Inwestorzy są coraz bardziej zainteresowani tworzeniem inteligentnych budynków o wysokim stopniu zintegrowania systemów użytkowych. Aby to osiągnąć, niezbędna jest ścisła współpraca projektantów każdego z tych systemów.

W nowoczesnym budownictwie, wszystkie systemy użytkowe – oświetlenie, instalacja elektryczna, systemy HVAC, zabezpieczenie przeciwpożarowe i antywłamaniowe, instalacje niskoprądowe i inne – są ze sobą połączone, a nawet w pewnym stopniu się przenikają. Dlatego, nie powinny one być już projektowane osobno przez niewspółpracujących ze sobą inżynierów i specjalistów. Dobrze i kompleksowo zintegrowane systemy, współpracując oferują znacznie więcej funkcji niż działając oddzielnie. Tylko wówczas mogą sprostać wszystkim, coraz większym wymaganiom właścicieli i użytkowników budynków.

Takie podejście do projektowania wymusza wyjście poza korzystanie tylko z programów służących do obliczeń. Wyniki, jakie otrzymuje się z programów takich jak na przykład COMcheck czy inne kalkulatory energetyczne, są tylko tak dobre jak wprowadzone do nich dane wsadowe. Rezultaty obliczeń trzeba jeszcze umiejętnie zinterpretować. To co odróżnia wysokiej klasy inżynierów od przeciętnych, to właśnie umiejętność dodania wartości intelektualnej do liczb otrzymanych z komputera, umiejętność ich interpretacji i zastosowania w pracy, jak również zdolność poprowadzenia całego, innowacyjnego projektu. I tego właśnie oczekują obecnie klienci.

Integracja systemów oświetlenia i HVAC to już nie jest tylko proste zwiększenie wydajności klimatyzacji przez uwzględnienie ciepła wytwarzanego przez różne źródła światła, a obliczenia nie mogą się ograniczać tylko do zsumowania ich mocy. Wraz z pojawieniem się energooszczędnej technologii LED i zautomatyzowanego sterowania, integracja tych systemów wymaga dokładnego przestudiowania modelu energetycznego budynku i skorzystania z bardzo zaawansowanego oprogramowania, które będzie w stanie uwzględnić nie tylko moc źródeł światła, ale również wykorzystanie ciepła od światła dziennego czy ręcznego sterowania oświetleniem przez użytkowników. Ważne, by zarówno projekt, jak i efekt końcowy, czyli stopień integracji, odpowiadały wymaganiom klienta.

Ciepło z urządzeń oświetleniowych

Przemysł oświetleniowy mierzy wydajność źródła światła poprzez pomiar tego, ile lumenów jest emitowanych w przeliczeniu na jeden wat, czyli skuteczność świetlną definiuje się jako ilość światła wytwarzanego, w przeliczeniu na jednostkę mocy i wyraża się jako lumen/wat. Źródła światła wykorzystywane w przemyśle w przeszłości, takie jak klasyczne żarówki, wytwarzały znacznie więcej ciepła niż światła i dla nich ten parametr utrzymywał się na poziomie 10-20 lm/W.

W latach 50-tych opracowano świetlówki, które są zarówno wydajniejsze (60-80 lm/W) jak i mają dłuższy czas życia. Ich popularność okazała się tak duża, że często prowadziła do nadmiernego oświetlania pomieszczeń, jak również w dużym stopniu wyeliminowała światło słoneczne z pomieszczeń komercyjnych.

W ostatnich latach swój potencjał udowodniła technologia LED, jako niezawodne i wydajne (około 100 lm/W) źródło światła, o długim czasie życia. Oświetlenie LEDowe daje także spore możliwości jeśli chodzi o dobór barwy światła, natomiast czas życia lamp LED zależy oczywiście od ich jakości i typu, ale zwykle zakłada się, że wynosi 50 tysięcy godzin. Taki skok wydajności źródeł światła ma oczywiście wpływ na projektowanie oświetlenia, w szczególności na obliczenia ilości watów pobieranych przez instalację oświetlenia, w przeliczeniu na jednostkę powierzchni. Wartość ta może być obecnie znacząco mniejsza, a jednocześnie ilość światła wciąż jest wystarczająca do pracy i zapewnienia komfortu świetlnego.

Światło dzienne

Nowe strategie wykorzystania światła dziennego również pomagają zredukować ilość ciepła dostającego się do pomieszczeń komercyjnych poprzez oszklenie, zarówno pionowe jak i poziome. Strategie te zakładają między innymi wykorzystanie szyb ze szkłem o niskim współczynniku przepuszczalności energii słonecznej i jednocześnie wysokiej przepuszczalności światła, co pozwala wykorzystać naturalne światło, bez jednoczesnego nagrzewania pomieszczeń.

Dzięki nowym materiałom oraz coraz lepszym programom do modelowania, rozwinęły się także urządzenia służące zacienianiu. Popularność zdobywają zautomatyzowane elementy zacieniające, zintegrowane z oknami i świetlikami, w szczególności dzięki prostocie ich obsługi i mniejszym kosztom inwestycyjnym.

