4.9 ΝΕΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ Σήµερα είναι διαθέσιµες, εµπορικά, διάφορες νέες (ή σχετικά νέες) τεχνολογίες οι οποίες θα µπορούσαν να βελτιώσουν σηµαντικά την ενεργειακή απόδοση των κτιρίων εφόσον εφαρµοσθούν. Οι τεχνολογίες αυτές αφορούν τόσο το κέλυφος του κτιρίου όσο και τις εγκαταστάσεις του. Ενδεικτικά οι κυριότερες από αυτές είναι : ΚΕΛΥΦΟΣ 4.9.1 Υαλοστάσια προηγµένης τεχνολογίας Τα υαλοστάσια κατέχουν εξέχουσα θέση στην ενεργειακή συµπεριφορά του κτιρίου δεδοµένου του ότι αποτελούν το πιο ευπαθές στοιχείο του κελύφους. Για το λόγο αυτό η επιστηµονική έρευνα στρέφεται στη µελέτη υαλοστασίων προηγµένης τεχνολογίας, τα οποία διαθέτουν βελτιωµένες θερµικές και οπτικές ιδιότητες, συνεισφέροντας σηµαντικά στην εξοικονόµηση ενέργειας από θέρµανση, ψύξη και φωτισµό. Τα υαλοστάσια προηγµένης τεχνολογίας, ανάλογα µε την ευελιξία τους σε προσαρµοστικότητα των οπτικών ιδιοτήτων, διακρίνονται σε υαλοστάσια σταθερών οπτικών ιδιοτήτων, µεταβλητών οπτικών ιδιοτήτων µε χειροκίνητο ή φυσικό τρόπο και µεταβλητών οπτικών ιδιοτήτων µε ηλεκτροµαγνητικό πεδίο και θερµοκρασιακές µεταβολές. 4.9.1.1 Χαµηλής εκποµπής µεµβράνες Πρόκειται για το πιο ευρέως διαδεδοµένο σύστηµα. Οι χαµηλής εκποµπής µεµβράνες είναι πολυστρωµατικά και πολυχρωµατικά στοιχεία και το καθένα από αυτά χαρακτηρίζεται από κάποιους συντελεστές, οι οποίοι καθορίζουν και την χρήση του. Η σπουδαιότητά τους συνίσταται επίσης και στο ότι αποτελούν συστατικά στοιχεία των περισσοτέρων ειδών υαλοστασίων προηγµένης τεχνολογίας, προκειµένου να βελτιώσουν περαιτέρω τις αποδόσεις τους. Οι µεµβράνες διακρίνονται σε χαµηλής, µέσης και µικρής εκποµπής. Μπορούν να εφαρµοστούν προκειµένου να φιλτράρουν την προσπίπτουσα ακτινοβολία, επιτρέποντας από το ηλιακό φάσµα µόνο τα µήκη κύµατος τα 123
οποία αντιστοιχούν στο ορατό φως να τις διαπερνούν. Τοποθετούνται στην επιφάνεια που παραµένει θερµότερη κατά το µεγαλύτερο διάστηµα του χρόνου έτσι ώστε να είναι σε θέση να αποδώσει τα βέλτιστα. Η επιλογή τους εµπεριέχει πολλά πλεονεκτήµατα πέραν των ενεργειακών και συγκεκριµένα η τοποθέτηση σε υφιστάµενα τζάµια, το µηδαµινό κόστος συντήρησης, η δυνατότητα επιλογής κατάλληλου τύπου για κάθε χρήση καθώς επίσης και η αύξηση της αντοχής του τζαµιού. 4.9.1.2 Υαλοστάσια χαµηλής εκποµπής παρουσία ευγενούς αερίου Η θερµική αγωγιµότητα και κατά συνέπεια ο συντελεστής θερµοπερατότητας Κ, ενός διπλού ή τριπλού υαλοστασίου µπορεί να µειωθεί εάν ο περιεχόµενος αέρας αντικατασταθεί από ένα αδρανές ευγενές αέριο. Το πιο διαδεδοµένο αέριο είναι το αργό, ενώ µεγαλύτερη µείωση του Κ, αλλά µε πιο αυξηµένο κόστος κατασκευής, εξασφαλίζει η χρήση του κρυπτού και του ξένου. Συνήθης περίπτωση είναι ο συνδυασµός εφαρµογής ανακλαστικής µεµβράνης σ αυτού του είδους τα υαλοστάσια. Πρόκειται για υαλοστάσια υψηλής ποιότητας µε επιπρόσθετα πλεονεκτήµατα, όπως η ηχοµονωτική τους δράση και η ασφάλεια σε περίπτωση θραύσης. 