Inteligentne domy to wysoko zaawansowane technologicznie budynki. Nowoczesny dom na miarę XXI wieku to nie tylko cztery ściany i dach. W jego skład wchodzi wiele urządzeń i systemów, które jeszcze kilka lat temu zwykłemu człowiekowi kojarzyłyby się raczej z filmem z gatunku Science Fiction niż z jego własnym domem.

Rys. 1. Schemat budowy domu inteligentnego, źródło: e-automatyka.pl

Większość osób na pytanie o inteligentny dom odpowiada, że to budynek, w którym po klaśnięciu w dłonie zapala się światło, bądź też, że w takim budynku można zmieniać kanały w telewizorze poprzez słowne wybranie odpowiedniej stacji. Przeciętny Polak postrzega urządzenia zastosowane w takim domu jako niepotrzebne gadżety, stworzone głównie dla najbogatszych – tak naprawdę niepotrzebne, ale robiące duże wrażenie. Jest to błędne pojmowanie idei inteligentnego domu czy też mieszkania. Po pierwsze, inteligentny dom wcale nie musi być bardzo drogi – jest wręcz odwrotnie! Rozwiązania zastosowane w takim budynku mają za zadanie obniżyć koszty związane z eksploatacją. A urządzenia najbardziej rzucające się w oczy stanowią raczej dodatek niż podstawę całego systemu. Ogólną koncepcją inteligentnego budynku jest stworzenie dla domowników takiego miejsca, które zapewni im maksimum wygody oraz bezpieczeństwo, jednocześnie redukując koszty eksploatacji. Połączenie tych wszystkich elementów sprawia, że nasz dom zaczyna „myśleć”, a my – przebywając w nim – naprawdę czujemy się, jakbyśmy mieli do czynienia ze sztuczną inteligencją.

Oszczędność

Decydując się na budowę domu, zwracamy uwagę nie tylko na koszt wykonania, lecz coraz częściej również na wydatki wynikające z przyszłej eksploatacji. Mając świadomość stale rosnących kosztów energii, inwestorzy śmielej sięgają po projekty domów niskoenergetycznych. Zauważyć należy, iż nie każdy dom niskoenergetyczny jest budynkiem inteligentnym, natomiast prawie każdy dom inteligentny to budynek niskoenergetyczny¹.

Jednym z głównych problemów w tego typu obiektach jest utrzymanie optymalnej temperatury wewnątrz. Dom narażony jest na zmiany warunków zewnętrznych zarówno w ciągu roku, jak i w ciągu doby, co powoduje wahania temperatury w środku. Dzięki indywidualnemu ustawieniu parametrów pracy systemu grzewczego możemy uzyskać nie tylko komfort termiczny, ale również znaczne oszczędności energii. Z wielu pomieszczeń korzystamy sporadycznie, kilka godzin w ciągu doby. Po co więc tracić energię na ich ogrzewanie? Można tam bez problemu utrzymywać niższą temperaturę. Należy ustawić harmonogram ogrzewania konkretnych pomieszczeń, który wpasuje się w nasz styl życia, zmieniając warunki panujące w domu nawet kilkukrotnie w ciągu jednego dnia. Jest to tak zwany system personalizacji. W porze porannej system skieruje swoją uwagę na ogrzewanie pomieszczeń kuchni, jadalni czy łazienki. Po śniadaniu, gdy cała rodzina opuszcza mieszkanie, temperatura w całym budynku może zostać bez problemu obniżona. Wieczorem natomiast najbardziej „eksploatowanym” pomieszczeniem jest salon – nie potrzeba, aby w kuchni czy sypialni była taka sama temperatura. Gdy dzieci odrabiają pracę domową, do ich pokojów skierowany zostaje strumień ciepłego powietrza. System jest pomocny również w sytuacjach ekstremalnych. Pozwala on na ustawienie automatycznego wyłączania ogrzewania w pomieszczeniu, w którym wykrył na przykład otwarte okno. Wszystko to można w bardzo prosty sposób ustawić na ekranie wyświetlaczy umieszczonych w różnych pomieszczeniach, które dodatkowo podają dokładne informacje o aktualnym stanie pomieszczenia tzn. wyświetlają temperaturę, wilgotność w pomieszczeniu itp. Warto też zadbać o to, aby ciepło pochodziło ze źródeł odnawialnych – dzięki temu będziemy mogli zmniejszyć nasz negatywny wpływ na środowisko. Dodatkowo nadmiar energii możemy zmagazynować np. poprzez naładowanie naszego elektrycznego samochodu. Da nam to poczucie spełnienia dobrego uczynku wobec całego społeczeństwa oraz oszczędność na drogim paliwie.

Dokładnie taka sama sytuacja występuje w przypadku wykorzystywania systemów klimatyzacji pomieszczeń latem. System ten potrafi dokładnie dopasować temperaturę we wszystkich pomieszczeniach i tak skierować strumień powietrza, by chłodził tylko te pomieszczenia, które chcemy. Podobnie jak w kwestii ogrzewania – system wyłączy klimatyzację, gdy wykryje, że w pomieszczeniu aktualnie schładzanym ktoś otworzył okno.

Drugim bardzo ważnym aspektem związanym ze stratami energii jest oświetlenie. I nie ważne, jaka jest pora dnia, czy jakie aktualnie wykonujemy prace. Światło jest tym elementem, który kształtuje nasze poczucie komfortu. W momencie gdy go potrzebujemy, zawsze pamiętamy by je włączyć. Natomiast problem pojawia się wtedy, gdy już nie jest nam potrzebne, bądź też nie potrzebujemy go tak wiele. Często po prostu zapominamy wcisnąć wyłącznik. Z pomocą w takiej sytuacji przychodzi system, dzięki któremu możemy łagodnie ściemnić lampy, jak również indywidualnie dopasować moc oświetleniową do aktualnego zapotrzebowania. Przykładowo: wchodzimy do salonu i bierzemy do ręki gazetę z programem telewizyjnym (oświetlenie w tym momencie ustawione jest na 100%), jednak po chwili, gdy już skończymy lekturę, moc lamp może osłabnąć, aby zapewnić nam odpowiednią ilość światła. Innymi słowy, możemy ustawić system tak, aby idealnie wpasował się w nasz tryb życia. Oczywiście wymaga to zastosowania odpowiednich świetlówek. Muszą być one wyposażone w elektroniczne zapłonniki (EVG). Samo zastosowanie tych świetlówek zmniejsza zużycie energii o ok. 20%, a w połączeniu z automatycznym sterowaniem może dać nawet ok. 60% oszczędności energii przeznaczonej na oświetlenie. Część pomieszczeń można wyposażyć w lampy LED, co również obniży zapotrzebowanie na energię.

Bezpieczeństwo

Każdy chciałby czuć się w swoim domu bezpiecznie, dlatego wiele tradycyjnych obiektów wyposażonych jest w różnego rodzaju czujniki. Jedne służą do pomiaru zawartości dymu, inne natomiast na jakikolwiek ruch przed domem reagują zapaleniem się świateł. Takie systemy są dość popularne i nie wywołują u nikogo zdziwienia. Budynki inteligentne posiadają jednak również wiele innych ciekawych rozwiązań. Najważniejszą kwestią pod względem bezpieczeństwa jest automatyczne sterowanie roletami antywłamaniowymi. Możemy je ustawić w taki sposób, aby samoczynnie zamykały się w chwili, gdy wszyscy domownicy opuszczają dom, bądź też wieczorem, gdy chcemy zapewnić sobie więcej prywatności. Dodatkowo nasz system będzie automatycznie reagował na jakiekolwiek zmiany pogodowe. Zamknie rolety podczas podmuchów bardzo silnego wiatru, czy też domknie okna dachowe podczas opadów deszczu. Zareaguje również bardzo szybko w przypadku awarii. Gdy wykryty zostanie niekontrolowany wyciek wody z instalacji, system natychmiast zamknie zawór główny. Identycznie zadziała w przypadku wykrycia przez detektory nieszczelności w instalacji gazowej. W razie zaprószenia ognia uruchomione zostaną zraszacze. W ekstremalnych przypadkach system może nawet automatycznie powiadomić odpowiednie służby ratunkowe. Często również po wyjściu z domu zastanawiamy się, czy na pewno wyłączyliśmy żelazko bądź jakieś inne urządzenie, które nie zabezpieczone może spowodować zagrożenie. Rozwiązanie tego problemu jest bardzo proste, wystarczy przy drzwiach wyjściowych zainstalować wyłącznik główny. W chwili opuszczania naszego domu, automatycznie zostaną wyłączone wszystkie urządzenia takie jak np.: żelazko czy kuchenka.

Innym bardzo ważnym rozwiązaniem poprawiającym bezpieczeństwo – nie tyle samych mieszkańców, co całego budynku – jest symulacja obecności domowników. Gdy opuszczamy nasz dom na dłuższy czas, na przykład wyjeżdżając na urlop, system będzie robił odwrotne wrażenie. Dzięki zapalaniu świateł czy podnoszeniu i opuszczaniu rolet, obserwatorowi z zewnątrz wyda się, że faktycznie ktoś cały czas przebywa w domu. Dodatkowo cały budynek, jak również teren wokoło niego, możemy wyposażyć w system inteligentnych kamer. Gdy coś zaniepokoi któregoś z domowników, na ekranie dowolnego telewizora możemy wyświetlić, co dzieje się w każdym miejscu wewnątrz bądź na zewnątrz naszego domu.

