Актуальными задачами энергосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве являются: обеспечение надёжной бесперебойной работы инженерных систем и сетей, оперативное реагирование и устранение аварийных ситуаций, автоматизированный диспетчерский контроль и автоматическое регулирование потребления энергоресурсов.
Эффективно решать на практике такие задачи позволяет программно-технический комплекс (ПТК) «ПолиТЭР» (см. интернет-ресурс политэр.рф), разработанный НПП «Политех-Автоматика».
Данный комплекс активно применяется на объектах ЖКХ и промышленных предприятиях [1], включая инженерные сети тепло-, водо-, электро-, газои пароснабжения. При этом возможно объединение функций коммерческого учёта и диспетчерского управления потреблением энергоресурсов в режиме реального времени в рамках единой автоматизированной системы (АСДУ и АИИСКУЭ).
В ПТК «ПолиТЭР» поддерживаются все наиболее распространённые типы и марки приборов учёта и контроллеров, перечень которых постоянно расширяется. Использование единой системы для комплексного контроля над всеми потребляемыми энергоресурсами не только снижает капитальные затраты на внедрение системы диспетчеризации, но также сокращает количество обслуживающего персонала и уменьшает стоимость эксплуатации системы.
Полученные решения отличаются доступными ценами и являются привлекательным, как для небольших организаций, например, ТСЖ или управляющих компаний сферы ЖКХ, так и для крупных предприятий. Такие системы легко масштабируются от нескольких узлов до масштабов целого города: необходимо лишь приобрести лицензии на требуемое количество точек. В масштабах города или района ПТК «ПолиТЭР» позволяет создавать ситуационные центры контроля потребления энергоресурсов и мониторинга энергетической эффективности объектов жилищно-коммунального хозяйства.
Программное обеспечение АСДУ «ПолиТЭР» построено по модульному принципу и включает ряд компонентов: службу опроса, базу данных, клиентское приложение, web-сервер, службу оповещения по SMS и Email. Пользователям системы предоставляется возможность самостоятельно создавать мнемосхемы любой сложности, просматривать графики изменения выбранных параметров, выводить отчёты произвольной формы на основе создаваемых пользователями шаблонов.
На рис. 1 показан пример мнемосхемы управления АИТП здания.
Упреждающее управление тепловым режимом здания
Погодное регулирование отопления (по температурному графику в зависимости от температуры наружного воздуха) является хорошо известным, достаточно надёжным и получившим широкое распространение в России способом регулирования тепла у коммунальных потребителей. Однако данный способ не является оптимальным с точки зрения энергоэффективности: при его использовании неизбежны как статическая ошибка регулирования, связанная с неточностью составления температурного графика, так и динамические ошибки, связанные с влиянием на здание различных возмущающих факторов.
В результате, как правило, температурный график отопления задаётся несколько завышенным, что приводит к избытку тепла, подаваемого в систему отопления, и превышению нормы температуры воздуха в помещениях [2].
Эффективным решением проблемы «перетопов» и больших суточных колебаний температуры воздуха является применение методов модельно-упреждающего управления, позволяющий осуществлять регулирование отопления в здании на основе прогнозных оценок параметров процесса и его технико-экономических показателей. Такими оценками для систем отопления могут быть: температура воздуха в помещении, температура наружного воздуха, тепловая мощность внешних и внутренних возмущений.
На рис. 2 показана обобщённая структурная схема системы модельно-упреждающего управления.
Модуль упреждающего управления тепловым режимом здания «ПолиТЭР-Энерго» в рамках ПТК «ПолиТЭР» позволяет учитывать не только температуру наружного воздуха, но и действие иных возмущающих факторов, влияющих на здание: ветра, солнечной радиации, теплопоступлений от внутренних источников (пребывание людей, работа электроприборов), а также теплоаккумулирующую способность ограждающих и внутренних конструкций (рис. 3) [3, 4].
В результате компенсируется влияние данных факторов, снижаются суточные колебания температуры воздуха в здании (рис. 4).
Также модуль упреждающего управления позволяет оперативно уточнить температурный график, а именно — скорректировать температуру подаваемого в систему теплоносителя с учётом естественного износа здания и системы отопления, проводимых энергосберегающих мероприятий и модернизации оборудования.
В результате удаётся полностью скомпенсировать статическую ошибку регулирования, то есть исключить негативное явление постоянных «перетопов» или недогревов (рис. 4).
В основе разработанного модуля упреждающего управления лежит модель обратной динамики теплового режима здания. Основная проблема при учёте влияющих на систему отопления здания возмущений — инерционность теплогидравлических процессов: эффект от влияния возмущающего фактора наблюдается с некоторой задержкой во времени, а компенсировать его влияние требуется в момент действия возмущающего фактора. Модель обратной динамики компенсирует динамику объекта и позволяет в реальном времени прогнозировать изменение температуры в помещении под влиянием различных возмущений.
