CC BY
26
УДК 621.397:69
ЦВЕТКОВ НИКОЛАЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ, докт. техн. наук, профессор,
КРИВОШЕИН ЮРИЙ ОЛЕГОВИЧ, аспирант,
kaf_tgs@tsuab.ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет,
634003, Томск, пл. Соляная, 2
КРИВОШЕИН ОЛЕГ ЮРЬЕВИЧ, директор,
npowest@tomsk.ru
ООО « НПО ВЭСТ»,
634034, Томск, пр. Кирова, 7
ТЕХНОЛОГИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ РАБОТЫ ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ С УДАЛЕННЫМ ДОСТУПОМ (НА ПРИМЕРЕ ТГАСУ)
На основе контроллеров ВЭСТ-01.М-05.2 разработана технология управления параметрами работы инженерных систем строительных объектов в виде системы диспетчеризации с удаленным доступом. Приведены возможности системы по контролю нештатных ситуаций и учету энергопотребления каждым объектом на примере зданий Томского государственного архитектурно-строительного университета.
Ключевые слова: энергосбережение; диспетчеризация объектов строительства; контроль параметров работы инженерных систем; управление режимами работы; удаленный доступ.
NIKOLAYA. TSVETKOV, Dr. Tech. Sc., Prof.,
YURIY O. KRIVOSHEIN, P.G., kaf_tgs@tsuab.ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk; 634003, Russia OLEG YU. KRIVOSHEIN, technical director, npowest@tomsk.ru ООО «NPO WEST»,
7 Kirov av., Tomsk, 634034, Russia
TECHNOLOGY OF PARAMETERS MANAGEMENT OF DISTANT CONSTRUCTION SITES' ENGINEERING SYSTEMS PROCESS (TSUAB AS AN EXAMPLE)
The technology of parameters management of engineering systems of construction sites as a dispatching system of distant (remote) access using the controllers “WEST-01.M-05.2" has been worked out. Performance capabilities of the system to monitor emergency situations and registration of any site (object) energy consumption and the buildings of the Tomsk State University of Architecture and Building taken as an example are shown.
Keywords: energy efficiency; dispatching construction sites; management of engineering systems process; monitoring operation modes; distant (remote) access.
© Н.А. Цветков, Ю.О. Кривошеин, О.Ю. Кривошеин, 2013
Тарифы на услуги в жилищно-коммунальной сфере растут, и не всегда этот рост обусловлен объективными причинами. В докладе Председателя Правительства РФ Д. А. Медведева на совещании «О тарифной и ценовой ситуации в сфере коммунальных и жилищных услуг» [1], которое состоялось 10 января 2013 г., было подчеркнуто, что цены на коммунальные услуги устанавливаются на договорной основе с организациями, работающими в сфере ЖКХ, и «... бороться с преступностью в этой сфере, с мошенничеством, которое весьма, к сожалению, часто случается в этих организациях, необходимо...». Множество дел по этим вопросам длительно рассматривают суды, решения которых зачастую бывают несправедливыми.
Реального снижения расходов на коммунальные услуги в жилых домах, в административных и производственных зданиях позволяет достичь разработка и реализация энергосберегающих мероприятий [2-15].
Практической реализации энергосбережения и повышения энергоэффективности уделяется в настоящее время большое внимание в развитых странах, поскольку выработка тепловой и электрической энергии связана, в основном, с потреблением органического топлива и огромными выбросами вредных веществ.
Только на цели отопления, вентиляцию и кондиционирование зданий в России расходуется практически половина всего добываемого топлива, поэтому снижение этих расходов стало одним из приоритетных направлений политики в нашей стране.
В выступлении первого заместителя председателя комиссии Совета Федерации В.Е. Межевича на пятом заседании Координационного совета Президиума Генерального совета Всероссийской политической партии «Единая Россия» по вопросам энергосбережения и повышения энергетической эффективности в Государственной думе РФ 18 февраля 2013 г. констатировано, что «.мы теряем сегодня, годами теряем эффективность, которую могли бы сегодня получить в самом большом источнике экономии топлива - это в теплоснабжении» [2].
