Безжично управление на жилищни ОВК системи

Качеството на въздуха в затворени жилищни пространства в огромна степен се отразява на комфорта, здравето и производителността на обитателите. Ключовите елементи за управлението на това качество са всички ОВК системи в дадено затворено помещение. В днешно време жилищните ОВК системи се управляват главно от един термостат, който представлява т. нар. система за управление на ОВК инсталации в единична зона.

Системите за управление на ОВК инсталации в единична зона обаче срещат значителни трудности в изпълнението на различни изисквания за ниво на комфорт и ниска енергийна консумация. Една цялостна система за безжично управление на ОВК инсталации в множество зони обаче би била изключително ефективна в преодоляването на тези затруднения.

Системите за управление на множество ОВК инсталации
могат да отговорят на редица изисквания за енергиен комфорт и пестене на енергия, но са по-сложни и скъпи за въвеждане в експлоатация, тъй като има повече сензори и кабели за инсталация. Прокарването на кабели в няколко отделни зони в нови къщи и още повече ретрофитът на стари единични системи в такива, обслужващи няколко стаи, изисква много по-сериозна инвестиция.

Според направени изчисления от 20 до 80% от разходите по окабеляване могат да се елиминират с употребата на безжични технологии. Ето защо безжичните технологии могат да бъдат използвани за разработване на по-достъпни системи за управление на множество ОВК инсталации в жилищни сгради и следователно за подобряване на комфорта на обитателите при по-ниски енергийни изисквания.

В момента най-актуалната стратегия за безжично управление на ОВК системи се състои във вграждането на сензори в безжични радиочестотни приемници и предаватели и интегрирането им в съществуващи системи за управление на ОВК инсталации или системи за наблюдение.

Често използвани са температурни сензори, сензори за влага, въглероден диоксид, светлинни сензори, електромери и видеокамери. Различните безжични сензори са неизменна част от безжичната сензорна мрежа. Другите

ключови характеристики за една сензорна мрежа
включват радиочестотната комуникация, надеждността й, скоростта на предаване на данни, както и цената на цялата инсталация. С разработката на достъпна от гледна точка на цената безжична технология като ZigBee се разраснаха и възможностите за мониторинг и управление на средата в затворени пространства, като в същото време се подобри и надеждността на самата комуникация.

Безжичният стандарт ZigBee се характеризира с IEEE 802.15.4 съответствие и вече неведнъж се е доказал за подходящ при управлението на безжични ОВК системи. С помощта на ZigBee е създадена система, която освен че отчита показателите на ОВК компонентите, и представя информация за енергийната консумация в реално време.

Тази конкретна система обаче не е проектирана предвид топлинния комфорт на обитателите - такава е разработена на следващ етап. Отново с помощта на ZigBee е проектирана и пусната на пазара система за безжично управление на множество ОВК инсталации, която обаче е насочена само към управлението на вентилационни отвори и е предназначена за ретрофит в съществуващи жилищни ОВК системи.
Употребата на

ZigBee за управление на ОВК системи
е ограничена от сложността на хардуера и софтуера и проучванията на тази тема в областта на жилищните инсталации са много малко. Като цяло са разработени много малко комерсиални продукти за безжично управление на ОВК системи, които имат лесни за употреба интегрирани функции, а нуждата от опростена, евтина система за управление в жилищни сгради, работеща със ZigBee, е още по-голяма.

Направени са няколко проучвания, според които с употребата на безжични стратегии за управление на ОВК системите в жилищни сгради е възможно постигането на до 50% по-малко енергопотребление на самите системи.

Необходими компоненти и подходящи методи за експлоатация
Три компонента съставят безжичната сензорна мрежа за управление, като техните характеристики зависят от общите функционални изисквания на приложението - безжични сензори (wireless sensor units - WSU), безжични регулатори на въздушния поток (wireless damper controllers - WDC), както и безжични контролери на ОВК устройства (wireless HVAC device controller - WHO).

Безжичните контролери на ОВК устройства са тествани в търговски ОВК инсталации, където са използвани за включване и изключване на релетата. Същевременно, безжичните сензори във всяка зона отчитат температурата, относителната влажност на въздуха и дали дадено помещение се обитава.

Измерените стойности се сравняват със зададените желани такива и тази информация се изпраща към безжичния контролер и безжичния регулатор. Безжичните регулатори на въздушния поток се монтират близо до самите решетки на вентилацията, което им позволява да ги включват или изключват според температурните изисквания на помещението.

Оценка на системите за управление на ОВК инсталации
Ефективността на системата се определя чрез анализ на точността на сензорите, надеждността на безжичната връзка, ефективността на температурния контрол, както и въздействието на системата върху енергопотреблението на жилищната сграда.

Точност на сензорите - температурните и радиочестотните сензори се настройват с помощта на калибратор на температура и относителна влажност (RH). Тъй като средните температури в едно жилище обикновено са между 10 °C и 30 °C, а относителната влажност е между 20% и 60%, четирите точки за настройка според температурата са 10, 18, 25 и 30 °C, а четирите точки за настройка според относителната влажност са 20%, 35%, 45% и 60%.

Надеждност на безжичната връзка - извършени са някои тестове, които да дадат представа за надеждността на комуникацията на системата с помощта на ZigBee mesh мрежа. Един ZigBee модул се използва като координатор на цялата мрежа, а отделни второстепенни модули изпълняват ролята на рутери, които помагат с разпращането на данни из цялата мрежа.

Главният ZigBee модул отговаря за създаването на безжична мрежа и е вграден в безжичен контролер на ОВК оборудване, който обикновено се инсталира в мазето на жилищни сгради до 2 етажа. Другите модули се разполагат на различни места на първия и втория етаж на къщата - по време на първоначалните тестове те са предавали данни към координатора непрекъснато при 0,5 Hz в продължение на един час.

Размерът на пакета предавани данни е бил 22 байта според изискванията за измерване и управление, като е съдържал информация за номера на зоната, общия брой на всички зони, зададените стойности на температура и относителна влажност, както и измерената температура, относителна влажност и информация за заетостта на помещението. Общият размер на тези данни е по-малък от капацитета за пренос на RF данни на ZigBee модула (или 72 байта).

Ефективност на температурното управление - както температурата, така и относителната влажност трябва да се управляват като терминалите за управление на безжичното ОВК оборудване се свържат към нагревателите и овлажнителите или изсушителите. Тъй като стратегиите за управление на температура и RH са относително еднакви, при тестовете на безжично управление на ОВК системи е симулирано само управление на температурата.

Все пак дори без да се регулира, влажността се измерва от гледна точка информиране на потребителите. За да се симулира температурното управление на различни зони в къщата, при разработването на системата са построени три изолирани камери от шперплат с параметри 1,2 x 0,6 x 1,2 метра.

В тях са разположени три духалки, които са използвани за симулиране на температурата при отопление на обитавани затворени помещения. Безжични регулатори на въздушния поток са свързани към бутоните за включване и изключване на духалките чрез релета. Желаната температура се въвежда чрез клавиатура, инсталирана близо до или вградена в сензорите.

Самите сензори изпращат пакет данни, съдържащ информация за номера на камерата, зададената желана температура и действителната температура на затвореното помещение. Анализът на измерените спрямо оптималните стойности разкрива ефективността на температурното управление.