Ľahko a ťažko riaditeľné budovy

V praxi sa najčastejšie stretávame s líniovým životným cyklom návrhu domov či budov, keď budúci vlastník domu alebo developer zadáva zákazku architektovi, ten vytvorí návrh budovy, ktorý posúva statikom a stavbárom. Ďalej sa pokračuje v línii, prídu na rad projektanti TZB a až nakoniec sa dostane k slovu aj špecialista merania a regulácie.

Priorita sa kladie väčšinou na imidž budovy, zisk z predaja, nízku cenu realizácie a pod. Cieľom návrhu teda nie je, aby bola budova ľahko riaditeľná a regulovateľná. Pred špecialistom MaR potom stojí veľmi komplikovaná úloha, ako zabezpečiť riadenie takejto budovy.

Zároveň pritom väčšinou platí, že už nie je možné dosiahnuť takú energetickú efektívnosť či komfort, ktoré by bolo možné dosiahnuť, ak by bola budova navrhnutá aj s ohľadom na potreby riadenia, ekológie alebo udržateľnosti.

Ľahko riaditeľné budovy – ideál

Princíp ľahkej riaditeľnosti budov môžeme osvetliť na príklade riadenia vykurovania (ostatné systémy TZB sa riadia veľmi podobne). Predstavme si, že máme v miestnosti 18 °C, čo pociťujeme ako nedostatočnú teplotu, a tak nastavíme na termostate novú želanú hodnotu 21 °C.

To predstavuje pre riadiaci systém okamih, keď vyšle riadiacim zásahom signál do akčného člena (ventilu radiátora), aby „pustil“ do miestnosti viac teplej vody/teplého vzduchu.

Z pohľadu riadenia je ideálny stav taký, že regulovaná – riadená – veličina (teplota miestnosti) dosiahne želanú hodnotu okamžite, bez preregulovania. Principiálne možno tento stav dosiahnuť v prípade vykurovania dvomi spôsobmi.

Prvý spôsob predstavuje prípad, keď máme miestnosť s veľmi nízkou „hmotou“ (principiálne s nekonečne malou tepelnou kapacitou) a s nízkymi tepelnými stratami.

Maličké navýšenie tepelného výkonu v miestnosti tak vedie veľmi rýchlo k navýšeniu teploty až po želaný stav, t. j. v miestnosti zohrievame len samotný vzduch, neexistujú tam žiadne veľké akumulačné a sálavé plochy.

Druhý spôsob extrémne rýchleho riadenia predstavuje prípad, keď nie je principiálne dôležité, aké sú tepelné straty v miestnosti ani aká je „hmota miestnosti“. Podstatné je mať veľmi veľký akčný člen (principiálne nekonečne veľký – veľmi vysoký tepelný výkon aplikovaný do celej hmoty a vzduchu miestnosti).

V reálnom svete by to znamenalo, že v miestnosti máme akčný člen s tepelným výkonom napr. niekoľko gigawattov, čo znamená, že za krátky čas vieme do miestnosti dodať veľké teplo, čím sa dosiahne krátky, takmer okamžitý čas regulácie.

Z pohľadu jednoduchosti regulácie je teda ideálna taká miestnosť (budova), ktorá má minimálnu hmotnosť, maximálne akčné členy a žiadne poruchy. Ako poruchu v oblasti MaR označujeme neriaditeľný vstup do systému, ktorý ovplyvňuje riadenú veličinu.

Šlabikárovým príkladom poruchy v zmienenom príklade je v našom ponímaní slnečné žiarenie, ktoré síce vieme merať, ale nedokážeme ho riadiť, preto výrazne vplýva na riadenú veličinu. Podobne považujeme za poruchu tepelný zisk z osôb, zariadení či vecí v rámci miestnosti/budovy.

Ak príde do auly 500 ľudí, „prinesú“ so sebou tepelný zisk na úrovni približne 8 000 W. Vo všeobecnosti tak môže byť porucha merateľná alebo nemerateľná.

Meraním rozumieme v stručnosti všetky prvky a procesy, ktoré poskytujú dáta (informácie) o stave riadenej a želanej veličiny, o stave výkonu akčných členov, merateľných porúch a pod., teda informácie o všetkých relevantných prvkoch a procesoch vplývajúcich na riadenú veličinu.

Pre úplnosť len stručne doplníme, že akčné členy sú všetky riaditeľné prvky vplývajúce na riadenú/regulovanú veličinu. V našom prípade to preto nemusia byť len výkonové prvky (radiátory, sálavé panely, vzduchotechnika), ale aj prvky ovplyvňujúce poruchy ako napr. riaditeľné tienenie (pohyblivé a natáčajúce žalúzie).

Do oblasti akčných členov nespadajú kotly, technológie obnoviteľných zdrojov energie a pod., ktoré len dodávajú/poskytujú potrebný výkon.

Z uvedeného vyplýva, že ľahko riaditeľným príkladom vykurovania by mohla byť hypotetická „polystyrénová budova“ bez transparentných plôch (okien) a bez akýchkoľvek zariadení a procesov produkujúcich teplo v rámci budovy.

Proces riadenia teploty by bol teda závislý výlučne od tepelného zisku ľudí (čo predstavuje merateľnú poruchu) a tepelnej straty (zisku) tepelnovýmenného plášťa budovy, ktorý je pri absencii transparentných plôch rovnako merateľný. Riadiaci systém by preto pozostával len z niekoľkých snímačov a riadenie by bolo jednoduché a rýchle.

Ťažko riaditeľné budovy – ideál

Ak by sme mali vymyslieť príklad budovy, v ktorej bude veľmi ťažké riadiť teplotu, ideálnym reprezentantom by bola transparentná (priehľadná) budova s nízkozaizolovaným plášťom a s „ťažkou hmotou“ vnútri budovy s nesprávne nadimenzovanými prvkami TZB.

Transparentné plochy predstavujú z pohľadu riadenia vykurovania jedno z najväčších úskalí, pretože zákonite nastane v prechodných obdobiach v budove stav, keď na južnej strane pri vyjdení slnka spoza mrakov treba spustiť klimatizáciu a pri zájdení slnka za mraky vykurovanie.

Z pohľadu riadenia teploty existuje ešte mnoho aspektov, ktoré vyplývajú či už zo samotnej realizácie TZB, alebo z nesprávneho návrhu funkčnosti riadených prvkov budovy – napr. ide o stav, keď sú vedľa seba miestnosti, z ktorých jednu treba chladiť (serverovňa) a druhú vykurovať (toalety, kúpeľňa).

Do pohľadu komplikovanosti a neefektívnosti riadenia treba zahrnúť aj predimenzovanie alebo poddimenzovanie akčných členov.

Poddimenzovanie sa prejaví v tuhej zime, keď je tepelná strata miestnosti väčšia ako maximálny možný tepelný výkon, ktorý možno dodať do miestnosti, t. j. riadením nie sme schopní dosiahnuť želanú hodnotu.

Predimenzovanie sa prejaví prevádzkou kotla mimo pásma s efektívnou účinnosťou alebo zredukovaním riadenia na dvojpolohovú reguláciu.

Riaditeľnosť reálnych budov – ako by to malo byť

V reálnom svete by sme s polystyrénovými domami bez okien a s vysokovýkonovými prvkami riadenia zrejme nepochodili, pretože takéto budovy sú nerealizovateľné a  enormne nekomfortné. Každá budova má svoju hmotu, transparentné plochy a špecifické vonkajšie aj vnútorné vplyvy, ktoré ovplyvňujú riadenie.

Prirodzene, so zvyšovaním hmoty budovy, transparentných plôch, personalizácie žiadaných hodnôt miestností (teplôt a pod.) narastá čas regulácie, potreba výkonu akčných členov a množstvo väzieb, preto logicky narastajú aj zložitosť merania a celková komplexnosť riadiaceho systému.

Tak, ako sa šije oblek na mieru človeku, tak podobne sa „šije“ aj riadiaci systém pre konkrétny projekt budovy a platí univerzálne pravidlo, ktoré hovorí, že: „Zložitosť, štruktúra a účinnosť riadiaceho systému (riadenia), energetická efektívnosť, ekologickosť (udržateľnosť) budovy sú prioritne závislé od jej architektonicko-stavebno-konštrukčného riešenia.“

Veľká, zasklená a južne orientovaná aula univerzity bude pri premenlivom počasí enormne ťažko riaditeľná. Pri oslnení sa začne rýchlo prehrievať a naplno klimatizovať. Pri zájdení slnka za mraky sa v nej ochladí a zapne sa vykurovanie.

Pri takomto stavebno-konštrukčnom riešení sa mení celé riadenie na dvojpolohovú reguláciu (ON-OFF), keď sa len zapínajú a vypínajú prvky TZB, pričom nepomôže žiadny špičkový neuro-prediktívny riadiaci systém ovládajúci žalúzie, tepelné čerpadlá či OZE.

V reálnom svete sa teda vzhľadom na dynamiku TZB budú študenti v zmienenej aule obliekať a vyzliekať v závislosti od toho, ako bude svietiť slnko. Kvalita vnútorného prostredia bude mizivá aj napriek akýmkoľvek snahám riadiaceho systému rešpektujúceho fyzikálne zákony – tepelné zisky a straty.

