Интеллектуальные здания и новейшие технологии инженерного обеспечения и автоматизации при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений

В. В. Муравьев, А. В. Фрейдман, А. А. Баранов, члены Комитета НП «АВОК» по интеллектуальным зданиям и информационным управляющим системам

Рынок продуктов и систем автоматизации зданий

Рынок продуктов, систем автоматизации и управления зданиями в настоящее время представляет собой заметный сегмент современной экономики во всем мире, в частности в Европе, в странах СНГ и в Российской Федерации.

По оценкам аналитиков из компании PROPLAN, Forst&Sullivan, мировой рынок средств автоматизации зданий в 1999 году характеризовался следующими цифрами (табл.).

Объем рынка всей Восточной Европы примерно в 10 раз меньше (390 млрд евро), чем в США и Канаде (3 200 млрд евро) или Западной Европе (3 565 млрд евро). В России эта цифра еще меньше.

Такая разница говорит о количественном и качественном отставании по внедрению систем автоматизации зданий от мировых тенденций.

Темпы роста рынка автоматизации зданий превышают темпы роста рынка строительства зданий, поскольку, помимо оснащения системами управления зданий-новостроек, при реконструкции и ремонте происходит активное оборудование системами автоматизации большей части фонда эксплуатирующихся зданий.

Уровень развития продуктов и систем автоматизации зданий является ключевым фактором, обеспечивающим эффективное, безопасное, удобное и экологически чистое функционирование зданий. Кроме того, он оказывает существенное влияние на все элементы технического оснащения здания, особенно в отношении систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

К продуктам автоматизации зданий относятся специальные аппаратные и программные средства и услуги по разработке и внедрению систем автоматизации и управления зданиями.

Аппаратные средства включают датчики; исполнительные механизмы и устройства (управляемые клапаны, регуляторы и т. д.); управляющие контроллеры, осуществляющие функции местного управления; коммуникационные контроллеры (маршрутизаторы, шлюзы и т. п.), кабели и кабельная арматура, предназначенные для построения сетей требуемой топологии, совместимости и производительности; а также компьютеры для создания систем мониторинга и диспетчеризации систем управления здания.

К программным средствам относится встроенное программное обеспечение (ПО), которое поставляется обычно изготовителям оборудования и потому закладывается в цену интеллектуальных аппаратных средств; ПО систем сетевой связи (для конфигурирования, настройки и тестирования сетей); ПО для систем сбора данных и диспетчерского управления (SCADA); а также специализированное ПО для реализации заказных алгоритмов управления систем здания.

Третью часть рынка составляют услуги по разработке и внедрению: проектирование систем; разработка и прокладка кабельной системы здания; услуги инжиниринга (реализация алгоритмов управления системами, разработка связи между подсистемами, разработка специализированных аппаратных средств, написание заказного ПО); монтаж оборудования; пусконаладочные работы, конфигурирование, настройка и тестирование сети и всей системы управления.

Термин «интеллектуальное здание» (intelligent building – англ.; intelligent – ‘разумный, понятливый’, в сочетании со словом building – ‘гибкий, приспосабливаемый’) в первоначальном смысле означает ‘здание, готовое к изменениям’ или ‘приспосабливаемое здание’, т. е. здание, способное приспосабливаться к изменениям окружающей среды. Другими словами, это здание, инженерные системы которого способны обеспечить адаптацию к возможным изменениям в будущем.

Традиционные решения инженерного оборудования здания представляют собой совокупность отдельных, не взаимодействующих между собой систем. Здание, в котором эти системы объединены в интегрированный комплекс и правильно организованы  уже на этапе проектирования (с учетом возможных будущих изменений), имеет право называться интеллектуальным.

В сравнении с автономными системами комплексная система имеет следующие преимущества:

- существенная экономия на кабельных сетях и сетевом оборудовании;

- снижение энергопотребления и повышение надежности всей системы;

- повышение оперативности управления объектом;

- графическое представление информации о состоянии систем и оборудования на различных уровнях (объектовом, зональном, адресном);

- снижение трудозатрат эксплуатационных и диспетчерских служб;

- обеспечение необходимого взаимодействия систем;

- снижение вероятности возникновения страховых случаев;

- «открытость» комплекса, обеспечивающая возможность его наращивания и использования оборудования разных производителей.

Понятие «интеллектуальное здание» еще не имеет точного толкования, но большинство людей, которые им пользуются, воспринимают его как автоматизированную техническую систему, которая:

- «чувствует», что происходит внутри здания и снаружи;

- «реагирует» таким образом, чтобы наиболее эффективным способом обеспечить безопасное и комфортабельное пребывание в нем, сведя до минимума потребление энергии и энергоресурсов;

- «взаимодействует» с людьми посредством применения простых и легко доступных средств общения.

