio do źródła c.o. (przed panelami rozdzielającymi) i w efekcie pojawia się w nim czynnik o temperaturze od 30 do 80°C (zależnie od aktualnie aktywnego źródła oraz zadanej przez BMS temperatury pracy dla c.o.).Warto zaznaczyć, że kominek z płaszczem wodnym lub kocioł na biomasę (np. pelety) wydaje się elementem nieodzownym w domu energooszczędnym. Źródłem energii jest drewno i brykiet. Kominek wyposażony w dobry płaszcz wodny staje się źródłem wysokotemperaturowego czynnika grzewczego, który można wykorzystywać nie tylko w instalacji c.o. i c.w.u., ale także do dogrzewania powietrza po rekuperacji.

W tym systemie zastosowano również system DGP (dystrybucji gorącego powietrza), ale ze względu na niewielki procent energii odzyskiwanej ze spalin pochodzących z kominka (w stosunku do „mocy” płaszcza wodnego) nie stanowi on istotnego elementu.

Głównym zadaniem BMS w podsystemie HVAC jest utrzymanie stałej temperatury w budynku bez względu na temperaturę zewnętrzną i stan rozpalenia kominka (na rys. 1 oraz 2 pokazano średnią temperaturę w wybranych pomieszczeniach). Zadaniem BMS jest również koordynacja procesu HVAC z innymi podsystemami, np. zarządzanie nadmiarem energii ze słońca czy wiatru. System musi uwzględniać konieczność odpowiedniego wentylowania domu (ilość wymian powietrza), kontrolując jednocześnie jakość powietrza – poziom CO2 i wilgoci. Musi zatem okresowo godzić kilka sprzecznych wytycznych, np. konieczność wyprowadzenia nadmiaru CO2 i/lub wilgoci (czyli zwiększenia intensywności wentylacji) oraz dążenie do jak najmniejszego zużycia energii na dogrzanie i okresowo nawilżenie powietrza wtłaczanego do budynku. HVAC musi również (np. w trakcie mrozów) nawilżać powietrze, cały czas dbając o utrzymanie w domu komfortu klimatycznego.

Dla zilustrowania działania systemu na rys. 1 i 2 pokazano zapis parametrów działania HVAC w budynku przez wybrane 24 godziny jego pracy, kiedy temperatura na zewnątrz spadła o 10°C. Są to zapisy rzeczywistych sytuacji w funkcjonującym budynku, dlatego choć nie mają postaci idealnych krzywych, obrazują zjawiska, które miały miejsce w systemie. Ze względu na ograniczoną objętość artykułu nie sposób precyzyjnie opisać każdy fragment prezentowanych wykresów, autor pozostaje jednak otwarty na pytania czytelników.

Jak można odczytać z rys. 1, od godz. 0:00 26 stycznia do godz. 0:00 następnego dnia temperatura na zewnątrz budynku Galia spadła z –3,4 do –13,1°C, co pokazuje dolna niebieska linia (znacznik w lewym górnym rogu pokazuje czas i temperaturę zewnętrzną na końcu pomiaru). W wyniku samej tylko rekuperacji temperatura świeżego powietrza ogrzanego przez wyrzucane na zewnątrz powietrze zużyte wynosiła w tym czasie od 17,3 do 13,7°C – obrazuje to środkowa żółta linia. 

Oczywiście powietrze o temperaturze 13,7°C nie nadaje się do bezpośredniego nawiewania do budynku o średniej temperaturze 21°C (choć warto zaznaczyć, że w przypadku tradycyjnej wentylacji grawitacyjnej temperatura zasysanego do wnętrz powietrza wynosiłaby –13°C), zatem zanim zostało ono wtłoczone do budynku, musiało zostać po rekuperacji dogrzane, tak aby nie dopuścić do zmiany temperatury w domu. Temu celowi służyły grzałki elektryczne oraz wymiennik w instalacji c.o., których pracę obrazuje rys. 2.

Realizacja wentylacji

Tak stabilne utrzymanie temperatury budynku przy spadku temperatury zewnętrznej do –13°C nie jest oczywiście możliwe tylko przy pomocy wentylacji, dlatego odpowiedzialny jest za to zintegrowany system HVAC. W tym miejscu autor chciałby zaznaczyć, że z wykształcenia jest automatykiem, a nie specjalistą od wentylacji, dlatego z góry pragnie przeprosić czytelników za ewentualne trywializmy, które mogą pojawić się w opisie zastosowanego systemu wentylacji i klimatyzacji.