4.9.1.3 Υαλοστάσια κενού αέρος Πρόκειται για είδος υαλοστασίου που µέχρις στιγµής δεν έχει τύχει εµπορικής εφαρµογής. Η δυσκολία συνίσταται στην εξασφάλιση ενός άνευ ρωγµών στερεωµένου χείλους, στην επίτευξη υψηλού επιπέδου εκκένωσης µεταξύ των φύλλων ύαλου προς αύξηση του χρόνου ζωής και τέλος στην άριστη αντίστασή τους στις δυσµενείς ατµοσφαιρικές συνθήκες. Μέχρι σήµερα έχει επιτευχθεί κατασκευή υαλοστασίου κενού αέρος διαστάσεων 1,0Χ1,0m 2, στο Πανεπιστήµιο του Σίδνεϋ της Αυστραλίας και αποτελεί υπόδειγµα εφαρµογής αυτής της τεχνολογίας. Στα υαλοστάσια κενού αέρος γίνεται ταυτόχρονη χρήση διαφανών επικαλυµµάτων χαµηλής εκποµπής στην εσωτερική επιφάνεια του ενός ή και των δύο γυάλινων φύλλων. 4.9.1.4 ιαφανή µονωτικά υλικά Τα διαφανή µονωτικά υλικά ( ΜΥ ή TIM:transparent insulation materials) είναι γεωµετρικές διατάξεις τριχοειδών σωλήνων, επίπεδων λεπτών φύλλων ή 124
και στοιχείων σχήµατος κερήθρας, τα οποία δηµιουργούν κελιά επιθυµητών διαστάσεων. Τα υλικά αυτά έχουν την ιδιότητα να διαθλούν το ορατό φως µε ταυτόχρονη διάχυση των ακτίνων του, οπότε δεν είναι δυνατή η εφαρµογή τους στην περίπτωση που απαιτείται οπτική επαφή µε το εξωτερικό περιβάλλον. Αντιθέτως τυγχάνουν ευρείας εφαρµογής σε τοίχους θερµικής συσσώρευσης, σε ανοίγµατα οροφής καθώς και σε προστεγάσµατα -οριζόντια ή υπό κλίση - αποτροπής του ήλιου. Μείζον µειονέκτηµα αποτελεί το γεγονός ότι για να επιτευχθούν τιµές συντελεστή θερµοπερατότητας της τάξεως των K=1,0-1,5 Wm -2 K -1 απαιτείται πάχος υλικού 50-100mm. Ένα επιπρόσθετο πρόβληµα των κατασκευών από γυαλί αυτού του τύπου αποτελεί η εξασφάλιση ενός λειτουργικού και κλεισµένου αεροστεγώς περιµετρικά άκρου, απαραίτητου στα στοιχεία που κατασκευάζονται υπό διαφορετικές από τις συνήθεις συνθήκες πίεσης. 4.9.1.5 Υαλοστάσια µε στοιχεία προφίλ Τα υαλοστάσια µε στοιχεία προφίλ ήδη χρησιµοποιούνται ευρέως σε σύγχρονης αρχιτεκτονικής κατασκευές. Το γεγονός ότι τα στοιχεία δεν συνενώνονται πάντα µε µεταλλικές µπάρες οδηγεί σε σχεδιαστική ελευθερία. Αυτά τα καινοτοµικά συστήµατα προτείνονται για όψεις οι οποίες είναι σχεδιασµένες για µεγάλες απαιτήσεις µόνωσης και φυσικού φωτισµού. Η ευελιξία που προσδίδουν κατά το σχεδιασµό των κτιρίων παρέχει πέρα από την δυνατότητα ευρείας αρχιτεκτονικής έκφρασης και κάλυψη των απαιτήσεων για ηλιοπροστασία, θερµική µόνωση, ηχοµόνωση και σεβασµό στο περιβάλλον. 125
Ένα από τα µεγαλύτερα πλεονεκτήµατά τους είναι το ότι δεν υπάρχει η πρόσθετη επιβάρυνση από το επιπρόσθετο κόστος του αλουµινένιου πλαισίου. Επίσης, για την παραγωγή τους µπορεί να γίνει χρήση και ανακυκλωµένου γυαλιού. 4.9.1.6 Ολογραφικά οπτικά συστήµατα Τα ολογραφικά οπτικά στοιχεία (Ο.Ο.Σ. ή ολογράµµατα) αλλάζουν τη διεύθυνση του φωτός µε διάθλαση. Χρησιµοποιούνται τόσο ως διατάξεις ηλιοπροστασίας, όσο και για την αύξηση της φωτεινότητας σε σκοτεινούς χώρους. Κατασκευάζονται µε µεθόδους παρόµοιες µε τις χρησιµοποιούµενες στη φωτογραφία και προσδίδονται σ αυτά οι επιθυµητές οπτικές ιδιότητες µε τη χρήση ακτινών λέιζερ. 