Digitalisaatio ja tekoäly edistävät rakennusten energiatehokkuutta

Rakennuksen tuottama tieto muokataan helposti seurattavaan muotoon ja hyödynnetään matkalla kohti ilmastoystävällisyyttä sekä kustannustehokkuutta. Hankkeesta saatuja kokemuksia voidaan soveltaa monipuolisesti alueen yritysten tarpeisiin ja kehittämistyö jatkuu.

Centria-ammattikorkeakoulun digitalisaatiotiimi on ollut kolmen vuoden ajan mukana Business Finlandin rahoittamassa HYBGEO-hankkeessa, jossa yhteiskehitetään ja integroidaan tekniikkaa ja palveluratkaisuja energiatehokkaaseen rakentamiseen. Pilottikohteena Helsingin Kalasatamaan rakennettavassa hybridi-nollaenergiatalossa käytetyt menetelmät ja teknologiat halutaan tuotteistaa helppokäyttöisiksi ja helposti asennettaviksi. Hybridi viittaa tässä yhteydessä useiden energialähteiden hyödyntämiseen, nollaenergia taas pyrkimykseen saada talo tuottamaan kuluttamansa määrän tai jopa sitä enemmän energiaa. Tätä tavoitellaan esimerkiksi maalämpökaivojen ja älykkään talotekniikan ohjauksen avulla.

Centrian rooli hankkeessa on tarjota tekniikkaa kehittävälle yrityskonsortiolle digitalisaatio-osaamista. Lähtökohtana kiinteistön energiatehokkuutta optimoitaessa on ollut siihen liittyvien taloteknisten järjestelmien ja laitteiden tuottaman tiedon käsitteleminen digitaalisilla menetelmillä. Tätä tietoa jalostamalla, eli käytännössä talotekniikan ohjausalgoritmeja kehittämällä, kiinteistö saadaan toimimaan mahdollisimman energiatehokkaasti. Järjestelmien toimintaa ja saavutettuja tuloksia esitellään sekä käyttäjille, huollolle että potentiaalisille uusille asiakkaille helposti ymmärrettävässä visuaalisessa muodossa. Kehitetyt digitalisaatioratkaisut ovat julkisesti saatavilla ja monipuolisesti yritysten hyödynnettävissä jatkokehitystä varten.

Kun haetaan rakentamiseen uusia älykkäitä ratkaisuja, tarvitaan tietoa. Toimiva älykäs rakennus taas tuottaa jatkuvasti lisää tietoa, jota voidaan hyödyntää vain sitä jatkuvasti seuraamalla ja analysoimalla. Tiedon hyödyntäminen rakentamisessa, talotekniikan ohjauksessa ja energiankäytössä voi paitsi vähentää energiankulutusta myös pienentää energia-, huolto- ja ylläpitokustannuksia, lisätä asumismukavuutta ja pidentää rakennuksen elinkaarta. Lisäksi tiedosta tehtyjä havaintoja voi edelleen käyttää apuna talotekniikan optimoinnissa ja jatkokehittämisessä.

Eri tiloissa olevat anturit lähettävät säännöllistä tietoa mm. ilmastoinnista, energiatasapainosta, maalämpökaivoista, lämpöpumpuista ja rakennuksen energian kulutuksesta. Rakennuksesta kerättyä dataa voidaan luokitella, analysoida ja visualisoida erilaisiin käyttöliittymiin käyttäjäryhmien tarpeiden mukaan.

Koska ennusteita ja käyttöliittymiä on kehitetty yhtä aikaa rakentamisen kanssa, on alkuvaiheessa käytetty paljon VTT:n simuloimaa dataa, joka matkii aidon talon käyttäytymistä. Nollaenergiatalon valmistuttua malleille syötettävä data tulee rakennuksessa tehdyistä mittauksista, joiden tulokset kerätään talotekniikkapalvelimelle.

Centrian TKI-kehittäjä Ville Pitkäkangas on tutkinut simuloidusta datasta tekoälyn avulla sään ja sähkön hinnan historiatietojen perusteella eri tekijöiden välisiä korrelaatioita sekä kokeillut ennusteiden tekemistä erilaisilla malleilla. Osa malleista perustuu neuroverkkoihin, osassa on mukana data-analytiikkaa. Neuroverkoille syötetään tietoa, jonka perusteella ne kykenevät oppimaan ja tekemään ennusteita.

– Neuroneita ikään kuin koulutetaan käyttämään annettua tietoa itsenäisesti, mutta määrittelemällämme tavalla, kertoo Ville Pitkäkangas.

Data-analytiikassa perustana on matemaattinen tai tilastollinen laskelma, jonka muuttujien arvoja vaihtamalla saadaan erilaisia ennusteita. Näin saadaan selville, mitkä muuttujat näyttävät vaikuttavan toisiinsa eniten, ja tätä tietoa hyödynnetään valittaessa ennusteisiin selittäviä muuttujia. Näitä ennusteita vertailemalla voidaan selvittää, millä arvoilla saavutetaan paras tulos.

