k-easy

Kestävä asuminen ja ympäristö, K-EASY

loppujulkaisu
Projektikoodi: A31452
Kokonaisbudjetti: 2 276 121 €, josta ennakoivan talotekniikan osuus 380 000 €
Toiminta-aika: 1.11.2010–31.5.2014
www.kestavaasuminen.fi
Lisätietoa antaa Kristian Bäckström

vipuvoimaaEU logo Europeiska socialfonden

Tausta

DSC00198
Energiayhtiöiden sähkömyynti kuluttajille siirtyy lähitulevaisuudessa vaiheittain kohti tuntihinnoittelua. Tavoitteena on tasoittaa sähköverkon kuormitusta ja paremmin hallita energiantuotanto vastaamaan energiakysyntää. Useat energiayhtiöt ovat viime vuosien aikana alkaneet tarjota kuluttajille sähköä jonka hinta perustuu pohjoismaiden sähköpörssin spot-hintaan (Nordpoolspot), johon lisätään energiayhtiön oma marginaali. Helsingin Energia ja Fortum ovat edellisen vuoden aikana alkaneet tarjota kuluttajille mahdollisuutta myydä oma tuottama sähköä takaisin verkkoon.

Energian tuntihinnoittelu antaa mahdollisuuksia kuluttajille välttää kalliimmat hintapiikit ja hyödyntää hetkellisesti halvempaa energiaa paremmin. Tämän mahdollisuuden jatkuva tehokas hyödyntäminen edellyttää automatisointia. Tässä Kestävä asuminen ja ympäristö-projektin, Ennakoiva talotekniikka-osahankkeessa kartoitettiin tulevaisuuden ohjausympäristön keskeiset osat ja rakennettiin niistä demoratkaisu. Lue lisää energiakulutuksen ajallisesta siirtämisestä.

Energiankulutuksen hyvää tuntemusta varten nähtiin järkeväksi jatkaa Posintran jo aikaisemmin aloitettua energiaseuranta-LivingLab kehitystä. JPT-ohjelman EAKR AsEMo-projektissa (Asumisen Energiatehokkuuden Monitorointi) oli aloitettu energiaseurantapalvelimen ja -seurantalaitteiden kehitystyö, jota oli luontevaa hyödyntää oikeiden asuttujen kotien energiaseurannassa. Nämä kodit löytyvät Skaftkärr-alueelta joka on Porvoon kaupungin uusi erityisen energiatehokas asuinalue.

Projektin suunnitteluvaiheessa aiottiin toteuttaa demojärjestelmä aurinkopaneeleineen ja akkuineen Posintran tulevissa toimitiloissa Porvoon Campuksessa. Suunniteltu muutto Campukseen peruuntui, jonka jälkeen demojärjestelmää aiottiin toteuttaa Posintran silloisissa toimitiloissa Kipinätiellä. Projektin aikana todettiin, että on järkevämpää toteuttaa demoympäristö projektipäällikön 2012 valmistuneessa omakotitalossa, hyötykäytössä aidossa asuinympäristössä. Talo sopi tarkoitukseen hyvin, koska siihen oli jo asennettu automaatioväylä ohjattavine releineen, runsas määrä lämpöantureita, aurinkokeräimiä ja hybridilämmitysjärjestelmä. Lähinnä yhteinen ohjauskeskus ja ohjauslogiikka puuttuivat.

Osahankkeen kohderyhmäksi muodostuu luontevasti Skaftkärrin LivingLab-asukkaat, laitevalmistajat ja energiayhtiöt.

Demotalo

Demotalon talteenotetut kattavat mittausdatat voidaan luovuttaa kiinnostuneille, luottamuksellisena tutkimus- ja kehityskäyttöön. Ota yhteyttä.

Energiaselvitys

Suurin osa tiedoista ovat laskennallisia. Esimerkiksi oikea sähkönkulutus on vuositasolla noin 7500 kWh.

