Интеллектуальные здания

Ю. А. Табунщиков, Президент АВОК, профессор, член-корр. РААСН

Sustainable Building (жизнеудерживающее здание), Energy-efficiency Building (энергоэффективное здание), Intelligent Building (интеллектуальное здание), Bioclimatic Architecture (биоклиматическая архитектура), Healthy Building (здоровое здание) - это направления в архитектуре и инженерии зданий, которые до настоящего времени не имеют строгих определений, научные основы только создаются, но сами направления реализованы в большом числе строительных объектов, в застройках районов городов и сельских мест. Реализованы в развитых странах, но не в России. Однако, даже в развитых странах строительство таких зданий все еще остается занятием элитным. Объяснением этому может быть следующее:

• низкая стоимость традиционных источников энергии без учета интересов последующих поколений и заботе об окружающей природной среде способствует расточительности ее использования;
• потребители не готовы к значительному повышению оплаты за качество комфорта среды обитания, включая в это понятие комплекс современных технических средств управления, контроля и связей (системы жизнеобеспечения и управления зданием);
• не сформировалась наука о микроклимате помещений и ее содержание "не овладело широкими массами" потребителей, а остается заботой группы специалистов.

Жизнеудерживающие здания

На сегодняшний день "жизнеудерживающие здания" включают в себя составными частями все другие типы перечисленных выше зданий (рис. 1). Здесь важным является установление идеологии взаимопроникновения и взаимосвязи между разными типами зданий, например, между энергоэффективными и интеллектуальными зданиями. В журнале "АВОК" (№ 1, 1998) было отмечено, что энергоэффективное здание не есть простое суммирование энергосберегающих решений в одном объекте, а есть результат выбора с помощью системного анализа на основе математического моделирования совокупности взаимосвязанных технических решений, наилучшим образом отвечающих цели энергосбережения. С другой стороны, математические модели, используемые при проектировании здания, могут и должны стать основой функционирования систем управления и контроля интеллектуального здания.

Будет полезным привести здесь определения интеллектуального здания, данные различными фирмами, так как они дополняют и развивают друг друга, рассматривают объект с различных позиций и в результате создают достаточно законченную картину для заинтересованного специалиста.

Рисунок 1. Схема жизнеудерживающего здания

Интеллектуальные здания. Умные дома

"Понятие "интеллектуальное здание" ("умный дом") родилось в США в начале 1980-х годов и очень быстро стало модным. Пока специалисты ломали головы над его концепцией, строители и инвесторы спешили объявить таковым любую постройку, где установлена система контроля доступа или пожарная сигнализация. Конечно, элементы интеллектуальности сегодня присущи почти любому строению. Но все-таки интеллектуальное здание - понятие совсем иного масштаба. Создание оптимальной среды для бизнеса, обеспечение комфортных условий деятельности, снижение расходов на эксплуатацию - это основные критерии концепции интеллектуального здания".

"Если отвлечься от рекламных лозунгов, то интеллектуальным следует называть здание, оснащенное средствами автоматического контроля над всеми системами жизнеобеспечения"

"По мнению специалистов нашей компании, одним из основных компонентов интеллектуального здания является система автоматизированного управления эксплуатацией здания. Автоматизированная система управления эксплуатацией здания - это комплекс программно-аппаратных средств, основной задачей которого является обеспечение надежного и гарантированного управления всеми системами, находящимися в эксплуатации здания, и исполнительными устройствами. Система способна за счет полной неразобщенной информации от всех эксплуатируемых подсистем, будь то пожарно-охранная, система теленаблюдения, ЛВС, телефония, водоснабжение, электропитание, кондиционирование и т. д., принять правильное решение и выполнить соответствующее действие, проинформировать соответствующую службу о событии. Система открыта для дальнейших накладываемых на нее функций и добавления интеллектуальности".

"В настоящее время в компьютерном и телекоммуникационном бизнесе существует понятие "интеллектуальное здание". Сразу необходимо заметить, что "интеллектуальное здание" - не очень точный перевод английского термина "intelligent building". В данном контексте слово "intelligent" (буквально - "разумный") следует понимать скорее в смысле умения распознавать определенные ситуации и каким-либо образом на них реагировать (естественно, степень этого умения может быть различной, в том числе очень высокой)".

Определение интеллектуального здания

"Для начала дадим краткое определение интеллектуального здания с точки зрения кабельной системы. Это здание с единой кабельной архитектурой, обеспечивающей циркуляцию всего потока информации: телефонию, передачу данных в локальной сети, видео и других данных вплоть до больших систем жизнеобеспечения и управления зданием.

