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1 Instituto Politécnico de Coimbra Instituto Superior de Engenharia GESTVIVEXXI PROJECTO DE UM SISTEMA INTEGRADO DE GESTÃO DAS INSTALAÇÕES E EQUIPAMENTOS DE UMA VIVENDA Alípio Manuel Arromba Bernardo Projecto para obtenção do Grau de Mestre em Instalações e Equipamentos em Edifícios COIMBRA 2009

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3 Instituto Politécnico de Coimbra Instituto Superior de Engenharia GESTVIVEXXI PROJECTO DE UM SISTEMA INTEGRADO DE GESTÃO DAS INSTALAÇÕES E EQUIPAMENTOS DE UMA VIVENDA Orientadores: Doutor Gilberto Cordeiro Vaz Professor Adjunto, ISEC Eng. José Manuel Fresco Tavares de Pina Professor Adjunto, ISEC Alípio Manuel Arromba Bernardo Projecto para obtenção do Grau de Mestre em Instalações e Equipamentos em Edifícios COIMBRA 2009

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5 A minha dedicatória vai por inteiro para a minha família em particular para a minha filha que durante mais de dois anos quase não viu um pai cuja aventura do Mestrado em paralelo com a grande exigência profissional lhe absorveram uma grande parte do seu tempo e disponibilidade mental para acompanhar o seu crescimento. Um grande, grande beijinho. Obrigado i

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7 Agradecimentos As palavras de agradecimento serão poucas para expressar tudo aquilo que sinto e que senti em cada momento vivido durante os mais de dois anos dedicados ao Mestrado. Foram momentos de grande esforço e sofrimento, só ultrapassados graças ao apoio de todos os que são e foram próximos durante tão grande e importante período da minha vida. As minhas primeiras palavras de agradecimento vão para a minha família, a minha filha e esposa que sempre me apoiaram nos momentos difíceis, de quase desespero e vontade de desistir. Agradeço aos meus colegas, companheiros e amigos do Mestrado, sem eles jamais teria sido possível arranjar forças e motivação para diariamente lutar contra o cansaço e vencer cada um dos desafios que nos eram impostos pela exigência própria do Mestrado. Foram momentos de grande loucura e união mas ao mesmo tempo motivadores e demonstrativos de que a união faz a força e é com a força de muitos que é possível ultrapassar qualquer barreira por mais difícil que nos pareça. Agradeço aos orientadores e a todos os professores cuja dedicação e paciência foram fundamentais, para conseguirem levar a bom porto a tão difícil tarefa de leccionar para um tão particular grupo de alunos. Só com a sua compreensão, competência, profissionalismo e amizade é que foi possível enfrentar este grande desafio, motivando, ajudando, acarinhando e no fundo contribuindo para a união do grupo em busca de um objectivo maior, aprender e evoluir, pessoal e profissionalmente. A todos sem excepção, muito obrigado. iii

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9 Resumo A Gestão de um Edifício Inteligente é mais do que gerir o conforto, a economia e a segurança, é sobretudo criar uma plataforma de vida cujos patamares de sustentabilidade energética e qualidade de vida andam de mãos dadas com o futuro e o presente, permitindo desta forma e graças á tecnologia que hoje se encontra á nossa disposição criar conceitos de modernidade, eficiência e mobilidade. Por esta razão optou-se pela utilização de um sistema multifuncional do tipo Instabus KNX/EIB, que permitirá integrar, centralizar e gerir todos os sistemas eléctricos e mecânicos existentes numa vivenda equipada com piscina, numa única plataforma de comunicação local e remota via TCP/IP, utilizando terminais fixos ou móveis do tipo IPphone. A implementação de uma ou várias aplicações existentes no mercado no que diz respeito a software de gestão de energia e monitorização de consumos energéticos, suportados pela integração de equipamentos de medição do consumo de água, electricidade e gás, permitem a elaboração de gráficos de consumo e a implementação de medidas de racionalização de energia, contribuindo para uma maior eficiência com consequências muito positivas na factura energética e beneficiando o meio ambiente. No presente projecto, implementaram-se sistemas de controlo de aquecimento e qualidade do ar, criação e gestão de cenários de iluminação e de conforto visual. Integrou-se o sistema do tipo solar térmico, possibilitando gerir a produção e consumo de água quente solar, consumo de água quente para aquecimento do piso radiante e aquecimento da piscina. Para controlo da segurança da moradia foram considerados terminais de zona que recebem as informações dos diversos detectores, sensores e botoneiras, que de forma integrada com o sistema de gestão implementado, activam os vários sistemas de alerta previamente programados tanto locais como remotos, enviando inclusivamente mensagens de alerta para qualquer terminal móvel ou empresa de segurança. Na prática, quando um sensor é actuado, o sistema reage cortando os sistemas de abastecimento de energia ou água e envia mensagens de alerta internas e externas, que podem ser sob a forma chamadas telefónicas ou mensagens de alarme para telemóvel. As persianas serão fechadas em condições climatéricas adversas, por controlo horário ou quando se activa o alarme da moradia ou ainda para adequar a qualidade e quantidade da luz v

10 interior em função da exposição solar de determinada divisão, proporcionando condições de conforto visual e térmico. O sistema está igualmente preparado para monitorizar as condições climatéricas e analisar as condições do solo permitindo um controlo mais eficiente da rega. Palavras chave: Sistema Integrado de Gestão, Instabus KNX/EIB, Modernidade, Sustentabilidade, Eficiência, Conforto, Economia, Flexibilidade, Qualidade, Segurança, Globalidade, Comunicação. vi

11 Abstract The Intelligent Management of a building is more than just manage comfort, economy and safety, it is the creation a way of life where the idea of energy sustainability and quality of life in the present and the future, by the utilization of the most recent technology will create concepts of modernity, efficiency and mobility. Considering this statement the application of a multifunctional system Instabus KNX/EIB, was chosen. This system will integrate, centralize and manage all mechanical and electrical systems existing in this house with swimming pool in a single platform for local and remote communication via TCP/IP, using fixed or mobile terminal type Iphone. A software application monitorises the energy consumption by measuring and recording of water, electricity and gas; additionally, graphics and implementation of measures of rationalization of energy are carried out. Implemented control systems of heating and air quality management, as well as landscape lighting and comfort are implemented. Tthe thermal solar system, enables, to manage production and consumption of solar hot water, hot water consumption for heating and swimming pool heating. For housing security control, zone terminals that receive the information of the detectors, sensors and contacts are installed; their management is achieved, by the software and buttons that activate the various prescheduled warning systems. When a sensor turns on, the system reacts by cutting the energy supply systems or water and sends alert messages. The persians blinds are closed in adverse weather conditions, by checking active time if the alarm home is activated or to match the quality and quantity of light relatively to sunlight of a particular division providing conditions for visual and thermal comfort. The system is also prepared to monitorise climate and soil conditions analysis allowing more efficient control of watering. Keywords: Integrated management system, Instabus KNX/EIB, comfort, economy, flexibility, quality, safety, overall communication. vii

