Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Автоматизация инженерных систем в жилом секторе

В рубрику "Директор по безопасности" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Автоматизация инженерных систем в жилом секторе

Как известно, ни одно современное здание не может существовать без инженерных систем, за счет них создается и поддерживается требуемый уровень комфорта. Для комфорта, помимо стен и крыши, нужно обеспечить должное количество воздуха (вентиляцию) и его качество (отопление, кондиционирование), освещение, бесперебойное электроснабжение и т.д. В результате современное здание укомплектовано всевозможными инженерными системами, для управления которыми было бы необходимо много обслуживающего персонала, если бы не автоматика
Михаил Яковлев
Начальник отдела автоматизации инженерных систем Концерна "КРОСТ"

В последнее время системы автоматизированного управления перестали быть чем-то диковинным. Вне зависимости от области применения целью внедрения таких систем являются снижение эксплуатационных расходов, обеспечение важной информацией и повышение уровня безопасности и комфорта. Именно поэтому автоматизация зданий – одно из важнейших направлений в области строительства и управления инженерными системами, которое позволяет повысить эффективность работы всего инженерного оборудования.

Актуальность проектов для девелоперов

Два основных аспекта предопределили рост популярности комплексных решений для обеспечения автоматизированного управления инженерными системами жилых и административных зданий:

  1. ужесточение требований к энергоэффективности зданий;
  2. повышение уровня индивидуального комфорта.

Системы автоматизации снижают расход энергетических ресурсов (электричества, различных видов топлива), необходимых для обеспечения отопления и горячего водоснабжения, повышают эффективность работы инженерных систем в условиях аварийных ситуаций, минимизируют и оптимизируют затраты на эксплуатационный персонал. Это положительно сказывается на безопасности функционирования здания, делает пребывание в нем более комфортным за счет улучшенного контроля за температурой в помещениях, режимом вентиляции и кондиционирования.

Интеграция и оптимизация работы всех инженерных компонентов (систем безопасности, жизнеобеспечения, коммуникации) – вот основная функция автоматизированных решений для управления зданием.

Диспетчеризация систем

Необходимым этапом при построении автоматической системы управления зданием является диспетчеризация инженерных систем. Понятие диспетчеризации включает в себя организацию постоянного наблюдения за работой различных подсистем в режиме реального времени и архивирование данных. С ее помощью осуществляется удаленный контроль и управление различными процессами, изменение рабочих параметров тех или иных устройств и компонентов, передача данных об их состоянии и ведение протоколов и баз данных со сведениями об их работе. С современными средствами главный инженер или специалист соответствующей квалификации может из любой точки мира эффективно управлять инженерными системами конкретного здания или комплекса зданий. Обзор литературы по данной тематике показал актуальность темы. Автоматизация и диспетчеризация зданий призвана обеспечить контроль над автономно работающим оборудованием, объединив его в единый инженерный комплекс, и предельно минимизировать человеческий фактор, что немаловажно. Хотелось бы выделить именно слово "комплекс", поскольку локальная автоматизация систем не позволяет в полной мере достичь требуемых результатов по энергоэффективности.

Интеграция и оптимизация работы всех инженерных компонентов (систем безопасности, жизнеобеспечения, коммуникации) – вот основная функция автоматизированных решений для управления зданием

Алгоритмы и протоколы

С целью увеличения позитивного эффекта комплексной автоматизации зданий разрабатываются алгоритмы взаимосвязанной автоматизации разных инженерных систем. Например, взаимодействие систем автоматизации климата и вентиляции позволяет увеличить эффект энергосбережения и комфортных условий. Применение VAV-решений (Variable Air Flow – системы с переменным расходом воздуха) вкупе с приточно-вытяжными агрегатами могут обеспечить от 30 до 65% экономии электроэнергии со средним сроком окупаемости два года.

Использование стандартных протоколов дает возможность объединить оборудование различных производителей в единую систему. В последнее время широкое применение находит протокол BACNet (Building Automation and Control Network), специально разработанный для комплексной автоматизации зданий. Использование ПЛК (программируемый логический контроллер) позволяет создавать гибкие алгоритмы управления оборудованием и решать нестандартные задачи.

