Системы автоматизации и диспетчеризации высотных жилых комплексов

В. В. Панкратов, директор ООО «ВВП»;

А. Н. Колубков, директор проектно-производственной фирмы «Александр Колубков», гл. инж. проекта;

Н. В. Шилкин, доцент МАрхИ

Общие принципы построения системы автоматизации и диспетчеризации

С точки зрения построения системы автоматизации и диспетчеризации в инженерных системах многофункциональных высотных жилых комплексов можно выделить две основные функциональные части: тепловой узел ввода (поставщик тепла в здание) и несколько контуров потребителей тепла.

Тепловой узел ввода – это ЦТП или ИТП. Обычно на подобных объектах речь идет о ЦТП, поскольку помимо жилой части в этих комплексах имеются и помещения общественного назначения. Например, тепловой пункт IV корпуса комплекса «Алые Паруса» помимо жилых квартир обеспечивает тепловой энергией помещения пентхауса (в том числе бассейн), спортивный комплекс, подземный гараж-автостоянку и яхт-клуб.

Контуры потребителей тепла, как правило, включают в себя контуры вентиляции и кондиционирования, радиаторного отопления, горячего водоснабжения на хозяйственно-бытовые нужды, контур теплых полов. И тепловые узлы, и контуры потребителей тепла включают в себя определенное количество оборудования – насосы, теплообменники, различную регулирующую арматуру и т. д.

Контролировать работу и обеспечивать поддержание требуемых параметров всего этого оборудования в настоящее время можно посредством систем автоматизации и диспетчеризации. С технической стороны нет никаких препятствий. Однако на этапе составления технического задания необходимо ответить на ряд вопросов: насколько оправдано применение систем автоматизации и диспетчеризации, какие системы следует автоматизировать, какова степень этой автоматизации (простейшая автоматика, система автоматизации и диспетчеризации, интеллектуализация здания). Экономическая целесообразность использования систем автоматизации и диспетчеризации подобных объектов определяется с учетом того факта, что заказчик в дальнейшем сам будет эксплуатировать этот объект, т. е. заказчик рассматривает не отдельно взятую стоимость инсталлированной системы, а стоимость системы с учетом ее эксплуатации в течение 5–10 лет (этот срок выбран потому, что производители систем автоматизации заявляют именно такой срок как гарантированный срок эксплуатации – 10 и более лет безотказной работы, что подтверждается опытом эксплуатации ряда объектов). Стоимость тепловой и электрической энергии из года в год возрастает. Если грамотно подходить к реализации поставленных задач, то в конечном итоге заказчик получает достаточно значительную экономию тепловой энергии за счет эффективного использования ее самой и установок (если не нужно эксплуатировать некоторый контур – насосы, бойлеры – оборудование отключается). Такая экономия тепловой и электрической энергии снижает себестоимость эксплуатации здания, поскольку расчет с поставщиком тепла и электрической энергии ведется по факту ее использования.

В рассматриваемых объектах именно такая ситуация: заказчик сам эксплуатирует объект. Эти комплексы потребляют большое количество тепловой энергии, поэтому снижение расхода тепла на 10–20 % за счет использования системы автоматического управления инженерным оборудованием позволяет достичь значительной экономии при снижении эксплуатационных расходов.

#######E#######

Датчик CO2	Реле давления	Датчик температуры воздуха

Срок окупаемости системы автоматизации и диспетчеризации по различным оценкам составляет от 3 до 5 лет. Заказчик определяет системы, которые он хочет видеть автоматизированными. Например, в разделе управления инженерным оборудованием могут автоматизироваться приточные и вытяжные установки, индивидуальный тепловой пункт, поддержание и контроль температуры во вторичных контурах систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, холодильные машины. Эффективное использование энергии обеспечивается грамотной реализацией поставленных задач. Например, регулирование температуры теплоносителя во вторичных контурах вентиляционных систем может производиться по нескольким параметрам: математически увязывается с температурой наружного воздуха, учитывается человеческий фактор. Нет необходимости точно поддерживать одну и ту же температуру круглый год. Можно выделить ярко выраженные сезоны – зима, лето, межсезонье – и определить алгоритм работы системы для каждого такого периода (фактически установив четыре разных режима, увязанных с условиями окружающей среды). Другим примером снижения эксплуатационных затрат за счет использования систем автоматизации является одна из функций, реализованная при автоматизации тепловых пунктов. Поставщик тепла (горячей воды) обязывает соблюдать температурный график – тепло необходимо снять, иначе возможны штрафные санкции. На всех рассматриваемых объектах данная функция – поддержка графика съема тепла – реализована.

Автоматизация других систем здания также позволяет снижать затраты энергии. Например, освещением помещений общественного назначения можно управлять: по расписанию, по датчикам движения, по датчикам освещенности. В случае грамотной реализации функции управления освещением возможно существенное снижение потребления электрической энергии. Фасадное освещение, фонтаны и подобные декоративные элементы также являются значительными потребителями электрической энергии, и использование систем автоматизации позволяет существенно снижать ее затраты.

