2024-10-20
Умное здание
Система "Умное здание" представляет собой интеграцию различных технологий и устройств для автоматизации управления зданиями. Она включает в себя такие аспекты, как управление освещением, отоплением, вентиляцией и системами безопасности.
Система "умного здания" строится на базе автоматизированной системы управления зданием (АСУЗ, Building Management System - BMS). АСУЗ объединяет и контролирует различные инженерные системы: системы отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC), системы освещения, системы безопасности (видеонаблюдение, контроль доступа, пожарная сигнализация), системы электроснабжения, системы водоснабжения и канализации, системы управления лифтами.
Рынок автоматизации зданий развивается на пересечении строительства, информационных технологий, энергосбережения и сетей Smart Grid. Взаимодействие обеспечивается различными коммуникационными протоколами и программным обеспечением, позволяющим централизованно управлять и мониторить работу всех компонентов. Выбор конкретной системы (например, Beckhoff, Zennio, Larnitech, Z-Wave, EasyHomePLC, KNX, системы от Яндекса, Сбера, Xiaomi, Aqara) зависит от масштаба, бюджета и требований. Система собирает большие объемы данных, которые используются для анализа и оптимизации работы здания, включая предиктивное обслуживание.
Эксплуатационные расходы «умного здания» на протяжении его жизненного цикла оказываются значительно ниже по сравнению с традиционными решениями. Применение концепции умного здания позволяет добиться экономии ресурсов на уровне 10-15% по сравнению с использованием отдельных систем. Потребление энергии, воды, газа и тепла может сократиться примерно на 30%. Расчеты показывают, что установка системы вентиляции и кондиционирования с рекуперацией тепла в жилом или офисном комплексе среднего размера может сэкономить на электроэнергии до нескольких тысяч долларов в год, даже при российских тарифах. При этом затраты на само оборудование окупаются примерно за полгода.
Внедрение инновационных энергоэффективных технологий в строительство и модернизацию зданий является одной из главных задач правительства. Федеральный закон № 261 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» от 23 ноября 2009 года определяет направление развития: необходимо повышать энергоэффективность зданий. Это можно осуществить только с помощью современных систем автоматизации и диспетчеризации.
Преимущества умного здания
Преимущества автоматизированных систем управления зданиями (АСУЗ) становятся очевидными на конкретных примерах. Система видеонаблюдения значительно увеличивает безопасность как для бизнеса, так и для сотрудников. Система защиты от протечек снижает риск аварий. Автоматизация вентиляции и кондиционирования создает более комфортные условия, особенно в неблагоприятную погоду. Управление освещением способствует экономии ресурсов. Каждая инженерная система выполняет свои функции и обеспечивает более эффективное использование всех коммуникаций здания.
Объединение управления этими системами приводит к синергии: инвестиции в «умное здание» (УЗ) оказываются более надежными по сравнению с традиционными решениями, поскольку концепция «умного здания» делает все системы более устойчивыми и долговечными за счет оптимизации их взаимодействия. Стоимость внедрения АСУЗ начинается с 1% от общей стоимости здания. Именно столько стоила автоматизация конькобежного центра в Крылатском для обеспечения управления основными инженерными системами.
В настоящее время, учитывая стоимость ресурсов и рабочей силы, средний срок окупаемости «умных» решений составляет 3-5 лет. Однако уже есть примеры и более коротких сроков окупаемости — от 1 до 3 лет.
Преимущества внедрения систем "умного здания":
- Рекуперация тепла: использование теплоутилизаторов позволяет сократить затраты на подогрев воздуха до 90%. Например, в одном торговом комплексе мощность без рекуператоров составляла 1,6 МВт, а с ними — всего 0,6 МВт.
- Автоматизация вентиляции: внедрение режимов работы, таких как ночной режим с минимальным воздухообменом, позволяет экономить ресурсы. Также автоматические терморегуляторы помогают оптимизировать температуру в зависимости от внешних условий.
