Ilmanlaatuohjattu ilmanvaihto

Puunpoltto on monille mieluisa ja usein myös tarpeellinen lämmitysmuoto, mutta sen sivuvaikutuksena syntyy pienhiukkasia ja kaasumaisia epäpuhtauksia, jotka heikentävät ulkoilman laatua erityisesti taajamissa. Ongelma korostuu tilanteissa, joissa ulkoilma kulkeutuu sellaisenaan sisätiloihin ilman, että sen laatua tunnetaan tai huomioidaan.

Tämä artikkeli tarkastelee, miten puunpolton aiheuttamia haittoja voidaan lieventää ilmanvaihtoa ohjaamalla – ei arvausten tai ajastusten, vaan mitatun ilmanlaadun perusteella silloin, kun sillä on merkitystä. Samalla teksti toimii käytännön esimerkkinä automaatioratkaisusta, joka yhdistää mittaamisen ja ohjauksen.

Ilman epäpuhtaudet ja terveysvaikutukset

Puun epätäydellinen palaminen tuottaa erityisesti PM2.5- ja PM10-kokoisia pienhiukkasia sekä erilaisia kaasumaisia yhdisteitä. Nämä eivät ole pelkästään hajuhaitta: pienhiukkaset pääsevät syvälle hengitysteihin ja voivat aiheuttaa ärsytystä, tulehdusta ja pitkäaikaisia terveysvaikutuksia. THL arvioi ennenaikaisten kuolemien olevan Suomessa vuositasolla 200 kaupungeissa tapahtuvaan puunpolton seurauksena. Se on hieman yli liikennekuolemien määrän.

Pitoisuutta mitataan yksiköllä µg/m³, eli tuhannasosagrammaa hiukkasia per kuutiometri ilmaa. EU, WHO ja yksittäiset kaupungit ovat säädelleet suosituksia ja määräyksiä raja-arvoille.

Yhteiskunnallinen tabu

Puunpoltto ja erityisesti puusaunat synnyttävät varmaankin romanttisia ja harmittomia mielikuvia. Kysymys on herkkä ja poliittisesti on helpompi puuttua lähes mihin tahansa muuhun. Tupakointiin on puututtu rajoituksin ja veroin, energiantuotannon päästöjä on saatu merkittävästi pienennettyä, polttomoottoreiden valmistajat on pakotettu alentamaan päästöjä ja nastarenkaiden käyttöä on rajoitettu suurkaupungeissa.

On todennäköistä, että päästöjen suhteellinen merkitys korostuu entisestään, kun muita lähteitä rajoitetaan. Tällöin myös puunpolttoon kohdistuvat ohjauskeinot nousevat väistämättä keskusteluun.

Tekniset mahdollisuudet ja haasteet

Projektin kohteena olevassa pientalossa oli hyvät lähtökohdat haitan torjuntaan. Rakennus on tiivis ja ilmanvaihdon korvausilma on keskitetty yhteen venttiiliin. Ilma kiertää koneellisesti molempiin suuntiin. Ilmanvaihtokoneessa on vakiona hiukkassuodatus, mutta se ei tehoa kaasuihin ja niiden tuomiin hajuihin.

Ensimmäinen idea ratkaisumalliksi oli aktiivihiilisuodatin. Se suodattaisi kemiallisia yhdisteitä ja kaasuja, joita syntyy puun epäpuhtaassa poltossa tai jos tulipesään on esimerkiksi päässyt sinne kuulumatonta polttoainetta.

Ideana aktiivihiileen perustuvan suodattimen lisääminen osaksi ilmanvaihtoa olisi houkutteleva ajatus. Tämä osoittautui hankalaksi virtaukseen syntyvän vastuksen vuoksi. Konetta olisi käytettävä suuremmilla tehoilla, joka tarkoittaisi lisää ääntä ja energiankulutusta kaiken aikaa. Oikein mitoitettu suodattimen koko olisi ollut ilmamäärille epäkäytännöllisen suuri.

Vaihtoehto tuloilman suodatukselle olisi laite nimeltään ilmanpuhdistin. En käsittele sitä tämän enempää, koska ratkaisu ei olisi riittävän integroitu olemassa olevaan talotekniikkaan.

Seuraava ratkaisumalli oli estää likaisen ilman pääsy rakennukseen kokonaan. Siirrytään sen toteuttamiseen.

Seuraava osuus vaatii ymmärrystä tekniikasta. Jos yksityiskohdat eivät kiinnosta niin kannattaa siirtyä suoraan kohtaan Lopputulos.

