Rola systemów automatyki budynkowej w kontekście zrównoważonego budownictwa jednorodzinnego

Na naszych oczach powstaje nowa rzeczywistość. Punktem zwrotnym był marzec 2020 r., kiedy z powodu pandemii i lockdownu nasze domy przestały być noclegowniami, a stały się centrami życia, miejscami spotkań, nawet biurami.

W efekcie nowe budownictwo charakteryzuje się większym metrażem, lepszym dostępem do świeżego powietrza i światła naturalnego. Inwestorzy zaczęli dążyć do budowania zdrowszej, komfortowej przestrzeni, a projektanci i automatycy mają teraz doskonały moment na pokazanie ludziom rozwiązań poprawiających warunki życia i dbałość o środowisko.

Zrównoważone budownictwo

Jeszcze kilka lat temu motywem przewodnim strategii marketingowych firm była ekologia. Każdy produkt musiał być „eko-” od ekologicznych silników po ekologiczne materiały budowlane. W branży budowlanej ten trend nie był jednak tak wyraźny, bo nie był wymaganiem rynkowym. Główny nurt transformacji w Polsce wynika z odgórnych zmian legislacyjnych. Dziś branża budowlana powoli wpisuje się w trend zrównoważonego rozwoju.

Według danych Komisji Europejskiej budynki zużywają nawet 40% produkowanej energii, każda więc zmiana in plus w kontekście efektywności energetycznej budynku będzie miała pozytywny wpływ na tzw. ślad węglowy, liczony w całym cyklu życia obiektu. Jak więc osiągnąć stan zrównoważenia i go utrzymać w dłuższym okresie? Możemy wyróżnić najważniejsze punkty do poprawienia, które mają wpływ na pełen cykl życia budynku – począwszy od produkcji elementów, z których on się składa, przez całą logistykę związaną z jego wznoszeniem i uruchomieniem wewnętrznych instalacji, po eksploatację tego budynku i logistykę związaną z dotarciem do niego.

Wymóg zeroemisyjności

Według danych Komisji Europejskiej trzy na cztery budynki w Unii Europejskiej zużywają energię w sposób nieoptymalny – czyli niepotrzebnie. Jednym z pierwszych kroków do uzyskania zrównoważenia w budownictwie mieszkaniowym jest zmniejszenie zapotrzebowania budynku na energię dostarczaną w postaci energii elektrycznej, gazu i paliw stałych.

Energia najtańsza i najbardziej ekologiczna to taka, której człowiek nie musiał wytworzyć (a ściślej mówiąc – przetworzyć). Myśląc o ograniczeniu wykorzystania energii z zewnętrznych źródeł, zacznijmy od wykorzystania tej darmowej. Najpopularniejszym dzisiaj sposobem jest montaż instalacji fotowoltaicznej.

Rys. 1. Połączenie zalet instalacji fotowoltaicznej i sterowanych żaluzji na potrzeby ogrzania budynku

>>> Budynki blisko zeroenergetyczne – zastosowanie pomp ciepła i instalacji fotowoltaicznych

>>> Jak tańszym kosztem osiągnąć niski wskaźnik energii pierwotnej?

>>> Produkty budowlane

>>> Systemy techniczne a efektywność energetyczna budynków

>>> Standard nZEB w polskich realiach

Własna elektrownia słoneczna daje stosunkowo szybki zwrot z inwestycji dzięki popularnym programom finansowania, a dzięki wbudowanej automatyce pozwala układowi osiągnąć maksymalną wydajność ogniw. Promieniowanie słoneczne można dodatkowo wykorzystać do doświetlenia i dogrzania wnętrz za pomocą odpowiednio zaprojektowanych możliwie dużych przeszkleń.