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13 Índice Agradecimentos Resumo Abstract Índice Lista de Figuras Nomenclatura iii v vii ix xii xv 1 Memória Descritiva e Justificativa de Projecto Introdução Caracterização do edifício e da sua utilização Instalações de utilização da habitação Alimentação Iluminação Tomadas de uso específico Alimentação de equipamentos Aquecimento Controlo de som e imagem Medição de consumos Sistema de rega Sistema de detecção de intrusão, incêndio, gás e inundação Piscina Descrição da rede de BUS. 7 2 Arquitectura do sistema Descrição da solução implementada Diagrama do sistema Vantagens Acesso e controlo via Instabus KNX/EIB Acesso e controlo via TCP/IP e Internet Gestão e controlo do Sistema Home Server Interface com o utilizador, menus de controlo e visualização. 13 ix

14 3 Integração com outros protocolos e sistemas Sistema integrado de gestão centralizada Rede de comunicação Integração com sistemas Modbus TCP ou RTU Integração com sistemas VRV da Daikin ou Mitsubishi 17 4 Solar Térmico integração em KNX/EIB Gestão e controlo da produção de água quente Mapa de zonas climáticas em Portugal continental Esquema tipo de solar térmico para AQS e piso radiante Esquema tipo de solar térmico para AQS e Piscina Controlo, gestão e monitorização KNX/EIB 20 5 Aquecimento por piso radiante Controlo de temperatura ambiente Piso radiante hidráulico Influências internas e externas Controladores KNX/EIB Sistemas de Gestão de Energia Integração com KNX/EIB Gestão de energia eléctrica Gestão de consumo de água Gestão de consumo de gás 25 7 Controlo da Qualidade do Ar Interior Enquadramento legislativo Controlo da qualidade do ar em cada divisão Controlo da qualidade do ar para condutas 27 8 Segurança Integração dos sistemas de segurança em KNX/EIB Panorâmica geral dos sistemas de segurança Detecção de intrusão Detecção de incêndio e gás Detecção de inundação 31 x

15 8.1.5 Sinalização de alarme 31 9 Persianas ou estores Sistema de abertura e fecho de estores, integração KNX/EIB Estação meteorológica Controlo em função das condições climatéricas Conforto e eficiência de energia Iluminação Gestão Integrada de Iluminação Medição dos níveis de iluminação exterior e interior Controlo dos níveis de iluminação Sistema de Rega Implementação de um sistema de rega automático, Integração em KNX/EIB Monitorização das condições de humidade e temperatura do solo Peças Desenhadas Conclusões 63 Referências 65 xi

16 Lista de Figuras Fig Networking via TCP/IP e KNX/EIB [Gira Home Server 3, 2008] pp.3. 9 Fig Gestão Centralizada [Gira Home Server 3, 2008] pp Fig Interfaces de Controlo do Sistema de Gestão Centralizado [Gira Home Server 3, 2008] pp Fig Painel de Controlo Gira / Proface [Gira Home Server 3, 2008] pp Fig Menus de controlo de funções básicas [Gira Home Server 3, 2008] pp Fig Gráficos, , som e vídeo vigilância [Gira Home Server 3, 2008] pp Fig Arquitectura de rede [UNITRON UC32, CYLON] MKTG0126_UC32_system_en[1]. 14 Fig Integração de sistemas em MODBUS no controlo KNX/EIB [IntesisBox KNX / EIB - Modbus TCP master] data sheet v10 r13 eng. 15 Fig Integração de sistemas em MODBUS no controlo KNX/EIB [IntesisBox KNX / EIB - Modbus RTU master] data sheet v10 r13 eng. 15 Fig Integração de sistemas em BACnet IP no controlo KNX/EIB [IntesisBox KNX / EIB BACnet/IP Client] data sheet v10 r12 eng. 16 Fig Integração de Mitsubishi G50 no controlo KNX/EIB [IntesisBox KNX / EIB Mitsubishi Electric G50] data sheet v10 r11 eng. 16 Fig Mapa solar em Portugal Continental [Gama Solar Junkers, 2008] pp Fig Instalação solar para AQS e piso radiante [Gama Solar Junkers, 2008] pp Fig Instalação solar para AQS e Piscina [Gama Solar Junkers, 2008] pp Fig Instalação solar e aquecimento com controlo KNX/EIB [ARCUS - EDS, 2009] 19 Fig Fluxograma de controlo [heating and air conditioning, ABB] pp Fig Piso Radiante hidraulico [heating and air conditioning, ABB] pp Fig Influências internas e externas [heating and air conditioning, ABB] pp Fig Discontinuous PI Control (PWM control) [heating and air conditioning, ABB] pp Fig Facility Web [Lingg & Janke]. 22 Fig Medidores de energia eléctrica para calha DIN [Lingg & Janke, EZ382AB-FW]. 23 Fig. 6.3 Medidores de consumo de água com interface KNX[ARCUS-EDS, KNX water meter]. 23 Fig Medidores de consumo de gás com interface KNX[ARCUS-EDS, KNX meter]. 24 Fig Sensores de qualidade do ar interior [Air Qaulity Sensor, ELSNER] pp Fig Sensores de CO2 em condutas [Duct Air Quality Sensor LK,Thermokon] pp Fig Diagrama geral de segurança [Security and surveillance, ABB] pp Fig Equipamentos de segurança á intrusão [Security and surveillance, ABB] pp xii

