Интеграция систем освещения и устройств ОВиК – модернизация зданий

Системы ОВиК – Heating, Ventilation, and Air Conditioning (ОВиК — отопление, вентиляция и кондиционирование) представляют собой системы с наибольшим потреблением электроэнергии в коммерческих и общественных зданиях. Ограничение энергопотребления возможно за счет установки новых устройств, спроектированных с учетом все более жестких современных норм, но эта операция дорогостоящая и связана с многочисленными трудностями. Альтернативой является надлежащим образом осуществленное обновление существующих систем и устройств, которое тоже дает сокращение энергопотребления, а как следствие и эмиссии парниковых газов.

Как утверждают авторы публикации Министерства энергетики США по вопросам энергопотребления в зданиях, в США ежегодно инвестируется более 200 млрд. долларов в ремонт существующих коммерческих и общественных зданий, направленный на улучшение их инфраструктуры и снижение затрат на эксплуатацию. Основной задачей проектировщиков и менеджеров при инвестициях такого типа является оптимальное использование выделенных средств путем внедрения новейших технологий, способствующих сокращению энергопотребления, а также такой подбор системных устройств, чтобы они способствовали оптимальному функционированию зданий в будущем.

Технологии, позволяющие снизить энергопотребление в системах ОВиК

В последние годы разработано много инновационных технологий, способствующих ограничению энергопотребления в системах ОВиК, но выбор идеального решения для конкретного здания всегда зависит от его специфики и архитектуры примененной в нем системы вентиляции/кондиционирования. К числу основных технологий относятся:
•    соответствующее управление и обслуживание существующей инфраструктуры системы ОВиК (замена фильтров, замена поврежденной или изношенной изоляции, чистка теплообменников, а также нагревателей и холодильников, ремонт/устранение возникающих утечек в устройствах, магистралях и трубах),
•    установка по мере возможности приводов с частотной регулировкой оборотов (VFD),
•    замена устройств с низкой энергоэффективностью модулями с высоким КПД,
•    установка так называемых экономайзеров (теплообменников) — водяных и воздушных,
•    установка датчиков CO2, дающих возможность оптимизировать оборот воздуха в здании,
•    замена старых электроприводов двигателями с высоким к.п.д.,
•    применение систем автоматики зданий BAS для мониторинга и управления системными устройствами.

Рис. Доля разного рода потребителей, установленных в коммерческих зданиях в общем потреблении электроэнергии в объектах этого типа

Одним из самых простых решений является установка модулей контроллеров приводов с частотной регулировкой оборотов VFD во всех возможных устройствах, особенно в системах ОВиК. Их рыночные цены (и габаритные размеры) за последние несколько лет значительно уменьшились, благодаря чему стало возможным значительно более простое их применение и получение быстрой окупаемости инвестиции, связанной с их закупкой. Такие мероприятия окупаются даже для очень маленьких двигателей, мощностью 1 или 2 кВт. Однако следует помнить о точном анализе конкретных системных применений этого типа приводов, поскольку не все электродвигатели могут обслуживаться модулями контроллеров VFD, а некоторые системы ОВиК предназначены для работы с постоянными оборотами приводов.

Вторым простым с точки зрения применения решением является установка датчиков CO2 в часто используемых помещениях, где находится значительное число людей. Эти датчики выявляют слишком высокий уровень концентрации CO2 и могут передать информацию об этом по системе автоматики BAS на соответствующие устройства, управляющие, например, клапанами протяжки подачи и отвода свежего воздуха, благодаря чему возможна быстрая и оптимальная регулировка уровня концентрации вредных газов.

Еще одним способом снижения потребления электроэнергии в системах ОВиК является их комплексная замена более новыми, поскольку любая система вентиляции и кондиционирования по прошествии лет эксплуатации теряет свою производительность в силу износа и разрушения некоторых внутренних деталей, загрязнений, коррозии, небольших утечек, утраты герметичности и т.п. Кроме того, электроприводы, установленные, например, в агрегатах десятилетней давности, характеризуются значительно более низкими показателями энергоэффективности, нежели аналогичные устройства, доступные на рынке в настоящее время и соответствующие самым современным нормам в этой области.

