Автоматизация теплового пункта гражданского здания

Автоматизация теплового пункта гражданского здания

Введение

Системы теплоснабжения являются крупнейшим потребителем топливно-энергетических ресурсов в стране. От нормального функционирования этих систем зависят условия теплового комфорта в отапливаемых зданиях самочувствие людей, производительность труда и т.д. Выпуск качественной продукции на ряде промышленных предприятии требует строгого соблюдения нормируемых параметров микроклимата. Эффективность предприятий агропромышленного комплекса (урожайность плодов и овощей, выращиваемых в теплицах, продуктивность животноводства) также в большой степени определяется температурно-влажностными режимами в сельскохозяйственных помещениях, обеспечиваемыми работой систем теплоснабжения. Таким образом, проблема повышения качества, надежности, экономичности теплоснабжения имеет государственное значение [1].

Режимы теплопотребления, а следовательно и производства тепловой энергии, зависят, как известно, от большого количества факторов; условий погоды, теплотехнических качеств отапливаемых зданий и сооружений, характеристик тепловой сети и источников энергии и др. При выборе этих режимов нельзя не учитывать функциональных взаимосвязей системы теплоснабжения с другими системами инженерного обеспечения: электро-, газо-, водоснабжения.

Внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами в практику теплофикации и централизованного теплоснабжения позволяет резко повысить технический уровень эксплуатации этих систем и обеспечить значительную экономию топлива. Кроме экономии топлива, автоматизация рассматриваемых систем позволяет улучшить качество отопления зданий, повысить уровень теплового комфорта и эффективность промышленного и сельскохозяйственного производства в отапливаемых зданиях и сооружениях, а также надежность теплоснабжения при уменьшении численности обслуживающего персонала.

Применение системы автоматического программного регулирования отопления позволяет осуществлять дальнейшее совершенствование режима отопления, например, снижать температуру воздуха в жилых зданиях в ночное время или снижать отпуск теплоты на отопление промышленных и административных зданий в нерабочее время, что обеспечивает дополнительную экономию теплоты и создание комфортных условий [2].

1. Автоматические системы энергосбережения в зданиях мегаполисов

Согласно закону Республики Казахстан «Об энергосбережении» понятие энергосбережение это реализация правовых, организационных, научных, производственных, технических и экологических мер, направленных на эффективное использование энергетических ресурсов и на вовлечение в оборот возобновляемых источников энергии.

Важными направлениями в законе «Об энергосбережении» РК являются:

- оптимизация режимов производства и потребления энергии, организация её учета и контроля;

- реализация проектов по внедрению энергоэффективной техники и продукции, передовых технологий.

Одним из способов обеспечения более экономичного и эффективного использования энергетических ресурсов в жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ) является автоматизация инженерных систем жилых зданий. В основе концепции систем централизованного интеллектуального управления зданием лежит новый подход к организации системы жизнеобеспечения здания, при котором за счет комплекса программно-аппаратных средств значительно возрастает эффективность функционирования и надежность управления всеми инженерными системами и исполнительными устройствами здания. Данный подход позволяет за счет интеграции информации, поступающей от всех эксплуатируемых подсистем (информационных сетей, электроснабжения, систем отопления и вентиляции, охранно-пожарной сигнализации и видеонаблюдения, систем водоснабжения, канализации), получить возможность оперативного доступа к информации о состоянии всех подсистем здания, отображая ее в удобной и понятной форме. "Централизованные системы интеллектуального управления зданием" помогают эффективно управлять инженерными системами здания - сократить затраты на эксплуатацию и операционные затраты, повысить комфортность и безопасность пользователей, оптимизировать производственные процессы, обеспечить безопасность людей, а также дорогостоящего оборудования и имущества.

1.1 Современное здание как объект комплексной автоматизации

Комплексная автоматизация здания это новая отрасль АСУ ТП, так как все системы автоматического управления до сегодняшнего дня выполнялись для промышленных предприятий. В настоящее время в нашей стране строительство является локомотивом индустрии, соответственно можно представить комплексную автоматизацию здания как важную часть строительства.

Поддержание в здании нормальных жизненных условий, обеспечение его безопасности и защищенности от внештатных ситуации обеспечивают множество технологических систем, каждая из которых характеризуется большим набором параметров и сигналов управления. Все они в совокупности образуют то, что называется системой жизнеобеспечения здания.

В сегодняшние здания устанавливают от 25 до 50 и более разнородных систем жизнеобеспечения, которые отличаются не только назначением и выполняемыми функциями, но и принципами работы: электрические, механические, транспортные, электронные, гидравлические и т.д. Каждая из этих систем поставляется производителем, как правило, в виде комплекта оборудования, на базе которого можно создать законченное решение с собственной системой контроля и управления [3].

Для управления всеми этими системами организуется диспетчерский пункт (один или несколько), находящийся на котором диспетчер постоянно получает информацию о состоянии всех узлов системы жизнеобеспечения и имеет возможность при необходимости подать необходимые сигналы управления. Проблема заключается в том, что число параметров контроля и управления для многоэтажного здания может достигать нескольких тысяч, поэтому недопустим применяемый для небольших объектов подход, при котором автоматизация контроля и управления строится на отдельных локальных контроллерах, встроенных в оборудование или смонтированных отдельно и не связанных в единый комплекс.

Для того чтобы все эти разрозненные инженерные системы работали в едином комплексе, осуществляли между собой обмен данными, контролировались и управлялись из единой диспетчерской, главным звеном интеллектуального здания - является система управления зданием (BMS – Building Management System).

Система управления зданием, которую называют еще и системой автоматизации и диспетчеризации инженерного оборудования, является ядром интеллектуального здания и представляет собой аппаратно-программный комплекс, осуществляющий сбор, хранение и анализ данных от различных систем здания, а также управление работой этих систем через сетевые контроллеры (процессоры).

Интеллектуальные сетевые контроллеры, использующие открытые протоколы и стандарты передачи данных LonWork и BACNet, осуществляют контроль и управление работой подведомственных им инженерных систем, а также обмен данными с другими сетевыми контроллерами системы управления зданием. На основе собранной информации сетевые контроллеры автономно посылают управляющие команды на контроллеры инженерных систем в рамках заложенных в них алгоритмов реакции на события в штатных или нештатных ситуациях.

Такая архитектура системы управления зданием позволяет:

- в автоматическом режиме управлять работой систем вентиляции, кондиционирования, отопления, освещения и др., обеспечивая в каждом помещении наиболее комфортные условия для персонала по температуре, влажности воздуха и освещенности;

- получать объективную информацию о работе и состоянии всех систем и своевременно сообщать диспетчерам о необходимости вызова специалистов по сервисному обслуживанию в случае отклонения параметров любой из систем от штатных показателей;

- контролируя максимально возможное число параметров оборудования, точек контроля в здании и показателей загруженности систем, перераспределять энергоресурсы между системами, обеспечивая их эффективное использование и экономию энергоресурсов;

- ввести оптимальный режим управления инженерным оборудованием с целью сокращения затрат на использование энергоресурсов, потребляемых инженерными системами здания (горячей и холодной воды, тепла, электроэнергии, чистого воздуха и т.д.);

- обеспечить централизованный контроль и управление при нештатных ситуациях:

- осуществлять своевременную локализацию аварийных ситуаций;

- оперативно принимать решения при аварийных и нештатных ситуациях (пожаре, затоплении, утечках воды, газа, несанкционированном доступе в охраняемые помещения);

- ввести объективный анализ работы оборудования, действий инженерных служб и подразделений охраны при нештатных ситуациях на основе информации автоматизированных баз данных, документирующих все принятые решения и многое другое.

Используя открытые протоколы обмена данными между различными системами здания, структурированные кабельные и LAN/WAN сети, сетевые контроллеры системы управления зданием позволяют создать инженерную инфраструктуру, которая имеет высокую степень открытости для наращивания и быстрой модернизации инженерных систем. В максимальной конфигурации система управления зданием сможет осуществлять централизованный мониторинг оборудования и управление следующими инженерно-техническими системами и комплексами:

Система электрораспределения:

- системы гарантированного и бесперебойного электроснабжения;

- системы освещения (комнатные, коридорные, фасадные и аварийные);

- система вентиляции;

- система отопления;

- система горячего и холодного водоснабжения;

- системы канализации и дренажные системы;

- система оперативной связи и видеоконференций;

- система воздухоподготовки, очистки и увлажнения;

- система холодоснабжения

- система кондиционирования и климат-контроля;

- система контроля загазованности.

Транспортные системы:

- системы учета и контроля расходования ресурсов;

- система охранно-пожарной сигнализации;

- система противопожарной защиты и пожаротушения;

- система охранного видеонаблюдения;

- система контроля и управления доступом;

- система управления паркингом;

- метереологическая система;

- система часофикации.

