Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad
MOISTURE GUARD - SYSTÉM PRO KONTINUÁLNÍ MONITORING VLHKOSTI Aleš Vodička1), Pavel Mlejnek1),2), Marek Maška1),2), Jan Včelák1) 1) Monitorování,
diagnostika a inteligentní řízení budov, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad měření, Fakulta elektrotechnická, ČVUT, Praha
2) Katedra
ANOTACE Následující článek přináší návrh řešení jednoho z problémů dřevostaveb – zvýšené vlhkosti v konstrukci stavby. Systém Moisture Guard, který byl vyvinut na Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT v Praze, kontinuálně monitoruje vlhkost přímo uvnitř konstrukce a v případě zjištění nepřirozeného nárůstu této vlhkosti informuje uživatele o možném úniku kapaliny. Systém se instaluje do vytipovaných kritických míst konstrukce (kuchyně, koupelny, toalety, technické místnosti aj.) již během stavby. Skládá se z centrální vyhodnocovací jednotky a několika (cca deseti) jednotlivých senzorů spojených napájecí a komunikační sběrnicí. Ze znalosti umístění senzorů je pak systém schopen i přibližně lokalizovat místo úniku.
SUMMARY The following article brings a solution to one of problems of wooden buildings which is increased moisture in the structure. The Moisture Guard system, which has been developed in University Centre of Energy Efficient Buildings of CTU in Prague, continuously monitors moisture content directly in the structure and in case of abnormal increasing of moisture user is informed about possible leakage of liquid. System is supposed to be installed in critical places in structure of building such as kitchens, bathrooms, toilets, technical rooms etc. already during construction process. It consists of central unit and several (approx. 10) individual sensors connected by powering and communicating bus. Position of leakage can be estimated based on known location of the sensors.
SYSTÉM MOISTURE GUARD V posledním desetiletí prudce stoupá počet realizovaných dřevostaveb a s ním i počet potenciálních problémů spojených se zvýšenou vlhkostí. Důsledkem je poptávka zákazníků po systému pro dlouhodobý kontinuální monitoring vlhkosti. Protože žádný vhodný systém na trhu v současnosti není nabízen, výzkumná skupina na ČVUT-UCEEB se rozhodla takový systém navrhnout. Realizovaný systém se skládá ze senzorů, které jsou rozmístěny v konstrukci dřevostavby a propojeny digitální sběrnicí. Sběrnice je použita i pro připojení senzorů k centrální vyhodnocovací jednotce, která zajišťuje vyhodnocování dat z jednotlivých senzorů, jejich ukládání a dále generování případných alarmů.
KOMBINOVANÝ SENZOR PRO INSTALACI DO KONSTRUKCE Konstrukční provedení Sensor MHT02485 (viz obr. 1) se skládá z krabičky o dvou dílech, osazené desky plošného spoje a dvou upevňovacích nerezových vrutů, které slouží zároveň jako měřicí elektrody.
329
Obr. 1 Kombinovaný senzor – krabička, deska plošného spoje, elektrody Instalace senzoru Instalace senzoru se provádí nejlépe během výstavby tak, aby senzor měřil elektrický odpor ve směru podélném vůči létům dřeva. V místě instalace senzoru se předvrtají pilotní díry pro elektrody vrtákem o průměru 2 mm vzdálené od sebe 20 mm. Deska plošného spoje se umístí do spodního dílce krabičky a dodávanými nerezovými vruty se skrz příslušné otvory připevní do materiálu. Vruty je nutné dotáhnout tak, aby měly zajištěny dobrý kontakt s deskou plošného spoje, případně použít pružnou podložku. Následně je třeba připojit přívodní kabel. Při průběžné instalaci se připojí kabely dva. Na závěr se krabička uzavře druhým dílcem a zajistí dvěma šroubky. Sběrnicová topologie a komunikační protokol Pro propojení je použita průmyslové sběrnici RS-485. Tato sběrnice poskytuje dostatečnou datovou propustnost, komunikaci na potřebnou vzdálenost i odolnost proti vnějšímu rušení. Umožňuje připojit až 32 zařízení (senzorů). Při požadavku na připojení většího počtu senzorů je nutné použít opakovač. Pro co možná nejvyšší odolnost vůči rušení je důležité použít kabel s krouceným párem vodičů. Na sběrnici RS-485 je použit komunikační protokol Modbus RTU. Velká rozšířenost tohoto komunikačního standardu umožňuje použití tohoto senzorového systému s průmyslovými řídicími kontroléry většiny výrobců. Technická data Měřené veličiny
hmotnostní vlhkost dřeva, relativní vlhkost vzduchu, teplota
Napájení
5 až 16 V DC, < 3 mA při 5 V
Pracovní rozsah
−40 až +85 °C, 0 až 80 % RH
Komunikační rozhraní
RS-485 & Modbus RTU (konfigurovatelné)
Montáž
2 nerezové vruty (slouží zároveň jako měřicí elektrody)
Rozměry
42 x 28 x 18 mm
Měření odporu
rozsah 0 až 50 GΩ, rozlišení 2 kΩ
Měření hmotnostní vlhkosti
rozsah 7 až 30 % (závislé na materiálu), rozlišení 0,01 %, přesnost ±2 %
Měření vzdušné vlhkosti
rozsah 0 až 100 % RH, rozlišení 0,04 % RH, přesnost ±2 % RH
Měření teploty
rozsah −20 až 80 °C, rozlišení 0,01 °C, přesnost ±0,3 °C
330
DOPLŇKOVÝ SENZOR Doplňkový senzor HT01485 (viz obr. 2) je určen pro monitorování teploty a vzdušné vlhkosti v místech, kde není třeba monitorovat vlhkost masivního materiálu. Senzor také slouží k monitorování podmínek v exteriéru a interiéru stavby, čímž poskytuje centrální jednotce důležité informace pro zvýšení spolehlivosti detekce úniku kapaliny. Tento senzor je, co se parametrů týče, identický s kombinovaným senzorem MHT02485, jen postrádá měření hmotnostní vlhkosti v masivním materiálu. Díky tomu je výrazně levnější a také kompaktnější (rozměry 60 x 10 x 7 mm).
Obr. 2 Doplňkový senzor HT01485
ROZMÍSTĚNÍ SENZORŮ V OBJEKTU Správné rozmístění senzorů v monitorovaném objektu je klíčové pro správnou funkčnost celého systému. Senzory se umísťují do kritických míst s nejvyšším rizikem úniku kapalin, do míst ohrožených zatékáním z okolního terénu či případně do míst, kde hrozí kondenzace vodních par. Typicky to jsou koupeny (toaleta, sprchový kout, vana, umyvadlo, pračka), kuchyně (dřez, myčka), technické místnosti (boiler, kotel), stěny přilehlé terénním vyvýšeninám apod. Dalšími potenciálně nebezpečnými místy mohou být půdní prostory, kde hrozí kondenzace vodních par či zatékání střechou. Pro funkčnost detekčního algoritmu centrální jednotky je důležité mít v systému instalovaný senzor vzdušné vlhkosti snímající vlhkost venkovního prostředí. Tento senzor se umisťuje nejčastěji na severní fasádu stavby. S výhodou lze také použít senzor vlhkosti v interiéru.
CENTRÁLNÍ JEDNOTKA Součástí systému je centrální jednotka (viz obr. 3), která zajišťuje vyhodnocování dat z jednotlivých senzorů, jejich ukládání a dále generování případných alarmů. Centrálních jednotek je několik typů lišících se doplňkovými funkcemi. Všechny jednotky jsou vybaveny akustickou i optickou signalizací a relé pro připojení do nadřazeného systému (např. domácí zabezpečovací stanice). Dále mohou být vybaveny LCD displejem pro zobrazení aktuálních hodnot, USB portem pro konfiguraci a vyčítání stavu přes počítač, SD paměťovou kartou pro dlouhodobé ukládání dat, LAN portem pro připojení do sítě internet a vzdálenou správu přes webové rozhraní. Všechny jednotky obsahují sofistikovaný detekční algoritmus pro vyhodnocení jak vzdušné vlhkosti, tak i hmotnostní vlhkosti.
331
Obr. 3 Centrální jednotky
MOŽNOSTI VYHODNOCENÍ DAT Algoritmus detekce havárie je komplexní a je založen na několika faktorech. Prvním z nich je aktuální hodnota vlhkosti. To znamená, že pokud úroveň vlhkosti v materiálu překročí definovanou úroveň, vyhodnotí se situace jako havárie. Další z vyhodnocovacích metod je časová změna vlhkosti v materiálu a relativní vzdušné vlhkosti. Tento princip vyhodnocení potlačuje vliv pomalých změn vlhkostí v důsledku změn okolních klimatických podmínek. To znamená, že pokud dojde k rychlému nárůstu vlhkosti, je tato situace detekována jako havárie. Dalším způsobem detekce havárie, respektive přítomnosti zvýšené vlhkosti, je určování trendů změn vlhkosti a teploty a jejich vzájemné porovnávání. Tento princip je založený na fyzice kapalin a plynů a jejich chování při různých teplotách. Ze znalosti umístění jednotlivých senzorů a jejich hodnot je možné alespoň přibližně lokalizovat místo havárie. Zkoumáním změn vlhkosti nejen v rámci jednoho senzoru, ale komplexně mezi všemi senzory může být závada odhalena i v místě, kde žádný senzor fyzicky umístěn není.
SBĚR DAT A JEJICH PREZENTACE PŘES WEB Centrální jednotky vybavené LAN rozhraním a připojené do internetové sítě odesílají data na vzdálený server do databáze. Z libovolného místa s připojením na internet lze pak tato data přehledně zobrazit ve webovém prohlížeči a zkontrolovat stav budovy včetně její historie. (viz dále obr. 5, obr. 6)
ZKUŠENOSTI Systém Moisture Guard byl instalován v rámci pilotních projektů pro ověření funkčnosti, spolehlivosti a pro optimální naladění detekčního algoritmu do několika staveb. Jednou z instalací, která běží již delší dobu, je dřevostavba rodinného domu od firmy DOMY D.N.E.S., s.r.o. na Berounsku (obr. 4). Jedná se o dům dispozičně řešený jako 4 + kk, jehož půdorys je na obr. 5.
332
Obr. 4 Dřevostavba rodinného domu firmy DOMY D.N.E.S., s.r.o. na Berounsku V domě je instalováno 5 senzorů HT01485 monitorující vzdušnou vlhkost v podlaze a venkovní senzor na severní straně domu (senzor č. 6) pro informaci o okolních podmínkách. Podlaha nad hydroizolační fólií se skládá z 20 cm polystyrenu a 10 cm betonu. Dům je obývaný od počátku dubna 2015 a v této době byl započat sběr dat ze senzorů. Z dat sebraných v domě (obr. 6) od počátku měření do konce srpna 2015 je vidět několik faktů. Začátek užívání objektu spolu s teplým letním obdobím zvýšilo teplotu v podlaze objektu. Tím objekt začal postupně vysychat. Tento proces je pomalý, ale trend z dat je jasně patrný.
Obr. 5 Půdorys domu s instalovanými senzory a jejich aktuálními hodnotami z webové aplikace Mohlo by se zdát, že vlhkost v konstrukci je příliš vysoká. To je bezesporu pravda, ale je třeba vzít v potaz, že dům je nový a ještě neprošel ani jednou topnou sezónou. Teprve až se podmínky v objektu ustálí, bude možné spolehlivě detekovat případné úniky a anomální
333
vlhkostní situace uvnitř konstrukce objektu. Počítáme, že to potrvá nejméně rok, než k tomu dojde.
Obr. 6 Průběhy teplot a vlhkostí v pilotní instalaci v dřevostavbě na Berounsku
ZÁVĚR Cílem tohoto článku bylo seznámit čtenáře s vyvinutým systémem Moisture Guard pro monitoring vlhkosti v dřevostavbách. V rámci výzkumu byl vytvořen samostatný systém skládající se z kombinovaných senzorů vlhkosti, doplňkových senzorů a centrální vyhodnocovací jednotky. Kombinované senzory jsou schopny měřit teplotu, vzdušnou vlhkost a hmotnostní vlhkost vázanou ve dřevě v několika kritických místech budovy, doplňkové senzory pouze teplotu a vzdušnou vlhkost. Díky dlouhodobému měření a ukládání historických dat je centrální jednotka schopna odhalit i velmi malé úniky kapaliny, které by pravděpodobně zůstaly velmi dlouho utajeny. Ze znalosti umístění senzorů v rámci budovy může řídicí jednotka také částečně lokalizovat polohu nastalé havárie a včas na ni správce budovy upozornit. Několik reálných pilotních instalací i umělé simulování havárií v laboratoři přineslo velmi slibné výsledky. Je ale zřejmé, že systém ještě čeká dlouhé testování pro dosažení co možná nejvyšší spolehlivosti.
LITERATURA [1]
James W. L.: Electric Moisture Meters for Wood, 1988, United States Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory, General Technical Report FPLGTR-6, http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fplgtr06.pdf
[2]
Duff J. E.: A Probe for Accurate Determination of Moisture Content of Wood Products in Use, 1966, U.S. Forrest Service Research Note FPL-0142, http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplrn/fplrn0142.pdf
[3]
Wood Handbook – Wood as an Engineering Material, 2010, U.S. Forrest Service, General Technical Report FPL-GTR-190, http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fpl_gtr190.pdf
[4]
Makovíny I.: Meranie vlhkosti dreva, Zvolen: MATCENTRUM, 1995, ISBN 80-967315-0-5
[5]
Onysko D., Schumacher Ch., Garrahan P.: Field Measurements of Moisture in Building Materials and Assemblies: Pitfalls and Error Assessment, DMO Associates, Building Science Corporation, FPInnovations, Forintek Division, 2008, http://c.ymcdn.com/sites/www.nibs.org/resource/resmgr/BEST/BEST1_M2-5.pdf
334
