Pogoda wpływa na nasze życie. Wprawdzie nie możemy doraźnie jej zmienić, ale możemy się do niej przystosowywać, a także wpływać na warunki pogodowe, na klimat w dłuższej perspektywie, m.in. regulując zużycie energii. To może być pozytywna reakcja na debatę o globalnym ociepleniu.

Przychodzi nam w tym z pomocą technika. Inteligentne instalacje zarządzające budynkami, w oparciu o pomiary stacji pogodowych, zwiększają komfort użytkowników dzięki dostosowaniu temperatury wewnętrznej do potrzeb i informowaniu o stanie i tendencjach pogodowych. Zapewniają też znaczne zmniejszenie zużycia energii dzięki eliminowaniu jej strat i optymalnym wykorzystaniu.

Reagować na otoczenie

Cechą charakterystyczną automatyki budynkowej jest integracja wszystkich instalacji oraz przepływ informacji między nimi. A każdy budynek jest systemem naczyń połączonych. Stan każdego pomieszczenia wpływa na cały budynek. Jednak znacznie większy wpływ na funkcjonowanie domu ma jego otoczenie. Głównym czynnikiem jest temperatura zewnętrzna. Zwykle na zewnątrz panuje inna temperatura niż wewnątrz i podlega ona bardzo dużym zmianom. Wewnątrz oczekujemy stabilności. Powinna być utrzymywana na podobnym poziomie niezależnie od warunków zewnętrznych. Na ogrzewanie i chłodzenie decydujący wpływ ma ilość ciepła pobieranego z zewnątrz przez budynek oraz oddawanego na zewnątrz. Automatyka umożliwia zwiększenie ilości ciepła pobieranego z otoczenia w okresie zimowym i zapobiega przenikaniu ciepła do wnętrz w okresie letnim. Jednym ze sposobów jest samoczynne odsłanianie i zasłanianie okien. W zimie, gdy świeci słońce, odsłaniają się wszystkie nasłonecznione okna. A potem, gdy słońce zmieni pozycję, ponownie zostają zasłonięte żaluzjami czy okiennicami lub zasłonami. W lecie przeciwnie. Wnętrze jest chronione przed nadmiernym nagrzewaniem promieniami słonecznymi. A w okresie przejściowym, system najpierw, gdy temperatura wnętrza jest niższa od oczekiwanej, pozwala porannemu słońcu nagrzewać pomieszczenie, aby później, gdy temperatura zacznie się zbliżać do ustawionej, zasłonić okna i uniemożliwić przegrzanie. Podobnie działa sterowanie oświetleniem. Stacja pogodowa rozpoznaje natężenie oświetlenie i odpowiednio do wskazań załącza oświetlenia, tam, gdzie jest to konieczne i wyłącza tam, gdzie jest zbędne.

Zmysły inteligentnego budynku

Do pomiarów warunków atmosferycznych służą stacje pogodowe. Na rynku jest ich wiele. Różnią się budową i liczbą dokonywanych pomiarów, stopniem przetwarzania informacji oraz możliwościami regulacyjnymi. Od kilku lat obserwuje się szybki rozwój tzw. kompaktowych stacji pogodowych. Wypierają one wcześniejsze stacje pogodowe wyposażone w układ analizujący oraz dołączane do nich czujniki różnych wartości fizycznych. Czujniki te, jak tzw. multisensory dokonują pomiaru wielu wielkości pogodowych. Natomiast do znormalizowanych wyjść analogowych (0-10 V, 0-1 V, 0-20 mA, 4-20 mA) można przyłączać dowolne czujniki – dowolnych wartości i dowolnych producentów. Po odpowiednim skalibrowaniu można je podawać w dowolnej formie i w dowolnych jednostkach. Wprowadzenie multisensorów przerodziło się w budowę kompaktowych stacji pogodowych. Charakteryzują się one tym, że nie mają elementów ruchomych i wszystkie urządzenia pomiarowe są zamknięte w jednej obudowie.

