Akıllı Bina Sistemleri, Bina Otomasyonu (“BAS”) Ve Neural Networks

Bina otomasyon sistemi “BAS”dir (Building Automation System). Kısaca, otomasyon otomatik kontrolün yapılmasıdır. Bina yönetim sistemi (Building Management System: BMS), BAS’nin tek bir merkezi bilgisayardan yönetilmesidir. “BAS” ile bina sistemleri kontrolü bilgisayarlara bağlı olarak gerçekleştirilmekte, tüm denetim, enerji tasarrufu ve güvenlik kontrolü bu sistemler yardımıyla sağlanmaktadır. Bu tip binalarda sistemi ayakta tutmak için eğitimli eleman gerekmekte, binada yaşayanların sisteme karşı eğitilmeleri de önem kazanmaktadır. Isıtma, havalandırma ve iklimlendirme sistemleri, enerji sistemleri ve yangın güvenliği önlemleri ile asansörlerin çalışmaları ve bakımları, güvenlik amaçlı sistemler, fazla miktarlarda enerji tüketimini beraberinde getirmektedir. Bina otomasyonunun bir merkezden yönetilmesi gereklidir. Bina yönetim sistemi (BMS) ile bina otomasyonu tek bir merkezi bilgisayardan yönetilmektedir (Ek A, Bina otomasyonu, Şekil A.1). Bina otomasyonlarında üç ana hedef bulunmaktadır (Aytis, 1999):

• Merkezi denetim ve işletmeyi sağlamak, • Enerji tasarrufu sağlamak,

• Güvenlik kontrolü sağlamak.

Yangın, darbe, gaz kaçağı gibi güvenlik sistemini tehdit eden durumlarda “detector”ler ve “sensör”ler devreye girerek bilgi işlem merkezine uyarı göndermektedir. Bina otomasyon sistemi böyle çalışmaktadır. Tüm bina alt sistemlerinin işletimi denetimi ve kontrolü “BAS” ile olmaktadır. “BAS”: merkezi kontrol odası cihazları, saha bilgi toplama panelleri, saha elemanları ve iletişim kablolarından oluşmakta; modüler bir yapıya sahip olduklarından merkezi bilgisayarın bozulması durumunda, bağlı bulundukları saha panellerinden kumanda edilebilme özelliği taşımaları istenmektedir. Anabilgisayar tarafından kontrol edilen sistem, belirli noktalara, programlanan zamana göre anahtarlama, reaksiyon gösterme, çalışma zamanı denetleme, optimum çalıştırma , istatistiki programlar dahilinde çalıştırma ve durdurma komutlarının verilebilmesi, sistemin tam çalıştırılmasında etkin rol oynamaktadır. “BAS”deki hizmet programları şöyle sınıflandırılmaktadır:

• Merkezi kumanda ve kontrol programları (kontrol için: DDC sistemi, LAN ağı vb.),

• Güvenlik kontrol programları.

Merkezi kumanda ve kontrol programları: zamana bağlı başlatma-durdurma programları ve olay programlar olarak ikiye ayrılmaktadır. Zamana bağlı programlar, aydınlatma, taşıma gibi belirli zamanlarda başlaması gereken işlemleri yönetmektedirler. Olay programlar, belirli olayların meydana gelmesi ile devreye girmekte ve programlanmış olan tüm önlemler dizisini devreye sokmaktadırlar. Örneğin, yangın alarmı ile söndürme sistemi devreye girer, havalandırma sistemi kapatılır.

Enerji yönetim programları: döngüsel kumanda programları, güç talep programları, optimum başlatma ve durdurma programları, yük ayar programları, soğutucu optimizasyon programları olarak bölümlere ayrılmaktadır. Döngüsel kumanda programları, genellikle ıstma, havalandırma ve iklimlendirme sistemlerinin belli düzenlere göre devreye girip çıkması işlemlerini yürütmekte ve optimum çalışma programları ile enerji tasarrufu sağlanmasına yardımcı olmaktadır. Güç talep programları elektrik enerjisi durumu ile ilgilenmektedir. Optimum başlatma ve durdurma programlarında, sabahları binanın istenilen konfor koşullarına erişebilmesi için, ısıtma havalandırma ve iklimlendirme sistemlerinin belirli saatlerde devreye girmesi sağlanmaktadır. Bu konfor düzeyine ulaşmada etken olan dış hava koşulları da saptanmakta ve en uygun havalandırma sistemi ile gücü devreye sokulmaktadır. Yük ayar programlarında, binadaki havalandırma zonlarına göre, en yüklü zonun ihtiyaçları göz önüne alınarak bir havalandırma sistemi uygulanmakta, diğer zonlara, bu yüke göre optimum ölçüler çerçevesinde hizmet verilmektedir. Soğutucu optimizasyon programları ise soğutucu suyunun enerji ihtiyacını ve soğutucuların devreye girmesini sağlamaktadır.