Wygoda

Dom budzi Cię poprzez włączenie Twojej ulubionej stacji radiowej. Temperatura w każdym pomieszczeniu jest już idealnie dopasowana. Rolety w sypialni unoszą się, wpuszczając do niej naturalne światło. Gdy wstaniesz z łóżka dzięki zastosowaniu czujników ruchu Twój dom oświetla Ci drogę – najpierw do łazienki, gdzie czeka na Ciebie napełniona gorącą wodą wanna, następnie zaś do kuchni, gdzie został uruchomiony już ekspres do kawy. Telewizor uruchamia się na kanale z wiadomościami, a do domu wpuszczone zostaje świeże powietrze. Czyż to nie wspaniały początek dnia? Tak może wyglądać każdy poranek w inteligentnym domu. Ciekawym rozwiązaniem jest możliwość zaprogramowania całych sentencji zdarzeń. Wyobraźmy sobie taką sytuację: wychodzimy z pracy i dostajemy telefon, że za pół godziny odwiedzą nas goście. W takiej sytuacji wystarczy za pomocą swojego smartfona wybrać opcję „goście” i nasz dom wykona całą pracę za nas. Nastawi odpowiedni poziom oświetlenia, stosowną temperaturę w salonie, a z radia cicho poleci odpowiednia muzyka.

W tym miejscu warto zwrócić uwagę na fakt, że inteligentny dom wcale nie musi być budynkiem nowym. Właściciele starszych, tradycyjnych obiektów również mogą je zmienić na budynek inteligentny. Oczywiście jest to dość trudne i często będzie się wiązać zarówno z remontami, jak również ze sporym wydatkiem. Jednak, jeśli dobrze się postaramy, to dużo urządzeń może być ukrytych np. w sufitach podwieszanych. Alternatywą jest łączenie urządzeń np. drogą radiową, jednak trzeba pamiętać, że system radiowy jest raczej rozszerzeniem sieci przewodowej.

Jak to działa?

Jak już wcześniej wspomnieliśmy, inteligentny dom wyposażony jest w masę przeróżnych urządzeń, sterowników i czujników. Dlatego o instalacji należy pomyśleć już na etapie projektowania domu. Rodzi to pewne konsekwencje i problemy. Mianowicie, każde urządzenie potrzebuje zarówno przewodu zasilającego, jak również sterującego. Przy dużych i dość „bogato” wyposażonych budynkach, liczba kabli byłaby wręcz ogromna. Dodatkowo wszystkie systemy muszą ze sobą współgrać. Rozwiązanie tego problemu przyszło w 1990 r. wraz z pojawieniem się systemu KNX/EIB. Był to całkowicie nowy system, opracowany wspólnie przez czołowych europejskich producentów. Miał on za zadanie zastąpić klasyczną instalację elektryczną, która nie mogła sprostać stale rosnącym wymaganiom użytkowników. Połączone są w nim wszystkie funkcje zarządzania budynkiem. Do wykonywanych przez system zadań należą: załączanie, sterowanie, sygnalizowanie, regulacja i nadzór urządzeń elektrycznych zainstalowanych w budynku. Wszystkie urządzenia znajdujące się w budynku podłączone są do wspólnej magistrali. Magistralę stanowi dwuparowy kabel zasilający o przekroju żyły 0,8 mm, jej zasilanie to napięcie stałe 24 V. Tylko urządzenia wykonawcze takie jak lampy czy siłowniki muszą być zaopatrzone w instalacje elektryczną o napięciu 230 V.

W tym systemie nie ma jednostki centralnej, dzięki czemu nie ma problemu z zatrzymaniem się wszystkich urządzeń w wyniku awarii centrali. W skład technologii KNX/EIB wchodzą następujące elementy:

• sensory (urządzenia sterujące), które mają za zadanie innym urządzeniom wysyłać w formie telegramów informacje takie, jak: rozkazy załączania bądź ściemniania czy też dane o wilgotności bądź temperaturze,
• aktory (urządzenia wykonawcze), które wykonują polecenia zawarte w telegramach od sensorów, 
• aktory/sensory czyli elementy, które łączą funkcję zarówno sensorów, jak i aktorów. Sensor wydaje rozkazy bezpośrednio do aktora oraz do innych urządzeń KNX/EIB podłączonych do magistrali.

Rys. 2. Istota pracy systemu EIB/KNX, źródło: Inteligentne systemy zarządzania użytkowaniem energii. Instytut na Rzecz Ekorozwoju przy współpracy Krajowej Agencji Poszanowania Energii, Warszawa 2011

Technologia KNX/EIB jest bardzo elastyczna i można ją rozbudowywać w każdym kierunku. W jednym takim systemie może znajdować się 15 obszarów zawierających 15 linii, a w każdej z nich nawet po 255 urządzeń. Co daje nam 255x15x15 = 57 375 urządzeń! Mimo tak wielkich możliwości system jest dość przejrzysty, dzięki zastosowaniu tylko jednego wspólnego przewodu sterującego.