Принят и выполняется закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23 ноября 2009 г. В ближайшее время, в соответствии с этим законом, должны быть установлены приборы учета потребляемой тепловой энергии на каждом здании [3].
Реализуется закон «О теплоснабжении» № 190-ФЗ, принятый Государственной думой РФ и вступивший в силу 27 июля 2010 г. В соответствии с Распоряжением Правительства РФ от 30.12.2010 г. № 2485 (в редакции от 18.06.2012 г.), утвердившим план первоочередных мероприятий по реализации этого закона, необходимо было [4] разработать 32 подзаконных акта. До сих пор не внесен в Правительство Российской Федерации проект постановления об утверждении «Правил коммерческого учета тепловой энергии, теплоносителя» [Там же].
Разработана и реализуется государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», которая утверждена Распоряжением Правительства Российской Федерации от 27 декабря 2010 г. № 2446-р. В этой программе [5]
из 6 основных мероприятий намечено реализовать следующее: «Использование телекоммуникационных 1Т-систем централизованного технологического управления системами теплоснабжения, комплексная автоматизация тепловых пунктов с выведением основных параметров на диспетчерские пункты».
Выполняя закон 261-ФЗ, ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» (ТГАСУ) в 2012 г. наряду с устройством автоматизированных индивидуальных тепловых пунктов силами своих экспертов выполнил энергетическое обследование 70 собственных объектов суммарной площадью 98 тыс. кв. м.
На основе этого обследования разрабатываются энергосберегающие мероприятия по каждому объекту и детальная программа энергосбережения на период до 2020 г.
Учитывая имеющийся отечественный [6-9] и зарубежный опыт [10-15], в 2012 г. ООО «Научно-производственное объединение “ВЭСТ”» (г. Томск) совместно с инженерной службой и кафедрой «Теплогазоснабжение» ТГАСУ разработали и реализовали первый этап системы диспетчерского контроля и управления потреблением тепловых ресурсов на 17 объектах университета.
На этом этапе конфигурации системы диспетчеризации реализован набор функций, связанных только с потреблением тепловой энергии.
На втором этапе система будет дополнена функциями, связанными с потреблением воды и электрической энергии, после комплектации конкретных объектов необходимыми техническими средствами.
Разработанная система включает три уровня:
1) метрологический уровень измерений параметров, обеспеченный сертифицированными средствами (нижний);
2) уровень непрерывного сбора и передачи контролируемых параметров (средний);
3) уровень обработки и унифицированного представления (таблицы, графики) параметров, контролируемых во времени (верхний).
Разработанная система диспетчерского контроля и управления инженерными системами объектов позволяет выполнять:
- мониторинг работы инженерных систем с созданием отчетов в виде таблиц и графиков;
- дистанционное управление инженерными системами.
Включенные в систему объекты ТГАСУ оборудованы индивидуальными тепловыми пунктами (ИТП), разработанными и изготовленными в ООО «НПО ВЭСТ».
В состав ИТП входят: исполнительный механизм, состоящий из привода и клапана изменения расхода подаваемого теплоносителя на подающем или обратном трубопроводе; датчики температуры; насосное оборудование. Данные устройства подключаются к щитам автоматизации, которые изготовлены на базе контроллеров ВЭСТ-01.М-05.2. Типовая схема включения регулирующего комплекса представлена на рис. 1.
Алгоритм работы щита управления обеспечивает:
- поддержание заданной температуры теплоносителя в подающем трубопроводе системы после узла смешения;
- поддержание температуры обратной воды в соответствии с температурным графиком теплоснабжения;
- автоматическое поддержание заданной температуры горячей воды в системе ГВС;
- управление исполнительными механизмами;
- контроль температуры (внешнего воздуха, воды на входе и выходе систем отопления и горячего водоснабжения).
