Hemautomation – Sparar man så kostar det! Erik Eketorp
3. FALLSTUDIE AKADEMISKA HUS
Ett förvaltningsföretag som varit verksamma i området länge är Akademiska Hus. Här avser automationen mindre komplicerade metoder såsom rörelsedektor-styrd belysning. Nedan listas diverse åtgärder som antingen är genomförda eller pågående. Informationen är hämtad från Akademiska Hus energiportal[1] samt tekniska beräkningar från Fager- hult[2].
3.1 Åtgärd 1 (pågående)
Campus Frescati
Fastighet Södra Husen
Investering 131 920 kr/korridor Automationstyp Rörelsedetektorer
A. Bakgrund
När Södra Husen byggdesinstallerades 40 stycken armatu- rer med vardera två lysrör (36 W) i 54 olika korridorer. Lysrören är programmerade på sådant vis att de är på med full styrka hela dagen (utstyrningsgrad 100 %).
Tanken är att ett byte av armaturer samt smart styrning med hjälp av avancerade närvarodetektorer skall kunna minska energiåtgången till en bråkdel. De nya armaturerna kommer ha ett lysrör á 35 W och vara färre till antalet, närmre be- stämt 31 st.
B. Åtgärd
Rörelsedetektorerna som kommer installeras är av fabrika- tet Extronic modell PD-2200. Det är en rörelsedetektor med känslig sensor som uppfattar även stillasittande objekt. Sitter en person still och därmed avger lite strålning adderar den fortlöpande de mottagna signalerna för att undvika att lyset släcks. Därmed finns ingen försämrad funktion med denna energibesparande åtgärd.
En ljussensor är inbyggd i rörelsedetektorerna för att exem- pelvis kunna förbli avstängd i anläggningar där dagsljuset räcker för att lysa upp rummet till det antal lux som krävs enligt svensk byggstandard[3].
C. Beräkningar
Enbart från armaturbytet sjunker effekten betydligt. Kvoten av de tänkta installerade armaturerna effekt och de gamla armaturernas effekt blir · ·· 0,377 38 %
Detta innebär att bytet av armaturer gör att effekten mins- kar till 1,085 kW från tidigare 2,88 kW.
Med en smart styrning av dessa (vilket rörelsedetektorerna möjliggör) är det möjligt att sänka effekten ytterligare. Tanken är att aldrig låta armaturerna arbeta över 80 % av sin fulla effekt. När korridoren varit tom i 15 minuter sänks utstyrningsgraden till 8 % och efter en timme bryts belys- ningen helt.
De tidigare armaturerna utstyrs till 100 % mellan 07.00- 21.00 oberoende av närvaro.
Med beräkningar från fagerhult[2] pekar den nya utstyr- ningsgraden på ca. 30 % i medeltal. En typisk dag i utstyr- ningsgrad, kan se ut som följer:
07.00-09.00 medeltal 8 % 09.00-15.00 medeltal 60 % 15.00-18.00 medeltal 20% 18.00-21.00 drygt 0 %
Den resulterande utstyrningsgraden blir 31,14 %.
Sammanfattningsvis blir res atet som följer nedan. ult
· ·
, · ,
. · 11%
Stand-by- samt drosselförluster ej medräknade.
En enkel lösning som denna minskar således energiför- brukningen till 11 % av det urspungliga.
Ett å rs energiförbrukning med de gamla armaturerna blir
2.88 ·14 · 52 · 5 10.4 .
Med ett elpris på 110 öre/kWh resulterar detta ekonomiskt i ca 11500 kr.
De nya armaturernas m sot varande effekt blir
1.085 ·14 · 52 · 5 · 0.3 1.18
Med samma elpris som ovan är den nya kostnaden 1300 kr. 131920
11500 1300 13
Åtgärden är således självfinansierad efter ca 13 år enligt ovan.
3.2 Åtgärd 2 (utförd)
Campus Frescati
Fastighet Södra Husen
Investering 1 492 500 kr
Automationstyp Rörelse- samt ljuddetektorer
A. Bakgrund
I bibliotekets arkiv satt armaturer med ett lysrör á 36 W. I juni 2010 böts armaturerna ut mot nya effektivare med sensorer, vilka fortfarande uppfyller svensk byggstandard beträffande illuminans.
