5. Sisäilmaston ja energiatehokkuuden toimivuuden varmistamisen menetelmiä
5.3 Rakennusautomaatioon perustuvat menetelmät
5.3.2 Rakennusautomaation hyödyntäminen ToVa-toiminnassa
järjes-telmäkohtaisesti käyttäen manuaalisia työkaluja. Toiminnan varmistaminen pilkkoutuu alusta lähtien moneen osaan, mikä johtaa järjestelmäkohtaiseen osaoptimointiin. Uuden ToVa-systematiikan yhtenä tärkeänä tehtävänä on muodostaa yhteinen hyvä käytäntö
järjestelmien suunnittelun ja toteutuksen tueksi. Rakennusprojektin läpiviennissä keski-tytään myös top-down-näkökulmaan, jossa päätavoitteena on tavoiteasetannan mukai-sesti toimiva kokonaisuus.
Rakennusautomaatiota hyödyntävät ToVa-menetelmät liittyvät pääasiassa rakennuksen käytönaikaiseen, jatkuvaan, oikean toiminnan seurantaan ja todentamiseen sekä vikojen, virhetoimintojen ja ei-toivotun toiminnan havaitsemiseen ja paikantamiseen. Käytän-nössä kyseessä ovat siis yleensä rakennuksen ja sen järjestelmien vikadiagnostiikkame-netelmät. Olemassa olevien rakennusten energianhallinnan optimoinnissa rakennusau-tomaatiota hyödyntävää ToVa-toimintaa voidaan hyödyntää myös talotekniikkalaitteiden ja -järjestelmien tehokkuuden arviointiin (Sumitomo & Yamamoto 2003).
Tapauksesta ja käyttäjäryhmästä riippuen rakennusautomaatiota hyödyntävät ToVa-menetelmät voivat kohdistua rakennusmassaan, yksittäiseen rakennukseen, järjestel-mään, prosessiin, laitteeseen tai komponenttiin. Rakennusmassaa käsittelevät menetel-mät on tyypillisesti tarkoitettu henkilöille, jotka tarvitsevat suhteellisen karkean tason tietoa useasta eri rakennuksesta. Yksittäiseen laitteeseen liittyviä ToVa-menetelmiä taas hyödyntävät lähinnä laitteiden päivittäishuollosta ja -ylläpidosta vastaavat henkilöt.
Kuva 39 havainnollistaa vikadiagnostiikkaprosessia. Tapauksesta riippuen rakennuksesta, järjestelmästä, prosessista, laitteesta tai komponentista saadaan mittaus- tai muuta tietoa, jonka perusteella voidaan havaita poikkeava tai ei-toivottu toiminta, jolloin asetetut toiminnalliset vaatimukset eivät toteudu. Jos havaittu vika pystytään paikantamaan, on kyseessä varsinainen vikadiagnoosi.
+
-•poikkeava tai ei-toivottu toiminta
-•poikkeava tai ei-toivottu toiminta
Kuva 39. Vikadiagnostiikkaprosessi (Kärki & Karjalainen 1999).
Systematiikan tehokas läpivienti isoissa rakennushankkeissa voidaan varmistaa hyödyn-tämällä jo olemassa olevia ICT-pohjaisia toiminnanohjausjärjestelmiä. Myös avoimet rakennusautomaatiojärjestelmät tarjoavat hyvän tietojenkäsittelyalustan ja uusia mah-dollisuuksia systematiikan joidenkin osien automatisointiin. Oikein toteutettuna syste-matiikan osittainen automatisointi tarjoaa mahdollisuuksia alentaa käytännön
ToVa-toiminnan kustannuksia ja tätä kautta edesauttaa ToVa-ToVa-toiminnan laajempaa käyttöönot-toa. Manuaalisen ToVa-toiminnan automatisoinnilla luodaan myös hyvät edellytykset rakennuksen jatkuvalle koko elinkaaren aikaiselle ToVa-toiminnalle.
Ideaalissa automatisoidussa ToVa-prosessissa erilaisissa toimivuuden varmistusaktivi-teeteissa tarvittavaa dataa saadaan sähköisesti suunnitteludokumenteista (Brambley et al. 2002). Lopulta suurin osa projektitiedoista esitetään standardissa tiedostoformaatissa ja saadaan sähköisesti. Tätä tutkitaan parhaillaan IAI:n (International Alliance for Inter-operability, http://www.iai-international.org/) ja muiden organisaatioiden projekteissa.
