Proiectarea sistemelor de control inteligent

Proiectarea sistemelor de control inteligent I. Istoric i tendine n proiectarea cldirilor ecologice n ultimele decenii, noiunea de inteligen a cldirii a nceput s-i fac apariia sub diferite formulri: automatizri pentru cldiri, cldirea inteligent, controlul cldirii. Datorit evoluiei rapide a tehnologiei i a integrrii acesteia n utilitile zilnice, aceti termeni au suferit modificri de nuna n funcie de perioada de timp, o definiie unic defiind nc atribuit. Exist doua noiuni des utilizate pentru exprimarea gradului de tehnologizare al cldirii: controlul cldrii i automatizarea cldirii. Dei la prima vedere par a fi sinonimi, aceti termeni denot dou aspecte diferite. Conform Asociaiei Inginerilor din Germania (Association of German Engineers Verein Deutscher Ingenieure)1, automatizarea cldirii (building automation) reprezint msurarea, controlul i managementul serviciilor asistate de calculator (computerizate). Primele automatizri pentru cldiri au fost dezvoltate n scop comercial, pentru a beneficia de funcionarea automat a unor servicii, prin utilizarea unui controler dedicat (Direct Digital Controller). De cealalta parte, controlul cldirii este un subsistem al automatizrii din cldire i face referire n principal la partea electric a sistemelor. Controlul cldirii nu necesit un echipament special dedicat, ci se concentreaz pe o reea de echipamente, implicnd astfel existena unei magistrale de comunicaie ntre echipamente. Fiecare echipament deine inteligen proprie, fiind capabil s interacioneze cu ceilali participani la nivel de magistral i s-i ndeplineasc singur scopul pentru care a fost proiectat. European Intelligent Building Group stabilete, dup ciretriul performanei, c o cldire inteligent trebuie s pun la dispoziia personalului uman cel mai eficient mediu iar n Statele Unite, Intelligent Building Institute impune cldirilor s ofere un mediu confortabil i cu eficien ridicat din patru perspective: structur, sistem, servicii/management i optimizarea acestora. n regiunea nipon, gradul de inteligen al cldirilor era bazat pe diversitatea serviciilor oferite, Japanese Intelligent Building Institute promovnd sistemele de comunicare i automatizrile pentru birou, concentrndu-se asupra: satisfaciei persoanelor care activau n interior, implementarea unui management care s permit servicii administrative mai atractive la un cost sczut i flexibilitate la trendurile sociale. De celalalt parte, autoritile chineze considerau important tehnologia sistemelor folosite ca i grad de inteligen pentru cldiri, unde Chinese Intelligent Building Design Standard prescria metoda celor 3A (automation) pentru cldiri, comunicaii i birouri. n urma analizrii celor trei curente care stau la baza definirii cldirilor inteligente, termenul de inteligent atribuit sistemelor de control din cldire definete capacitatea unui sistem (artificial) de a reaciona corect n circumstane neprevzute2, ceea ce arat c nu este aa important definirea cu exactitate a unui termen spre deosebire de altul3, care difer oricum n funcie de preferinele fiecrui dezvoltator de sisteme i, mai mult, n funcie de regiunea geografic n care se mplementeaz proiectul, ci atenia trebuie s se concentreze pe satisfacerea celor trei deziderate, indiferent de nuana i aspectele lingvistice care tind s exprime tehnologizarea cldirilor: meninerea climatului termic interior optim pentru desfurarea activitilor; eficiena energetic din punct de vedere al consumului de energie; securitatea / sigurana din punct de vedere al funcionrii. Dr. Albert So4 de la Asian Institute of Intelligent Building (AIIB) afirm c: n proiectarea cldirii inteligente, prioritar este calitatea mediului oferit pentru satisfacerea cerinelor ocupanilor i integrarea echipamentelor care promoveaz cldirea la standarde de nalt calitate. Experul chinez n cldiri inteligente, Zhu Jingguo afirm: cldirile inteligente vor fi1 Hermann Merz, Thomas Hansemann, Christof Hbner, Building Automation Communication Systems with EIBKNX, LON and BACnet, Manheim, Editura Springer, 2009, p. 14 2 T. Nikolaou, D. Kolokotsa, G. Stavrakakis, Handbook for Intelligent Buildings, Chapater 1 Introduction to Intelligent Buildings, Athens, 2004, p. 5 3 Shengwei Wang, Intelligent Buildings and Building Automation, Editura Spon, 2009, p. 16-17 4 The Magazine of the Continental Automated Buildings Association, iHomes and Buildings, A new definition of Intelligent Buidings for Asia, Spring 2006, p. 7