Z uvedeného prirodzene vyplýva, že ak plánujeme postaviť budovu, pri ktorej sa kladie dôraz na komfort a ekológiu – energetickú efektívnosť, t. j. budovu, v ktorej bude využitý riadiaci systém –, je NEVYHNUTÉ, aby bol návrh budovy konsenzom medzi architektom, špecialistom na meranie a reguláciu, odborníkmi pre stavebnokonštrukčné riešenie, odborníkmi z oblasti TZB, ekológie a, samozrejme, aj realizátorom a užívateľom budovy.

Výsledný projektový návrh budovy by teda mal byť výsledkom dlhej spolupráce uvedených expertov, v rámci ktorej špecialista MaR v kooperácii s odborníkmi na TZB koriguje, resp. upozorňuje architekta (prípadne developera či užívateľa), ako sa architektonický návrh pretaví do technológií TZB a riadenia.

Takouto spoluprácou možno vylúčiť kritické riešenia, ktorými by sa vytvorilo veľmi ťažko riaditeľné, energeticky neefektívne a tiež nekomfortné konštrukčné riešenie. Architekt či developer však môžu, no nemusia pozmeniť svoj návrh na základe pripomienok špecialistov MaR, resp. TZB.

Potom bude už dopredu jasné, že nepozmenený návrh sa prejaví vo zvýšení nákladov alebo v znížení komfortu, prípadne v požiadavkách na drahšie TZB a v komplikovanosti riadenia.

Táto situácia sa často stáva pri vytváraní imidžových a architektonicky zaujímavých riešení, pri ktorých energetická efektívnosť alebo ekológia nehrajú rolu.

V prípade, že sa do požiadaviek na vypracovanie projektu zahrnú aj energetická efektívnosť či ekológia, musí sa architekt v rámci možností podriadiť pripomienkam špecialistov MaR a TZB.

Vtedy môže na základe zladenia požiadaviek na projekt vzniknúť kvázi optimálne riešenie, ktoré sa prejaví efektívnou riaditeľnosťou navrhnutých technológií TZB.

Takýto spôsob návrhu budovy prináša značné navýšenie nákladov v projektovej fáze, pretože sa súčasne vytvára nielen architektonický projekt, ale aj rámcový projekt použitých technológií TZB, riadenia a pod.

Tieto náklady, ktoré zvyšujú cenu celej budovy, sa však enormne rýchlo vrátia v čase jej užívania, a to buď priamo nižšou spotrebou energie, vyššou kvalitou vnútorného prostredia, jednoduchým, rýchlym a efektívnym riadením, alebo aj ďalšími pridanými hodnotami, ako sú jednoduchší facility manažment či menší negatívny vplyv na prírodu.

Kvalita MaR

Zásah špecialistu MaR vo fáze projektovej prípravy predstavuje prvú a najzásadnejšiu rovinu, ktorá ovplyvní kvalitu a možnosti riadenia. Druhá rovina efektívneho riadenia budovy spočíva v odbornom a dôslednom návrhu samotného riadiaceho systému, ktorý zahŕňa viacero aspektov.

Veľmi dôležitá je znalosť procesu na úrovni regulácie, ktorá je spravidla daná technickými vlastnosťami riadených prvkov, ako sú napríklad technické parametre zdroja tepla (minimálna a maximálna pracovná teplota kotla, maximálny prietok v radiátore, v podlahovom vykurovaní a pod.).

Projektant by mal veľmi dobre poznať vlastnosti riadených technológií, v opačnom prípade môže celý systém „bežať“ v nesprávnych hodnotách, čo jednak znižuje efektivitu riadenej technológie (napr. kotol zohrieva vodu v pásme nízkej účinnosti) a rovnako znižuje aj jej životnosť (nízkoteplotná korózia, „kmitanie“ servoventilov a pod.).

Ďalším bytostne dôležitým prvkom z pohľadu efektívneho riadenia budov je počítačový „matematicko-fyzikálny“ model budovy. V prvom kroku je tento model vytvorený na základe podkladov projektu a slúži na orientačné nastavenie parametrov regulácie.

Aby sa však model z „papierového projektu“ zosúladil s reálnym stavom, musí sa overiť (verifikovať) na základe reálnych dát. Verifikácia a následné „doladenie“ parametrov modelu sa vykoná až po meraniach smerodajných parametrov minimálne počas jedného roka prevádzky budovy.

Po jednom či viacročnom meraní v používanej a riadenej budove sa vytvorený model upraví a podľa toho sa nastavia nové parametre regulácie. Z pohľadu kvality regulácie a efektívnosti riadenia sa preto práca špecialistu MaR nekončí kolaudáciou budovy.

V stručnosti možno povedať, že kvalitný návrh špecialistu MaR obsahuje osem základných oblastí:

1. znalosť technologického procesu na úrovni regulácie,
2. model riadeného procesu,
3. návrh regulácie (štruktúra regulačných obvodov, typy regulátorov…),
4. nastavenie jednotlivých regulačných slučiek,
5. spravovanie alarmov,
6. implementácia v konkrétnom programovacom prostriedku,
7. plán testov,
8. dokumentácia.

Návrh riadenia správne vyladenej budovy sa teda začína už v rámci projektovej fázy prípravy budovy, pokračuje prácami „oživenia“ a základného nastavenia riadenia podľa projektu budovy pred kolaudáciou a ďalej doladením parametrov riadiaceho systému po overení simulačného počítačového modelu na základe reálnych dát plnohodnotného využívania budovy.

Riaditeľnosť reálnych budov na Slovensku – ako by to nemalo byť

Drvivá väčšina existujúcich budov a rovnako aj plánovaných nových budov (vo fáze projektovej prípravy a vo výstavbe) na Slovensku nie je navrhnutá, resp. sa nenavrhuje, princípom integrovaného prístupu.

Developer zadáva spravidla zákazku architektovi (so zámerom maximálneho zisku pri predaji budovy), pričom priority necielia na ľahkú riaditeľnosť a energetickú efektívnosť. Architekt vypracuje projekt, ktorý posunie ďalej ako zadanie stavbárom a statikom, a tí následne vypočítajú a nadimenzujú konštrukčné prvky.

Projekt sa potom posúva ďalej ako zadanie odborníkovi na TZB, ktorý v rámci daných miestností vypočíta a nadimenzuje vzduchotechniku, vykurovanie atď. Následne sa zadanie posúva špecialistovi MaR, ktorý na základe použitých technológií vypracuje projekt riadenia.

Takýto scenár reprezentuje líniový projektový návrh (obr. 3), pri ktorom odborníci na TZB a MaR v zásade nemajú možnosť ovplyvniť architektonicko-stavebno-konštrukčné riešenie.

Podobne ako sa v matematike chyby sčítavajú, tak aj pri líniovom návrhu projektu budovy vznikne reálna budova, ktorá bude vykazovať z pohľadu riadenia mnoho problematických až kritických stavov.

Pri líniovom návrhu prichádza špecialista MaR až na konci procesu, pričom sa často dostáva do úlohy štatistu, ktorý už len konštatuje, že „ak zasvieti slnko, spustí sa klimatizácia, ak zájde za mraky, spustí sa kotol“.

Navyše, ako býva v praxi zvykom, nič sa nestíha, a keďže je MaR posledným aspektom pred kolaudáciou, práve naň zostáva veľmi málo času, a tak sa systémy často len „oživia“. Na prvotnú optimalizáciu riadenia nie je čas (často ani peniaze).

O počítačovom modeli, ktorý sa neskôr overuje pri prevádzke budovy, môže väčšina špecialistov MaR len snívať. Výsledkom sú teda zle riaditeľné a zle riadené budovy.

Líniový vs. integrovaný prístup k návrhu budov a ich riaditeľnosť

Na poliach pestujeme repku olejnú. Postavíme priemyselnú halu s drahou komplikovanou technológiou, ktorá dokáže „premeniť“ repku na bionaftu. Tú natankujeme do áut ľudí, ktorí dochádzajú do práce (do závodu) na výrobu bionafty, a do kamiónov, ktorými dovezieme potraviny z iných štátov.

Pri úlohe optimalizácie riadenia výroby potravín uvedeným spôsobom máme dve možnosti. Nasadiť na technológiu výroby bionafty špičkové riadenie, ktorým sa znížia náklady (zvýši sa produktivita) o jednotky či desiatky percent, alebo máme inú možnosť, a to pestovať namiesto repky priamo potraviny, ktoré bionaftou dovážame.

Analogicky možno konštatovať, že: „Nesprávne navrhnutá budova so špičkovým riadením bude stále zlá budova s výborným riadením, vykazujúca horšie charakteristiky ako premyslene/ optimálne navrhnutá budova s jednoduchým riadením.“

Príklad repky demonštruje fatálny rozdiel medzi líniovým a integrovaným spôsobom návrhu budovy. Čím viac sa bude pri návrhu novej budovy dostávať do popredia otázka udržateľnosti, tým väčšie slovo budú mať pri návrhu jej koncepcie špecialista MaR, TZB a ekológ.

Máme možnosť stavať nepremyslené budovy („vyrábať bionaftu“), alebo máme možnosť použiť zdravý rozum a spoluprácu odborníkov vedúcu k tvorbe rozumne navrhnutých budov („budeme pestovať priamo potraviny namiesto repky“). Čím väčšie bude slovo „zdravého rozumu“, tým oklieštenejšie budú možnosti voľnej realizácie architekta/developera.

Megalomanskú a neudržateľnú architektúru nahradí rozumná a šetrná architektúra, využívajúca čo najviac lokálnych zdrojov, väzieb a možností tak, aby sa aj pri podmienke nízkej devastácie prírody vytvorilo komfortné, zdravé, efektívne a ľahko riaditeľné vnútorné prostredie budovy.