17 Fig Detector óptico de fumos SOM 2412 e detector de Gás SGL [Security and surveillance, ABB] pp Fig Detector de inundação SWM 4 [Security and surveillance, ABB] pp Fig Sinalização de alarme de segurança [Security and surveillance, ABB] pp Fig Estação meteorológica para KNX/EIB [SUNTRACER, ELSNER]. 30 Fig Controlo de persianas por condições climatéricas [Blind/Shutter controls, ABB]. 31 Fig Controlo de persianas para eficiência de energia [Blind/Shutter controls, ABB]. 31 Fig Detectores de movimento e luminosidade interior [ABB i-bus KNX, 2009] pp Fig Variação de fluxo em iluminação fluorescente [ABB i-bus KNX, 2009]. 33 Fig Módulos de comando [ABB i-bus KNX, 2009]. 33 Fig Modelos de sondas de medição do solo [Arcus-EDS, série SK01] pp xiii

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19 Nomenclatura Abreviaturas KNX Protocolo de Comunicação Standard para controlo de sistemas residenciais e em edifícios Actualmente a KNX é também uma organização cujos membros contribuem para o desenvolvimento e crescimento deste protocolo de comunicação em todo o mundo e que teve o seu inicio no EIB. EIB European Installation Bus ; Desenvolvido como um sistema para controlo de cargas, ambiente e segurança, podendo ser instalado em grandes edifícios como centros comerciais, escolas, hospitais e fábricas, como também em pequenas vivendas ou apartamentos. A sua função é a monitorização e controlo de serviços como a iluminação, aquecimento, ventilação e ar-condicionado (AVAC) e segurança. A norma EIB foi proposta pela EIBA (European Installation Bus Association). Esta associação é formada pelos principais fabricantes Europeus de Electrónica e Automação, tais como Siemens, ABB, Hager, Jung, etc. e conta hoje em dia com mais de 130 empresas. A EIBA tem como principais objectivos a regulamentação e promoção do EIB, através da certificação de centros de formação e da publicação e participação em feiras da especialidade. TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol conjunto de protocolos de comunicação entre computadores em rede. RTU Remote Terminal Unit os endereços e valores podem ser representados em formato binário. Modbus Protocolo de comunicação de dados utilizado em sistemas de automação industrial criado pela Modicon. Modbus /TCP Os dados são encapsulados em formato binário em frames TCP para a utilização do meio físico Ethernet (IEEE 802.3). Modbus /RTU Neste modo os dados são transmitidos em formato binário de oito bits, permitindo a compactação dos dados em pequenos pacotes. xv

20 BACnet BACnet foi projectado para permitir a comunicação e construção de sistemas de automação e controlo para aplicações tais como aquecimento, ventilação e arcondicionado, controlo de iluminação, controlo de acesso e sistemas de detecção de incêndio BACnet IP A BACnet / IP é uma coleção de um ou mais sub-domínios IP (IP) que é atribuído um único número de rede BACnet XML extensible Markup Language é uma recomendação da W3C para gerar linguagens de marcação para necessidades especiais. É um subtipo de SGML Standard Generalized Markup Language, linguagem padronizada de marcação genérica, capaz de descrever diversos tipos de dados. W3C World Wide Web Consortium é um consórcio de empresas de tecnologia, actualmente com cerca de 500 membros. Fundado por Tim Berners-Lee em 1994 para levar a Web ao seu potencial máximo, por meio do desenvolvimento de protocolos comuns e fóruns abertos que promovem sua evolução e asseguram a sua interoperabilidade VRV Volume de Refrigerante Variável do Inglês VRF (Variable Refrigerant Flow). DALI Digital Addressable Lighting Interface é um protocolo de dados de um sistema de transporte desenvolvido conjuntamente por diversos fabricantes de equipamentos de iluminação. O DALI permite a ligação de equipamentos provenientes de diversos fornecedores. Uma rede DALI necessita de uma alimentação de 24 V DC 250 ma. AQS Água Quente Sanitária. xvi

21 1 Memória Descritiva e Justificativa de Projecto 1.1 Introdução Enquadramento A gestão integrada das instalações e equipamentos nos edifícios é, cada vez mais, uma exigência dos seus utilizadores. A satisfação desta exigência requer um conhecimento multidisciplinar, na área das Instalações e Equipamentos em Edifícios ( Building Services Engineering ) Objectivos Neste projecto, pretendeu-se desenvolver um sistema de gestão integrado de todas as instalações eléctricas e mecânicas de uma vivenda unifamiliar com piscina. O aquecimento ambiente é realizado utilizando pavimentos radiantes, considerando que a temperatura máxima da superfície do solo da habitação não ultrapassa 28 a 29 C, de acordo com a norma europeia EN O projecto incorpora o controlo e gestão da: Iluminação interior Iluminação exterior Domótica Controlo integrado dos sistemas de aquecimento 1.2 Caracterização do edifício e da sua utilização O edifício objecto deste projecto é uma moradia unifamiliar para quatro pessoas, localizada no distrito de Coimbra e cujos principais aspectos construtivos são: Orientação de acordo com a planta de localização em anexo. Paredes duplas com isolamento térmico na caixa-de-ar. Janelas de vidro duplo e caixilharia em PVC. 1

22 A referida moradia é caracterizada pelos seus dois pisos, cobertura em telha e uma área envolvente de jardim com piscina. Assim destacamos: Espaços exteriores de jardim e áreas de circulação; Piscina exterior cujas dimensões são 11x5x2 metros; Rés-do-chão o Átrio de entrada o Sala de estar/jantar o Instalação sanitária comum o Cozinha o Lavandaria o 1 Quarto o Escritório o Garagem o Arrumo técnico 1º Andar o 2 Quartos o Instalação sanitária comum o 1 Suite com instalação sanitária privativa o Arrumos 1.3 Instalações de utilização da habitação Alimentação eléctrica. A habitação está dotada de um conjunto de quadros eléctricos que alimentarão os módulos EIB/KNX. Estes módulos serão instalados em calha DIN e deverão ser previstas alimentações independentes para os diversos módulos de forma a evitar que o disparo de um disjuntor iniba o funcionamento de uma larga gama de equipamentos. Os quadros localizam-se em locais de fácil acesso, normalmente zonas de passagem ou armários técnicos. 2