Под системами жизнеобеспечения здания понимаются:

• телефонно-компьютерная сеть;
• контроль доступа в помещения;
• пожарная безопасность здания;
• дозиметрический контроль;
• управление отоплением, кондиционированием и вентиляцией;
• видеонаблюдение в целях безопасности;
• возможность проведения видеоконференций"

"Сразу необходимо заметить, что "интеллектуальное здание" - не очень точный перевод английского термина "intelligent building". В данном контексте слово "intelligent" (буквально - "разумный") следует понимать скорее в том смысле, в каком оно употребляется, например, в словосочетании intelligent port controller. Иными словами, под интеллектом понимается умение распознавать определенные ситуации и каким-либо образом на них реагировать (естественно, степень этого умения может быть различной, в том числе очень высокой). Русский термин имеет более широкое значение, нежели оригинал, поэтому не спешите разочаровываться, узнав, что именно предлагает интегратор"

"Интеллектуальное здание (IB - Intelligent Building) представляет собой комплекс организационных, инженерно-технических мероприятий и программных средств, направленных на создание высокоэффективной экономичной инфраструктуры обслуживания комплекса, максимально отвечающей потребностям пользователей и владельцев этого здания"

"Интеллектуальным зданием мы будем называть сооружение, в котором при помощи специальных технических средств созданы идеальные климатические и профессиональные условия труда персонала, обеспечивается необходимый уровень защиты от стихийных бедствий и несанкционированного доступа, максимально рациональным образом расходуются имеющиеся энергетические и коммунальные ресурсы".

Понятие "Интеллектуальное здание" еще не имеет точного толкования, но большинство людей, которые используют его, воспринимают это как автоматизированную техническую систему, которая:

• "чувствует", что происходит внутри здания и снаружи;
• "реагирует" таким образом, чтобы наиболее эффективным способом обеспечить безопасное и комфортабельное пребывание в нем, сведя до минимума потребление энергии и энергоресурсов;
• "взаимодействует" с людьми посредством применения простых и легко доступных средств общения.

Термин "здание" обобщает:

• квартиру/жилой коттедж (ЖК);
• жилой дом/гостиницу (ДГ);
• здания общего пользования (03): - офисы, детские, учебные, медицинские, культурно-просветительные заведения, административные здания, места торговли и пр.;
• помещения и сооружения производственного (цех, участок...) и непроизводственного (склад, стоянка...) назначения (ПН).

"Интеллектуальное здание" является продуктом современного развития существующих систем автоматики в зданиях в направлении:

• комплексной оптимизации использования ресурсов; повышения гибкости конфигурирования и снижения общей стоимости владения;
• интеграции с широким спектром технологического и телекоммуникационного оборудования;
• упрощения ("очеловечивания") взаимодействия с пользователем".

На рис. 2 приведены компоненты интеллектуального здания. Принципиально важным является понимание того, что каждый элемент интеллектуального здания должен являться интеллектуальным элементом, то есть при его проектировании использована методология, которая будет "заставлять" этот элемент стремиться к выбору оптимального решения в эксплуатации, но, конечно, с учетом влияния других элементов на него и его влияния на другие элементы. Понятно, что здесь имеется в виду методология системного анализа. Следствием этого является возможность создания интеллектуальных элементов интеллектуального здания по разным направлениям, а затем их объединения на основе системного анализа.

Рисунок 2. Компоненты интеллектуального здания

Одним из компонентов интеллектуального здания является управление системами отопления вентиляции и кондиционирования воздуха - предмет нашей специальности. В мировой практике, включая российскую, накоплен значительный опыт проектирования систем ОВК как элемента интеллектуального здания. Практически отсутствует информация по разработке интеллектуального элемента системы ОВК эксплуатируемого здания.

На Автомобильном заводе АЗЛК при научном руководстве автора статьи успешно осуществлена реконструкция системы теплоснабжения, задачами которой являются:

• обеспечение существенной экономии энергии, затрачиваемой на отопление и вентиляцию производственных помещений;
• повышение качества теплового комфорта;
• повышение качества контроля технического состояния оборудования системы;
• создание банка возможных аварийных ситуаций, их диагностики и рекомендаций по ведению технологического процесса - теплоснабжения здания и работе обслуживающего персонала в этих условиях, то есть разработка интеллектуального элемента системы ОВК эксплуатируемого здания.

Корпус производственного здания представляет в плане прямоугольник длиной 576 м и шириной 220 м, на которых 50 м занимает одноэтажная часть и 170 м - двухэтажная. К зданию примыкают 4 бытовых корпуса, соединенных с ним переходами. Двухэтажная часть имеет высоту 20 м и объем 2 млн. м³, одноэтажная - высоту 15 м и объем 0,5 млн. м³. Кровля здания плоская с горизонтальными световыми проемами. Суммарная площадь боковых ограждений - 31 240 м², из которых площадь наружных стен - 16 967 м². Площадь двойного остекления в металлическом переплете 2 827 м², одинарного остекления 11 446 м². Площадь стен составляет 53%, а площадь остекления - 47% площади боковых ограждений. В здании расположены цехи: гальванический, окраски, кузовной, испытаний, транспортный, участок зарядки аккумуляторов, склад деталей смежных поставок, участок зарядки и ремонта электропогрузчиков и др.

Источником теплоснабжения является ТЭЦ № 8 "Мосэнерго". Отпускается перегретая вода от ТЭЦ по центральному качественному регулированию по отопительному графику. Отопление здания осуществляется двумя системами: через приточную вентиляцию и дежурное отопление рециркуляционными отопительными агрегатами. К каждому цеху от теплового пункта подходят два магистральных теплопровода. Наружный воздух очищается в приточных камерах, нагревается и при необходимости увлажняется. Количество теплоты, подаваемой в помещение от отопительно-вентиляционных агрегатов, регулируется в соответствии с проектом, т. е. происходит качественное регулирование по показаниям датчика, измеряющего температуру приточного воздуха.

Приточные камеры размещены в двух зонах. Забор наружного воздуха осуществляется по фасаду здания и над кровлей. Воздух от приточных камер поступает в общий коллектор, расположенный под потолком междуэтажного перекрытия. Каждый коллектор объединяет от 2 до 8 приточных камер. Всего установлены 44 приточные камеры производительностью 200 тыс. м³/ч каждая. Удаление воздуха из помещений осуществляется крышными вентиляторами.

Реконструкция системы теплоснабжения включает следующие работы:

• дооборудование отопительно-вентиляционных агрегатов устройствами для регулирования количества приточного воздуха;
• устройство узла смешения, обеспечивающего регулирование температуры воды, подаваемой к калориферам отопительно-вентиляционных агрегатов устройствами для регулирования количества приточного воздуха;
• устройство узла смешения, обеспечивающего регулирование температуры воды, подаваемой к калориферам отопительно-вентиляционных агрегатов, за счет подмешивания охлажденной воды из обратного теплопровода;
• создание автоматизированной системы управления тепловым режимом производственных помещений.

Отопительно-вентиляционные агрегаты, оборудованные устройствами для регулирования количества приточного воздуха, обеспечивают экономию энергии за счет снижения кратности вентиляционного воздухообмена в помещениях в праздничные, воскресные дни и нерабочие ночные часы, снижения количества подаваемого в помещения нагретого воздуха в результате учета в воздушном балансе фильтрационного воздуха при обеспечении нормативного воздухообмена.

При разработке математической модели формирования теплового режима производственного здания АЗЛК избран системный подход, который позволяет рассматривать систему "отопительная установка - объект" как взаимосвязанную нелинейную систему с переменной структурой. Математическая модель представляет собой систему уравнений теплового баланса, описывающую воздухообмен, технологические теплопоступления, наружные климатические воздействия, теплопотери через наружные ограждения за счет теплопроводности и путем фильтрации наружного воздуха, теплосодержание технологического оборудования, изделий и внутренних конструкций, процессы теплообмена в калориферах.

Пакет специализированных программ делится на три группы: оптимизирующие, основные рабочие и вспомогательные обслуживающие системы.

Программа оптимизации расхода теплоты на отопление выполняет две основные функции: периодически вычисляет расход теплоты, необходимой для поддержания заданного микроклимата в отдельных местах здания в рабочее время, и определяет режим снижения температуры в нерабочие часы и повышения ее до заданного значения в рабочие часы.

Программа-наблюдатель позволяет следить за развитием процесса в течение длительного времени, выдает сообщения об отклонении за верхнюю или нижнюю границы заданных параметров. Получаемая информация необходима для контроля и оценки работы системы.

Программа тревоги реагирует на различные аварийные ситуации (выход из строя отопительно-вентиляционного оборудования и автоматики, разбитые стекла и т. д.) и диагностирует их. Программа пуска и включения регулировочных отопительных устройств работает совместно с программой оптимизации и использует сведения о конкретных регулировочных исполнительных механизмах.

Рабочая программа осуществляет связь оператора с системой в форме диалога. С помощью этой программы можно изменить режим работы системы, а также получить различную информацию о ее работе.

Программы учета работы исполнительных механизмов накапливают сведения о часах их работы и сообщают о неисправностях, а также о сроках профилактических работ.