Замена системы ОВиК может, однако, касаться не только самого оборудования, приводов и т.д., но может быть также связана с полным изменением концепции функционирования систем вентиляции, кондиционирования и обогрева. В зависимости от бюджета, доступного на инвестицию по модернизации, возможно применение современных технологий, таких, как обогрев/охлаждение пола, системы охлаждения несущих балок и перекрытий, использование и интеграция тепловых насосов, геотермальных колодцев, солнечных коллекторов и т.п. Такая концепция организации систем ОВиК стоит дорого, но в последующей эксплуатации дает значительную экономию в потреблении электрической и тепловой энергии.

Рис. Заново установленный насос в офисном здании «Централ Огайо Транзит Оторити» имеет показатель энергоэффективности на уровне EER-16

Комплексное введение новой инфраструктуры для всей системы ОВиК в зданиях старой постройки связано с большими трудностями и, скорее всего, неосуществимо без комплексного ремонта, что требует закрытия их для пользователей. Поэтому стоит хорошо продумать объем и возможности внедрения современных решений в объектах такого типа, выбирая области, легкие для перестройки и позволяющие быстро интегрировать новые элементы, особенно альтернативные источники электрической и тепловой энергии.

Технологии, позволяющие сократить энергопотребление в системах освещения зданий

Потребление электроэнергии в существующих объектах очень легко ограничить путем модернизации или замены оборудования в нископроизводительных осветительных сетях. В этой области в последнее время произошел особенно существенный технологический прорыв. Б?льшая часть коммерческих и общественных зданий, построенных до 1990 года, оборудована освещением, основанным на флуоресцентных лампах (дневного света) типа T12, классических лампах накаливания, натриевых лампах или металлогалогенидных лампах. Перечисленные источники света взаимодействуют с устаревшими системами так называемых балластов, характеризующимися низкой энергоэффективностью. Кроме того, лампы дневного света T12 уже не могут заменяться новыми, поскольку в рыночном предложении они заменены более производительными лампами типа T8 и T5.

Рис. При сравнении нескольких флуоресцентных ламп показатель лм/Вт может существенно различаться по причине применения множества комбинаций сочетания ламп и балластных систем для типов T5 и T8, для целей диаграммы выбрано одно из широко применяемых решений

Как видно на рисунке 2, оба типа ламп дневного света производят значительно большие удельные световые потоки, выражаемые в расчете на 1 Вт потребляемой мощности (?100 лм/Вт для T8 и T5, ?60 лм/Вт для T12). Они имеют также меньшие габариты по сравнению с лампами дневного света предыдущего поколения, поэтому при меньших размерах и благодаря большей производительности светового потока они могут обеспечить такой же световой комфорт. Возможно также более свободная планировка размещения ламп, даже на небольших поверхностях потолков или стен. По оценке экспертов, сама по себе замена ламп T12 на T8 или T5 может способствовать снижению потребления энергии даже на 40%.

Классические лампы накаливания и галогенные лампы постепенно выводятся с рынка, согласно принятым электротехническим и энергетическим нормам, но все еще имеют много применений и не исчезли полностью, как лампы дневного света T12 (упомянутые применения не обсуждаются в этой статье, поскольку они не относятся к коммерческим и общественным зданиям). Следует, однако, подчеркнуть, что традиционные источники накаливания последовательно исключаются в качестве элементов освещения в больших коммерческих и общественных зданиях, а их замена лампами дневного света T5 или T8 или компактными лампами дневного света приводит к значительному снижению энергоемкости систем освещения. Стандартная лампа накаливания, например, на 60 Вт, генерирует световой поток около 15 лм/Вт, то есть значительно более слабый, чем поток мощностью 100 лм/Вт, генерируемый упомянутыми лампами дневного света T5 и T8. Иногда лампы накаливания заменяются компактными лампами дневного света, которые менее эффективны, чем линейные лампы дневного света T5 и T8, тем не менее, генерируемый ими световой поток в 4 раза мощнее, чем поток классической лампы накаливания – около 60 лм/Вт.

Новейшим технологическим решением в области конструирования эффективных источников света являются светодиодные лампы. В развитие этой технологии в США и во всем мире вкладываются многие миллионы долларов. Светодиодные источники все чаще и во все более широком масштабе заменяют традиционные лампы накаливания, но следует обратить особое внимание на их применение в коммерческих и общественных зданиях, существующих и модернизируемых. В зданиях этого типа применяют прежде всего галогенные и натриевые лампы, освещающие большие пространства, такие, как холлы, атриумы, склады, паркинги и т.п. В настоящее время обе осветительные технологии реально доступны для инвесторов и могут успешно конкурировать, например, с флуоресцентными лампами.
Следует, однако, помнить об одном важном техническом аспекте – галогенные лампы, например, пятилетней давности, с системой пуска типа «probe-start», уже отсутствуют на рынке, и их заменяют лампы более современные, с пуском типа «pulse-start», значительно более производительные и соответствующие энергетическим требованиям самых последних норм в этой области.
Такая замена ламп может принести экономию потребляемой энергии на уровне до 25%, а дополнительная экономия возможна благодаря применению в лампах специальных электронных балластов, которые оптимизирую работу балластных систем и исключают возникающие в них потери. Натриевые лампы все еще часто используются в коммерческих зданиях, хотя обычно не внутри, по причине искажения цвета освещаемых предметов и поверхностей, а также теплой окраски света.

Управление освещением

Кроме технологии конструкции ламп и их систем включения и регулирования значительную экономию может принести также правильное управление блоками и осветительными системами в целом. Здесь выделяются три основные области управления:

• мониторинг и интеграция с системами обнаружения движения и присутствия;
• применение режимов — дневных, ночных и т.п.;
• управление и мониторинг уровня естественной, солнечной освещенности.

Эти сферы, должным образом использованные, служат ограничению потребления электроэнергии в зданиях, а также общих затрат на эксплуатацию. Автоматическое управление освещением обеспечивает владельцам и пользователям зданий избежание ситуаций оставления света в неиспользуемых помещениях и везде там, куда доходит обеспечивающее соответствующий световой комфорт количество дневного света. Нормы в отношении зданий предполагают применение автоматизированных систем освещения в зданиях площадью свыше 4500 м2, поэтому при модернизации существующих коммерческих зданий следует помнить об этом предписании и ввести необходимые изменения.

Большие возможности экономии потребляемой энергии связаны также с установкой и эффективной интеграцией датчиков присутствия, которые могут воздействовать на многие отдельные устройства и на системы в целом. Многие пользователи часто ошибочно интерпретируют основную функциональность этих элементов в блоках автоматики освещения, будучи убежденными, что благодаря им свет автоматически включается при входе в зону срабатывания датчика. Однако в действительности эти датчики прежде всего вызывают выключение (!) света в случае констатации отсутствия людей или движения в помещениях. На рынке представлено много типов датчиков движения, и каждый из них характеризуется индивидуальными особенностями. Такие датчики должны быть практически в каждом помещении и используемом пространстве здания, а дополнительно они могут быть интегрированы с функциями контроля доступа или с системами сигнализации проникновения и нападения.
Очередным элементом автоматики освещения, способствующим снижению энергопотребления в зданиях, является эффективная организация и использование естественного дневного света. В пространствах, где доступ к этому виду света прост, стоит подумать об автоматизации и оптимизации его использования в сочетании с искусственным освещением. Использование солнечного света как элемента освещения в здании является наилучшим решением как с точки зрения комфорта пользователей (свет с оптимальной окраской и температурой), так и в силу нулевого потребления электроэнергии, необходимого для его генерирования.

Однако в силу того обстоятельства, что солнечный свет соответствующей интенсивности не всегда доступен (зависит от атмосферных условий), необходимо введение комбинирования естественного и искусственного света. Уровень интенсивности света в таких помещениях замеряется с помощью соответствующих датчиков, которые в случае констатации достаточного уровня освещенности солнечным светом передают информацию вышестоящей системе управления, которая выключает или в необходимой степени приглушает свет, генерируемый искусственными источниками.

Имеются два основных метода регулирования уровня интенсивности света в помещениях, использующих естественный свет. Плавное управление с изменением яркости стоит дороже и требует дополнительных инвестиционных расходов (покупка и монтаж специальных модулей, так называемых светорегуляторов — диммеров), но в последующей эксплуатации приносит значительно больше выгоды в части комфорта при использовании помещений, а также оптимизации потребления энергии по сравнению с конструкциями, предполагающими только выключение и включение света. По оценке экспертов, последние из перечисленных функций приносят ограничение потребления примерно на 20%, тогда как системы с плавной регулировкой — примерно на 40%.

Интеграция – дополнительная экономия энергии

Как следует из предыдущего изложения, модернизация систем ОВиК и систем освещения в коммерческих зданиях приносит ощутимую выгоду в виде сокращения энергопотребления. Они могут быть, однако, еще больше, если будет осуществлена хотя бы частичная интеграция систем управления этими двумя подсистемами.

Например, одной из задач системы ОВиК является оптимальное охлаждение помещений в летний период, а одним из факторов, генерирующих тепло, являются находящиеся в этих помещениях источники света. Если искусственное освещение будет регулироваться и снижаться до необходимого минимума, комфортного для пользователей, источники света будут создавать меньше тепла, и благодаря этому будет возможна также оптимизация работы систем ОВиК (уменьшение оборотов вентиляторов, компрессоров и т.д.). Таким образом снижение потребления электроэнергии на освещение примерно на 40% при интеграции с датчиками движения может дополнительно привести к ограничению потребления энергии также в системе ОВиК, даже на 10%.

Стоит также подчеркнуть, что изначальное проектирование интегрированной системы управления освещением и кондиционированием дает возможность ориентироваться на меньшие требования в отношении производительности систем кондиционирования и в результате снизить затраты на закупку систем ОВиК на 5-7%.

Обычно такая интеграция осуществляется с использованием системы автоматики зданий BAS, опирающейся на один из международных стандартов коммуникации, предназначенных для устройств такого типа. Такая система обеспечивает также достаточно легкую организацию мониторинга необходимых параметров, включая их запись, анализ и представление в форме, удобной для пользователя. Такие данные могут использоваться для функциональной оптимизации систем ОВиК и освещения, опирающейся на реальные результаты работы систем, что приносит дополнительные ощутимые эффекты, особенно в очень больших объектах, таких, как больницы или кампусы вузов.

Вызовы

В случае новых зданий, проектируемых и возводимых «с нуля», инженеры систем управления имеют полную свободу в части их структурной и функциональной организации. Если же требуется ремонт или модернизация систем автоматики в зданиях, уже существующих, появляется много барьеров и препятствий, которые должны приниматься во внимание и обычно существенно ограничивают свободу действий.

Большинство зданий более старой постройки не имеет обычно хотя бы достаточного количества кабельных каналов и межэтажных пропускников, позволяющих укладывать сигнальные провода, коммуникационные магистрали или дополнительные трубы систем кондиционирования и вентиляции. Поэтому на объектах такого типа часто применяются альтернативные решения в области систем ОВиК, не требующие большого числа дополнительных вентиляционных каналов. Имеющаяся инфраструктура здания может также в значительной степени ограничить возможности установки новых устройств на крыше или внутри так называемых хозяйственных помещениях, а также прокладку кабельных трасс или трубопроводов, как по горизонтали, так и по вертикали, между этажами.
Еще одним препятствием при модернизации существующих зданий является необходимость приведения их в соответствие новейшим строительным нормам и правилам, что чаще всего весьма затруднительно при использовании имеющейся в этих зданиях инфраструктуры оборудования, поскольку изменения в нормах и правилах касаются чаще всего более жестких требований в отношении безопасности, комфорта и энергетической производительности, а б?льшая часть зданий более старой постройки им не соответствует.

Например, во многих более старых сетях систем ОВиК коридоры зданий использовались в проектах системы как обратные каналы воздуха, а по самым новым нормам это уже недопустимо. Аналогично использование потолочных поверхностей в качестве элементов направления и регулирования потоков воздуха в помещениях хотя и допустимо, однако требует, чтобы все устройства и кабели, находящиеся на таких потолках, соответствовали предъявляемым к ним требованиям, связанным с таким применением.

Рис. Установка внешнего агрегата на здании «Централ Огайо Транзит Оторити»

Еще одним существенным вопросом, связанным с модернизацией систем ОВиК в существующих зданиях является необходимость соблюдения требований нормы 62.1 международной организации ASHARE в отношении аварийности систем вентиляции, обеспечивающих подачу свежего воздуха внутрь и отвод отработанного воздуха из помещений вовне. Имеются также правила в отношении организации и менеджмента систем противопожарной охраны и систем пожаротушения в зданиях, которые особенно строго должны соблюдаться в качестве приоритетных при проектировании и планировании мероприятий по модернизации систем вентиляции и кондиционирования.

Упомянутые вопросы — это основные вызовы для инженеров, занимающихся модернизацией зданий. И хотя многие требования, вводимые во все новых стандартах строительных норм в рабочем порядке учитываются и соблюдаются администраторами зданий, надо о них всегда помнить и сверяться при всех действиях по модернизации. Хотя бы упомянутое использование потолков для регулирования циркуляции воздуха имеет место во многих более старых зданиях, а устройства, находящиеся в них, подбирались без учета этого факта. Стоит ли по этой причине решиться на замену всех кабелей на этих поверхностях? Или, может быть, более рентабельно было бы построить воздухоотводящий канал? Такие решения требуют анализа нескольких факторов: экономического, комфорта и безопасности пользователей, мнения специалистов, а также местных правовых норм и практики строительства, и, наконец, консультации с владельцем объекта.

На рынке представлено множество решений и методов, позволяющих ограничить потребление электроэнергии в зданиях разного типа, особенно за счет модернизации систем ОВиК и освещения. Некоторые из них обеспечивают значительный уровень сокращения потребления энергии и быструю окупаемость инвестиции, другие же в качестве приоритета ставят создание безопасной среды для людей, находящихся в здании, с повышением комфортности использования и увеличением уровня автоматизации. Модернизация оборудования, например, замена классических ламп накаливания со сроком работы порядка 1000 часов, на флуоресцентные лампы со сроком службы 20 000 часов тоже может способствовать снижению затрат на эксплуатацию модернизированного объекта.
Принимая во внимание большое разнообразие современных коммерческих и общественных зданий, а также количество доступных инновационных технологических решений, инженерам приходится каждый раз тщательно анализировать все условия для конкретного объекта и выбирать для него оптимальные решения по модернизации, чтобы не только уменьшить потребление энергии и снизить вредное влияние на природную среду, но также обеспечить ощутимые финансовые выгоды его владельцам.

Пример приложения

Комплексная модернизация офисного здания

Построенное в 1905 г. десятиэтажное здание, находящееся по адресу Н. Хай-стрит, д. 33 в Огайо (США), недавно было куплено фирмой «Централ Огайо Транзит Оторити» с целью разместить в нем головной офис фирмы. Проект адаптации и модернизации здания предполагал полную замену электропроводки, а также электрических и механических устройств на семи из десяти этажей. Остальные три этажа не были затронуты ремонтными работами, и во время всего ремонта здания оставались в нормальной эксплуатации.

Существовавшая ранее в здании система ОВиК включала 65 тепловых насоса, находившихся в разных технических помещениях на каждом этаже. Все они были заменены новыми высокопроизводительными устройствами с соответствующей им инфраструктурой трубопроводов, в результате чего появились новые термические и вентиляционные зоны в соответствии с заново разработанными архитектурными принципами (например, появилось много дополнительных перегородок, подстраивающих помещения к требованиям новых пользователей). На крыше здания установили также дополнительный модуль охлаждения (кулер), взаимодействующий со стандартными вентиляционными агрегатами, соответствующими требованиям новейших норм в этой области.
Управление и мониторинг всех насосов и агрегатов системы ОВиК, а также технических зон в здании осуществляется с помощью систем BAS автоматики зданий. Замена старых насосов (произведенных в первой половине 80-х гг. XX века, с показателем энергоэффективности EER=9) на современные модули с EER, составляющим не менее 14,2, принесла снижение потребления энергии примерно на 35%. На три немодернизированных этажа тепло подается с помощью нового бойлера со значительно большей энергоэффективностью.

В свою очередь модернизируемая система освещения в здании состояла в основном из ламп дневного света типа T12 и нескольких небольших цепей классических ламп накаливания. Управление ими осуществлялось только с помощью локальных настенных выключателей. Все лампы были заменены на лампы дневного света типа T5 и T8, с балластными блоками Lutron Ecosystem. Созданные на каждом этаже офисные пространства типа open space оборудованы большими окнами с южной стороны, благодаря чему в этих помещениях возможно использование дневного света. Система автоматики обеспечивает необходимое затемнение или полное выключение двух рядов ламп, расположенных ближе всего к окнам в случае достаточного количества естественного света и получения сигнала с расположенных в помещениях датчиков интенсивности света.

Точность регулирования освещения — уровень единичных процентов изменения светового потока, практически незаметных для пользователей помещений. Разумеется, система соответствующим образом реагирует также на возможные команды в отношении светового комфорта со стороны самих пользователей, подбирающих соответствующим образом свои настройки. Описанный алгоритм управления и использование дневного света дали дополнительно снижение потребления электроэнергии примерно на 20% по сравнению с решением, при котором упомянутые два ряда ламп были бы все время включены.

Общая экономия энергии в модернизированном здании колеблется на разном уровне, в зависимости от времени года, погодных факторов, интенсивности использования помещений, числа работающих и т.п.