- Энергосберегающее освещение: переход на светодиодные лампы и умные светильники обеспечивает экономию энергии в 10-15 раз по сравнению с традиционными системами освещения.
- Энергоэффективность: снижение потребления энергии и уменьшение углеродного следа за счет оптимизации работы инженерных систем.
- Снижение операционных затрат: эффективное распределение ресурсов и предиктивное обслуживание.
- Повышение безопасности: интегрированные системы безопасности обеспечивают надежную защиту.
- Повышение комфорта: автоматическое регулирование микроклимата и освещения создает комфортную среду.
- Улучшение управления: централизованное управление упрощает мониторинг и обслуживание.
- Повышение эффективности работы: оптимизация процессов повышает производительность использования пространства.
- Принятие решений на основе данных: анализ больших данных позволяет предсказывать потенциальные проблемы.
Как LoRaWAN позволяет использовать решения для умных зданий?
Технология LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) играет ключевую роль в реализации умных зданий. Она обеспечивает беспроводную связь между устройствами IoT на больших расстояниях с низким энергопотреблением. Основные компоненты системы LoRaWAN включают:
- Конечные устройства: датчики и устройства, которые собирают данные (например, датчики температуры и влажности, умные счетчики воды и электроэнергии).
- Шлюзы: базовые станции, принимающие данные от конечных устройств и передающие их далее на сетевой сервер.
- Сетевой сервер: управляет всей сетью и обрабатывает данные.
LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) – технология LPWAN, подходящая для умных зданий, особенно больших или расположенных на обширных территориях. Преимущества:
- Дальний радиус действия: передача данных на большие расстояния с низким энергопотреблением (до 15-20 км на открытом воздухе и 2,5 км в городе по данным Semtech; до 15 км в проекте CILE от Cisco; более трехсот внутренних устройств в исследовании Yasmin, Mikhaylov и Pouttu).
- Низкое энергопотребление: долгое время работы батарей (до 20 лет по данным
Semtech).
- Высокая надежность: надежная передача данных даже в условиях плотной застройки.
- Масштабируемость: легко масштабируется, позволяя подключать большое количество устройств (звездно-звездная топология, Electronic Design; исследования Matni et al. и Savithi и Kaewta по оптимизации размещения шлюзов).
- Простота развертывания: подходит для новых построек и модернизации (Dusun IoT; проект CILE).
- Внутреннее покрытие: эффективна для внутреннего покрытия (Dusun IoT; исследование Yasmin, Mikhaylov, и Pouttu).
- Безопасность: встроенные функции безопасности (проект CILE; исследование по безопасности LoRaWAN от ACM).
Примеры применения технологии LoRaWAN в умных зданиях
- TEKTELIC: решения для энергоменеджмента, управления недвижимостью, обнаружения утечек воды в высотных зданиях.
- MClimate (Болгария) и Wattsense (Франция): интеграция LoRaWAN с BMS, экономия энергии до 30%. (MClimate's LoRaWAN TRV Vicki и Wattsense's hub).
- ELSYS: LoRaWAN-датчики для снижения потребления энергии.
- Проект CILE от Cisco: мониторинг потребления воды, обнаружение утечек на 3500 км труб, экономия более 3,5 млн евро ежегодно.
- Использование в системах интеллектуального учета: проект CILE, Dusun IoT, Electronic Design.
- Мониторинг качества воздуха: исследование Yasmin, Mikhaylov, и Pouttu; Dusun IoT, Electronic Design.
- Автоматизация и управление зданием: интеграция с системами BACnet (Electronic Design; Acklio, Setemi, Talkpool, Voytech, Wattsense).
Будущие тенденции архитектуры умных зданий
С развитием технологий наблюдаются следующие тенденции в архитектуре умных зданий:
- Интеграция с IoT: Увеличение числа подключенных устройств приведет к более комплексным системам управления. Большее количество датчиков для сбора данных о работе здания и поведении пользователей.
- Устойчивость к изменениям климата: Архитекторы будут разрабатывать здания с учетом экологических факторов и устойчивости к экстремальным погодным условиям.
- Искусственный интеллект: Внедрение AI для анализа данных о потреблении ресурсов и оптимизации работы систем здания.
- Модульность и адаптивность: Разработка зданий, которые могут легко адаптироваться к изменяющимся требованиям пользователей.
- Цифровые двойники: Виртуальные модели зданий для симуляции и оптимизации работы.
- Интеграция с инфраструктурой умного города: Обмен данными и сотрудничество с инфраструктурой умного города. Умные здания станут частью более широкой экосистемы "умных городов", где они будут взаимодействовать с городской инфраструктурой, включая транспорт, энергоснабжение и услуги ЖКХ. Это создаст более безопасную и удобную городскую среду.
- Фокус на устойчивом развитии: Устойчивые материалы, возобновляемые источники энергии, снижение негативного воздействия на окружающую среду (LoRa Alliance).
В ближайшие годы ожидается также ряд значительных тенденций в архитектуре умных зданий, которые будут определяться технологическими инновациями, экологическими требованиями и изменением потребительских предпочтений. Основные направления включают:
- Автономные и самоуправляемые здания: будущие здания будут обладать способностью самостоятельно контролировать свои системы, такие как отопление, освещение и безопасность. Они смогут собирать данные о своей работе и автоматически настраивать параметры для оптимизации ресурсов и повышения комфорта жильцов.
- Углеродно-нейтральные и энергоэффективные здания: c увеличением внимания к экологии, здания будут проектироваться с акцентом на углеродную нейтральность и низкое энергопотребление. Это включает использование возобновляемых источников энергии, улучшенную изоляцию и энергоэффективные материалы.
- Модульные конструкции: модульное строительство будет набирать популярность благодаря своей экономичности и скорости возведения. Такие здания могут легко адаптироваться к новым требованиям и использоваться для различных целей.
- Использование 3D-печати: технология 3D-печати продолжит развиваться, позволяя создавать сложные архитектурные формы быстрее и с меньшими затратами. Это также откроет новые возможности для дизайна и индивидуализации зданий.
- Биофильный дизайн: тенденция к биофильному дизайну будет усиливаться, что подразумевает интеграцию природных элементов в архитектуру зданий, способствуя улучшению психоэмоционального состояния жильцов.
Эти тенденции указывают на то, что архитектура умных зданий будет стремиться к созданию более устойчивых, комфортных и технологически продвинутых пространств для жизни и работы в будущем.
У застройщиков растет осознание перспективности инвестиций и необходимости строительства на современном уровне, чтобы соответствовать требованиям рынка: необходимости в ограничении подводимых мощностей и потребления электроэнергии, а также экономии ресурсов на освещение и отопление. Это включает комплексное использование тепловых насосов и солнечных батарей в различных типах зданий. Мысль «умный дом=дорогая игрушка» уступает место пониманию, особенно среди владельцев домов среднего класса, о целесообразности и реальности внедрения систем АСУЗ, адаптированных под их конкретные нужды, включая доступные по цене решения.
В России уже существует несколько зданий, успешно использующих интеллектуальные системы для экономии ресурсов. Вот некоторые из них:
- Boulevard Ring Office Building: здание на Чистопрудном Бульваре оснащено современными автоматизированными системами управления, что позволило значительно снизить эксплуатационные расходы и энергопотребление.
- Москва-Сити: проекты в этом деловом центре, такие как здания от компании Enka, также интегрируют системы автоматизации, что делает их более эффективными и привлекательными для арендаторов.
- Дукат Плейс III: офисное здание с современными системами управления, обеспечивающее высокую степень комфорта и безопасности для арендаторов.
- Жилой комплекс на Юго-Западе Москвы внедрил систему диспетчеризации и управления центральным тепловым пунктом, что обеспечило экономию энергии до 20% и значительное снижение затрат на отопление.
Эти примеры показывают, как интеллектуальные системы помогают не только снижать расходы на эксплуатацию, но и повышать комфорт и безопасность зданий.