Prediktívna regulácia v Monte Rosa Hut

V tejto výnimočnej horskej chate pod švajčiarskym Matterhornom funguje optimalizácia spotreby energie založená na počasí.
Aj napriek tomu, že pôsobí trochu ako kulisa z filmu s Jamesom Bondom, je horská chata Monte Rosa v skutočnosti plne funkčnou stavbou. A len ťažko by sa jej v rámci efektívnosti hľadala konkurencia. Okrem úchvatného výhľadu ponúka totiž aj najmodernejšie technológie.

 Tok energie, získanej prevažne zo slnečného svitu, riadi špeciálny softvér, ktorý v chate udržiava príjemné podmienky bez ohľadu na vonkajšie počasie. Švajčiarske Alpy sa pre projekt nevybrali náhodne – so svojimi extrémnymi výkyvmi teplôt, búrkami a ďalšími vrtochmi počasia predstavujú ideálnu lokalitu na testovanie nových stavebných a riadiacich technológií.

Alpská chata budúcnosti
Chata stojí v nadmorskej výške 2 883 m n. m, ktorú charakterizujú extrémne podmienky – búrky a náhle výkyvy teplôt od +20 °C do –30 °C sú tu takmer normálne. Predstavuje výskumný projekt švajčiarskeho Federálneho technologického inštitútu (ETH) v Zürichu, v rámci ktorého sa vyvíjajú a testujú nové koncepty zvýšenia energetickej účinnosti stavieb v náročných podmienkach. Cieľom projektu je dosiahnuť, aby sa takéto stavby mohli optimálne navrhovať a prevádzkovať na udržateľnom základe. To zahŕňa, prirodzene, aj automatizáciu budov.

Zamestnanec spoločnosti Siemens, divízie Building Technologies, inžinier a horolezec Ivan Loetscher, sleduje všetko na mieste a udržiava technológie stanice v prevádzkyschopnom stave. Chata však funguje prevažne ako sebestačná a plne automatizovaná, a to aj vtedy, keď nie je obsadená, alebo je mimo sezóny takmer neobsadená. Jednotlivé funkcie možno jednoducho overiť v prevádzkových staniciach. Na chate sa získavajú údaje a kontrolujú hodnoty na približne 150 dátových bodoch. Údaje sa nepretržite prenášajú cez satelit do Zürichu, kde sa vyhodnocujú na výskumné účely.

Elektrina z fotovoltických článkov na fasáde, recyklácia vody, v prípade potreby kogeneračné zariadenie, ktoré používa repkový olej. To všetko vytvára predpoklady na sebestačnosť chaty. Softvér na automatizáciu budov riadi vykurovanie a vetranie, zhromažďuje namerané údaje z fotovoltického zariadenia a dobíjacích batérií a zaznamenáva údaje z tepelných snímačov a elektromerov. Zaujímavá je najmä funkčnosť novej budovy, ktorá využíva približne z 90 % energiu z obnoviteľných zdrojov, predovšetkým z prepracovaných solárnych systémov.

Celá chata produkuje len tretinu toxických látok v porovnaní s menšími chatami, ktoré boli jej predchodcami, a tak je výbornou testovacou pôdou pre technológie energeticky efektívnych budov a ich automatizáciu. Po dvoch rokoch intenzívnej prevádzky obhájila štatút stavby v udržateľnom koncepte.

Pred a po
Stará chata Monte Rosa Hut sa nachádzala vo výške 2 795 m n. m. v masíve Monte Rosa Zermatt-juh a bola pre horolezcov a turistov veľmi obľúbeným miestom. Požiadavky na komfort návštevníkov sa však zvýšili a chatu už ďa­lej nebolo možné prevádzkovať v pôvodnej podobe. Dňa 14. júla 2011 tak približne 100 kg výbušnín dokončilo život pôvodnej chaty.

Nová chata je postavená asi 100 m od pôvodnej stavby. Jej príprava trvala šesť rokov, projektovanie prebiehalo v rámci 150. výročia švajčiarskeho Federálneho technologického inštitútu (ETH) v Zürichu. Otvorili ju v septembri 2009. Vzhľadom na nedostupnosť akejkoľvek infraštruktúry bola sebestačnosť pre chatu kľúčová.

Dosiahnutie maximálnej autonómie a požadovanej udržateľnosti však vyžaduje viac než len optimalizáciu jednotlivých stavebných prvkov. Muselo sa preto nájsť inteligentné spojenie všetkých komponentov.

Pri obvodovom plášti bol najdôležitejší výber prvkov a materiálov a ich usporiadanie. Aktívna dodávka energie je založená na solárnych termických kolektoroch a fotovoltickom systéme. Dopĺňajú ju vhodné stavebné technológie a ovládacie prvky. V prípade potreby sa systém opiera o kombinovanú výrobu tepla a elektriny zo skvapalneného plynu.

Optimalizácia spotreby energie založená na počasí
Systém využíva regionálnu predpoveď počasia namiesto klasickej aktuálnej vonkajšej teploty a slnečného žiarenia. Dáta sa následne odosielajú do systému automatizácie budov a výsledkom je prediktívne riadenie. Systém aktívne reaguje na to, aké bude pravdepodobne počasie. Partnermi projektu na tomto úseku (FE fáza II) sú ETH v Zürichu, Luzernská univerzita aplikovaných vied a umení a Siemens Building Technologies.