Vaikka tekoäly ohjaa rakennuksen toimintoja, käyttäjät voivat seurata tilannetta käyttöliittymässä. Heille voidaan lisäksi antaa oikeuksia tehdä säätöjä asetuksiin. Ajankohtainen esimerkki tekoälyn käytöstä on pörssisähköohjaus, jolla voidaan säätää taloteknisiä järjestelmiä priorisoimaan automaattisesti kiinteistön toimintaa edullisimman sähkön aikana. Myös kolmannen osapuolen dataa, kuten sääennustuksia, voidaan integroida ja hyödyntää talotekniikan digitalisoinnissa.

Käyttöliittymä on rakennettu open source -alusta Thingsboardille, joka on osoittautunut toimivaksi IoT-alustaksi (Internet of Things, esineiden internet). Saatavilla on myös mobiilisovellus. Alusta taipuu moneen: digitalisoijan haastavana, mutta antoisana palapelinä on yhdistää data ja alusta toimivaksi käyttöliittymäksi. Rakennuksen suunnitteluyritys toimitti pohjapiirrokset ja 3D-mallit, joiden pohjalta visualisointityö aloitettiin. Kun talo on valmis ja käytössä, mukautetaan digitaalinen alusta vielä todellisille antureille ja niiden asetuksille.

Käyttöliittymään on koottu olemassa olevia asioita yhteen, mutta hankkeen aikana on kehitetty myös aivan uutta. Digitalisaatiotiimi on oppinut IoT-alustojen käytöstä visualisoinnissa sekä löytänyt uusia keinoja hyödyntää tekoälyä kiinteistön älykkäässä ja energiatehokkaassa ohjaamisessa. Tuloksia voidaan hyödyntää myöhemmin myös Centrian tuottamana palvelutoimintana yrityksille. Kehitystyötä jatketaan tulevissa hankkeissa.

Hybgeo-hankkeessa toteutettu käyttöliittymä on suunniteltu talotekniikan näkökulmasta hankkeen tarpeisiin, mutta alustaa ja käyttöliittymää voi hyödyntää tiedon käsittelyyn ja esittämiseen eri kohteissa, kuten maatiloilla tai tehtailla. Käytännössä mikä vain mitattavissa oleva asia on kerättävissä dataksi ja muutettavissa visuaaliseen muotoon helpommin tulkittavaksi. Samaa periaatetta voitaisiin hyödyntää älysormuksen tai sirun kehosta lähettämistä tiedoista, ja kehon arvojen perusteella seurata henkilön vointia käyttöliittymän kautta. Ohjelmoijan ei tarvitse olla talotekniikan tai hoitoalan vaan datan hyödyntämisen ammattilainen.

Jokaisen käyttäjän taas ei tarvitse osata tulkita käyriä tai numeroita, vaan tieto voidaan tiivistää siihen muotoon, mikä kutakin käyttäjää parhaiten palvelee. Centrian rooli tiedon muokkaajana onkin ollut datan avaaminen ulkopuolisille. Loppukäyttäjän tai tilaajan on helpompi sisäistää visualisoitu data, ja tämä voi tulevaisuudessa auttaa myös myynnissä ja markkinoinnissa – jos tuote tai palvelu on niin monimutkainen, ettei asiakas ymmärrä sitä, kauppoja ei luultavasti synny. Käyttöliittymä auttaa kertomaan asiakkaalle tuotteen, tässä tapauksessa nollaenergiatalon, hyödyistä.

– Olemme onnistuneet tavoitteessamme esitellä visualisoinnin avulla monimutkaisia asioita helposti omaksuttavassa muodossa. On kiinnostavaa nähdä, mihin muuhun tätä hankkeessa kehittämäämme osaamista voidaan hyödyntää seuraavaksi, miettii digitalisaatiotiimin Ville Peltola.

Digitalisaatio liittyy nykyään kaikkiin aloihin, ja tiimin yksi tehtävä onkin nähdä digitalisaation sekä tekoälyn hyödyntämisen mahdollisuudet eri puolilla ja tuoda niitä esiin. Mitä tiiviimmin digitalisaatio-osaajat ovat mukana koko prosessissa suunnittelusta toteutukseen ja seurantaan, sitä todennäköisemmin nousee esiin uusia oivalluksia, joissa digitalisaation ja tekoälyn mahdollisuuksia voidaan valjastaa käyttöön.

Tekoäly taipuu tällä hetkellä enempään kuin mihin keksimme sitä hyödyntää. Teknologian kehityksen perässä kulkee asennemuutos: täyden potentiaalin käyttöön tarvitaan eri alojen ammattilaisten uskallus tekoälyn hyödyntämiseen.

Helsingin Kalasatamassa rakenteilla olevaan nollaenergiataloon sovelletaan ja kokeillaan Hybgeo-hankkeen ratkaisuja rakentamisen edetessä. Sekä talotekniset innovaatiot että digitalisaatioratkaisut ovat tuotteistettavissa paitsi paikallisesti myös vientiin.

Hybgeo on BusinessFinlandin osarahoittama co-innovation-hanke, ja tutkimusta siinä tekevät Centrian lisäksi GTK ja VTT. Yrityskumppaneita ovat Basso Building Systems, Gebwell, Muovitech, Rototec sekä Tom Allen Senera.