Для получения данных с приборов учёта и контроля используются средства связи GPRS-терминал «ВЭСТ-GPRS», предназначенные для организации доступа к удалённым объектам по беспроводным каналам связи в цифровой сотовой сети GSM на основе GPRS-передачи данных. Терминал позволяет подключать до 100 GPRS-точек на один выделенный статический IP-адрес.
Отличительной особенностью данного терминала является новаторское использование технологии «клиент-сервер». Система, построенная на базе GPRS-терминала, имеет следующий алгоритм обмена данными: автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера выполняет функции клиента, посылающего запрос серверу по IP-адресации. Через сервер происходит соединение GPRS с запрашиваемым клиентом GPRS-терминалом, установленным на удалённом объекте. Таким образом, организуется прямой «прозрачный» канал связи передачи данных по схеме «TCP/IP GPRS - терминал - АРМ».
Программное обеспечение системы диспетчеризации включает в себя два основных компонента: веб-сервер и браузер.
Веб-сервер является программным ядром системы, связующим звеном между АРМ диспетчеров, аппаратными средствами автоматизированных технологических объектов управления и базой данных значений параметров технологических процессов. Веб-сервером обрабатывается, хранится и выдается информация о состоянии технических средств на объекте, значениях технологических параметров, наличии аварийных и нештатных ситуаций.
Интернет-обозреватель - браузер - необходим для отображения на компьютере пользователя предоставляемой веб-сервером информации.
Система позволяет не только осуществлять мониторинг и управление объектами, но и создавать математические модели объектов, связанные с моделированием тепловых режимов ограждающих конструкций и взаимосвязей потребления различных видов энергоресурсов.
Вход в программу осуществляется пользователем в браузере, установленном на его компьютере. В адресной строке вводится адрес веб-сервера и осуществляется переход в меню авторизации, где необходимо ввести логин и пароль.
Такая технология не требует установки специального обеспечения для использования программы и позволяет работать в системе из любой точки мира с доступом во внешний Интернет.
Объекты, входящие в систему диспетчеризации объектов ТГАСУ, расположены на общей мнемосхеме (рис. 2), представляющей собой часть карты города.
Рис. 2. Мнемосхема объектов контроля и управления
На ней дано размещение зданий по адресам в виде квадратов, меняющих цвет в зависимости от наличия (красный) или отсутствия (зелёный) нештатных ситуаций.
В программе предусмотрен вывод параметров теплопотребления на мнемосхемах каждого объекта. В случаях выхода какого-либо параметра за
пределы заданных значений на мнемосхеме объекта возникает надпись красным цветом. Пример мнемосхемы с сигналом нештатной ситуации в общежитии № 7 ТГАСУ по ул. Партизанской, 15/2 приведен на рис. 3. Изменяя параметры настройки регулятора, можно удаленно устранять некоторые нештатные ситуации. Сигнал о нештатной ситуации формируется с приборов контроля.
Виды сигналов по температуре:
- температура наружного воздуха: сигнал «Неисправность датчика» (при температуре ниже -60 °С или выше +130 °С);
- температура теплоносителей в подающем и обратном трубопроводах систем отопления и ГВС: сигнал «Неисправность датчика» (при температуре ниже 0 °С или выше 130 °С);
- несоблюдение установленных значений температуры воды в подающем или обратном трубопроводах в зависимости от температуры наружного воздуха: сигнал «Нарушение температурного графика теплоснабжения».
Рис. 3. Мнемосхема объекта с сигналом нештатной ситуации
Вид сигнала по давлению: давление в подающем и обратном трубопроводах систем отопления, ГВС и ХВС: сигнал «Неисправность датчика» (при давлении меньше 0 кгс/см2 или больше 10 кгс/см2).
Виды сигналов по расходу теплоносителей:
- расход в подающем и обратном трубопроводах систем отопления, ГВС, ХВС: сигнал «Расход больше максимально допустимого» (при расходе больше расчетного для конкретного объекта); сигнал «Расход меньше минимально допустимого» (при расходе 0 м3/ч);
- утечки теплоносителя: сигнал «Розлив теплоносителя» при разнице расходов в подающем и обратном трубопроводах более 4 %.
