Inteligentní technologie pro řízení prostředí zdravého domu

Příspěvek se zabývá technikou a technologií stavby pro udržení parametrů vnitřního prostředí staveb a domů pro bydlení s moderní technikou, jejímž cílem je ekonomický provoz a zejména zdravé prostředí domu.

Proč potřebuje zdravý dům technologie prostředí
Úvodem základní otázka: Potřebovala obydlí našich předků technologie pro udržení zdravého prostředí? Odpověď bude jednoznačně ne! Proč ji potom potřebujeme my v současné moderní době?
Příkladem může být historické obydlí – Scara Brae ze skotských ostrovů z období neolitu, přibližně z roku 3100 př. n. l. [1]. Toto obydlí bylo z přírodních materiálů, bez potřeby jakékoli techniky a zařízení pro zdravé bydlení. Stejně tak domy v rozvojových zemích opět většinou nepotřebují technologii a inteligentní řízení (obr. 1).

Nyní se podívejme na opravdu moderní současný dům, byť opět extrém – dům na sile v Olomouci (obr. 2).
Na výše uvedeném, zajisté extremním případě si musí i laik uvědomit, kolika nezbytně nutnými technologickými zařízeními musí být takovýto dům vybaven. Jenom krátce: dopravní zařízení do třicetimetrové výšky, požární zabezpečení, veškeré instalace, záložní a napájecí zdroje, systémy větrání a klimatizace, zdroj pro vytápění, napájení osvětlení a chodu celé domácnosti, to vše nejlépe řízeno chytrým systémem na bázi několika PC s moderním hardwarem a sofistikovaným uživatelským softwarem.

Obr. 2 Dům – byt na sile, Olomouc [3]

V neposlední řadě berme v úvahu energetickou náročnost této téměř padesátimilionové stavby při její přinejmenším kontroverzní užitné hodnotě. Toto zcela jistě není příklad cesty udržitelného rozvoje lidstva na prahu třetího tisíciletí.

Definice inteligentního řízení zdravého domu
Je nutno říci, že inteligentní řízení neexistuje. Z hlediska čistě filozofického je na Zemi inteligentní pouze a výhradně člověk. Systém může tedy být pouze chytrý, hravý, užitečný, interaktivní a podobně.

Ekonomické a energetické otázky
Základní otázkou je investiční cena a energetická náročnost aplikovaných technologií a jejich řídicích systémů. V neposlední řadě je otázkou návratnost těchto vložených prostředků (podrobně dále).

Environmentální otázky
Při zvážení výše uvedené ekonomické a energetické náročnosti nejen výstavby zdravých domů, ale i technologií nezbytných pro jejich provoz je vhodné se zamyslet nad environmentálním a globálním aspektem tohoto problému. V této souvislosti se nastolují otázky udržitelného rozvoje lidstva na této planetě v globální environmentální krizi na počátku třetího tisíciletí.

Principy obnovitelného rozvoje (takového rozvoje, při němž by obnovitelné zdroje měly být čerpány maximálně rychlostí, kterou se stačí obnovovat) a cíle trvale udržitelného rozvoje stručně a jasně vyplývají z jeho definice: Trvale udržitelný rozvoj je takovým rozvojem, který naplňuje potřeby přítomných generací, aniž by ohrozil schopnost naplňovat je i generacím budoucím. Heslem trvale udržitelného rozvoje se pak stal citát Antoina de Saint-Exupéryho: „Nedědíme Zemi po našich předcích, nýbrž si ji vypůjčujeme od našich dětí.“

Technologie v inteligentním a zdravém domě
Fyzikální parametry, které se sledují ve zdravém domě, jsou teplota, vlhkost a kvalita vzduchu, dále ionizace vzduchu a elektromagnetické vlivy.

Pro udržení těchto parametrů existují složitá technologická zařízení – od vytápěcích, chladicích, větracích, klimatizačních, recirkulačních, rekuperačních, zvlhčovacích až k ionizujícím a dalším. Samozřejmě základním zařízením je v našich zeměpisných šířkách zdroj tepla, výjimečně již zdroj chladu, eventuálně zařízení komfortní klimatizace. Moderním, byť ekonomicky kontroverzním zdrojem tepla i chladu se stávají tepelná čerpadla, z nichž nejzajímavější i nejdražší jsou systémy země/voda dosahující celoročně COP 5 (topný faktor poměru vstupní elektrické a výstupní tepelné, resp. chladicí energie). Zajímavým řešením v oblasti vytápění – chlazení se stávají multifunkční jednotky VRV/VRF dosahující COP až 8.

Již méně častými jsou zařízení pro zvlhčování, přestože dodržení minimální vlhkosti, zejména v zimním období, je součástí platných hygienických předpisů v ČR. Standardem se naopak stávají větrací zařízení, zejména recirkulační a rekuperační s téměř 95% účinností při výměně vzduchu. V budovách pro bydlení v blízkosti exponovaných dopravních tepen se stávají předepsaným hygienickým standardem.

Další neméně důležitou částí technologie zdravého domu s cílem úspor energie je použití solárních a fotovoltaických systémů. V našich zeměpisných šířkách je nejvhodnější z hlediska poměru ceny, výkonu a návratnosti použití středně výkonných teplovodních kolektorů pro ohřev vody, eventuálně v přechodném období pro vytápění. K návratnosti se vrátíme v ekonomické části.

Dalším prudce se rozvíjejícím segmentem jsou fotovoltaické systémy přímo vyrábějící a dodávající elektrickou energii. Po prudkém rozvoji způsobeném dotační politikou a deformací cen se postupně dostává do standardních světových relací, kdy výkupní cena se blíží reálné tržní ceně. Je tedy jenom otázkou vhodné konfigurace systému z pohledu investora, kdy se vložené investice navrátí. Jako velmi perspektivní se jeví realizace ostrovních systémů s akumulací elektrické energie. Ekonomicky zajímavé jsou zejména kombinace v režimu zeleného bonusu [5], samozřejmě za předpokladu garance připojení do distribuční soustavy, což je v současné době výrazně omezeno a celostátně limitováno. Otázka těchto limitů a omezení je však jiné téma, související s vládní politikou a energetickou koncepcí státu.

Podobně můžeme posuzovat využívání větrné energie, což je opět v naší zemi limitováno parametrem takzvané průměrné roční větrnosti, která (až na několik výjimek pásu jižní Moravy, Vysočiny a horských oblastí) udává návratnost těsně pod hranicí doby životnosti těchto zařízení.

Osazení větrných elektráren v blízkosti nebo na konstrukci běžných domů je opravdu vzácné a výjimečné. I zde se ovšem naskýtá příležitost takzvaných Back Up záložních systémů, zejména v odlehlých a nedostupných, například horských objektech. V kombinaci s fotovoltaickým systémem se může stát dům energeticky soběstačným, tedy nulovým z pohledu potřeby energie. Vše je opět otázkou investičních nákladů.

Obr. 3 ATS, The Turtle, Libanon. Příklad umístění technologie v objektu pro práci se zemní energií [4]

Obr. 4 ATS, The Turtle. Příklad umístění technologie v objektu pro práci s vodou v uzavřeném okruhu [4]

Umístění technologických zařízení ve zdravém domě
Tato zařízení bývají většinou skryta pohledu běžného uživatele, převážně jsou umístěna v technických prostorech domu – ať už v podzemních nebo podkrovních v případě sedlových střech.

Zařízení pro využívání sluneční energie na střeše je otázkou možnosti z pohledu stavby a názoru investora a architekta. Výsledná řešení jsou vždy kompromisem s individuálním přístupem.

