Inteligentní dům v reálném životě

Text vyšel jako článek v časopisu Alternativní energie.

Energie je pro mnoho lidí pojem, který je spojený s civilizací a vývojem společnosti a který neodmyslitelně patří k našemu životu. Konkrétnější podobu získává v okamžiku potřeby rozsvítit světlo, ohřát se za chladného dne nebo si pustit teplou sprchu. Ještě konkrétnější podobu má účet od energetických či plynárenských společností a pokud jsme alespoň trošku vizionáři, tak nemůžeme opomenout ekologii, která s výrobou energie přímo souvisí a nepřímo nás stojí další vydání. Asi proto vznikají různé energetické a ekologické projekty a také proto vlády vyspělých zemí podporují řešení snižující energetickou zátěž naší země.

„Inteligentní“ rodinný dům v obci Nebřich v lokalitě Slapy je jedno z řešení, které funguje, je efektivní a díky domácí produkci je i cenově dostupné. Dům je dvoupodlažní novostavba z části podsklepena s užitnou plochou cca 300 m². Je postaven z porothermu 45 cm, použitá okna jsou dřevěná s koeficientem K=1.4, v podkroví je použita jako tepelná izolace minerální vata a sádrokarton. V jižní části je prosklená zimní zahrada s bazénem 7x3.5 m. Tepelné ztráty objektu jsou vypočteny na 25 KW. Hlavním zdrojem tepla pro vytápění i ohřev TUV je tepelné čerpadlo s výkonem 9 KW a 5 solárních panelů umístěných na jižní straně střechy garáže. Jako záloha jsou nainstalována dvě topná tělesa o výkonu 2x7.5 KW v akumulační nádrži. Výkon TČ je záměrně nižší, než požadoval projektant ÚT. Předpokládáme, že chytré řízení provozu lépe hospodaří a že chladné dny, kdy teplota klesá pod -10 °C budou dotopeny zálohou. Systém je v provozu od konce března 2004.

Záměr

Záměrem bylo navrhnout a realizovat řešení inteligentního domu opakovaně použitelné v libovolném objektu včetně administrativních budov s těmito požadavky:

zdroje

využít alternativních zdrojů, konkrétně tepelného čerpadla a solárních kolektorů

zajistit řízení provozu těchto zdrojů v kombinaci se zdroji klasickými (plyn, elektřina, TO)

řízení

zajistit plánovanou tepelnou pohodu nezávisle v každé místnosti

výrazně snížit náklady na provoz oproti použití klasických zdrojů

mít k dispozici informace o stavu, chodu, výkonu a ekonomice provozu technologií, ale také o situaci - např. teplotě, vlhkosti atd. v jednotlivých částech objektu

mít možnost jednotlivé parametry provozu nastavit, měnit a plánovat

celý systém ovládat pomocí programu s přehlednou, jednoduchou, ale kompletní vizualizací a to nejen přímo v objektu, ale pomocí Internetu z libovolného místa

mít k dispozici historická data provozu celého systému pro vyhodnocení kvality řízení, spolehlivosti i ekonomiky provozu.

Zkušenosti z provozu

Tepelné čerpadlo „voda země“ od firmy Tepcer má jmenovitý výkon 9 KW. Dva vrty ve skalnatém podloží jsou 70 m hluboké, od hloubky 9-15 m zaplněné vodou. Primární okruh je naplněn nemrznoucí kapalinou. Pro možnost sledování ochlazení vrtů je ve 30ti metrech hloubky umístěno teplotní čidlo. Vzhledem k tomu, že dům nebyl v zimě vytápěn a začátkem jara je zem po zimě vychlazená, považuji podmínky pro zahájení provozu jako nepříznivé. Tepelné čerpadlo běželo prakticky nepřetržitě, teplota ve vrtu se pohybovala od 5 do 2.5 °C, do vrtu se vracelo médium o teplotě kolem -5 °C. Teplota na výstupu postupně stoupala od 20 do 50 °C. Výkon čerpadla se pohyboval od 7.5 do 9 KW. Včetně ohřátí bazénu na teplotu 25  °Ctrvalo vytopení domu 2,5 týdne. Při použití elektrických topných těles zabudovaných v akumulační nádrži by bylo možno dobu na vytopení zkrátit o polovinu. Nastavené teploty v jednotlivých místnostech domu byly dodržovány s přesností 0.5 °C.

Všechny větve primárního i sekundárního okruhu TČ, solárních kolektorů a 3 teplotně rozdílná místa akumulační nádrže mají instalovány teplotní čidla. Do akumulační nádrže o objemu 2 m³ jsou umístěny 2 výměníky, ve spodní části je medium v nádrži ohříváno solárními kolektory přes výměník o výkonu 8 KW, v horní části je umístěn výměník s výkonem 16 KW na průtokový ohřev TUV. Medium v nádrži je použito v topném systému a současně v sekundárním okruhu TČ. I za plného chodu nedochází k „promíchání“ teplé a studené vody, ale zůstává gradient teploty od 35 v dolní části do 50 °C v horní části nádrže. Pro účel řízení je vypočtena průměrná teplota media v nádrži a ta je porovnána s nastavenou hodnotou regulačního bodu. V případě poklesu pod limit je zapnuto TČ. Režim je nastaven tak, aby aktivní i klidová fáze TČ byly co nejdelší. Pokud svítí slunce a teplota ohřátého media v solárních kolektorech je vyšší než teplota v dolní části nádrže, je automaticky zapnuto oběhové čerpadlo. Teplota solárních panelů dosahuje 60 °C a to i bez ohledu na venkovní teplotu. Zajímavé je, že „výkon“ slunečních kolektorů je téměř stejný v dubnu i v červenci a dosahuje hodnoty kolem 4.5 KW.

Řídící jednotka

Pro řízení procesů je použit mikroprocesorový systém Compec, který je určen pro měření a ovládání binárních a analogových veličin jako jsou: teplota, tlak, průtok, vlhkost, apod. S výhodou lze tento systém použít pro inteligentní řízení vytápění budov, kde hravě zvládá řízení s více zdroji tepla. V kombinaci s PC připojené přes sériový port získáváme díky vizualizačnímu software ConWin od firmy Condata výkonný nástroj nejen pro řízení, ale také pro zpracování a vyhodnocení dat o provozu. Součástí software může být modul pro vzdálený přístup s využitím Internetu. Tato „drobnost“ umožňuje provádět servisní zásahy, kontrolu, nastavení, atd. bez návštěvy objektu. Využití je jak pro provozovatele objektu, tak pro servisní organizaci.

Ekonomika provozu

Zkušenost hovoří o úspoře 30 % při zavedení řídícího systému Compec a až 70 % použijeme-li alternativní zdroje. Zajímavá je dotace na solární kolektory od SFŽP ČR ve výši 50 % nákladů na realizaci a cena 1 KWh za 1,-Kč, používáme-li pro vytápění TČ. Předpokládané náklady na vytápění a  ohřev TUV zmíněného rodinného domu se pohybují kolem 1.000,-Kč měsíčně s tím, že energeticky poměrně nákladný je provoz bazénu. Popsaná realizace má všechny atributy moderního a elegantního řešení energetiky a  stejně jako automobil si bez řídícího procesoru dnes neumíme představit, také řídící systémy domů nachází ve světě automatizace své místo.

Ještě zajímavější je ekonomika administrativních budov, veřejných staveb, škol, internátů atd. Pracovní režim bývá různý nejen v čase, ale i u různých uživatelů. Pokud můžeme předem naplánovat a nastavit režim např. v kanceláři, v učebně či přednáškovém sále, pak úspory na teple jsou opravdu výrazné. Pokud jsme v roli provozovatele administrativní budovy, pak lze zcela přesně měřit spotřebované teplo u jednotlivých nájemců bez dalších přídavných zařízení, navíc nájemce má možnost sám s teplem hospodařit a vytvářet si tepelnou pohodu na vlastním pracovišti. Snížením nákladů na energii provozovatel lépe obstojí v konkurenci nabízených prostor.

Čím v „Inteligentním domě“ teplo řídíme.

Dosud jsme se věnovali zdrojům energie, což je sice zásadní téma, ale náš cíl je dovést teplo až k  člověku vnímajícího pocit všudypřítomné tepelné pohody. Ekologické zdroje tepla i celé řízení zdrojů znehodnotíme, nebudeme-li s teplem hospodařit a zároveň nevytvoříme-li tepelnou pohodu ve všech prostorách domu. Pokud jsme zvyklí na bydlení ve starším činžáku v bytě, pak jediné řízení tepla doma je manipulace s ventily radiátorů a větrání okny. V bytě je v zásadě tepelná nepohoda a teplem se plýtvá. Všichni jistě známe návrat po víkendu do přetopeného bytu, jindy zase podzimní nepříjemný chlad před začátkem topné sezóny. Spotřebované teplo celého domu se na konci sezóny rozpočte mezi nájemníky a vám přijde účet, který vždy překvapí.

Rodinný dům nabízí kromě manipulace s ventily také prostorový, někdy programovatelný termostat v jednom, většinou obývacím pokoji. Termostat zpravidla nikdo neumí nastavit a zvát servisního pracovníka na nastavení jiné teploty doma je nepohodlné. Navíc sebelépe nastavený termostat v „obýváku“ neřeší další místnosti domu, kde ventily zavíráme až když je horko a naopak. Výsledkem je v zásadě drahá tepelná nepohoda a vrchol řízení tepla – termostatické hlavice u radiátorů to nezachrání a často po letních měsících nečinnosti zatuhnou a stanou se nefunkční. Servis vyhledáváme až nás k tomu donutí chlad či horko v místnostech. Ještě komplikovanější je ručně vyregulovat podlahové vytápění, řízené pro celý dům jedním termostatem. Rozdělit teplo dle představ uživatele do všech místností je úkol na celou sezónu. I tak teplem nešetříme a tepelnou pohodu špatně ovlivňujeme. Celá situace se ještě více komplikuje, pokud dům je nerovnoměrně využíván a to jak časově tak prostorově.

Jednoduchou úvahou docházíme k závěru, že jediný způsob, jak v domě vytvořit tepelnou pohodu a zároveň jednat ekonomicky je nesoučasné vytápění, což znamená každou místnost domu sledovat a její vytápění ovládat individuálně. „Kolečko“ termostatu v každé místnosti ani programovatelné varianty nejsou optimálním řešením a navíc umožňují nekompetentní zásahy do vytápění. Jako nejschůdnější technicky a zároveň nejjednodušší pro uživatele je obrazovka monitoru domácího počítače. Vizualizace celého objektu s jednoduchým a přehledným grafickým zobrazením stavu jak zdrojů tepla, tak teploty či vlhkosti v jednotlivých místnostech nevyžaduje žádný manuál ani dlouholeté zkušenosti s používáním PC. I odpůrci počítačů nakonec uznají, že nastavit požadovanou teplotu, či kalendář teplot na obrazovce počítače je hračka proti nastavení teploty u programovatelného termostatu v místnosti.

V tomto místě je vhodné popsat strukturu celého systému, z čeho se skládá a jak funguje. Zároveň tím odkryjeme karty a nedůvěřivý vlastník či uživatel domu zjistí, že popsané řešení je vlastně i jeho požadované řešení a investice (závislá na velikosti objektu, typů zdrojů a počtu řízených prostor) do nesoučasného vytápění v ceně domu nehraje významnou roli.

Řídící jednotka

je naprogramovaný technologický procesor Compec, který snímá např. teploty, průtoky, vlhkosti atd. a ovládá čerpadla, ventily a další zařízení. Je uložen  většinou v technologické místnosti v rozvaděči společně se stykači a jističi a je mozkem celého systému. Ovládání a vizualizace stavu v domě probíhá pomocí PC, který je k procesoru Compec připojen sériovým kabelem přes rozhraní RS232. Řídící program je v procesoru Compec, vizualizaci zajišťuje program ConWin v PC. Chod systému je na PC nezávislý a i po výpadku proudu procesor Compec pokračuje v řízení dle nastavených hodnot.

Teploměry, vlhkoměry

snímání hodnot zajišťují čidla Dallas, SHT umístěná v jednotlivých místnostech, na rozvodech topného média, solárních panelech a dalších místech technologické místnosti i domu. Čidla jsou programovatelná což umožňuje propojení jedním vodičem v sérii. Řečeno jinak, každé podlaží domu oběhne jeden tenký vodič svedený do technologické místnosti.

Termopohony

např. thermopohon Mohlenhoff Alpha je zařízení nasazené na ventilu radiátoru nebo rozdělovače podlahového topení nebo kdekoli v rozvodu, kde je třeba regulovat průtok. Ovládání probíhá stejně jednoduše, jako snímání teplot a je řízeno z řídící jednotky. Pracuje v režimu ON/OFF.