“BAS”nin kendi içinde fonksiyon seviyeleri vardır. Bilgisayarla bütünleşik fonksiyon seviyeleri, dört seviyede incelenmektedir:

• Birinci seviye: elektirik, havalandırma, yangın, güvenlik, aydınlatma, asansörler, ısıtma, jeneratör vb. tüm bina alt sistemlerini içermektedir. Aynı seviyedeki diğer hücre grupları ile entegrasyon sağlanabilmektedir ki yatay haberleşme olarak adlandırılmaktadır.

• İkinci seviye: merkezi teknik yönetimdir. Gözleme, tele gözleme istasyonlarında seviye 1’in çalışmalarını kontrol etmektedir.

• Üçüncü seviye: bina yönetimi PC bilgisayarlardan oluşmaktadır. Alt seviyeden aldığı bilgileri raporlar haline dönüştürebilmektedir. Bu bilgiler, enerji tüketim programları vb.dir

• Dördüncü seviye: genel yönetim panellerini içermektedir. Her sistem için optimum kullanım getirmektedir.

“BAS” hizmette kaldığı sürece bilgili teknik personele ihtiyaç vardır. Binada oturanların sisteme karşı eğitilmeleri de büyük önem kazanmaktadır (Aytis, 1999). Akıllı bina (Intelligent Building), (IB), 1980’lerde USA’da ortaya çıkmıştır. IB, “Information Technology”nin (IT), gelişimine bağlanmaktadır. IB fikri, büyük teknolojik sistemlerin, mesela bina otomasyonu, iletişim ve büro otomasyonunun üzerinde odaklanmaktadır (Harrison vd., 1998). Akıllı bina kavramı, ilk 1985 Toronto akıllı bina sempozyumunda ortaya atıldı (Batur, 2001).

Akıllı binanın tarihçesi üç farklı zaman dilimine ayrılmaktadır (Harrison vd., 1998): • Otomasyon sistemli binalar (Automated buildings, 1981-1985),

• Kullanıcı gereksinmelerine duyarlı binalar (Responsive buildings, 1986-1991), • Verimli binalar (Effective buildings, 1992 sonrası).

Akıllı bina modeli’nin 1992 (IB in Europe) üç önemli amacı vardır: bina yönetimi, mekan yönetimi, iş yönetimi. Bina yönetimi: çevresel kontrol ve kullanıcı kontrolünü içermektedir. Mekan yönetimi değişikliklere odaklanır ve işletim maliyetini azaltmayı hedefler. İş yönetimi bilginin işlenmesi, depolanması temsili ile ilgilidir, iç ve dış iletişimi sağlar. Akıllı bina özellikleri ise tasarım stratejileri, bina kabuğu özellikleri ve servis hizmetleri yönetimi stratejileridir. Akıllı bina, bina otomasyon sistemi (“BAS”), bilgisayar destekli servis hizmetleri yönetim sistemi (Computer-Aided Facility Management Systems: CAFM) ve iletişimi (office automation) içermektedir.

1870’te çelik çerçeveli perde duvarların bulunması ve ilk asansörün kullanılması; 1873’te daktilonun bulunması; 1876’da telefonun bulunması; 1930’da “flüoresan” aydınlatma elemanının bulunması ve pencere tipi klimanın bulunmasıyla daha derin ofis mekanlarının tasarlanması; 1950’de merkezi havalandırmanın ve asma tavan fikrinin doğması; 1970’te enerji krizi nedeniyle yalıtıma ihtiyaç duyulması, atriyumun enerji verimli binalarda kullanılması, bina otomasyon sisteminin kulanılmaya başlanması; 1970’lerde ana bilgisayarın kullanılması, merkezi bilgisayar odaları ve bu odalara bağlantıların tüm binaya dağıtılması; 1980’lerde mikrobilgisayarlar, kişi başına bir bilgisayar; yerel ağlar ile (Local Area Networks, LANs) kablo bağlantı problemlerinin çözülmesi, geniş ağ bağlantısının (Wide Area Networks, WANs), iş ilişkilerinde kolaylık sağlaması; 1990’da portatif teknoloji (portatif teknoloji), laptop ve palmtop bilgisayarlar çalışma alanlarının çeşitliliğini artırması kayda değer gelişmelerdir. IT’nin sağladığı internet ve kablosuz iletişim olanakları bulunmaktadır

