خانه هوشمند یا ساختمان هوشمند

مدیریت و حفظ انرژی و منابع برای نسل آینده و تلاش برای حفاظت از محیط‌ زیست امری بسیار حیاتی است. در دنیای امروز، به دلیل افزایش جمعیت، افزایش قیمت انرژی و کاهش هرروزه منابع انرژی و آب، مدیریت و صرفه‌جویی در مصرف انرژی بسیار مهم است. بنابر آمارهای مختلف حدود %35-30 از مصرف انرژی مربوط به ساختمان‌ها است و از این مقدار حدود %70-60 از این مقدار مربوط به مصارف سرمایشی و گرمایشی است. مبحث 19 مقررات ملی ساختمان نیز به بحث پیرامون صرفه‌جویی در مصرف انرژی پرداخته است و مدتی است که بحث درباره‌ی خانه هوشمند در محافل تخصصی و عمومی مطرح است. در همین راستا، استفاده از تکنولوژی‌های نوین جهت مدیریت مصرف و هزینه‌ها می‌تواند راهکار مناسبی تلقی شود. یکی از نوآوری‌های موجود در صنعت ساختمان، سازمان مدیریت یکپارچه و هوشمند ساختمان (BMS) است.

این سامانه با مقایسه و پایش پیوسته شرایط موجود در ساختمان با آنچه کاربر انتخاب کرده  و یا حالت پیش‌فرض (تغییرات ساعات روز، تغییرات فصلی و…)، شرایط مطلوب و ایده‌آل مصرف انرژی را کنترل کرده و کاهش می‌دهد.

تاریخچه سیستم‌های مدیریت ساختمان به سال 1970 برمی‌گردد. اولین بار دانشگاه میشیگان در ایالات متحده آمریکا طرح کنترل هوشمند انرژی را مطرح کرده و برای اولین بار نیز این طرح در سال 1995 در دانشگاه آریزونا اجرا شد.

هوشمند سازی در ساختمان چیست؟

سامانه مدیریت یکپارچه و هوشمند ساختمان (BMS) مجموعه سخت‌افزارها و نرم‌افزارهایی است که به منظور پایش و راهبری یکپارچه قسمت‌های مهم ساختمان نصب می‌شوند. تعریف ایالت متحده آمریکا از یک ساختمان هوشمند بدین صورت است: یک ساختمان هوشمند ساختمانی است که دربردارنده محیطی پویا و مقرون به صرفه به وسیله یکپارچه کردن چهار عنصر اصلی یعنی سیستم‌ها، ساختار، سرویس‌ها و مدیریت و رابطه میان آن‌ها است.

 وظیفه این مجموعه کنترل پیوسته بخش‌های گوناگون ساختمان و اعمال فرمان به صورتی است که عملکرد اجزای مختلف ساختمان متعادل با یکدیگر و در حالت بهینه باشند. این سیستم با کنترل روشنایی، تردد، سرمایش و گرمایش، موتورخانه و اعلام و اطفای حریق وضعیت ساختمان را مدیریت و کنترل می‌کند. این سیستم‌ها بر اساس دریافت پیوسته اطلاعات از انواع سنسورهای حسی که در ساختمان قرار دارد عمل می‌کنند. نهایتاً با استفاده از یک شبکه و سیستم واحد می‌توان اطلاعات تمامی سنسورها مانند سنسورهای دما، رطوبت، فشار و… را به دست آورده و با کمک نرم‌افزارهای موجود نمودارهای مناسب را رسم کرد. از این نمودارها می‌توان برای کنترل و ارتقا شرایط ساختمان استفاده کرد.

سیستم‌های مختلفی در یک خانه هوشمند به کار می‌رود. این سیستم‌ها شامل سیستم مدیریت و صرفه‌جویی انرژی، سیستم مخابراتی، سیستم اتوماتیک سازی محل و سیستم ایمنی جانی است

با BMS می‌توان بخش‌های مختلف ساختمان شامل روشنایی، سیستم‌های حفاظت و امنیت، درب‌ها، پنجره‌ها، سایبان‌ها، سیستم سرمایشی و گرمایشی، سیستم صوتی و تصویری، وسایل الکتریکی ساختمان، سیستم‌های ارتباطی، سیستم آبیاری و تأسیسات استخر را کنترل کرد. سیستم‌های هوشمند قابلیت اجرا شدن در ساختمان‌های مسکونی و اداری، بیمارستان‌ها، پارکینگ‌ها، گلخانه‌ها و دام‌ پروری‌ها را دارند.

انواع سیستم‌های BMS

سیستم‌های BMS بر اساس عملکردشان به چند دسته تقسیم می‌شوند که عبارت‌اند از سیستم‌های بهینه‌سازی دما بر اساس زمان، سیستم‌های با برنامه‌ریزی روزانه و سیستم‌های کنترل خواستاری.

1. سیستم‌های بهینه‌سازی دما بر اساس زمان:

در چنین سیستم‌هایی به طور پیوسته دمای داخل و خارج از ساختمان بررسی می‌شود و متناسب با تغییرات دما، زمان خاموش و روشن شدن سیستم تغییر می‌کند. کاربرد عمده آن در سرمایش و گرمایش است. ارتباط این سیستم‌ها با سرمایش و گرمایش محیط سبب افزایش راندمان و صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌شود.

• سیستم‌های با برنامه‌ریزی روزانه:

انواع این سیستم‌ها شامل سیستم‌های روشنایی، کنترل فن‌های تهویه و کنترل حرارت محیط است. این سیستم‌ها با استفاده از ساعت‌های الکترومکانیکی و فهرست‌های زمان‌بندی دریافت شده عمل می‌کنند. این سیستم‌ها، در زمانی که کنترل شخصی میسر نباشد (مانند ساعت‌های عدم حضور در ساختمان) بیشتر مورد استفاده هستند.

• سیستم‌های کنترل خواستاری:

این سیستم مشابه با سیستم بهینه‌سازی زمان-دما است. در این سیستم مصرف جریان برق با اتصال ساعت‌های کنترلی، کنترل می‌شود. انواع این سیستم‌ها شامل سیستم ضد سرقت، حرارت مرکزی، سیستم هشدار آتش و… است.

اجزای سیستم BMS

BMS می‌تواند با توجه به نیازهای موجود در هر محل متفاوت باشد. برخی اجزای متداول BMS عبارت است از:

1. سیستم کنترل مرکزی: سیستم کنترل مرکزی مهم‌ترین بخش و هسته مرکزی BMS است.
2. خطوط ارتباطی: خطوط ارتباطی از تمامی اجزا BMS عبور کرده و بین اجزا مختلف ارتباط ایجاد می‌کنند.
3. نقاط دسترسی و کنترل‌کننده: این بخش از یک نمایشگر و یک صفحه‌کلید و یا یک نمایشگر لمسی تشکیل شده و در نقاط مختلف ساختمان نصب می‌شود و قابلیت کنترل و نمایش اطلاعات آن بخش را دارد.
4. سنسورها: در BMS بسته به نیاز موجود سنسورهای متفاوتی استفاده می‌شوند. این سنسورها شامل سنسور دما، نور، دود و… می‌باشند.
5. دیمرهای روشنایی: دیمر‎‌ها امکان تنظیم نور را به صورت الکترونیکی فراهم می‌کنند.
6. تایمرها: تایمرها برای اجرای عملیات تکراری مناسب هستند.
7. پریزها: به کمک پریزهایی که توانایی فرستادن و دریافت کردن داده‌ها را از طریق خطوط ارتباطی دارند، می‌توان مصرف‌کننده‌های متصل را روشن و خاموش کرد و از شرایطشان آگاه شد.
8. نرم‌افزار سیستم: نرم‌افزار می‌تواند توانایی‌های زیادی همچون ارتباط بصری با سیستم، گزارش‌گیری و ثبت را انجام دهد.
9. WEB Server: این بخش از سیستم این امکان را فراهم می‌سازد تا از طریق اینترنت از هر جایی به بتوان ساختمان را مدیریت کرد.

به طور کلی، تجهیزات شبکه هوشمند سیستم مدیریت ساختمان در سه دسته سنسورها و ورودی‌ها، فعال‌سازها و خروجی‌ها و رابط‌های کاربر تقسیم‌بندی می‌شوند. جزئیات هر کدام به صورت زیر است:

• سنسورها و ورودی‌ها: سنسور حضور و نور، ترموستات هوشمند، سنسور پارامترهای جوی، تجهیزات تشخیص هویت، سنسورهای کشف حریق و دوربین‌های مداربسته.
• فعال‌سازها و خروجی‌ها: فعال‌ساز روشنایی، فعال‌ساز و موتورهای پرده و سایبان، تجهیزات و فعال‌ساز HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning)، قفل برقی و تجهیزات کنترل تردد، تجهیزات اعلام و اطفا حریق و اسکرین‌های نظارتی.
• رابط‌های کاربر: کلید هوشمند، ریموت کنترل، اینترنت، رایانه، پنل لمسی و موبایل و تبلت.

سطوح هوشمند سازی ساختمان

سطوح هوشمند سازی شامل مدیریت، کنترل و اتوماسیون است. بالاترین سطح یک سیستم هوشمند مدیریت است. نرم‌افزارهای مدیریتی کار تنظیمات و پارامتردهی را انجام داده و پروسه اتوماسیون و کنترل توسط بخش تجهیزات هوشمند انجام می‌گیرد.

اهداف سیستم خانه هوشمند (هوشمند سازی ساختمان)

اهداف سیستم هوشمند ساختمان را می‌توان به صورت زیر مطرح کرد:

1. پایش پیوسته تمامی اجزا ساختمان
2. فراهم کردن یک محیط مطلوب برای ساکنین

از طریق کنترل روشنایی و درجه حرارت، محیط مناسبی را برای ساکنان فراهم می‌کند.

3.بهینه‌سازی و مصرف درست انرژی

مدیریت مصرف در تمامی سیستم‌های آب، کنترل گرما و تهویه، کنترل روشنایی و موتورخانه ایجاد می‌شود. این سیستم قابلیت مصرف بهینه و کاهش مصرف انرژی تا 65 درصد در ساختمان‌های غیرمسکونی و اداری و 25 درصد در ساختمان‌های مسکونی را به طور تقریبی دارد.

4. استفاده مناسب از تجهیزات و بالا بردن عمر مفید آن‌ها

5. کم کردن میزان هزینه‌های تعمیر و نگهداری

در یک ساختمان هوشمند در صورت رخ دادن مشکل در سیستم‌های آب یا مدارهای برق پیام فنی ارسال کرده و لذا ساکنین زودتر متوجه مشکلات رخ داده می‌شوند و می‌توانند آن‌ها را مدیریت کنند.

• اولویت‌بندی مصرف در هنگام اضطرار به صورت هوشمند
• مدیریت ساختمان در رخ دادن حوادث مختلف
• افزایش ایمنی با مدیریت دستگاه‌های ایمنی و شبیه‌سازی حضور ساکنین

در نبود ساکنین یک خانه هوشمند، سیستم هوشمند با شبیه‌سازی حضور آن‌ها در ساختمان مانند باز و بسته کردن پنجره‌ها، کنترل نور و سیستم صوتی از رخداد سرقت جلوگیری می‌کند. هم‌چنین در هنگام قفل درب‌های ساختمان، از قفل شدن صددرصدی درب‌ها اطمینان حاصل کرده و در غیر این صورت پیام هشدار می‌دهد.

مزایای سیستم هوشمند ساختمان

استفاده از سیستم هوشمند ساختمان نه تنها مزیت‌های فراوانی برای مالکان و ساکنان به همراه دارد، بلکه برای مدیران تأسیسات نیز سودمند است. این سیستم با افزایش ایمنی در ساختمان، ارتقا کیفیت سرویس، افزایش عمر مفید سازه، ایجاد محیطی مطبوع و راحت و صرفه‌جویی در مصرف انرژی به مالکان و ساکنان کمک می‌کند. هم‌چنین، با کنترل مرکزی و از راه دور، هزینه اپراتوری کم، افزایش راندمان تجهیزات ساختمان، اعلام سریع خرابی‌ها و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری برای مدیران تأسیسات سودمند است. BMS یک سیستم قابل اعتماد است که نظارت و کنترل را به درستی انجام می‌دهد و این یک مزیت بسیار مهم این سیستم به شمار می‌آید. هم‌چنین، استفاده از سیستم‌های هوشمند ساختمان موجب افزایش پایداری محیطی می‌شود.

ضرورت وجود و اجرای سیستم هوشمند ساختمان

نیازهای کنترلی مختلفی در یک ساختمان وجود دارد. این نیازها در فضاهای مختلف یک ساختمان دیده می‌شوند. برای مثال، روشن شدن مسیرهای روشنایی مسیر ورودی تا محل، ایجاد دمای مطلوب در ورودی، امکان تطبیق نور بیرون و داخل از نیازهای اتوماتیک سازی ورودی ساختمان در هنگام ورود است. هم‌چنین در هنگام خروج، خاموش کردن کلیدهای روشنایی، تعریف دمای مطلوب در نبود افراد در منزل، بستن درب و پنجره‌ها از جمله نیازهای کنترلی هنگام خروج است. این نیازها در بخش‌های مختلف ساختمان به فراخور نیاز متفاوت است.

چند مثال ساده می‌تواند اهمیت استفاده از سیستم‌های هوشمند را مشخص کند. برای مثال اگر فردی در خانه حضور نداشته باشد، ترکیدگی لوله و نشت آب باعث ایجاد خرابی بسیاری در کل ساختمان خواهد شد. حال اگر این ساختمان یک خانه هوشمند باشد، با عدم حضور فرد در ساختمان، آب، گاز و برق به طور خودکار قطع شده و یا فرد از هر جایی که باشد می‌تواند با تلفن همراه خود، فلکه آب و… را ببندد. در مثالی دیگر می‌توان عنوان کرد که  با هوشمند سازی از نشت گاز و مرگ بر اثر آن جلوگیری می‌شود. در  حالت نشت گاز خطرناک سیستم بلافاصله جریان الکتریکی را قطع کرد و تهویه محیط را آغاز می‌کند.

توجیه اقتصادی سیستم هوشمند ساختمان

هزینه‌های یک ساختمان تنها هزینه‌های ساخت نیست و هزینه‌های نگهداری و تعمیرات نیز مهم است. این هزینه‌ها به وسیله کنترل یکپارچه و اتوماتیک توسط خانه هوشمند کم می‌شود. به طورکلی، هزینه‌های نگهداری یک خانه هوشمند کاهش می‌یابد و این نکته علاوه بر بازگشت هزینه‌ها موجب ایجاد رفاه حال افراد نیز خواهد شد.

هزینه‌های ناشی از BMS به متراژ ساختمان و این موضوع که چه سطحی از اتوماسیون مدنظر است بستگی دارد. برای مثال باید مشخص شود که قرار است کل سیستم گرمایش و سرمایش اتومات شود و یا تنها برای مدیریت نور از آن استفاده خواهد شد.

استانداردهای مرتبط با هوشمند سازی

3 استاندارد مهم در این راستا تدوین شده است که در ایران و جهان مورد استفاده و قابل استناد است. این استانداردها عبارت‌اند از:

1. استاندارد 2000:2005 ANSI/MSE (آمریکا)
2. 16001: 2009EN (اروپا)
3. ISO50001:2011 (سازمان استانداردسازی بین‌المللی ایزو)

قرارداد BMS

یک قرارداد BMS می‌تواند به صورت خرید و یا نصب و راه‌اندازی باشد. این قرارداد شامل مفاد مختلفی است.

طراحی و اجرای سیستم هوشمند ساختمان

هوشمند سازی می‌تواند به صورت بی‌سیم و باسیم اجرا شود. هر کدام از این روش‌ها مزایا و معایب خاص خود را دارند. برای مثال اجرای BMS بی‌سیم در ساختمان‌های ساخته شده نیز قابل اجرا است. در حالت بی‌سیم، نصب سریع و آسان است و به دلیل عدم نیاز به سیم‌کشی زیباتر است. از سوی دیگر، روش باسیم قابلیت اطمینان و امنیت بیشتری دارد.

سناریو هوشمند سازی ساختمان

منظور از سناریوهای هوشمند سازی ساختمان تنظیمات و نحوه کنترل تجهیزات در شرایط مختلف است. به طور کلی سه سناریو در هوشمند سازی داریم.

1. سناریو کارکرد طبیعی
2. سناریو بحران
3. سناریو دفاعی-نظامی

پروتکل‌های مختلف BMS

زمانی که دو کنترل به یکدیگر متصل‌اند برای اینکه هماهنگی بین ارسال و دریافت اطلاعات آن‌ها وجود داشته باشد از قوانینی استفاده می‌شود که به این قوانین پروتکل گفته می‌شود. پروتکل‌های مختلفی وجود دارند که شامل موارد زیر هستند:

1. Knx
2. BACnet
3. LonWorks
4. Modbus
5. M-Bus
6. Zigbee

چک‌لیست بررسی سطح هوشمندی ساختمان

چک‌لیست زیر میزان هوشمندی و صرفه‌جویی در انرژی ساختمان را نشان می‌دهد:

جمع‌ بندی

BMS یک رویکرد نوآورانه در کنترل و مدیریت انرژی در صنعت ساختمان است. قبل از اجرای BMS در یک ساختمان باید یک آنالیز کلی صورت گیرد. گاهی هزینه نصب و اجرا BMS در یک سازه عادی بالا بوده و کاهش مصرف انرژی حاصل را توجیه نمی‌کند. عوامل مؤثری مانند نوع ساختمان، عملکرد آن ابعاد و تعداد سیستم‌های کنترلی در این تصمیم گیری مؤثر هستند. در صورت افزایش هزینه‌ها و نبود توجیه منطقی می‌توان از روش‌های ساده‌تری مانند ایجاد عایق‌های حرارتی استفاده کرد. باید توجه شود که استفاده از BMS به معنای افزایش هزینه‌ها و سرمایه‌گذاری‌های اولیه است.

باید توجه داشت که با پیشرفت‌های دنیای امروزی، یک ساختمان فراتر از تنها یک فضا با درب و پنجره است. BMS می‌تواند در ایمنی و صرفه‌جویی انرژی بسیار مؤثر باشد و به هیچ عنوان یک سیستم لوکس و اضافه نیست. لزوم استفاده از سامانه مدیریت یکپارچه و هوشمند ساختمان (BMS) در آینده بسیار مهم و حیاتی خواهد بود و این تکنولوژی در آینده به طور گسترده‌تری استفاده خواهد شد.

مطالب مرتبط:

Smart Home