cerina secolului 21. n 1992, DEGW/Teknibank a nceput proiectul cldirea inteligent n Europa, care i propunea s ajung la crearea unui mediu prietenos, util, inteligent n care organizaia s-i ating obiectivele manageriale propuse. Balast Wiltshier, n colaborare cu Barlett School of Architectures la Universitatea College London n 1999 a realizat un raport intitulat Landscape of Change: Built Environment of the Digital Age. Multe dintre obiectivele discutate au fost cuprinse n raportul: Construction: A 2020 Vision, n care cldirile erau privite ca noduri digitale ntr-un context urban. Interesul pentru controlul inteligent al cldirilor a crescut foarte mult prin organizarea conferine internaionale pe aceast tem pentru ca proiectanii n domeniu s poat schimba reciproc idei, planuri, noi tendine. Departamentul Comercial al Statelor Unite n Canada a invitat firmele din domeniu n 30 mai 2007 la Toronto s participe la US Canada Intelligent Building Conference and Partnering Event, ntlnire la care cldirea inteligent a fost privit ca o combinaie ntre conservarea energiei5, tehnologii avansate pentru managementul energetic, automatizrile, telecomunicaiile i securitatea. Ronald Zimmer, preedintele The Continental Automated Buildings Association (CABA), asociaie orientat spre reducerea consumului i emisiilor de gaze ale cldirilor, a susinut ntlnirea Green Intelligence Buildings Conference desfurat la Baltimore, n perioada 2-3 aprilie 2008, pentru a demosntra avantajele tehnologiei de construire a cldirilor inteligente. n 2009 au avut loc dou conferine importante, n perioada 17-20 aprilie la Singapore The International Conference on Intelligent Building and Management i n 18-20 noiembrie la Taipei The Intelligent Building and Smart Homes Conference. n societatea modern, conceptul de cldire inteligent intete dou aspecte: unul este legat de utilitatea pe care o cldire dotat cu sisteme moderne o are asupra omului, att din punct de vedere finanicar ct i din punct de vedere al eficienei, iar al doilea este legat de impactul pe care ntreinerea cldirii o are asupra mediului nconjurtor, n cazul cldirii inteligente ncercndu-se reducerea polurii, fiind bine cunoscute problemele de ordin ecologic din ultimii ani, care au fcut motivul discuiilor n multe comitete internaionale reunite pentru soluionarea efectelor nclzirii globale. Creterea performanele cldirilor inteligente spre care se tinde n ultimii ani urmrete reducerea numrului de conexiuni fizice prin implementarea de strategii software6 i controlul pasiv al cldirii, prin aciune natural, minimiznd funcionarea sistemelor artificale care impicit reduce consumul de energie: transferul termic prin anvelopa cldirii, orientarea ncperilor preponderent nclzite ctre soare sau a celor dorite umbrite ctre nord, utilizarea iluminatului natural n locul celui artificial prin controlul elementelor de opacitate amplasate la ferestre. Controlul pasiv al cldirii depinde foarte mult de arhitectur, perioada anual i materiale constructive, ceea ce a condus la dezvoltarea de materiale de construcii cu factor de izolare termic i transfer de cldur ridicat7. n proiectarea controlului automat al mediului ambiant interior trebuie considerate toate mrimile care acioneaz asupra simurilor omului i influeneaz confortul termic (temperatur, umiditate, circulaia aerului), acustic, olfactiv (calitatea aerului) i vizual (arhitectura cldirii, culorile). Combinaia acestor mrimi genereaz senzaia de confort pe care corpul uman o resimte. Indiferent sub ce forma este exprimat ideea de cldire inteligenta, dezvoltrile privind eficiena energetic in sistemele de control converg ctre trei aspecte: sistemele de control trebuie sa achiziioneze toate date informaiile din exteriorul i n interiorul cldirii, n funcie de performana impus; sistemele de control trebuie sa aleag cea mai eficient modalitate de a oferi confort ocupanilor i n acelai timp de a reduce consumul de energie (i implicit poluarea);5 www.buyusa.gov/florida/may07seminarfl.pdf 6 T. Nikolaou, D. Kolokotsa, G. Stavrakakis, Handbook for Intelligent Buildings, Chapater 1 Introduction to Intelligent Buildings, Athens, 2004, p. 8 7 http://www.folex.ro

sistemele de control trebuie s raspund rapid la cerinele utilizatorului. II. Confortul termic Datorit adaptrii oamenilor la condiiile climatice variate pornind de la zonele cele mai calde (ecuator) pn la cele mai reci (poli), nu se poate vorbi de un standard al confortului termic, cesta fiind specific fiecrei persoane, ns poate fi interpretat ca senzaia subiectiv a corpului uman sub aciunea parametrilor fizici i psihici sau ca starea de spirit care exprim satisfacia fa de temperatura ambiant8. n contextul condiiilor de mediu precum poziia geografic, perioada orar sau activitatea desfurat, perceperea confortului termic depinde, n principal, de urmtorii factori: ratei metabolismului; izolarea mbrcminii; temperatura aerului; temperatura radiant; viteza aerului; umiditatea. Corpul uman, n starea de confort termic, pstreaz echilibrul dintre cldura produs i cldura cedat i nmagazinat pentru care are nevoie de minim 45W/m2 i pn la 60W/m2, ceea ce corespunde unei temperaturi medii prin snge de 370.8C. Energia produs de organism este apoi transferat mediului ambiant prin: convecie corpului aer; conducie corp obiecte de contact (podeaua); prin radiaie corp perei; evaporare la suprafaa pielii; convecie respiratorie; Abordarea confortului termic are la baz opt modele: la echilibru termic: 2-noduri, PMV-PPD, PMV-IH (PMV-PPD modificat), aplicate pentru transferul de cldur; empirice: PD, PS, TS permit corelarea cu msurtorile parametrilor fizici ai mediului; adaptive: Tn Auliciems, Tn Humphreys aplicate climatului exterior. Cele mai utilizate modele aparin lui Fanger (PMV-PPD) i Gagge (2-noduri) fiind adoptate ca i standard internaional, att de International Standard Organization prin ISO 7730, ct i de American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers prin ASHRAE 55 i estimeaz confortul termic pe baza senzaiei termice. P. O. Fanger a elaborat un model bazat pe rspunsul ocupanilor la factorii termici, fiziologici i psihologici, pentru care a propus estimarea senzaiei termice (care este diferit de confortul termic), printr-un indice de confort notat PMV (predicted mean vote) i definit ca diferena dintre cldura produs i cldura cedat mediului de corpul uman n condiii normale de confort i activitate sudoripar. n urma celor formulate de Fanger, ASHRAE a clasificat senzaia de confort pe o scal cu 7 puncte psiho-fizice cu valori cuprinse ntre 3 i +3, cuantificate unitar, astfel:3 2 1 0 +1 +2 +3 SCALA PMV frig rece puin rece confort puin cald cald fierbinte

