Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТУРИЗМА И СЕРВИСА»

Факультет Сервиса

Кафедра информационных систем и технологий

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

на тему: Разработка информационной подсистемы «умного» дома для поддержки микроклимата в жилом помещении по специальности: 230201.65 «Информационные системы и технологии»

Иван Игоревич Галкин Студент к.т.н, доцент Теодорович Наталья Николаевна Руководитель Москва 2014 г. Лист ДП.2208-515.14.ПЗ Изм Лист Дата № докум. Подпись

РЕФЕРАТ

ДП.2208-515.14.ПЗ Изм Лист Подп. Дата № докум.

Лист ЛиРазраб. Галкин И.И. Листов в тер.

у Пров. Теодорович Н.Н. РЕФЕРАТ Лист ДП.2208-515.14.ПЗ 05.ИСЗ-08-2, гр.

Теодорович Н.Н.

Н. конт. Изм Лист Дата № докум. Подпись РГУТиС Роганов А.А.

Утв.

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит 74 листов отчета, 19 рисунка, 3 таблиц, формул, 2 приложения, 3 части отчета, 23 использованных источников.

Ключевые слова: Понятие о микроклимате помещения, Условия формирования микроклимата, Процессы формирования микроклимата, Параметры микроклимата Одним из самых современных и высокотехнологичных решений данной задачи стали системы управления климатом "умный дом", способные регулировать параметры микроклимата в зависимости от внешних условий и установок пользователя. Использование этих установок позволяет решать даже такие энергосберегающие задачи, как "консервация дома" в периоды длительного отсутствия жильцов - нажатие всего одной кнопки переводит часть отопительных приборов в экономичный режим работы. Возвращаясь домой, жильцы могут подать сигнал системе по смс или через интернет и указать желаемый температурный режим - и к их возвращению в доме будет создан оптимальный микроклимат. При этом, все составляющие комплекса климат-контроля будут работать в наиболее экономичном режиме, нацеленном на максимальное энергосбережение.

Лист ДП.2208-515.14.ПЗ Изм Лист Дата № докум. Подпись ESSAY Explanatory note contains 74 sheets report, 19 figure, 3 tables, 3 formulas, applications, 3 of the report, 23 sources used.

Keywords: Concept of room climate, microclimate conditions of formation, formation processes microclimate parameters of the microclimate One of the most modern and high-tech solutions to the problem of climate control systems have become "smart home", capable of regulating the microclimate parameters depending on the external conditions and user settings. Using these settings can solve even such energy-saving task as " home preservation " in periods of prolonged absence of tenants - pressing just one button takes part heaters in Economic mode. Returning home, residents can signal the system via SMS or via the Internet, and specify the desired temperature control - and their return to the house creates an optimum microclimate. In this case, all components of the complex climate control will work in the most economical treatment is aimed at maximizing energy efficiency.

СОДЕРЖАНИЕ

Н. конт.

Утв. Лист Понятие о микроклимате помещения Параметры микроклимата 2.3 Математическая модель формирования теплового режима здания 2.4 Управляющие блоки для систем вентиляции и кондиционирования. Выбор

ВВЕДЕНИЕ

Утв.

На сегодняшний день для поддержания оптимальных параметров влажности и необходимого температурного режима в помещениях используются самые разные установки для вентиляции и кондиционирования. Любые из них проектируются с учетом санитарных норм, разработанных на основании многолетних исследований и учитывающих все потребности человеческого организма. Поэтому с их помощью действительно можно добиваться определенных успехов по созданию в домах комфортного микроклимата.

Впрочем, при всех своих достоинствах, системы кондиционирования, отопления и вентиляции имеют и такой важный недостаток, как автономность работы. Это выражается в том, что при одновременной работе вентиляции, отопления и кондиционирования вся техника выполняет заданные пользователем программы и не может согласовывать свои действия для достижения наилучшего результата.

Поскольку современные требования к комфорту становятся все более высокими, разработчики климатических систем задумались над созданием единого комплекса, способного регулировать микроклимат в помещении с учетом всех параметров. Такая установка могла бы снизить энергозатраты на поддержание комфортной атмосферы в доме и исключить ситуации, когда отдельные системы своей работой снижают эффективность друг друга.

Одним из самых современных и высокотехнологичных решений данной задачи стали системы управления климатом "умный дом", способные регулировать параметры микроклимата в зависимости от внешних условий и установок пользователя. Использование этих установок позволяет решать даже такие энергосберегающие задачи, как "консервация дома" в периоды длительного отсутствия жильцов - нажатие всего одной кнопки переводит часть отопительных приборов в экономичный режим работы. Возвращаясь домой, жильцы могут подать сигнал системе по смс или через интернет и указать желаемый температурный режим - и к их возвращению в доме будет создан оптимальный микроклимат. При этом, все составляющие комплекса климат-контроля будут работать в наиболее экономичном режиме, нацеленном на максимальное энергосбережение.

Климатические комплексы "умный дом" дают вам возможность не задумываться о том, на какой рабочий режим устанавливать ту или иную установку, как сэкономить на использовании того или иного климатического устройства, как добиться наилучшего результата с наименьшими энергозатратами.

На рынке недвижимости в последние годы существенно увеличился спрос на жилье, оснащенное многофункциональными системами типа «умный дом».

Такой интерес мотивирован не только комфортными условиями для жизни, создаваемыми современной техникой и удобством управления, а возможностью экономить, что важно при постоянно растущих ценах на энергоносители. Система микроклимата «умного дома» устанавливает влажность и температуру в доме по рациональному принципу, что уменьшает расходы электрической энергии и газа.

Утв.

Здание - это совокупность помещений, представляющих собой ограниченный объем, в пределах которого протекает жизнедеятельность человека. Процесс жизнедеятельности сопровождается взаимодействием человека с окружающей его средой помещения.

Правильная организация помещений и здания в целом открывает возможность обеспечения в них безопасных и эффективных условий пребывания человека. Внутренняя среда помещения, проявляющаяся в большом числе факторов воздействия на человека, называется микроклиматом помещения.

Среди факторов внутренней среды выделим комплекс микроклиматических условий, оказывающих наиболее ощутимое физиологическое воздействие на человека. К ним относят тепловые условия в помещении и состав внутреннего воздуха.

Окружающая среда, которая не содержит раздражающих и возбуждающих факторов, препятствующих физической и умственной работе, а также отдыху, называется комфортной.

Приведенное определение распространяется также на тепловые условия и состав воздуха помещения. Тепловые условия в настоящее время принято оценивать температурой воздуха, радиационной температурой помещения, относительной влажностью и подвижностью воздуха.

Состав воздуха характеризуется концентрацией углекислоты, концентрацией вредных газов, паров, пыли. Восприятие воздуха характеризуется также озоно-ионным составом и запахами.

Перечисленные параметры являются исходными при проектировании зданий и систем обеспечения микроклимата и нормируются. При этом определение нормативных параметров исходит из стремления к достижению оптимальных значений, т; е. таких, при которых как можно меньшее число людей (обычно 15было бы ими недовольно.

Использование оптимальных параметров микроклимата не во всех зданиях бывает целесообразным и экономически оправданным. Поэтому в отечественных нормах широко используется понятие допустимых параметров, представляющих собой разумные граничные значения, при которых не наблюдается отрицательного воздействия на организм человека.

Параметры микроклимата формируются (рис. 1) в результате воздействия на помещение наружной среды, технологического процесса в помещении и систем отопления-охлаждения (СО) и вентиляции (СВ) или кондиционирования воздуха (СКВ).

Наружная среда оказывает влияние на тепловые параметры микроклимата опосредованно через ограждающие конструкции (тепловлагопередача и воздухопроницаемость) и внутренние связи между помещениями (перемещение потоков воздуха, теплообмен). Поэтому теплозащита здания и планировочная композиция здания являются пассивными факторами формирования теплового микроклимата.