ToVa-toimintaa ajatellen mielenkiintoista dataa voisi olla (Brambley et al. 2002) esi-merkiksi
! tarvittava data tiettyjä toiminnallisia testejä varten
! tarvittavat mittaukset varmistamaan, että asennetut laitteet ja järjestelmät täyttävät suunnitteludokumenteissa esitetyt vaatimukset
! data, jota ei tarvita tiettyä suunniteltua toiminnallista testiä varten, mutta jota saate-taan tarvita tulevaisuuden ToVa-prosesseissa
! data, jota ei tarvita mitään tiettyä testiä varten, mutta joka on ToVa-agentille mie-lenkiintoinen järjestelmän toiminnan ymmärtämiseksi tai todennettaessa oletuksia siitä, kuinka järjestelmän pitäisi toimia.
Vaikka nykyiset rakennusautomaatiojärjestelmät keräävät lähes kaiken mitattavissa ole-van tiedon rakennuksista, tietoja ei osata hyödyntää täysimääräisesti rakennuksen suori-tuskyvyn optimointiin ja energian säästämiseen. Uudet rakennusautomaatiojärjestelmät sisältävät tehokkaan ja vapaasti ohjelmoitavan tietojenkäsittelyjärjestelmän, johon on mahdollista kehittää uusia ohjelmia tai liittää erillisiä rinnalla toimivia ohjelmistokom-ponentteja. Yhtenä suurena haasteena onkin kehittää uusia ohjelmistotyökaluja helpot-tamaan ja automatisoimaan rakennusten mittaustietojen keruuta, käsittelyä ja analysointia.
Kehityssuunta edellyttää kuitenkin avoimien järjestelmäratkaisujen ja uusien standardien rajapintojen laajempaa käyttöönottoa, jotta ohjelmistokehityskustannuksia saataisiin tulevaisuudessa painettua kilpailukykyiselle tasolle. Nykyisten suljettujen automaatio-järjestelmien räätälöinti tai ohjelmistointegrointi tulee useimmissa rakennushankkeissa aivan liian kalliiksi verrattuna niistä saataviin hyötyihin. Vapaa kilpailu ja ohjelmisto-tuotteiden modulaarinen yhteensovittaminen edellyttääkin avoimen teknologiastrategian valitsemista tulevaisuudessa.
Rakennusautomaatio ToVa-toiminnassa – tuloksia suomalaisesta haastattelutut-kimuksesta
Tutkimuksen alussa haastateltiin suomalaisia rakennusalalla toimivien yritysten työnteki-jöitä, jotka ovat olleet pitkään tekemisissä rakennusautomaation kanssa (Nyman et al.
2005). Tutkimuksessa ilmenneitä tärkeitä taloteknisten järjestelmien oikean toiminnan todentamiseen liittyviä tavoitteita olivat rakennusten energiatoimivuuden optimointi, viih-tyisyyden sekä antureiden, toimilaitteiden ja järjestelmien oikean toiminnan varmistaminen.
Haastatteluissa todettiin, että kaikkein tärkeimmät ongelmat, jotka pitäisi havaita hyö-dyntäen rakennusautomaatiota, ovat
! virheellinen viritys ja säädön epästabiilius
! anturien rikkoutuminen ja kytkentävirhe
! pumppuvika
! ongelmat, jotka aiheuttavat totaalista toimimattomuutta tai vahinkoa rakennuksessa.
Keskeiset puutteet nykyisissä rakennusautomaatiojärjestelmissä ToVa-toimintaa ajatellen ovat seuraavat:
! Jatkuvaan tiedonkeruuseen kehitetyt järjestelmät on kehitetty suurten rakennusten hallintaan, joten ne ovat liian kalliita käytettäviksi pienissä rakennuksissa.
! Vikadiagnostiikkaa tukevissa järjestelmissä ohjeistukset ovat puutteellisia ja epäselviä.
! Käyttöliittymät on tehty liian pelkistetyiksi.
! Säädön viritykseen liittyviä tietoja on usein vaikea lukea ja ymmärtää.
! Energianseurannassa (keskituntiteho) mittareiden lukua olisi kehitettävä siten, että voitaisiin seurata mittareiden oikeita mittauslukemia. Nyt seurataan impulsseja, jotka aiheutuvat tietyistä ylityksistä.
Esimerkkejä rakennusautomaation hyödyntämistavoista ToVa-toiminnassa
Kaikkiin rakennusautomaatiojärjestelmän käyttötarkoituksen laajentamiseen liittyviin suunnitelmiin on käytännössä sitouduttava jo rakennushankkeen alkuvaiheessa, jotta kustannukset voidaan upottaa osaksi rakennusautomaatiourakkaa. Suunnitelmat on kir-jattava asianmukaisesti työselostuksiin omaksi kohdaksi. Seuraavassa keskitytään ideoimaan uusia rakennusautomaatiopohjaisia ToVa-menetelmiä rakennuksen ja sen järjestelmien oikean toiminnan varmistamisen tueksi. Oikein käytettynä rakennusauto-maatiojärjestelmät ovat tehokkaita työkaluja, joiden avulla voidaan automatisoida ToVa-toimintaa, parantaa ToVa-toiminnan luotettavuutta ja helpottaa rakennusten jatkuvaa seurantaa. Menetelmiä on kehitetty aikaisempien tutkimusten ja pilottikohteista saatujen käytännön mittaustietojen ja kenttäkokemusten pohjalta.
