Ewolucja inteligentnych budynków

Postęp technologiczny stwarza nowe możliwości w budownictwie. Przy projektowaniu inteligentnych budynków traktuje się kompleksowo infrastrukturę, systemy i zasoby całego obiektu, systemy komunikacji, systemy biznesowe oraz rozwiązania technologiczne, które razem wspierają zrównoważony rozwój i zwiększają wydajność operacyjną.

Co jest wyznacznikiem inteligentnego budynku i co ten termin właściwie oznacza? Jakie kroki należy przedsięwziąć, żeby inteligentny budynek nie był „inteligentny” jedynie z nazwy?

Odpowiedzi na te i inne pytania zostaną przedstawione w tym artykule.

W skrócie

• Prawdziwie inteligentny budynek wymaga licznych komponentów, współdziałających jako harmonijna całość.
• Projektowanie i realizacja inteligentnego budynku składa się z kilku kluczowych etapów (od założeń projektowych do zmieniającej się roli zarządcy obiektu w inteligentnym budynku przyszłości).

Inteligentnym budynkiem określa się zespół dynamicznie połączonych, zaawansowanych systemów o interoperacyjnym charakterze, które umożliwiają gromadzenie danych, ich wymianę i analizę oraz podejmowanie działań w oparciu o te dane. Właściwie zaprojektowana inteligentna platforma budynku stanowi efektywny, bezpieczny i wydajny zasób, który dodatkowo wyróżnia się możliwością ciągłego ulepszania w okresie eksploatacji.

Inteligentna platforma budynku staje sie potężnym narzędziem, które może zapewnić optymalną wydajność budynku w zakresie bezpieczeństwa, efektywności energetycznej, wydajności, skuteczności działania, zużycia mediów, zrównoważonego rozwoju oraz środków na rzecz ochrony zasobów, jak również wsparcia procesów aktywizacji pracowników i całego społeczeństwa. Projekt inteligentnego budynku zakłada zbudowanie wspólnej platformy sprzętowej i programowej, która gromadzi, normalizuje i koordynuje wymianę danych otrzymanych z różnych zaawansowanych systemów. Platforma taka w swej części programowej pozwala na przejrzysty dostęp do danych dotyczących wydajności budynku w czasie rzeczywistym, jak również umożliwia intuicyjną wizualizację wskaźników na pulpitach sterowania, dostosowanych dla poszczególnych interesariuszy. Możliwości platformy staja się jeszcze większe po wdrożeniu aplikacji do wykrywania awarii, diagnostyki, analityki oraz zaawansowanego tworzenia raportów.

Często za „inteligentny” uważano zestaw niezależnych, zaawansowanych technologicznie i funkcjonalnie systemów. Na przykład typowy projekt budowlany może uwzględniać wydajne urządzenia mechaniczne z zaawansowanymi sekwencjami sterowania, czy też zaawansowany system oświetlenia z oprawami LED, efektywnymi energetycznie statecznikami oraz strategiami wykorzystywania światła dziennego. Oczywiście zaawansowane systemy stanowią ważne komponenty nowoczesnego budynku, ale dopóki nie zostaną przystosowane do wymiany kluczowych danych i skutecznego oddziaływania na inne systemy, dopóty pozostaną jedynie izolowanymi wysepkami informacji na terenie całego obiektu, ograniczając możliwości pozytywnego wpływu na jego szeroko rozumianą efektywność. Jednakże w przypadku umożliwienia wymiany specjalistycznych danych przez zastosowanie otwartych platform danych, takie połączenie zaawansowanych systemów zyskuje nowa jakość, wzrasta jego „inteligencja”, a efektywność rośnie wykładniczo.

Inteligentny budynek powinien być dostosowany do zamierzonego celu jego wykorzystania, a także przystosowany do ewentualnych zmian przeznaczenia w czasie jego eksploatacji w przyszłości. Musi spełniać określone potrzeby i wymagania potencjalnie szerokiej grupy uczestników przedsięwzięcia, realizując zadane założenia i cele, określone w deklaracji i wizji klienta. Jednocześnie inteligentny budynek musi być odpowiednio przystosowany do eksploatacji w przyszłości, zapewniając odpowiednią elastyczność i skalowalność uwzględnioną w projekcie, co jest gwarantem łatwego i sprawnego przystosowywania do rozwoju technologii i zmian funkcjonalności w przyszłości.