Клапан-бабочка моторизованный	Фланцевый клапан	Резьбовой клапан
Рисунок 2. Исполнительные механизмы периферийного оборудования систем автоматизации – клапаны

В составе системы автоматизации можно выделить три функциональные части. Это периферийное оборудование, контроллеры и силовая часть.

Периферийное оборудование представляет собой набор датчиков (датчики температуры воздуха, давления воды, температуры воды – т. е. любых возмущающих воздействий) (рис. 1) и исполнительные механизмы (клапаны (рис. 2), приводы (рис. 3) и другая запорно-регулирующая арматура).

Контроллеры, по сути, представляют собой миникомпьютеры, которые год от года становятся все мощнее (рис. 4). Контроллеры могут иметь модульную структуру, а могут быть реализованы в виде «все в одном». Такие контроллеры обычно используются для малых зданий или индивидуальных систем – они позволяют подключить все необходимые датчики, приводы, исполнительные механизмы, но при этом имеют ограничения по информационной емкости. Информационная емкость контроллера определяется количеством входов и выходов. Всего существует четыре типа сигналов – аналоговые входы/выходы и цифровые входы/выходы. Любая система автоматизации представляет собой комбинацию этих четырех типов сигналов. При создании математической модели управления системой также вводятся промежуточные переменные.

Привод воздушной заслонки	Привод клапана	Привод клапана
Рисунок 3. Исполнительные механизмы периферийного оборудования систем автоматизации

Третья часть системы автоматизации – силовая. Исполнительные механизмы, которые воздействуют на клапаны, заслонки и т. п. – слаботочные, они относятся к периферийному оборудованию. Однако помимо этих слаботочных механизмов необходимо осуществлять управление оборудованием, являющимся мощным потребителем энергии и требующим внешнего источника питания – двигателями вентиляторов, циркуляционными насосами и т. д. Управление силовыми нагрузками осуществляется посредством электрических шкафов (рис. 5). С точки зрения силовой части существует два типа компоновки систем. Использование той или иной компоновки определяется организацией и структурой службы эксплуатации заказчика. Если на объекте существуют две службы эксплуатации, одна из которых отвечает за системы автоматизации, а другая за системы электроснабжения, то возможна раздельная компоновка шкафов автоматики и силовых электрических шкафов. Однако на рассматриваемых объектах была предложена и утверждена заказчиком концепция, которая предусматривает комбинированные щиты автоматики, поскольку в настоящее время существует оборудование, которое позволяет производить установку контроллеров автоматики непосредственно в шкафы управления. В этом случае контроллеры должны отличаться хорошей помехозащищенностью от воздействия сильных электрических полей. Преимуществом является сокращение кабельной продукции и промежуточных клеммных соединений (в случае отдельных силовых шкафов и шкафов автоматики необходимо соединение их между собой кабельными трассами), что в конечном итоге повышает надежность системы при снижении стоимости инсталляции.

Рисунок 4. Функциональная часть системы автоматизации – контроллеры, представляющие собой по сути миникомпьютеры, которые год от года становятся все мощнее

Рисунок 5. Электрический шкаф (В правой части – пусковая аппаратура, в левой – оборудование автоматики)

Работа в автономном режиме и работа в совместном режиме. Выбор протокола

Инженерное оборудование может работать в автономном режиме. Например, может быть реализован автономный тепловой пункт. В этом случае для управления оборудованием и его контроля предусматриваются простейшие средства (простейший дисплей с текстовым экраном). Эти простейшие средства управления и контроля могут быть расширены, например, в виде переносных пультов оператора или возможности подключения ноутбука. Следующим этапом автоматизации является создание диспетчерского пункта, представляющего собой, как правило, персональный компьютер серверного класса либо рабочую станцию с определенным набором программного обеспечения. В этом случае встает вопрос выбора протокола обмена информацией.

Некоторое время назад (примерно до середины 1990-х годов) производители оборудования автоматизации использовали свои внутренние закрытые протоколы, поэтому, однажды установив, например, в тепловом пункте определенное оборудование, заказчик был вынужден использовать оборудование того же производителя и для автоматизации других систем. Автоматизирован может быть самый широкий спектр систем – от холодильных машин до оборудования водоподготовки бассейнов, и ни один производитель не в состоянии выпускать всю гамму оборудования. В результате на любом крупном объекте будет установлен некий набор оборудования различных производителей, каждый из которых будет комплектовать свои системы отдельными контроллерами. Например, холодильная машина – законченное устройство с собственной системой управления, работающее в автономном режиме, но при ее эксплуатации есть ряд параметров, необходимых службе эксплуатации для контроля работоспособности оборудования и выполнения сервисных функций. Встает вопрос обмена информацией между оборудованием различных производителей. Для решения этой задачи возможно использование ряда протоколов – ModBas, RS485, BАСnet. На данном объекте был принят протокол LON, разработанный независимым производителем (фирмой Echelon, www.echelon.com) для унификации оборудования различных производителей. Этот протокол сегодня используется многими производителями оборудования.