Experimentele pentru stablirea indicelui PMV realizate pe numr mare de ocupani, s-au desfurat n condiii de laborator pentru a estima ct mai precis valoarea medie a confortului termic. Deoarece confortul termic este o noiune n primul rnd subiectiv, n calculul mediei estimate pot exista i persoane care pot s resimt disconfort termic n aceleai condiii n care8 ASHRAE Standard 55P, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, February 2003, p. 7

majoritatea apreciaz starea ca i confort. Pornind de la aceast presupunere, a fost introdus indicele PPD (percentage of dissatisfied procentul de estimare a disconfortului termic). Grania dintre cele dou senzaii (confort i disconfort) se afl n jurul valorilor 1 i +1, reciproc, gradul de insatisfacie termic se consider a fi valid n afara intervalului (1,+1). Reprezentarea grafic a raportului dintre cei doi indici este indicat n figura 1.

Figura 1. Indicele PPD n funcie de procentul de estimare al disconfortului termic (PMV)

Modelul PMV este bazat pe teoriile termoreglrii i echilibrului termic care descriu procesele fiziologice ale corpului uman (activitate sudoripar, reglarea fluxului sangvinic) cu scopul de a menine echilibrul ntre cldura produs prin metabolism i cldura cedat de organism9. Fanger consider c stabilitatea echilibrului termic este condiia principal pentru obinerea senzaiei termice neutre (confort). n contextul aceastei premise, cei mai importani parametri pentru controlul sistemelor inteligente se refer la: meninerea indicelui PPD n intervalul (0.5, +0.5), conform standardului ASHRAE pentru a atinge pragul de 90% de ocupani satisfcui din punct de vedere al confortului termic; de asemenea, viteza de circulaie a aerului interior trebuie s fie de aproximativ 0.15 0.2 m/s; rata de estimare a metabolismului (msurat n met): este energie cedat de un organism raportat la nivelul activitii musculare, echivalentul a 58.15 W/m2; n funcie de activitate, standardul ISO7730 specific valorile aferente; transferul termic al mbrcminii sau gradul de izolare (msurat n clo) este echivalent cu 155 m2oC/W; parametri de mediu: temperatura aerului, temperatura radiant, viteza de circulaie a aerului, umiditatea. Pentru atingerea confortului termic este necesar satisfacerea echilibrului energetic al corpului, prin relaia: Q M Q L=Q piele QrespQ ret (1) n care: QM energia produs de organism prin metabolism; QL energia consumat prin efectuarea activitilor; Q piele energia cedat prin piele; Qresp energia cedat prin respiraie; Qret energia reinut de organism. Valoarea indicilor de confort i disconfort este stabilit, conform ecuaiilor 2 i 3, n funcie de parametri corpului uman i de mediu: (2) PMV =0.303e0.036Q 0.028Q unde: Q M energia produs de organism prin metabolism; Q sarcina termic a organismului, definit ca diferena dintre cldura produs de organism i cldura cedat mediului.M

9 Charles K.E., Fanger's thermal comfort and Draught models, Institute for Research in Construction, Canada, 2003.

(3) PPD=10095e0.3353PMV 0.2179PMV Corpul uman dispunde de capacitatea natural de a-i regla metabolismul conform condiiilor de mediu n care se afl, ceea ce a condus la abordarea sa ca un sistem adaptiv n scopul prestabilirii temperaturii sau a combinaiei de variabile termice (temperatura, umiditate, viteza aerului) care pot fi ncadrate ca i confortabile. Principiul adaptiv care st la baza abordrii confortului termic din aceast perspectiv enun c, dac are loc o modificare a parametrilor de mediu n aa fel nct aceast modificare poate produce disconfort, subiecii reacioneaz n virtutea restaurrii confortului termic. n analiza adaptiv, exist trei factori care influeneaz direct atingerea i stabilitatea confortului10: mediul climatic, care dicteaz modul n care sunt construite cldirile pentru a pstra echilibrul termic interior pe baza ineriei termice (fr intervenia sistemelor de control), n aa fel nct consumul energetic pentru compensarea confortului s fie minim. n abordarea adaptiv, temperatura exterioar reprezint referina principal dup care sunt calculate condiiile confortului termic pentru subiecii din interiorul cldirii. n urma studiului lui Humphreys din 1978, a rezutat c ntr-o cldire fr sisteme de control ale condiiilor de mediu (utiliznd doar ventilaia natural), temperatura interoar este moderat de capacitatea termic a cldirii, dup o funcie liniar cu temperatura exterioar. Aceast variaie poate fi modificat parial controlat prin deschiderea / nchiderea ferestrelor. n schimb, n cazul cldirilor dotate cu sisteme artificale de control (nclzire, rcire), variaia temperaturii n raport cu mediul exterior devine neliniar pe perioada de funcionalitate a echipamentelor de control. Totui, dac temperatura exterioar se apropie de valoarea confortului termic, este posibila o liniarizare a funciei pe aceast perioad11. Graficul din figura 2 prezint variaia temperaturii interioare pentru ambele situaii. cldirea, prin modul n care a fost amplasat, forma n care a fost construit, gradul de izolare al anvelopei, destinaia pentru care a fost proiectat sau activitile care se desfoar n interior sunt criterii care stau la baza proiectrii sistemelor automate de control orientate spre compensrile termice specifice cldirii. n activitatea sistemelor de control pot sa intervin doi concureni: controlul automat (care aparine cldirii) i controlul manual (de ctre ocupani). timpul, deoarece orice aciune adaptiv se desfoar n timp. De exemplu, modificarea temperaturii de confort este un proces continuu, iar rata de modificare a parametrilor poate fi considerat o condiie de confort. Variaia medie de temperatur poate sa difere pe termen lung (de la anotimp la anotimp) sau pe termen mai scurt n funcie de perioada zilei. n 1973 Humphreys a pornit de la presupunerea c o temperatura medie condiioneaz exponenial confortul termic. Exprimat n form temporal, relaia exponenial ponderat a temperaturii medii cu timpul este indicat n relaia (4), de unde se observ dependena mediei temperaturii de temperaturile anterioare obinute la intervale de timp egale, care pot fi ore sau zile. (4) T medie =1T t 1T t 22T t3...