Siedem etapów prowadzących do statusu inteligentnego budynku

Prawdziwie inteligentny budynek wymaga licznych komponentów, współdziałających jako harmonijna całość. Poniżej prezentujemy listę siedmiu kluczowych etapów projektowania i realizacji inteligentnego budynku – od założeń projektowych do zmieniającej się roli zarządcy obiektu w inteligentnym budynku przyszłości. Tych siedem kluczowych aspektów projektowania pomoże wszystkim interesariuszom zaplanować i zrealizować zasadę dostosowania do określonych celów i przystosowania do eksploatacji w przyszłości w całej sieci inteligentnych budynków.

1. Wczesne planowanie. Koncepcje inteligentnego budynku należy zaplanować najlepiej na bardzo wczesnym etapie projektu – im wcześniej, tym lepiej. Aby zapewnić właściwe wykonanie inteligentnego budynku, kluczowe znaczenie ma ustalenie harmonogramu działań. Po zakończeniu etapu ustalania infrastruktury ewentualne wprowadzanie zmian, których celem jest uzyskanie jak największych korzyści, zwykle jest utrudnione i kosztowne. Dysponowanie jak najbardziej szczegółowymi informacjami zużycia energii przez każdy element wyposażenia jest bardzo korzystne. Inteligentny budynek zostanie wyposażony w liczniki na wszystkich elementach wyposażenia, m.in. w rozdzielni elektrycznej, głównych rurach wodociągowych, systemach ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji, transporcie pionowym oraz systemach nawadniania. W przypadku gdy podstawowe systemy budynku nie są od samego początku dostosowywane do koncepcji inteligentnego budynku, wówczas dużym i kosztownym wyzwaniem, choć nie niemożliwym, jest późniejsze wprowadzenie zmian w projekcie i rozkładzie instalacji mechanicznej, elektrycznej, wodno-kanalizacyjnej, systemu przeciwpożarowego, a także infrastruktury teleinformatycznej, tak aby zapewnić odpowiednie wsparcie dla inteligentnej platformy budynku.

2. Identyfikacja i zrozumienie wymagań wszystkich interesariuszy. Każda ze stron uczestniczących w przedsięwzięciu realizacji inteligentnego budynku będzie mieć odmienne wymagania. Dlatego pożądane rezultaty będą się różnić, w zależności od indywidualnych oczekiwań i doświadczeń. Zgromadzenie wszystkich zainteresowanych stron w celu omówienia ich określonych wymagań, wraz z osiągnięciem kompromisów w spornych sytuacjach, będzie kluczowym etapem dla zapewnienia sukcesu danego projektu.

W przypadku inteligentnych budynków należy uwzględnić następujące grupy interesariuszy:

• grupa finansowa – będzie wymagać informacji dotyczących wpływu systemów inteligentnego budynku na wyniki finansowe firmy;

• grupa operacyjna/użytkowa – zajmująca się codzienną obsługą budynku. To na niej ciąży odpowiedzialność za zadowolenie użytkowników, zapewnienie łatwej obsługi, dostęp do najważniejszych informacji z systemów oraz wydajność personelu obsługi. Grupa będzie wymagać dostępu do wszystkich systemów budynku, aby mieć możliwość reagowania w czasie rzeczywistym na pojawiające się problemy;

• grupa ds. ograniczenia zużycia zasobów lub zrównoważonego rozwoju – zajmująca się efektywnym zarządzaniem energią i wodą, optymalizacją zużycia mediów oraz sposobem obniżenia emisji i ochrony zasobów;

• grupa ds. wydajności – zajmująca się aspektem wydajności budynku. Jej celem jest zapewnienie komfortowych warunków w budynku. Grupa ta będzie wymagać dostępu do informacji dotyczących efektywnego użytkowania przestrzeni, a także będzie zainteresowana możliwościami zwiększenia wydajności poprzez integracje;