Olosuhdemittausesimerkki
Suunnitelmassa toteutetaan pilottikohteena olevaan peruskouluun olosuhteiden seuran-tajärjestelmä. Seurantajärjestelmää varten valitaan kaksi normaalikäytössä olevaa luok-kahuonetta, joihin asennetaan tarvittava määrä mittausantureita haluttujen suureiden mittaamiseksi. Kaikki anturit liitetään osaksi rakennusautomaatiojärjestelmää, jolloin mittausjärjestelyn avulla huoneolosuhteita voidaan tarkkailla reaaliaikaisesti. Kaikki olosuhdeseurannassa tarvittavat mittaustiedot asetetaan myös jatkuvaan seurantaan ja kerätään keskitetysti kiinteistön valvomotietokoneeseen tietyin näytevälein, jolloin his-toriatietoa voidaan tarkastella jälkikäteen. Historiatiedot voi esittää esimerkiksi kuvan 40 esittämässä muodossa.
Trendiseuranta: Alkaa: 23.4.2004 11:02:40 Seurantapiste: Päättyy: 23.4.2004 23:59:40
Läsnäolo Asetusarvo Lämpötila Lämmitys% Jäähdytys%
Päiväys Aika Arvo Arvo Arvo Arvo Arvo
23.4.2004 11:02:40 1,00 24,09 22,94 0,00 0,00
23.4.2004 11:03:10 1,00 24,08 22,94 0,00 0,00
23.4.2004 11:03:40 1,00 24,08 22,94 0,00 0,00
23.4.2004 11:04:10 1,00 24,09 22,94 0,00 0,00
23.4.2004 11:04:40 1,00 24,09 22,94 0,00 0,00
Kuva 40. Esimerkkinäyttö.
Mittausjärjestelyn avulla voidaan seurata kohteeksi valitun tilan olosuhteiden muutoksia ja valvoa, että olosuhteita ohjaavat tekniset järjestelmät toimivat moitteettomasti asetet-tujen tavoitteiden mukaisesti. Mittaustietojen muutosten perusteella voidaan analysoida esimerkiksi toimilaitteiden ohjauslogiikkaa tai käyttäjien tekemien asetusten vaikutusta olosuhteisiin rakennuksen ylläpitovaiheessa. Tämä mahdollistaa jatkuvan ToVa-toiminnan harjoittamisen ja mahdollisten parannustoimenpiteiden suorittamisen esimerkiksi teknis-ten laitteiden ohjauksiin tai käyttäjien ohjeistamiseen. Yhdestä tilasta saatuja tuloksia voidaan hyödyntää myös muiden tilojen olosuhteiden parantamiseen ja energiankulu-tuksen optimointiin.
Perusjärjestelyssä kaikkien mittausantureiden suureiden arvoja voidaan tarkastella suo-raan automaatiojärjestelmän tietokannasta tai siirtää muihin ohjelmistoihin jatkokäsitte-lyä varten. Seuraavassa luetellaan myös muutamia esimerkkejä siitä, minkälaisia toimin-toja automaatiojärjestelmän valvomoon voidaan määrittää olosuhteiden ohjaamiseksi ja mittaustietojen käsittelemiseksi:
! graafisen käyttöliittymän generointi
! olosuhteiden ohjaaminen
! hälytysten generointi
! raporttien generointi.
Olosuhteita voidaan seurata myös yhdessä niihin vaikuttavien keskeisten ohjausten kanssa ja siten paljastaa rakennuksen epänormaali käyttö (Paiho et al. 2000). Rakennuksen viko-jen havaitsemiseen ja paikantamiseen tarkoitetun seurantajärjestelmän prototyyppi asen-nettiin ammattioppilaitokseen. Huonelämpötilaan vaikuttavia ohjauksia olivat tuloilman lämpötilan säätö ja patteriverkoston lämpötilan säätö, joiden molempien asetusarvoja muutettiin kompensointikäyrien perusteella. Olosuhdeseurannassa seurattiin huonelämpö-tiloja, tuloilman ja patteriverkoston menoveden lämpötiloja ja kaikkien edellä mainittujen asetusarvoja. Halutessaan käyttäjä saattoi valita näkyviin myös säätökäyrät ja mittauspis-teiden sijoittumisen säätökäyriin nähden. Näiden tietojen ja vikadiagnostiikkaohjelman avulla käyttäjä voi päätellä, onko väärän huonelämpötilan syynä säätökäyrien väärä asento.