Wielkości pomiarowe

Podstawowe pomiary dokonywane przez wszystkie stacje pogodowe dotyczą prędkości wiatru, temperatury, opadów i natężenia oświetlenia.
Pomiar wiatru może być dokonywany na dwa sposoby, za pomocą różnego rodzaju anemometrów. W stacjach pogodowych KNX najczęściej wykorzystywane są anemometry obrotowe czaszowe oraz termiczne. Pomiar wiatru za pomocą czujników dopplerowskich jest na razie rzadkością. Natomiast autor nie zetknął się z czujnikami wiatrakowymi, wychyłowymi ani ciśnieniowymi; te ostatnie znajdują zastosowanie w odrębnych układach klimatyzacji i wentylacji.
Czujniki obrotowe mierzą prędkość wiatru za pośrednictwem pomiaru prędkości obrotowej czaszowego wiatraczka. Za pomocą magnesów stałych i kontaktronów zliczana jest liczba obrotów w jednostce czasu. Zwykle mają wewnętrzną miniaturową grzałkę zapobiegającą zamarzaniu łożysk. Niestety, przy dużych mrozach może się to okazać niewystarczające. Anemometry termiczne (elektryczne) są pozbawione elementów ruchomych. Zamiast tego mają rezystory utrzymujące stałą temperaturę. Wychłodzenie wiatrem jest kompensowane przepływem prądu powodującego ich rozgrzewanie. Na podstawie pomiaru zmieniającego się prądu wyznaczana jest prędkość wiatru. W różnych stacjach pogodowych dolna wartość waha się od 0 m/s do 1 m/s, a górna znajduje się w przedziale od 40 m/s do 70 m/s. Do pomiaru temperatury używane są termometry wyposażone w czujniki zmieniające swoje właściwości pod wpływem temperatury. Wyznaczanie wartości temperatury następuje za pośrednictwem pomiaru prądu płynącego przez sondę termiczną. Dolna granica pomiarowa zwykle znajduje się w zakresie od -40oC do -20oC, natomiast górna między 55oC a 80oC.
Podobnie dokonywany jest pomiar natężenia oświetlenia. Elementy światłoczułe znajdują się z czterech stron stacji pogodowej. Każdy z nich dokonuje oddzielnego pomiaru. Z trzech stron świata jest to szeroki zakres pomiarów, a z czwartej, północnej tzw. zmierzchowy. Od strony wschodniej, południowej i zachodniej rozpoznawane jest natężenie od poziomu 0 lx do, w zależności od stacji, min. 60 klx względnie maks. 150 klx. Od strony północnej zakres pomiarowy obejmuje wartości od 0 lx do wartości górnej, zwykle mieszczącej się między 674 lx a 90 lx.
Typowym sygnałem wyjściowym powyższych wartości jest sygnał 2-bajtowy.
Czwartym czynnikiem analizowanym przez stacje pogodowe jest rozpoznawanie opadów atmosferycznych. Niezależnie od tego, czy jest to deszcz, czy śnieg, działa on tak samo. Na powierzchni stacji znajduje się podgrzewana płytka z gęsto rozłożonymi elementami przewodzącymi. Zamoczenie tej powierzchni powoduje przejście między dwoma przewodnikami i w ten sposób reaguje na opad. Gdy na zewnątrz panują temperatury ujemne, śnieg lub lód opadający na stację jest podgrzewany i topiony. A woda powoduje zadziałanie czujnika. Grzałka ma jeszcze jedno zadanie. Musi wysuszyć czujnik po zakończeniu opadów. Dopiero całkowite wyschnięcie jest sygnalizowane jako brak opadu. Osadzająca się rosa lub gęsta mgła są również rozpoznawane jako deszcz. Obecnie brak czujek KNX dokonujących pomiaru wielkości opadu (można tego dokonywać za pomocą specjalistycznych czujników ze znormalizowanym sygnałem analogowym na wyjściu. Sygnał ten jest rozpoznawany przez niektóre stacje pogodowe. Może też być interpretowany przez wejścia analogowe KNX. Typowym sygnałem jest 0/1, tj. pada lub nie pada.

