Vnitřní prostředí inteligentních budov

Vývoj informačních technologií založených na elektronickém zpracování a přenosu informací se promítá do všech oblastí našeho života. Aplikace v oblasti telekomunikací a výpočetní techniky, automobilového průmyslu a spotřební elektroniky jsou již běžnou součástí našeho života a z dnešního pohledu již nikomu nepřijde neobvyklé odemknutí automobilu na dálku nebo poslání MMS zprávy svým bližním třeba z opačné části zeměkoule.

Rozvoj těchto technologií má dopad i na stavitelství, otevírá nové možnosti a mění mnohé zaběhnuté principy. Současný architekt má tak mnohem více možností, jak budovu koncipovat, a některé funkce stavby, dříve řešené výhradně stavební konstrukcí, může nahradit jiným z technických systémů budovy. V této souvislosti lze jako typický příklad uvést ochranu před vloupáním: klasická stavba měla masivní stěny, a tak cesta nezvaného hosta byla možná výhradně okenními a dveřními otvory, jež byly zabezpečeny např. mřížemi. Moderní stavba řešená na bázi lehkých materiálů s vysokým stupněm prosklení může mít složitější elektronickou ochranu. Jiným příkladem je letní provoz – až donedávna byl v našich klimatických podmínkách řešen výhradně staletími vyzkoušeným poměrem zabudované hmoty stavby a velikosti oken s prvky přirozené klimatizace. Moderní budovy často zápasí s problémem přehřívání v letním období, a tak si opět pomáháme technickými systémy, např. mechanickým chlazením nebo aktivními fasádami.

V současných budovách se tak objevuje množství nových technických systémů, které řeší jednotlivé funkce stavby. Vedle vlastního systému, jenž musí umět danou funkci splnit, je velmi důležité jeho provozování, které musí splňovat ekonomické, energetické, ekologické i legislativní požadavky. Způsob provozování určitého systému je podmíněn možnostmi jeho regulace a řízení. Právě zde se objevuje velký prostor pro aplikace v oblasti moderních technologií, umožňujících přenos a zpracování velkého množství dat. Není velkým technickým problémem algoritmizovat standardní regulační zásahy na jednotlivých systémech. Současné systémy vybavené regulací se tak mohou do jisté míry chovat autonomně na základě podnětů senzorů regulačního systému. Toto chování jednotlivých systémů dalo základ pojmu inteligentní budova, byť k pravému smyslu slova inteligence, jehož základem je latinské slovo intellego, jež označuje „rozumovou schopnost řešit nové nebo složité situace“, mají naše budovy ještě velmi daleko.

Definice pojmu inteligentní budova však není jednotná a je možné ji chápat v různém pojetí. První zmínky o inteligentních budovách se objevily v 80. letech minulého století v USA a IBI (Intelligent Building Institute of USA) je definuje jako „budovy racionálně navržené, které poskytují efektivní, komfortní a příjemné prostředí optimalizací čtyř základních prvků budovy – materiály, konstrukční systém, systémy TZB a provozování budovy“.

Japan Intelligent Building Institute definuje jako inteligentní takovou budovu, která je „vybavena komunikačními službami a automatizovaným provozem a je vhodná pro inteligentní aktivity“.

Evropská definice vycházející z European Intelligent Building Group (EIBG) se sídlem ve Velké Británii označuje tímto pojmem „budovy vytvářející pro uživatele efektivní prostředí při účinném užití zdrojů a minimalizaci provozních nákladů“.

V dnešním pojetí, užívaném ve střední Evropě, je za inteligentní považována budova „vybavená sjednoceným řízením (integrovaným managementem) jednotlivých funkčních systémů s cílem zajistit optimální vnitřní prostředí a provoz budovy při minimalizaci spotřeby energie a provozních nákladů“.

Kromě těchto definic, které se víceméně vztahují k řízení provozu budovy, se můžeme setkat i s pojmy „inteligentní architektura“ a „inteligentní konstrukce“. Inteligentní architektura se zabývá třemi zájmovými oblastmi:

1) Inteligentním architektonickým návrhem budovy, jenž odráží humanistické, kulturní a kontextové aspekty v daném ekonomickém, sociálním a globálním pohledu, vytváří dílo v harmonii s principy trvale udržitelného rozvoje lidské společnosti.