Используемые протоколы обмена информацией могут быть определены на уровне технического задания, либо может быть непосредственно определен производитель оборудования (поскольку заказчик заранее знает, с каким оборудованием он работает, он может в техническом задании определить, например, фирму-производителя щитов управления приводами насосов). Оборудование многих фирм позволяет в момент инсталляции сделать выбор – работать по протоколу LON или по собственному внутреннему закрытому протоколу. Если оборудование работает в автономном режиме, то неважно, каким будет протокол обмена. Если есть необходимость в создании диспетчерской службы, системы должны интегрироваться и должно создаваться единое информационное поле. В этом случае поставляемые устройства снабжаются определенным набором файлов, создается база данных устройств и по шине связи предоставляется доступ к любому устройству. Простейшая шина связи представляет собой одну пару проводов. К шине связи предъявляются требования помехоустойчивости. Существует программное обеспечение различных уровней. В зависимости от типа системы будет выбран простой или более сложный (и более дорогой) пакет, поддерживающий расширенный набор интерфейсов. Уже на этапе составления технического задания заказчик должен определить, какую структуру системы автоматизации он хочет получить и до какой степени детализации он хочет эту структуру реализовать, поскольку в некоторых случаях достаточно автономного режима работы инженерного оборудования. Например, в настоящее время в Москве большое распространение получила реконструкция старых зданий, например заводских, под офисные помещения или торговые площади. По нормативам необходимо оборудовать такие помещения общеобменной вентиляцией. Для поддержания заданной температуры приточного воздуха в подобных случаях обычно используются простейшие контроллеры, не поддерживающие вообще никакие протоколы обмена и работающие от одного датчика температуры приточного воздуха – система работает в автономном режиме. Другой вариант – если заказчик сам эксплуатирует объект. В этом случае он заинтересован в снижении эксплуатационных расходов и может реализовать более сложную систему управления инженерным оборудованием, позволяющую за счет более гибкого регулирования параметров микроклимата снижать затраты энергии на климатизацию объекта. Для обеспечения надежности и безопасности необходимо соблюдать «правило целостности системы». В этом случае любая вентиляционная установка, кондиционер рассматривается как законченная система, которая может функционировать в автономном режиме. Для этого каждая отдельная система должна управляться одним контроллером. Современное оборудование автоматизации позволяет осуществлять управление, например, несколькими кондиционерами посредством одного контроллера. С другой стороны, всегда есть возможность расширения системы при объединении нескольких контроллеров шиной связи, например, по протоколу LON. Однако цикл опроса одного контроллера гораздо меньше, чем нескольких контроллеров по шине связи, т. е. при использовании нескольких контроллеров время реакции системы увеличивается. При проектировании системы автоматизации следует учитывать, критична ли такая задержка для данной системы.

Сопряженные системы должны, по возможности, управляться одним контроллером, поскольку при использовании разных контроллеров, объединенных шиной связи, в случае обрыва шины связи система станет неработоспособной (не могут быть запрошены требуемые параметры и т. д.). В случае использования одного контроллера система может работать в автономном режиме и при обрыве шины связи. По этим же причинам системы как можно меньше глобализуются – их стараются разделять на отдельные сегменты, каждый из которых может работать автономно. В случае выхода из строя одного из сегментов системы другой сегмент остается работоспособным. С другой стороны, некоторые системы выгоднее глобализовать: например, для измерения температуры наружного воздуха нет смысла ставить отдельные датчики для каждой системы, для обеспечения работы которой требуются такие данные. Обычно для измерения этого параметра используются два датчика, один из которых располагается на северной стороне здания, а второй – на южной. Измеренные температуры усредняются по определенному алгоритму, причем учитываются время измерения (дневные и ночные температуры), время года (режимы «зима» и «лето») и т. д., что позволяет избежать резких изменений режимов работы оборудования в случае кратковременных колебаний температуры наружного воздуха. Затем эти данные о температуре наружного воздуха могут быть использованы всеми системами, для работы которых необходима такая информация. При увеличении количества физических точек увеличивается поток передаваемой информации, поэтому в случае крупных объектов для снижения трафика используется система распределенных серверов. Здание разбивается на сегменты. При использовании древовидной структуры (сервер и несколько рабочих станций) сервер для повышения надежности резервируется – устанавливается резервный сервер с зеркальной базой данных. При использовании распределенных серверов идеология построения системы меняется – выделяется отдельный сегмент системы, и для этого сегмента ставится сервер на некоторое количество физических точек. Для данного сегмента возможна любая степень детализации. От рабочих станций на сервер поступают перекрестные запросы по IP-протоколу, что снижает трафик. В этом случае пропускная способность сети гораздо выше (рис. 6).