(Şekil A.6, Şekil A.1). Protokol denen iletişim sistemleri (yazılım sistemleri), “Echelon” vb. yaygınlaşmıştır. “BACnet/Echelon” bina sistemlerinin entegrasyonunu sağlamıştır. “Echelon bus” denen iletişim yolu “infra-red sensör”lerden aldığı yapma aydınlatma-doğal aydınlatma seviyesi vb. bilgilerini saha panellerine ve ana bilgisayarlara göndermektedir. Cephedeki photoelectric hücreler (PEC), gün ışığı kontrolü seviyesine duyarlıdır. Güvenlik sistemlerinde ise CCTV kapalı devre televizyonlar kullanılmaktadır. “BAS” sistemi dijital veya analog çalışan “sensör” ve kontrol noktalarından aldığı bilgilerle ve uyarılarla başlıca: güvenlik, asansör, yangın, aydınlatma, enerji sistemlerini (gaz, elektrik, su) yönetmektedir. Network topolojisi: LAN vb., network protokolü, FDDI, Ethernet vb. yi içermektedir (Harrison vd., 1998). Simens firmasının geliştirdiği iletişim sistemi topolojisi şekilde örneklenmektedir (Şekil 5.4), (www.sbt.siemens.com).

Akıllı binaların akıllılık derecesi; otomasyonun farklı seviyeleri ve sistemlerin entegrasyonu gibi kriterlerle belirlenmektedir. 1950’lerde merkezi kontrol ve izleme panelleri ile buna bağlı yerel kontrol panelleri vardı. 1960’larda merkezi çoklu sistem geliştirildi. 1970’lerde bilgisayarlı sistemler geliştirildi. 1980’lerde binanın bütününe dağıtılmış sistemler (distributed processing systems) geliştirildi. Günümüzde entegre bina sistemleri (integrated building systems), örneğin birbiriyle birleşik çalışan yangın alarmı ve havalandırma sistemi vb. geliştirilmiştir.

Binanın bütününe dağıtılmış süreç sistemleri şöyledir (Linde, 1991):

• Doğrudan dijital kontrol (DDC: Direct Digital Control): havalandırma; ısıtma; soğutma/ ısıtma; nem/ kuruluk, statik basınç; VAV ve CAV gibi mekanik havalandırma sistemlerinin programlanabilir kontrolü,

• Enerji yönetim programları: HVAC (Heating, Ventilating, Air-conditioning: ısıtma, havalandırma, iklimlendirme sistemi), aydınlatma,

• Yangın güvenlik sistemleri, • Güvenlik ve ulaşım kontrolü,

• Servis hizmetleri (facility management), • Merkezi ana bilgisayar.

Sistem mimarisi ise şöyledir:

• Seviye 1: uzaktan algılayıcılar ve işleticiler (“remote sensors” and “actuators”), • Seviye 2: mikroişlemci tabanlı kontrolörler,

• Arayol: iletişim yolu yazılım sistemi (communications bus, örneğin: LAN ağı, Bacnet yazılım sistemi vb.),

• Seviye 3: merkezi ana bilgisayar (central host personal computer), • Seviye 4: yönetim ana bilgisayarı,

• Entegrasyon: diğer bina sistemlerinin entegrasyonu (integrating systems).

Geleneksel “pnömatik (pneumatic)” ve elektrikli kontrol sistemlerinden başlayarak tüm otomasyon sistemleri üç ana elemana sahiptir (Şekil 5.5):

• Algılayıcılar (“sensors” & “detectors”), • Kontrolörler (“controllers”),

• İşleticiler (“actuators”).

Sensors & detectors (algılayıcılar)

Controllers (kontrolörler) Actuators (işleticiler)

Switches (on/off) (açma-kapama) Building Meters (ölçüm cihazları)