DemotaloDemotalo

Rakennuksen lämmitysjärjestelmä

Lämmitysjärjestelmä

Hybridivaraaja tarkoittaa, että siihen on liitetty useita erilaisia lämmönlähteitä. Edulliset lämmönlähteet (aurinko ja lto-piippu) lämmittävät alhaalta koko varaajaa, kun taas ostoenergialla (maakaasulla) huolehditaan vaan, että ylin osa on lämmin. Lämpökerrostumista huolehtii varaajan sisällä oleva pelti, sekä bivalent shunt-venttiili joka ensisijaisesti käyttää lämpöä varaajan alaosasta.

demotalosta lämmönohjauksen bivalent shuntventtiili

Bivalent shunt-venttiili käyttää ensisijaisesti lämpöä varaajan alaosasta.

Varaajan lämpötilat

Ensimmäisen lämmityskauden aikana esiintyi vapaa kierto varaajasta lto-piipulle. Syynä oli puuttuva takaiskuventtiili. Venttiilin asennuksen jälkeen varaajan lämpökerrostumat ovat näkyvästi parempia.

IMG_0037

Lämmönjakelu

Demotalon lämmönjakelutapa on vesikiertoinen lattialämmitys. Lämmönlähteinä toimivat aurinkokeräimet, lämmöntalteenottava Savumax-piippu (liitetty saunakiukaaseen) ja maakaasukattila. Lämmitysjärjestelmän keskipisteessä on hybridivaraaja ja Ouman lämmönohjauslaite. Hybridivaraajassa pyritään huolehtimaan lämpökerrostumista, eli ostoenergialla lämmitetään vain varaajan yläosaa.

Aurinkokeräimet

Demotalon aurinkokeräimet ovat Wagnerin Euro L20 glykolia sisältäviä tasokeräimiä. Keräimet muodostavat yhteensä 9,56 m2, niiden kallistuskulma on 45˚ ja ne osoittavat ilmansuuntaan 194,5˚. Niiden meno- ja paluulämpötilat ja kiertopumpun toiminta on logattu Asemoon.

2013-10-03 16.57.58

Savumax LTO-piippu

Rakennuksen ainoa tulisija on läpiseinämallinen IKI-kiuas, eli saunakiuas. Siihen on liitetty Savumax-lämmöntalteenottava savupiippu, jossa on vesipatsas savukanavan ympäri, ja tämä vesi on kuparijohdoilla liitetty talon hybridivaraajaan. LTO-piipun lämpösensori tunnistaa jos piipun vesi alkaa lämmetä, ja lämmönohjauslaite käynnistää LTO-piipun kiertopumppua kun piipun veden lämpö on riittävän korkea varaajan lämpöön verrattuna, ja sammuttaa kiertopumppua silloin kun lämpöä ei enää ole piipusta siirrettävissä. LTO-piippu hyödyntää tulisijan hukkalämpöä, joka muuten menisi taivaalle. Piipun kokonaispituus on 8,5 m, josta 4 metriä LTO-osaa, ja 4,5 m ”tavallista” savupiippua.

Aurinkolämpö ja LTO-piippu lämpö kwh päivässä Aurinkolämpö ja LTO-piippu lämpö kwh kumulatiivinen

Maakaasukattila

Varalämmönlähteeksi asennettiin maakaasulla toimiva läpivirtauslämmitin, Viessmann Vitodens 200W. Läpivirtauslämmitin tarkoittaa, ettei kattilalla ole omaa säiliötä, vaan se käyttää talon hybridivaraajaa säiliönä ja varmistaa että varaajan ylin osa pysyy lämpimänä. Kaasukattilaa ohjataan KNX-releohjauksella.

demotalosta kaasukattilan optinen integrointi

optolink-adapteri jolla yritettiin integroitua kaasukattilaan.  Ohjaus toimii ainakin windows-sovelluksella.

 kaasunkulutus päivässä vs ulkoilmaLTO-piipun tuotto vs ulkoilma

Lämmönohjaus

Lämmönohjauslaitteeksi valittiin Ouman-laite jonka ohjelmisto on räätälöity ohjaamaan Savumax-lämmönlähteitä ja vesikiertoinen lattialämmitys. Ouman-laite on langallisesti kytketty talon sisäverkkoon, ja se tukee Modbus-TCP-protokollaa.

