Aurinkoenergiajärjestelmien integrointi rakennuksiin ja kiinteistöautomaatioon

Transkriptio

1 Aurinkoenergiajärjestelmien integrointi rakennuksiin ja kiinteistöautomaatioon Petri Lähde, Suvi Karirinne, Saku Rantamäki ja Antti Teräsvirta Satakunnan ammattikorkeakoulu

2 2 SISÄLLYS: 1. Esipuhe Aurinkoenergia, tekniikat ja rakennusintegraatio Rakennusintegraation mahdollisuudet Energiantuotto Keräinten sijoituskohteita Keräinten suuntaaminen Kallistus Suuntaus Asennuksessa huomioitavaa Aurinkolämpö Tasokeräin Tyhjiöputkikeräin Yksinkertaiset tyhjiöputket Kaksinkertaiset tyhjiöputket Aurinkoilmakeräimet Aurinkosähkö Kiteiset piikennot Yksikiteinen piikenno (c-si) Monikiteinen piikenno (p-si) Ohutkalvokennot Amorfinen pii (a-si) CIS/CIGS kupari-indium-gallium-seleeni (CuInGaSe2) Kadmium-telluuri(CdTe) Tandempiikenno a-si/µc-si Varjostus Ulkonäkö Kiinteistöautomaation perusteet Kiinteistöautomaation rakentamisen ongelmat Hajauttaminen vai keskittäminen Automaation rakennuspalikat Hajautettu toiminnallisuus globaali tietoisuus Rakennusautomaation standardit ja protokollat Toimilaiteverkot ja IEEE JDDAC Lähteet:...33

3 3 1. Esipuhe Aurinkoenergiajärjestelmien markkinat ovat voimakkaassa kasvussa maailmalla Saksan toimessa veturina. Suomalaisetkin markkinat ovat heräämässä ja rakennusmääräysten kiristyessä ja 0-energiatalokonseptien tulon myötä. Kiinteistöjen aurinkojärjestelmät ovat ohjauksen kannalta hieman haasteellisia sillä aurinkoenergia on jaksottaista. Se johtaa siihen, että aurinkojärjestelmät ovat osajärjestelmiä ja että energiaa on osattava käyttää ja varastoida järkevästi. Kaiken tämän pitäisi tapahtua käyttäjälle sähkölämmityksestä opitulla vaivattomuudella ja kohtuullisella investointikustannuksella. Lisäksi kuluttajan tulisi saada reaaliaikaista tietoa säästyneestä energiasta/tuotetusta aurinkoenergiasta. Talopakettitoimittajien, rakennusliikkeiden ja satakuntalaisten aurinkoenergiayritysten välillä on käynnistymässä hankekokonaisuus, jossa tähdätään siihen että aurinkojärjestelmät olisivat osa talotoimitusten optiojärjestelmää. Satakuntalaisella SolarForum -aurinkoenergiayritysryhmällä on pitkäaikainen kokemus teollisuusautomaatiosta ja osa yrityksistä on pyrkimässä aurinkojärjestelmätoimittajiksi. Tavoitteenamme on valmistella laajempaa yritysvetoista kehityshanketta, jossa kehitetään tuotteita talo- ja rakennusteollisuuteen suunnattuihin aurinkoenergiajärjestelmiin. Tuotetaan sopivaa tietoa yrityksille, jotta nämä voisivat hyödyntää teollisuusautomaatio-osaamistaan tuotteistaessaan aurinkojärjestelmiin liittyvää kiinteistöautomaatiota, sekä synnyttää alan osaamista ja tietämystä Satakunnan Ammattikorkeakouluun.

4 4 2. Aurinkoenergia, tekniikat ja rakennusintegraatio Integraation lähtökohtana on, että keräinmoduuli täyttää energiankeruun ohella myös toisen tehtävän. Sitä voidaan käyttää korvaamaan katemateriaali, seinä tai ikkuna, sitä voidaan käyttää ääniesteenä tai koristeelementtinä. Jos keräin poistetaan rakenne jää vajaaksi tai sen toiminnallisuus on puutteellinen. Rakennusautomaatiolla tarkoitetaan yleisesti rakennuksen toimintaa ohjaavia järjestelmiä, ottamatta niinkään kantaa järjestelmien tekniseen toteutukseen. Se lasketaan erääksi automaation osa-alueeksi, vaikka erityispiirteidensä vuoksi rakennusautomaation toteutukset ovat monesti hyvinkin poikkitieteellisiä Rakennusintegraation mahdollisuudet - Rakennusten energiatehokkuuden parantaminen. Rakennuksen käyttämän sähkö ja lämpöenergian tuottaminen. Lämpökuorman pienentäminen varjostamalla ja keräämällä lämpö hyötykäyttöön. - Toiminnallisuuden parantaminen. Vähennetään ulkoisen energian tarvetta ja lisätään omavaraisuutta. Säästöjä sähkö ja lämmitysmaksuissa. Säästöjä rakennuskustannuksissa verrattuna perinteisiin jälkiasennettuihin aurinkoenergiankeruujärjestelmiin. Saadaan aikaiseksi esteettisesti miellyttäviä keräin ratkaisuja. - Uusien visuaalisten ilmeiden luonti. Näyttäviä ulkoverhous ratkaisuja, yksityiskohtia ja tunnuksenomaisia piirteitä. Vaihtoehtoja perinteisten ratkaisujen tilalle kuten aurinkolipat ja ikkunoiden varjostus. Julkisivujen koristelu. - Positiivisen julkisuuskuvan luonti. Panostukset energiatehokkuuteen ja ympäristöystävällisyyteen Energiantuotto Aurinkosähköpaneeleilla saatava energia optimaalisella asennuskulmalla (Suomessa 45 ) vaihtelee paneelityypistä riippuen kwh neliömetriltä. Aurinkolämpökeräimellä saatava energia on noin kwh/m² vuodessa. Euroopan komission Joint Reasearch Centre on julkaissut karttoja joissa on alueittaisia maksimituotanto-mahdollisuuksia. Karttojen tietojen perusteella voi laskea suuntaa antavan vuosituoton käyttämällä keräimen hyötysuhdetta apuna. Kuva 1 esittää yleisessä käytössä olevaa karttaa Euroopan alueen tuottomahdollisuuksista.