Интеллектуальное здание является продуктом современного развития существующих систем автоматики в зданиях в направлении:

- комплексной оптимизации использования ресурсов;

- повышения гибкости конфигурирования и снижения общей стоимости владения;

- интеграции с широким спектром технологического и телекоммуникационного оборудования;

- упрощения взаимодействия с пользователем.

Таблица Объемы рынка продуктов и систем автоматизации зданий в 1999 году, млрд евро

Регион Жилые здания Нежилые здания Все здания Германия 650 620 1 270 Франция 220 200 420 Италия 180 125 305 Великобритания и Ирландия 160 350 510 Бельгия, Нидерланды, Люксембург 90 190 280 Австрия и Швейцария 120 180 300 Испания, Португалия и Греция 20 90 110 Дания, Швеция, Норвегия, Финляндия и Исландия 170 210 380 Западная Европа в целом 1 610 1 955 3 565 Восточная Европа 150 240 390 США и Канада 1 200 2000 3200 Латинская Америка 120 200 320 Америка в целом 1 320 2200 3520 Япония 360 600 960 Другие страны Азии 210 450 660 Австралия и Новая Зеландия 60 100 160 Австралия и Азия в целом 710 1 150 1 860 Другие страны 130 220 350 В мире в целом 3 920 5315 9235

Характерные особенности интеллектуальных зданий

К основным особенностям интеллектуальных зданий можно отнести:

- способность оптимально реагировать на изменения в процессах, происходящих в здании;

- сочетание децентрализованных (распределенных) принципов построения систем с централизацией функции мониторинга;

- структурированный подход к построению инженерных систем здания;

- возможность внесения изменений с минимальными затратами;

- предоставление определенного набора услуг обитателям здания.

Интеллектуальное здание создается для человека (!), поэтому основным критерием эффективности проекта интеллектуального здания является качество его взаимодействия с жильцами.

«Интеллект» жилой среды современного дома обеспечивается взаимосвязанной работой автоматизированных домовых и квартирных систем. Все системы соединены высокотехнологичными управляющей и информационной сетями, которые проложены во всех жилых и общественных помещениях дома.

Прогноз общего объема рынка BAS включая оборудование, программное обеспечение и услуги (млрд долл.)   По данным аналитиков ARC Advisory Group, оборот мирового рынка аппаратных и программных систем и услуг автоматизации зданий (building automation system, BAS) в 2001 году составил 11 млрд долл. В ближайшие 5 лет среднегодовой рост этого рынка составит 5,6%; к 2006 году ее оборот достигнет 14,5 млрд долл. (Computerworld, 2002, #30)

Основные системы интеллектуальных зданий

При интеграции в структуру интеллектуальные здания становятся участниками единой системы, поэтому особое значение придается возможности гибкого взаимодействия с другими подсистемами:

- Создание оптимальных условий работы и жизнедеятельности обитателей здания.

- Сокращение эксплуатационных расходов и энергосбережение.

- Комплекс систем жизнеобеспечения (КСЖ). В состав входят:

• система управления вентиляцией и кондиционированием воздуха (ВКВ);

• система управления тепло- и водоснабжением (ТВС);

• система управления электроснабжением (ЭС);

• система управления освещением (УО);

• система управления возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ).

- Комплекс систем безопасности (КСБ). Обеспечивают мониторинг состояния интеллектуального здания, предотвращение и ликвидацию аварийных и опасных ситуаций, частично являются надстройкой над технологическими подсистемами и могут использовать одни и те же датчики, интерфейсы и исполнительные механизмы, если это не мешает их работе. В состав входят:

• контроль и управление электрическими потребителями;

• контроль и управление внутренним климатом;

• контроль протечек воды;

• система пожарной безопасности;

• система охранной сигнализации;

• контроль состояния внешней среды;

• контроль и управление доступом к ресурсам здания;

• контроль за детьми;

• контроль и обслуживание домашних животных.

- Комплекс систем информатизации (КСИ). Являются базисом, на котором строятся все компоненты информационно-вычислительных сетей интеллектуального здания. Правильная организация системы определяет надежность функционирования системы интеллектуального здания как интегрированного комплекса:

• сеть (ЛВС);

• система телефонной сети;

• система приема эфирного и спутникового телевидения;

• телекоммуникационная подсистема (ТК);

• система радиофикации;

• средства оперативной радиосвязи персонала и другие системы.

Управление интеллектуальным зданием выполняется по сценариям. Сценарии разделяются на две основные группы:

- технологические, которые определяют работу инженерных систем с целью создания безопасных (с точки зрения техники, санитарных норм, экологии) условий проживания;

- пользовательские, которые определяют комфортные условия проживания, максимально адаптированные к индивидуальным характеристикам.

Определение требований к интеллектуальным зданиям

Определение требований к интеллектуальным зданиям проще установить исходя из совокупности процессов жизнедеятельности здания, рассматривая функционирование интеллектуальных зданий неразрывно от взаимодействия с человеком. Абстрагируясь, интеллектуальные здания можно представить как набор сервисов и способов их реализации. Степень автоматизации зависит от желания человека переложить на системы интеллектуальных зданий ту часть процессов, которая должна выполняться автоматически, полуавтоматически или неким удобным способом. Поэтому не может существовать единого рецепта по автоматизации здания.