4

2

Temperatura interioar

Cldire cu ventilaie natural Cldire cu ventilaie controlat Temperatura medie exterioar, lunar

Figura2. Temperatura interioar n funcie de variaia temperaturii exterioare.

10 J. Fergus Nicol, Michael A. Humphreys, Adaptive Thermal Comfort and Sustainable Thermal Standards for Buildings, Oxford Centre of Sustainable Development. 11 Michael A. Humphreys, J. Fergus Nicol, Iftikhar A. Raja, Field Study of Indoor Thermal Comfort and the Progress of the Adaptive Approach, Advanced in Building Energy Research, Volume 1, 2007, pag. 80.

Algoritmul propus de Humphreys n 1978 este bazat pe dependena dintre temperatura de confort i temperatura exterioar ca factor de predicie pentru temperatura interioar, prin aflarea valorii optime a contantei , pentru reducerea consumului de energie al sistemelor de control. Un exemplu practic n predicia temperaturii interioare n funcie de variaia temperaturii exterioare l reprezint alegerea mbrcminii n funcie de sezonul antecedent i cel urmtor. III. Anvelopa cldirii Totalitatea suprafeelor elementelor de construcie perimetrale care delimiteaz volumul interior (controlat) al unei cldiri de mediul exterior i intermediaz transferul termic natural ntre cele dou mase de aer formeaz anvelopa cldirii, care este cel mai important sistem pasiv de control12 i interacioneaz cu mediul interior, controlat, prin: tavan; perei; ferestre; ci de acces; podea. Conform standardului 90-1/2004 produs sub autoritatea ANSI/ASHRAE/IESNA, transferul termic dintre anvelop i mediul interior are loc n patru moduri: conducie; convecie; radiaie; infiltraie. n proiectarea anvelopei trebuie s se in cont, n funcie de destinaia cldirii, de frecvena de utilizare a diferitelor sisteme, de prezena factorului uman i de preponderena cantititii de cldur interioar degajat i necontrolat13, provenit de la: echipamentele electrice/electronice n funciune; sistemul de iluminat; corpul uman. Cldur provenit de la anvelopa exterioar i de la sursele de cldur din interiorul ncperilor care nu sunt destinate pentru controlul temperaturii, sunt mrimi necontrolate i nemsurabile, cu excepia energiei exterioare prin radiaie i interioare prin sistemul de iluminat, care sunt mrimi necontrolate dar msurabile. Anvelopa cldirii trebuie privit ca un sistem holistic multifuncional cu proprieti ineriale pentru transferul termic (gradul de izolare) sau pentru iluminarea interioar (gradul de umbrire). n figura 3 se prezint modul de transfer termic prin anvelopa exterioar.conducie convecie radiaie infiltraieFigura 3. Transferul termic prin anvelopa cldirii

Prin anvelop se pot optimiza sistemele de climatizare i iluminat, beneficiind de radiaia12 Glten Manilou, Zerrin Yilmaz, Economic evaluation of the building envelope and operation period of heating system in terms of thermal comfort, ELSEVIER Energy and Buildings 38, 2006. 13 ANSI/ASHRAE/IESNA Standard 90.1 2004, p. 41.