Преимущества алгоритма упреждающего управления «ПолиТЭР-Энерго», делающие его лёгким и доступным в эксплуатации, включают в себя:
- не требует модернизации системы отопления, так как реализуется в рамках стандартного автоматизированного индивидуального теплового пункта (АИТП) здания;
- использует в работе минимальный набор данных, доступных в любом АИТП, дополнительно устанавливаются только датчики температуры в нескольких контрольных помещениях;
- не требует специальных знаний, конфигурируется в несколько простых шагов в течение нескольких минут, далее запускается процесс автоматической настройки;
- даже в случае неправильного конфигурирования нет угрозы «разморозки» системы, так как базовое регулирование осуществляется по температурному графику, а допустимые пределы коррекции определяются пользователем.
Таким образом, алгоритм упреждающего управления тепловым режимом здания позволяет при минимуме затрат получить дополнительную экономию тепловой энергии на имеющемся оборудовании теплового пункта.
Распределённый мониторинг микроклимата и параметров системы отопления
Одной из ключевых проблем при реализации регулирования по температуре воздуха в здании является выбор представительного помещения для установки датчика температуры внутреннего воздуха. Кроме внешних климатических факторов, существенное влияние оказывает человеческий фактор: помещения одного здания различаются режимом использования, вносится погрешность от открывания окон, работы электрооборудования, присутствия человека. В результате установка одного и даже двух датчиков не позволяет объективно оценить микроклимат здания в целом [5].
Увеличение количества датчиков сопряжено с необходимостью прокладки большого количества проводов и, как правило, не предусмотрено в типовых решениях для управления отоплением. Другой важной задачей является правильная балансировка системы, для чего требуется контроль температуры обратной воды на отдельных стояках и ветвях системы отопления. Кроме того, контроль температуры обратной воды совместно с контролем температуры воздуха в помещениях позволяет выявлять неэффективное расходование тепловой энергии [6].
В современных условиях эти задачи решаются путём развёртывания на объекте распределённой системы беспроводного сбора данных с применением технологии «интернета вещей», например, на базе ПТК «ПолиТЭР», разработанного НПП «Политех-Автоматика». Комплекс включает беспроводные датчики и измерительные преобразователи серии «БИП» для контроля различных технологических параметров (температуры воздуха и влажности в помещениях, температуры теплоносителя и наружного воздуха), а также датчики затопления и модули для подключения приборов индивидуального учёта.
Все устройства работают от автономных элементов питания в течение 5–10 лет и обладают высокой энергоэффективностью, что позволяет обеспечить передачу измерений с периодичностью не реже одного раза в час. Для сбора данных с беспроводных устройств применяются контроллеры беспроводной сети (базовые станции) серии «БИП-К» [7].
Предлагаемое решение позволяет в рамках существующей системы диспетчерского контроля на базе ПТК «ПолиТЭР» решать задачи мониторинга микроклимата здания, контроля качества отопления, выявления протечек и затопления, а также осуществлять интеллектуальную балансировку системы отопления в режиме реального времени, что особенно актуально в зданиях с индивидуальным «порадиаторным» регулированием теплоснабжения.
Системы распределённого мониторинга на базе ПТК «ПолиТЭР» могут решать необходимые задачи на самых разных объектах, будь то промышленное предприятие, административное здание, многоквартирный дом или индивидуальный коттедж.
На сегодняшний день беспроводные устройства серии «БИП» с модулем «ПолиТЭР» внедряются на ряде объектов, в том числе в университетах и на крупных промышленных предприятиях.
В качестве примера рассмотрим применение ПТК «ПолиТЭР» в двух российских университетах.
ПТК «ПолиТЭР-Энерго» в ЮУрГУ
Система распределённого мониторинга на базе ПТК «ПолиТЭР» внедрена в эксплуатацию и успешно функционирует в комплексе зданий Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ). С использованием беспроводных устройств «БИП-Т» осуществляется мониторинг температуры воздуха в помещениях ряда корпусов университета, а также контроль температуры «обратной» воды на стояках корпуса №3БВ ЮУрГУ (рис. 5).
В результате работы системы были подтверждены проблемы системного характера (разбалансировка и засорение системы отопления), локализован ряд проблем, связанных с неэффективностью отдельных помещений, существенно уменьшен разброс значений температур воздуха между «холодными» и «жаркими» помещениями [8]. Это также способствовало определению планов по энергосберегающим мероприятиям.
ПТК «ПолиТЭР-Энерго» в МЭИ
ПТК «ПолиТЭР-Энерго» также используется для мониторинга температуры воздуха в помещениях корпусов М и Научно-технической библиотеки (НТБ) Национального исследовательского университета «МЭИ». На сегодняшний день установлены беспроводные датчики температуры воздуха в помещениях, полученные данные используются при планировании энергосберегающих мероприятий, а также в научных работах аспирантов и докторантов университета [9].
Данная система внедряется поэтапно и в перспективе предполагает комплексный анализ и управление микроклиматом и энергоресурсами указанных зданий.