Jednak darmowe ciepło – które zimą jest bezcenne – latem okazuje się w wielu domach problematyczne. Duże przeszklenia sprawiają, że salony i gabinety stają się „piekarnikami” i pojawia się konieczność instalowania klimatyzatorów. Tu z pomocą przychodzi automatyka i osłony okienne w formie rolet, żaluzji i zasłon. Czujnik otwarcia okna wyłączy ogrzewanie lub chłodzenie. Odpowiednie powiązanie między sobą informacji o czasie, temperaturze zewnętrznej, temperaturze w pomieszczeniu i wartości zadanej, a także kierunku padania słońca i jego wysokości pozwala tak wysterować stopniem opuszczenia żaluzji i kątem obrotu jej lameli, żeby zmaksymalizować zyski energii dostępnej naturalnie i zminimalizować jej straty. Efekt ten uzyskać można, łącząc ze sobą w jeden wspólny ekosystem pozornie niepowiązane ze sobą elementy: centralne ogrzewanie, klimatyzację, rolety i zasłony, a także czujniki otwarcia okien i stację pogodową.

Trzyszybowe okna i ciepły montaż nie będą wystarczające, jeśli dostęp świeżego powietrza użytkownik zapewni za pomocą wentylacji grawitacyjnej. Duża część zaoszczędzonej energii cieplnej zmagazynowanej w dogrzanym powietrzu zostanie wyrzucona na zewnątrz przez komin. Pojawia się więc kolejny niezbędny element w postaci centrali wentylacyjnej z odzyskiem ciepła, tzw. rekuperator. Pozwala on w połączeniu z systemami ogrzewania i chłodzenia optymalnie wykorzystać wytworzoną lub pobraną z zewnątrz energię.

>>> Wentylacja z rekuperacją w domach jednorodzinnych

>>> Pompy ciepła – efektywność, moc oraz obowiązki użytkowników i monterów

>>> Wprowadzenie do automatyki budynków w kontekście efektywności energetycznej

Nie można zapominać o tym, że na zeroemisyjność budynku w faktycznej eksploatacji ogromny wpływ ma sposób jego wykorzystania. Należy więc z założeniami zrównoważonego rozwoju i budownictwa wyjść nieco poza ramy tego hasła i zadbać o zerową, a przynajmniej możliwie niską emisyjność budynku do otoczenia. Na to składa się logistyka związana z obiektem albo dobra lokalizacja, albo komunikacja. Warto pomyśleć o tym, żeby w każdym nowo powstającym budynku projektować rezerwę zasilania do podłączenia co najmniej jednej stacji ładowania samochodów elektrycznych (lub hybrydowych typu plug-in). Nawet jeśli nie na dziś – warto być gotowym na jutro.

Tab. Wymagane maks. wartości wskaźnika EP_H+W [kWh/(m²·rok)]

Podsumowując temat zeroemisyjności, nietrudno zauważyć, że w budynkach można ją stosunkowo łatwo osiągnąć, wykorzystując często instalowane już dziś rozwiązania (od fotowoltaiki, przez pompy ciepła, po elektryczne żaluzje i rolety), pod warunkiem połączenia ich ze sobą za pomocą nadrzędnego systemu sterowania.

Mowa tu zarówno o budynkach, które należy zmodernizować, jak i tych które są dopiero w trakcie projektowania. Nie można zapominać, że budynek pośrednio emituje gazy cieplarniane również przed jego powstaniem, a także po zakończeniu okresu eksploatacji – ma ogromny wpływ na środowisko w całym cyklu swojego życia.

Gospodarka w obiegu zamkniętym

I tu właśnie wkraczamy na płaszczyznę kolejnego pojęcia związanego ze zrównoważonym budownictwem – koncepcją oryginalnie zwaną „circular economy”. Skupia się ona na minimalizacji śladu węglowego przez korzystanie z lokalnych dostawców czy ponowne użycie materiałów. Projektanci i inżynierowie nie mają bezpośredniego wpływu na źródło materiału, który wybierze wykonawca lub inwestor, ale mogą szerzyć wiedzę i świadomość na ten temat.