Príkladom výhod prediktívneho riadenia mô­že byť napríklad proces čistenia odpadových vôd. Ak sa predpovedá slnečné počasie, batérie sú nabité a odpadová nádrž je z polovice plná, regulácia spustí čistenie odpadových vôd, čo je energeticky veľmi náročný proces. Dôjde tak k efektívnemu využitiu prebytočnej slnečnej energie. V prípade predpovede zlého počasia sa proces čistenia zastaví a využíva sa rezerva z batérií, v prípade potreby sa prejde až na skvapalnený plyn.

Softvér systému automatizácie budov Desigo od divízie Siemens Building Technologies (BT) zabezpečuje, aby všetky komponenty systému spolupracovali bez problémov. Softvér trvalo sleduje všetky parametre a prispôsobí systém meniacim sa požiadavkám užívateľov budovy. Neskôr bude aj optimalizovať spo­trebu energie. Ovládací softvér sa priebežne optimalizuje prostredníctvom vzdialeného prístupu, ktorý ešte viac zvyšuje efektivitu.

Výskumný projekt OptiControl
V Európe pripadá viac než polovica dopytu po primárnej energii na budovy. Nové stavebné technológie (napríklad tepelné čerpadlá, tepelne aktivované stavebné systémy, solárne systémy, nočné chladenie pomocou ventilácie, atď.) majú veľký potenciál na zníženie spotreby energie, avšak za cenu komplexných a zložitých systémov, ktoré závisia od meniacich sa podmienok, ako sú počasie, obsadenie a dynamické sadzby za elektrinu. Optimalizácia prevádzky týchto systémov vyžaduje do určitej miery nové prediktívne kontrolné pojmy, ktoré berú do úvahy počasie a predpoveď obsadenosti.

Prediktívne riadenie je navrhnuté ako súčasť výskumného projektu OptiControl, v ktorom spojili svoje sily ETH Zürich, EMPA, AG Meteo­Schweiz a Siemens BT. Prediktívne kontrolné stratégie vyplývajúce z tohto projektu sú zamerané na znižovanie spotreby energie budov pri zachovaní nízkych investičných a prevádzkových nákladov, zvyšovanie užívateľského komfortu a obmedzenie maximálneho dopytu po elektrine.

Tento inovatívny koncept ovládania je rovnaký, ako používa Monte Rosa Hut. OptiControl Projekt sa však zameriava aj na ďalšie aplikácie, a to najmä na použitie integrovanej automatizácie miestností v kancelárskych budovách, t. j. optimálne ovládanie žalúzií, osvetlenia, vykurovania, chladenia a vetrania v jednotlivých stavebných zónach.

Odborníci vyvinuli softvér, modely a dátové súbory na simulácie založené na hodnotení stratégií obmedzovania emisií, ďalej nové pra­vidlá algoritmov a nové algoritmy na zlepšenie predpovedania počasia v mieste stavby a vypracovali analýzy možností úspor v spojení s reguláciou. Je zrejmé, že tieto inteligentné systémy vyžadujú spoľahlivé informácie o po­časí. Nové modely predpovedania počasia však už dodávajú miestne predpovede počasia s presnosťou približne dva kilometre. Tieto numerické predpovede počasia možno ešte opraviť pomocou hodnôt z meteorologických staníc a aj z miestnych senzorov, pripojených k systému automatizácie budov.

Prediktívne spracovanie a optimalizácia informácií v systéme automatizácie budov vyžadujú vysoko výkonnú elektroniku, ktorá je k dispozícii za čoraz priaznivejšie ceny. Odborníci očakávajú, že náklady na zariadenia nevyhnutné na optimalizáciu riadenia budov sa budú rýchlo kompenzovať znížením energetických nákladov a zvýšením komfortu v budove.

Prediktívne riadenie v praxi
Použitie prediktívneho riadenia má zmysel aj v ostatných druhoch obytných a kancelárskych budov, v školách a nemocniciach. Prvým príkladom použitia OptiControl je kan­celárska budova v mestečku Allschwil neďaleko Bazileja, stará päť rokov. Očakáva sa, že uskutočnené zmeny vrátane pridania niekoľkých senzorov na jestvujúci riadiaci systém Desigo (Siemens BT), dodatky v komunikačných technológiách a naprogramovanie inteligentných algoritmov a pravidiel potrebných na sledovanie procesov prinesú úsporu energie až 20 %. Efektívnejšia akumulácia tepla, napríklad v betónových stĺpoch, bude mať za následok významné zníženie spotreby energie na vykurovanie. Od tejto jesene sa bude OptiControl skúšať v tejto budove počas 18 mesiacov. Komponenty tohto soft­véru plánuje Siemens začať integrovať do svojich produktov už v roku 2013.

Článok vznikol z podkladov spoločnosti Siemens, divízie Building Technologies, ktorá sa svojimi technológiami podieľa na prediktívnom riadení a automatizácii riadiacich systémov horskej chaty.

Článok bol publikovaný na www.tzb-info.cz.

Foto: Siemens

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.