Toteutuksen peruspalikat

Automaatiojärjestelmä

Rakennuksen toimintoja ohjaa jo entuudestaan Home Assistant (HA) -ohjelmisto ja langattomat anturit nojaavat Zigbee -standardiin. Verrattuna useimpiin kaupallisiin ja kuluttajille suunniteltuihin järjestelmiin, HA:n avulla pääsee lähemmäksi laitetasoa ja se sallii ohjelmointikielen käytön. Se ei ole myöskään riippuvainen yksittäisestä ekosysteemistä. Siinä on laaja yhteensopivuus oppimiskynnyksen kustannuksella. Tämä on luonteva paikka yhdistää anturi ja ilmanvaihtokone sekä toteuttaa ohjauksen logiikka.

Hiukkasanturi

Tehtävää varten tarvitaan PM2.5-pitoisuuksista paikallinen, luotettava ja nopea havainto.

Paikallinen näyte tarvitaan, koska säätiedon tuottajat eivät pysty havainnoimaan taikka raportoimaan yksittäisiä tapauksia. Yksittäisen talon savupiipusta tullut savu tyypillisesti jää pakkasilla leijumaan pienelle alueelle.

Luotettavan datan perusta on ottaa näytteitä juuri siitä ilmasta mikä asuntoon on matkalla.

Havainnon on oltava nopea, koska hidas reagointi ehtii päästää hajun sisään, mutta ei poistaa sitä.

Sopiva anturi löytyi yllättävästä paikasta. Usein Ikean tuotteet eivät loista yhteensopivuudessa ja kaikkea "väärinkäyttöä" on pyritty estämään. Uskomattomasti – IKEA Vidstyrka – oli ainoa ekosysteemiin istunut tuote, joka oli helposti saatavilla. Se on kuluttajille suunnattu laite, joka on tarkoitettu näyttöruudulta katsottavaksi. Älyominaisuudet ovat tuotteen markkinoinnissa sivuseikka. Anturille luvataan kyky mitata PM2.5-tason hiukkasia ja tVOC pitoisuutta (haihtuvien orgaanisten yhdisteiden kokonaispitoisuus). Palaan myöhemmin siihen kuinka laite soveltuu paikalliseen, luotettavaan ja nopeaan datan keruuseen.

Ilmanvaihtokone

Ilmanvaihtokoneena on Vallox 110 MV. Se yhdistettiin Ethernet-portin kautta verkkoon. Valloxin palveluun luotiin tili ja HA yhdistettiin siihen virallisen integraation kautta.

Keskeisin ominaisuus on profiilitilojen vaihto.

Suomenkielisessä valikossa ne ovat Kotona, Poissa, Tehostus ja Mukautettu. Teknisessä rajapinnassa vastaavat ovat Home, Away, Boost ja Fireplace.

Koska laite ei tue uuden profiilin luontia niin ilman pääsyn estoon käytettiin Mukautettu-profiilia. Se muokattiin laitteen käyttöliittymästä siten, että korvausilman tuuletin on 10 % teholla ja poistoilman tuuletin 20 % teholla. Pieni määrä sisään puhallettua ilmaa varmistaa sen, että hiukkasanturi voi ottaa uusia näytteitä ja voidaan myöhemmin todeta ongelman olevan ohi. Poistoilman tuuletin on hieman voimakkaammalla, jotta rakennus on mielummin ali- kuin ylipaineinen.

Räätälöintiä vaatinut osuus

ZHA Toolkitin asentaminen ja aktivointi

Käytin automaatiossa HA:n ZHA-integraatiota, joka lisää HA:lle Zigbee-tuen. Osa suosii Zigbee2MQTT-integraatiota, mutta keskityn tässä ZHA-konfiguraatioon.

ZHA luottaa lähtökohtaisesti siihen, että laitteet käyttäytyvät järkevällä tavalla. Tässä tapauksessa nopeus ei ole kuitenkaan oletusarvoisesti riittävän hyvä. Vindstyrka osaa ottaa näytteitä ilmasta riittävän usein, mutta se ei ilmoita muutoksista HA:lle tarpeeksi tiheästi. Tämä on ymmärrettävää useimmissa akku/paristotoimisissa laitteissa, mutta Vindstyrka kytketään verkkovirtaan eikä näin pieniä virtamääriä ole järkevää säästää.

