Instalacje zapewniające odczucie komfortu cieplnego w pomieszczeniach bez względu na warunki zewnętrzne stały się już standardowym elementem w oddawanych obecnie do eksploatacji i w modernizowanych budynkach. Odchodzi się od sterowania ręcznego poszczególnymi elementami systemów składających się na HVAC, czyli wentylacją, ogrzewaniem i chłodzeniem. Dostawcy starają się również ułatwić obsługę systemu ich użytkownikom poprzez zdalny dostęp do ustawień np. z wykorzystaniem aplikacji mobilnych.

Historycznie pierwsze sterowniki HVAC były pneumatyczne. Następnie do przełączania przepustnic wykorzystano przekaźniki elektromechaniczne, które z kolei zastąpiono przełącznikami elektronicznymi, gdy tranzystory mogły już obsłużyć większe obciążenia prądowe. Przyjmuje się, że w połowie lat 80. minionego wieku sterowanie pneumatyczne nie mogło już konkurować z nowymi technologiami, a do roku 2000 powszechnie stosowano już kontrolery, w których już wykorzystywano technologie związane z komputerami. Właściwe dobranie odpowiednich urządzeń oraz sterowania pozwala zbudować system nie tylko spełniający założenia, ale również ekonomiczny.

Na rynku działa wiele firm, które specjalizują się w przygotowaniu i realizacji projektów systemów sterowania HVAC. Od ponad dziesięciu lat na rynku obserwujemy coraz większą integrację systemów HVAC z innymi systemami automatyki budynkowej Zwiększone wykorzystanie analityki w sterowaniu i zarządzaniu zużyciem energii oraz wykorzystanie internetu, a także przetwarzania w chmurze obliczeniowej.

Obecnie w procesie przygotowania nowych inwestycji lub modernizacji budynków, zwraca się uwagę nie tylko na koszt instalacji i uruchomienia poszczególnych elementów, ale też na całkowite koszty posiadania systemów HVAC w całym cyklu życia budynku. Dlatego poszukiwane są inteligentne systemy kontroli, które monitorują i optymalizują zużycie energii. Dzięki rejestrowaniu i przetwarzaniu danych historycznych można monitorować trendy zużycia energii, a wysyłanie powiadomień i alarmów o stanie systemu, pozwala zapobiegać jego awariom i kosztownym naprawom.

Rynek

Według raportu firmy analitycznej MarketsandMarkets dotyczącego światowego rynku systemów sterowania urządzeniami HVAC w 2023 roku ma on osiągnąć wartość 27,04 mld dolarów, co oznacza średni wzrost w latach 2018-2023 na poziomie 12,1%. Wpływ na przewidywany szybki rozwój ma mieć w ocenie analityków nacisk na efektywnego wykorzystania energii w budynkach, szersza implementacja technologii związanych z wykorzystaniem internetu rzeczy (IoT) oraz rosnące zapotrzebowanie na systemy automatyki budynkowej (BAS).

W zakresie systemów HVAC najczęściej korzysta się kontroli temperatury. System taki składa się z czujników, sterowników i urządzeń HVAC. Najprostszym stosowanym układem regulacji jest oczywiście termostat, ale nie zapewnia on oczekiwanej dziś efektywności energetycznej. Jednym z rozwiązań jest zastosowanie termostatów programowalnych, które pozwalają np. wyłączać ogrzewanie w pomieszczeniach, które nie są w danym czasie użytkowane.

Analitycy zwracają uwagę, że rządy wielu krajów wspierają wykorzystanie technologii związanych z budynkami, które zwiększają ich efektywność energetyczną, np. wprowadzając ulgi w podatkach. W raporcie wśród głównych światowych graczy na rynku sterowania HVAC wymieniono takie firmy jak: Honeywell, Johnson Controls, Siemens, Schneider Electric, Emerson, Delta Controls, Ingersoll-Rand, United Technologies, Lennox i kanadyjską Distech Controls.

Rozwiązania

Obecnie do sterowania HVAC stosuje się układy bezpośredniego sterowania cyfrowego (DCC, ang. Direct Digital Control), w którym regulator cyfrowy na przykład komputer steruje bezpośrednio urządzeniami wykonawczymi takimi jak zawory, klapy itp. Grupy kontrolerów DDC, mogą być połączone w sieć lub działać samodzielnie. Łączyć się je z systemem automatyki budynku i to czasem właśnie system BAS bezpośrednio kontroluje komponenty HVAC. Wraz z rozwijaniem i popularyzowaniem koncepcji inteligentnego i zielonego budynku różne, do niedawna oddzielne systemy automatyki budynkowej wymieniają pomiędzy sobą informacje i są centralizowane.