4.9.1.7 Υαλοπίνακες µε συγχωνευµένα παραθυρόφυλλα Μια επιπλέον προσέγγιση στην ρύθµιση του ηλιακού κέρδους είναι η χρήση υαλοπινάκων µε συγχωνευµένα παραθυρόφυλλα. Τα συστήµατα αυτά αποτελούνται από ακλόνητα ή κινητά (ως προς την επιλογή της γωνίας) µεταλλικά στοιχεία - παραθυρόφυλλα. Αυτά µπορεί να τοποθετηθούν και µεταξύ υαλοπινάκων που φέρουν επικαλύµµατα χαµηλής εκποµπής. Πρόκειται για µινιατούρα συστήµατος µε γρίλιες, οι οποίες ενώνονται µε τη βοήθεια σύρµατος από χαλκό σε σχήµα συνεχών θηλιών. Πλεονεκτήµατα του συστήµατος αποτελούν οι ηχοµονωτικές του ιδιότητες, το µειωµένο κόστος συντήρησης και καθαρισµού και η προστασία από τα καιρικά φαινόµενα. Μείζον µειονέκτηµα είναι η αισθητική του, µιας και επηρεάζει δραµατικά τις όψεις. ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ 4.9.2 Συστήµατα Συµπαραγωγής Ηλεκτρισµου και Θερµότητας (ΣΗΘ) Ενώ τα συστήµατα ξεχωριστής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από συµβατικά καύσιµα (άνθρακα, πετρέλαιο, φυσικό αέριο) έχουν χαµηλούς 126
βαθµούς απόδοσης (25-40%), τα συστήµατα συµπαραγωγής θερµότητας και ηλεκτρισµού (από το ίδιο καύσιµο) επιτυγχάνουν πολύ υψηλούς βαθµούς απόδοσης (75-92%) και συνεπώς θεωρούνται κατ εξοχήν συστήµατα εξοικονόµησης ενέργειας. Τα συστήµατα αυτά µπορούν να καλύψουν τις ανάγκες σε θερµότητα και ηλεκτρική ενέργεια σε ένα µεγάλο κτίριο και σήµερα είναι διαθέσιµα στην αγορά τέτοια συστήµατα (σχετικά χαµηλής ονοµαστικής ισχύος λίγων δεκάδων kw) που επιτυγχάνουν: - ελκυστικό κόστος αρχικής εγκατάστασης και λειτουργίας - αξιόπιστη λειτουργία, - χαµηλές εκποµπές CO 2 - χρήση, ως καυσίµου, πετρελαίου ή φυσικού αερίου 4.9.3 Θέρµανση κτιρίων µε βιοµάζα Η βιοµάζα θεωρείται ανανεώσιµη πηγή ενέργειας και υπάρχει σε σηµαντικές ποσότητες στη χώρα µας (ξύλο, πυρηνόξυλο, υπολείµµατα γεωργικών προϊόντων). Η βιοµάζα µπορεί να χρησιµοποιηθεί σαν πρωτογενής πηγή ενέργειας στα κτίρια, µε διάφορα συστήµατα υψηλού βαθµού απόδοσης και συγκεκριµένα. α) σόµπες ή τζάκια υψηλού βαθµού απόδοσης. β) συστήµατα κεντρικής θέρµανσης µε χρήση του πυρηνόξυλου (που αφθονεί στην Κρήτη). Τα συστήµατα αυτά έχουν σηµαντικά πλεονεκτήµατα: α) υψηλούς βαθµούς απόδοσης, 60-80% β) χρησιµοποιούν ένα καύσιµο που υπάρχει άφθονο στη χώρα µας και στην Κρήτη γ) η βιοµάζα αποτελεί ανανεώσιµη πηγή ενέργειας και δεν συνεπάγεται εκποµπές CO 2. 4.9.4 Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας µε φωτοβολταϊκή τεχνολογία Η ηλιακή ενέργεια χρησιµοποιείται σήµερα για την απ ευθείας παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας µε φωτοβολταϊκή τεχνολογία στα κτίρια. εδοµένου ότι είναι ακόµη µία «ακριβή» τεχνολογία, δεν χρησιµοποιείται ευρέως στη χώρα 127
µας, αν και η ηλιακή ενέργεια είναι άφθονη. Η βαθµός µετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική είναι χαµηλός (12-16%). Πάντως το αρχικό κόστος εγκατάστασης των φωτοβολταϊκών πλαισίων µειώνεται συνεχώς ενώ βελτιώνεται σταδιακά ο βαθµός απόδοσης των συστηµάτων αυτών. Έτσι αναµένεται ότι στο σύντοµο µέλλον θα είναι ελκυστική η εγκατάσταση φωτοβολταϊκών πλαισίων στις ταράτσες (και γενικά στα δοµικά στοιχεία) των κτιρίων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. 