Рисунок 6. Система распределенных серверов: выделяется отдельный сегмент системы, и для этого сегмента ставится сервер на некоторое количество физических точек. Для данного сегмента возможна любая степень детализации. От рабочих станций на сервер поступают перекрестные запросы по IP-протоколу, что снижает трафик. В этом случае пропускная способность сети гораздо выше

Интеллектуализация здания

В настоящее время среди специалистов нет единого мнения, какие здания могут называться «интеллектуальными», и в чем отличие «интеллектуального здания» от высокоавтоматизированного здания с развитой системой автоматизации и диспетчеризации. С другой стороны, зачастую нет реальной необходимости в установке высокоавтоматизированных и тем более «интеллектуальных» систем управления. В результате в настоящее время в нашей стране реализовано лишь несколько объектов, которые можно отнести к «интеллектуальным».

Наличие единого информационного поля (определенный набор датчиков, сигналов и т. д.) позволяет добиться любого уровня «интеллектуальности» здания. Математическая модель в этом случае представляет собой объемную матрицу, и вариант выборки действий из этой матрицы может быть сколь угодно велик. Однако даже в высокоавтоматизированном здании часть функций может не использоваться в силу отсутствия в них реальной потребности.

С точки зрения автоматизации можно выделить три сегмента: автоматика для малоэтажных жилых домов (home solution), автоматика для жилых и общественных зданий и сооружений, автоматика для промышленных зданий. Идеология построения систем автоматизации для этих сегментов одна и та же. Идеология «умного дома» подразумевает, как правило, коттедж «элитного» класса. Однако зачастую в организации единого информационного поля таких объектов нет необходимости. Для этого сегмента есть готовые решения, которые не требуют дорогостоящего инжиниринга. Например, коттедж фактически можно рассматривать как отдельный тепловой пункт, обслуживающий несколько контуров (контур теплого пола, контуры отопления первого и второго этажей и т. д.), соответственно, есть готовый контроллер, предназначенный для решения этих задач. Такие контроллеры подразумевают фиксированную комбинацию подключаемого периферийного оборудования и требуют простейшую пусконаладку. В рамках одного дома нет необходимости в организации шины данных и т. д., хотя с технической точки зрения это вполне осуществимо.

Такое упрощение системы автоматизации позволило сократить стоимость системы – за небольшие деньги можно автоматизировать коттедж площадью свыше 300 м². В настоящее время при строительстве новых зданий применяются стеклянные фасады. Применение подобного архитектурного решения привело к опасности перегрева помещений южной ориентации в летнее время. Для предотвращения этой опасности производителями были предложены специализированные контроллеры, сочетающие в себе функции управления фэнкойлами, освещением и жалюзи (рис. 7). При реализации системы автоматизации на базе этих контроллеров оценивается воздействие солнечной радиации, освещенность, температура, наличие людей в помещении, и в результате обработки этой информации осуществляется управление фэнкойлами, осветительными приборами и жалюзи. Набор этих функций позволяет очень гибко осуществлять управление микроклиматом путем подбора различных комбинаций режимов работы устройств, что препятствует перегреву помещений и одновременно снижает нагрузку на систему кондиционирования. Однако вряд ли реализация данной функции в отдельном здании позволяет назвать его «интеллектуальным».

Рисунок 7. В зданиях со стеклянными фасадами – с целью избежания перегрева помещений южной ориентации в летнее время – используются специализированные контроллеры, сочетающие в себе функции управления фэнкойлами, освещением и жалюзи. При реализации системы автоматизации на базе этих контроллеров оценивается воздействие солнечной радиации, освещенность, температура, наличие людей в помещении, и в результате обработки этой информации осуществляется управление фэнкойлами, осветительными приборами и жалюзи

Примером реализации концепции «интеллектуального здания» можно считать аэропорт Домодедово. Идеология построения системы автоматизации и диспетчеризации подразумевала использование оборудования различных производителей, объединенное между собой шиной связи. За счет соответствующего программного обеспечения была создана единая база данных, которая, в свою очередь, была подключена к системе управления расписанием полетов, т. е. было создано единое информационное поле. В комплексе аэропорта существуют достаточно высокие требования к системе общеобменной вентиляции, но очень большие площади приводят к значительным расходам воздуха. Была разработана так называемая «концепция оптимизации» – проект оптимизации работы системы. В зависимости от расписания полетов (планирование полетов, естественно, осуществляет специальная служба, никак не связанная со службой эксплуатации инженерного оборудования), рассчитывается условный коэффициент загрузки здания по количеству пассажиров в час (принимается одно из трех состояний этого коэффициента, соответствующих низкой, средней и высокой загрузке), но не всего здания в целом, а отдельных его зон. Изначально были определены пять зон: зона вылета, зона прилета, зона ожидания, две отдельные зоны для международных и внутренних рейсов, а затем эти крупные зоны были разбиты на 27 более мелких подзон, микроклимат которых обеспечивался отдельными установками (зонирование инженерного оборудования). Эта «концепция оптимизации» была предусмотрена еще на стадии проектирования инженерных систем, и оборудование поставлялось с соответствующими функциями (например, вентиляционные агрегаты предусматривались многорежимными). Реализация концепции позволяла гибко управлять инженерными системами в зависимости от нагрузки, благодаря чему возможно, например, в зимнее время уменьшать температуру и отключать вентиляцию помещений, в которых в данный момент нет людей. В результате создания единого информационного поля, интеграции с «третьей стороной» в виде поставщика информации и реализации «концепции оптимизации» затраты энергии на климатизацию данного объекта снизились, по предварительным оценкам, на 7–10 %.