Säätökäyrä, ja säätökäyrän pudotusarvo

Sisälämpötiloihin vaikutetaan lattialämmityksen säätökäyrää nostamalla tai laskemalla. Säätökäyrässä määritellään rakennuskohtaisesti lattialämmityksen menovedenlämpötila eri ulkoilmalämpöjen perusteella. Jokaiselle ulkolämpötila-asteelle ei tarvitse erikseen määritellä asetuksia, koska Ouman-laite interpoloi asteiden välillä. Ouman-laitteessa on viisi säätökäyräpistettä ja yksi lämpömuuttuja, jota kutsutaan säätökäyrän pudotusarvoksi, jolla pudotetaan kaikki nämä viidet pisteet rinnakkain. Sallitut pudotusarvot ovat 0-10˚C, 0,1 ˚C tarkkuudella.

Säätökäyrä - lämmönohjauksen vaikutuskeino

Säätökäyrän pudotusarvoa muokkaamalla, voidaan vaikuttaa suoraan lattialämmitysveden lämpötilaan, eli sitä kautta sisäilman lämpötilaan. Osahankkeessa kehitetty ennakoiva lämmönohjaus-automaatio muokkaa säätökäyrän pudotusarvoa, ja vaikuttaa sitä kautta Ouman-laitteen toimintaan. Ouman-laitteen säätökäyrä on esiasetettu siten, että pudotusarvo 5,0˚C koettiin aika sopivaksi sisälämpötila. Näin ollen, menoveden lämpötila voi mennä tästä esiasetuksesta korkeintaan +-5,0˚C astetta pieleen. Jos ennakoiva ohjaus jostain syystä olisi poissa pelistä (esim kaatunut, sammutettu tai yhteysongelmia), niin Oumanin lämmönohjaus toimii kuten perinteisesti. Ainoa asetus mitä silloin käsin kannattaa tarkistaa, on säätökäyrän pudotusarvoa, koska virhe voi olla jopa +-5,0˚C.

Lämmönsäätö

Huoneisiin on asennettu KNX-painikkeita, joissa on säädettävä setpoint-lämpötila, ja lattialämmityksen jakotukkeihin on tehty varaukset venttiilitoimilaitteille jokaiselle lämmityspiirille. Venttiilit eivät kuitenkaan vielä ole asennettu, ja ensimmäisen lämmityskauden jälkeen todettiin, että sisälämpötila pysyi mainiona ilman niitä. Tilakohtaiset lämmönsäädöt ovat tehty jakotukkiventtiilien perussäädöistä manuaalisesti, ja suuri osa venttiileistä on kokonaan auki, eli lämmitysvesi pyörii vapaasti lattioissa.

Lämmitysstrategia

Talon ennakoiva lämmönohjaus hyödyntää rakenteiden merkittävä lämpöenergian varastointikykyä siten, että sinne syötetään enemmän lämpöä silloin kun halvempi energia on saatavilla, ja vähemmän lämpöä energiahintapiikkien aikana. Silti huolehditaan siitä, että keskimääräinen lämmitys on toivotulla tasolla. Lämmönohjauksessa huomioidaan myös karkealla tasolla rakenneviiveet ja lämmönohjausviiveet hyödyntämällä sääennustetta. Esitellään rakenteiden käyttäytymiset, jotta selkeästi ymmärretään lämmitysstrategian ajattelutapaa.

ennakoiva ohjausennusteiden hyödyntäminenennakoiva ohjaus 2visualisointi

Rakenteiden lämmönsiirtoviive (rakenneviive)