Rys. 2. Uproszczony schemat zastosowania circular economy w budownictwie\

W dobie wielkich zmian związanych z COVID-19, budynki biurowe traciły najemców, stając się wielkogabarytowymi odpadami. Względy ekonomiczne sprawiły, że biurowce być może zostaną przebudowane na budynki mieszkalne. To pokazuje, że budynki już na etapie projektu powinny być budowane tak, żeby były możliwie uniwersalne, podatne na zmianę zastosowania bez generalnych remontów i kosztownych (środowiskowo) przebudów. Dopóki stosowane w budynkach systemy będą w trakcie remontów wyrzucane i zamieniane na całkowicie nowe tylko z powodu zmiany zastosowania, dopóty ciężko mówić o jakimkolwiek recyrklingu. Wracając do wcześniej postawionej tezy o energii, należy przypomnieć, że najbardziej ekologiczny produkt to taki, który już został wyprodukowany. Wypada więc już na etapie projektowania założyć, że system sterowania pracować powinien więcej niż kilka lat i wykorzystywać systemy automatyki budynkowej uniwersalne, sprawdzone, otwarte i z dobrą pozycją na rynku od wielu lat.

Rynek automatyki jest od dawna gotowy na realizację zadań dziś stawianych przed budynkami. Dostępne są dobrze znane i rozwijane dalej rozwiązania, które wykorzystywane są przez wielu producentów. Oparte są na otwartych standardach komunikacji, dzięki czemu zastosowanie wybranego urządzenia nie skazuje inwestora na konieczność współpracy z jednym tylko producentem, ale otwiera przed nim drzwi na współdziałanie z setkami firm zarówno producenckich, jak i instalatorskich. Systemy automatyki budynkowej, takie jak KNX, czy produkty oparte na znanych od lat protokołach komunikacji BACnet, Modbus i im podobne są podatne na rozbudowy, są odporne, wytrzymałe i uniwersalne. Korzystają z internetu, ale mogą działać też i bez niego. Mogą być uzupełniane o bezprzewodowe dodatki, jeśli zachodzi taka potrzeba, ale trudno je zakłócić, bo w znacznej większości działają, opierając się na połączeniach przewodowych.

Klient końcowy uważa takie rozwiązania za bardzo drogie, jednak jest to mit. Kiedy podsumuje się wszystkie niezależne systemy instalowane dziś w budynkach, dużo aplikacji do ich obsługi i konieczność aktualizowania, kilka różnych zespołów technicznych do uruchamiania każdego fragmentu instalacji niezależnie, koszty związane z uzgodnieniami międzybranżowymi i równie dużo zespołów do konserwacji tych systemów, wówczas koszt kompleksowego wykonania jednego większego systemu automatyki, pokazany w czasie dłuższym niż sama budowa, staje się uzasadniony.

Należy patrzeć na globalną ekonomię całego projektu, bo okazuje się, że podjęcie współpracy z kilkoma tanimi wykonawcami nieoptymalizującymi wzajemnie swoich wdrożeń może się okazać na koniec droższe od kompleksowego wykonania instalacji, w której jedno urządzenie może realizować kilka różnych zadań.

Rys. 3. Systemy automatyki budynkowej łączą wiele różnych instalacji w jeden system zarządzania

Budownictwo przyjazne użytkownikom

Na końcu pojawia się najważniejszy jego element – inwestor i użytkownik. Komisja Europejska podaje, że renowacji poddaje się poniżej 1% istniejących budynków rocznie. Do remontu budynku konsumenta nie skłoni ekologia, ale chęć podniesienia komfortu życia i obniżenia kosztów. To są elementy, na które automatyka odpowiadała dużo wcześniej niż na potrzeby dzisiejszego zrównoważonego budownictwa.

Człowiek jest słabym „sterownikiem”, ma zmienną percepcję, zapomina lub nie zauważa. Automatyka rozwiązuje wiele problemów niezauważanych przez niego. Dba o jakość powietrza w domu, zaczynając od temperatury otoczenia, wykorzystując dostępne źródła ciepła i chłodu, utrzymuje wilgotność na odpowiednim poziomie, czystość powietrza, optymalizując pracę podsystemów w celu dostosowania do aktualnych warunków otoczenia. Komfort jest niezwykle istotnym czynnikiem wpływającym na jakość naszego życia – od dostępności powietrza, po odpowiednią ilość światła, którego nie powinno być ani za dużo, ani za mało. Powinniśmy tworzyć zdrową przestrzeń zapewniającą nam lepszy sen, regenerację, lepsze samopoczucie i wydajniejszą pracę.

Komfort to też brak zmartwień związanych z obsługą tych wszystkich podsystemów. Nie chcemy ustawiać temperatur rano i wieczorem, zmieniać wydajności rekuperatora zależnie od potrzeb, ustawiać parametrów pracy kotła grzewczego ani sprawdzać, czy na pewno wszystko działa jak powinno. Budownictwo będzie przyjazne użytkownikom, kiedy będzie zapewniało nam zdrowe otoczenie, a samo będzie niezawodne i bezobsługowe. Zapewni nam odpowiednią wilgotność, dobierze dla nas odpowiednią temperaturę otoczenia, walcząc ze skrajnymi nastawami użytkowników regulatorów.

Aby osiągnąć ten efekt, z jednej strony potrzebny jest dobry system automatyki, a z drugiej – dobry projektant budynku i integrator systemu. Każdy w łańcuchu decyzji musi być świadomy wspólnego celu, każdy musi się stać bardziej „zielony”, wytwarzać produkty i wdrażać usługi, które w istotny sposób ograniczą emisję gazów cieplarnianych.

Systemy automatyki budynkowej. Podsumowanie

Równowaga oznacza balans między zyskiem i stratą zarówno w rozumieniu ekologii, jak i finansów. Należy więc do kosztów inwestycji (i ekologicznych, i finansowych) podchodzić perspektywicznie, zwracając uwagę na długotrwały ich wpływ na cały projekt. Powinniśmy wybierać takie rozwiązania na rynku, które będą działały długo, będą poddawały się łatwo modernizacjom. Nie chcemy wymieniać automatyki w domu co kilka lat. Inwestujmy w otwarte rozwiązania, dające się łączyć z obcymi urządzeniami.

Większość inwestorów przejawia chęć do remontu, tylko brakuje im bodźca do jego rozpoczęcia. Niemal każdy deklaruje się jako osoba chętna do dbania o środowisko, choć mało osób faktycznie podejmuje odpowiednie działania. Edukacja ekologiczna jest więc niezwykle ważna. Przyzwyczajono nas do tego, że inteligentny budynek kojarzy się dziś z domofonem na smartfonie czy odkurzaczem na pilota. Ma to jednak z automatyką czy pojęciem domu inteligentnego niewiele wspólnego. Dziś temperaturę w szkole lub szpitalu reguluje się przez otwarcie okna, a to jest właśnie zadanie dla systemu automatyki budynku inteligentnego.

Kończąc, zwracam się do ciebie – projektancie i integratorze systemów – edukuj społeczeństwo. Projektuj i proponuj porządne rozwiązania, odciągając klienta od bezprzewodowych zabawek wkładanych do gniazdek. Wykonuj instalacje kompleksowo, jeśli sprzedajesz pompy ciepła, wykonaj ogrzewanie i zainstaluj klimatyzator, łącząc wszystko w jeden system. Większość klientów chętniej zgodzi się na taką usługę niż na kilku niezależnych wykonawców. Działajmy wielotorowo – budowanie świadomości niesie ze sobą nieduże koszty, a pozwala uzyskać duże efekty.

inż. Paweł Michałowski integrator automatyki budynków inteligentnych

Zdjęcia: archiwum autora