Еще один пример реализации концепции «интеллектуального здания» – одно из офисных зданий в Москве. В этом здании была создана система управления и диспетчеризации инженерного оборудования и офисного освещения. Использовалось оборудование автоматизации трех различных производителей – система управления освещением, автоматика теплового пункта, автоматика прочего инженерного оборудования производилась разными фирмами. Все системы автоматизации были интегрированы посредством протокола LON в единую систему. В рабочее время системы климатизации и освещение включены постоянно. Во внерабочее время или в выходные дни, когда присутствие людей не ожидается, оборудование климатизации работает в дежурном режиме, а освещение отключается. Если в помещении в эти часы находятся люди, их присутствие фиксируется датчиками движения, и по сигналам от этих датчиков включается освещение и соответствующее оборудование в данной зоне в автоматическом режиме, без вмешательства оператора. В то же время на диспетчерский пульт выдается соответствующий сигнал, и оператор может внести коррективы в режимы работы оборудования (например, если проводятся какие-либо работы в большом помещении, то, несмотря на присутствие нескольких рабочих, систему кондиционирования в нем можно отключить).

Особенности автоматизации некоторых видов систем ОВК

В данном разделе будут рассмотрены особенности автоматизации некоторых видов систем ОВК.

Регулирование «по обратному воздуху»

Простая система автоматизации системы вентиляции работает «по притоку», т. е. позволяет контролировать только один параметр – температуру приточного воздуха. В этом случае реальную температуру воздуха в помещении можно прогнозировать с той или иной степенью точности, поскольку сложно точно оценить тепловыделения от людей и разнообразной офисной техники (зачастую на стадии проектирования неизвестно количество людей, которые будут занимать данное помещение, и точный состав офисного оборудования, который к тому же может неоднократно меняться в процессе эксплуатации), теплопоступления с солнечной радиацией (что сейчас очень актуально, поскольку очень широкое применение находит такое архитектурное решение, как полностью стеклянные фасады). В жилых и общественных зданиях в случае механической приточной вентиляции и вытяжная вентиляция обычно проектируется с механическим побуждением. Как правило, температура удаляемого воздуха достаточно точно отражает реальную температуру воздуха в помещении, поэтому в настоящее время популярное решение – регулирование «по обратному воздуху». За счет интегрирования этих установок посредством шины связи, даже если приточные и вытяжные установки расположены в различных частях здания, есть возможность определять температуру удаляемого воздуха и передавать эти данные контроллеру приточной вентиляционной установки, который, в соответствии с заранее заданным алгоритмом, повышает или понижает температуру приточного воздуха (но не выше или ниже некоторых заранее заданных значений). При этом, во-первых, обеспечивается снижение затрат энергии на подогрев или охлаждение приточного воздуха, а во-вторых, обеспечивается повышенное качество микроклимата.

Системы с зональным контролем

При строительстве элитного жилья и офисных помещений высокого класса в Москве и получил распространение так называемый «зональный контроль». В этом случае в здании организуется общеобменная вентиляция, которая обеспечивает приточным воздухом большую часть помещений (нет смысла дробить их на более мелкие зоны, обслуживаемые маленькими системами, т. к. это приводит к удорожанию). Локально посредством доводчиков в каждой отдельной зоне обеспечивается заданная температура воздуха (например, в офисном помещении рядом могут находиться кабинет руководителя и большое офисное пространство, разделенное открытыми перегородками, и требования к микроклимату этих двух зон могут различаться). В качестве доводчиков, как правило, используются системы на базе фэнкойлов, потолочных либо настенных, но могут применяться и иные решения, например, охлаждающие потолки, балки (рис. 8).

Доводчики комплектуются контроллерами (такие контроллеры выпускаются как фирмами-производителями доводчиков, так и фирмами, специализирующимися на производстве систем автоматики), посредством которых и осуществляется управление для установки требуемой температуры в данной зоне.

Рисунок 8. В системах с зональным контролем доводчики, посредством которых в каждой отдельной зоне обеспечивается заданная температура воздуха, комплектуются контроллерами (такие контроллеры выпускаются как фирмами-производителями доводчиков, так и фирмами, специализирующимися на производстве систем автоматики), посредством которых и осуществляется управление для установки требуемой температуры в данной зоне

Системы с переменным расходом воздуха (VAV)

Еще один тип управления параметрами микроклимата – системы VAV (Variable Air Volume) – системы с переменным расходом воздуха. Эта система очень привлекательна с точки зрения экономии энергии. Помимо регулирования температуры воздуха в помещении, эта система обеспечивает заданный перепад давления, что позволяет, например, не допустить перетекания загрязненного воздуха в смежные помещения. Исходя из этого обстоятельства, возможные области применения систем с переменным расходом воздуха – опасные производства, химические лаборатории, больницы. Такая схема широко используется в США, в том числе и для офисных помещений, а в России реализуется достаточно редко. Это связано с тем, что в случае использования такой схемы определенные ограничения накладываются на поставщика воздуха, т. е. на вентиляционную систему. В этом случае необходимо обеспечить требуемое статическое давление в воздуховоде. Зональное регулирование происходит за счет двух исполнительных механизмов в каждой комнате – одного на притоке, одного на вытяжке (рис. 9).

Если в комнате нет людей (что определяется по датчику движения, ручной установкой режима «Не занято» или с диспетчерского пульта и т. п.), то закрываются обе заслонки, воздухообмен при этом равен нулю. В подающем воздуховоде, в свою очередь, начинает нарастать давление, поэтому необходимо устанавливать датчики статического давления. При нарастании давления система начинает сбрасывать обороты, для чего используются приточные улитки с переменным расходом воздуха или инверторное управление. Необходимость использования подобных устройств приводит к усложнению и удорожанию системы вентиляции. Однако такое удорожание быстро окупается за счет экономии энергии на подогрев или охлаждение воздуха.

Рисунок 9. Автоматизация систем с переменным расходом воздуха

Системы с «групповым» контролем

Ранее были распространены фэнкойлы с простым термостатным управлением (соленоидный клапан). Такое управление позволяло обеспечивать заданную температуру воздуха только в одном помещении (технология подключения – один модуль управления на один фэнкойл). Это обстоятельство вызывало определенные проблемы при климатизации помещений очень большого объема, микроклимат в которых обеспечивался несколькими установками. С точки зрения автоматизации помещения большого объема определяются как одна климатическая зона, в которой должен быть один температурный режим, а количество исполнительных механизмов для обеспечения этого режима достаточно большое. В этом случае все исполнительные механизмы оснащаются отдельными контроллерами, связанными между собой общей шиной, но при этом один контроллер работает в режиме «Master», а остальные, соответственно, – в «Slave», т. е. реализуется так называемая «групповая логика». Температурный модуль (модуль управления) устанавливается один на зону, но управляет работой нескольких устройств. Ограничение на общее количество устройств накладывается используемым протоколом. Например, протокол LON позволяет управлять работой до 60 устройств в одном сегменте.

Сопряжение систем автоматизации с системами безопасности

Одной из особенностей построения инженерных систем зданий в нашей стране, связанное, главным образом, с менталитетом, является особое положение службы безопасности объекта. Служба безопасности, как правило, уже на уровне технического задания требует ограничения доступа ко всему, что связано с безопасностью, т. е. инженерные системы отделяются от систем контроля доступа, охранного телевидения и т. д. Зарубежный опыт показывает, что очень выгодно использовать комплексные решения, когда, например, один датчик используется и в системе контроля доступа, и в системе климатизации, и для управления освещением. В настоящее время существующие технологии позволяют гибко реализовать подобную концепцию. В частности, один из объектов в нашей стране, на котором такая концепция реализована, – центральный железнодорожный вокзал одного из областных центров России, где была разработана комплексная система высокого уровня, включавшая, помимо устройств автоматизации и диспетчеризации инженерного оборудования систему безопасности в виде охранного телевидения, охранную систему, пожарную сигнализацию. В итоге на одном мониторе можно отслеживать и параметры работы инженерных систем, «картинку» с охранного телевидения и прочую информацию. В случае, например, возникновения пожара, при срабатывании пожарной сигнализации определена (запрограммирована соответствующими скриптами) вся последовательность действий по локализации возгорания, что значительно уменьшает влияние «человеческого фактора» в данной экстраординарной ситуации. Таким образом, с технической точки зрения система безопасности может быть объединена с системой автоматизации оборудования климатизации. Один аспект подобного объединения – совместное использование датчиков, например, для определения нахождения людей в отдельных зонах.

Второй аспект – система безопасности, она накладывает определенные требования на систему климатизации, например, введение пожарного режима должно привести к отключению систем вентиляции, включению подпора воздуха в задымленную зону и т. д. Как правило, эти функции реализовываются на уровне силовых щитов (релейные цепи), но при этом система автоматизации в обязательном порядке получает дублирующий сигнал о введении пожарного режима, иначе остановка оборудования будет интерпретирована как авария данного оборудования со всеми вытекающими последствиями.

Сопряжение с системой электроснабжения

В процессе проектирования системы автоматизации особое внимание следует уделять сопряжению этой системы с системой электроснабжения здания. Техническое задание на систему автоматизации выдается разработчикам систем автоматизации, но достаточно часто не доводится до сведения разработчиков систем электроснабжения, или разработчик систем электроснабжения не учитывает пожелания разработчиков систем автоматизации. В результате, например, управление освещением осуществляется от одного датчика, никак не связанного по шине связи с общей системой управления, и при выходе этого датчика из строя освещение будет гореть постоянно, а данную неисправность будет сложно оперативно локализовать.