System zarządzania automatycznym sterowaniem w budynku to BMS (Building Management System). Jego zadaniem jest integrowanie instalacji występujących w obiekcie. Spaja on wszystkie systemy w jedną całość, umożliwiając efektywne i oszczędne zarządzanie całym obiektem z jednego miejsca.

Zyski

Dokładne wyliczenie zysków, które możemy osiągnąć z zainstalowania takiego systemu, jest bardzo trudne. Wynika to z tego, że taki system daje wiele możliwości i koszt wykonania całej instalacji jest uzależniony od indywidualnych wymagań inwestora. Przeciętnie dom inteligentny jest droższy od domu tradycyjnego o 200 nawet do 500 zł/m². Gdzie w najtańszym wariancie otrzymujemy tylko montaż systemu włączania i wyłączania lamp, natomiast w przypadku najdroższym mamy wszystkie systemy, o których była mowa w powyższym artykule. Spróbujemy jednak oszacować okres zwrotu takiej inwestycji. W tym celu porównamy zyski dla 2 różnych pomieszczeń: gabinetu oraz pokoju. Na pierwszym etapie policzono dla każdego z nich zużycie energii i koszty ogrzewania. Przyjęto następujące wartości temperatur: od godziny 7:00 do 16:00 – 20⁰C, a od godziny 16:00 do 7:00 oraz w soboty i niedzielę – 15⁰C. Poniżej przedstawiono obliczenia czasu amortyzacji systemu sterowania ogrzewaniem:

Tab. 1. Obliczenia czasu amortyzacji systemu sterowania ogrzewaniem.

Źródło: „SALVE” Usługi Elektryczne Grzegorz Łomecki

Jak łatwo się domyślić amortyzacja następuje najszybciej w przypadku większych pomieszczeń, wynika to z małych różnic między cenami elementów sterowania w dużych i małych pomieszczeniach. Okresy amortyzacji w przyszłości mogą być jeszcze krótsze, gdy weźmie się pod uwagę stale rosnące ceny energii oraz spadek cen technologii.

Inteligentne sieci

Wg dyrektywy Parlamentu Europejskiego² w 2020 roku 80% użytkowników energii elektrycznej ma być wyposażonych w inteligentne liczniki, co będzie początkiem inteligentnej sieci energetycznej (Smart Grid). ISE daje możliwość bieżącej wymiany informacji między wszystkimi użytkownikami sieci: producentami, konsumentami i tymi, którzy ją przesyłają. Dzięki inteligentnym licznikom rachunki nie będą przedstawiały – tak jak obecnie – wartości prognozowanej, tylko rzeczywistą. Każdy konsument w specjalnym panelu internetowym, bądź dzięki aplikacji w telefonie, zobaczy, ile aktualnie prądu zużywa oraz jaki jest jego koszt. Dodatkowo dowie się, czy może w danym momencie używać najbardziej energochłonnych urządzeń, nie przeciążając sieci. System ten pozwala użytkownikowi na takie zarządzanie zużyciem prądu, aby zaoszczędzić. Ważnym elementem ISE z punktu widzenia odbiorcy, wpływającym na jego interakcję z siecią, jest Infrastruktura Sieci Domowej (ISD, z ang. HAN – Home Area Network). To lokalna sieć teleinformatyczna obejmująca zasięgiem gospodarstwo domowe, nadzorowana przez aplikację użytkownika. Służy do wymiany danych i sterowania automatyką budynku oraz niektórymi urządzeniami pozostającymi w dyspozycji odbiorcy końcowego.

Podsumowanie

Inteligentny dom całkowicie zmienia sposób życia osób, które w nim mieszkają. Jest to dom na miarę XXI wieku. Zastosowane w nim liczne rozwiązania bardzo ułatwiają życie i pozwalają jego użytkownikom na niezawracanie sobie głowy sprawami, które do tej pory zajmowały dużo czasu. System wykona te czynności za domowników, dzięki czemu zostaje im więcej czasu na realizowanie swojego hobby czy też na spędzenie go ze swoją rodziną.

Przypisy:
1.   Więcej informacji o domach niskoenergetycznych, energooszczędnych i pasywnych – „Energooszczędne 
4 kąty”, Wprowadzenie do budownictwa energooszczędnego i pasywnego.
2.  Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/72/WE z dnia 13 lipca 2009 r. dotycząca wspólnych zasad rynku wewnętrznego energii elektrycznej i uchylająca dyrektywę 2003/54/WE.

 

Inż. Michał Ościłowski
Krajowa Agencja Poszanowania Energii S.A.

ChronmyKlimat.pl

Energooszczędne 4 kąty