Girdi değerleri (input), uzaktan algılama cihazlarına, örneğin “sensörler (sensors)” ve “switches”lara (on/off düğmesi) ulaşarak bunların bağlı olduğu aydınlatma sistemi vb. sistemleri açar, kapatır veya seviyesini ayarlar. Çıktı değerleri (output) ise kontrol edilen cihazlara, örneğin kapakçık “işleticilerine (actuators)”, fan cihazlarına, pompalara, damper kapakçık “işleticilerine (actuators)” bağlıdırlar. Kontrol edilen cihazlara bağlı olan bu çıktı değerleri, bu cihazların istenilen verimlilikte çalıştırılmasının, ayarlanmasının, azaltılıp artırılmasının sağlanması açısından önemlidir. Girdi ve çıktı değerleri dijital ve analog olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Dijital değerler açma/kapatma (on/off) için veri teşkil eden değerlerdir. Analog değerler ise sürekli değişen ısı, basınç ve nem gibi fiziksel şartların ölçülen değerleridir (Linde, 1991). Gün ışığına duyarlı yapma aydınlatmada, “photocell sensörler” gün ışığı seviyesini algılamakta, kontrol elemanı olarak parlaklığın kontrol edilmesini sağlamakta ve yapma aydınlatma seviyesini ayarlamaktadır. Sıcaklık değişiklikleri ise “sıcaklık termostat”ları sayesinde kontrol edilerek buna göre havalandırma kapaklarının açılıp kapanmasına veri sağlamaktadır (Wigginton ve Harris, 2002).

Yapay neural sistemler (Artificial Neural Networks) ise akıllı bina kavramının ulaştığı uç noktadır. “ANN”, öğrenen, tecrübe edinen, tepki veren, karar veren gelişmiş bir bina otomasyon sisteminin adıdır. Binanın yapay sinir sistemidir (Addington ve Schodek, 2005).

Akıllı olma özelliğiyle bina: güvenlik sistemleri, aydınlatma, ısıtma, soğutma sistemleri, panjurların kontrolü, hayvan besleme, araba yolu, bahçe kapısı, dış hareket dedektörü vb. kullanıcı gereksinmelerini, çeşitli yerlere yerleştirilmiş “sensör”lerin akıllı kontrol panelleri ile iletişimi sayesinde, kendiliğinden karar vererek yönetir. Türkiye’de Koza Teknik Sistemler Sanayi Ve Ticaret Limited Şirketi bu tip akıllı sistemleri geliştirmektedir (Koza Teknik, 2000).

Bazı akıllı binalar: Pencere ve duvarların ısı geçişini yönetir; Tahmin edilen hava durumuna, harcamalara, elektrik ihtiyacına uyum sağlar; Bina kullanıcılarına adapte olur ve öğrenir; Kullanıcıların ihtiyaçlarına göre bina sistemlerini çalıştırır, örneğin eve girildiğinde ısıtmanın çalıştırılması vb.; Mekanik ve elektrik sistemdeki arızaların raporunu tutar (www.en.wikipedia.org/wiki/Intelligent building).

Akıllı binalardaki “pnömatik (pneumatic)” kontrolörler, 1985’te yerini elektromekanik kontrolörlere, 2000’lerde ise bilgisayarlı kontrolörlere bırakmışlardır (www.en.wikipedia.org/wiki/HVAC-control-systems).

Günümüzde, akıllı binaların yararlandığı akıllı çevreler (smart environment), uzaktan kumanda cihazları ve kablosuz teknolojileri (wireless) kullanmaktadırlar (Ek A, akıllı çevreler), (www.en.wikipedia.org/wiki/Smart-environment).

Akıllı bina özelliği, sürdürülebilir tasarımla birleştirilerek “enerji etkin akıllı bina” kavramı ortaya çıkmaktadır (Yılmaz, 2005). Enerji verimliliği ve çevresel tasarım konularına odaklanan bir akıllı bina tasarımı gerçekten akıllıdır. Yalnızca otomasyon ve elektro-mekanik açıdan düşünülmüş, enerji verimliliği gözardı edilmiş akıllı binalar gerçek amaçlarına uymamaktadırlar (Okutan, 2001).

Elektrik veya ısıya maruz kaldıklarında şekil ve özelliklerini yeniden kazanan “hafızalı” (shape memory) metaller depremde yapıları daha güçlü hale getirmekte kullanılmaktadır. Yapılarda ses ve titreşim kontrolünde, çok yüksek hızlarda titreşen aygıtlar olan piezoelektrik hücreler kullanılmaktadır (EK A, akıllı malzemeler). Akıllı strüktür uygulamasında ise basınç etkisi altında olan strüktürel eleman eğilme işaretleri gösterdiğinde bir “sensör” bunu algılayarak tam tersi istikamette basınç uygulamaktadır. Güvenlik kontrolünde ise konut çevresinde kapalı devre kameralarla görüntüleme, ağırlığa duyarlı “sensör”ler, cam kırılması dedektörleri, hareket, ses ve sıcaklık hissedicileri (“sensör”leri) kullanılması önerilebilecek güvenlik önlemlerindendir. Akıllı sistemler, yağmur suyunu, süzüp, biriktirip, gerektiğinde bahçe sulamasında kullanmaktadır (Okutan, 2001).