Программы вычисления общего расхода энергии и накопления этого расхода во времени получают и накапливают сведения за день, за неделю, за месяц и т. д.

Программа составления отчета ведет статистику данных измерений и вычислений, а также состояния оборудования отопления и вентиляции, печатает отчеты ежедневно, еженедельно, ежемесячно о средних, минимальных и максимальных значениях, аварийных сигналах, расходах, экономии энергии и пр.

Рекомендуется следующая методология:

1. Основой для разработки интеллектуального элемента для систем ОВК производственных зданий является структурно-информационная схема, определяющая совокупность объектов управления, датчиков, устройств управления, в том числе вычислительных и других, управляющей вычислительной машины, исполнительных и регулирующих устройств, устанавливающих необходимые информационные связи между ними.
2. При проектировании интеллектуального элемента следует исходить из общих требований автоматизированных систем управления технологическими процессами к точности и скорости выполнения операций ввода с объекта управления измерительной информации, к структуре устройств связи управляющей вычислительной машины с объектом управления, к параметрам аппаратуры нормализации, коммутации, передачи и преобразования сигналов, к методам борьбы с помехами, к алгоритмам и программам процедур передачи и преобразования информации.
3. Для управления тепловым режимом производственного здания наиболее целесообразной является структура управления, при которой отдельные параметры теплового режима регулируются соответствующими автоматическими устройствами, а управляющая вычислительная машина, обрабатывая измерительную информацию, рассчитывает и оптимизирует установки. При такой структуре управления обеспечивается достаточная надежность системы в целом, так как работоспособность системы сохраняется и при отказах управляющей вычислительной машины. Кроме того, при такой структуре может быть использована более простая управляющая вычислительная машина, снижаются требования к ее быстродействию и другим характеристикам, появляется возможность практической реализации более эффективных алгоритмов оптимизации процесса, требующих большего объема вычислений.
4. Измеряемыми нерегулируемыми параметрами окружающей среды являются температура и влажность наружного воздуха, скорость и направление ветра, атмосферное давление, солнечная радиация, температура и давление воды в подающем трубопроводе тепловой сети, температура и давление пара в тепловой сети.
5. Измеряемыми выходными параметрами, характеризующими тепловой режим, являются температура воздуха, относительная влажность воздуха, скорость движения воздуха в рабочих зонах, СО₂ и др.
6. Измеряемые выходные параметры, по которым непосредственно или расчетом можно определить эффективность управления: температура и давление воды в обратных трубопроводах, расход теплофикационной воды, холодной воды и пара, расход электроэнергии.
7. В качестве регулируемых параметров, которые измеряются соответствующими исполнительными механизмами, рассматриваются температура приточного воздуха, температура горячей воды после подмешивающих насосов, количество приточного воздуха.
8. Для помещений, в которых могут выделяться аварийные количества взрывоопасных газов и паров, образующих взрывоопасные смеси, должны устанавливаться газоанализаторы, сблокированные с устройствами световой сигнализации, оповещающей о наличии в воздухе помещения концентрации вещества, достигающей 20% нижнего предела взрываемости, или автоматические газоанализаторы, сблокированные с устройством для пуска систем, используемых для аварийной вентиляции при наличии такой концентрации.
9. Программное обеспечение системы должно состоять из операционной системы ЭВМ, предусматривающей возможность работы в реальном времени, в диалоговом режиме, и программного пакета системы. Программами системы должна быть обеспечена также возможность их трансляции, редактирования, компоновки и отладки. В операционную систему должны быть включены средства, связанные со службой времени, т. е. ожидание заданного момента времени для запуска процесса и управление работой устройств связи с объектом, а также средства работы с файлами, хранящимися во внешней памяти ЭВМ.
10. Программный пакет должен быть представлен в виде отдельных взаимосвязанных подпрограмм. Большие подпрограммы следует сегментировать с целью вмещения их в заданный объем оперативной памяти ЭВМ.
11. Программный пакет предназначен для управления работой всей системы. Он делится на оптимизирующие программы, основные рабочие программы и вспомогательные программы обслуживания системы.

О самообучающейся системе

Оригинальным способом повышения адекватности математической модели управления тепловым режимом является ее преобразование в самообучающуюся модель (Система управления микроклиматом. Авторское свидетельство № 3418101/29-06).

Реконструкция системы теплоснабжения АЗЛК как интеллектуального здания обеспечила до 20% экономии затрат энергии за отопительный период и была осуществлена без существенных капитальных вложений и остановки технологического производственного процесса; окупаемость мероприятий по реконструкции была обеспечена за 5,4 месяца.