системы автоматизации зданий

Системы автоматики зданий: Энергоэффективность зданий и Smart Metering

Современные системы автоматики зданий, прежде всего обеспечивают комфорт и безопасность эксплуатации, приспосабливая работу устройств и подсистем к требованиям потребителей или тех, кто занимается эксплуатацией. Также они реализуют контроль доступа с разными уровнями приоритета, осуществляют мониторинг параметров работы оборудования, мониторинг и запись событий, взаимодействуют с системами охранной и пожарной сигнализации и т. д.

На больших объектах (коммерческого и общественного назначения) эти задачи все чаще решаются с помощью единой интегральной системы управления зданием — BMS (Business Management System), доступ к которой для уполномоченных работников обеспечивается через Интернет. Такие решения в системах автоматики зданий используются на протяжении многих лет. Совершенствуются их функции, благодаря чему системы становятся более надежными, а потребители используют их со все большим доверием, часто фактически не задумываясь о сути высоких технологий так называемых «умных домов».

В последнее время все больше внимания уделяется не только удобству использования и безопасности, но и энергоэффективности, оптимизации затрат на эксплуатацию, возможности использования в зданиях альтернативных источников электроэнергии и тепла и т. д. К действиям в этом направлении обязывают принимаемые в различных законодательных органах директивы и распоряжения, направленные на достижение к 2020 году:

  • сокращения в Европейском Союзе выбросов парниковых газов на 20 % по сравнению с выбросами в 1990 году;
  • достижение среднего уровня 20 % получения энергии из возобновляемых источников (в Польше планируется до 15 %);
  • сокращение на 20 % общего потребления энергии за счет проведения мероприятий, направленных на повышение эффективности использования энергии потребителями.

Немаловажным представляется вопрос необходимости исследования энергопотребляемости как новых, так и ремонтируемых зданий (энергоэффективность), для которых по новым правилам должен выдаться энергетический сертификат. Соответствующие правила, касающиеся этих требований, изложены в так называемой директиве EPBD — 2002/91/EC. Оказалось, что здания являются одним из крупнейших потребителей электрической и тепловой энергии, поэтому большие усилия направляются на улучшение их энергетической эффективности, на оптимизацию потребление энергии и средств, при одновременном сохранении комфорта и безопасности использования.

 

Эффективность использования энергии в зданиях

Оптимизацию и рационализацию использования различных видов энергии при эксплуатации зданий можно рассматривать в двух аспектах:

  • аспект строительных и конструкторских технологий, а также правильной организации проектных работ с применением межотраслевых консультаций;
  • аспект доступности магистральных и сетевых систем автоматики зданий, обеспечивающих интеграцию функционирования разных устройств и подсистем инфраструктуры зданий.
Установка потолка системы охлаждения при строительстве энергосберегающих систем отопления в Euro-Centrum в Катовицах

Рис. 1. Установка потолка системы охлаждения при строительстве энергосберегающих систем отопления в Euro-Centrum в Катовицах

Первый из них затрагивает очень существенную проблему добротной подготовки проекта нового здания либо разработки ремонтной документации для него таким образом, чтобы строительные работы, работы по обустройству и монтажу проводились оптимально с использованием новейших технологий и с учетом мнений всех сторон, участвующих в таких предприятиях.

 

При правильной организации этапа проектирования и выполнения участники работ не будут мешать друг другу, и, что не менее важно, при выполнении работ одними будут приниматься во внимание замечания, предложения и потребности других (к примеру, в ходе строительных работ предусматриваются места для электромонтажа и монтажа телефонных линий, а также для систем управления и мониторинга и т. д.). В настоящее время в конструкциях зданий применяется много современных строительных и изоляционных материалов, а также инновационные решения в области отопления (рис. 1), вентиляции, систем кондиционирования воздуха, которые способствуют улучшению комфорта и энергоэффективности таких объектов.

Рядом с некоторыми зданиями иногда устанавливаются тепловые насосы, подключаемые к геотермальным источникам для снабжения тепловых систем зданий природным теплом. Часто в объектах нового строительства применяются фотоэлектрические панели и солнечные коллекторы, вырабатывающие электроэнергию и обеспечивающие нагревание воды.

