با افزایش شمار ساکنان مناطق شهری منابع مواد خام رو به کاهش گذاشته‌اند و دمای هوا در سراسر جهان افزایش یافته است. شهرها، دوسوم  انرژی جهان، هفتاددرصد گازهای گلخانه‌ای و شصت‌‌درصد آب جهان را مصرف می‌کنند و مدام بزرگ‌تر می‌شوند. در‌حال‌حاضر، بیش از پنجاه‌درصد جمعیت جهان در شهرها زندگی می‌کنند و تا سال ۲۰۵۰ این میزان به هفتاددرصد جمعیت جهان افزایش خواهد یافت. پس موفقیت یا شکست در مقابله با تغییرات اقلیمی و آلودگی  در گرو توسعۀ پایدار مناطق شهری است. لازمۀ این کار ایجاد ساختمان‌های پایدار است و این امر نیازمند آن است که نه‌تنها به ساختمان‌ها، بلکه به همان اندازه به حمل‌و‌نقل، زیرساخت‌ها و تجهیزات مولد انرژی نیز توجه شود. در شهر KNX می‌بینیم که چگونه راهکارهایی جامع برای ایجاد شهرهای پایدار به‌کار گرفته می‌شوند و جایگاه ساختمان‌ها در این شهرها چگونه است.

زیرساخت‌های شهر هوشمند

با ایجاد زیرساخت‌های KNX می‌توان چند خانه را طوری مدیریت کرد که انگار یکی هستند. این مسئله در شهرهای پایدار آینده، مثلاً برای کسانی که مسئول چند ساختمان یا محوطه هستند، می‌تواند بسیار سودمند باشد. اگر در یک ساختمان، تأسیساتی خرد برای تولید انرژی (مثلاً سیستم فتوولتائیک) وجود داشته باشد و بخواهیم خودرویی را در ساختمانی دیگر شارژ کنیم، KNX می‌تواند کاری کند که وسیلۀ نقلیه تنها هنگامی شارژ شود که تأسیسات مولد انرژی به اندازۀ کافی برق تولید کنند. همچنین زیرساخت مدنظر،برای کنترل تمام برنامه‌ها و ادوات سنتی KNX نیز مناسب است. شهرهای پایدار آینده نیاز به جریان ارتباطی یکپارچه‌ای با شبکۀ انرژی دارند تا مصرف وسایل برقی خانه را با شبکه هماهنگ کنند. در این شهرها KNX مسئول برقراری ارتباط هوشمند ساختمان‌ها با هم و همچنین با شبکۀ هوشمند است، تا به‌صورت دوطرفه مدیریت تعرفه‌ها، مدیریت تولید انرژی، مدیریت بار مصرفی و در جاهایی مدیریت ذخیرۀ انرژی را تسهیل کند.

زیرساخت ساختمان‌ها در محل‌های جداگانه

در‌حال‌حاضر KNX برای یکپارچه‌کردن ساختمان‌هایی که در محل‌هایی دور از هم قرار دارند، از فناوری ارتباطات و اینترنت استفاده می‌کند. این راهکار به ویژه برای مدیریت چند ساختمان با هم یا برای شرکت‌هایی که ساختمان‌هایشان در محل‌های مختلف شهر قرار دارد مناسب است.

کنترل همزمان چند ساختمان با یک سیستم KNX، گردآوری مقادیر اندازه‌گیری‌ها را به‌منظور حساب‌کردن هزینۀ برق آسان‌تر می‌کند. همچنین با این کار می‌توان همۀ کارکردهای KNX را در یک یا چند مرکز کنترل تحت نظر داشت.

این راهکار اطلاعات مصرف برق را به‌منظور حساب‌کردن هزینۀ آن در یک جا جمع می‌کند. همچنین ما را قادر می‌سازد تا یک سیستم مدیریت انرژی را (مثل اینکه در آخر هفته‌ها سیستم تهویه مطبوع و گرمایش ادارات خاموش شود) روی چند ساختمان در محل‌های مختلف اعمال کنیم. از طریق یک شبکۀ محلی یا اینترنت (اتصال با VPN) می‌توان مجموعه‌ای از سیستم‌ها و محل‌ها را از‌راه‌دور مدیریت و نظارت کرد.

