Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ существующих технологий формирования энергоэффективности зданий и сооружений 11
1.1. Анализ опыта реализации инвестиционно- строительных проектов переустройства зданий и сооружений с целью повышения их энергоэффективности 11
1.2. Роль мониторинга в формировании энергоэффективности строительных объектов при их переустройстве
1.3. Мониторинг ресурсосбережения в зданиях, сооружениях на этапе переустройства 26
1.4. Мониторинг ресурсосбережения в зданиях, сооружениях на этапе переустройства с применением технологии «интеллектуального здания» 37
Глава 2 Методологические основы мониторинга режимов функционирования строительных объектов при их переустройстве 47
2.1. Общая постановка задачи моделирования организационно-технологических процессов в составе мониторинга функциональных строительных систем 47
2.2. Методологические средства представления мониторинга как информационного сопровождения жизненного цикла функциональных строительных систем при их переустройстве 55
2.3. Комплексный мониторинг режимов функционирования зданий, сооружений по критерию повышения энергоэффективности 62
2.4. Постановка задачи моделирования процесса переустройства строительного объекта на основе данных комплексного мониторинга режимов его функционирования 71
Глава 3 Исследование и разработка технологий формирования энергоэффективности зданий и сооружений при переустройстве на основе их комплексного мониторинга 77
3.1. Модели мониторинга жизненного цикла объекта строительства при обеспечении заданной энергоэффективности 77
3.2. Материалы и оборудование, используемые в технологиях переустройства зданий и сооружений, для осуществления функции ресурсосбережения при их функционировании 85
3.3. Принципы сохранения, восстановления и повышения энергоэффективности объектов строительства на основе применения технологий «интеллектуального здания» 96
3.4. Формирование информационно-документального обеспечения мониторинга энергоэффективности зданий, сооружений с оборудованием «интеллектуального здания» 105
Глава 4. Экспериментальное внедрение и эффективность результатов исследования 113
4.1. Разработка информационной технологии диагностики функционирования зданий, сооружений в процессе осуществления комплексного мониторинга энергоэффективности 113
4.2. Оценка экономической эффективности разработки компьютерной информационной технологии определения уровня энероэффективности здания, сооружения 119
4.3. Оценка параметров энероэффективности здания, сооружения в энергетическом паспорте здания, сооружения 129
4.4. Внедрение комплексного мониторинга энергоэффективности при переустройстве зданий, сооружений в городе Москве 138
Основные
Выводы Список 147 литературы Приложения 165
- Роль мониторинга в формировании энергоэффективности строительных объектов при их переустройстве
- Методологические средства представления мониторинга как информационного сопровождения жизненного цикла функциональных строительных систем при их переустройстве
- Материалы и оборудование, используемые в технологиях переустройства зданий и сооружений, для осуществления функции ресурсосбережения при их функционировании
- Разработка информационной технологии диагностики функционирования зданий, сооружений в процессе осуществления комплексного мониторинга энергоэффективности
Введение к работе
К настоящему времени рыночная экономика сформировала требования к повышению качества, конкурентоспособности и безопасности выпускаемой строительной продукции, осуществляемых работ и услуг строительными организациями Российской Федерации. Осознание сложившихся направлений развития строительного комплекса России позволило архитекторам, инженерам и ученым сосредоточить свои усилия на обеспечении соответствия уровня строительных работ требованиям энергоэффективности, экологической безопасности и комфорта [4,21,24,33].
Производство строительной продукции должно быть ориентировано на удовлетворение всех требований участников ее создания и эксплуатации, включая строительные и эксплуатирующие организации, инвесторов строительства, конечных потребителей и др. Именно эти участники жизненного цикла объектов строительства, заинтересованы в эксплуатационном качестве зданий, сооружений, в том числе ее энергоэффективности. А это, в свою очередь, требует разработки систем автоматизации строительных процессов для каждого участника каждого этапа жизненного цикла зданий, сооружений. Такие системы автоматизации призваны обеспечивать контроль потребительских характеристик зданий и сооружений, в том числе и путем проведения постоянного мониторинга их энергоэффективности [7,28,44,109,125, 7*-9*].
Рыночные аспекты изменяют условия строительства и требуют нового подхода к созданию и использованию уже разработанных САПР. С одной стороны, разнообразие функций и широкий круг участников строительства предполагает высокую интенсивность потоков информации на всех этапах жизненного цикла объектов строительства. С другой стороны, значительно повысились требования к эффективности проектирования строительного производства, позволяющего изменять условия функционирования здания, сооружения на этапе переустройства в рамках сохранения специализации его функционирования. Этап переустройства объекта требует информирования участников строительства, эксплуатационных служб и конечных потребителей услуг здания, сооружения о результатах контроля изменений его технических характеристик, заложенных проектом и реализуемых в процессе функционирования.
Жизненный цикл объекта строительства, реализованного по инвестиционно-строительному проекту, можно характеризовать схемой «петли качества», включающей закономерности формирования фаз и этапов осуществления строительного проекта [99,100]. Причем участие строителей в этой фазе «потребления» строительной продукции связано с тем фактом, что именно строители, как «реализаторы» инвестиционно-строительных проектов, в полной мере владеют знаниями о технических характеристиках жилища и умениями поддерживать стабильность этих характеристик путем переустройства (ремонтами всех видов, реконструкцией, реставрацией и др.) на этапе эксплуатации. При этом формирование технических особенностей здания, сооружения, основанное на расчетах и реализации системных параметров типа долговечности, надежности функционирования и прочих, определяет длительность эксплуатационной фазы строительного объекта.
Параметры зданий и сооружений, формирующие их энергоэффективность, закладываются уже на прединвестиционной и инвестиционной фазах этапов жизненного цикла здания, сооружения. При этом энергоэффективность становится обобщенной характеристикой функционирования здания, сооружения, заложенного при проектировании и реализуемого умелыми потребителями в процессе эксплуатации. Такой подход к определению энергоэффективности актуализирует разработку научных основ, методов и средств контроля и способов повышения энергоэффективности продукции в строительстве и в ее производственной и эксплуатационной базе. Причем для проведения автоматизации процедуры мониторинга изменений здания, сооружения в процессе переустройства с целью повышения энергоэффективности могут быть использованы модели системы обработки данных и документации (СОДД по Мохову А.И.), используемые в современных САПР объектов строительства.
Таким образом, потребность в проведении диссертационного исследования определяется необходимостью в обеспечении САПР объектов строительства средствами автоматизированной СОДД, позволяющими сформировать комплексный мониторинг энергоэффективности зданий, сооружений при их переустройстве и осуществлять его в процессе функционирования объектов. Названная потребность обосновывает актуальность темы диссертационного исследования.
Привлечение к исследованию средств системотехники и комплексотехники строительства позволяет сформировать ряд направлений исследований, связанных с увеличением наполнения и продолжительности жизненного цикла строительного объекта, внедрением новых прогрессивных технологических и конструктивных решений, совершенствованием технологий проектных и строительных работ по переустройству и упрощению условий эксплуатации объекта. Весь ход развития отечественной отрасли строительства объективно способствовал и обеспечивал формирование идеи переустройства, как основы создания перспективных проектных решений. Проблемам строительного переустройства посвятили свои исследования отечественные ученые: Афанасьев В.А., Большаков В.А., Булгаков С.Н., Волков A.A., Гинзбург A.B., Гранов Г.С., Гусаков A.A., Ефименко А.З., Ильин Н.И., Киевский JI.B., Мохов А.И., Олейник П.П., Теличенко В.И., Чулков В.О. и многие другие [11,23,30-33,41,46,70,7880,96,99-108,110,111,117,135-137,145]:
Можно учесть при переустройстве изменения, полученные в предыдущих циклах проектирования этого (прототип) или подобных (аналог) объектов и закрепить их в виде норм проекта переустройства строительного ' объекта. Тем самым, будут зафиксированы закономерности повышения значений характеристик, востребованных конечным потребителем, в частности, так можно разработать и внедрить технологию формирования - энергоэффективности здания, сооружения. Исследования показали, что и разработка и внедрение такой технологии становятся возможными при использовании при переустройстве здания, сооружения технологии «интеллектуального здания» [22,34-36,51,60,102,105-108,110,111,113- 115,123,134,2*-7*].
Окончательная формулировка актуальности диссертационного исследования включает необходимость в разработке и внедрении проектов энергоэффективности зданий, сооружений при их переустройстве на основе технологии «интеллектуального здания», рассматриваемой как методологии автоматизированного проектирования, включая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур и процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств для применения в САПР объектов строительства.
Кроме того, проведенное исследование может быть отнесено к научным основам реализации жизненного цикла «проектирование-производство- эксплуатация», построения интегрированных средств управления проектными работами и унификации прикладных протоколов информационной поддержки.
Изложенное определяет актуальность выбранной темы диссертационного исследования, которое соответствует п.п.1,6 паспорта специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (строительство), представляет собой решение актуальной задачи, обладающей научной новизной и практической значимостью. Это, в свою очередь обусловило востребованность полученных результатов диссертационной работы и благожелательное внимание со стороны научной общественности.
Цель исследования — автоматизация проектирования систем мониторинга энергоэффективности зданий, сооружений при их переустройстве в САПР объектов строительства.
Задачи исследования: анализ отечественной и зарубежной теории и практики автоматизации формирования проектных решений, направленных на повышение энергоэффективности и обеспечения ресурсосбережения строительных объектов на этапе их переустройства; исследование принципов автоматизации проектирования расширенных функций строительных объектов при их переустройстве; разработка и обоснование использования моделей мониторинга зданий, сооружений в процессе их переустройства при повышении энергоэффективности зданий, сооружений средствами подсистем САПР; обоснование применения энергоэффективных технологий в формировании проектов мониторинга в САПР объектов строительства; экспериментальная практическая проверка разработанных систем мониторинга для повышения энергоэффективности в процессе функционирования конкретных зданий, сооружений на этапе переустройства.
Объект исследования - системы автоматизации архитектурно- строительного проектирования.
Предмет исследования - автоматизированное проектирование систем мониторинга энергоэффективности зданий, сооружений на этапе переустройства.
Научно-техническая гипотеза предполагает возможность повышения энергоэффективности зданий, сооружений при их переустройстве на основе использования разработанных проектов систем мониторинга в САПР объектов строительства.
Методологические и теоретические основы исследования: работы отечественных и зарубежных ученых в области теории функциональных систем, системотехники и комплексотехники строительства, инфографии, теории и практики автоматизации зданий, энергоэффективных зданий, а также предметно-ориентированные прикладные исследования по автоматизации проектирования в строительстве.
Достоверность результатов обеспечена применением обоснованных теоретических и экспериментальных методов, аппарата инфографического моделирования, а также результатами использования разработанных технологий формирования энергоэффективности реальных объектов - зданий, сооружений в городе Москве при их переустройстве и эксплуатации.
Научная новизна выносимых на защиту результатов исследования заключается в следующем: разработан и применен пакет инфографических моделей для автоматизации выбора проектных решений мониторинга при осуществлении строительного переустройства энергоэффективных зданий, сооружений; разработана модель комплексного мониторинга энергоэффективности зданий, сооружений и их инженерного оборудования в САПР объектов строительства; разработан подход к формированию «интеллектуальных» технологий повышения энергоэффективности здания, сооружения на этапе переустройства в САПР объектов строительства; разработан подход к проектированию интегрированных информационных систем комплексного мониторинга энергоэффективности здания, сооружения на этапе переустройства в САПР объектов строительства.
Практическая значимость работы и внедрение результатов заключается в создании и применении проектов повышения энергоэффективности зданий, сооружений при их переустройстве, в создании комплексного мониторинга зданий, сооружений для поддержания заданного или повышения уровня энергоэффективности. Внедрение созданной модели комплексного мониторинга позволило повысить качество обслуживания зданий, сооружений на этапе их эксплуатации, обеспечить эффективность систем автоматики в управление инженерными подсистемами зданий. Практическое использование результатов исследования создало возможность значительно увеличить срок службы инженерного оборудования и сформировало условия для сохранения энергоэффективности ряда зданий, сооружений города Москвы.
Апробация работы
Содержание и результаты диссертации неоднократно докладывались на российских и международных конференциях, обсуждались и одобрены на заседаниях и семинарах кафедр системного анализа в строительстве (САС) и ИСТАС (2008-2010гг.) ГОУ ВПО МГСУ, научно-методического совета по информационным системам и технологиям науки и образования в области строительства (НМС ИСТ) при Международной Ассоциации строительных вузов (АСВ) и Учебно-методическом объединении (УМО) вузов Российской Федерации в области строительства (2008, 2010гг.), научных и научно- методических семинарах проектных организаций отрасли строительства РФ (Московском городском семинаре «Проблемы интеллектуализации технических систем» (2006-2010гг. и др.).
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 6 работах, в том числе — в 2 работах в научных изданиях, входящих в действующий перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.
Роль мониторинга в формировании энергоэффективности строительных объектов при их переустройстве
Для выявления роли мониторинга в формировании энергоэффективности приведем определение этой характеристики исследуемого объекта.
Энергоэффективность можно определить как эффективное (рациональное) использование энергетических ресурсов, достижение экономически оправданной эффективности использования топливно- энергетических ресурсов при существующем уровне развития техники и технологии и соблюдении требований к охране окружающей среды [120].
Согласно докладу Секретариата Энергетической Хартии «Повышением энергетической эффективности считается любое мероприятие, осуществленное производителем или потребителем энергетических продуктов, которое сокращает затраты энергии на единицу выпускаемой продукции не сказываясь отрицательно на уровне предоставления услуги. Большая энергоэффективность может быть достигнута за счет совершенствования оборудования, совершенствования технологий, изменения программного обеспечения, совершенствования управления энергопользованием и улучшения методов работы или сочетанием обоих этих элементов.
В России требования к строительству и возведению зданий, сооружений, соответствующие строгим нормам энергоэффективности и кодексам защиты окружающей среды, являются довольно высокими. Вместе с тем, большая часть участников архитектурно-строительного рынка сходится во мнении, что сегодня в России сложились все необходимые предпосылки для развития энергоэффективного строительства [12,33,120]: экономический кризис требует внедрения современных технологий от владельцев зданий и девелоперов, которые настроены на усиление своего конкурентного превосходства - поиск новых способов сокращения издержек и улучшения выводимых на рынок объектов недвижимости; в то время как развитые страны в рамках Киотского протокола взяли на себя обязательства по уменьшению выбросов парниковых газов, Россия заявила, что главным инструментом для выполнения своих обязательств рассматривает повышение энергоэффективности в строительстве;
Президент Дмитрий Медведев признал, что потребление энергии на душу населения в России («энергетическая интенсивность») более чем втрое выше, чем в странах Евросоюза и в 2 раза больше, чем в США, также озвучил планы России по улучшению энергоэффективности к 2020 году на 40%; долгосрочные планы России по развитию экономики и росту производства, наряду с увеличением экспортных доходов от нефти и газа, а также введением свободных цен на энергоресурсы на внутреннем рынке во много раз увеличивает вероятность, что стоимость подключения и пользования электроэнергией для строителей в ближайшие годы резко возрастет; представители государственной власти начинают осознавать, что рост экономических, социальных и экологических проблем в нашей стране во многом вызван неэффективным использованием существующих ресурсов, устаревших строительных материалов и технологий. Также постепенно увеличивается вывод на рынок экологически чистых и повышающих энергоэффективность технологий и материалов.
К настоящему времени существенно усилена нормативная база энергосбережения. Первоосновой энергосбережения становится Федеральный закон 261 ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23.11.2009г.
Анализ норм закона показывает, что все производимые, передаваемые и потребляемые энергоресурсы подлежат обязательному приборному учёту. Исключения сделаны для потребления аварийных и ветхих объектов, подлежащих сносу или капитальному ремонту до 1 января 2013 года, а так же объектов с мощностью потребления электроэнергии до 5 киловатт или тепловой энергии до 0,2 Гкал в час.
Для дальнейшего исследования будут важны следующие нормы: 1. В течение 2010 года в сданных в эксплуатацию объектах собственники обязаны установить средства учета энергии и энергоносителей. 2. С 1 января 2012 года вводимые в эксплуатацию и реконструируемые многоквартирные жилые дома должны оснащаться индивидуальными теплосчётчиками в квартирах. 3. С момента принятия Закона не допускается ввод в эксплуатацию зданий, строений, сооружений без оснащения приборами учёта энергии и энергоресурсов.
Законом определяется порядок оценки и управления энергоэффективностью зданий, строений и сооружений, причем порядок управления энергоэффективностью выделен отдельной статьей. В состав требований включены: показатели энергоэффективности для объекта в целом; показатели энергоэффективности для архитектурно-планировочных решений; показатели энергоэффективности для элементов объекта и конструкций, а так же материалов и технологий, применяемых при капремонте.
В Правилах определения энергоэффективности для зданий и сооружений, которые разрабатывает Минрегион [112] должны быть определены: а) виды зданий, строений, сооружений, на которые они распространяются; б) виды зданий, строений, сооружений, на которые требования не распространяются; в) лица, ответственные за исполнение требований; г) срок выполнения ответственными лицами требований; д) дата, с которой требования вступают в силу; е) показатели, характеризующие годовые удельные величины расходов энергетических ресурсов в здании, строении, сооружении, в том числе: - нормируемые показатели суммарных удельных годовых расходов тепловой энергии на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение, включая расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию отдельной строкой, а также максимально допустимые величины отклонений от нормируемых показателей; - показатели удельных годовых расходов электрической энергии на общедомовые нужды; ж) требование о включении с 1 января 2013 года нормируемых удельных суммарных расходов первичной энергии в нормируемые показатели, характеризующие годовые удельные величины расходов энергетических ресурсов в здании, строении, сооружении; з) требование к влияющим на энергетическую эффективность зданий, строений, сооружений архитектурным, функционально-технологическим, конструктивным и инженерно-техническим решениям; и) требование к отдельным элементам и конструкциям зданий, строений, сооружений и к их эксплуатационным свойствам, к используемым в зданиях, строениях, сооружениях устройствам и технологиям, а также требования к включаемым в проектную документацию и применяемым при строительстве, реконструкции, капитальном ремонте зданий, строений, сооружений технологиям и материалам, позволяющие исключить нерациональный расход энергетических ресурсов как в процессе строительства, реконструкции, капитального ремонта, так и в процессе эксплуатации; к) требование по интеграции в энергетический баланс зданий строений и сооружений нетрадиционных источников энергии и вторичных энергоресурсов.
Методологические средства представления мониторинга как информационного сопровождения жизненного цикла функциональных строительных систем при их переустройстве
Для представления мониторинга как информационного сопровождения жизненного цикла функциональных строительных систем при их переустройстве используем модель комплексного объекта переустройства (КОП) [102,140], показанную на рис. 10 и фиксирующую территорию, на которой расположено здание, сооружение и многослойную инфраструктуру их окружения.
Переустройство каждого слоя этой инфраструктуры, так и переустройство группы слоев в настоящее время является отдельным объектом исследования. Производственное здание имеет собственную придомовую территорию (слой 1) и подключено к инженерным коммуникациям (слой 2), поставляющим зданию, сооружению (слой 3) ресурс для функционирования. С другой стороны, в здание, сооружение включено оборудование (слой 5), преобразующее поступивший ресурс в эксплуатационные услуги (слой 6). Причем качество преобразования существенно зависит от используемой технологической платформы (слой 4), а само преобразование формирует услуги (традиционные и альтернативные) для потребителей. Причем автоматизированные системы являются основой технологической платформы здания (слой 4).
Переустройство в составе каждого из слоев модели комплексного объекта переустройства оказывает влияние на другие слои.
Рассматривая модель КОП в направлении снизу вверх (восхождение от абстрактного к конкретному — от широких абстрактных функциональных возможностей территории до конкретики персональных потребительских услуг), получаем следующие описания слоев комплексной модели.
Территория (географическое положение, природные ресурсы, климат и др.) - системный элемент комплексной модели, рассматриваемый в контексте более широком по отношению к принятому, а именно, как инфраструктурный ресурс естественной среды, от потребительского восприятия «качества» которого зависит эксплуатационное качество здания, в частности его энергоэффективность. Естественная среда поставляет ресурсы в здание, сооружение. Причем предполагается, что здание не должно нарушать экологическое равновесие среды, т.е. должно стать частью окружающей среды, с оптимальными энергозатратами на реализацию функционирования. Энергетический ресурс среды понимается в широком смысле этого слова, как обладающий «высоким уровнем интеллекта» среду для организации жизненного пространства.
Инженерные коммуникации - это элемент системного объекта, составленный из систем ввода и вывода ресурсов различного вида, реализующий «искусственную» среду здания. Для того, чтобы сохранить естественную среду, искусственная среда изолируется и доставляется к зданию и из него по коммуникациям, сопряженным с оборудованием здания, например [16,67]. Эти инженерные системы призваны обеспечивать сбережение всех ресурсов и сохранение экологической обстановки в соответствии с жесткими международными стандартами. Выполнение названных функций в значительной мере определяет эксплуатационное качество здания, в том числе и его энергоэффективность.
Здание, сооружение — основной системный элемент, который строится на единстве строительных, архитектурных, дизайнерских и инженерных решений, закладываемых концепцией здания. В свою очередь, возможности новых технологий позволяют реализовать функции энергоэффективности. Качество проведения работ и качество используемых материалов служит основой надежности реализации собственного функционального ресурса здания. Сотрудничество строителей с архитекторами, представителями инжиниринговой компании, проектными организациями и системными проектировщиками должны строится на профессиональном уровне и взаимовыгодных условиях. Эксплуатационное качество здания, в том числе и энергоэффективность, определяются в основном качеством выполнения функций этим системным элементом.
Технологическая платформа — элемент системного объекта, сопровождающий функционирование здания технологиями переработки имеющегося ресурса. Такие фирмы, как, например, Сименс [161], Бош предлагают наборы организационно-технологических решений, основанных на единых технологических принципах и ориентированных на сопровождение всех возможных функций здания, в том числе, и на поддержание энергоэффективности. Подобная технологическая платформа включает полное оснащение помещений здания, кабельную инфраструктуру, определяет расположение и размеры ниш в корпусе здания, а также содержание служебных помещений. Именно технологическая платформа является основой реализации управления функционированием здания. Она формирует с помощью используемых технических средств конкретные количественные аспекты эксплуатационного качества, в том числе и энергоэффективности здания.
Оборудование здания - элемент системного объекта, представленный набором технических средств, осуществляющих реализацию экономичности, безопасности и комфортности функционирования здания.
Эксплуатационные услуги - элемент системного объекта, осуществляющий организацию функционирования оборудования здания. Традиционные услуги включают, прежде всего, сохранение жизни и имущества потребителя услуг здания, создание уюта и комфорта. Альтернативные услуги, актуальные на сегодняшний день, включают, в том числе, обеспечение энергоэффективности здания.
Потребитель также является компонентом КОП, поскольку именно изменение подхода потребителя к организации жизнедеятельности, к формированию, соблюдению норм и правил обеспечения энергоэффективности, приводит к изменениям требований к ниже лежащим слоям модели.
Таким образом, каждый верхний слой системного объекта организует функционирование ниже расположенного слоя, формируя условия, необходимые потребителю услуг здания для его деятельности и жизнедеятельности. Изменения, возникающие в каждом из слоев и оформленные соответствующими организационно-технологическими решениями, могут быть представлены как формирование эксплуатационного качества, в том числе и энергоэффективности строительных объектов при их переустройстве. В современном мире важным, с точки зрения энергоэффективности, становится элемент КОП «Технологическая платформа», сопровождающий функционирование здания технологиями обработки поставляемого в это здание ресурса. Именно на основе наборов организационно-технологических решений, основанных на единых технологических принципах и ориентированных на сопровождение всех возможных функций здания, реализуется технология «интеллектуального здания».
Материалы и оборудование, используемые в технологиях переустройства зданий и сооружений, для осуществления функции ресурсосбережения при их функционировании
Россия объективно является одной из самых холодных стран мира. Если по общей площади территории Россия находится на первом месте, то по площади территории, пригодной для нормальной жизнедеятельности по европейским стандартам, занимает только пятое место в мире. Т. е. лишь треть страны «эффективна». Но и эта «эффективная» площадь - самая холодная в мире. Более 60% территории страны покрыто мерзлотой. Суровость российского климата проявляется и в экономических показателях строительства. Капитальное строительство у нас дороже, чем в любой другой стране. На юго-западной границе России глубина промерзания составляет 110 см, в московском регионе 120-150 см, а в районе Поволжья - 170 см. Стоимость простого фундамента составляет у нас в среднем 30% от общей стоимости строительства, в то время, как в большинстве европейских стран достаточно лишь заасфальтировать площадку и поставить каркасную конструкцию. Если в Англии водопровод и канализация идут практически по поверхности земли, то у нас для этого требуются специальные дорогостоящие технологии и значительные земляные работы. Аналогичные выводы можно сделать и относительно толщины стен строительных конструкций [43,71].
Проблема энергообеспечения осложняется грядущим (по расчетам [150] в течение ближайших 50-ти лет) практически полным сокращением запасов традиционных источников энергии. В соответствии с чем, критерий внедрения энергосберегающих технологий в строительном комплексе выдвигается на одно из первых мест по своей значимости не только с точки зрения комфортности готовых объектов строительства, но и с точки зрения обеспечения даже минимальных условий для жизнедеятельности людей. Это связано с последствиями нарушения тепло- и энергоснабжения могут иметь катастрофический характер, особенно в районах с суровым климатом.
Поэтому проектирование и создание «дома будущего» становится актуальной задачей строителей и архитекторов. Описаниям решений различных модификаций данной задачи была, в частности, посвящена тема телевизионной программы «Технологии будущего» 5-го федерального телевизионного канала . Наиболее успешным решением было назван «Биосолярный дом» (руководитель разработки архитектор Клаус Бехер). Создание дома, «работающего» по принципу теплицы (солярия), ориентируется на «сохранение» температуры внутренней среды здания, сооружения, осуществляется из местных материалов, с привлечением местной рабочей силы и др. факторов, воздействующих на экономичность его функционирования. По словам руководителя разработки эксплуатация типового частного дома (коттеджа) в отличие от «биосолярного дома» отличается в 5 раз: 1800 евро в год для первого случая и 400 евро в год - во втором. В «российском» варианте отопление «биосолярного дома» ориентируется на «подогревание» внутренней среды здания, сооружения, что осуществляется с использованием тепла земли.
Та же телевизионная программа презентовала исследование воздействия света в здании, сооружении на комфортность жизнедеятельности. Были выведены закономерности влияния света (холодный, горячий) на физическое состояние пользователя услуг дома. В российском варианте подобное исследование привело к проектированию строения, сформированного на основе компьютерной технологии альтернативного формообразования в САПР жилища по критерию уровня комфортности обитания (УКО) [65,66]. Здесь, также как в «европейском варианте», энергоэффективность оптимизируют по критерию комфортности.
Рассмотрим некоторые направления энерго- и ресурсосбережения, обладающие, на наш взгляд, первостепенной актуальностью и новизной.
Технология «интеллектуального здания» в настоящее время становится ведущей в повышении энергоэффективности. Ориентированные на энергоэффективность интеллектуальное здание необходимо создавать до этапа проектирования инженерных систем объекта. Все внутренние инженерные системы здания проектируются на базе уже разработанного объекта системы управления зданием, что, в конечном итоге, позволяет строителю интеллектуального здания оптимизировать свои затраты на строительство, а собственнику — сократить ежемесячные эксплуатационные расходы и затраты на амортизацию оборудования. Например, единое управление инженерными системами здания позволяет отслеживать сроки замены оборудования, прогнозировать и оптимизировать расходы на поддержание инженерных систем в рабочем состоянии.
Автоматизированный учет коммунальных услуг позволяет учитывать и прогнозировать все расходы на электроэнергию и теплоносители, выбирать оптимальные режимы энергопотребления, принимать меры по экономии энергии. Автоматизация управления бизнес-процессами позволяет учитывать и анализировать расходы по эксплуатации здания в целом, разграничивать расходы между арендаторами за использование электричества, парковки или других ресурсов, своевременно выставлять счета арендаторам и эффективно управлять всеми ресурсами здания через единую систему.
Система диспетчеризации инженерного оборудования предназначена для централизованного мониторинга и управления оборудованием инженерных систем. Согласно международной терминологии и функциональной классификации, система имеет название Building Management System (BMS). BMS обеспечивает: получение оперативной информации о состоянии и параметрах оборудования инженерных систем; повышение надёжности, безопасности и качества функционирования оборудования инженерных систем; автоматизация диагностики и контроль периодичности обслуживания оборудования инженерных систем; сокращение затрат на обслуживание оборудования; дистанционный контроль/управление работой оборудования инженерных систем; обеспечение оперативного взаимодействия эксплуатационных служб, планирование проведения профилактических и ремонтных работ инженерных систем; документирование и регистрация технологических процессов инженерных систем и действий диспетчеров служб; ведение автоматизированного учёта эксплуатационных ресурсов инженерного оборудования и своевременность его технического обслуживания; разграничение полномочий и ответственности служб при принятии решений. Объектами управления для системы диспетчеризации инженерного оборудования традиционно являются следующие инженерные системы, рациональное использование которых призвано повысить энергоэффективность здания, сооружения: приточная вентиляция; вытяжная вентиляция; центральное кондиционирование воздуха; микроклимат в помещениях; холодное водоснабжение; канализация; горячее водоснабжение; теплоснабжение; холодоснабжение; общее электроснабжение; бесперебойное электроснабжение; гарантированное электроснабжение; освещение (рабочее, фасадное); тепловые завесы; вертикальный транспорт; автоматическая пожарная сигнализация; автоматические двери; часофикация. ВМБ обеспечивает автоматизированный контроль и управление всеми перечисленными инженерными системами. Системе диспетчеризации придают модульную структуру и при этом она остается «открытой», т.е. обеспечивает при необходимости возможность диспетчеризации и управления вновь устанавливаемого оборудования инженерных систем. Это дает возможность расширения системы , как по числу объектов автоматизации, так и по числу функций, а также интеграцию с другими системами мониторинга и управления.
Разработка информационной технологии диагностики функционирования зданий, сооружений в процессе осуществления комплексного мониторинга энергоэффективности
Инвестиционный проект переустройства многофункционального здания, сооружения представляет собой сложную строительную систему, модель которой имеет ряд иерархических уровней [38,57,133]. На первом из них рассматриваются цели заказчика и инвесторов, объект строительства (комплекс модулей или блоков), процесс проектирования и возведения объекта, участники инвестиционного проекта, конъюнктура инвестиционного проекта (совокупность специфических природно- климатических, региональных, экономических, рыночных и других особенностей, влияющих на процесс проектирования и возведения здания, сооружения). Сочетание этих основополагающих характеристик инвестиционного проекта позволяет производить его формальное описание на всех иерархических уровнях и при необходимости формировать организационную структуру и самого здания, сооружения, и организации, выполняющей возведение, комплектацию и эксплуатацию здания, сооружения [98,136].
Включение мониторинга энергоэффективности в инвестиционном проекте переустройства становится залогом эффективного возвращения инвестиций. Среди экономических причин, способствующих распространению методов мониторинга строительных объектов [82], можно выделить следующие: возможность прогнозирования и предупреждения аварий и чрезвычайных ситуаций, в т. ч. опасных для жизни людей во время строительства и эксплуатации объектов; - увеличение сроков жизни строительных объектов;- снижение расходов на ремонтные работы; - появление большого количества масштабных и дорогих строительных объектов, периодически, либо постоянно вмещающих большое количество людей.
Как было показано выше, реализация мониторинга наиболее успешно осуществляется на оборудовании интеллектуального здания (ИЗ), поскольку с его помощью можно быстро и с минимальными трудозатратами изменять реакцию одной системы на события или процессы, происходящие в другой. Эффективность ИЗ по сравнению с традиционным (базовым) становится основой выигрыша этой технологии на этапе эксплуатации объекта строительства.
Согласно исследованиям компании Lucent еще в начале 90-х годов прошлого века заявила об окупаемости ИЗ в срок, не превышающий три года. Выводы компании Lucent были основаны на расчетах издержек на перестройку и перепрофилирование существующих помещений в крупном офисном здании. Были рассмотрены два здания — базовое (БЗ) и ИЗ в двух вариантах развития событий. Первый вариант — незначительное изменение потребностей потребителей с течением времени, второй - значительное изменение потребностей пользователей в ходе эксплуатации здания. Таким образом, рассматриваем четыре случая, отображенные на приведенном графике. В качестве здания первого типа можно рассмотреть жилой дом, второго - крупный торгово-офисный центр. Как видно из графика на рисунке 21, расходы на содержание торгово-офисного центра в случае ИЗ ниже (угол наклона графика меньше), хотя стартовые расходы на создание выше. Через три года эксплуатации суммарные расходы (нарастающим итогом) в случае
БЗ становятся больше, чем в случае ИЗ. Проекция точки пересечения графиков на ось абсцисс и дает искомый период окупаемости ИЗ.
Реальные преимущества ИЗ опишем на примере реализации следующих функций [82]. 1. Синхронизация температурных уставок систем водяного радиаторного отопления, воздушного кондиционирования и локальных кондиционеров.
В современном здании предусматривается как минимум две системы отопления - водяная радиаторная и воздушная приточная. Первая означает нагрев помещений посредством батарей отопления, вторая - предварительный нагрев воздуха, подаваемого в помещения. При проектировании стараются рассчитывать производительность радиаторного отопления так, чтобы оно покрывало чуть больше половины теплопотребления здания. Остальное теплопотребление удовлетворяется за счет нагрева подаваемого воздуха в центральных приточных установках. Однако, невзирая на все расчетные ухищрения, периодически возникают ситуации как недостатка обогрева в части помещений, так и его избытка. В случае недостатка приходится включать электрообогреватели, что обходиться примерно в 2 раза дороже штатного режима. В случае избытка обогрева - люди открывают окна, чтобы сбросить избыток тепла на улицу. Дополнительно к перечисленным двум, в части помещений установлены системы локального кондиционирования (всевозможные SPLIT, VRV, и т.д.), которые начинают действовать по своему усмотрению, как только температурные параметры контролируемого помещения выходят за допустимые рамки. Кроме этого, в случае интеграции в единую систему локальных кондиционеров, ИЗ может использовать информацию о температуре в помещениях, которую измеряют средства автоматики локальных кондиционеров. Таким образом, нет необходимости ставить отдельные датчики температуры воздуха в этих помещениях. Особо следует отметить ситуацию, когда в целях экономии в ночное время и/или в праздничные дни (для офисных помещений) системы отопления переводятся в энергосберегающий режим с пониженными уставками. Должного экономического эффекта в этом случае можно добиться только при синхронном изменении режимов работы всех трех перечисленных систем обогрева. По мнению большинства отечественных и западных специалистов, система синхронизации температурных уставок и индивидуальной регулировки по помещениям дает экономический эффект до 30% среднегодового теплопотребления здания. 2. Своевременное отключение систем локального кондиционирования при открытии окон или отсутствии людей в охлаждаемом помещении
Благодаря интеграции систем охранной сигнализации и контроля доступа, ИЗ определяет факт наличия людей в охлаждаемом помещении и своевременно выключает локальный кондиционер, позволяя тем самым избежать нецелевого расхода электроэнергии и ресурса кондиционера. Наиболее ярко экономическая эффективность такого решения проявляется в системах гостиничного сервиса. Оценим экономический эффект как 25% суммарного потребления электроэнергии локальными кондиционерами здания. 3. Перевод систем жизнеобеспечения ряда помещений в энергосберегающий режим на основании анализа информации от систем охранной сигнализации и контроля доступа
При постановке помещения на охрану можно сделать однозначный вывод об отсутствии в нем людей даже в дневное рабочее время. Аналогично можно вычислить отсутствие людей в тех или иных помещениях на основании анализа информации системы контроля доступа. Наоборот, при снятии помещения с охраны, необходимо переводить системы жизнеобеспечения в рабочий режим. Будем считать, что такая интеграция позволяет увеличить время «экономичного режима» до 12 часов в сутки. Снижение уставки на 4 градусов позволяет снизить теплопотребление в среднем на 18%. Итого имеем эффект около 9% среднегодового теплопотребления здания 4. Своевременное выключение освещения в помещениях и зонах на основании датчиков движения и/или анализа информации систем охраны и контроля доступа Благодаря интеграции с системой охранной сигнализации и системой контроля доступа
Возникает возможность оперативно выключать и включать свет, снижая отрицательное влияние «человеческого фактора». Специалисты давно вычислили экономическую эффективность подобных решений как 25% годового потребления электроэнергии системами освещения здания.,