Działanie ogrzewania oraz klimatyzacji w domu Galia będzie tematem kolejnych publikacji, ale wspomnieć należy, że funkcjonuje w nim kilka automatycznie włączanych przez BMS różnych źródeł ciepła dla c.o. (pompa ciepła, panele solarne, grzałki elektryczne i kominek z płaszczem wodnym), z czego jedynie ten ostatni jest uruchamiany manualnie (spontanicznie lub na żądanie BMS informującego właścicieli za pomocą SMS). Sprawne i bezpieczne włączenie do HVAC turbokominka z płaszczem wodnym, w którym temperatura wody zmienia się od 20 do 80°C, stanowi nie lada wyzwanie dla systemu.

W praktyce często wygląda to tak, że kiedy BMS wyliczy aktualne zapotrzebowanie na energię i zdecyduje się na włączenie któregoś ze źródeł c.o., np. kominka, informuje o tej potrzebie użytkowników. Jeżeli kominek nie zostanie rozpalony i w określonym czasie nie pojawi się spodziewana „fala energii”, system decyduje o włączeniu następnego dostępnego źródła – np. bufora paneli solarnych, grzałek z elektrowni wiatrowej czy paneli fotowoltaicznych lub pompy ciepła, w zależności od aktualnej dostępności źródła (monitorowanej w trybie ciągłym). 

Wybierane przez BMS źródło może się zmieniać kilkanaście razy w ciągu doby, o ile dostępne stanie się inne, „ekonomicznie atrakcyjniejsze”. Problem pojawia się, gdy po włączeniu jednego z niskotemperaturowych źródeł energii użytkownicy zdecydują się na rozpalenie dla własnej przyjemności kominka – nagłe uruchomienie dodatkowego źródła energii zaburza ten schemat działania.

Oczywiście zaawansowany system sterowania BMS szybko radzi sobie z tym problemem (patrz rys. 2 i 5). Jedynym odczuwalnym efektem działania kominka w takiej sytuacji będą fale przyjemnego ciepła rozchodzące się po domu, ponieważ zazwyczaj wywołuje to przegrzanie nawiewanego z systemu wentylacji powietrza przez dodatkowe włączenie DGP (odzyskanego z komina ciepła rozprowadzonego niezależnie).

BMS, badając temperaturę nawiewanego powietrza, w takiej sytuacji zaprzestaje dogrzewania go, redukując stopniowo moc grzałek, starając się dopasować resztę parametrów systemu c.o. tak, by nie przegrzewać pomieszczeń. Zilustrowano to na rys. 1 i 2. Warto zauważyć, że w efekcie działania systemu temperatura wewnątrz budynku w trakcie badanej doby pomimo rozgrzania kominka nie zmieniła się (na początku i na końcu badanego okresu średnia temperatura w wybranych pomieszczeniach wynosiła 21,2 ±0,1°C), co obrazuje górna linia na rys. 1. Nie był to przypadek – taka sytuacja występuje w domu Galia stale, co można było zaobserwować np. w ciągu następnych 12 godzin (rys. 5).

Rys. 2 obrazuje dodatkowo kolejne dwa czynniki, tj. temperaturę nawiewanego powietrza T_np (linia ciemnoniebieska) oraz aktualną moc grzałek dogrzewających powietrze po rekuperacji P_gp (linia ciemnoczerwona, wyrażoną w %). Jak widać, w obserwowanym okresie domownicy używali kominka, gdyż temperatura nawiewanego powietrza, niezależnie od stopnia włączenia grzałek, zmienia się w rytmie dokładanych do kominka porcji paliwa (piki na wykresie T_np do 30°C). 

Oczywiście taka temperatura nawiewu nie ma nic wspólnego z zapotrzebowaniem na energię do wentylacji, jest to chwilowy nadmiar, z którym BMS musi sobie poradzić. Kominek z płaszczem wodnym należy do najtrudniejszych w integracji urządzeń systemu HVAC, ponieważ dostarcza on okresowo dużą ilość energii (moc chwilowa sięga 40 kW), z którą system BMS musi sobie radzić, gdyż trudno byłoby nakazać użytkownikom, by okresowo dokładali mniej do kominka. 

Podobnie okresy przygasania kominka skutkują natychmiastowym odcięciem systemu od wysokotemperaturowej energii i w efekcie włączeniem grzałek. Dobrze obrazuje to rys. 5 – kiedy kominek wygasa, grzałki włączane są na taką część mocy, jakiej potrzeba do utrzymania stabilnej temperatury w całym domu, reagując przede wszystkim na naturalny spadek temperatury powietrza po rekuperacji (linia żółta na rys. 1 oraz rys. 2 i 5). 