Compec firmware software

programové vybavení řídícího procesoru modifikované dle konfigurace zákazníka a ovládané z domácího PC nebo pomocí Internetu ze vzdáleného PC nebo servisního místa. Tento program dle nastavení řídí provoz všech prvků otopné soustavy.

ConWin software

programové vybavení PC, připojeného sériovým kabelem k řídícímu procesoru. Program je modifikován dle dispozice domu tak, aby vizualizace odpovídala skutečnosti. Zobrazuje všechny snímané i ovládané prvky, zdroje energie i půdorysy jednotlivých místností domu.

Domácí PC

běžné PC bez zvýšených nároků na rychlost i kapacitu disku, lze použít i starší stroj. Podmínkou je operační systém Windows 2000 a výše. Počítač lze připojit k Internetu pomocí pevné linky nebo např. Eurotel GPRS nebo DataExpres. Trvalé připojení Internetu slouží bez omezení celé rodině a současně umožňuje na dálku ovládat, kontrolovat a servisovat celý systém. Navíc lze k počítači připojit malou Webcameru a do svého domu se podívat třeba z druhého konce světa. Využití a provoz domácího PC je samostatnou kapitolou, kterou se můžeme zabývat individuálně se zájemci o toto řešení.

Jak Inteligentní dům funguje

Po ukončení montáže a ověření funkčnosti všech prvků je systém zprovozněn v základním nastavení, týkající se technologie zdrojů tepla (kotel, tepelné čerpadlo, solární kolektory, akumulační nádrž) a požadované teploty místností v průběhu týdne. Pokud nám nastavení některé místnosti nevyhovuje, spustíme program ConWin a kliknutím na příslušné podlaží a místnost nastavíme teplotu novou, či změníme kalendář. Tento postup použijeme na počítači jak v objektu, tak kdekoliv jinde, pokud máme internetové připojení. Zadané hodnoty ConWin předá řídícímu procesoru. Mimo hodnoty a parametry, které zadáváme má program další zabudované funkce, které na první pohled nejsou vidět, ale které systém kontrolují a zajišťují jeho bezporuchový chod. Např. jedna z funkcí nazvaná „Jogin“ jednou denně zavře a otevře všechny ventily v objektu. Po letních měsících se pak nestane, aby zatuhly a nebyly funkční. Celý systém lze ovládat také ručně a to buď manuálním režimem v programu ConWin nebo tlačítky přímo v rozvaděči. Znamená to, že ani v případě havárie řídícího systému nebo domácího PC není uživatel domu bez možnosti vytápění ovládat. V případě problémů s provozem lze kdykoliv kontaktovat servisní středisko, které na dálku systém prohlédne, případně modifikuje nebo aktualizuje. Každý software prochází vývojem a distribuce nových verzí internetem bez zásahu uživatele nepostrádá eleganci.

Program ConWin nám poskytuje např. tyto informace:

• které zdroje tepla jsou v provozu a jak dlouho
• jaké jsou teploty v akumulační nádrži a vztah k regulačnímu bodu
• které místnosti jsou právě vytápěny a historický průběh teplot
• energie v KWh vyrobená jednotlivými zdroji energie (kotel, tepel.čerpadlo, solární kolektory, atd.)
• venkovní teplota a její průběh v čase
• stav všech ovládaných prvků a čidel
• grafy všech měřených hodnot od počátku provozu systému
• teplota vody v bazénu a teplota a vlhkost vzduchu v bazénovém prostoru
• funkce bazénové technologie (filtrace vody, odvlhčení prostoru, dohřev vody v bazénu atd.)
• jak dlouho se která místnost ohřívá na požadovanou teplotu, či jak rychle teplo z ní odchází – odhalení tepelných mostů stavby, vady v izolaci adt.

Pokud nastavení teplot vyhovuje našemu pocitu tepelné pohody, pak systém bez dalšího zásahu toto nastavení udržuje s minimálními náklady a nevyžaduje další asistenci. Máme-li potřebu provést letmou kontrolu naší energetické soustavy, pak spuštění programu a shlédnutí stavu domu zabere několik minut.

Po několika měsících chodu a provozu systému nesoučasného vytápění a řízení zdrojů se jeví klasické řešení s jedním termostatem v „obýváku“ jako nepřijatelné. Dokonce se zájmem a potěšením lze sledovat hodnoty elektroměru v domě, které jednoduchým vynásobením x1 sdělí, kolik málo peněz jsme za energii utratili.