Важным вопросом является качество поставляемой электроэнергии. Производители оборудования автоматизации накладывают определенные ограничения по качеству электроэнергии.

Если в случае использования автономного источника энергоснабжения требуемое качество электроэнергии обеспечить достаточно просто, то при использовании внешнего источника энергоснабжения возможны проблемы с оборудованием. Для предупреждения подобных проблем необходимо осуществлять мониторинг качества электроснабжения путем установки дополнительных датчиков напряжения, силы тока, частоты и т. д.

Инжиниринг и эксплуатация

Большое внимание необходимо уделять инжинирингу (в данном случае под инжинирингом понимается комплекс инженерно-консультационных услуг коммерческого характера по обеспечению установки и ввода в эксплуатацию систем автоматизации). Использование современных технологий привело к тому, что сам процесс пусконаладки становится очень сложен. Просто купив оборудование, с ним ничего нельзя сделать – требуется инжиниринг.

Зачастую оборудование поставляется по относительно низким ценам, но затем больших затрат требует процесс пусконаладки. Необходимое программное обеспечение стоит отдельных денег, и поставляется только производителем оборудования или несколькими уполномоченными компаниями-партнерами. В результате неграмотного инжиниринга может произойти поломка системы, но заказчик в этом случае часто предъявляет претензии к производителю оборудования. На самом деле поломка происходит либо в результате неграмотных действий службы эксплуатации, либо в результате изначально неправильного программирования контроллеров.

После создания проекта, согласования и утверждения всех решений, поставки оборудования необходим монтаж и шеф-монтаж оборудования. Шеф-монтаж включает в себя проверку правильности подключения, правильности установки, поскольку, например, оборудование будет функционировать неправильно, если датчик температуры расположен в «мертвой зоне». Зачастую монтаж и шеф-монтаж выполняют разные организации, шеф-монтаж выполняется организацией, осуществляющей пусконаладку.

В процессе наладки необходимо выдерживать необходимые перепады температуры и т. д., но это возможно только когда объект находится под нагрузкой (динамическая наладка).

Основным потребителем тепловой энергии являются системы вентиляции и кондиционирования, т. е. для рассматриваемых комплексов даже не жилая часть, а помещения общественного назначения (офисы, аквапарк, магазины и т. д.). Когда завершен шеф-монтаж, осуществляется предварительный пуск в ручном режиме – проверяется работа, правильность направления вращения вентиляторов, насосов и т. д., затем механическая обкатка в течение 72 часов на предмет натяжки ремней, после чего передается пусконаладочной организации для динамической пусконаладки, когда осуществляется подбор и выставление необходимых параметров, регулирование и т. д. В случае необходимости параметры могут поддерживаться с точностью ±0,1 °С по воздуху и ±1,0 °С по воде. Неграмотный монтаж и пусконаладка, как отмечалось выше, могут привести к выходу оборудования из строя. Все эти факторы повышают требования к пусконаладочной организации и в то же время к службе эксплуатации, поскольку эксплуатировать оборудование становится все сложнее.

В идеальном случае даже такие крупные объекты, как рассматриваемые высотные жилые комплексы, могут управляться всего пятью операторами, по числу подразделений: подразделения тепло- и холодоснабжения, электроснабжения, системы ОВК, водоснабжение и водоотведение, прочие системы. В этом случае, однако, квалификация этих пяти специалистов должна быть очень высокой. Можно установить сервер с базой данных, в которой аккумулируется вся информация по всем упомянутым системам. К серверу подключается сколь угодно большое число рабочих станций. Рабочая станция позволяет отображать для оператора лишь ту информацию, которая необходима именно для его области, т. е. реализуется разграничение доступа. Время реакции системы в настоящее время исчисляется секундами, и, помимо этого, имеется возможность прогнозирования нештатных ситуаций и принятия соответствующих превентивных мер.

Например, один из самых важных опасных режимов – «Угроза замораживания»; использование системы автоматизации позволяет на нескольких уровнях предотвратить эту угрозу (путем остановки системы, открывания дополнительных клапанов и т. д.). Может быть организовано оповещение специалистов службы эксплуатации, например, посредством отсылки SMS-сообщений или пейджинговой связи. В любом случае сведения об аварийной ситуации, реакции системы, реакции службы эксплуатации на эту аварийную ситуацию будут занесены в «Журнал аварий». Эта информация в ряде случаев может помочь в разрешении спорных ситуаций, например, претензий жильцов или арендаторов.

Большую роль в обеспечении правильной работы систем климатизации и автоматизации играет правильное и своевременное сервисное обслуживание. На подобных объектах обязательно должна быть организована служба эксплуатации заказчика, которая и будет осуществлять эксплуатацию оборудования.

Обучение специалистов службы эксплуатации проводит, как правило, организация, осуществляющая пусконаладку. Есть еще одна возможность – удаленный мониторинг работы оборудования. В этом случае сторонняя организация (например, организация, осуществлявшая пусконаладку) может заключить контракт на мониторинг и наблюдать за ситуацией на объекте из собственного офиса.