Asiaan löytyy lääke nimeltä ZHA Toolkit, joka avaa Zigbee:lle low-level kontrollia. Kuvaan seuraavaksi millaisella konfiguraatiolla Vindstyrka saadaan pakotettua tekemään säännöllinen ja tiheä näytteenotto.

ZHA Toolkitin asennus tapahtui asentamalla ensin HACS -lisäosa, joka on eräänlainen epävirallisten lisäosien sovelluskauppa – ja sieltä sitten ZHA Toolkit.

Pakotettu pollaus Force update -toiminnolla

Tämä kannattaa toteuttaa omana automaationa.

Sopivan aikavälin valinta on kompromissi verkon ruuhkauttamisen ja laitteiden kuormittamisen suhteen. Olen käyttänyt 30 sekunnin aikaväliä ja se on ollut vakaa ja riittävän nopea. Tässä käyttämäni konfiguraatio.

alias: Force update (Vindstyrka)
description: Force update particle sensor
triggers:
  - seconds: "30"
    trigger: time_pattern
conditions: []
actions:
  - data:
      ieee: <SENSOR ADDRESS>
      use_cache: false
      force_update: true
      endpoint: 1
      cluster: 1066
      attribute: 0
    action: zha_toolkit.attr_read
mode: single

Kiinnostavimmat kohdat ovat cluster: 1066 ja attribute: 0.

Ne osoittavat valmistajakohtaiseen attribuuttiin: PM25 → measured_value. Käyttöliittymästä käsin ne saattavat näkyä hex muodossa, eli 1066 == 0x042a.

Automaatio

Nyt kun perusasiat ovat kohdallaan niin automaatiossa päätellään skenaario milloin ilmanvaihtokoneen profiili vaihdetaan Mukautettu-tilaan ja takaisin normaaliin.

Ohessa yksinkertainen automaatio mikä on riittänyt omaan käyttöön. Jos yksittäisen näytteen perusteella tehty ohjaus on liian herkkä niin Statistics helperillä voi ottaa keskiarvon useammasta näytteestä halutulla aikavälillä.

Päälle kytkentä

alias: Poor air quality detected
description: ""
triggers:
  - value_template: "{{ states('SENSOR_DEVICE_ID') | float > 50 }}"
    trigger: template
conditions:
  - condition: state
    entity_id: fan.vallox
    attribute: preset_mode
    state: Home
    enabled: true
actions:
  - metadata: {}
    data:
      preset_mode: Fireplace
    target:
      device_id: VALLOX_DEVICE_ID
    enabled: true
    action: fan.set_preset_mode
mode: single

Kun pitoisuus on >50 ja ilmanvaihtokone on profiilissa Kotona, vaihdetaan ilmanvaihdon profiiliksi Fireplace (=Mukautettu).

Pois kytkentä

alias: Clean air quality detected
description: ""
triggers:
  - value_template: "{{ states('SENSOR_DEVICE_ID') | float < 18 }}"
    for:
      hours: 0
      minutes: 3
      seconds: 15
    trigger: template
  - value_template: "{{ states('SENSOR_DEVICE_ID') | float < 35 }}"
    for:
      hours: 1
      minutes: 0
      seconds: 0
    trigger: template
conditions:
  - condition: state
    entity_id: fan.vallox
    attribute: preset_mode
    state: Fireplace
actions:
  - metadata: {}
    data:
      preset_mode: Home
    target:
      device_id: VALLOX_DEVICE_ID
    action: fan.set_preset_mode
mode: single

Kun pitoisuus on <18 kolmen minuutin ja 15 sekunnin ajan tai <35 yhden tunnin ajan – ja mikäli kun ilmanvaitokone on profiilissa Mukautettu – vaihdetaan profiiliksi takaisin Kotona.

Lopputulos

Ratkaisu on ollut käytössä kirjoitushetkellä n. kaksi vuotta. Sen olemassaolon unohtaa, kunnes jonain pakkaspäivänä ilmanvaihdon taustahumina saattaa hiljentyä hetkeksi.

Automaatio on reagoinut muutoksiin nopeasti ja luotettavasti. Samalla mittausdata on tarjonnut mahdollisuuden tarkastella ilmiötä jälkikäteen: milloin päästöt olivat korkeimmillaan, kuinka usein raja-arvot ylittyivät ja miten toimenpiteet vaikuttivat.

Ratkaisu mielestäni soveltuu niin kokeelliseen harrastuskäyttöön kuin osaksi laajempaa automaatiojärjestelmää, mutta edellyttää halua ymmärtää järjestelmän toimintaa – eikä ole valmis tuote.

Kuvia