2) Vhodným využitím inteligentních technologií. Množství dostupných inteligentních technologií často vede k jejich nevhodnému užití; inteligentní technologie je vhodné použít s ohledem na základní požadavky a zvyklosti uživatelů. Typickým příkladem nevhodného užití inteligentní technologie je hi-tech chladicí zařízení v budovách, kde je zvykem mít otvíravá okna a kde existuje tlak na úspory energie. V těchto budovách je vhodnější využít akumulace chladu v konstrukci a nočního chlazení; naopak vhodné využití „inteligence“ budovy se projevuje například tím, že si jednotlivé systémy navzájem nekonkurují. V případě vytápění a větrání je typickou situací otevření okna v zimě, kdy běžná budova začne více topit, aby pokryla zvýšenou teplenou ztrátu, zatímco inteligentní budova ví, že je otevřené okno, a výkon vytápěcího zařízení začne zvyšovat až po určité době.

3) Inteligentním užíváním a údržbou budovy. Skutečně inteligentní budova zahrnuje i inteligentní facility management, který zohledňuje různou životnost jednotlivých částí budovy a jejich údržbu i provozování; byť inteligentní budova může zahrnovat mnoho systémů, její provoz musí být jednoduchý, robustní a ohleduplný k životnímu prostředí.

Pod pojmem inteligentní konstrukce jsou myšleny především inteligentní fasády, jejichž vlastnosti se mění buď automaticky, nebo na základě požadavku člověka. Jedná se především o změnu tepelného odporu, propustnosti solárního záření, součinitele absorpce, permeability nebo barvy. Tyto fasády dokáží optimalizovat tepelné zátěže interiéru a denní osvětlení a výrazně tak ovlivnit potřebu energie. Otázkou zůstává, zda se stále ještě jedná o stavební konstrukce, či již o technická zařízení.

Regulace se skládá z více regulačních obvodů, kdy každý zajišťuje udržování žádané hodnoty jedné fyzikální veličiny.
Regulační obvod (obr. 1) se skládá z regulované soustavy, která se v obvodu projevuje regulovanou veličinou x (měřitelnou fyzikální veličinou – teplotou, tlakem, průtokem, otáčkami, výškou hladiny). Informace o hodnotě regulované veličiny x se prostřednictvím zpětné vazby přenáší do regulátoru, kde se porovná s žádanou hodnotou, nastavenou ručně nebo na základě řídicí veličiny w. V případě neshody se změní akční veličina y, působící prostřednictvím akčního členu na regulovanou soustavu. Poruchová veličina z je příčinou změny stavu regulované soustavy (regulované veličiny) a důvodem regulačního zásahu.

V závislosti na míře zapojení lidského činitele do regulačního obvodu rozlišujeme:
1) ovládání, kde chybí zpětná vazba a regulátor a regulační zásah provádí člověk bez přímé informace o změně regulované veličiny, např. ruční uzavření větve otopné soustavy bez informace o změně teploty (obr. 2);
2) ruční regulace, kde funkci regulátoru zastává člověk; prostřednictvím zpětné vazby získává informaci o chování regulované soustavy a vyhodnocuje, jak prostřednictvím akčního členu zasáhnout, aby regulovaná veličina byla v rovnováze s žádanou hodnotou, např. ruční uzavření otopného tělesa v místnosti, kde je třeba snížit teplotu (obr. 3);
3) automatická regulace, kde regulátor je zařízení, které automaticky porovnává regulovanou veličinu s žádanou hodnotou a mění akční veličinu (obr. 4). Žádaná hodnota se nastavuje buď ručně, nebo podle řídicí veličiny (prostorový termostat, který podle teploty v místnosti zapíná a vypíná kotel);
4) inteligentní regulace, kde jednotlivým regulačním obvodům nadřazena vyšší regulace, zajišťující harmonické chování jednotlivých subsystémů a sdílející jednotlivé měřené veličiny (obr. 5).

Pro lepší zobrazení klikněte na obrázky.

Obr. 1 Regulační obvod	Obr. 2 Ovládání bez zpětné vazby
Obr. 3 Ruční regulace	Obr. 4 Automatická regulace

Obr. 5 Inteligentní regulace

Jednotlivé funkce inteligentní budovy lze rozdělit do skupin podle účelu. Je zřejmé, že pojem inteligentní budova neznamená integraci všech funkcí, ale v jednotlivých typech budov se použijí pouze relevantní funkce. Základní skupiny funkcí inteligentních budov, nazývané služby, jsou energetické a ekologické, komfortní, bezpečnostní, dopravní, sociální, zábavní a komerční.

Do této kategorie zařazujeme služby zajišťující provoz energetických a ekologických systémů budov, to znamená technických zařízení určených k přenosu energie a médií pro zajištění kvality prostředí, do kterých patří zdravotechnika (vodovod, kanalizace, plynovody), vytápění, chlazení a větrání budov, příprava teplé vody a silové rozvody elektrické energie.

Smyslem těchto služeb je hospodárné využití energie s cílem minimalizace negativního dopadu funkce těchto systémů na životní prostředí. Inteligentní řízení umožňuje i dálkové monitorování těchto služeb a v případě nestandardních situací i upozornění provozovateli či majiteli objektu. Tyto služby začínají nabývat na svém významu zvláště v souvislosti s úsporami energie, kdy inteligentní řízení dodávky energie pro vytápění a chlazení objektu může při vhodně navrženém systému vyhovovat požadavkům uživatelů při minimální spotřebě energie. V současných systémech vytápění i chlazení se často setkáváme s využitím obnovitelných zdrojů, jako je solární energie nebo energie země s bivalentním nebo trivalentním zapojením. Při běžném řízení těchto zdrojů se často dostáváme do situace, kdy si vzájemně konkurují a nevyužívají tak svého plného potenciálu. Typickým problémem je systém s akumulací tepla získávaného ze solárních kolektorů s dohřevem. V těchto systémech musí regulace, případně obsluha správně odhadnout předpokládaný průběh solárních zisků a odběr energie tak, aby bylo kam energii akumulovat. V běžných systémech se totiž často stává, že doplňkový zdroj energie nabije akumulátor v nočních hodinách, a ráno, kdy solární zisky začínají působit, již není kam energii akumulovat. Inteligentní řízení takového zdroje umožní podstatně lepší hospodaření s energií a v případě provázání systému řízení na meteorologická data i adaptivní chování celého systému. Obdobné případy se řeší i systémem nočního chlazení, kdy se na základě krátkodobé předpovědi počasí nastaví optimální míra vychlazení objektu. Tento článek si neklade za cíl kompletní výčet všech energetických služeb inteligentních budov, nesmíme však zapomenout na vhodně řešené ovládání umělého osvětlení, které může též významnou měrou přispět k energetickým úsporám.

Energetické služby, vedoucí ke snížení spotřeby energie a zvýšení komfortu možností vzdáleného monitorování a nastavení požadovaných parametrů vnitřního prostředí, patří k nejvíce se rozvíjejícím službám. Základními prvky jsou čidla (senzory) snímající teplotu v místnosti (obr. 6) nebo více parametrů, jako jsou teplota, vlhkost a koncentrace oxidu uhličitého (obr. 9). Informace z těchto čidel jsou přenášeny kabelovými rozvody do řídicí jednotky (obr. 7), která signály zpracuje a dá pokyn příslušnému akčnímu členu – např. hlavici ventilu otopného tělesa (obr. 10) nebo jednotce bytového větrání (obr. 8). Pro nastavení požadovaných parametrů a sledování chování systému se využívá počítače, který buď přímo, nebo prostřednictvím internetu odečítá data z řídicí jednotky a uživatelsky komfortním rozhraním je zobrazuje uživateli (obr. 11).

V oblasti ekologických systémů budov se jedná především o kontrolní služby řešící havarijní stavy při poruše vodovodu, úniku plynu nebo vzniku vzduté vody v kanalizační soustavě. Příkladem aplikace jsou vany vybavené senzorem výšky hladiny, které umožní dávkování požadovaného množství vody. Vedle bezpečnostní funkce (ochrana proti vyplavení) má takový systém dopad i na energetické úspory.

Do této skupiny zařazujeme především služby, které řídí systémy vytvářející vnitřní prostředí budov. Jedná se o vytápění, chlazení a větrání místností, kde je možné individuálně nastavit požadované parametry vnitřního prostředí podle okamžitých požadavků uživatele. K tomu, aby takový systém řízení fungoval, musí být uzpůsoben i systém energií. Ke komfortu lze přiřadit i ovládání umělého osvětlení, kde se objevují aplikace umožňující volbu různých scénářů umělého osvětlení. Další oblastí je ovládání vrat a dveří. Uživatelsky zajímavou oblastí je možnost vzdáleného monitorování parametrů objektu, využívající webového rozhraní ke sledování stavu objektu, případně k nastavení žádaných systémových hodnot – např. před návratem ze zimní dovolené se zapne vytápění na vyšší teplotu.

Kategorie bezpečnostních služeb je asi nejrozvinutější oblastí v řízení inteligentních budov. Patří sem systémy monitorování vstupu osob do objektu, jejich pohybu v objektu, dále pak systémy protipožární ochrany a zabezpečení proti havarijním stavům jednotlivých technických systémů. Díky tomu, že bezpečnostní služby v oblasti ochrany budovy před nezvanými návštěvníky mají na rozdíl od ochrany před technickými poruchami za soupeře člověka, jenž se snaží tyto systémy obelstít, je to jedna z nejrychleji se rozvíjejících se oblastí. Jmenovat lze systém pro identifikaci člověka na základě analýzy oka, slin nebo otisku prstu.

Vedle dnes již běžných služeb je v budovách s inteligentním řízením zajímavou aplikací možnost vytváření uživatelských profilů – obdoba uživatelských profilů na mobilním telefonu. Např. v profilu „opuštění domu“ proběhne vypnutí spotřebičů, uzavření oken a přepnutí větrání na minimální výměnu vzduchu; profil „dovolená“ je rozšířen o nepravidelné rozsvěcení světel v budově apod.

Inteligentní řízení dopravních služeb v budovách se zaměřuje především na optimalizaci provozu výtahů, eskalátorů a travelátorů.
 

Sociální služby v inteligentních budovách jsou určené pro ochranu a zvýšení využitelnosti budovy pro děti, tělesně postižené, seniory a nemocné. Tyto služby jsou zaměřeny především na přivolání pomoci v nouzi, monitorování základních životních funkcí a na služby pomáhající eliminovat handicap uživatelů.

Přivolat pomoc v nouzi lze v nejjednodušší formě klasickým telefonem, vybaveným hlasovou volbou a zrychlenou volbou telefonního čísla pomoci. Vyspělejší systémy využívají telefonu s dálkovým ovladačem s rychlou volbou v podobě přívěsku nebo náramku. Další možností je umístění alarmových tlačítek v místnostech; doporučuje se umístění u podlahy. Tyto způsoby přivolání pomoci v nouzi vyžadují aktivní zásah postiženého. Tam, kde hrozí nebezpečí, že postižený nebude schopen si sám pomoc přivolat, se využívá alarmu automaticky aktivovaného kritickými biomedicínskými daty. Jedná se především o EKG, puls, dýchání nebo nehybnost osoby. Příkladem může být alarm aktivovaný delší nehybností osoby v koupelně, která může být symptomem pádu a omráčení, případně nevolnosti. Tyto služby vyžadují senzory, které data snímají. Vedle personálních senzorů, do jisté míry omezující monitorovanou osobu, je tyto senzory možné umístit do postele, toalety nebo vany.

Systémy pro eliminaci handicapu uživatelů jsou zaměřeny především na podporu paměti, sluchu, zraku a omezeného pohybu. Řídicí systém inteligentní budovy může připomenout užívání léků (zřejmě trošku v jiné formě než úsměvné „Vem si prášek“ známé z klasického sci-fi filmu Sexmise), uzavření oken a uzamčení budovy při jejím opuštění. Z vážnějších služeb je to supervize opuštění budovy v noci a zimě, kdy může být aktivován alarm v případě, že nemocný uživatel nečekaně opustil svůj dům. Systémy pro eliminaci poruchy sluchu jsou založeny na principu indukční smyčky a optické komunikace – světelný zvonek, telefon. Handicap v oblasti snížené schopnosti pohybu osob je možné v inteligentní budově řešit adaptabilními prvky od vany s pohyblivým dnem, přes WC po kuchyňskou linku s nastavitelnou výškou.

Zábavní a komerční služby inteligentních budov jsou v těsné souvislosti s internetem. V oblasti zábavy se centrem audiovizuálního systému stává jeden domácí počítač, zajišťující rozsah činností od přehrávání hudby a obrazu po příjem televizního signálu, nahrávání, komunikace, hraní her a on-line obchodování. I v této oblasti, obdobně jako v bezpečnostních službách, je možné pozorovat dramatický vývoj.

Rozvoj služeb inteligentních budov s sebou samozřejmě přináší úskalí. Tak jako u každé nové technologie se objevují nečekané problémy nejen technické, ale i sociální. Nicméně moderní technologie tato řešení umožňují a je především na investorovi, aby ve spolupráci se specialistou vhodně formuloval požadavky na jednotlivé služby.