Na przykład systemy HVAC łączą się z systemami typu Home Automation i BMS (Building Management Systems) w celu scentralizowanego sterowania i monitorowania. To równocześnie pozwala rezygnować ze złożonych i droższych systemów efektywnego sterowania tylko elementami wentylacji, ogrzewania i klimatyzacji. Sterowanie pracą instalacji, w tym zdalnie musi uwzględniać różne czynniki, zwłaszcza jeśli chce się również optymalizować zużycie energii. Dlatego system musi brać pod uwagę, poza parametrami panującymi w pomieszczeniu takimi jak: temperatura, wilgotność, stężenie zanieczyszczeń i poziom dwutlenku węgla, również pogodę na zewnątrz i prognozy jej zmiany, porę dnia liczbę osób korzystających z pomieszczeń itp. Każdy obiekt i instalacja jest inna np. choćby przebieg procesu spalania w kotle. Dlatego system sterowania musi „nauczyć się” jak właściwie interpretować i wykorzystywać informacje spływające z różnych czujników.

Obecnie stosuje się np. sterowanie wykorzystujące logikę rozmytą (fuzzy logic). Okazuje się ona bardziej przydatna w zastosowaniach inżynierskich, w których podział na prawdę lub fałsz nie radzi sobie z wieloma niejednoznacznościami i sprzecznościami. Dziś razem z algorytmami ewolucyjnymi i sieciami neuronowymi stanowi ona narzędzia do budowy systemów inteligentnych. Rozwój złożonych systemów sterowania szeroko rozumianą klimatyzacją nie byłby możliwy bez rozwoju i obniżenia cen na wszelkiego typu czujniki, z których system zbiera dane. Dziś są one często zintegrowane i w jednej obudowie znajdują się czujnik dymu, temperatury i wilgotności itp. Ułatwia to ich montaż i przesyłanie danych.

Typowy system

Podsumowując, obecnie typowy system sterowania HVAC składa się z rozproszonych kontrolerów, które mogą sterować różnymi procesami w budynku lub grupie budynków z centralnego komputera hosta, lub przez internet z jednostki, która łączy funkcje komputera hosta oraz serwera WWW. Zwłaszcza system prezentacji to dziś najczęściej web client, czyli rozwiązanie dostępne z przeglądarki, bez konieczności instalowania dodatkowego oprogramowania. Umożliwia on wizualizację instalacji i monitoring jej działania - ustawianie oraz administrowanie alarmami i powiadomieniami.

Użytkownik w praktyce, poza podstawowymi danymi, otrzymuje informacje o trendach (zmienności w czasie) różnych parametrów, oraz może tworzyć raporty np. o zużyciu energii itp. W wielu kontrolerach zaszywa się inteligencję służącą do niezależnego działania na przykład w przypadku braku łączności z jednostką centralną. W nowoczesnych rozwiązaniach konfigurację systemu można wykonać na stacji roboczej, komputerze offline, terminalu HMI lub, w coraz większym stopniu, na urządzeniach połączonych z systemem przez internet w tym mobilnych takich jak tablet lub smartfon z zainstalowaną odpowiednią aplikacją.

Warto pamiętać o tym, że systemy sterowania HVAC są jednym z czterech kluczowych segmentów, które składają się na system automatyki budynkowej (BAS). Pozostałe to systemy: bezpieczeństwa, przeciwpożarowe i ratunkowe oraz sterowania oświetleniem. Obecnie integruje się ze sobą wszystkie lub część z nich. Pozwala to udostępniać im te same kontrolery, sprzęt sieciowy, stacje robocze, HMI i infrastrukturę kablową. Znaczący udział w kosztach eksploatacji obiektów ma zużycie energii, a według informacji podawanych w różnych źródłach systemy klimatyzacji i wentylacji (HVAC) są odpowiedzialne za ponad 50% energii zużytej w budynkach. Dlatego właściwe ich projektowanie pozwala, na osiągniecie znacznych oszczędności w kosztach przyszłej eksploatacji budynku.