ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ В ОБЩЕСТВЕННО-АДМИНИСТРАТИВНЫХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЯХ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 62

Ф.А. Исупов

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ В ОБЩЕСТВЕННО-АДМИНИСТРАТИВНЫХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЯХ

Описывается система оптимизации температурных режимов общественно-административных и производственных зданий при помощи интеллектуальных систем. Анализируются особенности процесса теплоснабжения и регулирования температурного режима. Предлагается внедрение системы управления «умный дом» для оптимизации температурных режимов зданий. Обоснована необходимость использования системы управления «умный дом».

Ключевые слова: системы автоматизации зданий, интеллектуальные системы управления, системы управления «умный дом», интегрированные интеллектуальные системы, температурный режим здания, тепловой режим здания, Smart-технологии, умный дом, энергосбережение.

Введение. В настоящее время в условиях роста цен на электроэнергию следует особое внимание уделить управлению температурных режимов в зданиях с целью оптимального расхода ресурсов. Большинство существующих систем отопления общественных и промышленных зданий не управляются, что означает то, что нагревательные приборы в течение длительного времени имеют завышенную мощность, и это в дальнейшем приводит к перегреву воздуха в здании, тем самым снижается тепловой комфорт. В этом заключается значимость и актуальность исследуемой темы. Современные системы отопления нуждаются не просто в управлении, а требуют оптимального управления процессом расходования теплоты.

Разработка системы «Умный дом» значительно стимулирует развитие в интеллектуальной строительной индустрии. Правильно спроектированная система «Умный дом» в автоматическом режиме контролирует работу различных инженерных подсистем здания, в том числе и температурный режим. Ее использование повышает комфорт для потребителя и также снижает перерасход тепловой энергии.

Целью данной статьи является оптимизация температурных режимов общественно -административных и производственных зданий при помощи системы «умный дом».

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выявить необходимость оптимизация температурных режимов зданий,

- рассмотреть существующие системы автоматического управления температурным (тепловым) режимом зданий;

- определить их преимущества

Объект исследования - температурный режим зданий.

Предметом исследования - система «Умный дом» в качестве управления тепловым режимом здания.

Научная новизна результатов работы заключается в разработанном оптимальном управлении тепловой системой при помощи системы «Умный дом».

Основная часть. Большую часть своего рабочего времени люди проводят в административных и производственных зданиях, защищающих их от неблагоприятных климатических воздействий. Естественным или искусственным путем в помещении поддерживается определённый температурный режим. Взаимодействие человека и окружающего его микроклимата оказывает влияние на его здоровье, настроение и трудоспособность. Поэтому создание и поддержка определенного температурного (теплового) режима является важной задачей.

В настоящее время управление расходом теплоты на отопление здания приобрела особую значимость. Современные системы отопления нуждаются не просто в управлении, а требуют оптимального управления процессом расходования теплоты. Поэтому актуальными являются исследования в области оптимального управления тепловым режимом здания.

Температурный режим здания - совокупность всех факторов и процессов, которые определяют тепловую обстановку в помещениях. Он характеризуется температурой помещения, равной среднему значению между температурой внутреннего воздуха и радиационной температурой.

© Исупов Ф.А., 2016.

В административных и производственных зданиях температурный режим является основным фактором, оказывающим влияние на самочувствие людей и на технологический процесс. С другой стороны температурные условия и показатели воздушной среды (регулируемые параметры) закрытых помещений определяются функциональным назначением помещений, возможностями отопительно-вентиляционных и теплоснабжающих систем.

Оптимальным параметром помещений являются такие условия окружающей среды, которые обеспечивают наилучшее самочувствие и работоспособность человека. Установка и выбор в отапливаемых помещениях оптимальных, допустимых или необходимых метеопараметров находятся в зависимости от многих факторов. Оптимальные значения обеспечивают наилучшие условия в помещениях.