Zespoły projektowe pracujące nad energooszczędnym budownictwem komercyjnym wykorzystują programy takie jak AGi32, Rhino, i Diva. Pozwalają one tworzyć strategie wykorzystania światła słonecznego, z uwzględnieniem  zarówno czynników w skali makro, jak orientacja budynku w przestrzeni, jak i parametrów szczegółowej analizy oszklenia i elementów zacieniających. Wszystko to pozwala zwiększyć wykorzystanie światła dziennego w pomieszczeniach zamkniętych, przy jednoczesnym ograniczeniu nagrzewania się ich.

Po wstępnych obliczeniach specjalistów od oświetlenia, inżynierowie od systemów HVAC są w stanie określić wpływ instalacji oświetleniowej na te systemy w całym budynku, ich obciążenie i zużycie energii. Oba zespoły powinny ściśle współpracować na etapie projektowania i tworzenia dokumentacji. Gdy budynek jest gotowy i ma być dokonany jego odbiór, sprawdza się między innymi zgodność instalacji i realizowanych funkcji z dokumentacją.

Prąd stały

Diody LED są zasilane prądem stałym o niskim napięciu. By mogły być zasilane prądem zmiennym, jaki jest dostępny w budynkach, lampy LED wyposaża się w zasilacze, zmieniające prąd AC na DC, które powodują pewien spadek wydajności.

Obecnie rozwija się systemy użytkowe, które również wykorzystują prąd stały, co w rezultacie mogłoby podnieść wydajność oświetlenia LED. Wykorzystanie takich systemów może być interesującą alternatywą, jako, że mogą one korzystać z kabli kategorii 5 i 6, czyli takich samych jak niskonapięciowe systemy informatyczne. Takie systemy stałoprądowe można wykorzystać do przesyłania i odbierania danych generowanych przez urządzenia HVAC.

Co więcej, panele słoneczne fotowoltaiczne również wytwarzają prąd stały i dlatego dla ich wykorzystania w tzw. „pracy na sieć” trzeba stosować falowniki, by urządzenia te mogły pracować w sieci prądu zmiennego. Jeżeli energia z paneli fotowoltaicznych może być wykorzystana bezpośrednio – czyli do zasilania obwodów prądu stałego, to taki układ sieci zasilającej ma 20% większą wydajność.

Czujniki w sterowaniu

Czujniki obecności są powszechnie używane w budynkach i w większości aplikacji wymagane regulacjami prawnymi lub innymi wytycznymi, takimi jak na przykład International Energy Efficiency Code (IECC), które są powszechnie akceptowane i stosowane. Czujniki takie pomagają zredukować zużycie energii i ilość ciepła wytwarzanego przez systemy oświetlenia, np. poprzez wyłączanie światła, gdy w pomieszczeniu nie ma osób.

Tego typu czujniki można również zaprogramować tak, by sterowały systemami HVAC. W ten sposób, w nieużywanym pomieszczeniu, oprócz światła zostanie również wyłączona lub ustawiona w tryb oszczędny klimatyzacja i/lub ogrzewanie. Jednym z najlepszych sposobów zwiększenia wydajności energetycznej oświetlenia, ogrzewania i klimatyzacji jest zastosowanie do ich obsługi i sterowania zaawansowanej automatyki.

Czujniki obecności sprawdzają się w wielu różnych scenariuszach. Mogą na przykład załączać oświetlenie ścieżki lub korytarza, poprzez „śledzenie” ruchu osób i załączanie/wyłączanie kolejnych punktów świetlnych. Rozwiązanie to sprawdza się doskonale w szczególności dla opraw ze źródłami LED. Mogą służyć do personalizacji temperatury i poziomu oświetlenia dla różnych stanowisk pracy. W salach konferencyjnych czujniki takie można zsynchronizować z cyfrowym kalendarzem, więc będą one informować system, czy konferencja rzeczywiście ma miejsce. Jeśli pomieszczenie pozostaje puste, oświetlenie i klimatyzacja są wyłączane, zostaje anulowana rezerwacja w kalendarzu i sala konferencyjna widnieje jako „wolna”.

Automatyka responsywna (aktywna)

Technologia ta oferuje sterowanie aktywne, które daje możliwość dopasowania parametrów środowiska dla każdego użytkownika. Sterownikami w tym systemie mogą być urządzenia mobilne lub komputery ze specjalnymi aplikacjami, a nawet telefony. Systemy takie oferują dopasowanie oświetlenia i temperatury do indywidualnych preferencji użytkowników. Dzięki takim rozwiązaniom już wkrótce mogą odejść w zapomnienie czasy dodatkowych lampek na biurkach, instalowanych by zapewnić sobie lepsze oświetlenie w miejscu pracy i „służbowego” swetra, jako zabezpieczenia przed zbyt mocno chłodzącą klimatyzacją.

Tego typu sterowanie wymaga dużej liczby sterowników i czujników obsługujących systemy ogrzewania, klimatyzacji i oświetlenia, które oczywiście trzeba zawrzeć w projekcie i dokumentacji. Dla wielu klientów, obecny koszt wdrożenia takiego system jest zbyt wysoki, jednak wraz z rozwojem automatyki ceny będą maleć, co na pewno zwiększy liczbę i zakres implementacji.

Zbudowanie takiego systemu wymaga współpracy pomiędzy projektantami oświetlenia, systemów niskoprądowych, elektrykami, specjalistami do integracji oraz systemów HVAC. Największym wyzwaniem dla inżynierów jest to, jak w nieraz wielkoskalowym projekcie uwzględnić sterowanie w mikroskali, dla tak wielu użytkowników mających różne potrzeby. Konieczne jest także przeszkolenie użytkowników, jak korzystać z responsywnej automatyki, tak by była użytecznym systemem, a nie tylko kolejnym punktem w portfolio innowacyjności.

Takie wykorzystanie możliwości systemów sterowania, by jak najlepiej „dbały” o ludzkie potrzeby, a jednocześnie sprzyjały poprawie efektywności energetycznej budynków, to główne zadanie branży automatyki budynkowej. W branży oświetleniowej dużo się mówi o oświetleniu przyjaznym człowiekowi, a w całej branży budowalnej o inżynierii przyjaznej człowiekowi. Dowodem na to jest powstawanie takich standardów jak WELL Building Standard opracowanych przez International WELL Building Institute’s i podobnych inicjatyw dotyczących projektowania skoncentrowanego na człowieku i jego potrzebach.

Zintegrowane sterowanie

W makroskali, zintegrowane sterowanie łączy w jeden system mający kontrolę nad wszystkimi systemami użytkowymi budynku, czyli oświetleniem, zacienianiem, wszystkimi czujnikami, systemami HVAC i IT. Główną jego zaletą jest to, że aby operować całą infrastrukturą wystarczy nauczyć się obsługi jednego systemu. Upraszcza to także konserwację. Dobrym rozwiązaniem jest posiadanie albo jednego systemu zarządzającego wszystkimi układami lub wielu prostych systemów sterowania, które mają możliwość komunikowania się między sobą. Gdy systemy są ze sobą połączone, wydajność każdego z nich może mieć wpływ na pozostałe – w idealnej sytuacji każdy z systemów automatycznie dopasowuje się do aktualnych wymagań odnośnie oświetlenia, temperatury czy związanych z pora dnia.

Obecnie już całkiem sporo budynków posiada tego typu systemy sterowania z wbudowanymi systemami zarządzania energią (Energy Management System – EMS) i budynkiem (Building Management System – BMS). W wielu przypadkach, któryś z podsystemów infrastruktury budynkowej, weźmy na przykład oświetlenie, może być wydzielony spod wspólnego sterowania, jednak będzie z nim skomunikowany poprzez magistrale sieci BACnet, LonWorks, KNX lub innego standardu. Dzieje się tak, gdy zespoły inżynierów i projektantów pracujące nad różnymi układami nie współpracują ze sobą. By zbudować jeden, zintegrowany system sterowania, wszyscy inżynierowie i projektanci muszą pracować wspólnie już od wczesnych etapów projektu. Integracja oczywiście nie musi ograniczać się tylko do elektryki czy systemów mechanicznych. Pewne elementy infrastruktury użytkowej można zintegrować ze strukturą budynku, lub już na wczesnym etapie można zadbać o bezproblemową komunikację bezprzewodową pomiędzy urządzeniami sterowania w całym budynku.

Integracja systemów

Inżynierowie zajmujący się elektryką, hydrauliką, systemami przeciwpożarowymi i mechanicznymi są najczęściej dobrzy w tym czym się zajmują – w projektowaniu, tworzeniu dokumentacji i budowie każdego z systemów. Prawdziwym wyzwaniem, ale i obszarem gdzie tkwi olbrzymi potencjał rozwoju, jest ścisła współpraca, mająca na celu integrację wspomnianej infrastruktury. Wszystkie systemy w nowoczesnym budownictwie są bowiem od siebie współzależne i  muszą zostać tak zaprojektowane, by oferować odpowiednią efektywność energetyczną, zapewnić Właściwe, komfortowe i bezpieczne środowisko pracy użytkownikom, a jednocześnie być przyjaznymi w obsłudze.

Obecnie wręcz niemożliwym staje się, by zespoły projektowe pracowały oddzielnie. Muszą one współpracować między sobą jak również z architektami, inwestorami i wykonawcami. Zintegrowanie systemów użytkowych i ich automatyki to pierwszy i niezbędny krok do tego, by wdrożyć kolejne innowacje związane np. z Internetem Rzeczy, który wzbogaci systemy automatyki budynkowej o generowanie, przetwarzanie i współdzielenie danych, co zmieni sposób kontroli nad środowiskiem budynku.

Autorka: Melanie Taylor jest wiceprezesem WSP Parsons Brinckerhoff. Prowadzi on projekty związane z oświetleniem budynków.