23 1.3.2 Iluminação. A moradia será dotada de iluminação artificial, estando prevista a instalação de vários pontos de luz. Prevê-se o comando da iluminação através do sistema EIB destacando-se as seguintes particularidades: a) Controlo da iluminação exterior A sua gestão será realizada e controlada pelo sistema KNX que, para o efeito, monitoriza o nível de iluminação exterior por intermédio da central meteorológica bem como a presença de movimento através dos sensores de movimento instalados no exterior da moradia. Para além destes sistemas, considera-se a programação horária para desligar esta iluminação a partir de uma determinada hora. b) Iluminação da garagem Através de contacto do motor do portão são ligados, a iluminação da garagem e de presença nos espaços comuns da casa. c) Iluminação interior A iluminação interior será dotada de balastros com regulação de fluxo na sala de estar, quartos e atelier. A iluminação dos espaços comuns será feita através de detectores de movimento com sensor de luminosidade. d) Iluminação de presença Logo que seja desligado o sistema de detecção de intrusão, que sejam abertos o portão da garagem ou a porta de entrada (através da fechadura com ligação ao EIB), será ligada a iluminação de circulação/presença, de forma a permitir a circulação facilmente até ser ligada a restante iluminação. Do mesmo modo, logo que seja activado o sistema de intrusão, serão desligadas todas as luzes que eventualmente tiverem ficado acesas, a não ser que se pretenda a parametrização de um cenário de segurança (manutenção de algumas luzes acesas pré-determinadas) Tomadas de uso específico. Serão previstas tomadas ligadas a módulos EIB para alimentações específicas, nomeadamente circuitos de alimentação de candeeiros. Pretende-se que nestes circuitos seja possível a definição de cenas de iluminação de forma coordenada com a iluminação geral Alimentação de equipamentos. Neste ponto incluem-se as alimentações a diversos equipamentos: a) Ventiladores de extracção das casas de banho Os ventiladores das casas de banho serão ligados através de célula de movimento. Caso se considere oportuno poderá ser 3

24 considerada ventilação centralizada, quer isto dizer, que se poderá considerar a instalação de apenas um ventilador para fazer a exaustão de todas as casas de banho. b) Bomba de retorno das águas quentes sanitárias A bomba de retorno das águas quentes sanitárias será activada pelo mesmo detector de movimento que irá controlar a ventilação das instalações sanitárias. Pretende-se que, quando alguém entrar na casa de banho seja activada a bomba de retorno, de forma a evitar que seja necessário o seu funcionamento durante todo o dia. c) Estores eléctricos Haverá um comando individual local dos estores das janelas dos diversos espaços e outro central através da consola táctil instalada no átrio de entrada. d) Estores de sombreamento Está previsto um comando individual local dos estores de sombreamento a instalar nos vãos envidraçados virados a sul. Estes painéis serão também comandados por sensores crepusculares a instalar dentro dos espaços que regularão a sua abertura/fecho em função do nível de luminosidade pedido no local. Por uma questão de segurança, a central meteorológica escolhida tem um anemómetro que provocará o fecho destes estores de sombreamento no caso da existência de ventos fortes Aquecimento. Os comandos para regulação do aquecimento estarão integrados nos teclados a instalar nos espaços da casa. Estes equipamentos substituem o tradicional termóstato permitindo a regulação da temperatura do espaço e a colocação, a partir de certa hora, do sistema em standby ou com temperatura mais baixa, contribuindo para a redução significativa dos custos associados ao aquecimento de espaços Controlo de som e imagem. A sala de estar será dotada de um sistema de reprodução áudio e vídeo. O sistema de som poderá ser controlado através do INFODISPLAY a instalar neste espaço. De igual modo o ecrã de projecção e o projector de vídeo também serão comandados através deste painel. Será, por exemplo, parametrizado um cenário de iluminação de projecção que ao ser activado faz com que seja ligado o projector de vídeo, baixe a tela de projecção e seja ligado o som no volume já predefinido. 4

25 1.3.7 Medição de consumos. O projecto considera a instalação de módulos de entradas binárias para a visualização no sistema de contagens de consumos das diversas fontes de energias. Considera-se a visualização de consumos de gás e electricidade (dependente do tipo de contadores instalados pelas operadoras), da energia térmica produzida pelos colectores (painéis) solares térmicos, actualmente de instalação obrigatória e da energia eléctrica produzida por eventuais painéis fotovoltáicos. Prevê-se igualmente a instalação de contadores de água que incorporam interfaces para integração em EIB, permitindo controlar e gerir os consumos de água da piscina, sistemas de rega e consumos domésticos. No caso de se detectarem elevados desvios em relação às médias de consumo, o sistema emitirá um alerta Sistema de rega. Na envolvente da moradia existem diversos espaços de jardim. O projecto prevê a instalação de um sistema de análise das condições do solo, constituído por uma sonda de humidade e temperatura com interface EIB. Desta forma a evita-se o desperdício de água bem como o arranque das bombas de rega em alturas de pluviosidade natural. Contempla-se também a possibilidade do controlo das bombas de rega fora do horário pré-programado para o seu funcionamento Sistema de detecção de intrusão, incêndio, gás e inundação. O projecto prevê todas estas funcionalidades integradas no sistema EIB, permitindo a existência de um sistema global que evite várias centrais e se interliga facilmente. Caso seja opção do dono de obra poderá ser considerada a possibilidade de envio dos alarmes por SMS. a) Detecção de intrusão A detecção de intrusão é feita recorrendo a detectores volumétricos instalados na garagem, cozinha, escritório, sala e quartos e aos detectores de movimento já previstos para a iluminação dos corredores e escadas. Estes detectores de movimento permitem o envio da informação de presença de intrusão no caso de esta ser activada. Em termos de activação/desactivação do sistema de intrusão ele é feito através de um sensor biométrico na garagem e outro no piso superior, e de um teclado na entrada principal 5

26 da casa. Os sensores biométricos activarão e desactivarão o alarme através do reconhecimento da impressão digital e através do teclado, pela introdução de um código pessoal. Consideraram-se cinco zonas de acção, sendo elas as seguintes: 1 Zona exterior; 2 Garagem; 3 Escritório; 4 Rés-do-chão; 5 1º Andar; Deste modo, poderão ser activadas outras zonas que não a ocupada no momento. Damos como exemplo a possibilidade de ligar o alarme de intrusão em período nocturno em toda a moradia, com excepção da zona dos quartos. Caso seja necessário descer à cozinha neste horário, bastará colocar o dedo no sensor biométrico localizado ao cimo das escadas. Do mesmo modo se procederá no regresso ao quarto. A activação deste sensor biométrico implicará também a ligação das luzes de presença dos espaços comuns. No exterior, de forma a aumentar a segurança, serão instalados detectores de movimento ligados ao sistema de intrusão localizados na varanda, terraços, entrada da garagem e entrada principal, conforme indicado nas peças desenhadas. Os detectores de movimento ligarão toda a iluminação exterior em caso de alarme na intrusão. Tal como já foi referido no ponto que diz respeito à iluminação, cada vez que se liga o sistema de detecção de intrusão, todas as luzes interiores se apagam, salvo se houver uma parametrização determinada para isso não acontecer, e cada vez que se desliga esse sistema, liga-se a iluminação de presença nos espaços comuns. b) Detecção de incêndios A detecção de incêndios é constituída por detectores ópticos de fumos na maior parte dos espaços de utilização e detectores termovelocimétricos na garagem e na cozinha. Em caso de sinistro, actuará sobre electroválvula de corte geral de gás. c) Detecção de gás A detecção de gás será realizada através de um detector colocado na cozinha que comandará a electroválvula de corte de gás em caso de alarme. d) Detecção de inundação Foi prevista a colocação de detectores de inundação nas instalações sanitárias de forma a prevenir possíveis danos decorrentes de inundações por fuga de água nestes espaços, essencialmente em períodos de ausência prolongados. Foi prevista também a instalação de um detector deste tipo no atelier devido à sua localização, isto é, 6

27 tratando-se da zona mais baixa da casa, a ocorrência de algum problema com entrada de água resultará na inundação deste espaço. Em caso de actuação deste sistema será fechada a electroválvula de corte do abastecimento de água Piscina. O projecto prevê o controlo e monitorização da qualidade da água da piscina e controlo da temperatura da água e abertura e fecho da cobertura. O referido controlo será realizado pela integração no sistema KNX/EIB: a) Sensor de qualidade da água De forma a racionalizar a energia gasta evitando a programação horária para colocação das bombas da piscina em funcionamento durante um largo período do dia, poderá ser instalado um sensor de qualidade da água para renovação da água da piscina com a colocação das bombas em funcionamento. b) Sensor de temperatura de imersão O controlo da temperatura da água poderá ser regulado no painel táctil instalado no piso do rés-do-chão sendo a temperatura da água da piscina medida através de uma sonda de imersão na tubagem de retorno da água. c) Comando da cobertura Existe igualmente a possibilidade de comandar a abertura e o fecho da cobertura da piscina Descrição da rede de BUS. A instalação base inclui todos os dispositivos de sistema com os quais se poderá controlar até 128 entradas, interligadas por um cabo de BUS alimentado através de uma fonte de alimentação 29 V DC. A comunicação com a linha de BUS para programação, diagnóstico e manutenção da instalação será realizada através de um interface USB. O cabo da rede de BUS, JY(ST)Y 2x2x0,8, deverá percorrer toda a habitação e ser ligado em conectores apropriados, com o máximo de 4 entradas por conector. Os elementos sensores (teclados, detectores, etc ), ficam encastrados em caixa aparelhagem, enquanto os actuadores serão instalados nos quadros eléctricos, tal como já referido anteriormente. 7

28 A instalação em causa deverá verificar as seguintes condições: a) Máximo comprimento da linha de BUS 1000 m; b) Distância máxima entre fonte de alimentação e entrada mais desfavorável 350 m; c) Distância máxima entre 2 entradas 700 m; d) Distância entre fontes de alimentação na mesma linha 200m; 8

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30 2 Arquitectura do sistema 2.1 Descrição da solução implementada Optou-se pela instalação de um sistema do tipo Home Server da Gira que permitirá integrar numa única plataforma de comunicação, todos os sistemas de medida e controlo instalados na moradia. Este sistema permite a comunicação com o sistema Instabus KNX/EIB. Permite a comunicação remota com qualquer equipamento que comunique via TCP/IP. É possível armazenar e gerir diversos dados, sejam de consumo de energia, condições do ar ou outros e desta forma criar programas de funcionamento automático que aumentem a eficiência do funcionamento das instalações eléctricas ou mecânicas Diagrama do sistema Na figura 2.1, representa-se o digrama funcional do sistema implementado na moradia, representando as interacções entre os vários sistemas e plataformas de comunicação. Fig Networking via TCP/IP e KNX/EIB [Gira Home Server 3, 2008] pp.3. 10

31 2.1.2 Vantagens As principais vantagens do sistema de gestão centralizado são: Controlo da moradia a partir do interior e do exterior Máxima mobilidade e flexibilidade Controlo remoto das várias funções do edifício através de softwares standard, browsers da Internet. Operação simples e intuitiva através de gráficos de visualização ou menus de controlo Possibilidade de facilmente alterar ou melhorar os menus de controlo através de upgrades de software. Facilidade de aumentar e estender o controlo a outras funções ou equipamentos que venham a ser instalados/adquiridos Acesso e controlo via Instabus KNX/EIB A gestão, visualização e controlo centralizado do Home Server 3, podem ser realizadas através da instalação do interface Gira/Pro-face Server Client15 ou dum computador, a partir do qual o utilizador terá acesso a todas as funções de operação, regulação e arquivo de dados. Poderá também receber e enviar s, bem como aceder a serviços online disponibilizados pela Gira Acesso e controlo via TCP/IP e Internet A GIRA disponibiliza um portal, homeserver.gira.com, que permite aceder a qualquer instalação do tipo Instabus KNX/EIB em qualquer parte do mundo, sem necessidade de qualquer software adicional. Bastará obter um acesso disponibilizado pela GIRA após solicitação do utilizador. Desta forma o utilizador poderá aceder ao seu edifício através de um outro computador ou telemóvel com acesso à internet. É também possível visualizar remotamente as imagens captadas pelas câmaras de vídeovigilância com ligação IP ligadas em rede. O sistema tem capacidade de gravar mensagens de alarme que serão depois enviadas por ou SMS, para os endereços ou números previamente definidos. 11

32 2.1.5 Gestão e controlo do Sistema Home Server 3 Através do sistema de gestão centralizado do tipo representado na figura 2.2, será possível gerir e controlar toda a tecnologia instalada na moradia associada ao controlo da iluminação, estores, aquecimento, ventilação e segurança. Serão implementados programas de aquecimento por divisão que permitirão ter em cada momento a temperatura desejada, em função das condições climatéricas exteriores e utilização desses espaços, numa lógica de eficiência energética. Serão definidos cenários de luz e som, que proporcionarão a melhor sensação de conforto em cada momento do dia e em função do estado de espírito do utilizador desse espaço. A implementação de cenários de luz e definição dos níveis de iluminação de cada espaço em função no nível de luz no interior, radiação e orientação solar, permitirão reduzir os consumos de energia associados à iluminação. Outros cenários serão criados, desde o controlo da rega do jardim passando pelo controlo da presença de pessoas em casa e pelo controlo da posição das câmaras IP. Fig Gestão Centralizada [Gira Home Server 3, 2008] pp.7. 12