Целесообразность инвестиций

Резюмируя вышесказанное, можно определить следующие ключевые моменты, оправдывающие вложение средств в системы автоматизации:

  1. Гарантия рациональности потребления ресурсов, повышение уровня комфорта, безопасности.
  2. Возможность очень быстрыми темпами реагировать на любые аварийные перебои в функционировании инженерных систем, игнорирование которых способно стать причиной угрозы развития аварий глобальных масштабов, угрозы жизни людей и нанесения ущерба объектам имущества.
  3. Рациональное применение ресурсного потенциала (электрика, тепло, вода).
  4. Сокращение численности высокооплачиваемых инженерных кадров.
  5. Удобство работы с данными благодаря наличию автоматического контроля и функции удаленного регулирования.
  6. Повышение периода работы всего комплекса систем благодаря рациональному их применению.
  7. Ускоренный возврат вложений инвестиций за счет снижения нерационального использования человеческого труда и ресурсов.
  8. Рост продуктивности всего комплекса инженерных систем вследствие оптимизирования режимов их функционирования.
  9. Существенное сокращение эксплуатационных затрат на энергоносители.

Описанные эффекты не достигаются мгновенно и не сводятся только к покупке и установке оборудования. Успех внедрения данных систем зависит от того, насколько грамотно они были введены в эксплуатацию и насколько правильно обслуживаются.

Специфика автоматизации в ЖКХ

В отличие от автоматизации промышленного производства, где нет стандартных решений, где в основном применяются программируемые логические контроллеры и в целом процесс внедрения данных систем носит более сложный характер, в сфере автоматизации зданий дело обстоит иначе.

Ссовременными средствами главный инженер или специалист соответствующей квалификации может из любой точки мира эффективно управлять инженерными системами конкретного здания или комплекса зданий

Все процессы, которые подвергаются автоматизации в ЖКХ, стандартные, поэтому на рынке существует большое количество готовых решений для автоматизации той или иной инженерной системы здания. Задача в основном сводится к локальному запуску оборудования, а далее конечный пользователь уже сам определяет, требуется ли ему диспетчеризация или нет, например, при автоматизации теплового пункта, общеобменной вентиляции, насосной и т.д. Наличие стандартных протоколов автоматизации для инженерных систем намного упрощает процесс интеграции оборудования в единую систему диспетчеризации. Специально созданный для этого протокол BACnet позволил объединить не только инженерные системы, но и системы безопасности и контроля доступа в единую систему управления зданием.

Инженерно-организационные задачи

Рассмотрим последовательность действий и основные инженерные задачи по реализации проекта комплексной автоматизации инженерных систем. Все то, что будет сказано далее, не является постулатом и каким-то принятым стандартом, а описывает процедуру реализации проекта.

Будем считать, что проект уже разработан, определено основное оборудование, разработаны алгоритмы работы и взаимодействия систем по ранее выданному ТЗ на проектирование. Основные инженерно-организационные задачи сводятся к следующим:

  1. Изучение проектной документации.
  2. Заказ оборудования и складирование.
  3. Монтаж оборудования.
  4. Пусконаладочные работы.

Изучение проектной документации

Итак, мы имеем на руках проект. На что стоит обратить внимание в первую очередь?

Для начала – на общие данные. В них должны быть подробно описаны алгоритмы работы и взаимодействия систем. Зачастую проектировщики скупы на слова и при разработке данного раздела проектной документации отделываются парой общих фраз, что впоследствии может повлиять на ход внедрения системы автоматизации и сдвинуть сроки реализации проекта. Особенно эта проблема актуальна при использовании программируемых логических контроллеров.

Поскольку проект, как правило, разрабатывается на основе технического задания, выданного заказчиком, то общие данные должны содержать все основные моменты, указанные в техническом задании, для исключения конфликтов и полного удовлетворения запросов.

Во вторую очередь прорабатывается подобранное оборудование, изучаются его технические характеристики, делается вывод о правильности его выбора и способности реализации указанных в ТЗ функций.

Так как в проектах обычно применяется оборудование разных производителей, проверяется его взаимодействие с другими элементами системы как на физическом уровне (сигналы аналоговые, дискретные), так и на уровне поддержки стандартных протоколов автоматизации. Например, необходимо, чтобы управляющий контроллер и исполнительный механизм были совместимы. При обмене данными между двумя контроллерами разных производителей по какому-либо стандартному протоколу желательно, чтобы они его поддерживали оба.

После того как мы проверили подобранное оборудование, переходим к проверке выданных проектировщиком схем подключения. Это важный этап. На успех реализации проекта во многом влияет правильность монтажа и подключения систем.

Завершающий этап – проверка проектной спецификации, а именно правильности выбранной номенклатуры оборудования. Зачастую одна неверно указанная буква или запятая в номенклатуре оттягивает срок ввода системы в эксплуатацию. Простым примером могут служить диапазон измерения датчика давления, номинальная статическая характеристика датчика температуры и т.д.

Заказ оборудования и поставка на объект

Процесс стандартный. Есть несколько моментов, на которые хотелось бы обратить внимание:

1. Зачастую при реализации проектов по автоматизации инженерных систем требуется сборка щитов автоматики. Существует множество компаний, занимающихся сборкой щитов, но не все могут делать это качественно. Данный процесс лучше доверять проверенным организациям с определенным опытом, нежели "гаражным" фирмам.

2. Складирование. Важно подготовить площадку под хранение оборудования и материалов. Поскольку большинство из них имеет электронные компоненты, необходимым условием является отсутствие повышенной влажности. Возможность падения различных предметов, самого оборудования с высоты тоже нужно исключить.

Монтаж систем

Успех последующих пусконаладочных работ на 80–90% зависит от квалификации монтажника. Применение цветных схем при подключении оборудования помогает облегчить труд монтажника и исключить ошибки на 90%. Визуализация основных технологических узлов также нашла широкое применение при производстве монтажных работ.

Пусконаладочные работы

Обширный этап, особенно если говорить про комплексную автоматизацию инженерных систем с верхним уровнем.

Приведем пример реализации пусконаладочных работ комплексной системы автоматизации на объекте "Хорошевская гимназия". В проекте использованы программируемые логические контроллеры разных производителей и готовые решения. Процесс можно разделить на несколько этапов:

  1. подготовительный;
  2. локальные ПНР оборудования и систем;
  3. диспетчеризация;
  4. опытная эксплуатация и сдача систем.

При этом подготовительный этап включал в себя следующие шаги:

  1. Разработка программы ПНР. Согласование с заказчиком. Необязательный этап, зависит от требований заказчика. В программе указываются основные выполняемые действия при производстве ПНР.
  2. Определение состава и квалификации исполнителей. Нужно четко оценивать свои возможности и понимать, сколько потребуется программистов и инженеров-наладчиков. В рамках указанного проекта был использован один программист, два инженера-наладчика КИПиА и один ведущий специалист.
  3. Разработка алгоритмов работы оборудования.

Оценка экономической эффективности

О понятии экономической эффективности уже многие годы ведутся теоретические споры. На самом деле не так уж важно, какое определение является наиболее близким к истине. Гораздо важнее другое: насколько методика расчетов и, соответственно, конечные результаты и оценки отражают реальные выгоды или убытки от проведения того или иного мероприятия, реализации того или иного проекта на практике. Под экономической эффективностью автоматизации инженерных систем здания будем понимать разность результатов на создание (реорганизацию, адаптацию, модернизацию и т.д.) и затрат на проведение этого проекта.

Различают абсолютную и относительную (сравнительную) экономическую эффективность. В первом случае проводится анализ уже выбранного (или даже реализованного) варианта автоматизации без учета возможных альтернатив, во втором – альтернативные стратегии автоматизации сравниваются между собой с позиций экономической эффективности. Можно рассчитывать также удельные показатели эффективности (на рубль вложенных затрат, на одного работника и т.д.).

Относительно методики расчета эффективности тоже нет единого мнения. Непринципиально, как именно считать, важно другое: правильно определять совокупность затрат на автоматизацию (в частности, затраты на автоматизацию инженерных систем здания, обучение персонала и т.д.) и прогнозировать возможные результаты, включая в них не только локальные, но и синергические (общесистемные) эффекты.

Таким образом, экономическая эффективность есть не что иное, как количественная (денежная) оценка эффекта от проведения мероприятий по автоматизации.

Пример расчета

Проведем оценку экономической эффективности дополнительной системы автоматизации для уже оборудованной системой автоматики приточно-вытяжной установки небольшого офисного центра.


Все процессы, которые подвергаются автоматизации в ЖКХ, стандартные, поэтому на рынке существует большое количество готовых решений для автоматизации той или иной инженерной системы здания

Допустим, имеется приточно-вытяжная установка, обслуживающая офисные помещения одной из компаний (рис. 1):

  • общее количество персонала в компании – 210 человек;
  • производительность приточно-вытяжной системы ПВ1 выбрана из расчета 60 куб. м/ч на человека – 14 000 куб. м/ч;
  • мощность двигателя приточного вентилятора – 5,5 кВт (оснащен частотным приводом);
  • мощность двигателя вытяжного вентилятора – 5,5 кВт (оснащен частотным приводом);
  • система автоматики включает в себя контроллер, полевое оборудование и исполнительные устройства;
  • стоимость оборудования автоматики составляет 180 тыс. рублей. Стоимость монтажных, пусконаладочных работ и программирования контроллера – 100 тыс. рублей. Итого 280 тыс. рублей;
  • режим работы системы: будние дни с 08:00 до 20:00.

Предлагается модернизировать систему автоматизации с учетом того, что полная производительность необходима не всегда, и показать экономическую эффективность модернизации.

Технический апгрейд

Модернизация системы заключается в установке:

  • VAV-регуляторов на клапаны приточных воздуховодов, регулирующие количество подаваемого воздуха в каждое из помещений офиса;
  • датчика давления в приточный вентиляционный канал.

Стоимость дополнительного оборудования составляет 150 тыс. рублей. Стоимость монтажных, пусконаладочных работ, программирования контроллера – 120 тыс. рублей. Итого 270 тыс. рублей.

Имеется информация от системы контроля доступа о количестве персонала в каждом из помещений офиса. В соответствии с этим на приводы клапанов поступает сигнал на их закрытие/открытие от 20 до 100%. По показаниям датчика давления в канале происходит изменение производительности работы приточно-вытяжных вентиляторов.

Регулирование производительности

Статистический анализ показывает, что, как правило, весь персонал в полном составе собирается на рабочих местах очень редко (отпуска, командировки, болезнь и т.д.). В среднем все сотрудники находятся в офисе в течение одного месяца в году (22 рабочих дня), и тогда приточно-вытяжная система работает с полной производительностью.

В течение пяти отпускных месяцев с мая по сентябрь на рабочих местах отсутствуют в среднем 30% от общего количества сотрудников (110 рабочих дней), и приточно-вытяжная система работает с производительностью на 30% меньшей от максимальной. В течение остальных шести месяцев на рабочих местах отсутствуют в среднем 10–15% персонала – приточно-вытяжная система работает с производительностью на 15% меньшей от максимальной.

Производительность системы уменьшается автоматически с помощью частотных приводов двигателей приточного и вытяжного вентиляторов. При понижении производительности системы в соответствии с данными, приведенными в таблице, уменьшается потребляемая электрическая мощность двигателей вентиляторов: при 70% производительности (частота 35 Гц) потребляемая мощность каждого вентилятора составляет 2,1 кВт, а при 85% производительности (частота 40 Гц ) – 3 кВт.


Таким образом, до модернизации системы автоматизации приточно-вытяжной системы плата за электроэнергию при эксплуатации этой системы в год составляет:

Р1 = (N1 + N2) x D x R x M x T, где

  • N1, N2 – электрические мощности двигателей приточного и вытяжного вентиляторов;
  • D – среднее количество рабочих дней в месяц;
  • R – количество часов работы системы в день;
  • М – количество месяцев;
  • Т – тариф на электроэнергию за кВт/ч.

Подставим соответствующие значения в вышеприведенную формулу: Р1 = (5,5 + 5,5) х 22 х 12 х 12 х 4,04 = 140 786 рублей/год. После модернизации стоимость электроэнергии составит: Р 2= ((5,5 + 5,5) х 22 х 12 х 4,04) +((2,1 + 2,1) х 22 х 12 х 5 х 4,04) +((3 + 3) х 22 х 12 х 6 х 4,04) = 72 526,08 рублей/год (или 50% от прежней суммы).

Плата за теплоэнергию

Годовой расход теплоты на нагрев приточного воздуха за одну смену в прямоточной системе вентиляции, в кДж/кг, равен:

Q = 0,143 nmGc (tпр– tm,х) MK3K4, где

  • n – число рабочих дней в неделе;
  • m – продолжительность смены, ч;
  • c – удельная теплоемкость воздуха, равная 1,005 кДж/кг х °С;
  • G – максимальный расход приточного (наружного) воздуха, кг/ч;
  • tпр – температура приточного воздуха в холодное время года, °С;
  • tm,х – температура наружного воздуха самого холодного месяца.