Системы отопления-охлаждения и вентиляции активно формируют внутренний микроклимат, нейтрализуя отрицательное воздействие наружной среды.

В современных зданиях обеспечение внутренних комфортных условий представляет сложную техническую задачу. Увеличение этажности здания приводит к существенному изменению перепада давления воздуха снаружи и внутри здания по его высоте. В результате возникает вертикальное перетекание воздуха и интенсивное газовое и бактериологическое загрязнение верхних этажей, переохлаждение нижних этажей и повышение опасности их радонового загрязнения.

Повышенная этажность здания из конструктивных соображений сопряжена с облегчением ограждений и увеличением площади окон. Это, в свою очередь, способствует радиационному дискомфорту в холодное время года и избыточной инсоляции в теплый период.

Вентиляция помещения способствует нормализации влажностного режима помещения, а, следовательно, увеличению долговечности ограждений.

Одно из актуальных требований современности - повышение энергетической эффективности зданий реализуется, прежде всего, за счет усиления их теплозащиты. Усиление теплозащиты прямо сказывается на улучшении теплового комфорта помещений в холодное время года. Кроме того, уменьшение тепловой нагрузки на отопление при усилении теплозащиты позволяет понизить температуру теплоносителя. Это приводит к улучшению теплового комфорта и качества воздуха в помещении.

Приведенные выше соображения свидетельствуют о многообразии прямых и косвенных связей параметров здания и условий формирования микроклимата в нем.

Как упоминалось выше, микроклимат помещения характеризуется комплексом параметров, определяющих тепловое состояние помещения и газовый состав воздуха в нем. Параметры микроклимата формируются под воздействием на помещение потоков теплоты, влаги, газовых примесей.

Перечисленные потоки поступают в помещение через наружные ограждения из наружной среды, через внутренние ограждения из соседних помещений здания и от внутренних источников, действующих в технологическом процессе.

При взаимодействии с объемом помещения потоки трансформируются и преобразуются, вызывая изменение соответствующих параметров микроклимата. Отклонение параметров от заданных значений компенсируется системами отопления-охлаждения и вентиляции, которые, в свою очередь, также подают в помещение потоки тепла, влаги и свежий воздух, нейтрализующие вредные воздействия на микроклимат.

Совокупность процессов формирования отдельных параметров или групп параметров называют режимом. При рассмотрении задач обеспечения микроклимата обычно имеют дело с тепловым, влажностным, воздушным и газовым режимом помещения или здания.

Рис. 1.2. Схема вертикального перемещения потоков воздуха в здании Теплообмен в помещении обусловлен поступлением в него тепловых потоков, которые принято условно разделять по их природе на лучистые и конвективные. Конвективный теплообмен протекает между поверхностями ограждений и оборудования и воздухом помещения. Помимо этого, в помещение поступают конвективные тепловые потоки с нагретым (охлажденным) воздухом в основном от систем вентиляции и кондиционирования воздуха. В лучистом теплообмене участвуют поверхности, обращенные в помещение.

Источниками тепла в помещении, как правило, являются тепловыделения от технологического оборудования, людей, искусственного освещения, отопительных приборов и теплопоступления от солнечной радиации через окна. Реже тепловые потоки, направленные внутрь помещения, проходят через непрозрачные наружные ограждения - в основном через бесчердачные покрытия, нагреваемые солнечной радиацией.

Стоки тепла (тепловые потоки, направленные из помещения), как правило - теплопотери через наружные ограждения и тепловые потоки с охлажденным воздухом. Источники и стоки могут быть чисто конвективными и смешанными лучисто-конвективными.

Параметры, характеризующие микроклимат в жилых и общественных помещениях:

• результирующая температура помещения;

• локальная асимметрия результирующей температуры.

Требуемые параметры микроклимата: оптимальные, допустимые или их сочетания следует устанавливать в зависимости от назначения помещения и периода года с учетом требований соответствующих нормативных документов*.

Оптимальные и допустимые параметры микроклимата в обслуживаемой зоне помещений жилых (в том числе общежитий), детских дошкольных учреждений, общественных, административных и бытовых зданий следует принимать для соответствующего периода года в пределах значений параметров, приведенных в таблицах:

Таблица 1.1 — Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне помещений жилых зданий и общежитий года Пе- Наимено- Температура Результирую- Относительная Скорость движери- вание по- воздуха, °С щая температу- влажность, % ния воздуха, м/с года Пе- Наимено- Температура Результирую- Относительная Скорость движери- вание по- воздуха, °С щая температу- влажность, % ния воздуха, м/с года Приме чание — Значения в скобках относятся к домам для престарелых и инвалидов.

В жилых и общественных зданиях согласно нормативно-техническим документам* в холодный период года в нерабочее время допускается снижать показатели микроклимата, принимая температуру воздуха ниже нормируемой, но не ниже:

12 °С — в помещениях общественных, административных и бытовых.

Нормируемая температура должна быть обеспечена к началу использования.

Качество воздуха в помещениях жилых и общественных зданий обеспечивается согласно действующим нормативно-техническим документам** необходимым уровнем вентиляции (величиной воздухообмена в помещениях), обеспечивающим допустимые значения содержания углекислого газа в помещении.

При сокращении воздухообмена обеспечивается снижение энергозатрат системой вентиляции, а также повышение энергоэффективности систем вентиляции.

Необходимый воздухообмен в помещении может быть определен двумя способами:

на основе удельных норм воздухообмена;

на основе расчета воздухообмена, необходимого для обеспечения допустимых концентраций загрязняющих веществ.

Расходы воздуха систем вентиляции, принимаемые для обеспечения качества воздуха, зависят от количества людей в помещении, их деятельности, технологических процессов (выделений загрязняющих веществ от бытовой и оргтехники, из строительных материалов, мебели и др.), а также от систем отопления и вентиляции.

Применение второго способа, основанного на балансе вредностей в помещении, позволяет определить воздухообмен с учетом загрязнений наружного воздуха и заданного уровня качества воздуха (комфорта) в помещении.

При этом определяющим вредным веществом является углекислый газ (СО2), выдыхаемый людьми. Эквивалентом вредных веществ, выделяемых ограждениями, мебелью, коврами и др., принимается также углекислый газ (СО) Требования к качеству воздуха в помещениях следует принимать по заданию на проектирование согласно таблице.

Примерное содержание загрязнений в наружном воздухе приведено в таблице.

Количество наружного воздуха, подаваемого в помещение системой вентиляции в расчете на одного человека для обеспечения заданного качества воздуха, зависит от концентрации углекислого газа в наружном воздухе и эффективности воздухораспределения в помещении.

В зависимости от эффективности системы воздухораспределения необходимый расход наружного воздуха L, м3/ч, в системе вентиляции следует определять по формуле где — коэффициент эффективности системы воздухораспределения, определяемый расчетом или принимаемый по таблице;

L — расчетное минимальное количество наружного воздуха, м3/ч.

Ориентировочные значения коэффициента эффективности приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 — Коэффициенты эффективности систем воздухораспределения Системы воздухораспределения системы воздухораспределения Системы естественной вентиляции с периоди- 1, ческим проветриванием Системы механической авторегулируемой вытяжной вентиляции с приточными клапанами в 0, наружных ограждениях Системы приточной вентиляции с подачей воздуха в обслуживаемую зону, в том числе 0,6—0, системы вытесняющей вентиляции Системы персональной вентиляции с подачей 0,3—0, приточного воздуха в зону дыхания Концепция разработки системы микроклимата Рассмотрим концепцию проектирования и создания ителлектоуправляемой системы вентиляции и кондиционирования жилого дома. Центром управления является электронный процессор, который дает команды на работу воздушных заслонок, установленных в системе центральной приточной вентиляции, поделенной на восемь зон, в соответствии с назначениями помещений жилого дома.

Охлаждение воздуха осуществляется этой же системой от артезианской скважины через центральный воздухоохладитель.

Основная концепция проектирования систем микроклимата данного дома:

энергосбережение и интеллектуальная управляемость инженерных систем.