Применение системы управления зданием удорожает общую стоимость инженерии здания на 20-50 долларов США на 1 квадратный метр общей площади здания и зависит от размеров здания и технических требований к работе инженерных систем. Для зданий площадью 15 000 кв. м. и более удорожание составляет $20 на 1 кв. м. Для зданий с меньшей площадью эта цифра увеличивается. Все приведенные оценки сделаны без учета стоимости самого инженерного оборудования, которое использует открытые протоколы обмена данными и будет установлено в здании.

В то же время, применение BMS и ресурсосберегающего оборудования позволяет:

- вписаться в ограниченные энергомощности и исключить расходы на строительство дополнительной подстанции и прокладку силовых кабелей, особенно в центральных частях города, где муниципальные власти ограничивают владельцев зданий в объемах энергопотребления;

- сократить расходы на дорогостоящие ремонт и замену вышедшего из строя оборудования, продлить срок его службы за счет постоянного мониторинга параметров инженерных систем и своевременного проведения наладочных работ при выявлении отклонений параметров систем от нормы;

- снизить на 20% ежемесячные коммунальные платежи (вода, тепло, канализация, электроснабжение) за счет работы систем в наиболее экономном режиме и автоматического перевода инженерии здания из дневного в ночной режим работы (когда автоматически отключается освещение, кондиционеры, снижается температура отопительных батарей в комнатах, персонал которых покинул здание);

- сократить в 3 раза расходы на службу эксплуатации, поскольку большинство систем будет работать в автоматическом режиме, что снижает расходы на ремонт или замену дорогостоящего оборудования, вышедшего из строя по причине халатности персонала или ошибок оператора;

- исключить расходы на интеллектуальную надстройку систем здания при расширении числа инженерных систем и их модернизации за счет использования возможностей открытой архитектуры системы управления здания;

- снизить заболеваемость сотрудников за счет создания комфортных условий для их работы и, как следствие, сократить расходы на реабилитацию сотрудников и страховые выплаты.

Помимо значительного снижения численности персонала, обслуживающего инженерные системы здания, за счет максимальной автоматизации процессов управления и контроля работы систем жизнеобеспечения, владелец интеллектуального здания может рассчитывать на получение следующих выгод:

- увеличится в 2 раза срок бесперебойной работы инженерных систем за счет автоматического поддержания оптимальных условий работы оборудования;

- при возникновении аварийных ситуаций операторы, осуществляющие контроль работы оборудования, будут иметь полную информацию о работе каждой системы и рекомендации BMS по выбору оптимального и наиболее безопасного выхода из ситуации. При этом большая часть задач будет решать автоматика здания;

- при появлении сбоев в работе оборудования BMS будет своевременно информировать службы эксплуатации, отвечающие за работу данного оборудования, а также главную службу эксплуатации и смежные подразделения. Иными словами, если оператор системы электроснабжения уснул на рабочем месте и BMS не видит его реакции на тревожные сообщения, то она отправляет тревогу главному диспетчеру;

- расходы на техническое обслуживание оборудования и инженерных систем будут минимальными; поскольку мониторинг параметров всех систем осуществляется круглосуточно и при своевременном вызове сервисных бригад, случаи серьезного ремонта оборудования будут исключены;

- все действия автоматики и операторов систем протоколируются BMS, поэтому вероятность возникновения ситуаций коллективной безответственности за остановку или сбой в работе оборудования близка к нулю.

1.2 Анализ технологических схем тепловых пунктов гражданских зданий

Тепловой пункт (ТП) — это комплекс устройств, расположенный в обособленном помещении, состоящий из элементов тепловых энергоустановок, обеспечивающих присоединение этих установок к тепловой сети, их работоспособность, управление режимами теплопотребления, трансформацию, регулирование параметров теплоносителя и распределение теплоносителя по типам потребления.

Основными задачами тепловых пунктов являются:

- преобразование вида теплоносителя;

- контроль и регулирование параметров теплоносителя;

- распределение теплоносителя по системам теплопотребления;

- отключение систем теплопотребления;

- защита систем теплопотребления от аварийного повышения параметров теплоносителя;

- учет расходов теплоносителя и тепла.

Тепловые пункты различаются по количеству и типу подключенных к ним систем теплопотребления, индивидуальные особенности которых, определяют тепловую схему и характеристики оборудования тепловых пунктов, а также по типу монтажа и особенностям размещения оборудования в помещении тепловых пунктов, различают следующие виды тепловых пунктов:

- индивидуальный тепловой пункт (ИТП);

- центральный тепловой пункт (ЦТП);

- блочный тепловой пункт (БТП) [4].

Индивидуальный тепловой пункт используется для обслуживания одного потребителя (здания или его части). Как правило, располагается в подвальном или техническом помещении здания, однако, в силу особенностей обслуживаемого здания, может быть размещён в отдельном сооружении.

Индивидуальный тепловой пункт имеет следующие виды тепловых нагрузок:

- система горячего водоснабжения (ГВС) предназначена для снабжения потребителей горячей водой. Различают закрытые и открытые системы горячего водоснабжения. Часто тепло из системы ГВС используется потребителями для частичного отопления помещений, например, ванных комнат, в многоквартирных жилых домах;

- система отопления предназначена для обогрева помещений с целью поддержания в них заданной температуры воздуха. Различают зависимые и независимые схемы присоединения систем отопления.

При зависимых схемах присоединения давление в абонентской установке зависит от давления в тепловой сети. При независимых схемах присоединения давление в местной системе не зависит от давления в тепловой сети.

Оборудование теплового пункта при зависимой схеме присоединения проще и дешевле, чем при независимой, при этом может быть получен несколько больший перепад температур сетевой воды в абонентской установке. Увеличение перепада температуры воды уменьшает расход теплоносителя в сети, что может привести к снижению диаметров сети и экономии на начальной стоимости тепловой сети и на эксплуатационных расходах.

В зависимости от характера тепловых нагрузок абонента и режима работы тепловой сети выбираются схемы присоединения абонентских установок к тепловой сети. На рисунке 1.1 показаны различные схемы присоединения абонентов к водяной тепловой сети. Схемы а—е показывают совместное присоединение в одном узле отопительной установки и установки горячего водоснабжения при закрытой системе.

Для обозначения различных схем присоединения отопительных установок и установок горячего водоснабжения к тепловой сети принята следующая индексация: отопительные установки О; зависимая со струйным смешением (ЗСС); зависимая с насосным смешением (ЗНС); независимая (Н). Например, О(ЗНС) обозначает отопительную установку, присоединенную по зависимой схеме с насосным смешением; установки горячего водоснабжения Г: параллельная (П); предвключенная (ПР); двухступенчатая смешанная (ДС); двухступенчатая последовательная (ДП).

Например, Г(ДП) обозначает присоединение установок горячего водоснабжения по двухступенчатой последовательной схеме [2].

На рисунке 1.1, а показано параллельное присоединение на одном абонентском вводе горячего водоснабжения и отопительной установки. При такой схеме расход сетевой воды на абонентском вводе определяется арифметической суммой расходов воды на отопление и горячее водоснабжение.

Расход сетевой воды на отопление поддерживается постоянно на расчетном уровне регулятором расхода 12. Расход сетевой воды на горячее водоснабжение является резкопеременной величиной. Регулятор температуры 13 изменяет этот расход в соответствии с нагрузкой горячего водоснабжения.

Расчетный расход сетевой воды на горячее водоснабжение определяется по максимальному значению этой нагрузки и при минимальной температуре воды в подающем трубопроводе тепловой сети. Поэтому суммарный расход сетевой воды получается завышенным, что удорожает систему теплоснабжения. Расчетный расход сетевой воды на горячее водоснабжение можно уменьшить при включении в схему аккумулятора горячей воды для выравнивания графика нагрузки горячего водоснабжения. Однако установка аккумулятора горячей воды усложняет оборудование теплового пункта и увеличивает требующиеся габариты помещения пункта. Поэтому обычно аккумуляторы горячей воды в жилых домах не устанавливаются, хотя это усложняет режимы работы сети.

При параллельном присоединении систем отопления и горячего водоснабжения сетевая вода используется на абонентском вводе недостаточно рационально. Обратная сетевая вода, возвращаемая из отопительной установки с температурой примерно 40 - 70 °С, не используется для подогрева холодной водопроводной воды, имеющей на вводе температуру около 5 °С, хотя теплотой обратной воды после отопления можно покрыть значительную долю нагрузки горячего водоснабжения, поскольку температура горячей воды, подаваемой в систему горячего водоснабжения, обычно не превышает 60— 65 °С. При рассматриваемой схеме вся тепловая нагрузка горячего водоснабжения удовлетворяется за счет теплоты сетевой воды, поступающей в водо-водяной подогреватель 6 непосредственно из подающей линии тепловой сети.

Вследствие нерационального использования теплоносителя на абонентском вводе и удовлетворения нагрузки горячего водоснабжения по максимуму суточного графика получается завышенный расчетный расход воды в городских тепловых сетях. Это вызывает увеличение диаметров тепловых сетей и рост начальных затрат на их сооружение, а также увеличение расхода электрической энергии на перекачку теплоносителя.

Расчетный расход воды несколько снижается при двухступенчатой смешанной схеме присоединения установки горячего водоснабжения и отопительной установки, предложенной П.М. Клушиным (рисунок 1.1, б).

Особенностью этой схемы является двухступенчатый подогрев воды для горячего водоснабжения. В нижней ступени подогрева 7 холодная вода предварительно подогревается за счет теплоты воды, возвращаемой из абонентской установки, благодаря чему уменьшается тепловая производительность подогревателя верхней ступени 8 и снижается расход сетевой воды на покрытие нагрузки горячего водоснабжения.

В рассматриваемой схеме подогреватель нижней ступени 7 включен по сетевой воде последовательно, а подогреватель верхней ступени 8 — параллельно по отношению к отопительной системе.

Преимущество двухступенчатой смешанной схемы по сравнению с параллельной — меньший расчетный расход сетевой воды благодаря частичному удовлетворению нагрузки горячего водоснабжения за счет теплоты воды, возвращаемой из системы отопления.

Одним из методов выравнивания тепловой нагрузки жилых зданий без установки аккумуляторов горячей воды служит применение так называемого связанного регулирования (рисунок 1.1, в и г). В этом случае с помощью регулятора расхода 12, установленного на тепловом пункте, поддерживается постоянный расход сетевой воды на удовлетворение суммарной тепловой нагрузки отопления и горячего водоснабжения. На рисунке 1.1, в осуществлено двухступенчатое последовательное присоединение установок горячего водоснабжения и отопления.

В этой схеме сетевая вода, поступающая из подающей линии тепловой сети, разветвляется на два потока. Один поток проходит через регулятор расхода 12, другой — через водо-водяной подогреватель 8. Сетевая вода, прошедшая через подогреватель 8, смешивается затем с потоком воды, прошедшим через регулятор расхода, и общий поток воды поступает через элеватор 15 в отопительную установку. Обратная вода после отопительной установки предварительно проходит через водо-водяной подогреватель нижней ступени 7, в котором она подогревает холодную воду, поступающую из водопровода. Подогретая водопроводная вода после нижней ступени 7 проходит через водо-водяной подогреватель верхней ступени 8 и направляется в местную систему горячего водоснабжения.

В том случае, когда после нижней ступени 7 температура подогретой водопроводной воды достаточна для удовлетворения потребителей горячего водоснабжения, регулятор температуры 13 перекрывает проход сетевой воды через верхнюю ступень 8. При этом режиме весь поток сетевой воды поступает из подающей линии сети через клапан регулятора 12 в отопительную установку.

Если температура водопроводной воды после нижней ступени подогрева 7 ниже требуемой, регулятор температуры 13 открывает клапан и на подогреватель верхней ступени 8 ответвляется часть воды, поступающей на тепловой пункт из подающей линии тепловой сети.

При любом положении регулятора температуры расход сетевой воды на абонентских вводах остается практически постоянным. Это обеспечивается регулятором расхода 12, поддерживающим практически постоянный перепад давлений в сопле элеватора 15, через которое проходит весь расход сетевой воды, поступающей на тепловой пункт. При увеличении регулятором 13 расхода сетевой воды через подогреватель 8 регулятор 12 прикрывается.

Преимущество двухступенчатой последовательной схемы (рисунок 1.1, в) по сравнению с двухступенчатой смешанной схемой (рисунок 1.1, б) заключается в выравнивании суточного графика тепловой нагрузки и лучшем использовании энтальпии теплоносителя, что приводит к дополнительному уменьшению расхода воды в сети.

На рисунке 1.1, д и е показано присоединение к тепловой сети отопительной установки и установки горячего водоснабжения по двухступенчатой последовательной схеме. На рисунок 1.1, д отопительная установка присоединена по зависимой схеме с элеватором и смесительным насосом, а на рис. 1.1, е — по независимой схеме. В отличие от предыдущих схем местное регулирование отопительной нагрузки в этих схемах проводится по внутренней температуре отапливаемых зданий с помощью регулятора отопления 14.

Страницы: 1, 2, 3, 4