B. Åtgärd
Precis som åtgärd 1 ovan är fabrikatet av dessa detektorer Extronic. I ett biblioteksarkiv finns det många fysiska hin- der i vägen vilket gör att en ren rörelsedetektor inte funge- rar bra. Mer sofistikerade detektorer är nödvändiga. Lös- ningen är en detektor som både klarar rörelser i form av elektromagnetisk strålning samt ljudsensor som detekterar ljudtryck i frekvensområdet 3 Hz till 7 kHz. Dessa frekven- ser innehåller mänskligt tal och stegljud men uppfattar ej exempelvis fågelkvitter. En modell som klarar detta är PD- 2210HF. Rörelsedetektordelen i enheten fungerar som den tidigare nämnda modellen från åtgärd 1, PD-2200.
C. Beräkningar
Statistik 2009-2011 finns tillgänglig via Akademiska Hus energiportal. Elförbrukningen är bifogad (bilaga 1). Där syns klart och tydligt att energiförbrukningen har minskat från maj 2010 till februari 2011 jämfört med samma period tidigare år. ö ö . . . · . . . . . 90 %
Dessa data är från den 23 februari varav den sista termen i täljaren måste skalas med 28/23 för att ge en rättvis bild över förbrukningen hela månaden.
Då denna åtgärd endast gällde en liten del av biblioteket men statistiken avser hela, är den faktiska siffran betydligt större för det utbytta området. Ingen annan energibesparan- de åtgärd är genomförd under tiden varför det inte finns någon anledning att tro att dessa 10 % uteslutande kommer
från detektorer t eräk-
ningar för när ystemet är självbetalt gör s.sna. Antas de vara på detta sätt kan ba
Besparingar i kr blir då (elpris 110 öre/kWh) 132 000 kr/år. 1492500 132000 12 Åtgärden är självfinansierad på ca 12 år. 3.3 Åtgärd 3 (utförd) Campus Frescati Fastighet Biologi Automationstyp Rörelse- samt ljus-detektor
A. Bakgrund
I ett omklädningsrum bröts belysningen manuellt, vilket resulterade i att lokalen i perioder var onödigt belyst. Efter att problemet uppmärksammades valde Akademiska Hus att installera rörelse- samt ljus-detektorer och nya armatu- rer.
B. Åtgärd
I detta fall var fabrikatet Naiad modell 2512/28 NS lämplig. Sensorn från armaturen i fråga är av mikrovågstyp med frekvens 5,8 GHz. När mikrovågorna bryts detekteras rö- relse. När en person lämnar sensorns radie kan en frånvaro- tid ställas in före belysningen bryts. Det är också möjligt att definiera en skymmningsnivå, dvs. om en viss illuminans uppnås tänds inte belysningen.
När en person träder in i rummet tänds endast den närmsta armaturen då sensorns räckvidd har minskats. Detta innebär att fåtal lysrör i rummet är tända, jämfört med tidigare 14 st. 15 minuter efter att närvaro inte längre detekteras bryts belysningen.
Det är svårt att beräkna hur lång tid det tar för denna åtgärd att bli kostnadseffektiv då specifik statistik över omkläd- ningsrummet saknas.
3.4 Slutsats
Dessa tre exempel är bara ett axplock av Akademiska Hus åtgärder. Fastighetsautomation behöver som här visats varken vara invecklad eller svår att underhålla för att vara lönsam. Att låta installera rörelsedetektorer och utföra ar- maturbyten kan förvisso vara dyrt i befintliga hus men det kan löna sig med tiden. I nybyggnationer torde det vara standard att, med dessa enkla medel, minska energiåtgång- en.
4. HEMAUTOMATION
Vid hemautomation är det inte säkert att besparingsfrågan är ett lika tungt vägande argument för konsumenten som för fastighetssidan. Ett stort säljargument kan istället vara den uppsjö av smarta funktioner som går att ta del av:
• Är det möjligt att kontrollera saker från andra plat- ser än huset?
• Går det att i detalj kontrollera belysning i olika rum?
• Är det lätt att utöka systemet om komplettering behövs?
• Går det att finna momentaneffekt samt statistik- loggar över tidigare förbrukning?
• Går det att koppla systemet till eventuella inbrotts- larm?
• Är det möjligt att med ett enkelt knapptryck stänga av all apparatur (undantaget kylskåp och dylikt) när hemmet lämnas?
I detta arbete läggs fokus på KNX-baserade system. Tan- ken med detta är att ett fåtal standarder existerar inom hem- automation, och KNX synes vara en med stort sortiment av produkter som även förekommer i Sverige. Stora namn som ABB och Siemens har en diger produktkatalog för KNX- system.
4.1 Alternativ till KNX
Flertalet alternativ finns till KNX, ett av dessa är Linux- MCE. Det sistnämnda är ett system som bygger på Linux, som dock inte har lika många funktioner integrerade i grunden. Kommunikationen i ett LinuxMCE-baserat sy- stem sker med hjälp av Z-wave, som är en teknik framtagen av Zensys. Tekniken är också en trådlös teknik över radio- frekvenser[4].
Antalet uttalat kompletta system är i dagsläget få, då en del av den automation som finns att köpa inte tillhör ett större system. Exempel på detta är rörelsedetektorer och ljussen- sorer som är en vanlig åtgärd för energibesparing, men som inte har en central styrning. Även kontakter som går att brya med fjärrkontroll är något som kan återfinnas i de flesta byggvaruhus.
5. KNX
KNX är en standard för nätverkskommunikation i smarta hem. Det är resultatet av att ett antal tidigare standarder som European Home Systems Protocol (EHS) och Europe- an Installation Bus (EIB) gått samman till en enda. Infor- mationen nedan är hämtad från KNX hemsida[5].
Främsta styrkan med systemet är att det finns ett stort antal produkter kompatibla med det. Alla sådana märkta med KNX har genomgått tester för kompatibilitet. Bland utbudet finns det mesta som kan tänkas behövas för att mer eller mindre styra allt i hemmet. Vanliga användningsområden är t.ex. belysning, värme/ventilation, säkerhetsapplikatio- ner, statistik etc.
5.1 Kommunikation
Utrustningen kan kommunicera på fyra olika sätt. Första är kabelburet genom en för KNX specifik version av standar- den Twisted Pair (TP). Powerline (PL) är det andra sättet, där elnätet används som överföringskanal. Utöver detta kan även radiofrekvenser användas för trådlös kommunikation. Sista alternativet är ethernet, dvs. överföring genom IP. Det medför att vanliga datornätverk kan användas.
Det vanligaste sättet att installera på är med Twisted Pair, då det är billigt och att en fysisk buss är tillförlitlig. Trådlös teknik har alltid nackdelarna med begränsad räckvidd och störningar.
5.2 Konfiguration
Det är upp till tillverkaren att välja hur deras utrustning skall konfigureras och programmeras. Det finns två olika sätt för konfigurering som ingår i standarden. I programlä- ge S (System Program) är tanken att en KNX-certifierad installatör skall konfigurera systemet. Allting sker då via mjukvaruverktyget ETS 4 Professional. Stor flexibilitet erhålls vid installation på detta sätt.
Programläge E (Easy Program) är mer inriktad på heman- vändare med begränsad kunskap om KNX. Systemet är då förprogrammerat med parametrar vilket medför att endast en enklare konfiguration behövs.
5.3 KNX-systemets enheter
Det går att dela upp beståndsdelarna i ett KNX-system som följer: (Informationen från denna del är hämtad från Buil- ding Automation[6])
A. Strömförsörjning
KNX-bussen kräver strömförsörjning för att fungera. De flesta enheter får sin strömförsörjning över bussen. Van- ligtvis förser nätdelen bussen med 30 V DC. För att kom- munikation skall kunna ske över bussen behövs en ”cho- ke”-funktion på nätdelen. En nätdel klarar bara att driva en linje (slinga) utan förgreningar, med upp till 64 enheter.
B. Kopplingar
Kopplingar kan användas på flera sätt, som linjekopplare, linjeupprepare eller backbone-kopplare. En linjekopplare ansluter en ny linje som förgrening till den tidigare. En linjeupprepare däremot förlänger linjen och tillåter ytterli- gare 64 enheter. Backbone är en term för ursprungslinjen i systemet, och därmed är backbone-kopplare anslutningar från denna linje till förgreningar.
C. Busskopplare
En busskopplare kan ansluta en sensor till bussen, t.ex. en brytarsensor.
D. Interface
För att sköta och programmera systemet krävs ett lämpligt interface. Alternativen som finns är IP, USB och RS232. De två sistnämnda är interface där du kopplar enheten som är ansluten till KNX-bussen direkt till datorn. IP genom t.ex. en router har däremot fördelen att möjlighet finns till åtkomst av systemet på distans.
E. Sensorer
I denna grupp ingår alla enheter som ger en signal till att något skall hända. Ett exempel är att istället för vanliga strömbrytare på väggen för t.ex. takbelysningen används en brytarsensor. Denna skickar en signal till en aktor att strömmen skall brytas till belysningen vid ett tillslag. Andra exempel är rörelsedetektorer och ljussensorer.
F. Aktorer
Aktorer omvandlar en elektrisk insignal till rörelse, d.v.s. aktorn bryter, slår till eller växlar strömmen. Det finns aktorer som också har särskilda funktioner, som dimbara aktorer vilka är intressanta för att erhålla dimmerfunktion.
G. Övriga enheter
Till de övriga enheterna hör t.ex. kontrollpaneler, displayer etc.
5.4 Adresser
Efter att ett KNX-system installerats fysiskt på korrekt sätt måste alla enheter ha en unik fysisk adress. Detta för att korrekt adressering av signaler i systemet skall kunna ske. Adressexempel är 1.1.0, 1.1.1 etc. Denna tilldelas genom programvaran ETS 4.
5.5 ETS-programmering
All programmering sker som tidigare nämnts, i för KNX specifika programvaran ETS. Den version som beskrivs här är den senaste, d.v.s. ETS4. För att kunna använda pro- grammet krävs en licens och dessutom produktfiler. De senare är dock i de flesta fall fritt tillgängliga från tillver- karna.
A. Tillvägagångssätt
Det första nödvändiga är att skapa en databas i programmet dit alla produktdata importeras. Nästa steg är att starta ett nytt projekt. I projektvyn finns ett antal fönster, såsom gruppadresser, byggnader, enheter och topologi. Utöver dessa finns även fönster som visar detaljer och inställning- ar. Lättaste sättet att börja programmera är att lägga till en byggnad, och sedan rum i byggnaden. I respektive rum placeras de enheter som hör dit. Sedan skapas gruppadres- ser. Gruppadressernas syfte är att koppla ihop en händelse till en funktion. Efter att gruppadresserna skapats måste själva funktionen definieras. Då är nästa steg att öppna ett fönster för enheter. Varje enhet i ett KNX-system har ett antal objekt som är kopplade till respektive funktion. Ifall syftet är att tända och släcka en lampa letas objektet fram som hör till strömbrytning i en aktor. Detta objekt definie- ras till att höra ihop med gruppadressen för lampa av/på. Nästa steg är att en signal måste styra när aktorn skall vara till- och frånslagen, exempelvis från en touchskärm. Ge- nom att navigera till denna enhet kan t.ex. objektet för ett tryck på skärmen definieras till samma gruppadress som objektet för strömbrytning i aktorn. På samma sätt definie- ras andra typer av funktioner, även om fler inställningar kan krävas.
Möjligheterna är i allmänhet väldigt stora då KNX utbud av funktioner är stort. Mycket data kan ofta returneras från olika enheter. Exempel på detta är nivå av dimring i pro- cent från en dimaktor, ljusnivån i lux från en ljussensor. Dessa värden kan antingen kopplas till ett objekt för att visas på skärm, eller läsas av direkt i ETS4.
5.6 Typiska installationer
Prisuppgifterna i nedanstående kalkyl hämtas från eib- markt.com[7] enligt priser den 4 mars 2011. Företaget har ett stort sortiment av KNX och representativa priser. En kostnad som inte tagits hänsyn till i dessa beräkningar är programvaran. Alternativen är att antingen låta en KNX- certifierad elektriker sköta både installation och program- mering, eller att sköta programmeringen själv. Det tidigare kräver i varje fall enligt lag en behörig elektriker.
Sköts programmering själv behövs en licens för program- varan ETS 4. Denna licens kostar 950 €. En stor utgift i sammanhanget.
A. Exempel på enkla system
I det enklaste fallet är det intressant att kunna bryta all onödig förbrukning när hemmet lämnas. Detta skulle kunna realiseras om möjlighet finnes att planera sitt elsystem från grunden (nybyggnationer). Om inte kan det bli betydligt mer komplicerat att applicera på ett befintligt system. Systemet skulle vara uppbyggt på det sättet att de saker som aldrig bör vara avstängda (kyl, frys, larm etc.) ligger på en och samma fas. De övriga två faserna skulle sedan brytas med en aktor kopplad till en knapp som aktiverar denna.
Systemet skulle bestå av en aktor som kan bryta fyra laster, ett nätaggregat, en brytsensor och exempelvis ett usb- interface.
Kostnad:
• Nätaggregat EIB KNX SV2/DR1 – 149 € • Switchaktor ABB SA/S 2.10.1 (4 kanaler) –
160.35 €
• Touch sensor for bus system 1-fold – 6115-24G- 101 – 33.14 €
• USB Interface EIB KNX – 131.99 €
________________________________________ _______________________
Totalt: 474.48 €
Denna totalsumma motsvarar med dagens kurs ungefär 4176 kr.
Att få samma funktionalitet i ett befintligt, äldre, system skulle vara svårare. Troligtvis skulle en aktor som motsva- rar varje säkring i elcentralen behövas för att sedan kunna skräddarsy de funktioner som skall brytas. Detta blir en betydligt dyrare lösning, men med större flexibilitet. Här antas att en normal villa skulle behöva 30 brytbara aktorer, förslagsvis två stycken 16-vägs aktorer.
Kostnad:
• Nätaggregat EIB KNX SV2/DR1 – 149 €
• 2 x Switchaktor Berker 75310002 (16 kanaler) – 2 x 510.12 € = 1020.24 €
• Touch sensor for bus system 1-fold – 6115-24G- 101 – 33.14 €
• USB Interface EIB KNX – 131.99 €
________________________________________ _______________________
Totalt: 1334.37 €
Denna totalsumma motsvarar med dagens kurs ungefär 11756 kr.
Som synes blir det andra systemet mer än dubbelt så dyrt som det första systemet.
B. Mer avancerat system
Den föreslagna applikationen av ett KNX-system är bara en grund. Nu skall systemet byggas ut till att klara de i inled- ningen föreslagna punkterna. Det som behövs är styrning av belysning, statistik över energianvändning, reglering av temperatur, integrerad larmcentral. Möjlighet skall även finnas för fjärråtkomst till systemet över internet.
För belysningen används en sofistikerad rörelsesensor som även har ljusmätare, kopplad till en dimaktor. Detta möjlig- gör automatisk dimning efter behov så att rätt illuminans erhålls. Detta är vad som brukar benämnas ”constant light control”. För statistiken används en energiaktor som mäter över de tre faserna in i huset. Reglering av uppvärmningen kommer ske genom en värmeaktor, kopplad till lämpliga temperaturgivare styr en shuntventil i t.ex. värmepannan. Larmcentralen är kopplad till lämpliga sensorer som mag- netkontakter i dörrar och fönster, samt rörelsesensorer i olika rum. Till sist sker fjärråtkomsten genom en IP-router för KNX-bussen, uppkopplad på hemnätverket mot inter- net. Det finns mobilapplikationer från tredjepartstillverkare för att styra ett KNX-system på distans[8].
Beräknad kostnad:
• Siemens N 527/21 dimaktor – 377.93 €
• EIB KNX 360º rörelsedetektor med constant light control - 139 €
• ABB SE/S 3.16.1 energimätare – 281.52 € • Gira 101800 värmeaktor – 208.67 €
• Siemens 5WG1258-1AB01 temperaturgivare för KNX – 178.17 €
• 4 x Eibmarkt MK4W VdS magnetkontakter – 4 x
16.56 €
• Siemens 5WG1146-1AB02 IP-router – 317.56 €
________________________________________ _______________________
Totalt: 1800 €
I svenska kronor ungefär 15858 kr. Detta system är inte fullständigt komplett vilket medför att vissa kostnader kan tillkomma. Dock bör det ge en fingervisning av vad det kan komma att kosta. Tillkommer gör också kostnaden för grundkomponenterna som inte tagits med i detta sista sy- stem.
Stor funktionalitet och flexibilitet kan alltså uppnås i KNX- system och det går alltid att i efterhand bygga på systemet. Utbudet av sensorer och givare är enormt.
6. LABORATION
En intressant detalj är att utreda hur svårt det är för någon som är obekant med KNX att programmera ett system. Av den anledningen var det motiverat att genomföra en labora- tion för att få inblick i komplexiteten.
Systemet som programmerades bestod av en dimaktor (Siemens N 527/21), energiaktor (ABB SE/S 3.16.1), ip- router (5WG1146-1AB02), touchskärm (InZennio Z38i) och rörelse-/ljusdetektor (EIB KNX 360º). Utgångspunkten för laborationen var att det skulle finnas möjlighet att tän- da/släcka samt dimma en lampa ifrån touchskärmen. Ut- över detta skulle funktionen ”constant light control” testas, vilken möjliggör konstant illuminans i rummet.
6.1 Inkoppling
Beträffande den rent fysiska kopplingen skedde denna med TP-kabel, vilket är den vanligaste standarden. Alla enheter kopplades i en serie (linje i KNX-terminologi). Gränssnittet mellan dator och KNX-bussen skedde med en IP-router inkopplad på samma nätverk som datorn. Till dimaktorn kopplades en bordslampa med 60 W glödlampa.
6.2 Programmering
Licensen och produktfilerna som krävdes för programme- ring tillhandahölls av vår handledare.
Under ”byggnader”-fönstret skapades en byggnad (huvud- byggnad), en elcentral (elcentralen) och ett rum (manges- rum). I elcentralen placerades dimaktorn och energiaktorn. I mangesrum placerades touchskärmen och rörel- se/ljusdetektorn.
Strömbrytning med dimaktorn definierades som ett kort tryck på touchskärmen. På samma sätt associerades ett långt tryck till dimring i 25% -steg. Dessutom fanns möj- lighet att visa det aktuella värdet för dimringen på skärmen. Efter programmering uppnåddes önskvärd funktion i detta avseende.
Nästa steg var att ta med rörelse-/ljusdetektorns funktioner. Till en början testades rörelsedetektorn. Ett objekt för strömbrytning beroende av rörelse associerades med di- maktorns dimobjekt. Efter programmering observerades ett icke fungerande system. Problemet var troligtvis att kon- flikter inträffade genom att funktionerna redan var associe- rade till touchskärmen. Efter att ha tagit bort de tidigare associationerna och programmerat igen fungerade även denna aspekt som önskat.
På samma sätt testades ljussensorn. Det angavs i paramet- rarna att lampan skulle tändas vid en ljusstyrka som under- stiger 200 lux. För att undvika oscillation vid fluktuerande ljusvärden sattes en tillgänglig parameter för hysteres till 30 lux. Efter programmeringen testades följaktligen funktio- nen genom att ljussensorn täcktes över och avtäcktes, med önskvärt resultat. Ett objekt som returnerar aktuellt ljusvär- de fanns tillgängligt. Tyvärr hade touchskärmen inte stöd för att visa dessa data. Det som dock var möjligt var att läsa av ljusvärdet genom ETS4.
Slutligen testades den tidigare nämnda funktionen ”cons- tant light control”. Parametrar i rörelse-/ljusdetektorn sattes då till önskat antal lux i rummet och hur snabbt systemet skall reagera vid ljusförändringar. Ett antal objekt fanns tillgängliga för denna funktion, aktivering, dimring och strömbrytning. Det uppkom problem när det kom till att få saker och ting att fungera som tänkt. Trots objekten till