Энергосбережение должно осуществляться по следующим направлениям: высокая тепловая защита здания (применение эффективных строительных материалов и конструкций), установка эффективных отопительных приборов с высоким коэффициентом теплопередачи, разбивка системы кондиционирования воздуха на зоны и полное автоматическое управление зонами.

Нужно спроектировать системы кондиционирования и вентиляции котЛист теджа и вспомогательных помещений таким образом, чтобы система всегда потребляла рациональный минимум тепловой, холодильной и электрической мощности.

Контролировать работу и обеспечивать поддержание требуемых параметров всего этого оборудования в настоящее время можно посредством систем автоматизации и диспетчеризации. С технической стороны здесь нет никаких препятствий, если рассматривать стоимость системы с учетом ее эксплуатации в течение 5–10 лет Если грамотно подходить к реализации поставленных задач, то в конечном итоге получаем достаточно значительную экономию тепловой энергии за счет эффективного использования ее самой и установок. Такая экономия тепловой и электрической энергии снижает себестоимость эксплуатации здания, поскольку расчет с поставщиком тепла и электрической энергии ведется по факту ее использования.

Работа в автономном режиме и работа в совместном режиме. Выбор протокола Инженерное оборудование может работать в автономном режиме. 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.

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 отдельЛист ными 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, LON.

Используемые протоколы обмена информацией могут быть определены на уровне технического задания, либо может быть непосредственно определен производитель оборудования. 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.

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 обеспеЛист чения 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. 1.4).

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 2.1 Интеллектуальная система управления процессами формирования В настоящее время невозможно представить систему обеспечения микроклимата помещения (СОМ) без системы автоматизированного управления (САУ). САУ позволяет оптимизировать работу климатического оборудования снижая расходы на эксплуатацию, например, за счет уменьшения энергопотребления. САУ также свободно интегрируется в систему централизованного контроля и управления инженерными, технологическими, информационными и коммуникационными системами, то есть в систему диспетчеризации. Кроме того, САУ повышает надежность СОМ и обеспечивает защиту отдельных ее элементов и узлов от преждевременного износа и выхода из строя под воздействием различных факторов.

Необходимость снижения энергопотребления в системах обеспечения микроклимата требует применения энергосберегающего оборудования, энергосберегающих технологий обработки воздуха, различных организационных энергосберегающих мероприятий.

Применительно к системам вентиляции (СВ) и кондиционирования воздуха (СКВ) часто используемым энергосберегающим оборудованием являются рекуперативные или регенеративные утилизаторы теплоты и теплонасосные установки (ТНУ).

Из организационных энергосберегающих мероприятий можно выделить автоматически управляемые процессы по снижению температуры в зависимости от времени суток и дня недели, прерывистое отопление (охлаждение) и вентиляцию помещений, учет ассимилирующей способности воздушного объема помещения, теплоаккумулирующих свойств ограждающих конструкций помещения и Каждое из перечисленных технических решений дает возможность рационально использовать и экономить энергоресурсы. Желание объединить все в едином комплексе устройств и технологий по снижению энергопотребления до уровня, при котором сохраняются оптимальные параметры микроклимата в помещении, требует применения соответствующей системы автоматизированного управления СОМ.

Многовариантное решение в виде компоновочных решений СОМ и алгоритмов САУ предполагает максимально возможное сочетание энергосберегающих технологий, организационных мер и энергосберегающего оборудования, реализованное в системе обеспечения микроклимата на единой платформе устройств и оборудования. Единая платформа дает возможность проводить исследования по нахождению оптимальных вариантов сочетания технологий, оборудования и мероприятий и алгоритмов функционирования систем при различных внешних и внутренних возмущающих и регулирующих воздействиях на помещение. Единая платформа базируется на свободно программируемом контроллере с большим объемом памяти, что позволяет тестировать алгоритмы управления системой обеспечения микроклимата.

Одновременное применение всех перечисленных составляющих энергоэффективной СОМ на практике не встречается, что обусловлено с трудностями реализации автоматизированного алгоритма взаимодействия между ними.

Сложность разработки алгоритма связана с недостаточной изученностью процессов взаимодействия элементов СОМ и процессов управления их взаимодействием на единой платформе с целью оптимизации энергопотребления. Другая причина возникающих трудностей связана с увязкой логики отдельных элементов, являющихся составной частью систем обеспечения микроклимата. Например, «жестко» программируемые контроллеры «прошиты» на заводеизготовителе и при проектировании САУ не позволяют выйти за пределы заводских настроек, что не всегда соответствует оптимальному режиму работы СОМ в целом. Даже в «свободно» программируемые контроллеры загружена программа, написанная фирмой – поставщиком оборудования для выполнения конкретной задачи, что не всегда соответствует заявленным целям.

Что же должен собой представлять алгоритм выбора варианта, при котором энергопотребление СОМ будет оптимальным? Прежде чем дать ответ на этот вопрос, следует понять, как система управления СОМ будет достигать заданную цель – поддержание заданных параметров микроклимата в помещении.

а) при соответствующих параметрах наружного климата и микроклимата система выбирает заранее просчитанный алгоритм управления СОМ;

б) система управления сама просчитывает различные комбинации схемных решений и выбирает из них те, которые отвечают поставленной перед ней цели.

Если в первом случае все понятно – следует разработать многовариантную систему алгоритмов, то во втором случае системе управления необходима способность самой синтезировать алгоритм управления для достижения цели, то есть определять в зависимости от целевой функции, например, оптимизации энергопотребления, последовательность управляющих действий для обеспечения заданных параметров микроклимата при изменяющихся воздействиях внешней среды.

В этом случае система управления, активно оценивая информацию от датчиков (сенсоров) об окружающей среде и о текущем состоянии самой СОМ, просчитывает возможные варианты схемных решений и выбирает нужное, после чего принимает решение о последовательности действий, то есть синтезирует алгоритм для достижения цели. Причем алгоритм действий и даже сама цель могут корректироваться исходя из целевой функции и внешних обстоятельств. Таким образом, система управления становится в полном смысле интеллектуальной (ИСУ).

Система обеспечения микроклимата является сложной динамической системой с высокой степенью неопределенности. Ее поведение невозможно в полной мере достоверно описать математически. В таких системах неопределенность проявляется в виде внутренней и внешней. Внутренняя связана с характером поведения отдельных элементов СОМ, сложным динамическим взаимодейЛист ствием между ними, стохастическим характером термодинамических параметров внутри самой СОМ. Внешняя неопределенность – это неопределенность взаимодействия с внешней по отношению к СОМ окружающей средой, имеющей, как правило, случайный, часто непредсказуемый характер. Следовательно, работа ИСУ – это адаптация к меняющимся условиям внутреннего состояния СОМ и внешней среды. В такой постановке адаптация означает возможность системы управления «прогнозировать» или «просчитывать» термодинамическое состояние объекта управления (СОМ) под влиянием изменяющихся факторов внешней среды в «будущем» с заданной вероятностью.

Прогнозировать состояние СОМ система управления может с помощью виртуальной (математической) модели физически реальной СОМ, обладающей способностью к распознаванию изменений параметров внешней среды. Такая модель, построенная с применением математических методов, адекватно реагирующая на воздействия внешней среды, должна иметь способность постоянно тестировать действительные параметры оборудования СОМ для «подстройки»

виртуальной модели к реальным характеристикам оборудования. Например, после замены вышедшего из строя агрегата ИСУ, периодически тестируя оборудование СОМ, «подстраивает» виртуальную модель, учитывая индивидуальные особенности «нового» агрегата. Таким образом, основным преимуществом ИСУ перед традиционной системой автоматического управления является адаптация к изменяющимся внешним условиям. Причем алгоритм адаптации не прописан «жестко» в памяти системы управления, он нечеткий, неявный и постоянно корректируется в процессе «жизни» СОМ.

В момент запуска в эксплуатацию системы обеспечения микроклимата ИСУ работает так же, как САУ, подчиняясь «жесткому» алгоритму, заложенному изначально в память системы управления. С течением времени система управления эволюционирует в интеллектуальную, используя данные мониторинга, накапливаемые в «базе знаний». По истечении определенного времени полученный опыт трансформируется в закономерности изменения определяющих факторов, оказывающих существенное влияние на параметры микроклимата.

Выявленные закономерности, обработанные в виде матриц или зависимостей, позволяют ИСУ прогнозировать параметры микроклимата и затраты на их поддержание при различных вариантах схемных решений СОМ. После завершения выполнения алгоритма ИСУ сравнит прогнозируемые параметры микроклимата с реально достигнутыми параметрами. Если результат работы СОМ совпадет с целью, ИСУ «запомнит» вариант схемного решения СОМ, внесет его в «базу знаний» и будет его применять в дальнейшем при соответствующем сочетании внешних факторов. Таков механизм эволюции ИСУ в жизненном цикле СОМ.

При этом адекватность ИСУ в области управления процессами формирования микроклимата зависит лишь от полноты информации, полученной от системы датчиков, от оснащенности эффективным оборудованием от плавности и глубины регулирования производительности оборудования СОМ. Это означает, что интеллектуальная система управления требует для своей корректной работы значительное количество сенсоров (температуры, относительной влажности, концентрации СО2 и т. д.) и управляющих элементов (сервоприводов, регуляторов мощности и т. п.) различного назначения как для самого объекта регулирования (СОМ), так и для контроля над микроклиматом помещения и наружным климатом. Дооснащение дополнительными сенсорами может потребоваться ИСУ для контроля над другими инженерными системами или конструктивными элементами здания, которые непосредственно влияют на работу СОМ или на параметры микроклимата.

Таким образом, увеличивая сложность системы обеспечения микроклимата (вариативность схемных решений) и ее системы управления (переход от САУ к ИСУ), мы увеличиваем ее эффективность за счет получения таких новых возможностей СОМ, которыми не обладают ее составляющие элементы в отдельности (эффект эмерджентности). Следовательно, мы получаем технически более сложную систему обеспечения микроклимата, чем традиционные системы климатизации зданий, но в то же время более экономичную, гибкую и эффективно функционирующую.

Одним из ключевых блоков в составе ИСУ является математическая моЛист дель СОМ. Виртуальная модель СОМ представляет собой взаимосвязанную систему, состоящую из отдельных моделей элементов СОМ, например, вентилятора, воздухонагревателя, воздуховода и т. д.

2.3 Математическая модель формирования теплового режима здания Формирование теплового режима можно представить как взаимодействие возмущающих и регулирующих факторов. К возмущающим факторам относятся теплопоступления через ограждающие конструкции, тепловая энергия, выделяющаяся при работе технологического оборудования, бытовые теплопоступления.

К регулирующим факторам относится тепловое воздействие отопительных и вентиляционных систем. Представим отопительно-вентиляционные системы в виде многомерного объекта, описываемого тремя группами переменных.

Первую группу переменных представляют параметры, характеризующие свойства и количество входных элементов. К ним относятся характеристики наружного воздуха, параметры теплоносителя. Во вторую группу переменных входят параметры, характеризующие свойства выходных элементов. Это, в первую очередь, условия воздушной среды в помещениях, теплоотдача отопительно-вентиляционных систем, а также параметры воды из обратной линии сети теплоснабжения. Третья группа включает параметры, характеризующие условия протекания процесса передачи тепловой энергии.

В общем случае состояние отопительно-вентиляционных систем характеризуется всеми переменными. Для целей управления из всей совокупности переменных можно использовать лишь часть. Эти переменные можно разбить на две группы. В первую группу включим те переменные, которые можно целенаправленно изменять в процессе управления. Вторую группу составят переменные, которые можно измерить и использовать при формировании управляющего воздействия, но сами они при этом целенаправленно изменяться не могут. Их необходимо учитывать при управлении, но активно влиять на них невозможно.

Из управляемых переменных выбирают в качестве управляющих те, целенаправЛист ленное изменение которых технически возможно и существенно влияет на показатели управления.

Критерием оптимальности управления отопительно-вентиляционными системами является минимум приведенных затрат по поддержанию требуемых условий воздушной среды. Для отопительно-вентиляционных систем наилучший технологический режим не может быть задан заранее, так как его выбор зависит от факторов, информация о которых изменяется в течение времени. К таким факторам относятся температура наружного воздуха, скорость и направление ветра, солнечная радиация, температура и давление теплоносителя в теплопроводе, идущем от источника тепла, изменение режима работы оборудования, находящегося в помещениях, и др. Для рационального управления необходимо, во-первых, найти оптимальную программу управления работой отопительновентиляционных систем, во-вторых, регулировать тепловой режим, используя работу отопительно-вентиляционных систем как задающее воздействие.

Математическая модель формирования теплового режима здания рис.2. сводится к составлению уравнений теплового баланса, описывающих воздухообмен, технологические теплопоступления, наружные климатические воздействия, теплопотери через наружные ограждения за счет теплопроводности и фильтрации, теплосодержание технологического оборудования и внутренних ограждающих конструкций.

Информационно-управляющий комплекс системы жизнеобеспечения жилого дома рис. 2.1.

Централизованные управляющие вычислительные системы на базе миниЭВМ легко перенастраиваются с одной функции на другую путем замены программ в памяти ЭВМ. Возможно применение двухуровневых систем управления, в которых нижние уровни выполняются на традиционных средствах локального регулирования.

Рис. 2.1 Схема математической модели формирования теплового режима здания Рис. 2.2 Блок-схема информационно-управляющего комплекса жилого дома Однако эти системы обладают следующими недостатками:

– малая живучесть, так как при отказе единственной ЭВМ система прекращает функционирование;

– сложность программного обеспечения, а также процедур обмена данными по каналам ввода - вывода;

– значительное число проводов и их длина в линии связи, подключенной к каналам ввода - вывода;

– сложное управление в реальном времени из-за большого времени реакции центральной системы.

Структура тепловой модели здания рис. 2. Динамический режим здания описывается с помощью системы обычных линейных дифференциальных уравнений. Их можно переписать в виде матриц, а затем реализовать динамическую модель. Уравнения имеют следующий вид:

где T1 - температура воздушной зоны;

T2 - температура внутренней стороны конструкции;

T3 -температура наружной стороны конструкции;

Ti - температура воздуха внутри помещения, C1-теплоёмкость фасада здания;

C2, C3 – теплоёмкость конструкции внутри и снаружи;

R1 - конвективное сопротивление фасада здания;

R2 - конвективное сопротивление внутренней стороны конструкции; R3 конвективное сопротивление конструкции;

R4-конвективное сопротивление внешней стороны конструкции; qизл – солнечное излучение;

- коэффициент солнечного излучения; Aстекл – площадь поверхности стекла. Анализ результатов моделирования и расчётов тепловых режимов здания выполнен путем использования тепловой модели здания рис.5.3. На температуру воздуха внутри здания существенное влияние оказывают материалы, применяемые при строительстве. Очевидно, при использовании теплоизолирующих материалов не только достижение заданного значения температуры будет происходить быстрее, но и потребуются меньше энергоресурсов для ее поддержания. С другой стороны, в случае легких строительных конструкций с низкой теплоёмкостью, колебания температуры внутри помещения будут значительно больше и, соответственно, увеличатся затраты на поддержание комфортного микроклимата Алгоритм работы системы управления микроклиматом помещения рис.2. Рисунок 2.4 Алгоритм работы системы управления микроклиматом помещения Модель позволяет эффективно рассчитывать температуру и влажность внутри помещения, учитывая теплопотери через ограждающие конструкции здания (стены, окна, потолок, пол, кровля). Основные расчетные зависимости, коэффициенты и порядок расчета приняты в соответствии с существующими стандартами. Использование модели дает возможность осуществлять расчет температуры и влажности непосредственно в программной среде, что дает возможность сэкономить время при трудоемком вводе исходных данных и производить визуальный контроль над их вводом. При составлении модели разработаны пользовательский интерфейс, рассчитанный на минимальное количество команд, и нелинейный алгоритм, т.е. не требующий строгой последовательности действий. В целом, все сводится к описанию помещения и ограждающих конструкций за счет использования соответствующих команд. В результате получена тепловая модель здания, с помощью которой могут проводиться соответствующие расчеты, а также становится возможной разработка интеллектуальной системы регулирования микроклимата в зданиях и сооружениях.

Мехатронная система управления микроклиматом жилого дома рис. 2. Рис. 2.5 Мехатронная система управления микроклиматом жилого дома Связь между входными и выходными данными осуществляется через лингвистическую трансформацию. Нахождение входной функции принадлежности можно осуществлять через импликацию и суммирование, используя базу правил и дефаззификацию лингвистических выходных данных в числовые значения величин (степень нагрева, охлаждения и скорость вращения вентилятора).

Окружающая среда представляется в виде блоков: «Средняя внешняя температура» и «Суточное изменение внешней температуры». Результирующие значения выходов блоков, соответствующих нагревателю, охладителю и вентилятору являются входными для блока «Здание». Полученное значение внутренней температуры помещения поступает в контур обратной связи и сравнивается с заданным значением.

Аппаратная часть системы состоит из блока управления, комплекса датчиков для сбора измерительной информации о параметрах микроклимата помещения, блока ручного управления и контроллера.

Особенностью представляемой системы управления является возможность формирования стратегии использования исполнительного оборудования и, соответственно, акцентирование управления на выполнении либо экономических, либо других требований, учитывающих функциональную предназначенность помещения. Стратегия управления задается в табличной форме, в которой проставляются экспертные оценки предпочтения использования контуров обогрева и вентиляции для поддержания заданных значений температуры и влажности воздуха.

Регулятором непрерывно на основе сравнения внутренних и внешних факторов рассчитываются прогнозируемые тепло-влажностные параметры в здании.

При этом используются не только данные, полученные с датчиков в текущий момент, но и предыстория состояния микроклимата здания. Особенностью данного алгоритма является:

– возможность поддержания заданного микроклимата;

– согласованное управление всеми системами поддержания микроклимата для оптимального соотношения экономии энергоресурсов и качества регулироЛист вания микроклимата;

– слежение за фактическими показателями контуров отопления, охлаждения, увлажнения и вентиляции.

2.4 Управляющие блоки для систем вентиляции и кондиционирования. Выбор оборудования.

1.Применение управляющих блоков.

Блоки автоматики на основе программируемого контроллера RLU производства компании «Siemens», применяются для комплексной защиты и управления системами вентиляции с водяным нагревом, водяным/фреоновым охлаждением или рециркуляцией.

Блоки имеют прозрачную пластиковую крышку, под которой расположены все элементы управления. Силовая часть блока состоит из рубильников, автоматических выключателей, контакторов и клемм.

Регулирующие функции обеспечены применением программируемого контроллера марки RLU 210, который работает в режиме пропорциональноинтегрального регулятора.

Управление и защита осуществляется при помощи логического модуля с индикацией, а также специальных функций контроллера.

Для предотвращения поражения электрическим током обслуживающего персонала в блоках используется трансформатор (24 VAC) с гальванической развязкой от питающей сети.

4.Регулирующие и защитные функции.

Управляющие блоки обеспечивают точное регулирование температуры, высокую стабильность, а также безопасность оборудования.

Управляющие блоки имеют стандартные и расширенные функции.

внешний пуск и остановка при помощи безпотенциального контакта управление и защита вентиляторов с термоконтактами мощностью управление сервоприводом воздушной заслонки (24 или 230 вольт) регулирование температуры приточного воздуха или температуры пропорционально – интегральное управление сервоприводом клапана отопительной воды пропорционально – интегральное управление сервоприводом клапана охладителя пропорционально – интегральное управление заслонками регулируемой рециркуляции (при изменении программы контроллера) управление и защита циркуляционного насоса отопительной воды защита от замерзания водяного обогревателя подключение датчика засорения фильтра подключение датчика температуры воды на выходе из теплообменника (активная защита от замерзания и поддержание установленного значения температуры воды в «обратке» в дежурном режиме) подключение капиллярного термостата защиты от замерзания подключение канального датчика температуры воздуха подключение датчика температуры воздуха в помещении или вытяжном воздуховоде (каскадное регулирование) компрессора при низкой температуре наружного воздуха, возможность компенсации установленного значения регулируемой температуры в зависимости от наружной температуры) подключения вентиляторов без термоконтактов (регулируемая защиЛист та по току) подключение вентиляторов со встроенными термометрами - сопротивлениями подключение дополнительных вентиляторов дистанционная сигнализация работы и неисправности недельный таймер (автоматическая работа установки по программе двухступенчатое управление компрессорно-конденсаторным блоком подключение вентиляторов, работающих с частотным преобразователем Основные функции управления вентиляционной системой, такие как пуск, останов и деблокировка неисправности осуществляются при помощи кнопок логического модуля, установленного внутри щита.

Изменение установленных значений температуры, а также изменение параметров конфигурации производится при помощи кнопок контроллера. На дисплей контроллера выводятся показания реальной и заданной температуры приточного воздуха, воздуха в помещении, и состояние выходных каналов. Дискретность показаний цифрового табло контроллера составляет 0,1 °С.

Сигнализация неисправности.

При возникновении аварийных ситуаций блок управления автоматически выключит установку и просигнализирует о причине неисправности.

Установка температуры.

Для изменения значения установленной температуры необходимо перевести контроллер из режима информации «INFO» в режим установки «SET» нажав на кнопку «OK». На дисплее на короткое время покажется надпись MENU, затем высветятся показания установленного значения температуры. Контроллер позволяет устанавливать следующие значения температур:

SETCOOL установка температуры охлаждения для ночного режима SETCOOL установка температуры охлаждения для дневного режима SETHEAT установка температуры обогрева для дневного режима SETHEAT установка температуры обогрева для ночного режима Переход с одного режима установки к другому осуществляется с помощью кнопок «+» и «».

Для изменения установленной температуры необходимо выбрать нужный режим (для стандартных блоков управления - только дневной режим) и нажать кнопку «ОК». Показания установленной температуры начнут мигать. Затем, кнопками « + » или « – » установить требуемое значение температуры, после чего записать новую уставку, нажав на кнопку «ОК». Не подтвержденное значение в памяти контроллера не запишется.

Для выхода в обычный режим работы нажмите кнопку «ESC».

Индикация рабочей и заданной температуры осуществляется в режиме «INFO». Просмотр показаний различных температурных датчиков осуществляется при помощи кнопок «+» и «» (поз.2,3 Рис.2). На дисплей выводятся следующие значения:

1.Температура в помещении - реальное и установленное значение.

2.Температура приточного воздуха - реальное и вычисленное контроллером значение, если контроллер работает в режиме каскадного регулятора. В случае если датчик температуры в помещении не используется, на дисплее высвечиваются показания заданной температуры (регулирование по канальной температуре).

3.Температура наружного воздуха - реальные показания (если датчик не подключен, на дисплее вместо значений появятся прочерки).

Кроме выше перечисленного на дисплее можно просмотреть состояние системы (STATUS OK) и выходного сигнала на нагрев или охлаждение в процентном соотношении. Мигающая наклонная линия указывают, в каком режиме мощности работает контроллер.

6.Активная защита от замерзания (дополнительная защитная функция).

У блоков предусмотрена активная защита от замерзания, которая обеспечивается применением датчика температуры воды на выходе из теплообменника.

Защита обеспечивается следующим образом:

При падении температуры в обратной воде ниже установленного значения (SET-ON + Xp, заводская установка, +210 С) автоматически начинает открываться трехходовой клапан (Рис.3).

По мере уменьшения температуры воды клапан открывается на большую величину.

Функция защиты от замерзания активируется при подключении датчика температуры воды. Если датчик воды не подключен, на клеммных колодках необходимо оставить резистор-имитатор.

7. Защита от замерзания по воздуху (основная защитная функция).

Функция защиты от замерзания по воздуху обеспечена применением капиллярного термостата за водяным нагревателем. При понижении температуры воздуха за калорифером ниже установленного значения (+60 С) происходит отключение вентиляционной системы.

Регулировка точки срабатывания защиты от замерзания по воздуху осуществляется настройкой капиллярного термостата на определенную температуру.

Для измерения температуры к управляющим блокам подключаются датчики на базе термочувствительных элементов с характеристикой Ni 1000.

Канальный датчик температуры Применяется для контроля температуры в воздуховод. Можно использовать для измерения температуры приточного, вытяжного и наружного воздуха.

Крепится в воздуховоде на прямом участке при помощи прилагаемого крепежного приспособления.

Датчик температуры воды накладной Применяется для контроля температуры воды на выходе из теплообменника. Крепится на коллекторе обратной воды при помощи специального хомута.

Датчик температуры погружной.

Применяется для контроля температуры воды на выходе из теплообменника. Устанавливается непосредственно в коллектор обратной воды. Имеет наружное резьбовое посадочное соединение диаметром R12 дюйма. По сравнению с накладным датчиком имеет меньшую временную константу, так как термочувствительный элемент контактирует непосредственно с теплоносителем.

Датчик температуры наружного воздуха При монтаже датчика наружной температуры, рекомендуется установка на северной или восточной стороне зданий, для исключения влияние солнечного света на точность показаний. Не рекомендуется установка над окнами, дверьми и т.п.

Датчик температуры в помещении.

При монтаже датчика следует выбирать место расположения с таким расчетом, чтобы исключить влияние источников тепла (например, радиаторов отопления, прямого солнечного света) и избегать установки в местах с низкой естественной конвекцией (ниши, углы и т.п.) Капиллярный термостат.

К управляющим блокам для защиты от замерзания по воздуху подключается капиллярный термостат. Трубка капиллярного термостата крепится непосредственно за водяным нагревателем равномерно по всему периметру водяного воздухонагревателя. Термостаты имеют две модификации и различаются длиной капиллярной трубки (3 или 6 метров).

Дифференциальные датчики давления.

Датчики дифференциального давления подключаются к блокам управления для сигнализации засорения воздушного фильтра и давления вентилятора.

Рис. 2.7. Внешний вид и примеры использования датчиков давления.

9.Подключение воздушных заслонок.

Заслонки типа открыто/закрыто.

Предусмотрена возможность подключения к блокам управления приводов воздушных заслонок с питанием 24 или 230 вольт переменного тока. Изменение напряжения питания производится переключением коммутационных проводов внутри блока (клеммы на средней DIN -рейке). Стандартно установлено напряжение 24 вольта. Если необходимо произвести Рис. 2.8 Подключение заслонок наружного воздуха. Заслонки с аналоговым приводом.

Отключить коммутационный провод от клеммы 24.

Переключение необходимо проводить только на обесточенном блоке управления.

К блокам управления можно подключить приводы с трехпозиционным алгоритмом работы (клеммы Q6,Q7,Q4), а также двухпозиционные приводы с возвратной пружиной (клеммы Q41,Q61) или без пружины (клеммы Приводы заслонок с плавным регулированием (0-10 вольт) используются в установках с рециркуляцией (смешением приточного и вытяжного воздуха).

Подключение данного вида заслонок осуществляется к клеммам в верхней части блока, только в случае отсутствия водяного охладителя. Одновременное подключение охладителя и рециркуляции невозможно.

Для использования блока автоматики в режиме управления регулируемой рециркуляцией необходимо произвести перепрограммирование контроллера.

10.Монтаж блоков управления.

Внешний вид и расположение элементов внутри щита управления.

Подвод кабеля осуществляется через вводы в верхней или нижней части блоков. Подключение силовых элементов, таких как вентиляторы и насосы, производится к клеммам в нижней части блока. Подключение датчиков и приводов смесительных узлов производится непосредственно к клеммам контроллера, а подключение приводов воздушных заслонок, термостата, противопожарной сигнализации и датчиков давления к клеммам в верхней части блока.

11.Описание контроллера и изменение параметров конфигурации.

Контроллеры RLU используются в системах вентиляции, кондиционирования и холодоснабжения и могут управлять следующими параметрами:

температура, относительная/абсолютная влажность, давление/перепад давления, поток воздуха, качество воздуха в помещении и энтальпия.

Режимы работы: Comfort (комфорт), Economy (экономия), Protection (защита).

Программирование (конфигурация) может выполняться с помощью кнопок на лицевой панели прибора или специального сервисного набора через USB-порт компьютера. Функциональные возможности контроллера зависят от выбираемого типа.

Таблица 2.1 Функциональные возможности контроллера Контроллер имеет понятный и простой режим программирования с помощью так называемого «карусельного» меню. Для облегчения конфигурации в памяти прибора хранятся стандартные приложения для систем вентиляции. Программирование можно осуществлять тремя способами:

1. Использовать стандартные приложения, выбрав в меню соответствующий код приложения.

необходимый тип контроллера и последовательно вводить нужные параметры.

3. Адаптировать стандартные приложения для существующего оборудования, изменяя некоторые параметры.

Контроллер имеет три уровня доступа: пользовательский (USER), сервисный (SERV) и закрытый (EXP), защищенный паролем.

Контроллеры всех блоков управления заранее запрограммированы на оптимальные режимы работы, поэтому, как правило, не нуждаются в изменениях.

«Основные параметры, влияющие на работу системы, такие как пределы пропорциональности, время интеграции, максимальные и минимальные значения выходных сигналов, значения корректировки температурных датчиков изменяются в меню «PARA».

Изменение количества и характеристик входов/выходов контроллера производится в меню «COMMIS». Для входа в подпрограмму необходимо кнопками « + » или « – » выбрать ее и нажать кнопку «ОК». На экране появится надпись «STOP OK». Нажать кнопку «ОК». Контроллер перейдет в режим «COMMIS».

Контроллеры блоков управления запрограммированы на использования следующих датчиков:

Х1- температура приточного воздуха. Является обязательным подключением. Индикация на экране.

Х3 –температура воды. Является желательным подключением при работе с водяным обогревателем. Индикация в рабочем ( пользовательском) режиме показаний датчика температуры воды не предусмотрена.

Значение температуры воды индицируются только в аварийном режиме В случае отсутствия датчика наружной температуры или температуры в помещении, с целью избежать аварийной индикации неисправности (работоспособность контроллера сохраняется), необходимо произвести перепрограммирование контроллера. Информация по программированию сведена в таблицу и представлена в приложении А Схема программирования контроллера представлена в приложении Б 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.

Если рассматривать коттедж как отдельный тепловой пункт, обслуживающий несколько контуров (контур теплого пола, контуры отопления первого и второго этажей и т. д.), то подсистема управления микроклиматом как показано выше строится на базе программируемого котроллера. Такие контроллеры подразумевают фиксированную комбинацию подключаемого периферийного оборудования (Рисунок 7) и требуют простейшую пусконаладку, что и показано в предыдущем пункте моего дипломного проекта. В рамках одного дома нет необЛист ходимости в организации шины данных и т. д., хотя с технической точки зрения это вполне осуществимо.

Такое упрощение системы автоматизации позволило сократить стоимость системы. При реализации системы автоматизации на базе 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.

Эффект от применения технологии: энергетический, экономический и экологический эффекты от задания суточной и недельной программы систем вентиляции зависят от климатических условий размещения объекта и удельной тепловой характеристики здания (для вентиляции).