Стоит отметить, что оптимальные и допустимые значения параметров административных и производственных зданий не постоянны в течение суток. Так, в периоды отсутствия людей в помещениях следует устанавливать пониженные значения температур; что благотворно влияет на самочувствие человека и осуществляется за счет программного снижения температуры внутреннего воздуха на определенное время.

Особую область задач управления микроклиматом помещений составляют аварийные режимы, связанные с отоплением зданий при дефиците топлива, нарушениях подачи теплоносителя, и- др. в этих случаях метеопараметры или их сочетания могут изменяться в значительных пределах. Тепловые условия в помещении зависят в основном от температуры, воздуха и окружающих поверхностей, т.е. определяются, его температурной обстановкой. Температурная обстановка в помещении может быть определена двумя условиями температурного комфорта.

В настоящее время, при центральном регулировании теплоснабжения используются закономерности, полученные для стационарного теплового режима зданий. При этом полагается, что текущие теп-лопотери помещений при данной температуре наружного воздуха полностью компенсируются подачей теплоты от источника. В то же время реальные тепловые режимы здания являются нестационарными. На практике изменение отпуска теплоты осуществляется, как правило, с соблюдением лишь суточного баланса, при этом возможно, что в отдельные периоды суток фактическая подача теплоты на отопление не будет равна тепловым потерям здания. Результатом является то, что амплитуды колебаний температуры внутреннего воздуха выходят за пределы санитарно-гигиенических норм (±1,5С), причем эти колебания являются случайными и неупорядоченными [1].

Таким образом, важной проблемой на сегодняшний день является управление тепловым режимом зданий, которое сводится к поддержанию его на заданном уровне или изменению в соответствии с требуемым законом. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы тепловой режим был обеспечен с минимальными затратами энергии и ресурсов.

Современные требования к проектированию систем отопления направлены на повышение эффективности их функционирования, обязательную разработку и внедрение систем автоматического управления ими с привлечением для решения задач идентификации и управления новейших результатов теоретических и прикладных исследований. Однако до сих пор не разработаны эффективные способы, экономии тепловой энергии, затрачиваемой на отопление зданий, в частности, в нерабочее время.

В связи с этим, чтобы обеспечить оптимальный и экономичный температурный режим здания необходимо его настроить на «реальный процесс» с последующей разработкой оптимальных алгоритмов управления микроклиматом зданий. Следует учесть температуру на улице и целесообразность обогрева конкретного помещения в конкретное время, согласовать работу различных отопительных приборов. При этом очень желательно расходовать энергоресурсы экономно. Такие задачи легко решает система автоматизации отопления при помощи «умного дома» в интеллектуальном здании. Под «интеллектуальным зданием» подразумевается информационно-управляющий комплекс для обеспечения мониторинга и оперативного управления всеми слаботочными и инженерными системами здания. Тенденции современного строительного рынка позволяют говорить о том, что проекты по созданию этого комплекса будут вызывать все более и более активный интерес крупных инвесторов, разработчиков, представителей власти, риэлторов, проектировщиков, строителей [7].

Каждый элемент интеллектуального здания является интеллектуальным элементом, то есть при его проектировании использована методология, которая направляет этот элемент к выбору оптимального решения эксплуатации с учетом влияния других элементов на него и его влияния на другие элементы. Следствием этого является возможность создания интеллектуальных элементов интеллектуального здания по разным направлениям, а затем их объединения на основе системного анализа [6].

Одним из компонентов интеллектуального здания является управление системами отопления вентиляции и кондиционирования воздух. Мировая практика, включая российскую, накопила значительный опыт проектирования систем «умного дома» как элемента интеллектуального здания. Эти системы играют важную роль в энергосбережении и в среднем составляют 10% от общего объема инвестиций в строи-

тельные проекты. Система «Умный дом» отражает последние достижения в области интеллектуального проектирования и строительства, в т.ч. энергосбережение зданий, электронное оснащения современного производственного пространства и демонстрирует новые профессиональные решения для более комфортного, безопасного и экономичного нахождения в помещении, что, в конечном итоге, стимулирует развитие интеллектуальной строительной индустрии и модернизацию промышленного строительства.

«Интеллектуальное здание» - это концепция здания, в котором все системы безопасности и жизнеобеспечения интегрированы, а их мониторинг и администрирование производятся с единой панели управления [4]. Такая глубокая интеграция позволяет реализовать сценарии межсистемного взаимодействия - например, подготовка системы отопления здания к началу рабочего дня, управление мощностью работы вентиляционной установки в зависимости от температуры, количества людей в помещении и качества воздуха, автоматический переход в энергосберегающий режим при отсутствии в здании людей и др. Система в большинстве случаев управляет различным оборудованием в автоматическом режиме. Система "Умного дома" может управлять инверторной сплит системой или кондиционерами, а также любым другим оборудованием полностью в автоматическом режиме. Например, система может поддерживать нужный температурный режим в складских помещениях. Качественный проект является залогом того, что ресурсы здания будут расходоваться оптимально.

Оснащение здания системами автоматизации сегодня является безусловным средством повышения его привлекательности для различных групп (владельцев, арендаторов, инвесторов и т.д.), улучшения потребительских свойств и, следовательно, повышения коммерческой привлекательности объекта

[5].

Рассмотрим подробнее преимущества автоматизированного отопления.

1. Комфорт. Температура в каждом помещении и в каждый момент времени будет именно такой, как нужно. К примеру, ночью при отсутствии людей в помещении можно поддерживать воздух более прохладным, днем - нагревать сильнее. Интенсивность обогрева может автоматически меняться в зависимости от погоды.

2. Экономия времени и простота использования. Систему достаточно однажды настроить, и она автоматически будет регулировать интенсивность отопления. Для особого режима обогрева, активация проходит одним нажатием кнопки.

3. Безопасность. Система позволяет следить за работой каждого прибора и узла. При появлении сбоев неисправное оборудование будет отключено, и будет отправлено сообщение о происшествии на телефон или компьютер. Также система согласует работу конвекторов, радиаторов и теплых полов для получения нужной температуры воздуха, еще возможно согласование с функционированием кондиционеров.

4. Неограниченные возможности контроля. Система позволит удаленно (с компьютера, телефона) или централизованно (с единой панели управления) контролировать работу всего отопительного оборудования.

5. Сокращение затрат на отопление до 30-40 %. Система автоматизации умеет управлять отопительными приборами так, чтобы они не обогревали здания, когда в них никого нет. Также выгодно поддерживать более низкую температуру в малоиспользуемых помещениях, например коридорах, кладовых и т.д. [2].

Конечно, есть и другие аспекты, позволяющие говорить о выгоде от внедрения интеллектуальных систем. Тем не менее, только три главных преимущества - разумное использование энергоресурсов, прогнозирование и оптимизация расходов на ремонт, эффективное использование трудовых ресурсов - позволяют сократить стоимость владения зданием практически вдвое.

Рассмотрим только прямые экономические выгоды комплексной автоматизации на примере среднего офисного здания. Посчитаем расходы, необходимые для содержания здания в течение его жизненного цикла, от проектирования до утилизации (в среднем около 40 лет). Интересно, что стоимость строительства и проектирования здания составляет лишь 11% от всех затрат. Оставшиеся 89% - это расходы по эксплуатации, а именно:

- платежи за энергоресурсы - 14%;

- затраты на ремонт и модернизацию оборудования - 25%;

- оплата труда инженеров службы эксплуатации - 50% [11].

Установив систему комплексной автоматизации, можно добиться существенного сокращения эксплуатационных расходов:

- за счет внедрения энергосберегающих алгоритмов работы оборудования, автоматической оптимизации режимов, программирования работы по расписанию и других мер можно на 20-30% снизить платежи за энергоресурсы;

- контролируя в автоматическом режиме параметры сложного инженерного оборудования, можно заранее планировать профилактические работы, предупреждая аварийные остановки оборудования и дорогостоящие ремонты. Среднее снижение затрат по этой статье составит 40-60%;

- для управления такой системой требуется меньшее количество сотрудников службы эксплуатации (например, для управления инженерным оборудованием при эксплуатации бизнес-центра площадью 40 тыс. м2 достаточно одного диспетчера вместо бригады сантехников, электриков и т.д., при этом сокращение затрат может составить более 60%) [10].

Сокращение стоимости владения зданием может достигать 40-60%.

Система автоматизации лишь незначительно увеличивает общую смету на строительство и в большинстве случаев окупается уже через 2-3 года.

При этом она и дальше продолжает экономить значительную часть расходов на эксплуатацию здания. Таким образом, применяя комплексную систему автоматизации, можно сократить совокупную стоимость владения зданием практически наполовину.

Говоря о преимуществах внедрения систем автоматизации, рассмотрим в качестве примера оснащение этими системами современного административного здания. Возьмем типовую систему интеллектуального управления. Надежное выполнение указанных задач может быть реализовано только в том случае, если от всех систем здания информация поступает в единый управляющий центр, а этот управляющий центр, в свою очередь, осуществляет комплексное управление всеми системами на основе получаемой информации.

Современные административные и производственные здания имеют офисные секции, рабочие и подсобные складские помещения, лекционные аудитории, кабинеты и служебные помещения. Дополнительно в состав здания может входить помещение пищеблока и др. Системы всех этих помещений и блоков требуют эффективного управления, для осуществления которого необходимо, чтобы системы имели возможность интеграции между собой на программно-аппаратном уровне.

Возможности установки системы «умный дом» обширны. Автоматизированное управление обогревом можно установить на любом объекте - как в жилых, так и нежилых помещениях. При этом можно автоматизировать любые отопительные системы: радиаторные, конвекторные, электрические и водяные теплые полы, теплые стены и т.д. Автоматизировать работу отопительной системы имеется возможность уже после ее монтажа. Многие модели современного оборудования оснащены необходимыми контроллерами, другие допускают их подключение. Имеется возможность установить управление на разных уровнях - от отдельных приборов или групп приборов до интеграции всего отопления в общую систему автоматизации здания.

Рассмотрим методологию применения системы:

1. Основа разработки интеллектуального элемента системы отопления производственных зданий -структурно-информационная схема, объединяющая объекты управления, датчики, устройства управления, в том числе вычислительные и другие, управляющая вычислительна машина, исполнительные и регулирующие устройства, устанавливающие необходимые информационные связи между ними.

2. При проектировании интеллектуального элемента следует исходить из общих требований автоматизированных систем управления технологическими процессами к точности и скорости выполнения операций ввода с объекта управления измерительной информации, к структуре устройств связи управляющей вычислительной машины с объектом управления, к параметрам аппаратуры нормализации, коммутации, передачи и преобразования сигналов, к методам борьбы с помехами, к алгоритмам и программам процедур передачи и преобразования информации.

3. Для управления тепловым режимом производственного здания наиболее целесообразной является структура управления, отдельные параметры которой регулируются соответствующими автоматическими устройствами, а управляющая машина, обрабатывает измерительную информацию, далее рассчитывает и оптимизирует установки. Такая структура управления обеспечивает достаточную надежность системы в целом, т.к. работоспособность системы сохраняется и при отказах управляющей вычислительной машины.

4. Измеряемыми нерегулируемыми параметрами окружающей среды являются температура и влажность наружного воздуха, скорость и направление ветра, атмосферное давление, солнечная радиация, температура и давление воды в подающем трубопроводе тепловой сети, температура и давление пара в тепловой сети.

5. Измеряемыми выходными параметрами, которые характеризуют тепловой режим, служат температура воздуха, относительная влажность воздуха, скорость движения воздуха в рабочих зонах, СО2 и др.

6. Измеряемые выходные параметры, по которым непосредственно или расчетом можно определить эффективность управления: температура и давление воды в обратных трубопроводах, расход теплофикационной воды, холодной воды и пара, расход электроэнергии.

7. Регулируемые параметры, измеряемые соответствующими исполнительными механизмами: температура приточного воздуха, температура горячей воды после подмешивающих насосов, количество приточного воздуха.

8. Для помещений, в которых могут выделяться аварийные количества взрывоопасных газов и паров, образующих взрывоопасные смеси, должны устанавливаться газоанализаторы, сблокированные с устройствами световой сигнализации, оповещающей о наличии в воздухе помещения концентрации вещества, достигающей 20% нижнего предела взрываемости, или автоматические газоанализаторы, сблокированные с устройством для пуска систем, используемых для аварийной вентиляции при наличии такой концентрации.

9. Программное обеспечение системы должно состоять из операционной системы ЭВМ, предусматривающей возможность работы в реальном времени, в диалоговом режиме, и программного пакета системы. Программами системы должна быть обеспечена также возможность их трансляции, редактирования, компоновки и отладки. В операционную систему включаются средства, связанные со службой времени, т. е. ожидание заданного момента времени для запуска процесса и управление работой устройств связи с объектом, а также средства работы с файлами, хранящимися во внешней памяти ЭВМ.

10. Программный пакет должен быть представлен в виде отдельных взаимосвязанных подпрограмм. Большие подпрограммы следует сегментировать с целью вмещения их в заданный объем оперативной памяти ЭВМ.

11. Программный пакет предназначен для управления работой всей системы. Он делится на оптимизирующие программы, основные рабочие программы и вспомогательные программы обслуживания системы [3].

От теории перейдем к практике и рассмотрим насколько развиты автоматические системы управления и другие инновационные технологии в Тюмени. Могут ли тюменские компании предоставить клиентам качественные услуги в этой области, и востребованы ли они?

В настоящее время в Тюмени действует несколько отечественных компаний, разрабатывающих автоматические системы управления для умного дома и офиса, которые не требуют присутствия человека. Наиболее востребованы автоматические системы электричества и вентиляции.

В регионе наблюдается острая конкуренция между отечественными предпринимателями, предлагающими «умные» разработки для бизнеса, и их зарубежными коллегами. При этом тюменские компании могут как дописать программное обеспечение к зарубежному оборудованию, так и предложить отечественный, гораздо менее дорогой, аналог.

Эксперты подтверждают, что специфика тюменского региона состоит в том, что большинство используемых «умных» технологий направлены на сбережение тепла и энергии.

К тому же многие системы smart-управления не используются потребителем в быту, а применяются исключительно на производстве. «Мы работаем над тем, чтобы максимально исключить человеческий фактор из контроля над сложными системами управления: это ведет к удешевлению процесса производства и предотвращению многих форс-мажорных ситуаций, которые человек может допустить по невнимательности», - говорит генеральный директор компании «Интеллектуальные системы» Владислав Волгин [8].

Финансовая составляющая - один из решающих факторов при переходе на новые технологии. Несмотря на то, что инновационные системы призваны экономить в будущем, сама их установка существенно бьет по бюджету компании. Но, как заверил директор ООО «Смарт Системз» Игорь Вихлянский, сэкономить можно и без больших первоначальных затрат. Так, к примеру, один из самых простых способов экономии электричества с помощью «умного дома» - датчики присутствия [9].

«Возможность снизить плату за энергопотребление кроется в четком планировании. А спланировать и спрогнозировать что-либо без аудита сложно», - считает директор по экономике ОАО «Тюмень-энергосбыт» Елена Бабкина. Сейчас компания готова предоставлять услуги по энергоаудиту под отдельные проекты: солидный опыт «Тюменьэнергосбытом» в этой сфере уже накоплен.

Продолжая тему стоимости установки «умного дома», директор тюменского регионального отделения Уральского филиала ОАО «МегаФон» Дмитрий Мелихов подчеркнул, что «Мегафон» на новых технологиях не экономит, однако все равно остается с выгодой. «Мегафону» автоматизированные системы управления позволяют не раздувать штат сотрудников, а значит, экономить на заработной плате. «У нас около 500 сетевых объектов. Каждый объект потребляет около двух тысяч киловатт электроэнергии в месяц. Чтобы собрать со всех этих объектов информацию, нужно как минимум десять энергетиков. Но

мы на каждый сетевой узел поставили приборы учета, и при помощи GSM-связи все эти данные стекаются на единый сервер. Такая система позволяет содержать двух энергетиков вместо десяти.

На основании изученных данных можно сделать следующие выводы:

Если подходить обобщенно, то интеллектуальным является то здание, все системы которого объединены в единую систему, призванную обеспечить следующие функции:

- мониторинг;

- управление;

- оперативное реагирование.

Оптимизация температурных режимов общественно -административных и производственных зданий с учетом применения «умного дома» достигается за счет:

- энергосбережения;

- обеспечения безопасности пользователей;

- обеспечения комфорта пользователей;

- экономии средств за счет устранения избыточных связей в инфраструктуре;

- сокращении стоимости эксплуатации всего оборудования;

- упрощении и удешевлении процесса обучения персонала, отвечающего за управление отоплением;

- продления безаварийного срока эксплуатации объекта.

- снижении количества специалистов, задействованных в управлении, т.к. становится возможным осуществлять управление всеми системами с одной рабочей станции.

Библиографический список

1.Анцев И.Г. Системы управления интеллектуальными зданиями: от умных зданий к умным городам // Российский Стратегический Симпозиум по Высоким Технологиям. 2016.

2.Варфоломеев Ю.М., Кокорин О.Я. Отопление и тепловые сети: учебник для студентов средних специальных учебных заведений. Изд. испр. М.: Инфра-М, 2010. 80 с.

3.Панферов В.И., Анисимова Е.Ю. Управление тепловым режимом здания // Тез. докл. 64-й науч.-техн. конф. Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2007. С. 105-106.

4.Посохин, В. Н. Интеллектуальные здания. М.: АВОК, 2008. 232 с.

5.Сопер М.Э. Практические советы и решения по созданию "Умного дома". М.: НТ Пресс, 2007. 432 с.

6.Строй А.Ф. Управление тепловым режимом зданий и сооружений. Киев: Высш. Школа, 1993. 155 с.

7.Квадратный метр: Интеллектуальные здания: игры с разумом // Группа компаний СУ-155. URL: http://www.su155.ru/company_group/press_center/smi/news_00008/ (дата обращения: 01.07.2016).

8.Новые технологии в теплоснабжении и строительстве: сборник работ аспирантов и студентов - сотрудников научно-исследовательской лаборатории «Телоэнергетические системы и установки». Выпуск 11. Ульяновск: УлГТУ, 2013. 395 с.

9.Перспективы бизнеса "Интеллектуальное здание/Умный дом" // Информационная система по строительству "НОУ-ХАУС.ру" URL: http://www.know-house.ru/avtor/smart_house.html (дата обращения: 01.07.2016).

10. Роль системы «интеллектуального здания» в обустройстве современных зданий и сооружений. URL: http://www.arendator.ru/artides/133469-rol_sistemy_laquointellektualnogo_zdaniyaraquo_v_obustrojstve_sovremennyh_ zdanij_i_sooruzhenij/ (дата обращения: 01.07.2016).

11. Система умный дом - преимущества беспроводных систем. URL: http://asupro.com/building/technology/smart-home-sys-benefits-wireless-systems.html (дата обращения: 01.07.2016).

ИСУПОВ ФИЛИПП АНДРЕЕВИЧ - студент, Тюменский индустриальный университет, Россия.