• grupa ds. bezpieczeństwa – będzie wymagać, aby inteligentny budynek wspierał przekazywanie komunikatów w sytuacjach awaryjnych, włączając w to również zaplanowane akcje oraz ostrzeżenia. Ponadto grupa będzie zainteresowana sposobem wykorzystania „inteligencji” budynku do utrzymywania właściwej kontroli dostępu oraz poprawy komunikacji w sytuacjach awaryjnych;

• grupa ds. usług dodatkowych/publicznych sieci komunikacji – będzie wymagać, aby dane o wydajności, uzyskane ze wszystkich systemów inteligentnego budynku, były odpowiednio prezentowane – w celu promowania proekologicznych inicjatyw na rzecz zrównoważonego rozwoju oraz aby wykorzystać je w systemach informacji wizualnej, ułatwiających poruszanie się po obiekcie.

Należy podkreślić, że prestiż i uznanie będą motywem działań wielu interesariuszy, którym zależy na stworzeniu jak najlepszego wizerunku budynku, organizacji i/lub społeczności. Ponadto wszystkim uczestniczącym stronom zależy na otrzymywaniu szczegółowych informacji związanych z obsługiwanymi przez nie określonymi obszarami, aby mieć możliwość ich analizy w celu optymalizacji funkcjonowania systemów budynku zgodnie z najlepszymi praktykami. Ustalenie definicji poszczególnych parametrów pomoże wykorzystać zgromadzone dane do zminimalizowania zużycia energii i wydatków operacyjnych.

3. Specyfikacja indywidualnych systemów i komponentów w celu zapewnienia kompatybilności ze zintegrowaną platformą. Każdy ze wspomnianych obszarów będzie mieć własne zaawansowane wyposażenie, ale jeśli jego parametry techniczne nie będą na tyle wystarczające, aby generować dane na wyższym poziomie zaawansowania,

uniemożliwi to prawidłowa integracje z innymi urządzeniami, a tym samym nie pozwoli na integracje z inteligentną platformą budynku. Urządzenie instalowane w budynku może być nawet uznawane za zaawansowane technicznie i funkcjonalnie, ale nie oznacza to, że będzie nadawać się do połączenia z inteligentną platforma budynku.

Dlatego też należy najpierw tak zdefiniować komponenty, aby zapewnić ich interoperacyjność – aby były zgodne co do standardów komunikacji danych, interfejsu logicznego i w rezultacie mogły się porozumieć już na poziomie obiektowym. Obecnie, bez względu na producentów, każda z instalacji mechanicznych, elektrycznych i wodno-kanalizacyjnych i każdy z systemów sterowania budynkiem – system automatyki budynku (BAS), rozdzielnie elektryczne, agregaty chłodnicze, kotły, podgrzewacze wody, systemy wind, sterowniki oświetlenia, systemy przeciwpożarowe, systemy kontroli dostępu oraz systemy bezpieczeństwa – mogą być wyposażone w standardowy, otwarty protokół komunikacyjny. Warto przy tym podkreślić, że protokołów tych jest kilka i różnią się od siebie.

Powszechnie w specyfikacji technicznej urzadzeń wymienia się listę dopuszczalnych protokołów. Praktyka ta ma chronić dobro klienta, zapewniając mu wiele opcji bazujących na otwartych standardach komunikacji, i nie ograniczać działań konkurencyjnych. Wadą może być jednak ryzyko niezgodności systemów. Sama specyfikacja protokołu (tj. BACnet, Modbus, LonWorks itd.) nie stanowi żadnej gwarancji zgodności ani też jakości przekazywanych danych. Przykładowo protokół BACnet określa wiele różnych wersji: BACnet/IP, BACnet poprzez siec Ethernet, Point-to-Point (RS-232), MS/TP (RS-485), a nawet BACnet poprzez siec ARCNET, przy czym każda z nich charakteryzuje się odmiennym sposobem transmisji danych i wymaga innego typu okablowania.