زیرساخت گرمایش و سیستم‌های تهویه مطبوع

برای حفظ تعادل میان عرضه و تقاضا حتی هنگامی که بار مصرف شبکه در بالاترین میزان خود است، باید بتوان برخی مصارف شهری را موقتاً کاهش داد یا متوقف کرد. از‌آنجا‌که سیستم‌های گرمایشی و تهویه مطبوع درصد قابل‌توجهی از انرژی شهر را به خود اختصاص داده‌اند، تنها تغییری کوچک در دمای اتاق می‌تواند تغییری بزرگ در مقدار انرژی موجود در شبکه به‌مثابۀ یک کل بوجود ‌آورد.

پمپ‌های حرارتی و سیستم‌های تهویه مطبوع معمولاً روی دمای معینی که از سوی کاربر به آن‌ها داده می‌شود تنظیم می‌شوند. ترموستات‌ اتاق‌ها دمای فعلی اتاق را با دمای داده‌شده مقایسه می‌کنند و برای رسیدن به آن دما پمپ حرارتی یا تهویۀ مطبوع را روشن یا خاموش می‌کنند. اگر پمپ حرارتی و تهویه مطبوع به باس KNX متصل باشند، این دمای معین می‌تواند به صورت خودکار تنظیم ‌شود، برای راحتی کسانی که در ساختمان هستند یا در آن کار می‌کنند.

کاربران می‌توانند در صفحۀ کنترل KNX محدوده‌ای را برای دمای مطلوب خود با عناوینی مثلاً «دمای راحتی»[1]، «دمای استاندارد»[2] و «دمای اکو»[3] ذخیره کنند. سپس این دمای مطلوب از طریق درگاه[4] (مثلاً درگاه Theben یا Zennio) به پمپ حرارتی یا واحد تهویۀ مطبوع فرستاده می‌شود.

دستگاه تهویه مطبوع اتاق بسته به بار مصرفی جریان می‌تواند کم یا زیاد شود. مثلاً اگر مصرف خیلی زیاد باشد، دمای مطلوب سیستم گرمایش یا تهویه مطبوع می‌تواند روی «اکو» قرار گیرد. در این حالت بلافاصله مقدار انرژی مورد نیاز پمپ حرارتی یا سیستم تهویه کاهش می‌یابد. برعکس وقتی بار مصرف کم است یا مازاد انرژی در شبکه موجود است، دمای مطلوب می‌تواند روی حالت «دمای راحتی» قرار گیرد. در این حالت بار مصرف شبکه افزایش می‌یابد و میزان راحتی ساکنین ساختمان بیشتر می‌شود.

ادغام پمپ‌های حرارتی و سیستم‌های تهویه مطبوع در KNX موجب می‌شود ساختمان‌ها بتوانند مصرف برق خود را با سیگنالی بیرونی، برای مثال سیگنالی که نشان‌دهندۀ بار مصرف شبکه یا قیمت برق در آن ساعت از روز باشد، تنظیم کنند. هنگامی که هم سهم انرژی تجدیدپذیر در شبکه و هم مصرف برق آن افزایش می‌یابد (به دلیل استفاده از خودروهای برقی)، این نوع تعامل با شبکه برای حفظ تداوم انرژی حیاتی است.

بنیاد شهرهای پایدار بر ساختمان‌های با بهره‌وری انرژی نهاده شده است

شهرها تنها زمانی می‌توانند پایدار باشند که ساختمان‌هایشان دارای بهره‌وری انرژی باشند. سیستم مدیریت انرژی در چنین ساختمان‌هایی تحت نظارت انرژی‌سنج‌های هوشمند قرار دارد. بر اساس این طالاعات از این انرژی‌سنج‌ها می‌توان گام‌های بعدی را در ارتقای بهره‌وری انرژی ساختمان و کل منطقه و حتی کل شهر برداشت.

ساختمان‌های با بهره‌وری انرژی، قلب شهر‌های پایدار هستند. KNX راهکارهای بسیاری را برای ارتقای بهره‌وری انرژی ساختمان‌ها، از خانه‌های شخصی گرفته تا شرکت‌های بزرگ، پیشنهاد می‌دهد. در تمام این راهکارها از حسگر و عملگر‌ برای مدیریت بار مصرف استفاده می‌شود. حسگرها اطلاعاتی مثل اَشکال مصرف یا اطلاعاتی در مورد وضعیت اجزایی مشخص را جمع‌آوری می‌کنند و عملگر‌ها با این اطلاعات اعمالی را در دستگاه‌ها انجام می‌دهند. از جملۀ این اعمال می‌توان به قطع و وصل کردن مدارهای الکتریکی و روشن و خاموش‌کردن دستگاه‌هایی مثل پمپ حرارتی یا لوازم خانگی یا سایر مصرف‌کنندگان انرژی اشاره کرد. عملگر‌های KNX دستگاه‌هایی هستند که مخصوصاً برای هدف ما مناسب هستند؛ زیرا نه‌تنها میزان مصرف انرژی مدارهای الکتریکی را اندازه می‌گیرند، بلکه می‌توانند آن‌ها را روشن و خاموش کنند. با استفاده از صفحه‌های لمسی KNX می‌توان لوازم مختلف خانه را به صورت الکترونیکی روشن و خاموش کرد. این نشان‌دهندۀ مزیت بزرگی است که KNX نسبت به دیگر سیستم‌ها دارد و البته باید توجه داشت که تنها روشن و خاموش‌کردن لوازم مرسوم خانگی دلیل موفقیت این فناوری نبوده است. سیستم KNX به شکل‌های مختلف ارتباطی هوشمند با پمپ حرارتی برقرار می‌کند. می‌توان پریزهای برق خانه را به عملگر‌ها مجهز کرد و آن‌ها را در شبکۀ KNX ادغام کرد تا به این ترتیب بتوان از طریق صفحۀ لمسی KNX فرآیند شارژ دستگاه متصل به پریز را آغاز یا متوقف کرد. اگر ساختمان خود مجهز به دستگاه‌های مولد انرژی مثل سیستم فتوولتائیک باشد، می‌توان پریزهای متصل به KNX را طوری تنظیم کرد که خودروی برقی را تنها با استفاده از برق تولیدشده در خود ساختمان استفاده کنند.

تولید انرژی در شهرهای آینده

جهان در آستانۀ تغییری بزرگ در زمینۀ تولید و مصرف انرژی است. به دلیل استفاده از منابع تجدیدپذیرِ پایان‌ناپذیر، این تغییر منابع، انرژی مطمئنی را در اختیار انسان قرار می‌دهد. بسیاری از شرکت‌های آب و برق در آینده برای مدیریت بار مصرفی و به‌منظور تشویق مصرف‌کنندگان به خاموش‌کردن وسایل برقی در ساعاتی خاص از روز تعرفه‌های قیمت خود را متغیر در نظر می‌گیرند.

KNX راهکار مدیریت بار مصرف را پیشنهاد می‌کند که در آن مشکل کم و زیاد‌شدن دریافت انرژی از سیستم‌های فتوولتائیک و توربین‌های بادی برطرف می‌شود.

