Николай Михайлович Байтингер,
директор ЗАО НПО «Лайф Новосибирск»

Касаясь проблем инженерного обеспечения здания, необходимо отметить, что они имеют тенденцию заметного усложнения. Причем усложнение идет высокими темпами как минимум по двум причинам. Во-первых, в связи с все усложняющейся его функциональностью. Во-вторых, в связи с все возрастающими требованиями к параметрам среды обитания. По этим причинам так называемый экстенсивный вариант развития инженерных коммуникаций подошел практически к своему пределу. Дальнейшее их усложнение приводит к неоправданному увеличению цены, а также к снижению надежности, безотказности, усложнению и удорожанию обслуживания, увеличению влияния так называемого человеческого фактора и т. д.

С другой стороны, наблюдается устойчивая тенденция все возрастающего внедрения практически во все инженерные системы современной микропроцессорной техники и связанного с ним программного обеспечения. Подавляющее место в них занимают цифровые системы. Так или иначе, но на уровне обработки информации с формальной точки зрения любая из инженерных систем становится малоразличима одна от другой. Не вдаваясь в дальнейшие специальные области по обработке информации, можно констатировать, что с информационной точки зрения все инженерные системы в принципе идентичны.

Исходя из этих и других факторов, объективно возник интенсивный вариант развития инженерных систем зданий и сооружений. Так или иначе, в среде специалистов по инженерным коммуникациям стал курсировать термин «интеллектуальное здание». В среде разработчиков рано или поздно возникает консенсус, облекаемый в формы стандартов. Эти документы раньше всего возникают в развитых рыночных структурах, адаптированных к быстрому освоению новых тенденций в той или иной области. Таким образом, появился стандарт EN ISO 16484 “Building Automation and Control systems-BAGS”. Российские разработчики иногда называют такие системы системой автоматизации и управления зданиями, или сокращенно САиУЗ. По этой тематике проводятся многочисленные выставки и конференции. Так, например, с 23 по 26 ноября 2005 года в Московском Гостином дворе состоялась Международная выставка Hi-Tech House-2005, на которой ведущие мировые производители интеллектуальных инженерных систем демонстрировали новейшее оборудование, решения по оснащению интеллектуальными системами объектов коммерческой и жилой недвижимости, реализованные в России проекты зданий и домов. Участники Hi-Tech House-2005 представляли в общей сложности 19 стран.

Говоря о подобных интеллектуальных технологиях, представляется очевидным, что в них присутствует интеллектуальный энергетический компонент. Для российских и тем более сибирских условий он является коренным компонентом и может быть стержнем, на основе которого могут интеллектуализироваться иные компоненты и системы. Во всяком случае очевидно, что без энергоэффективного здания не может быть здания интеллектуального. Поэтому с целью более подробного рассмотрения некоторых аспектов возможной реализации концепции интеллектуального здания можно попытаться на примере его энергетического и, в частности, теплотехнического или, по другой терминологии, климатического компонента несколько углубиться в эту проблему.

Пытаясь рассматривать энергетический компонент инженерных коммуникаций или систем здания, необходимо понимать, что он является своего рода надстройкой во всей энергетической системе. Ясно, что в его фундаменте присутствует так называемый силовой, собственно энергетический компонент, а интеллектуальная или информационная составляющая управляет или корректирует энергетический процесс. Это, безусловно, относится к любым энергетическим составляющим. На примере теплоэнергетической составляющей попытаемся более подробно рассмотреть энергетический сегмент интеллектуального здания в интерпретации НПО «Лайф Новосибирск».

Но прежде, хотя бы кратко необходимо коснуться энергетического фундамента. Как известно, в основе гарантированного теплоснабжения России лежит принцип централизованного теплоснабжения. Периодически в связи с теми или иными событиями возникает вопрос о целесообразности и эффективности именно такого варианта теплоснабжения. На основе свободной информации о других принципах теплообеспечения возникают критические высказывания о принципиальной правильности и перспективности такого подхода.

В этой связи может быть целесообразным остановиться на некоторых основополагающих принципах, на которых построена система централизованного теплоснабжения. На рис. 1. упрощенно представлена система централизованного теплоснабжения на основе ТЭЦ со всеми наиболее важными ее компонентами. Такими системами охвачены практически все крупные города России. В общем объеме производимой тепловой энергии они составляют около 34%. Из нее наглядно видно, что тепловая энергия производится совместно с электрической. С точки зрения экономики, за счет этого себестоимость тепловой энергии кардинально ниже по сравнению с другими способами ее производства. Безусловно, подразумевается корректное сравнение, то есть, например, необходимо производить сравнение для одного вида топлива. Это замечание связано с тем, что иногда сравнивают энергию, производимую при сжигании низкосортных углей на ТЭЦ, и энергию, получаемую из других источников, использующих газ, который приобретается далеко не по рыночным ценам, и т. д.

Однако для строительной практики существуют проблемы, которые сильно влияют на процесс использования этого, как известно, относительно дешевого источника энергии. Эти проблемы связаны с относительно сложным процессом получения разрешения для подключения дополнительных потребителей к уже существующей системе. Объективно главная проблема состоит не в проблемах организационного характера. Главная проблема находится в технологической плоскости. И дело здесь даже не в том, что существующая система рассчитана на вполне определенные максимальные тепловые нагрузки. Часто эти резервы по мощности есть. Но очень трудно разрешимым ограничением является сама сеть, реконструкция которой в городских условиях очень затратная и затруднительная по многим факторам.

В связи с этим рассмотрим этот аспект проблемы более подробно. Для более наглядного представления некоторых граней этой проблемы вернемся к рис. 1. Для лучшего понимания сути происходящих в системе процессов опишем их в терминах классической термодинамики. В этом случае источник - ТЭЦ - является тепловой машиной, преобразующей тепловую энергию в механическую (которая затем в электрической машине преобразуется в электрическую). По второму началу термодинамики часть тепла необходимо при этом сбросить в так называемый холодильник, роль которого может играть система централизованного теплоснабжения близлежащего населенного пункта. В этом представлении становится очевидным, что ТЭЦ не просто производитель тепла, как, например, котельная, а один из элементов сложной системы. Далее тепловая энергия поступает в транспортную систему - сеть, через которую она поступает к потребителям.

Энергия (мощность), которая используется потребителями:

Qп = Q1-Q2 = cG(T1-T2)  (1)

Здесь:

Q1 - поток энергии в подающем трубо-проводе;

Q2 - поток энергии в обратном трубо-проводе;

Qп - потребленная пользователями энергия;

G - массовый расход теплоносителя (система закрытая G = const, суммарный расход постоянный);

с - удельная теплоемкость (принята одинаковой для подающего и обратного трубопровода);

T1 - температура в подающем трубо-проводе;

T2 - температура в обратном трубопроводе.

На основе приведенной формулы можно извлечь некоторые факты.

Чем больше разность температур (T1-T2), тем большая доля энергии из курсирующей по системе используется потребителями. 
В целях увеличения доли используемой энергии желательно уменьшить (понизить) T2, тогда доля используемой энергии увеличится ((T1-T2) увеличится).

Из практики известно, что удается использовать около половины из нее. Другими словами, имеется принципиальная возможность увеличения отдачи сети и подсоединения дополнительных потребителей к имеющейся сети в случае реализации возможности снижения температуры обратной воды, при условии неснижения теплоотдачи у потребителей.

Есть и другой аспект этой проблемы. Рассмотрим пьезометр некоторой тепловой сети.

Выразим из (1) массовый расход теплоносителя. Если принять в некоторый момент времени энергию (мощность) постоянной, а такое допущение является, безусловно, корректным, то массовый расход теплоносителя будет равен:

G = Qn / c(T1-T2)   (2)

То есть массовый расход (количество, масса теплофикационной воды, курсирующей по трубопроводу в единицу времени) обратно пропорционален разности температур между подающим и обратным трубопроводами. Другими словами, увеличивая разность температуры за счет уменьшения температуры обратной воды (по другой терминологии, увеличивая теплосъем), уменьшается массовый расход теплоносителя в системе. Но с уменьшением расхода гидравлические характеристики системы улучшаются («дельта» P растет), многие проблемы так называемых хвостовых потребителей становятся не такими острыми и т. д. На пьезометре это можно проиллюстрировать следующим образом (см. рис. 2). Представлены для примера три потребителя, расположенные на разном удалении от источника тепловой энергии. G1 - расход у каждого потребителя при обычной существующей ситуации. G2 - расход у тех же потребителей при гипотетической возможной ситуации, когда удалось каким-то способом снизить T2 температуру обратного теплоносителя у каждого из них. Из (2) следует, что при сделанных допущениях о постоянстве потребляемой энергии (мощности) массовый расход теплоносителя G2<G1. Как следствие, и это иллюстрирует рис. 2, видно, что чем дальше от источника, тем заметнее улучшение гидравлической обстановки у потребителей - «дельта» P(G2) (механический напор) возрастает на большую величину.

Этот вывод можно интерпретировать и иначе. Сохраняя существующую гидравлическую обстановку, можно увеличить пропускную способность сети, то есть появляется возможность подсоединения к существующей сети дополнительных потребителей без ее реконструкции. Простой расчет на основе (1) показывает, что увеличение теплосъема на 10o - 15o позволит дополнительно подсоединить не менее 20% - 30% тепловой нагрузки при той же сети.

Нарисованная радужная теоретическая картина ставит один, пока на практике трудно разрешимый вопрос. Его можно сформулировать следующим образом. Как, не снижая теплосъема у потребителей, увеличить тепловой напор (T1-T2). Специально не рассматривается вопрос о повышении T1, этот вопрос не в компетенции сети и тем более потребителей. Этот вопрос в ведении источника, он давно исследован, и все возможности исчерпаны на данном технологическом уровне. Вопрос стоит в снижении T2, он в значительной, если не сказать, в решающей степени в руках потребителей. Более того, в случае решения в той или иной степени этой проблемы и производитель может получить дополнительные выгоды. Специалисты знают, что коэффициент полезного действия тепловой машины (на ТЭЦ она вырабатывает электричество) может быть повышен при системном снижении T2.

Возвращаясь к теме интеллектуального здания, можно заметить следующее. Рассматривая его энергетический аспект в разрезе интенсивного варианта решения проблем собственно здания, мы при правильном применении возможностей, которые при этом возникают, можем решить и собственно энергетические проблемы системы в целом в контексте дальнейшего повышения ее эффективности. Столь заманчивые перспективы, теоретически нарисованные, могут вызвать оптимизм. Но что реально обосновано, и есть ли сегодня инструменты продвижения к этому? Определенные шаги уже сегодня реализованы в так называемой системе оптимального теплопотребления (СОТ) от НПО «Лайф Новосибирск».

В СОТ упор сделан на главные с точки зрения технологии аспекты. Это гибкое управление, автоматизация и эффективное использование энергии. Для этого она оснащена современными микропроцессорными устройствами, программным обеспечением, средствами передачи информации и связи, необходимыми исполнительными механизмами и арматурой. Она представляет собой комплекс взаимно увязанных решений, реализующих задачу энергоэффективного объекта в рамках концепции «интеллектуальное здание».

У специалистов-проектировщиков в СОТ повышенный интерес вызывают проектные решения, связанные с проектированием систем, с одной стороны, эффективно и гибко управляемых, а с другой - гидравлически устойчивых. У специалистов-энергетиков повышенный интерес вызывает применение компактных, практически не требующих обслуживания исполнительных механизмов (клапан с приводом). У инженеров-«автоматчиков» - алгоритмы управления теплообменными процессами. У специалистов по передаче данных - применяемые информационные технологии. У управленцев - решение передачи информации на расстояние: диспетчерские функции, диспетчеризация. Все эти задачи нашли свое решение в СОТ и тем самым обеспечивают практическую реализацию на сегодняшнем этапе модели энергоэффективного здания и на своем участке потенциальную встраиваемость в комплекс инженерных коммуникаций объекта в рамках концепции «интеллектуальное здание».

Сегодня уже существует многолетняя практика внедрения СОТ. Наработан соответствующий опыт монтажа, эксплуатации и обслуживания. Имеется статистика эффективности.

Литература

1. Концепция развития теплоснабжения в России, включая коммунальную энергетику, на среднесрочную перспективу// Минэнерго РФ, 2003.
2. П. А. Хаванов. Автономная система теплоснабжения - альтернатива или шаг назад- // АВОК N1, 2004, С. 34-38.
3. Байтингер Н. М., Бурцев В.В., Басин А. С. Энергосбережение как необходимый элемент энергоэффективного теплообеспечения // Энергетика: экология, надежность, безопасность (Материалы докладов 9-й Всеросс. н.-т. конф.) - Томск: Изд-во ТПУ, 2003. Т. 2. С. 4-7.

 630058, г. Новосибирск, ул. Русская, 41 
тел. (383) 333-77-44, факс 333-74-57
http://www.life.sibinfo.net