4.9.5 Παραγωγή θερµού νερού µε ηλιακή ενέργεια ηλιόθερµα Η πιο διαδεδοµένη µέθοδος αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας για παραγωγή θερµότητας στη χώρα µας (και στην Κρήτη) είναι µε τη χρησιµοποίηση ηλιόθερµων (ηλιακών θερµοσίφωνων) παραγωγής ζεστού νερού. Ο βαθµός µετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε θερµότητα είναι περίπου 30% και τα συστήµατα αυτά είναι αρκετά οικονοµικά. Τα πιο διαδεδοµένα σήµερα συστήµατα αφορούν ατοµικούς ηλιακούς θερµοσίφωνες για την παραγωγή ζεστού νερού στα κτίρια, όµως ενδιαφέρον παρουσιάζει η εγκατάσταση συλλογικών συστηµάτων παραγωγής θερµού νερού µε ηλιακή ενέργεια σε επίπεδο συγκροτήµατος κτιρίων ή και οικοδοµικού τετραγώνου. 4.9.6 Χρησιµοποίηση κυψελών καυσίµου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (και θερµότητας) Μια σύγχρονη τεχνολογία που αναπτύσσεται σήµερα και αναµένεται να βρει αρκετές εφαρµογές στο σύντοµο µέλλον είναι η χρησιµοποίηση του υδρογόνου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερµότητας στα κτίρια µε τη χρήση κυψελών καυσίµου (fuel cells). Ο βαθµός απόδοσης της τεχνολογίας αυτής κυµαίνεται σε 40-50% (στην περίπτωση της ηλεκτροπαραγωγής) ή σε 70-80% (στην περίπτωση της συµπαραγωγής) ενώ τα συστήµατα αυτά είναι ακόµη αρκετά ακριβά. Η εντατική έρευνα που γίνεται όµως σήµερα στον τοµέα αυτό, αναµένεται να τις κάνει αρκετά ελκυστικές για εµπορικές εφαρµογές στο σύντοµο µέλλον. 128
4.9.7 Συστήµατα τηλεθέρµανσης µε χρήση απορριπτόµενης θερµότητας Ορισµένες φορές η απορριπτόµενη θερµότητα από µία βιοµηχανία µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη θέρµανση των κτιρίων µιας πόλης ή µιας περιοχής. Στην περίπτωση αυτή αναφερόµαστε σε τηλεθέρµανση, και το θερµό νερό (ή ο ατµός) µεταφέρεται από το σηµείο παραγωγής του µέχρι τα σηµεία κατανάλωσης µε καλά µονωµένους, συνήθως υπόγειους, σωλήνες. Στη χώρα µας συστήµατα τηλεθέρµανσης υπάρχουν στην Κοζάνη και την Πτολεµαϊδα, όπου αξιοποιούν την απορριπτόµενη θερµότητα των λιγνιτικών εργοστασίων της ΕΗ, ενώ ευρύτατα διαδεδοµένα είναι τα συστήµατα αυτά στην κεντρική και βόρεια Ευρώπη. 4.9.8 Συλλογικά συστήµατα θέρµανσης ή ψύξης σε κλίµακα οικοδοµικού τετραγώνου Στην περίπτωση αυτή θερµότητα ή ψύξη παράγεται σε µία εγκατάσταση (όπου µπορούν να χρησιµοποιηθούν διάφορα καύσιµα και πηγές ενέργειας) σε κλίµακα οικοδοµικού τετραγώνου και στη συνέχεια διανέµεται συλλογικά στα διάφορα κτίρια που ανήκουν σε αυτό, µε κατάλληλες εγκαταστάσεις. Στην περίπτωση αυτή της συλλογικής παραγωγής θερµότητας ή ψύξης υπάρχουν σηµαντικά ενεργειακά οφέλη αλλά και µείωση της ρύπανσης του περιβάλλοντος. ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ : Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι στο άρθρο 5 της Κοινοτικής Οδηγίας 2002/ 91/ΕΚ αναφέρεται ότι για νέα κτίρια άνω των 1000m 2 θα πρέπει να διερευνάται από τεχνική, οικονοµική και ενεργειακή σκοπιά η δυνατότητα εγκατάστασης εναλλακτικών ενεργειακών συστηµάτων. Εκτός από τις προαναφερθείσες τεχνολογίες οι οποίες ανάλογα µε την περίπτωση µπορούν να εφαρµοσθούν και να βελτιώσουν την ενεργειακή απόδοση µικρών ή µεγάλων κτιρίων, υπάρχουν και έχουν επίσης εφαρµοσθεί και άλλες όπως π.χ. χρήση της γεωθερµίας για την παραγωγή θερµότητας στα κτίρια, συνδυασµός ηλιακής ενέργειας και αντλιών θερµότητας κλπ. 129