Inne protokoły również oferują wiele swoich odmian. W takim przypadku może być trudne, jeśli nie niemożliwe, aby zmienić protokół już wykorzystany w systemie. Ułatwienie komunikacji pomiędzy systemami z różnymi protokołami, po dobraniu ich do danego obiektu, często wiąże się z koniecznością kosztownych zmian, w tym również przeprowadzenia ponownego okablowania.

Wyobraźmy sobie sytuacje, że inżynier pracujący w inteligentnym budynku odbiera telefon od jednego z najemców, informującego o pojawieniu się problemu z chłodzeniem. Gdyby inżynier miał dostęp do interaktywnych danych ze wszystkich systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji, miałby możliwość zidentyfikowania pierwotnej przyczyny usterki, zamiast próbować zmieniać ustawienia, chcąc choćby chwilowo zmniejszyć niewygodę użytkownika, co jednakże może doprowadzić do pojawienia się problemów w innych partiach budynku. Idąc krok dalej, wyobraźmy sobie, że inżynier ten mógłby otrzymać wcześniejsze ostrzeżenie, zanim jeszcze usterka lub awaria zaistniałaby w rzeczywistości. To samo można by powiedzieć o temperaturze wody w budynku, przepływie powietrza i innych systemach, które mają duży wpływ na wygodę użytkowników. Jeśli systemy budynku maja możliwość rozpoznania i przewidzenia usterek i mogą powiadomić o tym osoby zarządzające obiektem, możliwe jest uniknięcie sytuacji kryzysowej i utrzymanie odpowiedniego poziomu komfortu lokatorów.

Prawdziwie inteligentny budynek wyróżnia się proaktywnym podejściem w kwestii przewidywania problemów i automatycznym przeprowadzaniem odpowiednich regulacji w celu zapobiegania awariom, które mogłyby mieć niekorzystny wpływ na działanie budynku, realizowane w nim procesy i samych użytkowników.

4. Wykrywanie i diagnostyka awarii są niezbędne. Usterki często definiuje się jako stan binarny, np. nie można włączyć kotła lub nie można go wyłączyć. Jednakże w praktyce sytuacja jest zwykle znacznie bardziej skomplikowana.

Usterka może oznaczać także nieprawidłowe lub nieefektywne działanie danego urządzenia czy procesu. Typowym przykładem może być jednoczesne ogrzewanie i chłodzenie budynku. Wszystkie urządzenia zostały włączone i zapewniają komfortowe warunki, ale w tym samym czasie pracuje zarówno agregat chłodniczy, jak i kotły. Jeśli taka sytuacja dotyczy budynku inteligentnego, wówczas w ramach platformy systemowej dostępne są dane z obu urządzeń i możliwa jest identyfikacja miejsca usterki. Czy w kotle wystąpiła usterka? Czy w agregacie chłodniczym wystąpił problem diagnostyczny, którego nikt nie zauważył, jak np. zbyt wysoka temperatura oleju?

Zadaniem systemu wykrywania usterek i diagnostyki (FDD), oferowanego przez różnych dostawców oprogramowania, jest identyfikacja pierwotnej przyczyny problemu, zanim ulegnie on nasileniu i spowoduje awarie na skalę całego obiektu. Systemy FDD w inteligentnym budynku powinny powiadomić inżyniera budynku jeszcze przed wystąpieniem awarii, a także wskazać jej przyczynę. Czy jest ona skutkiem niewystarczającego zasilania? Dlaczego wentylator wyłączył się? Czy spowodował to alarm przeciwpożarowy? Czy może coś wywołało odcięcie przewodów i doprowadziło do nagromadzenia ciśnienia?Dzięki zastosowaniu systemu FDD można uzyskać odpowiedzi na te i inne pytania oraz w niektórych przypadkach zdalnie przeprowadzić działania zaradcze.

