Повышение энергоэффективности работы инженерных систем зданий

В вопросах автоматизации зданий («интеллектуальных зданий») сейчас все большее внимание уделяется достижению максимальной энергоэффективности инженерных сооружений.
As concern issues of buildings automation (smart homes) currently the focus is increasingly put on maximum energy efficiency of utilities.

В борьбе за энергоэффективность

Рынок интеллектуальных зданий можно считать уже сложившимся, в достаточной степени наполненным предложениями во всех ценовых нишах. В настоящий момент актуальные пути развития – это увеличение показателей энергоэффективности зданий (экономия электроэнергии и тепла), повышение эффективности управления системами за счет развитых средств диспетчеризации и, как следствие, одновременное снижение стоимости и увеличение безопасности эксплуатации зданий. Идеи создания «домов будущего», опирающиеся на имидж и высокую стоимость выполнения таких проектов, все больше уступают место решениям, идущим от реальной жизни, определяющей разумные потребности в экономии и комфорте. Благодаря только модернизации системы кондиционирования и отопления здания можно добиться значительного снижения затрат на его содержание.

Пример из практики: Transamerica Building, США

В деловом центре города Тусон, на юге штата Аризона, расположено 11-этажное офисное здание Transamerica Building. Его владельцем является компания Presidio Management. Арендаторы помещений в основном государственные службы и адвокатские конторы. Здание было построено в 1961 году и укомплектовано по тем временам самым передовым климатическим оборудованием.

На каждом этаже был установлен кондиционер фирмы Trane, который обеспечивал кондиционирование и отопление внутренних помещений этажа и необходимый воздухообмен во всех помещениях. В то же время каждое помещение было оснащено фан-койлами, установленными под окнами. Тепловой пункт, снабжающий кондиционеры и фан-койлы теплом и холодом, находился на крыше здания. В его состав входили чиллер, экономайзерный теплообменник, градирня, два газовых котла и насосная группа. Система управления была укомплектована пневматической автоматикой фирмы Johnson Controls. Снабжение кондиционеров и фан-койлов было организовано по двухтрубной схеме (рис. 1). Основные фасады здания ориентированы на юг и север. Учитывая весьма интенсивную солнечную радиацию в Аризоне и то обстоятельство, что система – двухтрубная, задача одновременного отопления всего здания и охлаждения той части, которая подвергается интенсивной солнечной радиации, была решена путем установки специальных байпасов с клапанами, которые позволяли подавать воду на два фасада независимо.

Переключение осуществлялось инженером здания, который должен был постоянно отслеживать погодные условия. Пневматическая система автоматики в течение долгого периода эксплуатации постепенно выходила из строя, в результате чего качество регулирования температуры и воздухообмена постоянно ухудшалось. Кроме того, все большее количество функций управления оборудованием здания приходилось выполнять вручную.

В 2002 году владельцы компании решили заменить систему управления на современную, компьютеризированную. Компания Arecont Systems, Inc. выиграла тендер, предложив решение на базе системы КОНТАР.

Решение

Технологическая часть

Владельцы здания поставили задачу не только обеспечить максимально высокий уровень комфорта, но и сделать его как можно более экономичным с точки зрения потребления энергии. Система управления, первоначально установленная в здании, регулировала температуру возвратного воздуха в поэтажных кондиционерах методом изменения степени рециркуляции (смешения возвратного воздуха с приточным), снижая его тепловую эффективность при сохранении постоянной (максимальной) скорости потока воздуха. Температура воды, поставляемой в фан-койлы и кондиционеры, регулировалась при помощи клапанов. Было решено установить частотные преобразователи скорости (VFD)* для плавного регулирования расхода воздуха.

* Устройства VFD (variable frequency drive), или так называемые частотные преобразователи, служат для плавного изменения скоростей вращения моторов вентиляторов или насосов. Управляющий контроллер в соответствии с алгоритмом выдает аналоговый сигнал управления, и частотный преобразователь пропорционально изменяет выходную частоту. Таким образом, происходит регулирование скорости вращения моторов и соответственно производительности вентиляторов и насосов.

В здании часто проводятся собрания и конференции. В таких случаях необходимо резко увеличивать поступление свежего воздуха на те этажи, где проводится мероприятие. С этой целью было принято решение регулировать поступление свежего воздуха методом поддержания уровня углекислого газа ниже значения, рекомендуемого стандартом ASHRAE. Такой подход позволяет существенно сократить расходы энергии на вентиляцию.

Двухтрубная система фан-койлов была реконструирована таким образом, что на выходе после теплового пункта (на верхнем этаже сооружения) пары труб разветвлялись на все четыре фасада здания. Было решено установить новые узлы подмеса на каждой из четырех труб для индивидуального регулирования потока каждого контура.

Система автоматического управления

Для автоматизации пофасадного управления нагревом и охлаждением был разработан специальный датчик солнечной радиации. Этот датчик состоит из трех застекленных камер, ориентированных так же, как и здание. В каждой камере установлен датчик температуры. Когда солнце облучает камеру, температура в ней быстро поднимается и достигает 35–45 °С даже зимой. Информация с датчика обрабатывается контроллером, и он принимает решение об открытии клапанов для контуров каждого из четырех фасадов здания.

Режим работы теплового пункта определяется по температуре наружного воздуха. В холодное время устанавливается режим «Отопление» – Heating, и включается один или оба котла. При отсутствии потребности в кондиционировании устанавливается режим «Вентиляция» – Ventilation, и оборудование теплового пункта выключено. Предусмотрены два режима охлаждения. Вычисляется энтальпия наружного воздуха, и в зависимости от этого выбирается режим «Охлаждение градирней» – H/X Cooling и «Охлаждение чиллером» – Chiller Cooling. Чиллер имеет внутреннюю автоматику и три компрессора, подключаемые автоматически, исходя из разности температур прямой и обратной воды.

Установленная система управления состоит из 19 контроллеров МС8 КОНТАР. Каждый кондиционер управляется своим контроллером. Центральный пункт тепло- и хладоснабжения управляется четырьмя контроллерами, и еще один контроллер сконфигурирован как «мастер». Мастер-контроллер реализует функцию планировщика – в нем установлены значения времени для включения и выключения режима присутствия в здании для каждого из дней недели. Система (тепловой пункт и кондиционеры) полностью выключена ночью, а утром за короткое время до начала рабочего дня включается и начинает регулирование климата в здании. Вечером в установленное время происходит автоматическое отключение системы (рис. 3).

Мастер-контроллер содержит порт Ethernet, который подключен к локальной сети и выведен в интернет. Система одновременно поддерживает связь с двумя серверами, расположенными в США и России (московский сервер МЗТА). Владельцы и обслуживающий персонал здания имеют индивидуальные учетные записи для регистрации на сервере (пара логин–пароль), соответственно – разные уровни доступа к системе. В зависимости от уровня доступа они могут наблюдать работу системы, конфигурировать архивы данных, изменять уставки, изменять графики работы, а в случае необходимости – управлять оборудованием вручную. Это может быть сделано с рабочего места, издома – с любого компьютера, укомплектованного стандартным браузером (Internet Explorer, Netscape, Opera) и подключенного к интернету. В присутствии диспетчера нет необходимости – при возникновении неисправностей сервер самостоятельно рассылает e-mail и SMS-сообщения своим пользователям, учитывая их персональные настройки.

Владельцы этого умного дома имеют еще ряд зданий, разбросанных по всей стране. Существует план объединения подобных объектов в единую систему, где они будут выглядеть как один проект и одновременно обновлять информацию о своем текущем состоянии.

Эффект внедрения

Реконструкция завершилась два года назад. Здание стало значительно более комфортабельно: температуры поддерживаются точнее, качество воздуха жестко контролируется, и информация о нем (содержание CO2, температура) архивируется для анализа и на случаи возникновения конфликтов, уровень шума от работы системы вентиляции существенно снизился, поскольку вентиляторы большую часть времени работают на низких скоростях. Существенно уменьшился расход энергии, по предварительным оценкам приблизительно на 20 тыс. кВт*ч/мес., то есть примерно на 10% от общего потребления энергии зданием. Учитывая то обстоятельство, что в Аризоне кондиционирование занимает примерно 50% общего расхода энергии, можно прийти к выводу, что реконструкция позволила сократить расходы энергии на кондиционирование приблизительно на 20% (см. табл.).

Следует отметить, что этими же аппаратно-программными средствами может быть не только реализована структурная схема, рассматриваемая в части автоматизации инженерных систем, но и интегрированы другие системы жизнеобеспечения и безопасности.

Опубликовано: Журнал Строительная Инженерия, август 2005. Автор: Денис Аленин

Интересно почитать