انرژی‌های تجدیدپذیر در کنترل هوشمند ساختمان‌ها

انرژی‌های تجدیدپذیر به مرور زمان محبوب‌تر از منابع سنتی انرژی می‌شوند. اما تولید برق از منابع انرژی تجدیدپذیر نوسان دارد؛ یعنی تنها زمانی که خورشید در آسمان است یا باد می‌وزد برق تولید می‌شود. این مسئله برای شبکه‌های برق چالشی بزرگ به‌وجود می‌آورد. برای مثال، اگر در روزی آفتابی به اندازه‌ای برق از سیستم‌های فتوولتائیک به شبکۀ برق محلی تغذیه شود که خیلی بیشتر از بار مصرف شبکه (میزان تقاضای برق) در آن زمان باشد، مشکلات ولتاژی در شبکه ایجاد می‌شود. از سوی دیگر اگر مولد انرژی تجدیدپذیر نباشد یا کار نکند و تقاضا بالا باشد، لازم است موقتاً از مولد‌های سنتی انرژی استفاده شود. راه‌حلی بالقوه برای این مشکل که بارها به آن پرداخته شده ذخیرۀ انرژی الکتریکی است؛ اما ذخیرۀ آن میزان انرژی که برطرف‌کنندۀ نیاز باشد واقع‌بینانه نیست. بنابراین در آینده مدیریت تولید انرژی و بار مصرف مسئله‌ای اساسی خواهد بود. مدیریت بار مصرف با KNX ما را قادر می‌سازد تا مصارف برقی سنتی و بارهای ناشی از سیستم‌های HVAC، مصارف وسایلی مثل یخچال و ماشین‌لباسشویی و خودروهای برقی را متناسب با مقدار انرژی تجدیدپذیر تولید‌شده در ساختمان یا بر اساس تعرفه‌های متغیر برق طوری تنظیم کنیم که در آسایش ما خللی وارد نشود. تمام راهکارهایی که پیش‌از‌این مطرح شده‌اند در یک چیز مشترک هستند و آن این است که همگی می‌توانند در حد یک ساختمان با یکدیگر در تعامل باشند و نه با جهان بیرون. استفاده از KNX این وضعیت را تغییر خواهد داد.

سنجش هوشمند KNX در هستۀ شهر هوشمند

مدیریت انرژی بسته به نقطه‌نظر اتخاذشده (مثلاً وقتی ساختمان یا شهر به‌مثابۀ یک کل در نظر گرفته شوند) به شیوه‌های مختلفی تعریف می‌شود. مدیریت انرژی در ساختمان‌ها به صرفه‌جویی در مصرف انرژی‌هایی مثل برق و گرما کمک می‌کند و مصرف گاز و آب را کاهش می‌دهد. اولین گام در مدیریت انرژی بر عهدۀ ساکنان ساختمان است تا نسبت به مصرف انرژی رویکردی آگاهانه‌تر را در پیش بگیرند. کسانی که اطلاعات روشنی از میزان مصرف فعلی انرژی و آب داشته باشند، در استفاده از آن‌ها دقت بیشتری به خرج می‌دهند. در‌حال‌حاضر فناوری استانداردی که این اطلاعات را به‌دست می‌دهد انرژی‌سنج‌های هوشمند برق، گرما و آب است که از سوی تأمین‌کنندگان نصب می‌شوند. KNX مؤلفه‌های سنجش هوشمند انرژی بسیاری را در اختیار کاربران قرار می‌دهد که تصویر روشن‌تری از مصرف و هزینه‌کرد آن‌ها به‌دست می‌دهند. طیف وسیعی از انرژی‌سنج‌ها و عملگر‌ها نیز موجودند که دارای قابلیت تشخیص جریان بوده و برای کاربردهای خاص سنجش هوشمند استفاده می‌شوند.

بهینه‌سازی مصرف

به تصویر کشیدن اطلاعات مصرف انرژی برای ارتقای فعالانۀ بهره‌وری ساختمان کافی نیست. در حالت ایدئال علاوه بر اطلاعات مصرف باید اطلاعاتی در مورد آب و هوا، دمای فضاهای داخلی، باز بودن یا بسته‌بودن در و پنجره‌ها، حضور افراد در اتاق، کاربری اتاق و دیگر اطلاعات مرتبط وجود داشته باشد. تنها با اطلاعات دقیق است که می‌توان در رفتار مصرف کاربران دخالت کرد و مصرف انرژی را کاهش داد. در صورت وجود این اطلاعات می‌توان از آن‌ها در بهینه‌سازی مصرف انرژی چه به‌صورت خودکار و چه دستی استفاده کرد. KNX می‌تواند اطلاعات انرژی را جمع‌آوری کند و آن‌ها را به تصویر بکشد یا در واکنش به آن‌ها اعمالی را به صورت خودکار انجام دهد. این نوع مدیریت مدیریت فعال انرژی است. این مهم، امکان دسترسی همیشگی به اطلاعات مصرف را در اختیار کاربران قرار می‌دهد و برای افزایش بهره‌وری انرژی در ساختمان، پروسه‌هایی را به‌صورت اتوماتیک اجرا می‌کند.

در فناوری KNX برای هر کاربرد ممکن حسگرها و عملگرهایی پیشنهاد می‌شود. شکل فوق فناوری معمول برای نصب KNX در تابلوی توزیع اصلی را نشان می‌دهد که شامل انرژی‌سنج‌های برقی است؛ مثلاً برای مصارف عمومی، تهویه مطبوع یا خودروهای برقی و تولید انرژی است.

میان‌تیتر اصلی: ارتباطات در شهرهای آینده

فناوری اطلاعات و ارتباطات (ICT) عنصری اساسی در شبکه‌های هوشمند و زیرساخت‌های دنیای آینده است. ICT جزئی حیاتی از راهکار جامعی است که برای ایجاد شهر پایدار لازم است. KNX تمام واسط[5]‌های لازم برای ارتباط بین شهر آینده و زیرساخت‌های ارتباطاتی شبکۀ هوشمند[6] را فراهم می‌کند و خود تبدیل به یکی از بخش‌های مهم شبکۀ هوشمند می‌شود؛ زیرا این فناوری ساختمان‌ها، حمل‌و‌نقل، تولید انرژی و زیرساخت‌ها را به شیوه‌ای جامع به هم پیوند می‌زند و تاکنون توانسته با بهره‌بردن از ظرفیت‌های علمی رشته‌های مختلف، راهکارهایی مبتکرانه برای ایجاد شهرهایی پایدارتر ارائه کند.

حمل‌و‌نقل هوشمند

خودروهای برقی، پیشتاز در ساختمان‌های هوشمند آينده

از نظر منابع انرژی الکتریکی شهر برقی‌شدن خودروها به معنی افزایش مصرف برق است. به‌علاوه مصرف خودروهای برقی اغلب در ساعات اولیۀ شب است؛ زیرا کسانی که از سر کار به منزل برگشته‌اند خودروی خود را به شارژ می‌زنند تا در طول شب شارژ شود. این دقیقاً در زمان اوج مصرف برق است و افزایش استفاده از وسایل نقلیۀ برقی تهدیدی برای ضریب اطمینان منابع برق شهر به نظر می‌رسد. این تهدید از دو جنبه رخ می‌دهد: یکی اینکه هنگام شارژ این خودروها ممکن است پست‌های توزیع برق (ترانسفورمر)[7] اطراف اضافه بار[8] پیدا کنند و دیگر اینکه این خودروها تقاضا برای افزایش ظرفیت تولید را زیاد می‌کنند. خودروهای برقی به احتمال زیاد در طول شب خیلی بیشتر از زمانی که برای شارژ باتری‌هایشان احتیاج دارند در پارکینگ می‌مانند. پس  به جای شارژ آن‌ها در ساعات ابتدایی شب می‌توان آن‌ها را در نیمه‌شب یا ساعات ابتدایی صبح شارژ کرد. این کار به میزان قابل‌توجهی به تقسیم بار مصرف برق در ۲۴ ساعت شبانه‌روز کمک می‌کند. در جاهایی که تعرفه‌ها در ساعات مختلف روز متفاوت‌ هستند، بهتر است که شارژ در ساعاتی مشخص از شبانه‌روز که برق ارزان‌تر است انجام شود یا حتی از بیشینۀ برق تولیدشده توسط سیستم فتوولتائیک خود ساختمان بهره برده شود.