На первом этапе внедрения были установлены беспроводные температурные датчики, приборы учёта тепловой энергии, организован сбор данных на сервере АСДУ здания. Полученная информация представляет самостоятельную ценность, анализ которой позволяет понять проблемы системы энергоснабжения здания. Так, в летний период только в течение одной недели температура в исследуемых помещениях колебалась в диапазоне от 18 до 29 °C, что является некомфортным для сотрудников и студентов МЭИ, которые находятся в этих помещениях в течение всего рабочего дня.
Предполагается дальнейшее развитие данной системы и её использование в исследовательских целях в течение учебного года и отопительного сезона 2018–2019 годов. В последующем при реконструкции ЦТП корпуса М планируется вывести ПТК «ПолиТЭР» в режим управления тепловым состоянием здания [10].
В дальнейшем возможно его расширение до комплексной системы управления энергоснабжением здания.
Оперативный анализ эффективности потребления тепловой энергии
Для контроля функционирования систем теплоснабжения зданий в ПТК «ПолиТЭР» реализован модуль оперативного анализа эффективности потребления тепловой энергии (рис. 6) [11]. Особенностью разработанного модуля является применение для расчёта экономии и нормативов потребления энергоресурсов принципов «Международного протокола измерения и верификации эффективности» (IPMVP, см. интернет-ресурс evo-world.org) — признанного во всём мире и успешно применяемого инструмента верификации данных по экономии энергоресурсов.
Для контроля и анализа потребления тепловой энергии в ПТК «ПолиТЭР» используется статистическая модель энергопотребления здания, которая ежедневно актуализируется на основании новых данных эксплуатации, получаемых с использованием приборов учёта. При этом применение статистической модели в соответствии с предлагаемым в IPMVP подходом позволяет корректно оценивать экономию и оперативно рассчитывать норму потребления энергоресурсов с учётом изменения температуры наружного воздуха.
В модуле оперативного анализа также реализованы различные функции анализа качества теплоснабжения. В частности, наиболее востребованными в программно-техническом комплексе «ПолиТЭР» являются следующие функции:
- контроль технологических параметров (давления в трубопроводах, температуры и расход теплоносителя) по задаваемым пользователем уставкам и допускам;
- контроль соблюдения температурных графиков, задаваемых пользователем, в зависимости от температуры наружного воздуха;
- контроль разности расходов теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах в открытых системах теплоснабжения.
Результаты анализа, производимого модулем оперативного анализа программнотехнического комплекса «ПолиТЭР» в соответствии с протоколом IPMVP, представлены в разных формах:
- в виде мнемосхем оперативного контроля, отображающих текущие фактические значения в сравнении с текущими расчётными нормативными и статистическими значениями основных параметров потребления тепловой энергии (при этом нарушение расчётных норм количественных и качественных показателей теплоснабжения может сопровождаться цветовой и звуковой сигнализацией);
- в виде графиков для ретроспективного анализа энергопотребления, которые позволяют оценить динамику изменения основных параметров потребления тепловой энергии в абсолютных и удельных величинах;
- в виде пользовательских отчётов о качестве теплоснабжения и количестве потреблённой и сэкономленной тепловой энергии в формате электронных таблиц MS Excel.
Внедрение и экономия
На базе ПТК «ПолиТЭР» реализовано множество автоматизированных систем учёта и управления. Одним из примеров является Автоматизированный центр мониторинга энергоэффективности и управления потреблением энергоресурсов Национального исследовательского университета ЮУрГУ (город Челябинск).
В рамках данного центра осуществляется диспетчерский контроль и управление всеми инженерными системами и потребителями энергоресурсов комплекса зданий кампуса университета (рис. 7), организован автоматизированный учёт энергоресурсов, в режиме реального времени производится анализ энергоэффективности потребителей.
Кроме того, пользователями системы ПТК «ПолиТЭР» являются многие управляющие компании сферы ЖКХ.
ПТК «ПолиТЭР» эксплуатируется и в промышленности, в частности, на таких предприятиях, как ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК) и ПАО «Челябинский трубопрокатный завод» (ЧТПЗ). В числе других крупных объектов, реализованных на базе ПТК «ПолиТЭР», системы городского уличного освещения Челябинска, Копейска, Магнитогорска, Оренбурга и других городов Российской Федерации, насчитывающие около 1000 автоматизированных пунктов питания и более 50 тыс. светоточек.
Заключение
Применение инновационных технологий, связанных с упреждающим управлением теплоснабжением здания и с беспроводным сбором данным, позволяет достичь реальных показателей экономии.
Так, в результате внедрения модельноупреждающего управления системы отоплением учебно-лабораторного корпуса №3БВ Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) удалось снизить потребление тепловой энергии на 9,6 % (по результатам трёх отопительных периодов с 2014 по 2017 годы), вместе с тем сохранив комфортность здания и уменьшив суточные колебания температуры воздуха в помещении.
Установка в корпусе Южно-Уральского государственном университете большего количества датчиков температуры в помещениях и на стояках в 2017 году позволила сбалансировать систему отопления, существенно уменьшив разницу между условно «жаркими» и «холодными» помещениями.