Volba umístění zařízení, které je nutno chápat jako nezbytné pro udržení parametrů moderního zdravého domu, je téměř vždy individuální záležitostí. K volbě se přistupuje z pohledu technologické vhodnosti a návaznosti technického a uživatelského prostoru, ale v mnoha případech hlavně z hlediska uživatelské přijatelnosti. Mám na mysli zejména negativní vlastnosti těchto zařízení, jako jsou hluk, vibrace a podobně. Jako negativní příklad uvedu realizaci tzv. inteligentního domu v Bratislavě, v jehož suterénu bylo umístěno tepelné čerpadlo, které při zkušebním provozu mělo negativní vliv na uživatele vzhledem k nedůslednému projektovému návrhu. Dodatečně se pak vymýšlela oddělená technologická místnost s propojovacím kolektorem do stávajícího domu.

Obr. 5 ATS, The Turtle, Libanon. Příklad osazení fotovoltaických panelů na střechách objektu [4]

Význam součinnosti těchto zařízení v domě
Složité technologicko-provozní vazby se řeší převážně uživatelsky definovaným a vysoce sofistikovaným softwarem, který řeší velmi složité, avšak z pohledu uživatele běžné a na první pohled samozřejmé úkony.
Jejich vstupy jsou jednak senzory od úkonů uživatele a ve druhé řadě plně automaticky snímané parametry techniky prostředí a bezpečnosti domu. Patří mezi ně různé pohybové, soumrakové, teplotní a jiné kvalitativní snímače a senzory. Nejvyšší úrovní řízení jsou pak meteostanice snímající a předvídající vlivy počasí s napojením na globální nebo metropolitní systémy. Tyto přístroje mohou zajistit například odtávání sněhu z chodníků a vjezdů, odmrazování okapních svodů a vpustí, řešení ovládání závlahových systémů, hospodaření s dešťovou vodou, vsakovací systémy, kanalizační jímky a podobně.

Po příchodu do domu se mohou aktivovat v součinnosti třeba tyto základní funkce domu: po odkódování je automaticky uvolněno ovládání osvětlení, zapnou se potřebné zásuvkové obvody a jejich spotřebiče, vytápění, chlazení a ventilace jsou uvedeny do komfortního režimu, zvedají se žaluzie a bezpečnostní rolety, vysunou se markýzy, zapínají se technologie relaxačních zařízení – sauny, vířivky, bazénu a podobně, uvádějí se v činnost multimediální zařízení, zapíná se hudba v prostoru a podobně.

Jako běžný příklad součinnosti chování technologie po opuštění a zabezpečení domu můžeme uvést tyto standardní softwarové procedury, jejichž důsledkem jsou následující funkce: vypíná se veškeré nezbytné osvětlení (kromě bezpečnostního, například venkovního osvětlení), dochází k vypnutí všech nepotřebných a zapomenutých domácích elektrospotřebičů, vypínají se zdroje tepla a chladu, odstavuje se klimatizace, snižuje se větrání do útlumového režimu, spouštějí se bezpečnostní rolety a žaluzie, zatahují markýzy a podobně, elektronicky se zamyká dům, aktivují se bezpečnostní systémy a podobně, vypínají a odstavují se veškerá multimediální zařízení, hudba, TV, PC a další.

Všechny tyto funkce se ovládají prostředky uživatelského rozhraní, které popíšeme dále.

Systémy řízení technologií zdravého domu
Definice a pojmy řídicích systémů
Kromě již výše vysvětleného pojmu inteligentního řízení se můžeme setkat s názvy jako Smartsystem, EMS (Energy Management system), BMS (Building Management System), IFM (Integrated Facility system) a jinými.

Seznam požadavků na tyto systémy
Požadavky na tyto systémy lze vnímat ve dvou rovinách. Zcela jistě tou základní je pokrytí vstupně-výstupních úkonů, tedy vstupy senzorů a výstupy aktorů nezbytně nutných pro řízení. Tomu slouží celá škála výrobců sofistikovaných PLC a jejich modulů, komunikujících na intranetové síti domu.
Samozřejmostí těchto hardwarových sestav je vždy příslušný vysoce sofistikovaný a cíleně uživatelsky zaměřený software.

Současně pak tento řídicí systém tvoří základ ovládání moderního, chytrého a zdravého domu.

Obr. 6 Schéma technologie pro využití zemní energie – The Turtle, Libanon [4]

Obr. 7 Schéma technologie pro práci s vodou – The Turtle, Libanon [4]

Aplikovaná zařízení ve zdravém domě
Těchto zařízení může být celá řada. Vždy se jedná o kompromis ceny a prostoru, užívání a provozování. Jsou zařízení nezbytně nutná k provozu domu, jako je vytápění a další technologicky důležité provozní a zabezpečovací funkce. Naopak je mnoho zařízení, která lze nazvat nadstandardem. To jsou zejména technologie ulehčující správu a provoz domu (závlahy, čerpání, mechanická ovládání) a dále prostředky zpříjemňující svými parametry užívání (větrání, klimatizace, chlazení, ionizace a podobně).

Uživatelské rozhraní
Standardem uživatelského rozhraní po éře monofunkčních IR a RF ovladačů (kterých bylo v běžné domácnosti několik) se stává běžný Smartphone nebo přenosný tablet, záměrně bez uvádění značek celé řady světových výrobců. I když se bezpochyby jedná o zařízení plně pokrývající jakékoliv individuální požadavky uživatele, jsou tato zařízení opět na bázi ELM signálů a záření (ať již GMS, GPS nebo dnes již běžných vybavení domácností a domů Wifi Access pointy – já osobně mám v patrovém domě dva kusy), podobně jako mobilní telefony. Zcela pravděpodobně již blízká budoucnost ukáže jejich jednoznačný a negativní vliv na lidské zdraví. Samozřejmě tyto výsledky a závěry jsou v současné době v naprostém rozporu s komerčními zájmy nadnárodních monopolů produkujících tyto výrobky, o vlivu výroby na životní prostředí nemluvě.

Obecně však musíme konstatovat, že sofistikovaně a účelně zpracovaný software na základě požadavků běžného uživatele řeší mnoho užitečných funkcí k zajištění jednak potřebných parametrů zdravého domu, jednak v neposlední řadě softwarových procedur vedoucích k racionalitě provozu pro zvýšení komfortu uživatelského pohodlí ve zdravém domě a zejména k cíleným úsporám všech druhů energie.

Běžným současným standardem uživatelského rozhraní je dálkové ovládání pomocí GSM modulů a mobilních aparátů, umožňujících vysílat i přijímat desítky SMS zpráv a dálkově tak dům ovládat a monitorovat. V neposlední řadě se komerčně dostupnými stávají již i prostředky biometrie. Další dnes běžnou možností je dům kontrolovat přes vzdálená webová serverová rozhraní po internetu, opět pomocí tabletů, PC nebo net­booků, a to po metalickém či bezdrátovém připojení prakticky z kteréhokoliv místa na světě.

Všechny výše uvedené technické možnosti a prostředky se mimo svůj hlavní účel stávají mj. prostředkem prestižní prezentace určité vrstvy uživatelů.

Ekonomické hodnocení investice
Nejprve bude nastíněn propočet investičních nákladů na základní technologie (vytápění, větrání) a nadstandardní technologie ve zdravém domě (chlazení, klimatizace, zvlhčování, filtrace, ionizace atd.), následně jeho navýšení za inteligentní systém řízení.

Příklad investičních nákladů – základní technologie – pro souasný běžný dům, stáří cca 15 až 25 let, obytná a otopná plocha 300 m², roční spotřeba energie 100 kWh/m², tj. celkem 30 000 kWh/rok, tj. 3 000 m³ ZP, tepelná ztráta 50 W/m², dimenzování zdroje tepla – 15 kW):

• vytápění – varianta 1: plynový kotel (bez otopné soustavy) – 50 000 Kč
• vytápění – varianta 2: tepelné čerpadlo vzduch/voda – 250 000 Kč
• vytápění – varianta 3: tepelné čerpadlo země/voda – 200 000 Kč + 3 vrty à 100 000 Kč = 500 000 Kč (1 bm hloubky vrtu à 1 000, Kč, energetická vydatnost cca 50 W/bm, celkem požadovaných 15 kW)

Energetické nároky a finanční provozní náklady:

• varianta 1: kondenzační plynový kotel – propočet roční spotřeby = 3 000 m3 ZP à 10 Kč = 30 000 Kč za rok
• varianta 2: tepelné čerpadlo vzduch/voda, COP 3, tj. vstupní elektrická energie 10 000 kWh à 1,75 Kč = 17 500 Kč za rok
• varianta 3: tepelné čerpadlo země/voda, COP 5, tj. vstupní elektrická energie 6 000 kWh à 1,75 Kč = 10 500 Kč za rok

Výpočet návratnosti investice (ROI) – technologie vytápění:
Návratnost – tepelné čerpadlo (TČ) vzduch/voda versus plynový kondenzační kotel (PK) na ZP:
Rozdíl investičního kapitálu: TČ 250 000 – PK 50 000 = 200 000 Kč
Rozdíl ročních provozních nákladů: PK 30 000 – TČ 17 500 = 12 500 Kč (Cash Flow )
Doba návratnosti prostá: Ts = 200 000/12 500 = 16 let (bez nárůstu ceny energie). Pokud zahrneme 5% nárůst ceny energie, doba návratnosti se zkrátí na 13 let. (Pro zjednodušení příkladu uvažujeme diskontní sazbu 0 % a daně 0 %, bez inflace.)   

Navýšení investičních nákladů na inteligentní systém řízení
Cena zahrnuje hardware, software, skříně a rozvaděče, kabeláže a montáže navýšené oproti klasické elektroinstalaci, bez ceny zásuvek, ovládacích přístrojů a svítidel.

Navýšení investice na řídicí a ovládací systém běžného domu činí přibližně 375 000 Kč (běžná celková cena inteligentní elektroinstalace je dle zkušeností 8 až 15 % z celkové ceny domu).

Závěr
Z výše uvedeného je zřejmé, že moderní a zdravý dům se bez technologie pro udržení parametrů vnitřního prostředí a bez aplikace inteligentního řízení nemůže obejít. Pouze součinností stavební a technologické části dochází k realizaci zdravého a energeticky úsporného domu. Rozsah technologie a způsobu jejího řízení je vždy kompromisem architektury, prostoru a investice.

Uživatelské hodnocení je vždy subjektivní: snažme se o účelnost a využití možností centrálních funkcí, minimalizaci a racionalitu ovládacích prvků. Na druhé straně význam a možnosti zařízení nemusejí být vždy správně pochopeny a přijaty.

Nevýhody používání techniky a řídicích systémů: aplikují se velmi složitá zařízení, odkázaná na odborný servis, porušení komunikace nebo sběrnice znamená nefunkční část, v případě vnějšího propojení je tu možnost napadení ze sítě, náklady na změny a inovace jsou neúměrné a relativně vysoká je v současnosti i cena.

Samozřejmě rozsah použití technologií a jejich řízení v domě je řešen od počátku návrhu domu v projektovém řešení za úzké součinnosti investora a uživatele. Obzvláště u těchto složitých řešení je vždy nutné vysvětlovat funkce, možnosti a cíle zařízení. V neposlední řadě je vždy vhodné uvádět pořizovací cenu, někdy může být překvapivá.

Výsledné řešení je tedy kompromis mezi cenou, účelností, potřebou a nezbytností.

Literatura
1.    http://cs.wikipedia.org/wiki/Skara_Brae
2.    http://cs.wikipedia.org/wiki/Trvale_udr%C5%BEiteln%C3%BD_rozvoj
3.    http://www.earch.cz/clanek/710-v-dome-na-silu.aspx?galleryID=2345#fotogalerie
4.    Projekt ATS, The Turtle, Libanon

Článek byl prezentován na konferenci Zdravé domy 2012 v Brně.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.