termic i luminoas care ptrunde prin ferestre i poate fi controlat cu sisteme de opacitate a ferestrelor (jaluzele exterioare). IV. Definirea sistemelor de control care acioneaz n cldirea inteligent stabilete, pe lng ncrcarea Sursele de cldur interne, necontrolate, care se nsumeaz Building and Construction Authority of Singapore Cantitatea de energie transferat prin anvelop particip la reducerea consumului sistemelor articiale de control. Sistemele de control inteligent trebuie s asigure att siguran n funcionare ct i confort ocupanilor, prin: sistemul de management a resurselor: are ca scop gestionarea optim a resurselor i distribuirea tuturor agenilor care necesit un consum de energie. De asemenea, se ocup cu managementul tipurilor de energie disponibile: neregenerabile (electric, gaz, combustibil lichid, solid) i regenerabile (eolian, solar, hidroenergie) precum i reutilizarea energiei din procesul de consum (din apa menajer, din evacuarea aerului viciat). sistemul de reglare a temperaturii: menine temperatura dorit in fiecare ncpere definit; n cazul nedefinirii unor limite de utilizarte normal, controleaz temperatura de protecie la nghe i la supranclzire; sistemul de ventilare: regleaz umiditatea i calitatea aerului n funcie de tipul de ncpere, perioada orar i tipul de activitate desfurat; sistemul de iluminat: asigur iluminarea necesar n ncperi n funcie de prezena personalului, destinaia camerei, arhitectura i mobilierul ales utiliznd iluminarea natural prin poziionarea geamurilor n tavan i controlul jaluzelelor; n funcie de cerin se suplimenteaz cu iluminare artificial; sistemul de securitate: joac un rol important n cldirile moderne, n general depozite, birouri, arhive, magazine, n funcie de valoarea protejat, dar i n cldirile rezideniale n funcie de materialele de contrucie folosite i gradul de risc. Sistemele antiefracie, antiincendiu, control-acces, supraveghere video vor colabora reciproc pentru protecia imobilului; sistemul multimedia: reprezint o facilitate modern a cldirilor fiind util n spaiile publice prin asigurarea unui climat plcut clienilor i mbuntirea comunicrii ntre departamente; n imobilele rezideniale crete gradul de confort; scenarii i combinaii de funcionare ale sistemelor de baz: sunt alese de ctre proprietar i vizeaz cele trei deziderate ale cldirii inteligente: creterea gradului de confort, optimizarea consumului de energie i sistemul de securitate pentru inducerea n eroare a persoanelor strine; reeaua de date: permite accesul la sistemele de control de la distan, prin internet. Controlul inteligent presupune respectarea unui raport optim ntre controlul pasiv (n mod natural) i cel activ (sistemele artificiale de control) prin complementarea controlului pasiv cu cel activ. Minimizarea consumului de energie necesar controlului activ al sistemelor din cldire reprezint o direcie de optimizare a cercetrilor din ultmii ani, motivat de fenomenul nclzirii globale, a condus la cutarea de noi resurse de energie care s ndeplineasc dou condiii majore: sa nu polueze i s fie regenerabile. IV.1. Abordarea multi-agent n analiza sistemelor de control Spre desebire de abordarea clasic a unui sistem, care presupune alocarea de intrri, stri i ieiri i modelarea acestor variabile n funcie de contextul sistemului, n cldirea inteligent nu se poate analiza problema ca un sistem unic datorit complexitii, pe de o parte intervin mai multe sisteme, pe de alta parte, fiecare sistem este un complex. n cldirea inteligent, n structura sistemlor de control, sunt cuprinse o multitudine de senzori, elemente de execuie i uniti de control interconectate ntre ele, formnd asftel o reea complex. Analiza sistemelor de control presupune stabilirea regulilor de funcionare a integului sistem att intrinsec ct i extrinsec: pe de o parte prin optimizarea comportmentului interior pentru atingerea cerinelor impuse, minimizarea consumului de resurse, alegerea soluei optime , iar pe de

alt parte pentru corelarea sistemului cu celelalte sisteme participante. n sensul sistemelor de control din cldirea inteligent, agentul reprezint o entitate informatic (senzor, actuator, unitate de control/comand, un sistem) care aflat ntr-un anumit context este capabil s execute aciuni autonome pentru a-i atinge obiectivele pentru care a fost proiectat. Analiza sistemelor de control este bazat pe dou concepte: 1. multi-agent: este un concept modern, orientat spre structura logic a cldirii i privete modul de organizare a entitilor funcionale (senzori, acutatoare, personal) care acioneaz n cldirea inteligent: autonomie fiecare component a sistemului (denumit agent) are capacitatea de a lua decizii n aria lui de activitate; sarcini specifice nici un agent nu are o percepeie global a sistemului, ci specific activitii pentru care a fost proiectat; adic un agent nu poate rezolva problema unui sistem intreg; descentralizare nu exist un conceptul de master/slave. n figura 4 este prezentat modelul relaional dintre agenii sistemului.

Competitie Coordonare Cooperare

Negociere

Centralizat

PlanificareFigura 4. Relaii n sistemul multi-agent

Distribuita

Conform modelului BDI, agentul execut aciuni pe baza informaiilor de stare pentru atingerea obiectivului. Modelul BDI Beliefs, Desires and Intentions cuprinde: informaiile de stare, variabilele sistemului n raport cu mediul su nconjurtor (de exemplu, valoarea curent a temperaturii, cantitatea de ap uzat, resursele de energie disponibile); obiecivul, reprezentat de sarcinile pe care acesta trebuie s le ating (spre exemplu, s menin temperatur n ncpere n limitele impuse); secvena de aciuni care urmeaz s le execute, n scopul atingerii obiectivului impus. 2. controlul fuzzy: este orientat spre metodele de implementare asupra elementelor componente, analizeaz modul n care se acioneaz un element de execuie, tipul de senzor citit, este soluia pentru sistemele imposibil de rezolvat prin metode clasice, datorit modului diferit de analiz a sistemului prin metode, funcii i algoritmi specifici.

Figura 5. Sistemele de control care acioneaz n cldirea inteligent.