Проработка исходных требований к интеллектуальным зданиям должна происходить в тесном взаимодействии с теми, кто будет участвовать в эксплуатации здания, обеспечивать реализацию сервисов и слуг, и теми, кто будет ими пользоваться, или их представителями. Нередко в практике строительства современных зданий на коммерческой основе нет возможности осуществить проработку требований с теми, кто будет эксплуатировать здание и пользоваться его сервисами. В таком случае организация проработки требований ложится на тех, кто их представляет – коммерческого застройщика или риэлтера. Их задачей становится определение соотношения стоимости предлагаемого коммерческого объекта к составу систем и сервисов, видам и уровню услуг проектируемого объекта.

Успех коммерческого проекта определяется правильно выбранным соотношением потребительских качеств и стоимости. В данном случае под качеством понимается вся совокупность параметров объекта. И среди них немаловажным становится интеллектуальность здания. Определение системы качественных показателей интеллектуального здания, предлагаемых потребителю, становится одной из основных задач при исследовании рынка перед началом реализации коммерческого строительства.

В разработке системы показателей качества интеллектуального здания заинтересованы все участники рынка. Организацию данной работы можно выполнить силами специалистов в этой области совместно с коммерческими застройщиками и риэлторами. Решение данной проблемы позволит прекратить спекуляции на тему степени интеллектуальности зданий и поможет формированию цивилизованного рынка в строительстве.

Принципы построения интеллектуального здания

К основным техническим принципам построения интеллектуального здания относятся:

- Стандартизация архитектуры комплекса систем (открытость систем). Под открытостью понимается наличие единого протокола взаимодействия оборудования разных производителей. В основе построения интеллектуального здания как раз и лежат принципы «открытой архитектуры». При оснащении здания системами и оборудованием от разных производителей важно, чтобы технические устройства не конфликтовали между собой, а были бы совместимы и представляли единое целое. Для того чтобы системы понимали друг друга, они должны использовать одни и те же правила – стандарты – при обмене данными. В области телекоммуникаций такие правила называют протоколами.

В настоящее время широкое распространение в области систем управления зданиями получили стандарты BACnet, LonWorks, EIB и др.

Cтандарт BACnet (Building Automation Control Network – сетевой протокол для автоматизации зданий) был разработан Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE).

- Стандарт EIB (European Installation Bus – европейская инсталляционная шина) предназначен для управления энергопотреблением, освещением, жалюзи, микроклиматом и для контроля доступа; определяет требования к:

- каналам связи (проводные, инфракрасные, телефонные, радио, сети 220 В 50 Гц, оптоволокно, локальные компьютерные сети Ethernet);

- формату курсирующей информации;

- принципам взаимодействия с пользователем (специализированные информационные панели и программное обеспечение для персонального компьютера).

Технология EIB позволяет организовать передачу сообщений от устройств фиксации событий к исполнительным механизмам по следующим интерфейсам:

- проводные каналы связи;

- связь по силовым электрическим проводам;

- телефонные и радиоканалы;

- инфракрасное излучение;

- интерфейсы компьютерных сетей.

В европейских странах все большее распространение в качестве основного сетевого стандарта получает LonWorks, разработанный в компании Echelon Corporation. Первоначально этот стандарт был разработан для HVAC (систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха), однако в настоящее время он уже используется при построении комплексных систем (включая системы безопасности, учета энергоносителей, освещения и др.). С целью пропаганды и распространения стандарта LonWorks в мае 1994 года была создана ассоциация LonMark, объединяющая производителей и инсталляторов Lon-продуктов. Сеть управления LonWorks поддерживает различные среды для передачи информации: кабель «витая пара», коаксиальный кабель, волоконно- оптический кабель, радиоканал и др. Стандарт LonWorks позволяет строить системы управления зданиями по свободной топологии, которая наилучшим образом соответствует структуре комплексных систем интеллектуального здания:

- типизация оборудования и процессов;

- единая физическая среда передачи информации;

- централизация (функций мониторинга и управления) и интеграция систем;

- децентрализация (распределенные системы управления);

- сегментация (модульный принцип построения систем);

- адаптация (готовность к изменениям);

- наращиваемость и избыточность (наличие резерва).

Реализация проекта интеллектуального здания существенным образом отличается от традиционной схемы построения здания.

При проектировании интеллектуального здания определяющим принципом является формирование единого подхода при построении всех систем различных комплексов.

Главной и определяющей составляющей организационно-технических мероприятий, проводимых заказчиком на этапе принятия решения о строительстве интеллектуального здания, является выбор генерального проектировщика и подрядчика, способного должным образом организовать и обеспечить качественные характеристики объекта строительства.