33 2.1.6 Interface com o utilizador, menus de controlo e visualização. O utilizador poderá aceder a todos os menus de controlo e visualização cujos exemplos são apresentados nas figuras 2.4; 2.5 e 2.6, os quais serão disponibilizados pelo sistema através do painel táctil, do seu IPhone ou de qualquer computador representados na figura 2.3. Fig Interfaces de Controlo do Sistema de Gestão Centralizado [Gira Home Server 3, 2008] pp.8. Fig Painel de Controlo Gira / Proface [Gira Home Server 3, 2008] pp.6. 13

34 Fig Menus de controlo de funções básicas [Gira Home Server 3, 2008] pp.8. Fig Gráficos, , som e vídeo vigilância [Gira Home Server 3, 2008] pp.9. 14

35 3 Integração com outros protocolos e sistemas 3.1 Sistema integrado de gestão centralizada A evolução tecnológica dos diversos equipamentos e sistemas presentes no mercado foi acompanhada pelo desenvolvimento de plataformas de comunicação próprias, que variam de marca para marca. Surgiu assim a necessidade de encontrar uma forma de integrar todos estes sistemas e protocolos numa única rede de comunicação Rede de comunicação A figura 3.1 representa a integração de diversos protocolos e redes numa única plataforma de comunicação. Fig Arquitectura de rede [UNITRON UC32, CYLON] MKTG0126_UC32_system_en[1]. 15

36 3.1.2 Integração com sistemas Modbus TCP ou RTU A instalação de sistemas de climatização hidráulicos, de medição de energia e outros, que utilizam protocolos de comunicação do tipo MODBUS na presente moradia obrigará à instalação de interfaces (gatways) que permitem o comando e controlo destes sistemas através de KNX/EIB. As figuras 3.2 e 3.3 representam a integração do sistema KNX/EIB com as linguagens de comunicação mais utilizadas pelos sistemas de produção de água refrigerada e tratamento de ar existentes no mercado. Fig Integração de sistemas em MODBUS no controlo KNX/EIB [IntesisBox KNX / EIB - Modbus TCP master] data sheet v10 r13 eng. Fig Integração de sistemas em MODBUS no controlo KNX/EIB [IntesisBox KNX / EIB - Modbus RTU master] data sheet v10 r13 eng. 16

37 3.1.3 Integração com sistemas VRV da Daikin ou Mitsubishi O recurso a sistemas de climatização centralizada recorrendo a sistemas de ar condicionado, nomeadamente a sistemas centralizados do tipo VRV, da Daikin, ou da Mitsubishi, obrigará à instalação de interfaces (gatways) que permitem o comando e controlo destes sistemas através de KNX/EIB. A figura 3.4 representa a integração com a linguagem BACnet IP, desenvolvida e utilizada pelos sistemas da Daikin enquanto na figura 3.5 podemos observar a integração com a linguagem da Mitsubishi do tipo XML. Fig Integração de sistemas em BACnet IP no controlo KNX/EIB [IntesisBox KNX / EIB BACnet/IP Client] data sheet v10 r12 eng. Fig Integração de Mitsubishi G50 no controlo KNX/EIB [IntesisBox KNX / EIB Mitsubishi Electric G50] data sheet v10 r11 eng. 17

38 4 Solar Térmico integração em KNX/EIB 4.1 Gestão e controlo da produção de água quente Na moradia será instalado um sistema do tipo solar térmico para aquecimento de águas quentes sanitárias, piso radiante e piscina. Para garantir uma gestão centralizada de todos os sistemas com o objectivo de melhorar a eficiência energética e monitorização de consumos, realizou-se a integração com o sistema KNX/EIB Mapa de zonas climáticas em Portugal continental O número de horas e nível de radiação solar horizontal representado na figura 4.1 varia consoante a região do País, razão pela qual a escolha dos painéis solares deve ter em atenção este facto bem como o número de pessoas da habitação. Fig Mapa solar em Portugal Continental [Gama Solar Junkers, 2008] pp

39 4.1.2 Esquema tipo de solar térmico para AQS e piso radiante A figura 4.2 representa um esquema tradicional de produção de água quente sanitária e aquecimento por piso radiante, recorrendo a um sistema de colectores solares que utilizam diferentes controladores de temperatura para a produção de água quente e para o aquecimento. Fig Instalação solar para AQS e aquecimento por piso radiante [Gama Solar Junkers, 2008] pp Esquema tipo de solar térmico para AQS e Piscina A figura 4.3 representa um esquema tradicional de produção de Água Quente Sanitária e Aquecimento da água da piscina utilizando um sistema de painéis solares, funcionando, neste caso a piscina como dissipador de temperatura dos painéis. Fig Instalação solar para AQS e Piscina [Gama Solar Junkers, 2008] pp.3. 19

40 4.1.4 Controlo, gestão e monitorização KNX/EIB A figura 4.4 representa de forma esquemática a integração, controlo e monitorização de um sistema de produção solar térmica e aquecimento através do sistema de Gestão KNX/EIB. Para o controlo do sistema solar térmico, temperaturas, grupos circuladores e válvulas de 3 vias, seleccionaram-se os módulos da Arcus-eds para integração e controlo no sistema KNX/EIB. Instalaram-se medidores de temperatura do tipo Dialog WZ-CD / HY que juntamente com o integrador em KNX, permitem a leitura e monitorização remota através do Home Server e comandar as válvulas e circuladores em função das temperaturas medidas nos painéis e depósito. Assim, é possível gerir a produção e consumo de água quente solar, consumo de água quente para aquecimento do piso radiante e aquecimento da piscina, esta ultima a funcionar como dissipador de energia. Instalaram-se contadores de água e gás da mesma marca que permitem controlar os respectivos consumos dos diversos locais, permitindo a realização de gráficos e a implementação de medidas de racionalização Fig Instalação solar e aquecimento com controlo KNX/EIB [ARCUS - EDS, 2009] 20