Вид сигнала по нештатной эффективности теплоиспользования: нарушение теплосъема. Сигнал «Нарушение теплосъема» (формируется при отли-
чии температур в подающем и обратном трубопроводах для системы отопления и системы горячего водоснабжения менее 10 °С).
Ниже, в качестве примера, приведены результаты контроля параметров теплопотребления по одному из объектов ТГАСУ (общежитие № 7).
На рис. 4 приведены графики расходов в подающем и обратном трубопроводах на входе в здание.
23.12.2012 18.01.2013 16.02.2013
Рис. 4. Расходы теплоносителей в подающем (красная линия) и обратном трубопроводах в январе - феврале 2013 г.
На рис. 5 показан температурный график теплового потребления на входе в системы отопления и горячего водоснабжения и на выходе из них.
И Температура наружного воздуха И Температура подачи И Температура обратки И Температура подачи ГВС | Температура обратки ГВС Я Температура обратки заданная
29.12.2012 22.01.2013 15.02.2013
Рис. 5. Температурный график параметров теплопотребления системой отопления и системой горячего водоснабжения в общежитии № 7 (январь - февраль 2013 г.)
Система позволяет получить месячные графики теплопотребления нарастающим итогом (рис. 6).
Рис. 6. Месячные графики потребления тепловой энергии учебного корпуса № 1
При обработке суточных массивов данных можно построить непрерывный график потребления тепловой энергии каждым объектом (рис. 7).
Рис. 7. График значений суточного теплопотребления общежитием № 7
Разработанная система, кроме контроля параметров работы инженерных систем зданий и обеспечения быстрого обнаружения нештатных ситуаций, учитывает фактическое потребление тепловых ресурсов.
Разработанная система диспетчеризации, кроме ТГАСУ, успешно реализована авторами в закрытом легкоатлетического манеже «Гармония» (г. Томск), в здании Арбитражного апелляционного суда (г. Томск), в городском округе Жатай (г. Якутск).
Выводы
1. Создан инструмент, позволяющий надежно отслеживать повышение энергоэффективности каждого здания и всех зданий, входящих в систему диспетчеризации, при реализации в них энергосберегающих мероприятий.
2. Перспективы развития разработанной системы связаны с включением в нее функций контроля расходов холодной воды и электрической энергии, с созданием математических моделей управления энергопотреблением строительных объектов, с разработкой механизма контроля расчетов между потребителем и поставщиками на основе фактического потребления энергетических ресурсов каждым объектом.
Библиографический список
1. Медведев, Д.А. Рост тарифов не всегда обусловлен объективными причинами / Д.А. Медведев // Электронный журнал «ЭНЕРГОСОВЕТ». - 2013. - № 1 (26). - С. 12. Издается порталом по энергосбережению ЭнергоСовет.Ru. - Условия доступа : http://www.energosovet.ru (дата обращения: 23.03.2013).
2. Межевич, В.Е. Мы годами теряем возможную эффективность / В.Е. Межевич // Электронный журнал «ЭНЕРГОСОВЕТ». - 2013. - № 1 (26). - С. 12. Издается порталом по энергосбережению ЭнергоСовет.Ru. - Условия доступа : http://www.energosovet.ru (дата обращения: 23.03.2013).
3. Ливчак, В.И. Как повысить энергоэффективность потребления тепловой энергии при независимом операторе коммерческого учета / В.И. Ливчак // Электронный журнал «ЭНЕРГОСОВЕТ». - 2013. - № 1 (26). - С. 43-54. Издается порталом по энергосбережению ЭнергоСовет.Ru. - Условия доступа : http://www.energosovet.ru (дата обращения:
23.03.2013).