Możliwe jest wpisanie odpowiednich zasad i procedur w sekwencjach kontrolnych inteligentnego budynku, aby wyłapywać usterki, zanim doprowadzą do awarii.Ważny jest również plan przywrócenia gotowości po wystąpieniu sytuacji nadzwyczajnej. Na przykład, co zrobić, gdy zepsuje się agregat chłodniczy w szpitalu albo nie będzie można uruchomić generatorów prądu i systemy zasilaczy awaryjnych (UPS) nie zapewnią odpowiedniego zasilania w obiekcie o krytycznym znaczeniu? Włączenie systemów FDD do inteligentnego budynku pomoże zapewnić w tych kwestiach działanie proaktywne, zamiast jedynie reaktywnego.

5. Jak najlepsze wykorzystanie pulpitów sterowania, wizualizacji i narzędzi przetwarzania danych. Po uwzględnieniu w projekcie budynku wszystkich wymagań indywidualnych interesariuszy oraz skonfigurowaniu wszystkich funkcji analitycznych inteligentnej platformy budynku, kolejnym etapem jest przygotowanie indywidualnych pulpitów sterowania dla każdego interesariusza, aby zapewnić rzeczywiste wykorzystanie ich zbiorów danych. Z powodu różnic w wymaganiach, prawdopodobnie każdy z nich będzie potrzebować innego sposobu wizualizacji.

Na przykład operatorowi codziennej obsługi budynku będzie zależało na tym, aby pulpit obejmował jak największą ilość parametrów, umożliwiając uzyskanie całościowego podglądu obiektu, jak również określone, szczegółowe statystyki, różniące się w zależności od typu obiektu. Natomiast interesariusz z grupy finansowej będzie potrzebował dziennych wyników w formie liczbowej, na tle całkowitego budżetu. Definiowanie wymagań każdego pulpitu wiąże się z dobrym zrozumieniem poszczególnych interesariuszy. Które elementy są dla nich istotne? Jakie przyświecają im cele i do czego dążą? Należy rozważyć, które komponenty systemu muszą ze sobą współdziałać i komunikować się, aby każdemu z uczestników przedsięwzięcia umożliwić uzyskanie odpowiednich danych. Do zadań inżyniera sporządzającego specyfikacje techniczna będzie należało ustalenie, jakie dane mają zawierać poszczególne pulpity, oraz określenie, w jaki sposób odpowiednie informacje mają docierać do właściwych osób (rys. 1).

6. Należy pamiętać o bezpieczeństwie sieci. W przypadku integracji informacji od każdego interesariusza, aspekt bezpieczeństwa będzie mieć decydujące znaczenie. W jaki sposób zagwarantować im, że ich indywidualne dane są odpowiednio zabezpieczone?

Ponadto system inteligentnego budynku zazwyczaj włączany jest do głównego systemu IT korporacji. I ponownie, ponieważ bezpieczeństwo jest bardzo ważnym elementem w procesie integracji (rys. 2), ten aspekt należy uwzględnić już na samym początku projektowania.

Poza wspomnianymi różnicami występującymi dla różnych zainteresowanych stron, w przypadku każdego obiektu w grę wchodzą również indywidualne kwestie zabezpieczeń. Na przykład placówka badawcza może się obawiać o bezpieczeństwo swoich odkryć, a z kolei korporacja może się martwić o prywatność poufnych danych finansowych.

W sytuacji idealnej specjalista ds. specyfikacji technicznej wraz z działem IT przedyskutowują fizyczne i logiczne normy bezpieczeństwa, w celu ustalenia sposobu wdrożenia zintegrowanej inteligentnej platformy budynku do ogólnej infrastruktury IT. Istotne jest, żeby z wyprzedzeniem zająć się potencjalnymi sytuacjami naruszenia bezpieczeństwa, specyficznymi dla poszczególnych obiektów, aby zapewnić wzmocnienie ochrony sieci zgodnie ze standardami wyznaczonymi przez klienta.

Podczas projektowania bezpieczeństwa sieci w inteligentnych budynkach warto przestrzegać następujących zasad i dobrych praktyk:

• zastosuj zgodną ze standardami technologię szyfrowania danych, autoryzacji i uwierzytelniania;

• danym w infrastrukturze bezpieczeństwa nadaj rangę poufnych;

• zadbaj o udokumentowanie fizycznej konfiguracji zabezpieczeń;

• przygotuj spójne i zaplanowane procedury konserwacji, a następnie ich przestrzegaj;

• zorganizuj i utrzymuj łańcuch rzetelnych dostawców;

• wyeliminuj ogólne hasła administracyjne dla dostawców;

• przestrzegaj najlepszych praktyk dostawców i stosuj zalecenia dotyczące wdrażania.