Dla bardziej wymagających

Powyżej opisany zakres pomiarowy jest zupełnie wystarczający w zwykłych budynkach mieszkalnych i użytkowych. Ale w niektórych obiektach jest to za mało. Od niedawna oferowane są stacje pogodowe dodatkowo dokonujące pomiaru ciśnienia powietrza oraz jego wilgotności.
Najczęściej do pomiaru ciśnienia powietrza wykorzystywane są barometry w formie krzemowych membran zespolonych z układami elektronicznymi. Zwykle mieszczą się w jednym chipie. Pod wpływem ciśnienia membrany ulegają odkształceniu, co jest mierzone za pomocą czujników piezoelektrycznych lub pojemnościowych. Podawane może być ciśnienie atmosferyczne lub barometryczne, tj. w odniesieniu do poziomu morza lub uwzględniające wysokość miejsca pomiarowego. Wyniki podawane są w hektopaskalach, ale mogą być przeliczane na inne jednostki. Zakres pomiarowy od 300 hPa do 1100 hPa przekracza graniczne ciśnienia zanotowane na Ziemi (min. 870 hPa w czasie tajfunu na Pacyfiku i maks. 1086 hPa w Mongolii).
Także wilgotność powietrza jest mierzona elektronicznie. Do pomiaru wykorzystywane są różne substancje higroskopijne, które w zależności od ilości pochłoniętej wilgoci zmieniają swoją rezystancję. Innym sposobem, coraz częściej wykorzystywanym w automatycznych stacjach pogodowych jest pomiar tłumienia fal elektromagnetycznych prze powietrze zawierające parę wodną. W wyniku pomiarów może być wysyłana wartość wilgotności względnej w zakresie od 0 do 100%, jak też wilgotność bezwzględna w zakresie od 0 do 400 g/m2. W domach wyposażonych w instalację fotowoltaiczną to nie wystarcza. Wskazane jest dokonywanie dalszych pomiarów oraz ustalanie pozycji słońca. Podstawowym parametrem dotyczącym paneli słonecznych jest pomiar promieniowania globalnego, czyli ilości energii słonecznej padającej na 1 m2. Stacje pogodowe wykorzystują do tego celu piranometry. Dokonują one hemisferycznego pomiaru całkowitego promieniowania, także rozproszonego i odbitego. Uwzględniają przy tym kąt zenitalny promieniowania. W przeciwieństwie do czujników natężenia oświetlenia dokonujących pomiarów w zakresie widma od 475 nm do 650 nm, piranometry reagują na widmo w zakresie od 350 nm do 1100 nm. Wynik podawany jest w zakresie od 0 do 1300 W/m2.
Pomiar pozycji słońca w automatycznych stacjach pogodowych nie jest dokonywany bezpośrednio za pomocą heliografów, lecz pośrednio na podstawie wyliczeń czujników promieniowania. Często wyniki te są bezpośrednio w stacji porównywane z pozycją geograficzną i aktualną godziną. Obie te wartości są automatycznie rozpoznawane przez odbiornik GPS wbudowany w stację. Natomiast wielkościami wyjściowymi, wynikowymi są azymut, czyli pozycja słońca w stopniach liczona od kierunku północnego (zgodnie z ruchem wskazówek zegara) oraz wysokość (kąt padania promieni) słońca ponad horyzontem. Obie wartości podawane są, jako kąty, w stopniach.
Dodatkowym wyposażeniem stacji pogodowych są czujniki określające kierunek wiatru w zakresie pełnego koła (360o).

Działanie stacji pogodowych

Zakres działania stacji pogodowych nie ogranicza się wyłącznie do podawania pomierzonych wartości, które są wyświetlane na panelach KNX lub przetwarzane przez moduły logiczne czy też urządzenia Home- Server. Najczęściej stacje takie są wyposażone w proste, a niekiedy także skomplikowane regulatory.
Najprostszym sposobem regulacji jest sterowanie dwustanowe. W trakcie parametryzacji można dla (niemal) każdego pomiaru ustawić, co najmniej, jedną wartość progową oraz szerokość histerezy. Wtedy zawsze, gdy wartość progowa przekroczy, w dół lub górę, zadaną wartość, zostanie wysłany rozkaz do magistrali. Wartości tych rozkazów są także określane przez osobę programującą urządzenie.
Jednak nawet te najprostsze rozkazy są ze sobą powiązane, zwykle logicznie. Na przykład działanie żaluzji czy rolet jest skoordynowane z terminami wschodów i zachodów słońca oraz trybem życia użytkowników. Podobnie działa oświetlenie zewnętrzne, które powinno załączać się o zmierzchu i wyłączać, gdy ulice opustoszeją. Z tych względów stacje pogodowe są wyposażone w proste układy logiczne. Do typowych zadań wystarczą bramki OR i AND. Ich liczba zależy od producenta. Bramki mogą mieć różną liczbę wejść. Sygnałem wyjściowym jest rozkaz o wartości 1- lub 2-bajtowej.
W celu powiązania działania stacji pogodowej z trybem eksploatacji obiektu stacje mają wbudowane zegary sterownicze. Zwykle są to dwa zegary: tygodniowy i roczny. Ten drugi jest wyposażony w program astronomiczny pamiętający terminy wschodów i zachodów słońca. Zegar astronomiczny może być dostosowywany do warunków miejscowych przez podanie pozycji geograficznej lub przesunięcie podanych terminów. Np. wyprzedzenie lub opóźnienie do 2 h zapamiętanych terminów. Lepiej wyposażone stacje pogodowe mają własne odbiorniki GPS automatycznie rozpoznające miejsce pracy i dostosowujące działanie stacji do warunków miejscowych. Tą samą drogą następuje ściągnięcie daty i dokładnej godziny. Obydwa zegary, tygodniowy i roczny, są parametryzowane niezależne. A ich działanie jest zwykle powiązane za pomocą układów logicznych. Każdy z zegarów ma kilka (najczęściej nie więcej niż 8) terminów dzielących dobę na kilka stref inaczej zarządzanych. W domach prywatnych wystarczą 4 przedziały. Noc, poranna aktywność, dzień (gdy nikogo nie ma w domu) oraz aktywność popołudniowa. W każdym z tych okresów stacja pogodowa inaczej steruje poszczególnymi instalacjami.
Oprócz regulacji dwustanowej wiele stacji pogodowych ma regulatory PI. Sygnały te są wysyłane do instalacji grzewczych i klimatyzacyjnych. W ten sposób można stabilnie utrzymywać warunki panujące w domu oraz optymalizować pracę kotłów centralnego ogrzewania oraz klimatyzatorów. W szczególności zapewniać odpowiednią wilgotność powietrza. Ponadto regulatory te służą do regulacji temperatury wewnętrznej z uwzględnieniem warunków panujących na zewnątrz. Dzięki temu klimatyzacja może utrzymywać stałą temperaturę lub temperaturę obniżoną o określoną wartość (stałą lub proporcjonalną) w stosunku do pomierzonej przez stację.
Stacje pogodowe rejestrują w sposób ciągły zmiany kontrolowanych parametrów pogodowych. Natomiast wysłanie informacji może być cykliczne, po zmianie o określoną wielkość, względnie tylko po przekroczeniu zadanego progu.

Zasilanie

Stacje pogodowe zwykle mają znacznie większe zapotrzebowanie na moc (maks. 7 W), niż typowe urządzenia KNX. Pobór mocy jest uzależniony od warunków pogodowych. Dlatego konieczne jest, doprowadzenie do nich, oprócz przewodu magistralnego KNX, także osobnego przewodu zasilającego. Stacje pogodowe mogą być zasilane napięciem stałym i przemiennym o wartościach od 12 V do 230 V. Ze względu na to, że różne stacje wymagają innego zasilania, doboru stacji należy dokonać przed układaniem instalacji lub ułożyć instalację uniwersalną lub zostawić rurkę instalacyjną z tzw. pilotem.
Wszystkie elementy stacji pogodowych przeznaczone do montażu na zewnątrz budynków mają stopień ochrony, co najmniej, IP44. W zależności od typu można je montować na masztach lub ścianach budynków. Zwykle wymagają one odpowiedniego ustawienia względem stron świata. Niewielkie kompaktowe stacje pogodowe są estetyczne i nie psują ogólnego wyglądu budynku.
Czynniki pogodowe mierzone przez stacje mogą być wykorzystywane we wszystkich instalacjach domowych. Znajdują zastosowanie zarówno w sterowaniu instalacjami na poziomie pojedynczych pomieszczeń (z uwzględnieniem tego, że w każdym mogą być zadane inne warunki), jak też na poziomie całego budynku, wymieniając informacje ze sterowania kotłów co, pomp ciepła, instalacji fotowoltaicznych czy klimatyzacyjnych. Analizując zmiany zapewniają wyższą stabilność, dzięki wyprzedzającej reakcji centralnego ogrzewania i chłodzenia. We współpracy z czujnikami wewnętrznymi wydatnie ograniczają straty energii. Natomiast dzięki porównywaniu warunków zewnętrznych z wewnętrznymi znacznie podnoszą komfort mieszkania. Z tego względu w każdym nowym budynku powinno przewidywać się zainstalowanie stacji pogodowej KNX. W tym celu należy wyprowadzić na dach elementy instalacji umożliwiające zainstalowanie takiego urządzenia nawet w przyszłości. Rozsądne zaplanowanie infrastruktury instalacyjnej budynku zapewnia elastyczność wprowadzania zmian i udogodnień w trakcie eksploatacji obiektu budowlanego.

Andrzej Dubrawski, Firma Tema 2 – przedstawiciel na Polskę przedsiębiorstwa Gira

Przy pisaniu artykułu wykorzystano materiały dotyczące stacji pogodowych firm Gira, Jung, Elsner Elektronik, Theben, Wago, Somfy i Hager