Pekka Tuomaala, Kalevi Piira, Riikka Holopainen Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy
TIIVISTELMÄ
Aikaisemmissa rakennusten loppukäyttäjien lämpöviihtyvyystutkimuksissa on todettu, että optimaalinen operatiivinen lämpötila yksilöiden välillä voi vaihdella jopa 6ºC. Näin suuri vaihteluväli aiheuttaa käytännössä isoja haasteita käytettäessä perinteisiä
lämpöolosuhteiden säätöratkaisuja. Näiden haasteiden ratkaisemiseksi on HumanTool -hankkeessa lähdetty tutkimaan, kehittämään ja testaamaan tilojen loppukäyttäjien todellisen tarpeen mukaista lämpöolosuhteiden säätökonseptia Human Thermal Sensor (HTS). Tätä uutta lämpöolosuhteiden säätökonseptia on testattu yhdessä toimisto- ja kahdessa sairaalarakennuksessa. Ensimmäisten kenttätestausten tulosten mukaan tilojen loppukäyttäjien todellisten tarpeiden mukaan toteutettu älykäs säätö toimii teknisesti, ja tilojen loppukäyttäjät ovat tyytyväisiä testitilojen lämpöolosuhteisiin.
TAUSTA JA TAVOITTEET
Rakennusten lämpöolosuhteilla on osoitettu olevan keskeisiä vaikutuksia tilojen loppukäyttäjien lämpöviihtyvyyteen sekä rakennusten energiatehokkuuteen.
Lämpöolosuhteita säädetään tyypillisesti termostaateilla tai erilaisilla
rakennusautomaatioratkaisuilla. Nykyiset säätöratkaisut eivät kuitenkaan pysty huomioimaan käyttäjien yksilöllisiä tarpeita, eivätkä ne myöskään yleensä tunnista ovatko tilat ja työpisteet käytössä vai kokonaan käyttämättä. Yksilöllinen
lämpöolosuhteiden säätö on kuitenkin tarpeen, koska aikaisemmissa tutkimuksissa on osoitettu, että yksilöiden välillä on suuruusluokaltaan 6ºC ero optimaalisissa
operatiivisissa lämpötiloissa - vaikka eri henkilöiden vaatetus ja aktiivisuustasot olisivat samat /1, 2/. Työpisteiden käyttöasteissa puolestaan on eri rakennusten välillä
luonnollisesti suuria vaihteluja. Kun esimerkiksi pääkaupunkiseudun
toimistorakennuksista on raportoitu alle 30% työpistekohtaisia käyttöasteita, niin merkittävää osaa työpisteistä lämmitetään ja jäähdytetään tarpeettomasti.
HumanTool -hankkeessa (Shared Benefit Project) tutkitaan, kehitetään ja testataan uutta (yksilöllisen ja todellisen tarpeen mukaista) lämpöolosuhteiden HTS-säätökonseptia kenttäolosuhteissa. Tähän tutkimushankkeeseen (2016-2018) osallistuvat Seinäjoen keskussairaala, Kuopion yliopistollinen sairaala, Senaatti-kiinteistöt, Siemens, Granlund, Uponor, New Nordic Engineering, Mecastep ja Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy.
Hankkeen perimmäisinä tavoitteina on parantaa sekä tilojen loppukäyttäjien tyytyväisyyttä lämpöolosuhteisiin että rakennusten energiatehokkuutta (välttämällä tarpeetonta lämmitystä ja jäähdytystä).
MENETELMÄT
Lämpöolosuhteiden yksilöllinen säätökonsepti
Human Thermal Sensor (HTS) -konseptissa lämpöolosuhteiden säätö toteutetaan kolmessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa kerätään dataa yksilöllisen
lämpöaistimuksen määrittämiseksi. Kuvassa 1 esitetyt ympäristön reunaehdot saadaan kaikista kenttätestauksen piirissä olevista tiloista rakennusautomaatiojärjestelmän kautta.
Kenttätestaukseen vapaaehtoisesti osallistuvilta henkilöiltä kerättiin tarvittavat perustiedot (ikä, sukupuoli, pituus ja paino sekä yhteystiedot), ja yksilöllisten anatomiatietojen (kudosjakaumat) määrityksessä käytettiin ravitsemusterapeuttien tarpeisiin kehitettyä myös BodyExplorer -kehonkoostumusmittaria (versio 2.5.3.0).
Kuva 1. Ihmisen lämpöaistimukseen vaikuttavat parametrit.
Älykkään säätökonseptin toisessa vaiheessa määritetään ihmisen lämpödynaamisen mallin (Human Thermal Model, /3/) avulla testihenkilöiden yksilöllinen ja reaaliaikainen lämpöaistimusindeksi ensimmäisessä vaiheessa kerättyjen ympäristön ja käyttäjän reunaehtojen avulla. Kolmannessa ja viimeisessä vaiheessa laskentamallin avulla määritetään tilojen loppukäyttäjille optimaaliset operatiiviset lämpötilat (joissa henkilöiden ei ole kylmä eikä kuuma), ja nämä lämpötilat välitetään 5 minuutin välein rakennusautomaatiojärjestelmän kautta huonesäätimien uusiksi asetusarvoksi.
Kuva 2. Yksilöllisen lämpöolosuhteiden säädön konsepti.
Käyttäjien palautejärjestelmä
HumanTool -hankkeen kenttätestaukseen osallistuvilta henkilöiltä kerätään lämpöolosuhteisiin liittyvää palautetta hyödyntämällä QR-koodeihin perustuvalla palautejärjestelmällä. Kaikki osallistujat ovat saaneet henkilökohtaisen QR-koodin, joiden avulla he voivat antaa henkilö-, aika- ja paikkaleimattua palautetta. Palautteena testihenkilöt antavat (i) oman subjektiivisen lämpöaistimuskokemuksen, (ii)
aktiivisuustason, (iii) vaatetuksen lämmöneristävyyden sekä (iv) halutessaan omia kommentteja vapaaseen palautekenttään. Kaikki palaute viedään palautetietokantaan (kuva 3).
Kuva 3. Palautejärjestelmä.
TULOKSET Tekninen toteutus
HTS-konseptin kenttätestausta tehdään kolmessa eri kiinteistössä. Espoossa testausta tehdään viidessä, Seinäjoen keskussairaalassa seitsemässä ja Kuopion yliopistollisessa sairaalassa kuudessa toimistohuoneessa.
Espoon kenttätestaus on toteutettu testihuoneisiin jälkiasennetuilla EnOcean teknologiaan perustuvilla langattomilla ja energiaomavaraisilla patteritermostaateilla, pintalämpötila-antureilla (ikkuna, patteri, ulkoseinä, sisäseinä) sekä ilman lämpötila- ja ilman
kosteusantureilla (kuva 4). Mittaustiedot luetaan yhdyskäytävän kautta VTT:n oBIX pohjaiselle datapalvelimelle, josta HTM malli lukee tilan mittausarvot ja laskee niiden avulla uuden asetusarvon tarkasteltavan tilan patteriventtiilin toimilaitteelle.
Seinäjoen kenttätestaus on toteutettu Siemensin Desigo CC kiinteistön hallinta-alustan ja siihen liitetyn Schneiderin rakennusautomaatiojärjestelmän avulla (kuva 5).
Rakennusautomaation mittauksia on laajennettu New Nordic Engineeringin (NNE) toimittamilla langattomilla antureilla ja niitä tukevalla NNE:n pilvipalvelulla.
Mittaustiedot luetaan Desigo CC:n ja NNE:n pilvipalvelun REST rajapinnan kautta VTT:n oBIX pohjaiselle datapalvelimelle, josta HTM malli lukee tilan mittausarvot ja laskee niiden avulla uuden lämpötilan asetusarvon 5 minuutin välein tarkasteltavan tilan huonesäätimelle.
Kuopion kenttätestaus on toteutettu Siemensin Desigo CC kiinteistön hallinta-alustan ja siihen liitetyn Siemensin rakennusautomaatiojärjestelmän avulla (kuva 6).
Rakennusautomaation mittauksia on laajennettu liittämällä Siemensin
rakennusautomaatiojärjestelmään mm. kattosäteilijän ja ikkunan pintalämpötilan mittaukset. Mittaustiedot luetaan Desigo CC:n REST rajapinnan kautta VTT:n oBIX pohjaiselle datapalvelimelle, josta HTM malli lukee tilan mittausarvot ja laskee niiden avulla uuden lämpötilan asetusarvon 5 minuutin välein tarkasteltavan tilan
huonesäätimelle.
Kuva 4. Espoon kenttätestauksen tekninen toteutus energiaomavaraisten langattomien patteriventtiilien avulla.
Kuva 5. Seinäjoen kenttätestauksen tekninen toteutus Siemensin Desigo CC kiinteistön hallinta-alustan ja siihen liitetyn rakennusautomaatiojärjestelmän avulla.
Kuva 6. Kuopion kenttätestauksen tekninen toteutus Siemensin Desigo CC kiinteistön hallinta-alustan ja siihen liitetyn rakennusautomaatiojärjestelmän avulla.
Käyttäjäpalaute
Käyttäjäpalautetta on kerätty kolmen kenttätestauskohteen yhteensä 18 työhuoneesta koehenkilöiksi vapaaehtoisesti suostuneilta yhteensä 20 henkilöltä. Alla olevassa taulukossa on esimerkki palautetietokantaan kerättävästä palautteesta.
Taulukko 1. Esimerkki kerätystä käyttäjäpalautteesta.
Rakennus Huone Aikaleimaus
Lämpö-aistimus Aktiivisuus
[MET] Vaatetus
[clo] Kommentti
Digitalo A102 08:53:29 0 1,4 1,01
Digitalo A104 09:44:49 -0,65 1,4 1
Digitalo A102 12:51:21 1 1,4 0,99
Digitalo A101 14:53:29 -0,81 1,4 1,26 Viileää
Digitalo A102 10:43:48 0 2 1,51 Pyöräily
töihin
Digitalo A105 09:02:31 2 1 1,23
Digitalo A102 11:31:49 0 1,1 0,99
KENTTÄTESTAUKSEN KOKEMUKSIA JA TULOSTEN TARKASTELU Reaaliaikainen lämpöolosuhteiden säätö edellyttää riittävän tehokkaita ja vakaita tiedonsiirtoratkaisuja säädettävien tilojen olosuhteiden monitoroimiseksi ja säätöaluekohtaisten uusien lämpötilan asetusarvojen kirjoittamiseksi säätimille.
HumanTool -hankkeessa sekä Espoon että Seinäjoen ja Kuopion kenttätestauskohteiden tiedonsiirto- ja laskentaratkaisut (s.o. kaikista tiloista tarvittavien lähtötietojen
lukutoiminnot ja VTT:n palvelimella määritettyjen optimaalisten lämpötilojen
asetusarvojen kirjoitustoiminnot VPN-yhteyksillä) on saatu toimimaan luotettavasti.
Jatkossa voisi kuitenkin olla helpompaa ja luontevampaa, että HTS-säätö (lähtötietojen lukeminen, laskenta ja yksilöllisten lämpötilan asetusarvojen määritys) toteutetaan rakennuksissa paikallisesti osana muuta rakennusautomaatioratkaisua.
Yksilöllisen lämpöolosuhteiden säädön toteutuksen yksi keskeinen lähtötieto on henkilöiden anatomiatietojen (kudosjakaumat) kerääminen ja määrittäminen. Voimassa oleva henkilötietolaki edellyttää erillisen henkilötietorekisterin perustamista, ja
vapaaehtoisesti hankkeeseen osallistuvilta tarvitaan lisäksi allekirjoituksella varmistettu suostumus tarvittavien tietojen keräämiseen ja näiden määräaikaiseen tallentamiseen.
Uuden HTS-konseptin mukaista lämpöolosuhteiden säädön teknistä toteutusta testattiin aluksi Espoon kenttätestauskohteessa maaliskuusta marraskuuhun 2017. Kun HTS-säätö saatiin Espoossa toimimaan riittävän vakaasti, se on otettu vaiheittain käyttöön myös Seinäjoen ja Kuopion kenttätestauskohteissa tammi-helmikuussa 2018. Käyttäjäpalautetta ei tämän takia ole vielä saatu kattavasti eri testikohteista ja erilaisista käyttötilanteista (esimerkiksi lämmitys- ja jäähdytyskausi, sääolosuhteiden nopeat muutokset, jne).
Alustavien käyttäjäpalautteiden perusteella HTS-säätö näyttää kuitenkin toimivan erittäin hyvin, ja tilojen loppukäyttäjät näyttävät olevan erittäin tyytyväisiä yksilöllisesti
säädettyihin lämpöolosuhteisiin. Lämmitys- ja jäähdytyskausilta saatavan palautteen perusteella tullaan HumanTool -hankkeessa sekä arvioimaan HTS-konseptilla saavutettavissa olevia hyötyjä että kehittämään lämpöolosuhteiden yksilöllisen säädön algoritmeja vastaamaan mahdollisimman hyvin tilojen loppukäyttäjien tarpeita ja odotuksia.
JOHTOPÄÄTÖKSET
Koska optimaalisissa lämpöolosuhteissa on aikaisemmissa tutkimuksissa osoitettu olevan jopa 6ºC yksilöllisiä eroja (vaikka eri kokoisten yksilöiden vaatetus ja aktiivisuustasot olisivat samat), tulee tilojen lämpöolosuhteiden säätö suunnitella ja toteuttaa jatkossa vastaamaan nykyistä paremmin tilojen loppukäyttäjien todellisia tarpeita. HumanTool-hankkeessa tehtyjen kenttätestausten ensimmäisten tulosten mukaan yksi lupaava vaihtoehto yksilöllisen lämpöolosuhteiden säädön konsepti on Human Thermal Sensor (HTS). HTS-konseptissa säätö tehdään nimenomaan yksilöllisten ja todellisten tarpeiden mukaan, ja sen avulla voidaan ennen muuta parantaa eri loppukäyttäjäryhmien
tyytyväisyyttä. Sairaaloissa parantuva lämpöviihtyvyys edistää potilaiden toipumista, toimistorakennuksissa työn tuottavuutta ja oppilaitoksissa oppimista. Tämän lisäksi HTS:n avulla voidaan parantaa rakennusten energiatehokkuutta välttämällä käyttämättä olevien tilojen tarpeetonta lämmitystä tai jäähdytystä.
LÄHDELUETTELO
1. Daum, D, Haldi, F, Morel, N. A personalized measure of thermal comfort for building controls. Building and Environment 46 (2011) 3-11.
2. Tuomaala, P. Holopainen, R., Piira, K. A comprehensive human thermal model for evaluating individual thermal sensation. Building Simulation and Optimization 2014.
UK, London, 23-24 June 2014.
3. Holopainen, R. 2012. A human thermal model for improved thermal comfort.
Doctoral Dissertation. VTT Science, Dissertation 23, Espoo, Finland.