IV.1.1. Controlul resurselor de energie Denumit si sistemul de management al resurselor, are ca scop gestionarea optim a tipurilor de energie disponibile: neregenerabile (electric, gaz, combustibil lichid, solid) i regenerabile (eolian, solar, hidroenergie) precum i reutilizarea energiei din procesul de consum (din apa menajer, din evacuarea aerului viciat). Se urmrete utilizarea energiei regenerabile pentru toate sarcinile i numai cnd aceasta este insuficient se aleg tipurile de energii convenionale, n funcie de impactul pe care l au asupra mediului i de costul unitar. Descriere: Sistemul de management al resurselor monitorizeaz permanent resursele disponibile i compar cerina total a sistemului cu disponibilitatea. Dac la un moment dat exist mai mult energie regenerabil dect cerina, atunci activeaz stocarea energiei pentru rezerv. Dac i rezerva este ndeplinit, se activeaz generarea de energie n sistemul energetic naional. Dac ns cerina este mai mare dect energia regenerabil disponibil sau sarcina nu poate fi ndeplinit n timpul impus datorit disponiblitii reduse a energiei, se comut pe resursele de energie convenional (combustibil, energie electric) n funcie de costul unitar.. Dac nici acestea nu pot satisface necesarul energetic, atunci analizeaz energia de rezerv i stabilete lista de prioriti pentru a menine alimentate cu energie numai componentele vitale ale subsistemelor (de exemplu, sistemul de securitate, protecia la temperaturi limit, dar fr asigurarea confortului), oprirea iluminatul daca este ziu, chiar dac iluminarea scade sub limita dorit. Potenialul energetic depinde foarte mult de zona geografic aleas (existena n apropiere a hidroenergiei, viteza medie a vntului) dar i de amplasarea imobilului (orientarea cardinal, dac se afl n apropierea unui loc mpdurit) i este direct proporional cu disponibilitatea resurselor regenerabile i a costului unitar pentru energia convenional. Tehnologia curent de obinere a energiei permite o varietate de metode i forme de transformare a resurselor n energie util, de obicei electric, n funcie de potenialul geografic, contextul economic i opiunile proprietarului. n tabelul 1 este indicat clasificarea resurselor de energie.ENERGIA NUCLEAR CONVENIONALE CRBUNI COMBUSTIBILUL FOSIL PETROL GAZE NATURALE BIOMASA ENERGIA APELOR CURGTOARE HIDROENERGIA ENERGIA VALURILOR I MAREELOR ALTE TEHNOLOGII MEDIUL AMBIANT NECONVENIONALE (REGENERABILE) ENERGIA AERULUI ENERGIA SOARELUI ENERGIA TERMIC GEOENERGIA ENERGIA GEOELECTRIC ENERGIA GEOTERMAL FARA PIESE N MICARE MOTOARE CU MAGNEI PERMANENI ENERGIA EOLIAN ALTE TEHNOLOGII

PE BAZA DE MAGNEI PERMANENI VID PE BAZA EFECTULUI DE FORM TEHNOLOGIA ORGONIC

Tipurile de energii destinate utilizrii n cldirea inteligent sunt clasificate n funcie de impactul pe care acestea l au asupra mediului, acest aspect fiind cel mai important, datorit orientrii sistemelor de control spre protejarea mediului nconjurtor. Forma final a energiei este de obicei termic sau electric. IV.2. Analiza comparativ a strategiilor de control Arhitectura sistemelor in cldirea inteligent se bazeaz pe conceptul multi-agent att la nivel global unde fiecare sistem principal este considerat un agent ct i la nivelul fiecrui sistem unde senzorii, echipamentele de execuie, unitile de control sunt ageni. n funcie de contextul n care se proiecteaz sistemele de control, exist mai multe tipuri de analiz: controlul centralizat i descentralizat (distribuit), adaptiv i optimal. Fiecare mod are avantaje i dezavantaje care vor fi analizate n cele ce urmeaz, lundu-se n considerarea i combinaia acestora. IV.2.1. Controlul centralizat Lu Shen i Byrav Ramamurthy14 exprim managementul centralizat al reelei prin utilizarea unei uniti de procesare master care deine i aloc resursele n funcie de cerina fiecrui nod. Cnd un nod necesit schimb de informaie (cu unitatea master de control) se iniiaz un canal de comunicare cu unitatea de control prin intermediul creia are loc schimbul informaional. De asemenea, unitatea de control achiziioneaz datele mrimilor de intrare prin senzori, proceseaz informaiile din care controllerul construiete imaginea general a mediului nconjurtor i pe baza crora genereaz comenzile ctre actuatoare. Figura 5 exprim sistemele care acioneaz n cldirea inteligent ntr-o topologie centralizat. Unitatea central primete informaii de la toate subsistemele i trimite mrimea de comand ctre fiecare subsistem n parte. Alegerea comenzii finale asupra unui actuator este realizat de ctre controllerul superior n colaborare cu unitatea central.

Figura 5. Controlul centralizat al cldirii inteligente.

Prin controlul centralizat, sistemul beneficiaz de puterea de procesare a controllerului principal i uurina n implementare, fr magistral de comunicare, toat procesarea de informaii avnd loc la nivel central, iar resursele se mpart n mod agenilor conform cu gradul de complexitate. Controlul centralizat este avantajos n sistemele cu numr redus de ageni, unde puterea de procesare alocat fiecrui agent este invers proporional cu numrul agenilor. Dezavantajul controlului centralizat l constituie fiabilitatea sczut, iar pentru un numr mare de intrri i ieiri se impune creterea puterii de procesare pentru satisfacerea cerinelor. n practic, centralizarea este folosit n sistemele de sine stttoare, cum ar fi: un sistem de alarm fa de detectorii de prezen sau contactele magnetice care nu au o funcionare definit n afara unitii centrale, un sistem de control acces, o central de incendiu care primete informaii14 Lu Shen, Byrav Ramamurhy, Centralized vs. Distributed Connection Management Schemes under Different Traffic Patterns in Wavelength-Convertible Optical Networks, CSE Conference and Workshop Papers, University of Nebraska Lincoln, 2002