از سال‌ها پیش، رشد تقاضای جهانی نفت در کنار محدود‌بودن منابع نفتی جهان قیمت نفت را بیشتر و بیشتر کرده است. استفاده از خودروهای برقی در بخش حمل‌و‌نقل شخصی یکی از راه‌هایی است که امید است با یاری آن بتوان وابستگی جهانی به نفت را کاهش داد. اما استفاده از خودروهای برقی به معنی افزایش مصرف برق در شهر است. علاوه‌بر‌این، خودروهای برقی به احتمال زیاد بیشتر در ساعات ابتدایی شب برق مصرف می‌کنند؛ زیرا مردم در این ساعات از محل کار خود به منزل بازمی‌گردند و برای شارژ شدن خودرو در طول شب آن را به پریز می‌زنند. این همان زمانی است که لوازم برقی خانگی عموماً برق بیشتری مصرف می‌کنند در‌نتیجه این تقاضای اضافی تهدیدی برای ضریب اطمینان عرضۀ انرژی خواهد بود.

خودروهای برقی به احتمال زیاد در طول شب حدود ده ساعت در پارکینگ می‌مانند که به میزان قابل‌توجهی بیش از زمان مورد نیاز برای شارژ باتری‌شان – ۳تا۵ ساعت – است. در واقع می‌توان به جای ساعات اولیۀ شب، آن‌ها را در نیمه‌شب یا مثلاً در ساعات اولیۀ صبح شارژ کرد که با این کار فشار قابل‌ملاحظه‌ای از روی شبکه برداشته می‌شود. به‌علاوه، در جاهایی که تعرفه‌های برق در ساعات مختلف روز متفاوت هستند بهتر است که شارژ خودرو در ساعات بخصوصی انجام شود که قیمت برق ارزان‌تر است.

برای متصل‌کردن خودروهای برقی به KNX می‌توان از جعبۀ هدایت[9] استفاده کرد. با این وسیله پیام‌های KNX به صورت غیرمستقیم به خودروی برقی ارسال می‌شود. این پیام‌ها دستور شروع یا قطع شارژ را به خودروی برقی می‌دهند یا می‌توانند باتری را با توان‌های مختلف شارژ کنند. عملگر‌های KNX جعبۀ هدایت را کنترل می‌کنند. جعبۀ هدایت بسته به سیگنال دریافتی سیگنال PWM را تغییر می‌دهد و اطلاعات را به وسیلۀ نقلیه منتقل می‌کند. عملگر باید ولتاژ اجرایی جعبۀ هدایت را در حالت‌های مختلف با چهار حالت از‌پیش‌تعریف‌شدۀ آن مرتبط کند. دو حالت از چهار حالت برای کنترل توان شارژ استفاده می‌شوند (S3 و S4). شدت جریان شارژ می‌تواند روی۶، ۱۰، ۱۶ یا ۳۲ آمپر تنظیم شود.

با ادغام پست شارژ خودرو در KNX یکی از بزرگ‌ترین مصارف برقی خانه تحت کنترل سیستم کنترل ساختمان درمی‌آید. اگر میزان برقِ در دسترس کم باشد، اتصال‌دهندۀ شارژ قطع می‌شود تا بار مصرف کاهش یابد، یا حتی در‌صورتی‌که امکان آن در خودرو و پست شارژ لحاظ شده باشد، انرژی از باتری به شبکه برگردد. در‌صورتی‌که تعرفه‌های برق در ساعات شبانه‌روز متغیر باشد، می‌توان فرآیند شارژ را بسته به قیمت برق در ساعاتی مشخص از روز انجام داد. همچنین اگر مثلاً خیلی زود به خودرو نیاز باشد می‌توان از صفحۀ کنترل KNX فرآیند شارژ را بلافاصله آغاز کرد.

حتی اگر تنها چند خودروی برقی با برق شبکه شارژ شوند، ممکن است مبدل محلی دچار اضافه‌بار ‌شود. اما در خانه‌ها یا آپارتمان‌های هوشمند که اطلاعات را از شبکۀ هوشمند دریافت می‌کنند، وقتی مبدل به اضافه‌بار نزدیک شود، فرآیند شارژ خودروها قطع می‌شود. به همین شکل وقتی انرژی در شبکه مازاد باشد، KNX شارژ خودرو را آغاز می‌کند.

[1]. comfort temperature

[2]. standard temperature

[3]. eco temperature

[4]. gateway

[5]. interface

[6]. smart grid

[7]. transformer

[8]. overload

[9]. pilot box