Некоторые современные контроллеры изначально поддерживают IP-протоколы и имеют веб-интерфейс – точку доступа RJ-45. Это позволяет, имея логин и пароль, из любой точки, где есть доступ в Интернет, отслеживать режимы работы с системой и производить с ней какие-либо действия. Как правило, в этом случае поддерживаются пять различных уровней доступа – от оператора, который может только отслеживать информацию, до администратора, который может осуществлять любые воздействия над системой.

Пример использования систем автоматизации и диспетчеризации в высотных жилых комплексах

Системы автоматизации комплексов «Алые Паруса», «Воробьевы Горы», «Триумф Палас» похожи по комплектности, используемым инженерным решениям, функциям. Различаются емкостью – больше или меньше систем. В большинстве случаев применяются комбинированные силовые шкафы, что позволяет повысить надежность и снизить себестоимость инсталляции и пусконаладки. Оборудование автоматики и программное обеспечение EBI (Enterprise Building Integrator) фирмы «Honeywell», интегрированных систем нет. Системы безопасности выделены в независимые потоки. Все решения были отработаны на первом объекте, проработаны, приняты, и в дальнейшем применялись и на других объектах.

Системы вентиляции и кондиционирования с точки зрения автоматизации относительно несложные. Все проблемы, вызванные большой протяженностью систем по вертикали, решаются главным образом посредством механических систем. Например, зонирование высотных зданий по вертикали приводит к разделению инженерного оборудования, что, в свою очередь, с точки зрения системы автоматизации, подразумевает несколько каскадов регулирования на разных отметках.

В жилых помещениях используются системы общеобменной вентиляции, системцентрального кондиционирования нет. Центральные СКВ используются в ряде помещений общественного назначения. В отдельных зонах, например в торговом центре, используется зональное регулирование.

Особенностью этих комплексов являются очень сложные тепловые пункты, к автоматизации которых предъявляются самые высокие требования.

Для автоматизации тепловых пунктов поставщики оборудования зачастую предлагают комплексные решения, например, насосную станцию, работающую в автономном режиме, которую нужно только смонтировать и подключить. Здесь от подобных решений ушли. При проектировании определялась компоновка систем, рассчитывалось количество насосов, их мощность, и в дальнейшем реализовывалась достаточно сложная схема управления. Например, управление группой из четырех насосов осуществляется всего одним инвертором, соответственно, индивидуально разрабатывался проект электрического шкафа, его реализация на базе свободного программирования. В результате эти насосы могут работать в любом режиме, все четыре, каскадное управление, резервирование (два насоса рабочих, два резервных либо один рабочий и три в резерве, меняются каждую неделю) и т. д. Используется один инвертор необходимой мощности в качестве разгонного – его посредством разгоняется насос, если мощности насоса недостаточно для поддержания давления, насос переводится на максимальную мощность, а тем же самым инвертором начинает разгоняться второй насос.

Такие функции реализованы и в вышеупомянутых комплексных решениях поставщиков оборудования, но там они реализованы на уровне контроллеров (фиксированная логика), и нельзя, например, ввести временные задержки, нельзя контролировать удаленно процесс работы, максимум – можно получить сигнал аварии.

В данном случае можно отслеживать (с учетом обвязки), например, загрязнение теплообменников, перепады давлений на грязевиках, напорное давление и т. д., т. е. все прогнозируемые варианты в принципе реализуемы. Для управления и контроля за работой технологического оборудования инженерных систем ЦТП комплекса «Триумф Палас» используется оборудованиефирмы «Honeywell» в составе контроллеров XCL5010 с распределенными модулями входа/выхода, периферийных приборов и средств автоматики (датчики давления, температуры, электромеханические приводы, клапаны, реле перепада давления и т. д.).

Контроллеры Excel 500 размещаются в совмещенных шкафах автоматики, установленных в технических помещениях теплового пункта.

В совмещенных шкафах помимо контроллеров устанавливается пусковая аппаратура. Контроллеры Excel 500 соединяются между собой шиной передачи данных «С-bus». Периферийные приборы и средства автоматики устанавливаются на технологическом оборудовании инженерных систем в местах, удобных для монтажа, эксплуатации и обеспечения максимальной точности показаний.

Автоматизируется инженерное оборудование ЦТП (узел ввода теплоносителя, теплообменники и циркуляционные насосы), оборудование станции поддержания давления всех систем, насосы системы снеготаяния, насосы и клапана системы заполнения дренажных приямков и т. д. Контролируется давление в сети прямой и обратной воды, на теплообменниках, на фильтрах, во вторичных контурах, температура сетевой воды, во вторичных контурах, на теплообменниках, перепад давления на насосах, состояние двигателей насосов, состояние датчика перегрева двигателя и т. д.

 

Продолжение следует.

Статью о конкретных технических решениях по автоматизации высотных комплексов читайте в следующем номере журнала «АВОК».

Ваши отзывы и вопросы по данному материалу присылайте по электронной почте на hb@abok.ru.

Тел. (095) 921-80-48