W pierwszej dobie (rys. 2) przy pracującym kominku wystarczyło nie więcej niż 25% mocy grzałek, aby utrzymać wyliczoną przez system optymalną temperaturę powietrza nawiewanego nawet przy spadku temperatury zewnętrznej o 10°C. W ciągu następnych 12 godzin (rys. 5) przy wygasającym kominku potrzebna była okresowo nawet połowa mocy grzałek, by ten cel osiągnąć. Obserwowane okresy całkowitego wyłączenia grzałek związane są z załadowaniem kominka dobrym paliwem. 

Notabene - system przewiduje takie sytuacje, wysyłając do mieszkańców ok. godz. 21:00 SMS z żądaniem „dołóż do kominka” – jak widać, BMS dobrze to zaplanował, bo zbuforowanej energii starczyło do północy i później. Oczywiście dokładanie dobrego drewna w mroźną noc nie jest jednak zadaniem, do którego potrzebujemy skomplikowanego systemu, bo wie to każdy posiadacz kominka – system BMS ma znacznie ciekawsze i trudniejsze wyzwania. 

Wentylacja sterowana CO2

Można zaryzykować stwierdzenie, że wykresy na rys. 1 i 2 opisują odpowiednio zaprojektowany i wykonany klasyczny układ wentylacji nawiewno-wywiewnej z rekuperacją i dogrzewaniem i tym samym nie wnoszą niczego nowego. Autor jednak proponuje pójść dalej i przeanalizować kolejne zadanie, już nie tak oczywiste i znacznie trudniejsze do wykonania, które na co dzień realizuje opisywany system BMS. Różni się on jednak zasadniczo od klasycznego układu wentylacji, co można zaobserwować na rys. 3 i 4.

Jak wspomniano, głównym zadaniem BMS jest takie współdziałanie podsystemów, które zminimalizuje łączne zużycie energii w budynku. Jest to szczególnie istotne, kiedy budynek przechodzi całkowicie na zasilanie ze źródeł odnawialnych – np. do celów grzewczych z paneli solarnych jesienią i wiosną czy okresowo czerpie energię elektryczną z przydomowej elektrowni wiatrowej. 

Autorzy projektu eksperymentalnie oparli wentylację nie tyle na klasycznym obliczaniu liczby wymian powietrza w pomieszczeniach, ile badaniu stężenia dwutlenku węgla w wyciąganym z pomieszczeń powietrzu i dopasowywaniu intensywności wentylacji do optymalnej wartości tego parametru. To rozwiązanie jest obecnie w fazie testów, jednak już pierwsze wyniki wydają się zachęcające.

Na rys. 3 pierwsza linia od góry pokazuje właśnie zawartość CO2 w wyciąganym z budynku powietrzu (linia granatowa wyrażona w ppm). W opisywanym domu kominek nie wpływa na stężenie CO2 w budynku, gdyż jest on zasilany powietrzem zasysanym z zewnątrz, nie zachodzi więc obawa o zanieczyszczenie powietrza produktami spalania (jak ma to miejsce przy otwartych kominkach). 

Można zauważyć, że stężenie CO2 ściśle związane jest z działalnością mieszkańców i miało swoje lokalne maksima (związane głównie z przygotowaniem potraw w kuchni), jednak utrzymywało się na bezpiecznym poziomie poniżej 800 ppm. Nastawiony na oszczędzanie system BMS uznał zatem, że skoro domownicy aktualnie nie „zanieczyszczają” powietrza, można stopniowo obniżać intensywność wentylacji (w praktyce obrotów wentylatorów nawiewno-wywiewnych).

Monitorując jednocześnie dwa istotne parametry, czyli zawartość CO2 oraz sprawność procesu rekuperacji, BMS starał się obniżyć zużycie energii wszystkich istotnych elementów systemu HVAC, w tym wentylatorów i grzałek, do akceptowalnego minimum.

Z kolei na rys. 4 widać, że zadanie to realizowane jest przez BMS w sposób poprawny, ponieważ przy temperaturze zewnętrznej –13°C pomimo znacznego obniżenia mocy wentylacji (aż do 23%) sprawność rekuperacji została zachowana (linia żółta) i wynosiła na końcu analizowanego okresu 78,9% (lewy górny róg). Równocześnie udało się nie dopuścić do wzrostu stężenia CO2, które co prawda pod koniec badanego okresu zaczęło wzrastać (na co system zareagował po godz. 18:00 27 stycznia), jednak stale utrzymywało się poniżej zadanej wartości 800 ppm (por. linia niebieska na rys. 3 i lewy górny róg). 

Warto zaznaczyć, że system zachował również w podanym czasie stabilną wilgotność nawiewanego powietrza, był to jednak efekt działania stacji nawilżającej. Mamy więc do czynienia z w pełni zrealizowanym zadaniem zapewnienia komfortu klimatycznego w budynku przy jednoczesnym nastawieniu na oszczędzanie energii. Użytkownicy mogą więc nastawiać wentylację na „utrzymanie zadanego poziomu CO2 ” lub inne parametry z podaniem „akceptowalnego poziomu CO2”. 