41 5 Aquecimento por piso radiante 5.1 Controlo de temperatura ambiente Para controlo da temperatura do piso radiante optou-se para aplicação dos módulos de controlo da ABB representados na figura 5.1 e que serão associados aos terminais locais de operação e visualização de temperatura da Gira. Fig Fluxograma de controlo [heating and air conditioning, ABB] pp Piso radiante hidráulico. O piso radiante hidráulico representado na figura 5.2, funciona através da instalação de uma rede de tubos instalados no pavimento. A água que circula nestas tubagens é de baixa temperatura, com regulação entre 25ºC a 45ºC, o que permite a utilização do solar térmico em aquecimento. Fig Piso Radiante hidraulico [heating and air conditioning, ABB] pp.5. 21

42 5.1.2 Influências internas e externas. A temperatura ambiente é normalmente influenciada por diversas fontes de calor internas e externas, representadas na figura 5.3, pelo que é importante escolher o equipamento que permita controlar a temperatura ambiente em função do set point definido sem grandes oscilações ou falsas informações. Desta forma é possível evitar grandes flutuações ou amplitudes térmicas muito variáveis. Fig Influências internas e externas [heating and air conditioning, ABB] pp Controladores KNX/EIB. Os módulos da ABB seleccionados permitem a realização de um controlo do tipo PWM (Pulse With Modulation), cujos algoritmos de controlo foram especialmente desenvolvidos para o aquecimento por piso radiante funcionando de acordo com os gráficos da figura 5.4. Fig Discontinuous PI Control (PWM control) [heating and air conditioning, ABB] pp

43 6 Sistemas de Gestão de Energia 6.1 Integração com KNX/EIB A gestão de energia e a eficiência energética da moradia será realizada através de sistemas de medição associados a cada fonte energética bem como a consumidores específicos de energia, onde serão implementados sistemas de medição de caudal para análise e racionalização de consumo da água. Todos os sistemas são compatíveis com KNX/EIB, permitindo uma gestão centralizada de consumos, como representado na figura 6.1. Fig Facility Web [Lingg & Janke]. 23

44 6.1.1 Gestão de energia eléctrica Para efectuar a gestão de energia eléctrica, serão instalados contadores de energia desenvolvidos pela Lingg e Janke, que integram os sistemas de medição de consumo eléctrico no sistema KNX/ EIB tornando possível obter gráficos que permitirão optimizar e racionalizar o consumo energético. Consideraram-se os contadores modelo EZ382-FW representados na figura 6.2, cuja possibilidade de comunicação e integração de dados no sistema KNX é conseguida através do interface incorporado. Fig Medidores de energia eléctrica para calha DIN [Lingg & Janke, EZ382AB-FW] Gestão de consumo de água Para efectuar a gestão do consumo de água, serão instalados contadores de água do tipo ARCUS-EDS Water Meter, representados na figura 6.3, com interface Bus KNX/EIB. Desta forma é possível ler e monitorizar remotamente os consumos de cada sector. Fig. 6.3 Medidores de consumo de água com interface KNX[ARCUS-EDS, KNX water meter]. 24

45 6.1.3 Gestão de consumo de gás Para efectuar a gestão do consumo de gás, serão instalados contadores de gás com interface Bus KNX/EIB, representados na figura 6.4. Fig Medidores de consumo de gás com interface KNX[ARCUS-EDS, KNX meter]. 25

46 7 Controlo da Qualidade do Ar Interior 7.1 Enquadramento legislativo Para controlar e monitorizar a qualidade do ar interior de acordo com o Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios e Qualidade do Ar Interior (RSECE), serão instalados sistemas de medição de concentração de CO 2 nos espaços e em condutas dos sistemas de climatização Controlo da qualidade do ar em cada divisão Para o controlo da qualidade do ar interior em cada divisão, implementaram-se os sensores de qualidade do ar ELSNER, representados na figura 7.1. Estes sensores medem a concentração do CO 2 em cada espaço e através do sistema KNX em associação com outras sondas da qualidade do ar exterior permitem actuar sobre os sistemas de registo, circulação e renovação de ar da moradia. Fig Sensores de qualidade do ar interior [Air Qaulity Sensor, ELSNER] pp.7. 26

47 7.1.2 Controlo da qualidade do ar para condutas A implementação de sistemas de recuperação de energia do ar e de renovação de ar dos espaços na moradia com recurso a unidades de conduta, resultaram na selecção de equipamentos de medição da qualidade do ar, do tipo representado na figura 7.2, permitindo em cada momento monitorizar a qualidade do ar novo ou do ar reaproveitado para climatizar cada espaço. Associando os sensores instalados nos espaços e os sensores associados aos sistemas de condutas conseguimos decidir em cada momento os volumes de ar novo ou ar recirculado a insuflar no espaço. Para controlo da qualidade nas condutas dos sistemas de recirculação de ar, instalaram-se sondas de medição de CO 2 de conduta com interface para KNX da THERMOKON modelo LK. Fig Sensores de CO2 em condutas [Duct Air Quality Sensor LK,Thermokon] pp

48 28

49 8 Segurança 8.1 Integração dos sistemas de segurança em KNX/EIB Para controlo da segurança da moradia seleccionaram-se os equipamentos e módulos da ABB integrados no sistema KNX/EIB. Considerou-se que as câmaras de vídeo-vigilância cuja comunicação se faz através de TCP/IP Panorâmica geral dos sistemas de segurança. A figura 8.1 representa de forma esquemática, os diversos sistemas de segurança considerados para a moradia, integrados no Sistema de Gestão Centralizado. Fig. 8.1.Diagrama geral de segurança [Security and surveillance, ABB] pp

50 8.1.2 Detecção de intrusão Para a protecção contra roubo ou intrusão da vivenda serão instalados nos quadros eléctricos terminais de zona do tipo MT/S que recebem as informações dos diversos detectores e sensores do tipo representados na figura 8.2, instalados em locais previamente definidos como de risco. Os referidos terminais de zona, geridos pelo software do Home Server 3, activam os vários sistemas de alerta previamente programados e cuja comunicação é realizada através do Bus do KNX/EIB. Os detectores a utilizar serão do tipo contacto magnético em portas e janelas acessíveis pelo exterior, e detectores de movimento nos volumes a proteger (comuns ao controlo da iluminação). Serão ainda instalados botoneiras de pânico nos quartos e sala de estar. Fig. 8.2.Equipamentos de segurança á intrusão [Security and surveillance, ABB] pp Detecção de incêndio e gás. Para a protecção de pessoas e bens contra o risco de incêndio, serão instalados detectores representados na figura 8.3, ópticos de fumos da ABB modelo SOM 2412 na cozinha, garagem e sala de estar (equipada com uma lareira) e detectores de gás na cozinha e sala da caldeira. Fig. 8.3.Detector óptico de fumos SOM 2412 e detector de Gás SGL [Security and surveillance, ABB] pp