В дополнение к использованию конкретных технологических решений для снижения воздействия потребления энергии в здании  используются архитектурные решения. К примеру, в офисных и коммерческих зданиях возможно применение концепции центрального остекления крыши здания над внутренним атриумом витыми соединительными тягами между помещениями, в которых благодаря этому не нужно дополнительное искусственное освещение в дневное время.

Немаловажное значение имеет также модернизация инфраструктуры зданий на старых объектах, где зачастую на протяжении десятилетия и более непрерывно работает оборудование и системы вентиляции и кондиционирования воздуха. Как правило, помимо низкой энергоэффективности, они не отвечают многим действующим сегодня жестким нормам и правилам, касающихся эффективности использования энергии, уровня шума, концентрация углекислого газа в помещениях, уровня освещенности рабочих мест и путей передвижения, противопожарной охраны, безаварийности и т. д. Второй, ранее упомянутый аспект, связанный с улучшением энергетической эффективности  зданий, — это применение комплексных и распределенных систем  управления и мониторинга  инфраструктуры зданий, представляющих собой систему управления зданием  BMS, часто поминаемый, когда говорится об «умных домах». Большинство строящихся сейчас зданий общественного назначения, бизнесцентров и торговых площадей оснащается разнообразными системами такого типа.

Основной философией функционирования таких систем является общий интерфейс обмена цифровой информацией между так называемыми сетевыми узлами, как правило представляющими собой небольшие системы управления, построенные на микроконтроллерах с управляющими программами. Эти модули управления могут быть расположены в непосредственной близости от поддерживаемых устройств (таких, как жалюзи, сенсорные панели и выключатели, светильники, кондиционеры, клапаны, нагревателей и отопительных систем, модулей контроля доступа и т.д.), обеспечивая их функционирование и мониторинг рабочих параметров.  В некоторых случаях, могут также взаимодействовать с классическими устройствами, управляемыми устройствами вводавывода, цифровыми, импульсными и даже аналоговыми, благодаря чему необходима их комплексная замена на старых объектах.

Уже упомянутый интерфейс обмена цифровой информацией обеспечивает возможность обмена информацией между сетевыми узлами и мастер-системой, которая управляет и ведет мониторинг. Конфигурирование связей происходит в процессе интеграции и может быть изменено в процессе эксплуатации системы без проведения дополнительных работ. Таким образом,  возникает распределенная система  управления инфраструктурой здания. На рынке доступны лишь три  международных стандарта магистральных систем автоматики предназначенных для применения в автоматике зданий (см. таблицу 1).

международные стандарты автоматизаци зданий

В основном это открытые стандарты, устройства с интерфейсами этих стандартов сейчас предлагаются разными производителями. Благодаря стандартизации протоколов коммуникации и программных платформ, необходимых для функциональной интеграции строящиеся системы  автоматики и мониторинга можно легко расширять и перепрограммировать, обеспечивая высокую степень гибкости и  приспосабливая их к требованиям потребителей (это важно в зданиях, сдаваемых в аренду), а также  обеспечивая свободу функциональной организации.  Интеграция, о которой говорилось ранее или взаимоувязывание функций разных устройств  или целых подсистем в зданиях использовалась и продолжает использоваться для повышения уровня комфорта пользователей зданий.

Одновременно со все более широким применением альтернативных и возобновляемых источников энергии и ростом интереса к вопросам повышения энергоэффективности как зданий, так и отдельных работающих в них устройств, открылись новые области применения автоматики зданий.
Особенно существенным представляется здесь возможность интеграции на уровне непосредственной коммуникации между узлами сети и управляющими устройствами. Обязательным является расширение знаний о инновационных решениях в сообществе проектировщиков, исполнителей и потребителей, а также исследования и оценка результата их применения.  Поскольку лишь успешное сотрудничество этих субъектов начиная с первого этапа проектирования новых либо модернизации старых зданий обеспечивает оптимальное использование всех доступных функций, возрастание безопасности людей и техники, а также повышение энергоэффективности и удобство потребителей.

 

Smart metering – чтобы оптимизировать, сначала нужно измерить

Вопрос повышения энергоэффективности, внедрение альтернативных и возобновляемых источников энергии — это относительно новая тема, затронутая лишь несколько лет тому назад. Ранее учет потребления электроэнергии, тепла и других ресурсов велся в первую очередь для расчета с поставщиками, либо для записи данных периодического контроля  и вскоре по истечению расчетного периода  эти данные не уничтожали.  Простейшей базы данных предназначенные для фиксации параметров этого типа, проведения анализа по многим критериям данных о энергопотреблении  в зависимости от технических параметров установленного оборудования, использованных при строительстве технологий, возможности интеграции между различными подсистемами ранее встречались крайне редко.

Схема сетевого подключения счетчиков в здании B-1 AGH

Рис. 2. Схема сетевого подключения счетчиков в здании B-1 AGH

Принимая во внимание доступность передовых измерительных технологий и возможности передачи данных, усилия, направленные в дальнейшей перспективе на повышение и оптимизацию параметров энергоэффективности зданий должны, прежде всего, сосредоточиться на разработке передовых методологий измерений и принципах организации мультиизмерительных систем зданий, особенно общественного назначения.
Сейчас на рынке появились счетчики потребления электроэнергии и тепла, а также других ресурсов, анализаторы параметров энергоснабжения, оборудованные не только микроконтроллерами с собственными прикладными программами и передовыми функциями, но также и с разнообразными интерфейсами цифровой коммуникации соответствующие стандартам автоматизации зданий. Эти счетчики могут стать узлами управления и контроля в зданиях, они могут быть интегрированы во все более популярные системы BMS, работая с базами данных и серверами, оснащенными инструментами для анализа, прогнозирования, формирования тенденций и оповещения. А самое главное — их обслуживание происходит дистанционно.

 

Таким образом, компании и отрасли научных объединений, занимающиеся «умными домами», принимают активное участие в исследованиях и практической работе с целью проверки возможностей этих систем в качестве инструмента для непосредственного обслуживания удаленных счетчиков электроэнергии и других ресурсов, их интеграции с другим функционалом здания. Коллектив кафедры автоматического управления и промышленной приводной техники Краковской Горно-металлургической академии начал в мае 2010 года реализацию проекта под названием «Оптимизация энергопотребления в зданиях», финансируемого Национальным центром научных исследований и развития (NCBiR). В проекте участвует также Силезский политехнический институт  (изучение потребления тепловой энергии) и Катовицкий Технопарк Евро-Центр. Целью всей исследовательской задачи является разработка руководящих принципов для проектирования и эксплуатации зданий, направленных на минимизацию потребления электроэнергии и тепла техническими сооружениями зданий, базирующихся на локализации (идентификации) мест наибольшего потребления энергии и определении методов сокращения ее потребления. Исследования проводятся в двух ключевых областях — электрическая и тепловая энергия. Коллектив краковской Горно-Металлургической Академии работает в первой из них.

Счетчики, установленные в корпусе B-1 AGH, секция 1

Рис. 3. Счетчики, установленные в корпусе B-1 AGH, секция 1

 

В рамках этой работы уже проделаны комплексные измерения в трех зданиях — одно в кампусе краковской Горно-металлургической академии и два на территории офисно-комерческого комплекса (помещения, предназначенные для сдачи в аренду), находящиеся в распоряжении Технопарка Евро-Центр. Одно из них (здание № 7, Евро-Центр) построено как энергосберегающее здание, с применением новейших строительных и телекоммуникационных технологий. Система измерения и сбора данных была построена на основе сетевой инфраструктуры магистральной системы автоматики здания стандарта ISO/IEC 14908 (стандарт LonWorks). Он был запущен весной 2011 года и данные измерений собираются дистанционно в базу данных на серверах, расположенных в краковской Горно-металлургической академии.

 

На территории академии в свою очередь произведены измерения в здании факультета электротехники, информатики и электроники (строение B-1), в котором выделено две секции электроснабжения для левого и правого крыла здания. Монтаж электроснабжения разделен на две стороны – левую и правую на каждом этаже. В здании пять этажей: так называемый низкий, первый этаж, уровень 0, уровень 1 и уровень 2. Таким образом, всего установлено десять счетчиков, по одному на каждом этаже, по отдельности на правой и левой сторонах здания. Схематически это отображено на рисунке 2, который показывает соединение счетчиков сети стандарта LonWorks, в окне интеграционного пакета LonMake.

Схема счетчиков сетевого подключения в здании №7 Технопарка «Евро-Центр»

Рис. 4. Схема счетчиков сетевого подключения в здании №7 Технопарка «Евро-Центр»

 

Все установленные здесь счетчики снабжены интерфейсом связи LON, поэтому все они, являясь сетевыми узлами, направляют данные измерений непосредственно в так называемом формате сетевых переменных LonWorks, которые в свою очередь преобразуются в данные протокола IP для нужд хост системы. Это дает возможность дистанционного снятия показаний энергопотребления и избранных параметров питающей сети практически из любой точки доступа к Интернету. На рис. 3 представлено фото счетчиков, установленных в здании Горно-металлургической академии.

 

В свою очередь, в Технопарке «Евро-Центр» в Катовицах произведены замеры в двух зданиях №№ 6 и 7. Однако из-за текущих работ, связанных с развитием инфраструктуры сетей, корпус № 6 пока не может быть подключен к внешней сети, и поэтому не представляется возможным дистанционное считывание показаний счетчиков, расположенных в этом здании.

Некоторые счетчики, установленные в здании №7 Технопарка «Евро-Центр»

Рис. 5. Некоторые счетчики, установленные в здании №7 Технопарка «Евро-Центр»

В корпусе № 7, построенном в соответствии со стандартами энергосберегающих зданий, произведены тщательные измерения с помощью счетчиков, размещенных на каждом этаже: нулевого, первого и второго уровней. Отдельно также произвели измерения систем лифтов, инфраструктуры систем отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC), административных систем (например, воздушные завесы, освещение, жалюзи). Помимо этого были установлены счетчики для силовых цепей энергообеспечения, освещения и компьютерных розеток у каждого арендатора помещения в корпусе № 7, за исключением отдельных контуров (освещение и компьютерные розетки), установлены счетчики с импульсными выходами, связанные с центром интерфейсом LonWorks. На рисунке 4 представлена структура сетевых соединений LonWorks счетчиков и концентраторов в здании № 7, а на рис. 5 – фото некоторых счетчиков, установленных в здании № 7 Технопарка «Евро-Центр».

 

 

Smart metering – прелюдия smart grid

Элементы системы дистанционного измерения Network Energy System (NES) фирмы Echelon – счетчики электроэнергии EM-1021 и концентраторы данных DC-1000/SL

Рис. 6. Элементы системы дистанционного измерения Network Energy System (NES) фирмы Echelon – счетчики электроэнергии EM-1021 и концентраторы данных DC-1000/SL

Представленный ранее проект является одним из серии подобных, реализованных в нашей стране. На реализацию пилотной установки не только интеллектуальных измерений (smart metering), но и местных интеллектуальных энергетических сетей (SmartGrid) решаются дистрибьюторы энергии и местные предприятия во многих регионах Польши. Стоит отметить, что во многих установках такого типа возникают стандарты коммуникации, известные в сетях автоматики зданий.

Одним из примеров может быть экспериментальная установка считывания показаний коммунальных счетчиков PGE Dystrybucja Zamo??, где реализован полный учет потребителей электрической энергии в деревне Тератин (89 потребителей, получающих энергию по кабельной линии, 17 однофазных счетчиков и 72 трехфазных), а также деревни Янки (95 потребителей, получающих энергию по кабельной линии, 34 однофазных счетчиков и 61 трехфазных). Это первая в Польше установка с применением системы фирмы Echelon Network Energy System (рис. 6), построенная подобно системе описанной ранее по стандарту распределенной сети ISO/IEC 14908-3, с использованием в качестве среды передачи линий передачи электроэнергии.

 

Другой пример — это проект «Интеллектуальный полуостров», целью которого является применение решений smart grid на Хельском полуострове. К проекту привлечены Группа Энерга, институт Энергетики в Гданьске и местные органы самоуправления.

— Наш проект, прежде всего, должен обеспечить потребителям постоянную поставку электроэнергии, особенно там, где происходят самые большие сезонные колебания, говорит Ириней Кулька, вице-председатель объединения Энергооборот. – Помимо этого можно ввести почасовой расчет с индивидуальными клиентами. Это значит, что в определенное время дня цена на электроэнергию будет ниже и в такой момент, может быть, стоит включить стиральную машину.

Хельский полуостров был выбран не случайно. Energa-Operator запустил здесь первую в Польше опытную систему дистанционного учета. Кроме того, здесь существует соответствующая техническая инфраструктура проекта, которая будет дополнительно модернизирована. Для этого региона также характерны большие различия в потреблении энергии (высокий уровень потребления в летнее время, и значительно более низкий зимой), что представляет собой дополнительную проблему для инженеров, энергетиков. Для внедренной системы будет характерна высокая надежность и гибкость при работе с клиентами, позволяющая пользователям оптимизировать расход энергии, менять тарифы и использовать новые альтернативные источники энергии, такие как фотоэлектрические панели, малые ветровые турбины и т. д. Особенно важно то, что при разработке проектов уже говорится о создании возможности взаимодействия с сетями smart grid и «умными домами».

Осенью 2010 года во Вроцлаве возник Консорциум Smart Power Grids – Польша, созданный при Вроцлавском Политехническом Институте с участием Управления по регулированию Энергетики и Управления Электронных Коммуникаций, а также Западного Банка WBK SA и Национального Фонда Окружающей среды и Водного Хозяйства. В декларации консорциума говорится, что целью его деятельности являются исследовательские проекты и их реализация в целях повышения энергетической безопасности страны и снижения социальных затрат на выработку и использование энергии. Члены консорциума также выражают надежду на то, что его возникновение заложит основу для создания в Польше соответствующей инфраструктуры, которая необходима для выполнения задач, научных исследований, разработок и внедрения интеллектуальных электросетей по всему миру.

Проектов и внедрений описанного нами ранее типа становится все больше, и это радует. Они способствуют развитию и ориентированию технологий и методологий, необходимых для реализации интеллектуальных измерительных систем и динамического управления энергопотреблением в зданиях и по всей энергетической системе, в которой, как уже говорилось в начале этой статьи, здания играют значительную роль. Идее «умных» домов, связанных с удобством их использования, уже пора перейти на новый уровень энергоэффективности. Современные распределенные системы управления обеспечивают не только интеграцию счетчиков и анализаторов потребления энергоресурсов, но и реализацию алгоритмов управления энергосбережением, согласовывая потребность в энергоснабжении и включение и отключение источников потребления и такие факторы, как присутствие потребителя, освещенность, внутреннюю и внешнюю температуру, время суток, доступность и производительность альтернативных источников энергии и т. д. Для применения таких систем, тем не менее, необходимо разработать новые принципы проектирования и реализации монтажа систем энергоснабжения, освещения и отопления, совместимых с местными системами автоматического управления, разработанными в согласии с ранее упомянутыми принципами.
В связи с этим в рамках прежде упомянутого проекта исследований, реализованного под руководством краковской Горно-Металлургической Академии, будет проведен соответствующий анализ возможности минимизировать потребление электроэнергии с применением новых технологий в области энергопотребляющего оборудования и использования функций распределенных систем управления, опирающихся на европейские и мировые стандарты. Еще одной областью анализа также будет определение мест потребления тепловой энергии в зданиях, с обращением особого внимания на локализацию мест теплопотерь. Конечным запланированным результатом будет предложение тем, кто проектирует здания, руководящих принципов проектирования, которые позволят обеспечить минимизацию потребления электрической и тепловой энергии в зданиях путем проектирования их технической инфраструктуры и подбор соответствующих строительных материалов. Другим результатом является предложение подобного собрания руководящих принципов, правил и инструкций по эксплуатации зданий для их пользователей (администраторов), который также позволит улучшить и повысить эффективность эксплуатации существующих зданий.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *