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":

1. 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.
2. 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.
3. Энергосберегающее освещение: переход на светодиодные лампы и умные светильники обеспечивает экономию энергии в 10-15 раз по сравнению с традиционными системами освещения.
4. Энергоэффективность: снижение потребления энергии и уменьшение углеродного следа за счет оптимизации работы инженерных систем.
5. Снижение операционных затрат: эффективное распределение ресурсов и предиктивное обслуживание.
6. Повышение безопасности: интегрированные системы безопасности обеспечивают надежную защиту.
7. Повышение комфорта: автоматическое регулирование микроклимата и освещения создает комфортную среду.
8. Улучшение управления: централизованное управление упрощает мониторинг и обслуживание.
9. Повышение эффективности работы: оптимизация процессов повышает производительность использования пространства.
10. 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:

1. Конечные устройства: датчики и устройства, которые собирают данные (например, датчики температуры и влажности, умные счетчики воды и электроэнергии).
2. Шлюзы: базовые станции, принимающие данные от конечных устройств и передающие их далее на сетевой сервер.
3. 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:

1. 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).
2. Низкое энергопотребление: долгое время работы батарей (до 20 лет по данным

Semtech).

1. Высокая надежность: надежная передача данных даже в условиях плотной застройки.
2. 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).
3. Простота развертывания: подходит для новых построек и модернизации (Dusun IoT; проект CILE).
4. Внутреннее покрытие: эффективна для внутреннего покрытия (Dusun IoT; исследование Yasmin, Mikhaylov, и Pouttu).
5. Безопасность: встроенные функции безопасности (проект CILE; исследование по безопасности LoRaWAN от ACM).

Примеры применения технологии LoRaWAN в умных зданиях

1. TEKTELIC: решения для энергоменеджмента, управления недвижимостью, обнаружения утечек воды в высотных зданиях.
2. MClimate (Болгария) и Wattsense (Франция): интеграция LoRaWAN с BMS, экономия энергии до 30%. (MClimate's LoRaWAN TRV Vicki и Wattsense's hub).
3. ELSYS: LoRaWAN-датчики для снижения потребления энергии.
4. Проект CILE от Cisco: мониторинг потребления воды, обнаружение утечек на 3500 км труб, экономия более 3,5 млн евро ежегодно.
5. Использование в системах интеллектуального учета: проект CILE, Dusun IoT, Electronic Design.
6. Мониторинг качества воздуха: исследование Yasmin, Mikhaylov, и Pouttu; Dusun IoT, Electronic Design.
7. 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:

1. 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.
2. Устойчивость к изменениям климата: Архитекторы будут разрабатывать здания с учетом экологических факторов и устойчивости к экстремальным погодным условиям.
3. Искусственный интеллект: Внедрение AI для анализа данных о потреблении ресурсов и оптимизации работы систем здания.
4. Модульность и адаптивность: Разработка зданий, которые могут легко адаптироваться к изменяющимся требованиям пользователей.
5. Цифровые двойники: Виртуальные модели зданий для симуляции и оптимизации работы.
6. 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.
7. 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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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:

1. Boulevard Ring Office Building: здание на Чистопрудном Бульваре оснащено современными автоматизированными системами управления, что позволило значительно снизить эксплуатационные расходы и энергопотребление.
2. 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.
3. Дукат Плейс III: офисное здание с современными системами управления, обеспечивающее высокую степень комфорта и безопасности для арендаторов.
4. 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.