Jokaisella rakenteella on jokin lämmönsiirtoviive, jolla lämpömuutokset siirtyvät rakenteen läpi. Samalla tavalla kuin kokit tietävät kuinka pitkään tietynkokoinen lihapala tulee olla uunissa, voidaan myös kivitalolle arvioida kuinka nopeasti ulkopakkanen vaikuttaa sisälämpötilaan. Ulkoseinät, joiden rakenne on 11 cm kiveä, 18 cm eristettä ja taas 11 cm kiveä säilyttävät pitkään muistissa sekä ulko-, että sisälämpötilat. Jos olettaa, että sisälämpötila on vakaa, niin ulkolämpötilan muutokset ilmestyvät seinän läpi tietyllä viiveellä. Alapohjan lämpöolosuhteet ovat erittäin vakaat, joten sitä kautta häviävä lämpö on käytännössä sama vuoden ympäri. Lämpö nousee ylös, ja pyrkii ensisijaisesti yläpohjan kautta ulos. Pelkästään ulkovaipan eristeiden sisäpuolella on yli 250 000 kg lämmitettyä kiveä. Tämän lisäksi on ulkovaipan eristeiden kylmällä puolellakin kivirakenteita, jotka tasaavat eristeeseen kohdistuvat olosuhteet. Vaikka kivirakenteissa on paljon energiaa tallessa, niin ikkunoiden ja ilmanvaihtojärjestelmän kautta ulkolämpötila vaikuttaa sisälämpötilaan käytännössä välittömästi. Lämmityskauden ulkopuolella oleellisin sisälämpötilaan vaikuttava tekijä on auringon säteily. Sen vaikutus sisälämpötilaan on välitön ja voimakas.

Lämmönohjausviive

Jos lattialämmityksen menovesilämpötila yhtäkkiä nostetaan, niin se alkaa vaikuttaa sisälämpötilaan noin 2-3 tunnin viiveellä, mutta jos jatkaa samalla nostetulla menoveden lämpötilalla, niin nostovaikutus sisäilmaan kasvaa vielä pitkään, johtuen lattioiden ja muiden rakenteiden pitkästä lämpömuistista. Lattioiden ensimmäinen reaktio on suhteellisen nopea sen ansiosta, että lattialämmityspiirit sijaitsevat vain muutama cm syvyydellä valmiista lattiapinnasta. Lattiarakenteet ovat kuitenkin paljon paksumpia (noin 30 cm), joten suuri osa nostetusta menoveden lämpöenergiasta imeytyy lattiarakenteisiin, ja ne luovuttavat sitä lämpöä lämmönsyötön loputtuakin.

demotalosta välipohja 2 Rakenteet sitovat lämpöenergiaa

 

Lämmönohjauksen nopeat heilahtelut kuriin ja hallintaan ennakoivalla automaatiolla

Lattioiden lämpötilaa voidaan helposti nostaa paljon nopeammin kuin mitä ne itsestään viilentyvät takaisin alkuperäiseen lämpötilaan. Tästä johtuen, päivän sisäiset heilahteluliikkeet lämmönohjauksessa tulisi pitää pienenä. Tämäntyyppiset heilahtelut syntyvät alkuperäisessä lämmönohjauksessa nopeissa ulkolämpötilamuutoksissa esimerkiksi silloin, kun yöt ovat huomattavasti kylmempiä kuin päivät. Se johtaa siihen, että yöllä lämmitetään liian paljon vuorokauden keskilämpötilaan nähden, ja lämmönohjausviiveen takia tämä kostautuu päivällä liian korkeana sisälämpötilana. Tällaiset haitalliset heilahteluliikkeet poistettiin hyödyntämällä sääennusteita, ja lämmönohjauksessa käytetään rullaavasti 24 tunnin ulkolämpötilaennusteiden keskiarvoa, eli ohjataan lattialämmitystä tulevan vuorokauden keskilämpötilan perusteella.

Vuorokauden sahausliikkeet, ulkolämpötila vs tavoite

Energiansäästöä. Maaliskuusta syyskuuhun esiintyy usein isoja yö/päivä-lämpötilaeroja. Perinteinen lämmitysjärjestelmä ehtii usein lämmittää rakenteet yö-lämpötilan perusteella, vaikka ne eivät kerkeä viilentyä päivällä.

Lämmönohjaus

Ennakoiva lämmönohjaus näkyy ympyröitynä. Edellisellä lämmityskaudella näkyy erilaisia käyttäytymistestejä.

Ennakoivan automaation perusta: avoin automaatioväylä

Posintra on aikaisemmin käyttänyt OpenWRT Linux integrointialustana, mutta tämän Ennakoiva talotekniikka-osahankkeen toimenpiteet toteutettiin kuitenkin openHAB java-sovellusta käyttäen. openHAB tarkoittaa Open Home Automation Bus, eli se on avoin kotiautomaatioväylä. Monia nopeita, edullisia vähän virtaa kuluttavia openHAB:ille soveltuvia alustoja löytyy jo markkinoilla. Kirjoitushetkellä esimerkiksi yksi kiinnostava alusta on Tronsmart MK908, joka maksaa alle 50€, kuluttaa noin 3-4W virtaa, ja jossa on Cortex A9 RK3188 1.6 GHz neliydinprosessori (edellyttäen, että Android-järjestelmän sijaan asennetaan Linux jolle löytyy tarvittava Java-ympäristö).

Integroinnit

 


Integroinnit

Demotalossa on KNX automaatioväylä ohjelmoitavine painikkeineen ja releineen. Audio- ja videolaitteiden ohjauksesta huolehtii Control4 laite, joka tarpeen mukaan myös tottelee KNX-käskyjä. Control4-laite on liitetty muun muassa radiovirittimeen, televisioon, ja kuuden alueen monihuonevahvistimeen. Tämän lisäksi Control4 pystyy toistamaan nettiradiokanavia ja se on myös liitetty Napster/Rhapsody-musiikkistriimauspalveluun. Lämmitysjärjestelmä on kytketty Ouman Ouflex-lämmönohjauslaitteeseen, joka tukee Modbus-TCP-protokollaa ja on liitetty lähiverkkoon. Ilmanvaihtokoneeseen ei onnistuttu integroitumaan, joten sitä ohjataan vain 0-10V ohjauksella KNX:n kautta. Ilmanvaihtokoneen kanavien lämpötilat seurataan kuitenkin 1-wire antureiden avulla. Näiden lisäksi openHABiin on integroitu myös nettipalveluita, sääennuste (yr.no), sms-palvelu (clickatell), energian tuntitariffihinnat (Nordpoolspot) ja ntp-aikapalvelimet. Ja luonnollisesti myös CurrentCost sähkön hetkelliskulutusseurantamittari.

 

Automaation muut säännöt

Talon openHAB-järjestelmä on mahdollistanut useiden muidenkin automaatiosääntöjen rakentamista. Hyödyllisiä toteutettuja sääntöjä ovat fiksun lämmönohjauksen lisäksi esimerkiksi erilaisten hälytyksien lähettäminen käyttäjälle tekstiviestinä, älykäs valaistusautomatiikka, älykäs ilmanvaihto-ohjaus ja kulunvalvonta. Sääntöjen avulla on myös talon tilanneohjelmointi ja mittareiden etäluenta toteutettu.

visualisointi mittarit taskussa

Käyttöliittymät

Talon käyttöliittymä oli alun perin KNX-painikkeet ja Control4-käyttöliittymä. OpenHAB:in toi tämän lisäksi mukanaan html, Android ja iOS käyttöliittymiä, jotka toimivat rinnakkain muiden käyttöliittymien kanssa. OpenHAB:in Android-sovellus HABDroid mahdollistaa myös NFC-tagien käyttöä puhelimen avulla.

Demotalon olohuoneessa ja terassilla on kehittynyt valaistusautomatiikka joka hyödyntää valoisuusmittarin sekä olohuoneen ja terassin liiketunnistimien lisäksi myös liukuoven reed-kytkin. Se sytyttää valot kun liukuovea avataan jos on pimeää, ja jättää ne päälle sillä puolella mihin kuljettiin. Jos talo on poissa-tilassa tunnistimet hyödynnetään rikosilmoitinjärjestelmälle. Videossa ilmenevä viive avainlukijan käytön jälkeen johtuu siitä, että silloin käytössä oleva raspberry-pi oli ylikuormittunut liian useiden muuttujien tallennuksella.

GUI charts

Realiaikainen sähkönseuranta taskussa

IMG_0040  ohjaus

Hyviä kokemuksia

Arkkitehtuurisesti openHAB on korkean tason sovellus, joka voi huolehtia ei-aikakriittisistä toiminnoista. Korkean abstrahointitason ansiosta, erilaiset integroinnit sujuvat vaivattomasti ja nopeasti. Kokonaista lämmönohjausjärjestelmää ei taida olla järkevää toteuttaa openHABissa, vaan sitä kannattaa mieluummin jättää dedikoidun lämmönohjauslaitteen hoidettavaksi. Tämä johtuu juuri openHABin korkeasta abstrahointitasosta ja monista ”liikkuvista osista”, eli paljon mitä potentiaalisesti voisi mennä pieleen, mikä etenkin pätee tämänkaltaisille järjestelmille, jossa openHAB huolehtii monista muistakin tehtävistä kuin lämmityksestä. Arvioisin, että demotalon laitteiden vastuunjako on siinä mielessä hyvin onnistunut, varsinainen lämmönohjauslaite huolehtii peruslämmönohjauksesta ja openHAB vaikuttaa vain lattialämmityksen menoveden lämpötilaan vain rajoitettua vaikutusvaltaansa käyttäen.

Korkean abstrahointitason ja lukuisten integrointien ansiosta automaatiojärjestelmä pystyy visualisoimaan tietoa sellaisella korkealla tasolla, joka tyypillisesti vaatii eri järjestelmien tietokantojen ristiinajoja. Tämä mahdollistaa entistä käyttäjäystävällisempää esittelytapaa. Sen sijaan, että näytetään meno- ja paluulämpötilat ja kiertopumppujen käyntitiedot, niistä voidaan laskea tehoja, ja ajan perusteella laskea energiamääräksi. Tehot ovat keskenään vertailukelpoisia, riippumatta siitä ovatko ne peräisin auringosta, kaasusta, sähköverkosta tai LTO-piipusta. Energiatiedot voidaan ajaa ristiin kunkin energiatyypin ajantasaisen hinnaston kanssa Internetistä, ja siten konvertoida ne rahoiksi, joka vihdoinkin on tieto käyttäjän ymmärrettävällä tasolla. Jos vielä käyttäjän puhelin näytössä visualisoidaan miten energiamäärä/rahamäärä kertynyt eri aikoina, niin käyttäjä voi oppia, ja halutessa itse sopeuttaa omat vaikuttavat käytöksensä optimoivasti. Demotalon lämmönohjauslaite on jättänyt tietojen esittelytaso meno- paluu-lämpötiloina teknisessä tilassa sijaitsevassa näytössä, mikä on luontevaa ja ymmärrettävää matalan abstrahointitason sovelluksille.

IMG_0046

NFC-tarroja saa alle eurolla  ja ne ovat ohjelmoitavissa habdroidin kanssa. NFC-tarrat voidaan sijoittaa vapaasti ilman kaapelointia esimerkiksi autoon, tai puutarhaan.

 

Järjestelmän ansiosta on havaittu:

  • puuttuva takaiskuventtiili jonka seurauksena LTO-piipun ja varaajan välillä syntyi vapaa kiertoa vaikka tulisija ei ollut käytössä
  • että aurinkokeräimet kiehuivat koska niiden lämpöanturi oli asennettu ennen keräimiä eikä niiden jälkeen
  • että maapiirin kanavapatteri toimii mainiosti esilämmittimenä talvella
  • että maapiirin kanavapatteri kesällä toimi niin hyvin viilennykseen, että jouduttiin keksimään uusia ratkaisuja jotta ei IV-koneen LTO-ominaisuus käynnistyisi
  • että 24 tunnin keskiarvo aikaikkuna on hyvä lämmönohjausta varten, koska se välttää kylmien öiden aiheuttama liikalämmitys
  • energiasyöppö: kalusteisiin integroitu mikroaaltouuni joka kuluttaa 50W valmiustilassa. Ongelma ratkaistiin uudella ohjauksella käyttäen olemassa olevaa liiketunnistinta, ajastinta ja talon tilannetietoja.

 

huonelämpötilat + ulkolämpö

Sisälämpötilat ovat pysyneet mukavissa lukemissa. Kesällä lämpötilat nousivat välillä liian korkeiksi, kuten odotettu. Isoon eteläikkunan ulkopuollelle on suunniteltu screenverho, mutta sitä ei ole vielä asennettu. Ilmanvaihtokone pakotti välillä lämmöntalteenotto-ominaisuuden päälle keskellä kesää, johtuen maapiirrin liian tehokkaasta toiminnasta.

Lämmönohjaus kotona poissa yö-tilat

Kuvasta ilmenee varaajan yö- poissa- ja kotona-lämpöasetukset. Ohjauksesta huolehtii openHAB.

2013-10-03 16.58.32