4. Липатов, Ю.А. Первые шаги применения закона «О теплоснабжении» / Ю.А. Липатов // Электронный журнал «ЭНЕРГОСОВЕТ». - 2013. - № 1 (26). - С 12.-14. Издается порталом по энергосбережению ЭнергоСоветЛт - Условия доступа : http://www.energosovet.ru
5. Михайлов, С.А. О государственной программе энергосбережения и повышения энергетической эффективности на период до 2020 г. - Условия доступа : htpp://www.energosovet.ru/stat/an_791.htm (дата обращения 23.03.2013).
6. Ртищева, А. С. Моделирование тепловых режимов и исследование системы оптимизации теплопотребления здания технического университета : автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Ульяновск, 2006. - 19 с.
7. Шилкина, С.В. Применение программируемых контроллеров в централизованных системах автоматического управления / С.В. Шилкина, С.В. Куликов // Вестник МГСУ. -2011. - № 6. - С. 256-258.
8. Самарин, О.Д. Автоматизация и диспетчеризация зданий как средство повышения их энергоэффективности / О. Д. Самарин, Е.А. Гришнева // Вестник МГСУ. - 2011. - № 6. -С. 294-297.
9. Головин, А.А. Перспективы систем управления зданиями / А.А. Головин // Вестник МГСУ. - 2011. - № 6. - С. 394-399.
10. Mata, E. Optimization of the management of building stocks: An example of the application of managing heating systems in university buildings in Spain / E. Mata, F. Lopez, A. Cuchi // Energy and Buildings. - 2009. - № 46. - P. 1334-1346. - Условия доступа : elsevier.com/locate/enbuild
11. A flexible building management framework based on wireless sensor and aktuator networks / G. Fortino, A. Guerrieri, G.M.P. O'Hare, A. Ruzzelli // Journal of Network and Computer Applications. - 2012. - № 35. - P. 1934-1952. - Условия доступа : elsevier.com/locate/enbuild
12. An integrated system for buildings’ energy-efficient automation: Application in the tertiary sector / V. Marinakis, H. Doukas, C. Karakosta, J. Psarras // Applied Energy. - 2013. -№ 101. - Р. 6-14. - Условия доступа : www.elsevier.com/locate/apenergy
13. Figueiredo, J. Energy Production System Management - Renewable energy power supply integration with Building Automation System / J. Figueiredo, J. Martins // Energy Conversion and Management. - 2010. - № 51. - Р. 1120-1126. - Условия доступа : www.elsevier.com/locate/enconman
14. Phase change material (PCM) based thermal management system for cool energy storage application in building: An experimental study / V.V. Tyagi, D. Buddhi, R. Kothari, S.K. Tyagi // Energy and Buildings. - 2012. - № 51. - Р. 248-254. - Условия доступа : www.elsevier.com/locate/enbuild
15. Patlitzianas, K.D. Intelligent building energy management system using rule sets / K.D. Pat-
litzianas, K. Iatropoulos, J. Psarras //Building and Environment. - 2007. - № 42. - Р. 35623569. - Условия доступа : www.elsevier.com/locate/buildenv (дата обращения:
14.04.2013).
REFERENCES
1. Medvеdеv, D.А. Rost tarifov ne vsegda obuslovlen objektivnimi prichinami [Growth rates are not always caused by objective reasons] // Elektronnyy Zhurnal «ENERGOSOVET». -2013. - No. 1 (26). - P. 12. Izdayotsya portalom po energosberezheniyu. Available at : http://www.energosovet.ru. Date of access: 23.03.2013. (rus)
2. Mezhevich, V.E. Mi godami teryaem vozmozhnuyu effectivnost' [We are losing years of possible efficiency] // Elektronniy Zhurnal «ENERGOSOVET» - 2013. - No. 1 (26). - P. 12. Izdayotsya portalom po energosberezheniyu. - Available at : http://www.energosovet.ru. Date of access: 23.03.2013. (rus)
3. Livchak, V.I. Kak povysit' energoeffektivnost' potrebleniya teplovoj energii pri nezavisimom operatore kommercheskogo ucheta [How to raise power efficiency of thermal energy consumption at the independent operator of commercial account] // Elektronnyy Zhurnal «ENERGOSOVET». - 2013. - No. 1 (26). - P. 43-54. Izdayotsya portalom po energosberezheniyu. - Available at : http://www.energosovet.ru. Date of access: 23.03.2013. (rus)
4. Lipatov, U.A. Pervie shagi primeneniya zakona «O teplosnabzhenii» [The first steps of the law "on heat supply"] // Elektronnyy Zhurnal «ENERGOSVET». - 2013. - No. 1 (26). - P. 12.-
14. Izdayotsya portalom po energosberezheniyu. - Availavle at : http://www.energosovet.ru. Date of access: 23.03.2013. (rus)
5. Mihajlov, S.A. O gosudarstvennoj programme energosberezheniya i povysheniya energetich-eskoj effektivnosti na period do 2020 g. [On state program of energy conservation and energy efficiency for the period up to 2020]. - Available at :
htpp://www.energosovet.ru/stat/an_791.htm. Date of access: 23.03.2013. (rus)
6. Rtisheva, A. S. Modelirovanie teplovih rezhimov i issledovanie sistemy optimizatsii teplopo-trebleniya zhdaniya tehnicheskogo universiteta [Simulation of thermal modes and research of optimization system of heat consumption by Technical University building]. - Ul'yanovsk, 2006. - 19 p. (rus)
7. Shilkina, S.V., Kulikov, S.V. Primenenie programiruemyh kontrollerov v tsentralizovannyh sistemah avtomaticheskogo upravleniya [The use of programmable controllers in centralized automatic control systems] // Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. - 2011. - No. 6. - P. 256-258. (rus)
8. Samarin, O.D., Grishneva, E.A. Avtomatizatsiya i dispetcherizatsiya zdanij kak sredstvo povysheniya ih energoeffektivnosti [Automation and dispatching of buildings as means of their energy efficiency increase] // Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. - 2011. - No. 6. - P. 294-297. (rus)
9. Golovin, А.А. Perspektivy sistem upravleniya zdaniyami [Prospects of building management systems] // Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. -2011. - No. 6. - P. 394-399. (rus)
10. Mata, E., Lopez, F., Cuchi, A. Optimization of the management of building stocks: An example of the application of managing heating systems in university buildings in Spain // Energy and Buildings. - 2009. - No 46. - P. 1334-1346. - Available at : elsevier.com/locate/enbuild
11. Fortino, G.A., Guerrieri, A., O'Hare, G.M.P., Ruzzelli, A. A flexible building management framework based on wireless sensor and aktuator networks // Journal of Network and Computer Applications. - 2012. - No. 35. - P. 1934-1952. - Available at : elsevier.com/locate/enbuild. Date of access: 06.04.2013.
12. Marinakis, V., Doukas, H., Karakosta, C., Psarras, J. An integrated system for buildings’ energy-efficient automation: Application in the tertiary sector // Applied Energy. - 2013. - No. 101. -P. 6-14. - Available at : www.elsevier.com/locate/apenergy. Date of access: 06.04.2013.
13. Figueiredo, J., Martins, J. Energy Production System Management - Renewable energy power supply integration with Building Automation System // Energy Conversion and Management. - 2010. - No. 51. - P. 1120-1126. - Available at : www.elsevier.com/locate/enconman. Date of access: 13.04.2013.
14. Tyagi, V.V., Buddhi, D., Kothari, R., Tyagi, S.K. Phase change material (PCM) based thermal management system for cool energy storage application in building: An experimental study // Energy and Buildings. - 2012. - No. 51. - P. 248-254. - Available at : www.elsevier.com/locate/enbuild. Date of access: 13.04.2013.
15. Patlitzianas, K.D., Iatropoulos, K., Psarras, J. Intelligent building energy management system using rule sets //Building and Environment. - 2007. - No. 42. - P. 3562-3569. - Available at : www.elsevier.com/locate/buildenv. Date of access: 14.04.2013