4.10 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ Μια από τις πολλές πρακτικές που στοχεύουν να χρησιµοποιήσουν την ενέργεια όσο το δυνατόν πιο "βέλτιστα", στον κτιριακό τοµέα, έχει υλοποιηθεί υπό τη µορφή των "Συστηµάτων ιαχείρισης της Ενέργειας Κτιρίου" (BEMS). Μιλώντας γενικά, το BEMS αναφέρεται σε ένα αυτοµατοποιηµένο σύστηµα που προσπαθεί "να ελέγξει" όλες τις διαδικασίες ενεργειακής κατανάλωσης σε ένα κτίριο. Αυτές οι διαδικασίες µπορούν να συµπεριλάβουν τη θέρµανση και τον αερισµό, το φωτισµό, το εσωτερικό κλίµα και άλλα. Ανάλογα µε το επίπεδο περιπλοκότητας, όλα τα παραπάνω µπορούν να ελεγχθούν ανεξάρτητα ή όχι. Κατ' αυτό τον τρόπο αναµένεται ότι οι λεπτές αµοιβαίες σχέσεις µεταξύ των διάφορων παραµέτρων λαµβάνονται υπόψη, µε αποτέλεσµα-συνέπεια τη "βέλτιστη" λειτουργία. 4.10.1 ιαχείριση ενέργειας στα κτίρια µε ευφυή συστήµατα Σήµερα, ο όρος "έξυπνο κτίριο" κερδίζει έδαφος, µε µεγάλες προοπτικές στην αγορά εξοικονόµησης και διαχείρισης ενέργειας. Αν και η νοηµοσύνη στα κτίρια είναι ένας διφορούµενος όρος, ειδικά όταν εφαρµόζεται στα προκαλούµενα από τον άνθρωπο συστήµατα, γίνεται ευρέως αποδεκτό ότι αναφέρεται στα αντικείµενα που µπορούν να αντιδράσουν σωστά στις απρόβλεπτες περιστάσεις µε την επιλογή µεταξύ ενός συνόλου πιθανών ενεργειών και επιπλέον, µπορούν να µάθουν από την ανατροφοδότηση. Οι έννοιες της ανοχής, της αυτό-διόρθωσης ή της αυτοπροσαρµογής θεωρούνται ως απαραίτητα στοιχεία της "τεχνητής νοηµοσύνης". Γίνεται επίσης ευρέως αποδεκτό ότι τα µέσα για να επιτευχθεί η νοηµοσύνη ταυτίζονται µε τα εργαλεία που προσοµοιάζουν τις ανθρώπινες µεθόδους νοηµοσύνης, όπως τα νευρωνικά δίκτυα και η ασαφής λογική. Η τεχνολογία συστηµάτων διαχείρισης ενέργειας κτιρίου αναφέρεται γενικά στην ενσωµάτωση τεσσάρων συστηµάτων : ένα Σύστηµα Αυτοµατοποίησης Κτιρίου (BAS), ένα Σύστηµα Τηλεπικοινωνιών (TS), ένα σύστηµα Αυτοµατισµού Γραφείου (OAS) και ένα Σύστηµα ιαχείρισης Εγκατάστασης µε τη βοήθεια Υπολογιστή (CAFMS). 130
Ένα BAS είναι πραγµατικά η βάση κάθε BEMS. Το BEMS δηµιουργήθηκε στις Η.Π.Α. στις αρχές της δεκαετίας του '70. Αρχικά αποτελούνταν από υποσταθµούς, οι οποίοι απλά συνέλεγαν τα στοιχεία και τα συγκέντρωναν σε έναν κεντρικό σταθµό. Ο κεντρικός σταθµός ήταν το µόνο µέρος του συστήµατος µε κάποια νοηµοσύνη. Η επόµενη ανάπτυξη ήταν η εισαγωγή του έξυπνου υποσταθµού, ο οποίος προέκυψε από την ανάπτυξη του χαµηλού κόστους Η/Υ και τη χρήση των µικροεπεξεργαστών. Ένα χαρακτηριστικό συγκεντρωτικό εµπορικό BEMS αποτελείται από τον κεντρικό σταθµό και διάφορους υποσταθµούς. Ο υποσταθµός δέχεται τις εισόδους από τους αισθητήρες που ελέγχουν τις τιµές των µεταβλητών, όπως οι θερµοκρασίες ροής και επιστροφής ενός συστήµατος θέρµανσης. Κατόπιν οι είσοδοι υποβάλλονται σε επεξεργασία και ο υποσταθµός στέλνει τα σήµατα ελέγχου στα στοιχεία µιας εγκατάστασης, δηλ. ενεργοποιητές ή µια βαλβίδα. Ο υποσταθµός περιέχει έναν µικρό πίνακα κυκλωµάτων, τον πίνακα επικοινωνίας, ο οποίος του επιτρέπει να διασυνδεθεί µε το κεντρικό δίκτυο συνήθως τοπικής σύνδεσης δίκτυο (LAN), υπό-lans ή ένα modem. Ο κεντρικός σταθµός είναι όπου πραγµατοποιείται το µεγαλύτερο µέρος της µακροπρόθεσµης αποθήκευσης στοιχείων (Εικόνα 4.2). Η κατανεµηµένη αρχιτεκτονική είναι το σηµαντικότερο χαρακτηριστικό γνώρισµα τέτοιων συστηµάτων µε το βασικό πλεονέκτηµα να προέρχεται από την απλουστευµένη καλωδίωση, τη σχετική µείωση κόστους και τη βελτιωµένη συντήρηση. Ο σχεδιασµός ενός κατανεµηµένου συστήµατος ελέγχου πρέπει να είναι απλός. Αυτό οδηγεί στην υιοθέτηση µιας προσέγγισης βασισµένης στα «ευφυή» εξαρτήµατα. Ο όρος "εξαρτήµατα" (components) ως έννοια σχεδιασµού είναι αρκετά γνωστός στη βιοµηχανία λογισµικού. Τα εξαρτήµατα σε µια κατανεµηµένη αρχιτεκτονική είναι οι "έξυπνοι" αισθητήρες, οι ενεργοποιητές και οι ελεγκτές που στοχεύουν να µετασχηµατίσουν την απλή on/off λειτουργία των µικροδιακοπτών σε µια περιπλοκότερη λειτουργία π.χ. που µετρά, χρονοκαθυστέρηση, απόκριση, κλπ. (Εικόνα 4.2). 131
Εικόνα 4.2. - Συγκεντρωτική και κατανεµηµένη αρχιτεκτονική Τα υπάρχοντα κτίρια και οι µετασκευές τους παρέχουν µια µεγάλη δυνατότητα για την ενσωµάτωση των µέτρων εξοικονόµησης ενέργειας.. Το BEMS µπορεί να συµβάλει σε µια σηµαντική µείωση της κατανάλωσης ενέργειας των κτιρίων και της βελτίωσης της ποιότητας αέρα. Τα σύγχρονα συστήµατα ελέγχου παρέχουν µια βελτιστοποιηµένη λειτουργία των ενεργειακών συστηµάτων µε ταυτόχρονη άνεση για τους χρήστες. Οι πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις βασισµένες στις τεχνικές τεχνητής νοηµοσύνης προσφέρουν διάφορα πλεονεκτήµατα έναντι των κλασσικών συστηµάτων ελέγχου. Ως εκ τούτου η τρέχουσα έρευνα για τα συστήµατα διαχείρισης της ενέργειας στις τεχνολογίες, που αφορά κυρίως την ανάπτυξη λογισµικού, εστιάζει στη κατάσταση προόδου των τεχνολογιών τεχνητής νοηµοσύνης (νευρωνικά δίκτυα, ασαφής λογική, γενετικοί αλγόριθµοι, κ.λπ.). Συνοψίζοντας τα παραπάνω, ένα σύστηµα διαχείρισης πρέπει να ικανοποιήσει τους ακόλουθους στόχους : Να διατηρήσει την άνεση της θερµικής, οπτικής και εσωτερικής ποιότητας του αέρα βασισµένη στις οδηγίες της σχετικής βιβλιογραφίας. Να δίνει προτεραιότητα στις παθητικές τεχνικές προκειµένου να επιτευχθούν οι απαιτήσεις άνεσης. Να είναι ευέλικτο, δηλαδή να έχει τη δυνατότητα να ικανοποιήσει τις προτιµήσεις των χρηστών που παρεµβάλλονται στο σύστηµα. Η στρατηγική ελέγχου πρέπει να ικανοποιεί τα αιτήµατα του ιδιοκτήτη του κτιρίου, τις ανάγκες των χρηστών και τις απαιτήσεις στα πρότυπα και τους κανονισµούς: 132
Εσωτερική ποιότητα αέρα για τους χρήστες κατά τη διάρκεια ωρών απασχόλησης και µη. Κατάλληλη θερµοκρασία περιβάλλοντος κατά τη διάρκεια των ωρών απασχόλησης. Ηλιακή σκίαση. Νυχτερινός εξαερισµός κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού. Προθέρµανση του αέρα εξαερισµού. Θέρµανση και ψύξη δωµατίου. Βοήθεια ανεµιστήρων και εναλλασσόµενων παθητικών και ενεργητικών συστηµάτων. Η επιλογή της σωστής στρατηγικής ελέγχου είναι ένα δύσκολο έργο. Η τελική επιλογή εξαρτάται από πολλούς διαφορετικούς παράγοντες όπως ο τύπος του κτιρίου, οι ελεγχόµενες παράµετροι και οι σχετικοί εξοπλισµοί, η αρχιτεκτονική του κτιρίου και φυσικά τα συνολικά κόστη. Προκειµένου να γίνουν καλύτερα κατανοητές οι ανάγκες ενός αυτόµατου ελέγχου, και κατά συνέπεια και οι κύριες δυνατότητες και πλεονεκτήµατα του, ακολουθεί µια µικρή περιγραφή της κλασσικής αρχιτεκτονικής ενός αυτόµατου συστήµατος ελέγχου, εστιάζοντας στις διαφορές του µε τον χειροκίνητο έλεγχο. Έτσι ένα αυτόµατο σύστηµα ελέγχου αποτελείται από : Ένα ή περισσότερους αισθητήρες : απαραίτητους για τη µέτρηση των παραµέτρων που απαιτούνται για την εφαρµογή οποιασδήποτε στρατηγικής ελέγχου. Για τον έλεγχο του φυσικού εξαερισµού, οι κλασσικές παράµετροι για µέτρηση µπορούν να είναι: εσωτερικές και εξωτερικές θερµοκρασίες, αισθητήρες CO 2 (ή ποιότητα αέρα), ταχύτητα ανέµου και διεύθυνση και ανιχνευτές βροχής. Η επιλογή των σωστών παραµέτρων βασίζονται στον έλεγχο στρατηγικής, π.χ. έλεγχος υπερθέρµανσης, προώθηση άνεσης ή βελτίωση της ποιότητας του εσωτερικού αέρα. Ένα ή περισσότερους ενεργοποιητές. Ένα κεντρικό ελεγκτή : η καρδιά του συστήµατος. Είναι συγκρίσιµος µε έναν προσωπικό υπολογιστή που λαµβάνει και επεξεργάζεται δεδοµένα από τους αισθητήρες στέλνοντας εντολές στους µηχανισµούς κίνησης. Ο έλεγχος στρατηγικής αποθηκεύεται στη µνήµη του ελεγκτή, και συνεχόµενα εφαρµόζεται σε σταθερά διαστήµατα χρόνου. Οι σύγχρονοι ελεγκτές σχεδιάζονται µε τον 133
σκοπό να χειρίζονται οποιονδήποτε τύπο αισθητήρων, ενεργοποιητών και στρατηγικών ελέγχου. Ένα επόπτη : εφαρµοσµένος σε ένα BEMS, ένας υπολογιστής είναι απαραίτητος προκειµένου να εποπτευθούν οι αποφάσεις ελέγχου από τους διαφορετικούς ελεγκτές και να αγνοηθούν ενδεχοµένως οι τοπικές αποφάσεις ελέγχου, παραδείγµατος χάριν για να αποφασίσει ποιά παράθυρα να ανοίξουν σύµφωνα µε την κατεύθυνση αέρα ή να κλείσουν όλα τα παράθυρα σε περίπτωση πυρκαγιάς. Ο χειροκίνητος έλεγχος απαιτεί µόνο ενεργοποιητές σαν επιπρόσθετο εξοπλισµό στο κτίριο. Επιπλέον επενδυτικά κόστη για τον αυτόµατο έλεγχο είναι κατά συνέπεια οι αισθητήρες, ελεγκτές, επόπτες και καλωδίωση. Παρόλ αυτά η δυσκολία της εφαρµογής κατάλληλων στρατηγικών ελέγχου αυξάνει µε το µέγεθος του κτιρίου και τον αριθµό των παραµέτρων που ελέγχονται. Ένα από τα µεγαλύτερα πλεονεκτήµατα των αυτόµατων συστηµάτων ελέγχου είναι η ευελιξία τους. Μόλις οι κατάλληλοι ενεργοποιητές και αισθητήρες εγκατασταθούν, η στρατηγική ελέγχου µπορεί να τροποποιηθεί οποιαδήποτε στιγµή. 4.10.2 Υλικό και πρωτόκολλα διαχείρισης ενέργειας σε κτίρια Το µεγαλύτερο θέµα στις µέρες µας στα συστήµατα παρακολούθησης και ελέγχου κτιρίων, είναι η διαλειτουργικότητα και η επεκτασιµότητα των πρωτοκόλλων επικοινωνίας. Η έλλειψη προτύπων και οι αυξηµένες ανταγωνιστικές πιέσεις οδηγούν κάθε κατασκευαστή να αναπτύξει τα δικά του µοναδικά ιδιοκτησιακά πρωτόκολλα επικοινωνιών. Αυτό οδηγεί σε σηµαντικές δυσκολίες σε ολοκληρωµένα προϊόντα φτιαγµένα από διαφορετικούς κατασκευαστές. Αυτόνοµα συστήµατα διαχείρισης της ενέργειας, συστήµατα ελέγχου του φωτισµού και πυρανίχνευσης και συστήµατα ασφάλειας είναι τώρα κοινά αλλά η διασύνδεση αυτών των συστηµάτων είναι σπάνια. Ακόµα και µε µια µόνο λειτουργία αυτοµατισµού στο κτίριο, π.χ. έλεγχος HVAC, υπάρχει δυσκολία. Αν υπάρχει ανάγκη για επέκταση ή αναβάθµιση του συστήµατος ελέγχου, ο ιδιοκτήτης του κτιρίου είναι αναγκασµένος είτε να επιστρέψει στον ίδιο προµηθευτή που εγκατέστησε το υπάρχον σύστηµα, είτε να το 134
αντικαταστήσει όλο, ή να εγκαταστήσει ένα ξεχωριστό ανεξάρτητο σύστηµα, γιατί τα πρωτόκολλα επικοινωνίας για άλλα προϊόντα είναι µη συµβατά. Τα κυριότερα πρωτόκολλα επικοινωνίας που εξειδικεύονται στον αυτοµατισµό σε κτίρια είναι: BACNET : Το BACnet δηµιουργήθηκε σε περίοδο οχτώ χρόνων από την ASHRAE (Αµερικάνικη Ένωση Μηχανικών Θέρµανσης, Ψύξης και Κλιµατισµού). Το πρωτόκολλο δηµιουργήθηκε ειδικά για να εξεταστεί η διαλειτουργικότητα και να αντιµετωπιστούν οι ανησυχίες των ιδιοκτητών των συστηµάτων στην βιοµηχανία αυτοµατισµού σε κτίρια. Το BACnet βασίστηκε στα τέσσερα επίπεδα του Ανοιχτού Συστήµατος ιασύνδεσης (OSI). Το πρωτόκολλο του BACnet µπορεί να χρησιµοποιηθεί από τελικούς-κεντρικούς υπολογιστές, ολοκληρωµένα υποσυστήµατα, γενικού σκοπού ελεγκτές, εφαρµογή ειδικών ή µοναδιαίων ελεγκτών και έξυπνων συσκευών αισθητήρων / ενεργοποιητών. Μπορεί να εφαρµοστεί για να παρακολουθεί και να ελέγχει συστήµατα HVAC, ψύξης, και άλλων συστηµάτων κτιρίου. Πρόσφατα προστέθηκαν σκοποί που υποστηρίζουν την ενσωµάτωση των συστηµάτων συναγερµού ασφάλειας και πυρκαγιάς. Περισσότερες πληροφορίες είναι διαθέσιµες στην ιστοσελίδα www.bacnet.org LONWORKS Το LONWORKS είναι µια ανοιχτή πλατφόρµα δικτύου που δηµιουργήθηκε από την εταιρεία Echelon για έλεγχο δικτύου. Οι κόµβοι LON είναι έξυπνες συσκευές που µπορούν να συνδεθούν µε συµβατικούς αισθητήρες (θερµοκρασίας, υγρασίας, φωτεινότητας, κλπ), ενεργοποιητές (HVAC, φωτισµός, συναγερµοί, κ.τ.λ.), διασυνδέσεις (displays, terminals, Η/Υ, κ.τ.λ.) και εκτός από το πρωτόκολλο επικοινωνίας έχουν πρόγραµµα εφαρµογής. Τα µέσα επικοινωνίας που υποστηρίζονται διασφαλίζουν την εφαρµοσιµότητα του συστήµατος σε υπάρχοντα κτίρια. Ένα δίκτυο LonWorks αποτελείται από ένα αριθµό κόµβων (αισθητήρες, ενεργοποιητές, διεπαφές), επικοινωνώντας πάνω από ένα αριθµό µέσων 135
χρησιµοποιώντας ένα κοινό πρωτόκολλο. Το πρωτόκολλο LonTalk ακολουθεί το µοντέλο αναφοράς για τα Ανοιχτά Συστήµατα ιασύνδεσης (OSI) που αναπτύχθηκαν από τον Εθνικό Οργανισµών Προτύπων (ISO) και παρέχει υπηρεσίες σε όλα - τα 7 - επίπεδα του OSI. Περισσότερες πληροφορίες είναι διαθέσιµες στην ιστοσελίδα www.echelon.com EIB (European Installation Bus) - Κonnex To "European Installation Bus" αναπτύχθηκε αρχικά από µια οµάδα εταιρειών που καθοδηγούνταν από τη Siemens. Μέχρι το τέλος του 1995, η Siemens κρατούσε τα αποκλειστικά δικαιώµατα για την εφαρµογή διασύνδεσης για το bus. Τώρα ελέγχεται από την European Installation Bus Association (EIBA). Το πρωτόκολλο EIB είναι ένα µέρος µιας αρχιτεκτονικής, σχεδιασµένης να καλύψει την ανάγκη για τον έλεγχο προϊόντων εγκατάστασης. Τα προϊόντα εγκατάστασης καθορίζονται σαν προϊόντα ελέγχου έξυπνων κτιρίων, όπως φωτισµός, στόρια, και απλά HVAC. Η European Home Systems (EHS) και η Batibus Club International (BCI) έχουν τώρα ενωθεί µε την EIBA σε µια κοινοπραξία που ονοµάστηκε KONNEX (www.konnex.org) η οποία τείνει να εµπορευτεί ένα ενιαίο Ευρωπαϊκό πρωτόκολλο. X-10 Πρωτόκολλο κατοικιών Το X-10 είναι ένα πρωτόκολλο µε φορέα τη γραµµή ισχύος των κατοικιών, που επιτρέπει συµβατικές συσκευές να επικοινωνήσουν µέσω της 110V AC καλωδίωσης µέσα στο σπίτι. Το X-10 επιτρέπει το µέγιστο 256 διευθύνσεις. Το X-10 και το Lon είναι τα κυρίαρχα πρωτόκολλα στο επίπεδο κατοικιών. Περισσότερες πληροφορίες είναι διαθέσιµες στην ιστοσελίδα http://www.x10.com. 136