Daje to systemowi BMS możliwość poszukiwania lokalnych maksimów i minimów funkcji zależności zużycia energii/liczby wymian powietrza/ wilgotności powietrza/temperatury nawiewu i konsekwentnego sterowania tymi parametrami w zadanym okresie.

Jak widać na rys. 5, system poradził sobie również z efektem wygaśnięcia kominka. Kiedy od godz. 3:00 temperatura nawiewu zaczęła się obniżać, BMS zdecydował o okresowym włączeniu grzałek, powodując widoczne na wykresie fluktuacje ich mocy między godziną 2:00 i 12:00 27 stycznia. Najistotniejszy parametr, czyli temperatura panująca w domu, został utrzymany. 

Podsumowanie

Jeżeli założymy, że przez system wentylacji można stracić od 40 do nawet 60% energii doprowadzonej na potrzeby ogrzewania budynku, łatwo o wniosek, że ważniejsza od sprawności ogrzewania budynku jest sprawność jego wentylacji. W uzasadnionej ekonomiką pogoni za dobrą wentylacją zapominamy jednak czasem o komforcie klimatycznym pomieszczeń. 

Ile powietrza wymieniać, o jakiej temperaturze i wilgotności, by nie kolidowało to z systemem c.o. i zapewniało komfort – odpowiedź na to pytanie jest prawdziwym wyzwaniem dla projektantów instalacji. Przyjęcie sztywnych norm, wymagających np. w przypadku kuchni 10–30 „wymian powietrza” na godzinę (czy innego sztywnego parametru, jak np. 183 m3/h), nie sprawdza się w przypadku energooszczędnego domu. W praktyce nie sposób efektywnie i ekonomicznie wentylować kuchni bez świadomości, jaką mamy w niej aktualnie „jakość powietrza”.

Podobnie problem zapewnienia odpowiedniej wilgotności powietrza w domu, szczególnie zimą, przy zastosowaniu rekuperacji wydaje się niemożliwy do rozwiązania bez precyzyjnego pomiaru i regulacji (rozumianej zarówno jako ograniczanie, jak i dodawanie) wilgotności. Niezarządzanie tymi parametrami prowadzi albo do nadmiernego przewietrzenia pomieszczeń, czyli w efekcie do dużych strat energii, albo do jeszcze gorszego stanu – braku świeżego powietrza.

Dla przejrzystości wykresów autor nie naniósł na nie parametru wilgotności powietrza w budynku, a w analizowanym okresie wahała się ona między 45 a 55% w efekcie sterowanego przez BMS procesu nawilżania powietrza. Zadanie to jest o tyle trudne, że temperatura nawiewanego powietrza w dużym stopniu zależy od stopnia jego nawilżenia, ale jest to już zagadnienie na osobny artykuł. 

Wprowadzenie w branży pojęcia „chorego domu” (sickhouse syndrome) było efektem dziesiątków lat obserwacji i wykrycia prostej zależności pomiędzy jakością wentylacji (przede wszystkim wilgotności) a stanem zdrowia mieszkańców. Warto jeszcze raz przypomnieć, że wilgotność większa niż 70% powoduje kłopoty z dotlenieniem organizmu (mieszkańcy mogą się czuć rozkojarzeni, zmęczeni czy odczuwać duszność), z kolei zbyt suche powietrze (o wilgotności poniżej 35%) może powodować przesuszenie dróg oddechowych, bóle głowy itp. 

Pozostaje postawić pytanie, jak zapewnić optymalne zużycie energii pozwalające na realizację powyższych postulatów, tak aby wentylacja nie stała się dla domu „energetyczną czarną dziurą”. Wprowadzenie zintegrowanego BMS, który nie zajmuje się scenariuszami świetlnymi, ale wyliczaniem optymalnej wentylacji w systemie HVAC dla danego budynku, wydaje się odpowiednim rozwiązaniem. 

Związany z tym wydatek powinien być dziś traktowany jako inwestycja w zdrowie i ekonomikę przyszłego budynku, a nie ekstrawagancja. Tym bardziej, że rozbudowany BMS nie jest dziś droższy od kompletnego wyposażenia przeciętnie luksusowej łazienki, a jego działanie będzie miało zasadniczy wpływ na koszty utrzymania budynku i zdrowie jego mieszkańców przez kilka następnych dziesięcioleci. Warto pomyśleć o takim rozwiązaniu już na etapie projektowania budynku mieszkalnego. Projektowaniem właśnie takich budynków zajmuje się autor na co dzień. 

W kolejnym artykule – zarządzanie systemem grzewczym w budynku zautomatyzowanym