Линии графика соответствуют зданиям с заданной удельной тепловой характеристикой (для вентиляции) от 0,1 до 1,0 ккал/(м 3•ч•°С) с шагом в 0,3. Значения, полученные из графиков, следует умножить на отапливаемый объем здания в м3 для получения абсолютных величин.

Рис. 3.3 Срок окупаемости блоков автоматической вентиляции Как известно, одной из основных задач при строительстве и эксплуатации здания и его систем обеспечения микроклимата является энергоресурсосбережение. Особое значение данная тема приобретает в настоящее время, в условиях действия Закона РФ «Об энергосбережении …» № 261-ФЗ от 23.11.09. При этом снижение энергопотребления должно достигаться комплексными средствами, включая не только повышение теплозащиты наружных ограждений, но и за счет решений, касающихся инженерного оборудования здания.

В странах Западной Европы проблемой энергоэффективности озаботились намного раньше. Начало разработок по экономии энергии при эксплуатации зданий явилось следствием энергетического кризиса 70-х годов, а с 1976 года в большинстве западных стран нормируемый уровень теплозащиты наружных ограждений увеличился в 2–3,5 раза. В настоящее время этот процесс продолжается, требования к используемым теплоизоляционным материалам постоянно повышаются, ужесточаются нормативы по сопротивлениям теплопередаче и смежным параметрам отдельных строительных конструкций и сооружений в целом. В рамках этого подхода была создана концепция пассивного дома, которая заключается в улучшении качества всех компонентов здания и максимальном использовании внешних и внутренних теплопоступлений для компенсации теплопотерь.

Немаловажную роль в энергосбережении западных стран играет и развитие концепции так называемого «интеллектуального» здания, где основными функциями являются эффективное использование энергопотребления, комфортность и безопасность в здании.

Концепция энергосберегающего дома, хотя и с заметным запозданием, но находит признание и в России. До недавнего времени относительная дешевизна энергоносителей в нашей стране не позволяла ощутить максимальный экономический эффект от использования современных теплоизоляционных материалов и соответствующих инженерных решений. Наблюдался такой парадокс: стоимость строительства в нашей стране была ниже уровня мировых цен всего на 20–30%, а стоимость энергоресурсов отличалась в 6–7 раз. Но поскольку Россия взяла курс на построение эффективной экономики и вхождение в мировое сообщество, баланс цен на энергоносители начал восстанавливаться стремительными темпами. Только за три последних года (с 2008 по 2011) цены на тепловую и электроэнергию выросли для разных категорий потребителей на 60–80 % [6, 7]. В особенно явном виде этот процесс будет наблюдаться в связи со вступлением РФ в ВТО в 2012 году.

В связи с этим вопрос строительства энергоэффективных зданий в нашей стране становится одним из ключевых, а проблема рационального использования энергоресурсов приобретает все большее значение. Особенно остро эта проблема встает в коммунальном хозяйстве, которое потребляет до 25% тепловой энергии и примерно такую же долю электрической, производимых в стране. В России на единицу жилой площади зданий постройки до 1995 г., составляющих до сих пор основную часть существующего жилищного фонда, расходуется в 2– 3 раза больше энергии, чем в странах Европы (в Германии в настоящее время расход тепловой энергии на отопление составляет 936 МДж/м2, в Швеции – МДж/м2, а для сравнения в РФ – 1530 МДж/м2 ), и не столько из-за более сурового климата, сколько благодаря существенно меньшей жесткости строительных стандартов и нормативов.

Многие российские компании (как строящие, так и эксплуатирующие здания) уже пришли к пониманию проблемы энергосбережения и осознанию необходимости применения новейших инженерных решений с привлечением современных теплозащитных материалов, многослойных стеновых конструкций, энергосберегающей сантехники и инженерного оборудования. Аналогичные технологии, но применительно к условиям промышленного производства отделочных материалов, рассматривались и за рубежом в работе.

Однако для решения вопроса о составе и оптимальной последовательности операций монтажу и наладке климатических систем энергоэффективного и осопо бенно «интеллектуального» здания необходимо вначале определить наиболее целесообразный объем инвестиций в инженерные системы и их автоматизацию. В условиях рыночной экономики это можно сделать по величине совокупных дисконтированных затрат (СДЗ). Величину СДЗ, приведенную к концу расчетного срока Т, г., можно определить по следующей формуле [11 – 12]:

Здесь К – дополнительные капитальные (инвестиционные) затраты на осуществление мероприятий по оборудованию интеллектуального здания, руб.; Э – годовые эксплуатационные издержки на его функционирование и обслуживание, руб./г.; р – норма дисконта, %. В расчетах ее можно принимать равной ставке рефинансирования ЦБ РФ. В этом случае удается четко выявить критерий экономической целесообразности, который сводится к превышению годовой экономии расходов на тепловую энергию над годовым процентом за кредит или, если капиталовложения осуществляются из собственных средств, над упущенной прибылью, которую можно было бы получить, если вместо затрат на энергосбережение соответствующую сумму положить в банк.

Составляющие затрат при вычислении СДЗ можно вычислить таким В последнем соотношении коэффициент х показывает относительную глубину реализации работ по интеллектуальному оборудованию здания по сравнению с максимально возможной, а параметр К0 представляет собой значение К при х = 1. При этом Эт и Ээл – затраты соответственно на тепловую и электрическую энергию; Эам – годовые амортизационные отчисления. Они могут быть выражены через величину К и расчетный срок амортизации дополнительного оборудования Там, г.:

Коэффициент 1,5 учитывает дополнительные затраты на текущий и можно оценить с помощью ориентировочных зависимостей:

Здесь Qт.0 и Qэ.0 – соответственно значения годового потребления зданием и его инженерными системами тепловой энергии Qт, Гкал/г., и электрической Qэ, кВт·ч/г., при х = 1; Ст и Сэл – тариф на тепловую энергию, руб./Гкал, и электрическую, руб./(кВт·ч); a и b – аппроксимационные коэффициенты. На основании анализа результатов, приведенных в [13–14], отношение b/a = 3/8, а по данным [15] при х = 1 выражение 1 – ax + bx2 = 0,8 (теплопотребление снижается на 20%), откуда a = 0,32; b = 0,12. Характер снижения теплопотребления с ростом х показан на графике рис. 3. Рисунок 3.4. Зависимость снижения энергопотребления здания от относительной глубины реализации работ по интеллектуальному оборудованию здания Такой вид зависимости – с постепенным уменьшением экономии на энергозатратах с увеличением х – принимается по аналогии с имеющимися исследованиями в этой области [16], касающимися влияния других энергосберегающих мероприятий на теплопотребление здания. Параметр с представляет собой коэффициент отклонения снижения электропотребления по сравнению со снижением теплопотребления; с = 1,5 (электропотребление снижается в 1,5 раза быстрее).

Следовательно, чем больше предполагаемый срок окупаемости дополнительных капиталовложений в инженерное оборудование и системы его автоматизации и управления, тем выше оптимальное значение хопт. В то же время сам по себе уровень К оказывает на хопт противоположное влияние – при увеличении затрат величина хопт будет падать. Если руб./м2; Qт.0 = 0,31 Гкал/(м2·г.); Qэл.г = 12,4 кВт·ч/(м ·г.); Ст = 1325, руб./Гкал; Сэл = 2,66 руб./(кВт·ч) по состоянию на 2011 год. Расчетный срок амортизации Там можно принять равным 15 лет, а Т = 10 лет так же по данным, откуда КТ = 0,15. За рубежом имеются аналогичные рекомендации о расчетных сроках окупаемости энергосберегающих мероприятий, Отсюда оптимальные удельные капиталовложения будут равны 600·0,437 = 262 руб./м2, или 8,75 USD/м2 (при курсе 30 руб./USD).

Таким образом, в рассматриваемом примере экономически целесообразная глубина реализации инженерного оборудования «интеллектуального» дома составляет чуть меньше половины максимально возможного объема. Полученная информация может быть использована при решении вопроса о составе и оптимальной последовательности операций по монтажу и наладке климатических систем в подобных объектах, что предполагается осуществить в ходе дальнейших исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Н. конт.

На рынке недвижимости в последние годы существенно увеличился спрос на жилье, оснащенное многофункциональными системами типа «умный дом».

Такой интерес мотивирован не только комфортными условиями для жизни, создаваемыми современной техникой и удобством управления, а возможностью экономить, что важно при постоянно растущих ценах на энергоносители. Система микроклимата «умного дома» устанавливает влажность и температуру в доме по рациональному принципу, что уменьшает расходы электрической энергии и газа.

При рассмотрении задач обеспечения микроклимата обычно имеют дело с тепловым, влажностным, воздушным и газовым режимом помещения или здания.

Для решения этой задачи возможно использование ряда протоколов – ModBas, RS485, BАСnet, LON.

Используемые протоколы обмена информацией могут быть определены на уровне технического задания, либо может быть непосредственно определен производитель оборудования. 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.

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 моЛист жет работать автономно. В случае выхода из строя одного из сегментов системы другой сегмент остается работоспособным.

Единая платформа базируется на свободно программируемом контроллере с большим объемом памяти, что позволяет тестировать алгоритмы управления системой обеспечения микроклимата.

Централизованные управляющие вычислительные системы на базе миниЭВМ легко перенастраиваются с одной функции на другую путем замены программ в памяти ЭВМ. Возможно применение двухуровневых систем управления, в которых нижние уровни выполняются на традиционных средствах локального регулирования.

Аппаратная часть системы состоит из блока управления, комплекса датчиков для сбора измерительной информации о параметрах микроклимата помещения, блока ручного управления и контроллера.

Особенностью представляемой системы управления является возможность формирования стратегии использования исполнительного оборудования и, соответственно, акцентирование управления на выполнении либо экономических, либо других требований, учитывающих функциональную предназначенность помещения. Стратегия управления задается в табличной форме, в которой проставляются экспертные оценки предпочтения использования контуров обогрева и вентиляции для поддержания заданных значений температуры и влажности воздуха.

Таким образом, в дипломном проекте была разработана информационная подсистема «умного дома» для поддержания заданных параметров.

Список литературы

СПИСОК

ИСПОЛЬЗОВАННЫХ

ИСТОЧНИКОВ

СПИСОК

ИСПОЛЬЗОВАННЫХ

Н. конт.

ИСТОЧНИКОВ

Изм Лист Роганов А.А.

1. Ю.А. Быстров, И.Г. Мироненко. Электронные цепи и устройства. М., «Высшая школа», 2006.

А. Ломакин. Герконовые реле, "Радио" №1, 1988г., стр.60Проектирование импульсных и цифровых устройств радиотехнических систем/ под ред. Ю.М.

Казаринова. Учебное пособие для ВУЗов. М., «Высшая школа», 2005.

Разработка и оформление конструкторской документации РЭА. Справочник / под ред. Э.Т. Романычевой. М., «Радио и связь», 2006.

П.П.Тель, Н.К.Иванов-Есинович. Конструирование и микроминиатюризация РЭА, Л., Энергоатомиздат, 2004.

Б.В.Тарабарин. Справочник по ИМС. М., Энергия, 2006.

Охрана труда радиоэлектронной промышленности / под ред. Павлова С.П., М., Радио и связь, 2005.

Каган Б.М., Мкртумян И.Б. “Основы эксплуатации ЭВМ”: Учеб. пособие для вузов/ Под ред. Б.М.Кагана. - М.: Энергоатомиздат, 2007.-376с., ил.

И.Н. Балахничев, А.А. Ровдо, А.В. Дрик. Экспериментальная электроника, выпуск 1. Минск, «Наш город», 2006.

Леонтьев В.П. Большая энциклопедия компьютера и Интернета 2005. – М.: ОЛМА-ПРЕСС Образование, 2005. – 1104с.

10. ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. ГОСТ 2.721-74, ГОСТ 2.722-68, ГОСТ 2.723-68, ГОСТ 2.725-68 – ГОСТ 2.727-68, ГОСТ 2.728ГОСТ 2.729-68, ГОСТ 2.740-74, ГОСТ 2.741-68 – ГОСТ 2.742-68, ГОСТ 2.743-72, ГОСТ 2.744-68 – ГОСТ 2.748-68, ГОСТ 2.749-70, ГОСТ 2.740-68, ГОСТ 2.741-74, ГОСТ 2.742-71, ГОСТ 2.743-71, ГОСТ 2.744-72, ГОСТ 2.745-74, ГОСТ 2.746-76. М., Издательство стандартов, 1979С.Т. Усатенко, Т.К, Каченюк, М.В.Терехова. “Выполнение электрических схем по ЕСКД”: справочник, М.:

Издательство стандартов, 2007. - 325| с.

11. Д.В. Стефанков “Справочник программиста и пользователя”. - М:“Кварта”, 2005.- 128с.

12. Под ред. М. Дадашова “Проектирование пользовательского интерфейса на персональных компьютерах. Стандарт фирмы IBM.” - M: фирма “ЛЕВ”, 2007. с.

13. Основы построения сетей. Учебное руководство для специалистов MCSE (+CD-ROM). Дж. Челлис, Ч. Перкинс, М. Стриб; перевод с англ. - Лори, 2005.

14. Компьютерные сети. Учебный курс, 2-е изд. (+CD-ROM). - MicrosoftPress, Русская редакция, 2007.

15. Куроуз Дж., Росс К. Компьютерные сети, 5-е изд. – СПб.: Питер, 2009.

16. В.Г. Олифер, Н.А. Олифер Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы, 3-е изд. – СПб.: Питер, 2008. – 958с.

17. Проектирование систем видеонаблюдения. Статья http://www.tssec.ru/pub 18. Владо Дамьяновски. «CCTV. Библия охранного телевидения». - 2-е изд. М.: ООО «ИСС», 19. Сети и системы связи, №8 (170). 27.08.2008, стр. 34.

20. http://www.skysec.ru/category/metki_dlja_blogov/volokonno-opticheskie_seti 21. http://www.tehinfo-m.ru/lic.html 22. http://www.svp.ru/press/article 23. http://articles.securitybridge.com/articles.php?action=view&cid=21&id=11556&page=

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Утв. Роганов А.А.

A ACCESS

ACK ACTING

AO APPL ID

CLOS CLSD

CMP1(2)E Конечная точка ком- CMP1(2)S Начальная точка компенсации

CNST COMB

CONFIG

COOL COOLER

CTLOOP

DIG DIG

Привод заслонок рециркуляции DV DLYH Задержка пиковых сигналов DV DLYL Дифференциал пико- ECO Экономия

ERC EXP

FROST FRST

HEAT HREC

HREC IN X

INVALID INVERS

LABEL LIM

LIM DHI

LIM DLO LIM TN

LIM MIN LIM XP

MAIN MAX

MAX POS Максимальный сигнал MECH 1(2) Вход 1(2) режима HREC

MIN MIN POS

OFF OFF TN

OFF XP OFFTIME

Задержка включения ON-OUTS Зависимость по наружной

OPEN OPMODE

ORIG OUTS

регулировки (задатчик 1,2) ROOM XP Пропорциональная Шаговый переключатель 1(2) составляющая темпеЛист S1(2,3,4,5, Шаг 1(2,3,4,5,6)- S1(2,3,4,5,

SBIN SEQ

SEQ SEL

SEQ1(2,4,5 Последовательность SEQ1(2,4,5 Последовательность 1(2,4,5) SEQ1(2,4,5 Предел пропорцио- SEQ1(2,4, SET COOL охлаждения SET HEAT Установка значения нагрева в

OK STATUS

1(2,3,4,5,6)

STEPBIN STEPLIN

SU DMAX

SU DMIN Минимальная разница SU MAX Максимальное значение TIMEOUT Время ожидания TOOLING Блокировка операции

TYPE TYPE

USER VALUES

WIN-D Структурная схема контроллеров.