51 8.1.4 Detecção de inundação Para protecção da vivenda contra eventuais inundações provocadas por ruptura nas canalizações, serão instalados sensores de inundação do tipo representado na figura 8.4 nas casas de banho e cozinha que fecham automaticamente, após temporização pré programada, o abastecimento, quando detectam uma fuga de água. Fig. 8.4.Detector de inundação SWM 4 [Security and surveillance, ABB] pp Sinalização de alarme Associado aos sistemas de protecção indicados nos pontos anteriores, serão implementados sistemas de alarme acústico e luminoso, internos e externos do tipo representado na figura 8.5, que terão como objectivo alertar os proprietários de eventuais ocorrências e/ou alarmes. Serão também emitidas diversas mensagens de alerta pré-programadas, via , SMS ou em formato de chamada telefónica para os endereços ou números previamente definidos pelo proprietário. Fig. 8.5.Sinalização de alarme de segurança [Security and surveillance, ABB] pp

52 9 Persianas ou estores 9.1 Sistemas de actuação de estores/persianas integrados em KNX/EIB A arquitectura definiu a utilização de estores/persianas como meio de protecção contra os agentes atmosféricos e de segurança para todas as janelas da vivenda. Para além das funções de segurança, estas terão uma função de sombreamento, contribuindo para o aumento da eficiência energética e conforto térmico do edifico como também para o controlo dos níveis de iluminação e conforto visual desejável para cada divisão. Para o seu accionamento e controlo, seleccionaram-se os módulos de comando da ABB que actuam sobre os motores das persianas em função dos cenários criados para cada divisão. As persianas serão fechadas em condições climatéricas adversas, por controlo horário ou quando se activa o alarme da moradia. Outro cenário previsto para controlo das persianas surgiu da necessidade de adequar a qualidade e quantidade da luz interior em função da exposição solar de determinada divisão proporcionando condições de conforto visual e térmico Estação meteorológica O sistema de gestão e algoritmos programados, devem analisar em cada momento as condições climatéricas exteriores e orientação solar e actuar sobre cada sistema em função dessas condições e da sua variação ao longo do dia ou do ano. Para a análise das referidas condições climatéricas exteriores e orientação solar, optou-se pela instalação de uma estação meteorológica representada na figura 9.1 do tipo SUNTRACKER da ELSNER. Esta estação tem integrado um sensor de chuva, sensor de vento e sensor de luminosidade para além do sensor de temperatura. 32

53 Fig Estação meteorológica para KNX/EIB [SUNTRACER, ELSNER] Controlo em função das condições climatéricas Em situações de velocidade do vento ou chuva intensa representadas na figura 9.2 o sistema reage actuando sobre os estores de sombreamento exteriores, fechando-os e evitando desta forma a sua destruição. Fig Controlo de persianas por condições climatéricas [Blind/Shutter controls, ABB] Conforto e eficiência de energia O controlo das persianas representado na figura 9.3, permite que em função da orientação e intensidade da luz solar combinada com a leitura da intensidade de luz no interior de cada divisão, se criem as condições ideais de conforto e eficiência de energia necessária ao desenvolvimento de uma actividade. Com a gestão integrada de todos os sistemas é possível criar e elaborar todo o tipo de cenários de acordo com a utilização e actividade que iremos realizar numa determinada divisão, um exemplo dessa capacidade é a possibilidade de baixar as persianas e actuar sobre a iluminação artificial até se obterem os níveis de iluminação adequados à visualização de um filme. 33

54 34 Fig Controlo de persianas para eficiência de energia [Blind/Shutter controls, ABB].

55 10 Iluminação 10.1 Gestão integrada de iluminação A eficiência energética da vivenda resultará, em grande parte, da optimização da utilização da luz artificial e de um adequado aproveitamento da luz solar. Para a concretização desses objectivos, considerou-se a instalação de uma estação meteorológica do tipo SUNTRACER KNX/EIB da ELSNER que realizará a análise dos níveis de iluminação e direcção solar e cujos dados serão utilizados pelo sistema de gestão centralizada Medição dos níveis de iluminação exterior e interior Para além da estação meteorológica atrás referida, serão instalados internamente e em cada divisão sensores de luminosidade ou detectores de movimento com sensor de luminosidade integrada do tipo representado na figura Fig Detectores de movimento e luminosidade interior [ABB i-bus KNX, 2009] pp Controlo dos níveis de iluminação A escolha do sistema de controlo de iluminação da vivenda teve por base a selecção dos diferentes tipos de luminárias escolhidas pelo responsável do projecto de arquitectura, no entanto o sistema tem a facilidade de em qualquer momento se realizar a integração de qualquer outro módulo de controlo em função das alterações introduzidas pelo proprietário. Para o controlo e regulação da iluminação realizada por lâmpadas fluorescentes, optou-se pela implementação dos dois tipos de controlo representados na figura 10.2, recorrendo aos módulos representados na figura

56 Para a variação electrónica de fluxo optou-se pela instalação de módulos de saídas analógicos com sinal de saída de 0 a 10 Volt. Os módulos serão alojados nos quadros eléctricos respectivos e localmente em função do tipo de luminária e distância ao quadro eléctrico. Aplicou-se um módulo KNX/DALI para controlo das luminárias com balastro de controlo de fluxo desse tipo. A utilização deste módulo permite o controlo individual de até 80 equipamentos de iluminação, simplificando e diminuindo a quantidade de necessária para a realização da instalação de iluminação. A possibilidade do cliente vir a instalar alguma iluminação decorativa localizada e proceder á variação do seu nível de luz, considerou-se também a instalação de módulos com dimmer, controlados pelo KNX/EIB. Fig Variação de fluxo em iluminação fluorescente [ABB i-bus KNX, 2009]. Fig Módulos de comando [ABB i-bus KNX, 2009] 36

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