Sovellus sisälsi myös ohjeita siitä, mitä säätökäyristä tulisi korjata ja miten.
Käyttöraportti
Rakennuksen ylläpitovaiheessa automaatiojärjestelmä kerää mittaustietoja, joita voidaan hyödyntää esimerkiksi edellisen esimerkin olosuhdeseurannassa. Tämäntyyppisiä palve-luita varten tarvitaan kuitenkin erillinen tietylle käyttäjäryhmälle suunnattu raportti, jonka käyttöliittymä voi sijaita esimerkiksi rakennusautomaatiojärjestelmän valvomo-koneella tai erillisen web-pohjaisen kiinteistön huoltokirjapalvelun yhteydessä.
Yksi tarpeellinen esiin tullut raporttityyppi on ns. käyttöraportti, josta nähdään yksiselit-teisesti rakennuksen reaaliaikainen tila valittujen tunnuslukujen avulla. Tunnusluvut muodostetaan automaatiojärjestelmästä kerättyjen mittaustietojen perusteella.
Käyttöraporttimalli luodaan jo ennen käyttöönottovaihetta. Käyttöraportin (vertailukoh-tana teollisuuden käyttöraportit) tulee sisältää sellaista käyttäjälle tai omistajalle suun-nattua tietoa, jonka perusteella rakennuksen tila, kulutukset ja trendit selviävät riittävän hyvin.
Käyttöraportti voi olla viikko- tai kuukausikohtainen ja sisältää kaikki kulutustiedot, mukaan lukien myös kiinteistönhoito- ja siivouskulut. Rakennuksen käyttäjän, kiinteis-tönhoidosta vastaavan tai omistajan intressissä tulisi siten olla rakennusautomaatiojär-jestelmän tuottama käyttöraportti, josta selviävät
! kulutus- ja kustannusjakauma vuosi-/kuukausi-/viikkokohtaisesti
• €/yksikkö
• määrä (kWh, m3/yksikkö)
! trendit
! vertailu tavoitetasoon / muihin vastaaviin rakennuksiin
! korrelaatio sääolosuhteisiin (poikkeamat näkyvät selvästi)
! jaottelu tarvittaessa rakennuksen eri osien tasolle / järjestelmätasolle.
Rakennuksen instrumentointia suunniteltaessa energiatehokkuuteen ja olosuhteisiin sekä yleisemmin rakennuksen käyttöön liittyvät keskeiset tekijät tulee ottaa huomioon, esi-merkiksi
! sähkön kokonais- ja alamittaukset
! IV-koneiden pääilmavirrat
! jäteilman lämpötila
! LTO:n tehokkuus.
Siten rakennuksesta voidaan muodostaa energiatase, olosuhteita voidaan nopeasti verrata tavoitearvoihin, ja laajemmalla tasolla kiinteistön kustannusjakauma on selvillä.
Käyntiaikaraportti
Tuloilmakoneiden käyntiaikaraportteja voitaisiin suoraan hyödyntää virheellisen toi-minnan havaitsemisessa, koska koneiden käyttötapa vaikuttaa merkittävästi rakennuksen energiankulutukseen (Paiho et al. 2000). Toimintoon voitaisiin liittää myös ohjeistus siitä, miten käyntiaikoja pitäisi tarvittaessa muuttaa.
Säätöpiirien toiminta
Säädön huono toiminta voi johtaa merkittävään energiantuhlaukseen. Siksi säätöpiirien toimintaa olisi hyvä seurata joko jatkuvasti tai esimerkiksi laitteiden käynnistyksen yh-teydessä. Paiho et al. (2000) seurasivat koekohteessa ilmastointikoneen ja patteriverkos-tojen säätöpiirien toimintaa sekä lämpimän käyttöveden lämpötilan säätöä.
Taloteknisten järjestelmien käytön, huollon ja vian etsinnän tukipalvelu
WebDia on WWW-ympäristö (http://webdia.vtt.fi), jota voidaan hyödyntää kaukoläm-pö- ja öljylämmityskeskusten sekä sähkölämmitysjärjestelmien käytön, huollon ja vika-diagnostiikan apuvälineenä (Pakanen et al. 2001). WebDian käyttö on mahdollista ta-vanomaisesta Internet-liitännällä varustetusta PC:stä, standardiselaimella varustetuista kannettavista tietokoneista ja PDA-laitteista ja WAP-matkaviestimistä. Palvelu sisältää esimerkiksi tiedot kaukolämmön lämmönjakokeskuksen 25 yleisimmästä viasta ja nii-den mahdolliset syyt, joita huoltomies voi nopeasti hyödyntää järjestelmän vian paikan-tamisessa.