Istnieje wiele różnych sposobów, aby zoptymalizować bezpieczeństwo sieci. Może to być pełna integracja sieci inteligentnego budynku z platformą systemową firmy bądź też podział sieci inteligentnego budynku na segmenty i połączenie kilku z nich z platformą systemową firmy, a pozostawienie reszty połączonej w ramach niezależnej sieci, aby zachować kontrolę nad bezpieczeństwem danych.

Może to być również wyznaczenie całkowicie oddzielnych sieci. Wszystkie podane przykłady stanowią realne możliwości w kwestii zarządzania bezpieczeństwem.

Idealnym podejściem jest oczywiście wcześniejsze omówienie sposobu dostosowania projektu sieci do planowanego wykorzystania budynku i dobór standardów sieciowych, z uwzględnieniem tego, jak sieć inteligentnego budynku i jego komponenty można dopasować do standardów bezpieczeństwa sieciowego platformy systemowej firmy. Takie działanie pomoże w procesie integracji inteligentnej sieci z istniejącą siecią komunikacji danych w budynku.

7. Co przyniesie przyszłość? Inteligentne budynki przyszłości wyniosą obecną technologię na nowy poziom, włączając w to zastosowanie zaawansowanych algorytmów, analizy i systemów FDD, jak również spowodują zmianę roli i zadań  personelu obsługującego inteligentny budynek.

Zadanie zarządcy obiektu zmieni się w działania ukierunkowane na maksymalizacje wykorzystania kluczowego zasobu inteligentnego budynku – jego danych. Wprowadzenie takiej funkcji już teraz staje się koniecznością i zadanie to może być wykonywane wewnętrznie lub zlecane kompetentnej firmie, pełniącej role zewnętrznego konsultanta ds. inteligentnych budynków.

Wprowadzenie obsługi wewnętrznej może wymagać czasu, koniecznego do przeszkolenia zarządców nieruchomości i inżynierów budynku w zakresie wymaganych umiejętności. Szkolenia takie oferowane są przez wykwalifikowanych konsultantów ds. inteligentnych budynków, którzy przekazują personelowi obsługi budynku odpowiednią wiedzę i umiejętności z zakresu najefektywniejszego wykorzystania specjalistycznych systemów i danych generowanych przez systemy budynku.

Pomogą w tym liczne wdrażane już funkcje monitoringu i sterowania oraz odpowiednie pulpity sterownicze, których obsługa jest coraz bardziej przyjazna użytkownikom.

Inteligentny obiekt nadchodzącej przyszłości będzie się znacząco różnić od dzisiejszego, zaawansowanego technologicznie budynku o wysokiej wydajności. Mimo że w obu przypadkach znajdą się w nich zaawansowane instalacje mechaniczne, elektryczne i wodno-kanalizacyjne i wdrożone będą najnowsze sposoby optymalizacji urządzeń, to jednak inteligentny budynek wyróżniać się będzie od wewnątrz swoją zdolnością do gromadzenia danych ze wszystkich oddzielnych systemów i ich konsolidowania na serwerach danych i pulpitach dla każdego interesariusza, a także – co ważniejsze – swoją zdolnością do wykorzystania zebranych danych, tak aby wywierać pozytywny wpływ na potencjał budynku i umożliwiać jego ciągłe ulepszanie.

O autorze: Steve Brown jest certyfikowanym specjalistą ds. automatyki. Mając ponad 25-letnie doświadczenie w projektowaniu, wdrażaniu i przygotowaniu do eksploatacji wielu różnych systemów sterowania. Jego kompetencje w zakresie aplikacji i gruntowna wiedza o produkcie stanowią nieocenioną pomoc dla klientów w projektowaniu systemów budynku, zapewniających maksymalizację wyników przez integracje istniejących i nowo powstających technologii.

Autor: Steve Brown