Technologické a sociální předpoklady internetu budov

Od internetu věcí k budovám

Když v roce 1985 Peter T. Lewis na půdě americké Federální komise pro komunikace hovořil o internetu věcí, nikdo přesně nevěděl, v jakých všech oblastech se nový fenomén prosadí. Samotný internet byl tehdy doménou superpočítačů a na území Československa měl zůstat ještě sedm let prakticky neznámým pojmem. Tehdy ještě teoretický koncept předpokládal, že jednotlivé přístroje (čidla a akční členy) budou schopny komunikovat prostřednictvím datové sítě. Vybrané prvky by mohly získat unikátní IP adresu a stát se samostatným účastníkem sítě, který může sdělovat informace o svém stavu nebo se stát součástí většího řízeného celku.

Co tehdy znělo jako vzdálená budoucnost již v současnosti představuje rozvíjející se trh s dopadem v sektoru služeb v řádu stovek miliard dolarů. Pod pojmem internet věcí už se skrývají aplikace určené například pro sledování pohybu zemědělských zvířat a samozřejmě i osob. Výzkumníci z MIT s trochou nadsázky hovoří také o internetu těl (Internet of Bodies). To se netýká pouze telemedicínských aplikací. Zdraví lidé sledují svoji výkonnost při sportu a denní námaze a naměřená data sdílejí prostřednictvím sociálních sítí. Údaje o tom, kolik kilometrů uběhl váš soused a jakou u toho měl tepovou frekvenci, putují k dalším uživatelům, kteří pak svá vlastní těla pohánějí k vyšším výkonům.

S přibývajícím množstvím aplikací nabývá internet věcí nové kvality. Například společnost Sigfox předpokládá, že v nejbližších pěti letech bude v domácnosti až 500 samostatných prvků napojených na síť internetu věcí. V sektoru budov tím vznikají nové možnosti, jak data mezi sebou korelovat a na jejich základě řídit složitější systémy. Budovy sbírají data o svých obyvatelích a interagují s nimi, dokážou reagovat na změny uvnitř budov a zpracovávají data o změnách ve svém okolí. Na budovy je potřeba nahlížet už ne pouze jako na pasivní části měst a obcí, ale jako na aktivní prvky městského prostředí, které na jedné straně komunikují se svými obyvateli, na straně druhé sdílejí informace s dalšími uživateli v jejich okolí. Může jít o facility manažery, obchodníky s energiemi, správce komunikací nebo stavební a developerské firmy, které mohou na dálku zjišťovat stav svých budov. Z části jde o komunikaci, kdy na jedné straně stojí budova a na druhé straně člověk – uživatel. Stále častěji na druhé straně komunikační výměny však nestojí člověk, ale logický automat, který dokáže vyhodnotit, zda má zapojit uživatele nebo si s nastalou situací poradí budova sama. Nejen na UCEEB ČVUT už proto začínáme mluvit o internetu budov, který doprovází komplexnější proměnu měst v informatizovaná Smart Cities.

Aktivní budova jako předmět aplikovaného výzkumu

Výzkumné týmy na UCEEB za poslední dva roky řešily kolem deseti případů komplexní autonomní regulace budovy. Partneři (podniky, samosprávy a výjimečně také bytové domy) nejčastěji přicházejí s dílčím technologickým problémem a hledají příležitost, jak využít výzkumné kapacity centra. Celkově však naše země spíše zaostává. Building Performance Institute Europe (BPIE) hodnotil v minulém roce připravenost budov na přechod k inteligentnímu řízení. Česká republika v evropském srovnání vyšla jako jednoznačně podprůměrná. Objevují se však i příklady zajímavých projektů. Příkladem komplexního autoregulačního řešení energetiky a monitoringu vnitřního prostředí je u nás budova firmy Fénix v Jeseníku, na jejímž pokročilém řízení se UCEEB podílel.

Obecně budova v ideálním případě pracuje se třemi sadami vstupních dat, na jejichž základě se pak rozhoduje, jak se bude řídit. Jde o předem definované vstupní modely, vnitřní zdroje dat a externí data o podmínkách, které ovlivňují chování budovy. Specialisté nejprve musí budovu „identifikovat“ , tedy vytvořit dostatečně přesný model. Především jde o tepelně-dynamický model, na jehož základě budova zná své tepelně akumulační vlastnosti. Budova se také od počátku naučí znát předpokládané uživatelské energetické profily svých nájemníků, a ty pak dále zpřesňuje, jak postupně učí poznávat preference svých nájemníků. Na základě historických dat z dané lokality budova dostane do vínku prvotní nastavení pro využití obnovitelných zdrojů, které jsou na ní instalovány.

Ve chvíli, kdy budova získá základní povědomí o vstupních parametrech, začne získávat informace z řady vnitřních zdrojů, které jsou už dnes běžně dostupné na trhu, počínaje nástroji pro Smart Metering (měření spotřeb zdrojů v reálném čase), přes čidla kvality vnitřního prostředí, po veškerá koncová zařízení intenetu věcí, resp. Smart Home. Nejsložitější úlohou je smysluplná integrace dat z vnějších zdrojů, tj. především cen energií a dat z meteorologické predikce. Na budově Fénixu v Jeseníku UCEEB jako na jednom z prvních objektů v ČR pilotně použil algoritmus řízení na základě lokalizované predikce slunečního osvitu PV Forecast. Budova díky ní dokáže určit, kdy má spotřebovávat energii a kdy ji má ukládat do zásobníků, protože přibližně ví, kolik jí v nejbližších 24 hodinách dokáže vyrobit. Výsledkem je, že budova se dlouhodobě přibližuje k maximálnímu možnému využití lokálně vyrobené energie.

Od člověka k budově a zase zpátky

Evropané tráví v budovách mezi 80 % a 90 % svého života. Drtivá většina z nich chce dožít v domácím prostředí. Možnost přizpůsobit budovu aktuálním potřebám jejich obyvatel přitom zdaleka nekončí kolaudací nebo nastěhováním. Požadované informace pro úpravu kvality prostředí lze zjišťovat průběžně. Ne všechny parametry lze měřit objektivně pomocí čidel a nejlepší metodou je často dotazování se přímo uživatelů. Platí přitom, že jednou vyjádřená preference se může stát součástí paměti budovy a může sloužit k nalezení optimálního modelu užívání. V případě tepelného komfortu může komunikace mezi člověkem a budovou probíhat pomocí interaktivního termostatu se zpětnou vazbou. Při hledání ideálního uspořádání prostoru může posloužit elektronicky zpracované hlasování či pouhý optický monitoring využívání místností. Zatímco pro uživatele hraje největší roli subjektivní komfort, pro správce budovy je zajímavá ekonomická úspora daná například optimálním využitím pracovních prostor. Výzkumníci ČVUT UCEEB už tři roky zkoumají modely interakce mezi budovou a uživateli a hledají vhodné způsoby zapojení uživatelů pro optimalizaci vnitřních podmínek. V segmentu veřejných budov dosavadní výzkum potvrzuje, že největší motivaci k zapojení do elektronických systémů monitoringu spokojenosti vykazují uživatelé, kteří dostali příležitost se zapojit do prvotního uspořádání budovy či návrhu jednotlivých prostor. To je podstatné zejména u škol nebo administrativních budov. Do budoucna můžeme očekávat, že zkušenosti nabyté v jedné budově bude možné automaticky předávat budovám, které jsou typově a profilově podobné. Potřebné longitudinální studie zatím stále chybí.

Interakce mezi člověkem a budovou však zdaleka nekončí pouhým hledáním optima vnitřního uspořádání místností a ideální kvality prostředí. V následujících letech budeme svědky vzniku databází pro rozšířenou realitu, které umožní s pomocí jednoduchých zobrazovacích zařízení (například chytrého telefonu) snáze provádět běžnou údržbu tím, že potřebný návod promítnou přímo na displej. Stejně tak můžeme čekat vznik navigačního softwaru pro rozšířenou realitu, který si uživatel stáhne při příchodu do budovy. U obdobných technologií je základním předpokladem dostatečná technologická gramotnost a aktivní předcházení nerovnostem v přístupu k potřebným technologiím.

Speciální aplikace vzdáleného monitoringu budov

Dostáváme se ke speciální disciplíně v oblasti datové komunikace budov, kterou se UCEEB zabývá. Budova není statická, ale prodělává řadu změn, které se podepisují na její životnosti. Příkladem mohou být dřevostavby, kterých na českém trhu rychle přibývá. Jak uvádí nedávný článek TZB, ještě v roce 1998 tvořily dřevostavby pouhé 1 % mezi novostavbami rodinných domů. V roce 2015 už to bylo přes 13 %. Vídeň nedávno představila projekt první výškové budovy ze dřeva. Jde o logický posun, který vychází z docenění dřeva jako spolehlivého stavebního materiálu. S rostoucím počtem dřevostaveb ale vzniká také potřeba chránit tyto budovy před něžádoucími vlivy, především vlhkosti a požáru. Praxe ukázala, že zatímco požárů je minimum problém se zvýšenou vlhkostí řeší dříve nebo později většina uživatelů (nejen dřevostaveb). Včasnou detekci vlhkosti umožňují zabudované senzory na kritických místech konstrukce, které spolu spolu se systémem včasného varování mohou zachránit budovu před nevratnou škodou, jakou je plíseň a rozklad konstrukce. UCEEB s technologií Moistureguard ve více než deseti pilotních provozech během prvního roku testování odhalil ve čtyřech případech kritické zvýšení vlhkosti. Průběžný monitoring přitom vyžaduje relativně malou investici a minimální náklady na provoz. Data lze dále agregovat a stavební firmy mohou na základě jejich analýzy vylepšovat své konstrukce nebo poskytovat zákazníkům delší záruku proti degradaci způsobené vlhkostí.

Budova dokáže monitorovat i stav svých konstrukcí a včas varovat například při překročení povolené zátěži nosníků. Pro dřevěné lepené trámy například tým Jana Včeláka spolu s firmou Safibra s.r.o. vyvíjí technologii SmartGLT na principu integrovaného optického vlákna. Zejména u velkých hal s dřevěnými nosníky (podobného typu jako nedávno zřícená střecha haly v České Třebové) lze včas odhalit překročení předem definovaných limitů únosnosti konstrukce a nebezpečí jejího poškození či zřícení.

Další, zcela specifickou aplikací vzdáleného monitoringu budov je ochrana památkově chráněných historických objektů před vibracemi. UCEEB spolupracuje s firmou Metrostav na monitoringu vibrací při probíhající rekonstrukci Národního muzea v Praze. Čidla budou až do roku 2018 kontrolovat, monitorovat a vyhodnocovat dodržení norem technické seizmicity a v případě překročení prahových hodnot automaticky vyvolají alarm. Spolu s budovou instalované senzory hlídají i exponát kostry plejtváka. Zátěž ze stavební činnosti je u historických budov běžnou příčinou poškození. Díky senzorům budova sama pozná, kdy se ocitá v ohrožení. „Ve chvíli, kdy se objeví první trhliny už je na preventivní opatření pozdě,“ dodává Pavel Mlejnek. V České republice je téměř tři sta památkových zón a rezervací, pro které je technologie určena a kde může monitoring vibrací uspořit značné částky na opravy.

Budoucnost interakce budov

Největší potenciál vzájemné interakce budov leží v energetice. S přechodem k chytrým sítím vznikne předpoklad pro to, aby se budovy, které dokážou samy vyrábět energií, začaly chovat jako autonomní obchodníci na trhu s energiemi. Podobně jako dnes funguje například automatizovaný burzovní systém, který pomáhá vyrovnat kurzové rozdíly, může i na trhu s energiemi vzniknout v budoucnu decentralizovaná síť autonomních budov – elektráren. UCEEB podniká spolu s partnery první kroky v této problematice (projekt Arrowhead). V současnosti je takový systém v České republice ještě relativně vzdálenou vizí, která ve výsledku nepochybně umožní lépe využívat dostupné zdroje.

Zkrácená verze článku publikována v magazínu ČVUT Tecnicall 1/2017

Poděkování

Tato práce byla podpořena MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.