5 Kuva 1. Auringon säteilymäärät alueittain. /1/ 5

6 Keräinten sijoituskohteita Periteisiä keräinten sijoituskohteita ovat katot ja seinät. Kattoikkunoihin upotetut keräimet, varjostavat rakenteet kuten säleiköt ja lipat kuvissa 2 ja 3 sekä ulkoväylien katteet ja terassikatteet kuvissa 4 ja 5. Kuva 2. Espoon Otaniemessä sijaitseva Valotalo jossa säleikköön asennettuja aurinkopaneeleja. /2/ Kuva 3. Markiisit korvattuna aurinkopaneeleilla. /3/

7 7 Kuva 4. Aurinkopaneeleista tehty katos. /4/ Kuva 5. Pergolan katoksi asennettuja aurinkopaneeleja Ekoviikissä. /5/

8 Keräinten suuntaaminen Kallistus Parhaan tuoton keräimistä saa suuntaamalla ne Etelään tai kaakko-lounas välille. Optimi asennuskulma on pohjoisella pallonpuoliskolla leveysaste miinus 9 astetta. Esim. Porissa 61-9 =52. Tätä suuremmalla kulmalla painotetaan järjestelmän syksy ja kevättuottoa, vastaavasti pienemmällä kulmalla saadaan keskikesällä suurempi tuotto. Optimaalinen tuotto saadaan paikasta riippuen asteen välissä. Kallistus ilmoitetaan useimmiten vaakasuorasta pinnasta kuten kuvassa 6, mutta joskus puhutaan myös pystysuorasta pinnasta mitatulla kulmalla. Väärinymmärrysten välttämiseksi tulee sopia, kumminpäin kulmasta puhutaan. Kuva 6. Paneelin kallistus. /6/ Suuntaus Keräimet sopivat kaikille pinnoille ja rakenteisiin joihin aurinko pääsee paistamaan. Yleisesti etelän suuntaa olevat ja hieman kallistetut pinnat ovat parhaita. Kallistuskulma vaihtelee maantieteellisen sijainnin mukaan. Suuntakulmasta käytetään nimitystä atsimuuttikulma, jonka nollakulma on suoraan etelässä. Itään eli vastapäivään mentäessä kulma on negatiivinen ja länteen eli myötäpäivään mentäessä kulma on positiivinen. Keräimen atsimuuttikulman pitäisi osua välille astetta, jotta säteilyä olisi riittävästi saatavilla. Kuvassa 7 esitetään saatavaa energiamäärää suhteessa optimaaliseen kulmaan, josta saadaan 100%:n energiamäärä. Kuva 7. Suuntauksen vaikutus tuottoon. /7/

9 Asennuksessa huomioitavaa Aurinkosähkökeräimien asennuksessa tulee huomioida riittävä ilmanvaihto keräimen takana. Paneelin tumma pinta voi lämmetä suorassa auringonpaisteessa jopa yli 60 asteiseksi jos ilmankierto ei ole riittävä. Paneelin lämpötilan noustessa sen hyötysuhde huononee eli energiantuotto pienenee. Perinteisessä yksikiteisessä piikennossa hyötysuhde huononee 0,4-0,5 % astetta kohden. Amorfisesta piistä tehdyillä ohutkalvokennoilla hyötysuhteen lasku on 0,1 0,2 % astetta kohden ja CIS ja CdTe tekniikoilla 0,2 0,5 % astetta kohden. Riittävä ilmankierto voidaan varmistaa asentamalla paneelit kiskoilla irti pinnasta kuten kuvat 8 ja 9 esittävät. Kuva 8. Havainnekuva ilmankierron järjestämisestä. /8/

10 10 Kuva 9. Käytännön toteutus, jossa ilman vaihtuminen on huomioitu hyvin. /9/ 3. Aurinkolämpö Auringon lämpösäteily voidaan hyödyntää käyttöveden- tai rakennuksen lämmitykseen ja näin vähentää ostettavan energian määrää. Lämpöä voidaan kerätä talteen varta vasten tehdyillä keräimillä kuten taso- ja tyhjiöputkikeräimillä tai seinämateriaaliin integroiduilla keräinputkistoilla ja kanavilla Tasokeräin Keräimessä on useimmiten kupariputkia joihin on kiinnitetty ohut absorptiopinnoitteella päällystetty kuparilevy kuten kuvassa 10. Osat on koteloitu lämpöeristettyyn lasikannelliseen koteloon, jonka kulmissa on yhteet putkistolle. Tasokeräimiä tehdään myös mittatilaustyönä suurille pinnoille, jolloin pinnasta saadaan yhtenäinen vedenpitävä ja tyylikkään näköinen. Kuvassa 11 on rakenteilla tasokeräimen integrointia tiilikatteeseen. Keräimiä saatavissa eri sävyisinä, yleisimmin sininen harmaa ja musta. Pinta lasi voi myös olla kirkas, sumea tai viistosta katsottuna läpinäkymätön.

11 11 Kuva 10. Läpileikkaus tasokeräimestä. /10/ Kuva 11. Tx keräimen upotettu asennus. /11/ Tasokeräimiä on jo kymmeniä vuosia käytetty pientalojen lisälämmönlähteenä. Keräinpaneelit on perinteisesti asennettu jälkiasennuksena katolle päälliskatteen päälle. Uusien materiaalien ja kehittyneiden valmistustekniikoiden ansiosta keräimistä saadaan nykyään ohuempia ja tämä helpottaa niiden upottamista kattorakenteeseen.

12 12 Keräimet voivat olla myös osa rakennetta kuten alla olevassa kuvassa 12. Yläterassin kaide on tehty keräimistä ja näin keräimet on saatu parhaiten tuottavaan asennuskulmaan. Paneelit on myös erittäin helppo puhdistaa lumesta, jolloin saadaan hyödynnettyä jo kevään ensimmäiset aurinkoiset päivät. Kuva 12. Keräinten asennus kaiteeseen. /12/

13 Tyhjiöputkikeräin Tyhjiöputkikeräin koostuu rivistä lasisia putkia joissa lämpöeristeenä toimii tyhjiö. Auringon lämpösäteily läpäisee tyhjiön ja lämmittää putken sisällä olevan keräinelementin kuvassa 13. Keräinelementistä lämpö siirtyy putken toisessa päässä oleva tukkiin josta se otetaan talteen. Kuva 13. Tyhjiöputken rakenne. /13/ Yksinkertaiset tyhjiöputket Yksinkertaisissa tyhjiöputkissa koko putken sisusta on tyhjiötä, jossa lämpöä kerätään absorptiolevyllä. Levyyn on kiinnitetty suora Heat-pipe tekniikalla toimiva lämmönsiirtoputki tai U-muotoinen putki jossa lämmönsiirtoneste virtaa Kaksinkertaiset tyhjiöputket Kaksinkertaisissa tyhjiöputkissa on termopullomainen rakenne, eli tyhjiö on kahden lasiputken välissä. Sisemmän lasiputken pinnassa on absorptiopinnoite, joka siirtää lämmön sisällä olevaan putkeen kuvassa 14 näkyvää alumiinista valmistettua putken pidikettä myöden. Kuva 14. Kaksinkertaisia tyhjiöputkia. /14/ Tyhjiöputkilla ei varsinaisesti pysty korvaamaan mitään seinä tai ikkunaelementtiä, joten niitä voidaan käyttää koriste-elementtinä tai ne voidaan yrittää piilottaa suorilta katseilta. Kuvissa 15 ja 16 on Mälmössa sijaitsevan Salt & Brygga ravintolan seinällä oleva keräinkenttä joka on samalla koriste-elementti.

14 14 Kuva 15. Salt & Brygga building, jossa tyhjiöputkikeräimiä koriste-elementtinä. /15/ Kuva 16. Salt & Brygga building, Putket asennettu vaakaan. /16/

15 15 Tyhjiöputkikeräin ei ole yhtä herkkä suuntaukselle kuin tasokeräin, koske pyöreät putket keräävät valoa hyvin myös sivusuunnalta. Keräimistä on tarjolla niin pysty kuin vaakamallisena joten rakennukseen sijoittelu ei tuota ongelmia Aurinkoilmakeräimet Tummien seinä- ja kattopintojen keräämää lämpöä voidaan hyödyntää imemällä ilmaa niiden alapuolelta kuten kuvassa 17. Ilmanvaihdon esilämmitys voidaan näin n hoitaa todella edullisesti. Kesäaikaan kuumasta ilmasta voidaan tehdä lämmintä käyttövettä ilma-vesi-lämpöpumpulla, jolloin päästään korkeisiin COP arvoihin. Kuva 17. Solar Wall toimintaperiaate pätee lähes kaikkiin ilmalämpökeräimiin. /17/ Euroopan suurin aurinkoilmakeräin valmistui vuonna 2007 Puolaan. Kuvassa 18 Krause-Werk:in tuotantohallin seinään on asennettu 2000 m 2 mustaa keräinseinää, jossa lämmennyt ilma puhalletaan halliin. Seinällä säästetään 300MWh energiaa vuodessa ja sen takaisinmaksuaika on noin viisi vuotta

16 16 Kuva 18. Aurinkoseinä. Krause-Werk GmbH Co. /18/ Aurinkoilmakeräin käy myös pienempiin kohteisiin kuten kuvassa 19 olevaan Kentucky Fried Chicken ravintolaan Northampton, Massachusetts, USA:ssa. Tumma seinä tuottaa a vuodessa noin 29MWh lämpöenergiaa. Kuva 19. Solar Wall aurinkoseinä KFC ravintolassa Northamptonissa. /19/

17 17 4. Aurinkosähkö Sähkökennojen käyttöikä yltää usein pitkälle yli 20 vuotta. Käyttöiäksi ilmoitetaan usein vertailuaika vuotta, jonka aikana tuotto saa tippua 80% alkuperäisestä. Ensimmäinen Eurooppalainen verkkoon kytketty keräinlaitos asennettiin vuonna 1982 ja se on menettänyt vain 15% alkuperäisestä tehostaan. Paneeleiden tuottama sähkö on helppo johtaa rakennuksen sähköjärjestelmään invertterin kautta. Suuremmissa kiinteistöissä, joissa on jatkuvaa kulutusta, ei akustoja välttämättä tarvitse käyttää. Asennuksessa tulee huomioida riittävä ilmankierto myös paneelin taustapuolella. Paneelien lämmetessä niiden hyötysuhde heikkenee hivenen ja korkeissa lämpötiloissa (yli 50 C) myös paneeleiden käyttöikä lyhenee. Aurinkopaneelien paino vaihtelee perinteisillä piikristallikennoilla 9-18 kg/m², ja ohutkalvokennoilla 3-13 kg/m². Paneelien suhteellisen kevyt paino ei juuri rajoita sijoittelua, rajoittavaksi tekijäksi lähinnä kattoasennuksissa tulee tuulikuormien huomiointi Kiteiset piikennot Suurin osa aurinkopaneeleista valmistetaan kiteisestä piistä luvulla alkanut elektroniikkateollisuuden nopea kehittyminen edellytti suuria satsauksia piin sähköisten ja kemiallisten ominaisuuksien tutkimiseen. Kun piin ominaisuudet tunnettiin hyvin ja sitä oli hyvin saatavilla tuli siitä ensimmäinen ja yleisin aurinkokennon raaka-aine. Kiteisillä kennoilla on edelleen kennoteknologioista suurin noin 75%:in markkinaosuus. Tähän pääasiallisena syynä on muita kennotyyppejä korkeampi hyötysuhde ja hintojen nopea lasku viimevuosina tehostuneiden valmistustekniikoiden ja kasvaneen kysynnän vuoksi. Piikennojen raaka-ainetta on lähes loputtomasti saatavilla ja edullista elektroniikkateollisuuden jätepiitä on voitu hyödyntää kennojen tekemisessä. Kiteisten kennojen kohtaloksi voi muodostua niiden suuri materiaalikulutus raakapiin hinnan noustessa kasvavan kysynnän myötä, sekä useita työvaiheita sisältävä runsaasti automaatiota vaativa tuotanto Yksikiteinen piikenno (c-si) Yksikiteiset piikennot leikataan suuresta sylinterimäisestä piikiteestä. Jotta kennot saadaan ladottua paneelin mahdollisimman monta ja suuren alan peittävästi, leikataan niistä suorakulmiota muistuttavia. Näin paneeleista saadaan kustannustehokkaita ja esteettisesti paremman näköisiä. Kuvassa 20 on erivärisiä piikennoja leikattuna. Paneeleiden teho on Wp/m² ja hyötysuhteet liikkuva 15% ja 22% välillä.

18 18 Kuva 20. Yksikiteisiä piikennoja eri väreissä. /20/ Monikiteinen piikenno (p-si) Monikiteisiä piikennoja valmistetaan leikkaamalla suorakulmaisesta kappaleesta, johon on puristettu yhteen useita piikiteitä. Kiderakenne näkyy selvästi kennon pinnalla. Suorakulmaisen muotonsa vuoksi kennot saadaan asennettua paneeliin tiiviimmin ja näin neliömetriltä saatava tuotto on lähes sama kuin yksikiteisestä piistä valmistetuilla paneeleilla, vaikka hyötysuhde onkin pienempi. Kuvassa 21 on eri väreissä saatavia monikiteisiä piikennoja. Teho on Wp/m² ja hyötysuhteet liikkuva 10% ja 15% välillä.

19 19 Kuva 21. Monikiteisiä piikennoja eri väreissä. /21/ 4.2. Ohutkalvokennot Ohutkalvokennoja on useita eri materiaaleista valmistettuja vaihtoehtoja: Amorphous Silicon, amorfinen pii (a-si) CIS/CIGS Cadmium Telluride (CdTe) Gallium Arsenide (GaAs) Toiminta perustuu aineen mikroskooppisen pieniin kiderakenteen ominaisuuksiin, joka mahdollistaa hyvin ohuen kennomateriaalin valmistuksen. Vain muutaman mikrometrin paksuinen puolijohdekomponentti vähentää materiaalikustannuksia ja kennon hintaa. Kennoissa käytetään monia eri aineyhdisteitä ja kennojen hyötysuhteet vaihtelevat 5-20% välillä, suurimmalla osalla myynnissä olevista kennoista hyötysuhde jää kuitenkin alle 10%. Teho liikkuu välillä 40-65Wp/m². Perinteisiä aurinkokennoja yksinkertaisempi valmistusprosessi on mahdollista automatisoida hyvin pitkälle. Ohutkalvotekniikassa yleensä ohuen ja taipuisan kalvon päälle kerrostetaan puolijohdemateriaalia atomikasvatusperiaatteella. Ohutkalvoaurinkokennoa voidaan tehdä rullalta-rullalle menetelmällä edullisesti suuria määriä. [3]

20 20 Ohutkalvokennojen käyttö rakennusintegraatiossa on lisääntymässä suurin harppauksin. Käyttöä edesauttaa kiteisiä kennoja edullisempi hinta ja laajemmat käyttömahdollisuudet taipuisan kalvon vuoksi. Uutuutena on tarjolla integrointi erilaisiin markiiseihin ja varjostuskankaisiin (kuva22). Kuva 22. Markiisiin integroitu ohutkalvokeräin. /22/ Amorfinen pii (a-si) Ohutkalvokennoista suurin osa perustuu amorfiseen piihin. Se on ensimmäinen ohutkalvoteknologia ja eniten tutkittu sekä kehitetty. Amorfinen pii kattaakin ohutkalvomarkkinoista 60% ja koko aurinkokennomarkkinoistakin 7%. Amorfisella piillä on sovelluskohteita aurinkokennoteollisuuden ulkopuolellakin, mistä johtuen sen ominaisuudet tunnetaan hyvin. Amorfisesta piistä valmistetut kennot ovat hyvin kevyitä, joustavia, säteilyä kestäviä sekä myös ympäristöystävällisiä. Kennojen suurin etu muihin tekniikoihin verrattuna on, että niiden hyötysuhde ei laske kennon kuumentuessa. Nykyisin kennon hyötysuhde on noin 6-8% CIS/CIGS kupari-indium-gallium-seleeni (CuInGaSe2) Hyvän rakenteensa ja melko yksinkertaisten aineosiensa takia CIGSa pidetään ehkä lupaavimpana kennomateriaalina. CIGS-kennoja voidaan painaa metallia sisältävän pohjan päälle, jolloin alusta toimii toisena elektrodina. Niiden alustamateriaalina voidaan käyttää myös lasia kun käytetään pohjalla johtavaa lisäkerrosta. Sinkkioksidi toimii toisena elektrodina. Kuvissa 23, 24 ja 25 esimerkit CIS ja CIGS kennoista sekä kuvassa 26 CIGS kennon rakenne. Yksi CIGS-kennojen kilpailuetu muihin aurinkokennoihin verrattuna on niiden edulliset valmistuskustannukset. [3]

21 21 Kuva 23. Odersun CIS keräimiä joita saa myös läpikuultavina. /23/ Kuva 24. CIGS taipuva keräin. /24/

22 22 Kuva 25. Unisolar CIGS kalvon asennus katolle. /25/ Kuva 26. CIGS kennon rakenne. /26/

23 Kadmium-telluuri(CdTe) Kadmium-telluuri (CdTe) kennot ovat nousseet haastamaan amorfiseen piihin perustuvat kennot. CdTe kennojen valmistus ei vaadi niin suuria alkuinvestointeja kuin piikennojen tuotanto. Kuva 27 esittää CdTekennon rakennetta. Kenno toimii kohtalaisen tehokkaasti myös pilvisellä säällä, eikä ole herkkä lämpötilanmuutoksille joten sitä käytetään usein keskittävissä PV-sovelluksissa. Moduulit ovat usein 1m 2 kokoisia hyötysuhteen ollessa hieman yli 10% ja huipputeho n 90W. Kuva 27. CdTe kennon rakenne /27/ Tandempiikenno a-si/µc-si Yhdistelmäkenno, jossa on amorfista ja kiteistä piitä. Amorfinen pii absorboi auringon säteilyä 40 kertaa tehokkaammin kuin kiteinen pii. Yhdistelmällä pystytään hyödyntämään molempien parhaita puolia ja laajennettua spektriä jolta kerätään energiaa. Hyötysuhde 8-12%. Valmistajia mm. NorSun ja SunFilm. Kuva 28. Tandempiikenno /28/ 4.3. Varjostus Aurinkosähköpaneelien sijoitus pitää suunnitella siten ettei paneeleihin tule varjostuksia. Paneelien kennot ovat kuin sarjaan kytkettyjä paristoja, jolloin yksi rikkinäinen paristo eli tässä tapauksessa varjostettu kenno- pudottaa tehoa radikaalisti. Kuva 29 esittää mahdollisia varjostuksen aiheuttajia.

24 24 Kuva 29. Esimerkkejä osittaisesta varjostuksesta /29/ 4.4. Ulkonäkö Aurinkosähkökennoissa on satoja erinäköisiä vaihtoehtoja toteuttaa keräinjärjestelmä. Paneeleissa voidaan muuttaa kennojen, taustan ja kehysten väriä sekä pinnan heijastavuutta. On mahdollista saada osittain läpinäkyviä paneeleita, sekä lähes huomaamattomia ohutkalvopaneeleita esimerkiksi ikkunoiksi. Myös erilaisia kuviointeja ja muotoon taipuvia paneeleita on markkinoilla. Useimmiten värjätyillä kennoilla tai läpinäkyvyydellä on negatiivinen vaikutus paneelin tuottoon, mutta huomaamattomia paneeleita voidaan usein myös asentaa rakennukseen enemmän. Taulukko 1. Saatava tuotto erivärisillä kennoilla verrattuna tavanomaiseen siniseen kennoon [4]. Väri Monikiteinen piikenno Yksikiteinen piikenno Sininen 100% 100% Harmaa 73-80% 84% Punainen 77-80% - Ruskea 81-90% 87% Keltainen 83-93% 81% Vihreä 89-98% - Magenta - 78% Ohutkalvokennoille ei ole vastaavaa taulukkoa, koska valmistajat tarjoavat vain yhtä väriä. Eri valmistajilla on eri värit ja kennojen valmistustapa vaihtelee, joten niitä ei voi vertailla. Paneelien ulkonäköön saadaan vaihtelua myös kennojen muodolla ja asettelulla. Erinäköisiä kennoja ja niiden mahdollisia asetteluita esitellään taulukossa 2.

25 25 Taulukko 2. Erinäköisiä kennoja ja niiden mahdollisia asetteluita [5]. Lasiin upotetuilla kennoilla voidaan vähentää liika säteilyä sisätiloihin ja samalla saada sähköä esimerkiksi jäähdytysjärjestelmän käyttöön. Läpinäkyvyyttä voidaan lisätä asentamalla kennot harvempaan tai käyttämällä ohutkalvokennoja (Kuva 30). Kuva 30. Esimerkkejä muutamista osittain läpinäkyvistä asennuksista. /30/ 5. Kiinteistöautomaation perusteet

26 26 Siinä, missä rakennus- tai kiinteistöautomaatio liitetään usein kaupallisten rakennusten sisäiseen toimintaan, keskittyvät sen alahaarat, koti- ja huoneautomaatio enemmän käyttömukavuuden parantamiseen. Mitkä ovat rakennusautomaation tärkeimmät tehtävät on hyvinkin subjektiivinen kysymys, jonka vastaukseen vaikuttaa suuresti kohde, jossa sitä käytetään. Tästä johtuen lienee hyvä käydä läpi hieman perusasioita rakennusautomaation eri osa-alueista. Vaikka virallisia viitteitä ei löydykään, on LVI-tekniikan nopea kehitys viimeisinä vuosikymmeninä ja energian jatkuvasti kallistuva hinta olleet varmasti suurimpia ajureita rakennusautomaation kehittymiselle. LVI-tekniikan automatisoinnilla saavutetaan parantuneen käyttömukavuuden lisäksi myös merkittäviä taloudellisia säästöjä. Säästöt voivat olla joko suoria, tai epäsuoria. Suoraa säästöä saavutetaan esimerkiksi ilmanvaihdon lämmön talteenoton optimoinnilla ja epäsuorasta säästöstä esimerkiksi otettakoon hyvän työilman vaikutus työntekijöiden tulokseen. LVI-järjestelmien automatisointi tuo anturointien kautta mahdollisuuden mitata ja käyttää järjestelmän ohjauksessa apuna parametreja, joiden käyttö ei ole ollut järkevällä tavalla mahdollista aikaisemmin. Tällaisia asioita ovat mm. ilman happi-, hiilidioksidi-, hiilimonoksidipitoisuuksien ja kosteuden reaaliaikainen valvonta ja järjestelmän toiminnan ohjaus mitattujen parametrien avulla. Rakennusautomaatiolla pystytään luomaan myös turvallisuutta. Kulunvalvontajärjestelmien, sähkölukkojen ja hälytysjärjestelmien avulla pyritään pitämään ei-toivotut henkilöt pois paikoista joihin heillä ei ole asiaa. Näin voidaan suojata tietoja, materiaa ja henkilöitä niin itseltään (esim. vaaralliset laboratoriotilat) kuin ulkopuolisiltakin. Kulunvalvontajärjestelmään voidaan helposti liittää paitsi työajanseuranta, mutta myös muita rakennusautomaation järjestelmiä. Tilatietoinen kulunvalvonta auttaa pelastushenkilökuntaa suuren kiinteistön tulipalossa. Toisaalta sähkölukoilla varustettu omakotitalo voi siirtyä automaattisesti poissaolotilaan katkaisemalla sähköt tarpeettomilta laitteilta ja pudottaen huoneiston lämpötilaa kun perhe lähtee kahdeksi viikoksi tuntureille laskettelemaan. Samalla järjestelmä tietysti kytkee murtohälytyksen päälle ja lähettää tekstiviestillä naapurille satunnaisen tunnusluvun, jolla tämä pääsee kastelemaan kukat tämä siis, jos automaatiojärjestelmä ei itse osaa kukkia kastella. Koti- ja huoneautomaatio ovat rakennusautomaation alahaaroja. Kotiautomaation ja suurempien kiinteistöjen automaation ideologia on samankaltainen, mutta niiden tavoitteet ja toteutustavat poikkeavat toisistaan. Suuremmissa kiinteistöissä toimintavarmuus on yksi tärkeä suunnittelukriteeri ja kotiautomaatiossa painotetaan enemmän käytettävyyteen ja laajennettavuuteen. Laajennettavuuden ja hinnan vuoksi tietokoneet ovat muodostuneet kotiautomaation tärkeimmäksi rakennuspalikaksi. Toimielinlaitteet (mm. anturit) valitaan kodeissa yleensä hinnan ja käytettävän liitännän mukaan. Suuremmissa kiinteistöissä luotetaan enemmän prosessiautomaatioissa ja tehtaissa käytettyihin laitteisiin. Huoneautomaation tarkoitus on miltei aina tuoda käytettävyyttä ja kohottaa omistavan yrityksen imagoa. Huoneautomaatiota käytetään niin AV-, kokous-, kuin luentotilojenkin laitteistojen ohjaukseen, tuomaan tilaan interaktiivisuutta. Näin esimerkiksi valaistus saadaan säätymään automaattisesti diaesitykseen sopivaksi ilman, että esittäjän täytyy koittaa yksitellen läpi kaikki kokoustilan kahdeksan valokatkaisijaa. Yhteenvetona voitaneen todeta, että rakennusautomaatiolla käsitetään monta asiaa ja jos jokin valmistaja myy rakennusautomaatiojärjestelmää, on kyseessä paketti joka sisältää vain tietyt toiminnallisuudet, rajapinnat muihin saman valmistajan laitteisiin ja mahdollisesti, mutta liian harvoin rajapinnan ulkopuolisiin järjestelmiin. Rakennusautomaatiojärjestelmien kehittämistä ohjaa etenkin kaupallisella puolella tarve tai mahdollisuus taloudelliseen säästöön. Säästöä tavoitellaan esimerkiksi energian säästöllä, työilman parantamisella tai työturvallisuuden parantamisella.

27 Kiinteistöautomaation rakentamisen ongelmat Jos unohdetaan kotinikkareiden internetiin kytkemät kahvinkeittimet ja keskitytään kaupallisten järjestelmien rakentamiseen ja käyttöönottoon. Ei siksi, että kotinikkareiden tuotokset olisivat toteutukseltaan huonompia vaan päinvastoin niiden huonontaminen kaupallisiksi tuotteiksi vaatii vielä paljon työtä ja resursseja. Rakennusautomaatiojärjestelmien suunnittelu alkaa tarvekartoituksella, jonka jälkeen valitaan järjestelmän toteutustapa. Jos jollakin valmistajalla on myydä juuri oikeanlainen, todennettu tuote tai konsepti, se pystyy todennäköisesti tekemään tarjouskilpailussa parhaimman tarjouksen. Lisäksi kyseinen valmistaja pystyy tarjoamaan edullisesti myös muita omia tuotteitaan yhteensopivina tarjotun järjestelmän kanssa. Miten käy, jos järjestelmää halutaan myöhemmin laajentaa toisen valmistajan tuotteilla? Esimerkiksi, miten käy jos rakennuksen lämmityksestä vastaava hakepoltin saa kaverikseen aurinkoenergiajärjestelmän? Parhaimmassa tapauksessa alkuperäinen järjestelmätoimittaja haluaa laajentaa tuoteperhettään ja lisää tuen aurinkokeräimille. Pahimmassa tapauksessa koko vanha järjestelmä joudutaan viemään kierrätyskeskukseen kierrätysmaksua vastaan. Todennäköisimmässä tapauksessa valmistaja suostuu perehtymään tilanteeseen, mutta samassa toteaa että järjestelmän räätälöinnistä veloitetaan viiden tuotekehitystiimiläisen palkka ennalta määräämättömältä ajalta, koska sen tyyppinen tuotekehitys ei kuulu heidän yrityksensä strategiaan. Tällainen tilanne syntyy helposti, jos järjestelmän laajennettavuutta ei oteta huomioon suunnitteluvaiheessa. Monet tiettyä tarkoitusta varten rakennetut järjestelmät käyttävät myös kyseistä tarkoitusta varten suunniteltua elektroniikkaa geneerisen logiikan tai yleiskäyttöisen tietokoneen sijasta. Jos kyseessä on erikoisempi automaatiosovellus, pitää se todennäköisesti räätälöidä jonkin asiantuntijatiimin ja toteuttavan osapuolen kanssa yhteistyössä. Tällöin järjestelmän suunnittelemiseen, toimintaperiaatteen idean siirtämiseen asiantuntijoilta tekijöille, järjestelmän rakentamiseen ilman rutiinia ja hioutuneita toimintatapoja sekä mahdolliseen hienosäätöön menee paljon työtunteja ja sitä kautta pääomaa. Tällaisissa ratkaisuissa itse toteutus on usein skaalautuvampi, koska käytännössä räätälöity ratkaisu kannattaa yleensä toteuttaa toimivaksi todetulla geneerisellä logiikalla. Tietysti järjestelmän laajentaminen tai muuttaminen vaatii olemassa olevan järjestelmän tuntemusta ja kuten ohjelmistotekniikan parissakin monesti käy, jossain välissä tulee vastaan piste, jolloin vanhan järjestelmän muokkaaminen tulee työläämmäksi mitä uuden rakentaminen. Eräs tapa saada tällaisen järjestelmän kustannuksia pienemmäksi olisi uudelleenkäytettävyyden parantaminen niin suunnittelun kuin toteutuksenkin osalta. Tämä kuitenkin edellyttäisi, että ongelmat jotka tulevat vastaan näissä molemmissa on jo ennalta ratkaistu tai on tiedossa, että samojen ongelmien kanssa joudutaan tekemisiin myöhemminkin. Koska intellektuellilla omaisuudella on oma markkina-arvonsa, tieto ja valmiit ratkaisut maksavat ja mikäli niistä ei halua maksaa, voi pyörän keksiä aina uudelleen ja uudelleen. Helposti skaalautuvat rakennusautomaatiojärjestelmät vaativat uudenlaista kehitysmallia. Nykyiset mallit ovat keskittyneet tyydyttämään tietyn hetkellisen tarpeen. Ne kyllä toimivat hyvin tarkoituksessa, johon ne on suunniteltu. Rakennusautomaation suurimpana haasteena onkin erilaisten järjestelmien yhdistäminen ja kokonaisuuden optimointi, jossa toimivien rajapintojen merkitys korostuu. Pelkkien rajapintojen olemassaolo ei kuitenkaan merkitse mitään ilman niitä käyttäviä sovelluksia.

28 Hajauttaminen vai keskittäminen Rakennusautomaatiojärjestelmiä rakennetaan hajautettuina tai keskitettyinä. Hajautetussa mallissa suuri järjestelmä koostuu pienistä osajärjestelmistä, joiden vastuulla on tietyn toiminnallisuuden tarjoaminen. Kulunvalvonta, hälytysjärjestelmä sekä ilmanvaihdon, lämmityksen ja valaistuksen ohjaus voidaan kaikki toteuttaa omina erillisinä järjestelminään, jotka vaihtavat keskenään tietoa määrätyillä protokollilla. Edellä mainituista mm. hälytysjärjestelmän ja kulunvalvonnan keskinäinen tiedonvaihto tuo mielekkyyttä valvotussa tilassa liikkumiseen. Hajautetun järjestelmän haasteet piileskelevätkin juuri osajärjestelmien yhdistämisessä ja ongelmat kasvavat järjestelmän koon myötä. Toinen tapa yksinkertaisen rakennusautomaation toteuttamiseen on käyttää vain yhtä järjestelmää. Geneeristen logiikoiden suorituskyky mahdollistaa nykyään monimutkaistenkin kokonaisuuksien toteuttamisen yhdellä ohjaimella, mikä helpottaa kokonaisuuden hallintaa ja rajapintojen rakentamiselta vältytään kokonaan. Tällöin kuitenkin menetetään hajautetun järjestelmän vikasietoisuus ja huollettavuus vaikeutuu. Kuvassa 31 on yksinkertainen keskitetyllä ohjauksella toimiva aurinkoenergiajärjestelmä, jossa lisäenergiaa antaa generaattori. Kuva 31. Yksinkertainen aurinkoenergiajärjestelmä. /31/ Varsinkin kotiautomaatiossa käytetään järjestelmän ohjaimena usein tavallista PC-rautaa. Sen hankintahinta on edullinen, laajennettavuus ja päivitettävyys hyvät ja valmiita ohjelmia kotiautomaation rakentamiseen on paljon. Väyläratkaisut kotiautomaatiossa ovat hieman erilaisia mitä ohjelmoitavan logiikan maailmassa. Usein käytetään Ethernet-, UDP/IP- tai TCP/IP-protokollia niiden joustavuuden vuoksi tai edullisia kaupallisia väyläratkaisuita kuten Maximin 1-Wire väylää. Kotiautomaation ratkaisut ovat usein joustavia korkeamman tason ohjelmointitekniikoiden (esim. olio-ohjelmointi) vuoksi, mutta järjestelmien vakaus ei riitä samaan mitä prosessiautomaatioon suunnitellulla logiikalla saavutetaan. Ohjelmoitavilla logiikoilla (PLC) on selvästi paremmat ominaisuudet, mitä yleiskäyttöön tarkoitetuilla tietokoneilla. Vastaavasti ohjelmoitavien logiikoiden laajennettavuus on mitätön verrattuna tietokoneisiin.