de la detectorii de fum, butoanele de panic i comand sirenele, aceste elemente neavnd o funcionare fr unitatea de control. Trebuie fcut diferen ntre funcionarea centralizat i managementul centralizat. Funcionarea centralizat se refer la modul de control al echipamentelor, asa cum s-a amintit anterior, pe cnd managementul centralizat se refer la colectarea informaiilor de la echipamente i afiarea lor unitar pe o consol de comand, fie local, fie la distan. Deseori se face aceast confuzie, cu scopul de a oferi utilizatorului acces la resursele sistemului pentru care se propune varianta controlului centralizat printr-o prezentare analiz teoretic descentralizat, dar care are la baz un singur controller. Conform figurii 5, unitatea central preia informaiile din mediul exterior i le proceseaz pe baza regulilor implementate, dup care transmite comenzi spre actuatoare. n lipsa uniti centrale sau n cazul disfuncionalitii pariale a acesteia, ntreg sistemul este afectat. Pentru ca un sistem s fie controlat centralizat, trebuie s dispun de: o unitate central de comand i control a tuturor active ale sistemului; o baza de date cu cerinele impuse sistemului (definite de utilizator: limite de temperaturi, scenarii pentru iluminat); echipamente pentru preluarea informaiilor din mediul exterior, compatibile ca limbaj de comunicaie cu unitatea central (detectori, conexiune la internet); elemente de acionare prin care unitatea central s controleze parametri de mediu (clapete de aerisiere, relee pentru iluminat, motoare pentru jaluzele); o interfa cu utilizatorul cu seciuni distincte pentru: afiarea datele de proces care prezint interes pentru informare sau securitate; preluarea datelor de la utilizator, unde pot fi definite regimuri de funcionare, limite de temperaturi, parametri de funcionare pe zone. Optional, sistemul poate s mai dein o magistral de comunicare intre unitatea central i periferice. Limitarea echipamentelor conectate la unitatea central este c acestea nu pot transmite mesaje ntre ele n absena unitii centrale, orice mesaj este recepionat analizat i transmis mai departe de ctre unitatea central. Prin analogie cu regimurile politice, controlul centralizat poate fi privit asemenea regimului comunist, n care resursele aparineau tuturor i fiecare individ primea cele necesare traiului dup nevoile sale. IV.2.2. Controlul descentralizat Spre deosebire de controlul centralizat, controlul descentralizat aloc fiecrui agent resurse de procesare individual, pe care agentul o utilizeaz n mod independent i specific pentru ndeplinirea sarcinilor proprii. Astfel, fiecare controller (securitate, ventilaie, iluminat, etc.) dispune de puterea proprie de a lua decizii pentru satisfacerea cerinelor impuse. Arhitectura sistemelor in cldirea inteligent se bazeaz pe conceptul multi-agent att la nivel global unde fiecare sistem principal este considerat un agent ct i la nivelul fiecrui sistem unde senzorii, echipamentele de execuie, unitile de control sunt ageni. Standarde actuale care sunt bazate pe multi-agent sunt: X10 de la Siemens, Cebus de la Electronic Industry Association, LonWorks, BACnet de la ASHRAE, NEST de la Novell, EIB. Analiza extrinsec a cldirii multi-agent este reprezentat n figura 4, unde se pot observa sistemele de control care acioneaz n cldirea inteligent. Fiecare sistem este la rndul su compus din ali ageni comunic ntre ei (senzori, actuatori, controllere) pentru ndeplinirea sarcinilor din domeniul din care fac parte. Condiiile pe care un agent trebuie s le ndeplineasc pentru a fi inteligent, sunt: situarea s existe ntr-un mediu predefinit; autonomia s fie independent, necontolat din exterior; reactivitatea s rspund la schimbrile din mediul su;

proactivitatea s urmreasc atingerea scopului su; flexibilitatea s aplice mai multe metode pentru atingerea scopului; robusteea s poat reveni n funcionare normal din eventualele blocri; socializarea s interacioneze cu ali ageni.

IV.2.3. Sistemul de management al resurselor Sistemul care supravegheaz i asigur buna resursele energetice pentru toate activitile celorlalte subsisteme este sistemul managementului resurselor.

Din figura 6 se observ cmanagementul resurselor presupune cunoaterea multor informaii referitoare la habitatul cldirii (poziia geografic, perioada anual, resursele disponibile) precum i prognoza meteo. Anticiparea vremii este de mare folos n stabilirea resurselor optime care se utilizeaz n producerea de energie. Aceast informaie este obinut prin conexiune la internet n legur cu staiile meteorologice din zon. n perspectiva modern care se axeaz n principal pe protejarea mediului nconjurtor, n primul rnd prin reducere a polurii, automatizarea proceselor termodinamice in scopul obtinerii confortul dorit, trebuie s in cont pe de o parte de administrarea eficient a resurselor disponibile, unele din ele fiind foarte limitate, iar pe de alt parte de integrarea surselor regenerabile. Pentru obinerea eficienei energetice, sistemul de alocare a resurselor va trebui sa ndeplineasc urmatoarele condiii: reducerea consumului de energie (i implicit a polurii); creterea stabilitii n funcionare i a securitii ocupanilor; creterea eficienei sistemelor de control i reducerea timpului de procesare; reducerea timpului / costului de mentenan prin mbuntirea interfeelor. Relaiile de colaborare dintre sistemele de control sunt organizate pe patru nivele: nivelul organizatoric i informaional este nivelul la care sunt introduse datele specifice cldirii, din mediul nconjurtor; n genereal aici este locul unei staii de lucru sau a unei console touch-screen pentru interfaarea cu utilizatorul; nivelul de control supervizat nregistreaz i proceseaz datele i stabilete parametri in limitele corecte; nivelul de automatizare inglobeaz inteligena distribuit prin algoritmi matematici;

nivelul de fizic include senzorii si actuatoarele care au deja legturi logice reciproce de la nivelul trei. Controllerul fuzzy utilizeaz parametri care interacioneaz cu procesul de controlat prin: factorul PMV; nivelul de iluminare; temperatura; viteza vntului; umiditatea; poziia geografic; perioada orar i anual. Asupra valorilor de intrare se calculeaz eroarea dintre valoarea prescris i valoarea citit la momentul de timp nT i eroarea la momentul de timp anterior (n-1)T, iar pe baza acestor date, controlerul stabilete ieirea pentru: tipul de energie utilizat pentru prepararea apei menajere; creterea / descreterea nivelului de nclzire / rcire; nchiderea / deschiderea ferestrelor sau acionarea ventilatoarelor; controlul cantitii de lumin interioar prin comanda jaluzelelor; stabilirea de prioriti pentru utilizarea aparatelor electrocasnice; Alturi de controlerul fuzzy, anvelopa cldirii ocup un loc important n reducerea de energie consumat, prin transferul su termic i impactul pe care acesta l are asupra mediului interior, pin care poate imbunti aciunea sistemelor de control sau le poate destabiliza. Este sarcina controlerului fuzzy de a ine cont de schimbul de cldur pe cale natural intre cldire i mediul exterior. Transferul termic prin anvelopa cldirii prin tavan, perei, podea este o funcie de dependena ntre diferena de temperatur i coeficientul de transfer termic al fiecrei componente a anvelopei, prin relaia: Q= AU (T1T2)3.6 , unde: Q transferul termic; A suprafaa componentei din anvelop; U coeficientul de transfer termic; T1 temperatura interioar T2 temperatura esxterioar. Transferul termic annual n funcie de media temperaturii zilnice se poate estima cu formula:QTMZ 24 , unde: (T1T2)1000 Q A - transferul termic annual (MJ); Q - rata maxim de transfer termic (kJ/or); TMZ - temperatura medie zilnic (C); 24 - ore / zi; T1T2 - diferena de temperatur (C); 1000kJ - 1MJ. Temperatura medie zilnic este influenat de condiiile meteorologice locale i se gsete in tabele, n funcie de zona geografic unde se afl cldirea. Pentru ara noastr, n regiunea de nord la staia meteo din Baia Mare, mediile lunare pentru temperatur, presiune, umiditate, viteza vntului sunt prezentate in figura de mai jos. Q A=

Figura 4. Valori medii lunare de la staia meteo din Baia Mare

Energia utilizat pentru o anumit sarcin este aleas pe baza a patru mrimi de intrare: costul de achiziie; costul de ntreinere; disponibilitatea resursei la momentul respectiv timpul n care trebuie ndeplinit sarcina. Aceste mrimi formeaz un vector de intrare pentru controlerul de alocare a resurselor, iar pe baza regulilor fuzzy este aleas resursa optim. Regulile fuzzy vor fi n aa fel concepute, nct s acorde o pondere ridicat surselor regenerabile de energie. Controlerul pentru alocarea resurselor poate fi tratat ca un sistem cu evenimente discrete, fiecare modificare a strii sistemului fiind generat de apariia unui eveniment. De exemplu, modificarea vitezei vntului sub o anumit limit poate fi considerat un eveniment pentru recalcularea eficienei sistemului eolian sau scderea intensitii luminoase a razelor soarelui sub o anumit limit impune recalcularea cantitii de energie solar pentru stabilirea rentabilitii panourilor solare lamomentul respectiv. Pentru modelarea sistemelor cu evenimente discrete, o metod utilizat este reeaua Petri. Prin definiie, reeaua Petri este compus dintr-un tip particular de graf orientat N i o stare iniial M0 denumit marcaj iniial. Nodurile grafului sunt de dou tipuri: poziii (locaii) i tranziii, iar legturile dintre noduri sunt realizate cu arcuri orientate, care pot uni numai dou noduri diferite.

Fiecrei poziii i este atribuit o stare (marcaj, jeton). Cu aplicabilitate la controlerul de alocare a resurselor, starea iniial a acestuia este format din totalitatea mrimilor de intrare (resursele disponibile) i a cerinei de energie a sistemelor de control.Temperatur Umiditate Iluminare Viteza vntului

Stare iniial

Creterea vitezei vntului genereaz recalcularea parametrilor de alocare a resurselor

Figura 5. Exemplu de tratare a evenimentului de modificare a vitezei vntului prin tranziia la o alt stare

Parametri exteriori precum temperatura, umiditatea, viteza vntului, poziia geografic, perioada orar i anual reprezint jetoane pentru starea iniial. Orice modificare a valorilor acestor parametri determin trecerea la starea urmtoare i confruntarea acestei stri cu baza de reguli fuzzy. Regulile fuzzy vor fi implementate sub forma: DAC DAC DAC DAC Tin < 7C Tin > 7C Vv < 10m/s Tex < 10C ATUNCI ATUNCI ATUNCI ATUNCI COMAND NCLZIREA DE PROTECIE VERIFIC TEMPERATURA DORIT OPRETE SISTEMUL EOLIAN OPRETE SISTEMUL SOLAR

IV.2.4. Sistemul de reglare a temperaturii Este cel mai complex controller datorit att regimului neliniar de variaie a temperaturii ct i

Alimentarea cu energie Sistemul de alimentare cu energie Sistem electric Combustibil lichid/solid/gaz

Energia solara

Energia eoliana

Hidro-energia

Generare energie

Asociaza prioritati pentru consmul energiei

Raport stare resurse

Ceas de timp real

Controller pentru alimentarea cu energia si alocare a resurselor control control raspun raspun s Energies Apa calda de rezerva electrica de rezerva starea Alimentare cu energie Controler de prioritati prioritate stare Controler clima stari comenzi Running modes controller

Statia meteo

prioritate

prioritate

prioritate

stare

Iesire regulator Aer conditionat Boiler Controler de securitateFigura 6. Sistemele care acioneaz in cldirea inteligent

Controler de scenarii