Q1 = 170,9043317 Гкал, Q2 = 145,268682 Гкал, Q1-Q2 = 25,63564976 Гкал.

Экономия в потреблении тепловой энергии составляет: 375 990 - 319 591 = 56 399 рублей/год (15%), при стоимости 2200 рублей/Гкал.

Итого экономия от модернизации системы равна 124 658,2695 рублей.

Можно сделать следующий вывод: срок окупаемости затрат на модернизацию составляет около двух лет (без учета роста тарифов на электроэнергию и теплоэнергию), внедрение системы автоматизации снижает потребление электроэнергии в два раза, а теплоэнергии – на 15%.

Прямые затраты на управление зданием без автоматизации

Рассмотрим конкретный пример диспетчеризации и автоматизации здания. Некоторые заказчики отказываются от автоматизации, ошибочно считая, что это очень дорого, но и ежедневные расходы на управление и эксплуатацию неавтоматизированных инженерных систем составляют весьма ощутимую сумму.

Область внедрения комплексных систем автоматизации ограничена элитным строительством. Из-за данной проблемы внедрение энергосберегающих методов управления коммунальным хозяйством на большинстве объектов невозможно по экономическим соображениям

К инженерным системам здания, которые контролируются и подключаются к системе автоматизации и контроля, относятся:

  • вентиляция;
  • отопление;
  • кондиционирование;
  • пожарная сигнализация;
  • электроснабжение;
  • электроосвещение;
  • СКУД;
  • СОУЭ;
  • противопожарный водопровод;
  • спринклерное тушение;
  • дренчерные завесы;
  • видеонаблюдение.

Это неполный перечень систем для среднего или крупного здания (могут быть 12 систем или более). За каждой из них требуется следить, производить обслуживание по регламенту, а это уже не менее 12 человек в штате. Умножаем зарплату в 50 тыс. рублей на 12 месяцев и получаем 600 тыс. рублей в год (здесь еще не учтены расходы на обучение, инструмент и прочие прямые затраты).


Все эти работники должны где-то располагаться, а это 6 кв. м на 1 человека, итого 12 на человек приходятся 72 кв. м полезной площади, которая стоит не менее 800–1500 рублей/кв. м, что за год составит 800 х 72 х 12 = 691 000 рублей/год.

Если взять все эти затраты, то стоит задуматься, а так ли дорого выполнить диспетчеризацию и автоматизацию инженерных систем здания, ведь прогресс не стоит на месте.

Негативные стороны

При всех своих достоинствах автоматизация имеет и ряд негативных эффектов:

  1. Появление большого количества узлов и как следствие – увеличение возможных точек отказа и неисправностей.
  2. Усложнение конструкций требует повышения квалификации персонала.
  3. Дороговизна внедрения.

Основной причиной описанных негативных факторов является отсутствие единых средств взаимодействия оборудования. К сожалению, проанализировав рынок разработок, мы видим, что область внедрения комплексных систем автоматизации ограничена элитным строительством. Из-за данной проблемы внедрение энергосберегающих методов управления коммунальным хозяйством на большинстве объектов невозможно по экономическим соображениям.

Реальная выгода

В современных зданиях системы автоматизации и диспетчеризации играют одну из главных ролей: они связывают все инженерные сети. Это быстроразвивающаяся, но сравнительно молодая область техники, поэтому здесь, особенно на уровнях управления инженерными системами и системами жизнеобеспечения, практически еще нет устоявшихся технических решений, выходящих за рамки частных разработок отдельных фирм. При этом реализованные проекты доказывают: внедрение автоматической системы управления зданием позволяет серьезно уменьшить расходы на содержание, обеспечить комплексную защиту жизни и здоровья людей, предотвратить серьезные аварии, значительно снизить ущерб от них и создать комфортные условия проживания. Все это говорит об эффективности таких решений, особенно в современном мире.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #1, 2019
Посещений: 691


  Автор
Михаил Яковлев

Михаил Яковлев

Начальник отдела автоматизации инженерных систем Концерна "КРОСТ"

Всего статей:  1

В рубрику "Директор по безопасности" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций