Введение
Автоматизация зданий (BAS), также известная как система управления зданием (BMS) или система управления энергопотреблением здания (BEMS), представляет собой автоматическое централизованное управление системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), электроснабжения, освещения, солнцезащиты, контроля доступа, системами безопасности и другими взаимосвязанными системами здания. К числу целей автоматизации зданий относятся повышение комфорта находящихся в здании людей, эффективная работа инженерных систем, снижение энергопотребления, сокращение эксплуатационных и затрат на техническое обслуживание, а также повышение безопасности. Функциональность BAS может поддерживать климат в здании в заданном диапазоне, обеспечивать освещение помещений в зависимости от их занятости, контролировать производительность и выявлять неисправности оборудования, а также отправлять сигналы тревоги обслуживающему персоналу. BAS позволяет снизить затраты на энергию и техническое обслуживание здания по сравнению с неавтоматизированным зданием. Большинство коммерческих, общественных и промышленных зданий, построенных после 2000 года, оснащены BAS, в то время как в старых зданиях может быть проведена модернизация с установкой новой BAS. Здание, управляемое BAS, часто называют «интеллектуальным зданием», «умным зданием» или (в случае жилого дома) «умным домом». Коммерческие и промышленные здания исторически использовали надежные и проверенные протоколы (например, BACnet), в то время как в домах применялись проприетарные протоколы (например, X10). С развитием беспроводных сенсорных сетей и Интернета вещей все большее число интеллектуальных зданий используют беспроводные технологии с низким энергопотреблением, такие как Zigbee, Bluetooth Low Energy и LoRa, для соединения локальных датчиков, исполнительных механизмов и устройств обработки данных. Практически все многоэтажные «зеленые» здания проектируются с учетом возможности установки BAS для обеспечения энергосбережения, сохранения воды и качества воздуха. Управление спросом на электроэнергию является типичной функцией BAS, как и более сложный мониторинг вентиляции и влажности, необходимый для «герметичных» изолированных зданий. Большинство «зеленых» зданий также используют максимально возможное количество маломощных устройств постоянного тока. Даже при проектировании пассивного дома, рассчитанного на нулевое потребление энергии, обычно требуется BAS для управления сбором тепла, солнцезащитой, вентиляцией и планированием работы оборудования.
automation within commercial buildings
Building automation (BAS), also known as building management system (BMS) or building energy management system (BEMS), is the automatic centralized control of a building's HVAC (heating, ventilation and air conditioning), electrical, lighting, shading, access control, security systems, and other interrelated systems. Some objectives of building automation are improved occupant comfort, efficient operation of building systems, reduction in energy consumption, reduced operating and maintaining costs and increased security. BAS functionality may keep a buildings climate within a specified range, provide light to rooms based on occupancy, monitor performance and device failures, and provide malfunction alarms to building maintenance staff. A BAS works to reduce building energy and maintenance costs compared to a non controlled building. Most commercial, institutional, and industrial buildings built after 2000 include a BAS, whilst older buildings may be retrofitted with a new BAS. A building controlled by a BAS is often referred to as an intelligent building, a "smart building", or (if a residence) a "smart home". Commercial and industrial buildings have historically relied on robust proven protocols (like BACnet) while proprietary protocols (like X 10) were used in homes. With the advent of wireless sensor networks and the Internet of Things, an increasing number of smart buildings are resorting to using low power wireless communication technologies such as Zigbee, Bluetooth Low Energy and LoRa to interconnect the local sensors, actuators and processing devices. Almost all multi story green buildings are designed to accommodate a BAS for the energy, air and water conservation characteristics. Electrical device demand response is a typical function of a BAS, as is the more sophisticated ventilation and humidity monitoring required of "tight" insulated buildings. Most green buildings also use as many low power DC devices as possible. Even a passivhaus design intended to consume no net energy whatsoever will typically require a BAS to manage heat capture, shading and venting, and scheduling device use.
Характеристики
Системы управления зданиями чаще всего внедряются в крупных проектах с обширными механическими, HVAC и электрическими системами. Системы, подключенные к BMS, обычно составляют 40% потребления энергии зданием; если учитывать освещение, эта цифра приближается к 70%. Системы BMS являются критически важным компонентом управления энергопотреблением. Считается, что неправильно настроенные системы BMS приводят к 20% потерь энергии в зданиях, или примерно к 8% от общего энергопотребления в Соединенных Штатах. Помимо контроля внутренней среды здания, системы BMS иногда интегрируются с системами контроля доступа (турникеты и двери, регулирующие доступ и выход в здание) или другими системами безопасности, такими как видеонаблюдение (CCTV) и датчики движения. Системы пожарной сигнализации и лифты также иногда подключаются к BMS для мониторинга. В случае обнаружения пожара, только панель пожарной сигнализации может закрыть клапаны в системе вентиляции для предотвращения распространения дыма, отключить вентиляционные установки, включить вентиляторы для удаления дыма, отправить все лифты на первый этаж и остановить их, чтобы исключить их использование. Системы управления зданиями также могут включать механизмы реагирования на чрезвычайные ситуации (например, сейсмоизоляцию) для защиты зданий от землетрясений. В последнее время компании и правительства работают над поиском аналогичных решений для зон затопления и прибрежных районов, находящихся под угрозой повышения уровня моря. Саморегулирующаяся плавающая среда использует существующие технологии, применяемые для строительства плавучих бетонных мостов и взлетно-посадочных полос, таких как SR 520 в Вашингтоне и Mega Float в Японии.
Датчики
Аналоговые входы используются для считывания изменяющихся величин. Примерами могут служить датчики температуры, влажности и давления, такие как термисторы, датчики тока 4–20 мА, датчики напряжения 0–10 В, платиновые термометры сопротивления (термосопротивления) или беспроводные датчики. Цифровой вход указывает состояние устройства – включено или выключено. Примеры цифровых входов: концевой выключатель двери, датчик тока, датчик расхода воздуха или контакт реле без напряжения (сухой контакт). Цифровые входы также могут использоваться для подсчета импульсов за определенный период времени. Например, турбинный расходомер может передавать данные о расходе в виде частоты импульсов на вход. Неинтрузивный мониторинг нагрузки – это программное обеспечение, которое использует цифровые датчики и алгоритмы для определения подключенных приборов или других нагрузок по электрическим или магнитным характеристикам цепи. Однако само событие определяется аналоговым способом. Такие системы отличаются высокой экономичностью в эксплуатации и полезны не только для идентификации, но и для обнаружения переходных процессов при включении, неисправностей в сети или оборудовании и т.д.
Контроль
Аналоговые выходы управляют скоростью или положением устройства, например, частотного преобразователя, преобразователя I P (тока в пневматику) или привода клапана или заслонки. Примером может служить клапан горячей воды, открывающийся на 25% для поддержания заданного значения. Другой пример – частотный преобразователь, плавно разгоняющий двигатель, чтобы избежать резкого пуска. Цифровые выходы используются для включения и выключения реле и переключателей, а также для управления нагрузкой по команде. Например, можно включить освещение на парковке, когда фотодатчик определяет наступление темноты. Другой пример – открытие клапана путем подачи напряжения 24 В постоянного/переменного тока на выход, питающий клапан. Аналоговые выходы также могут быть импульсными, генерируя частоту импульсов в течение определенного периода времени. Примером может служить счетчик электроэнергии, вычисляющий потребление в кВт⋅ч и выдающий соответствующую частоту импульсов.
Контроллер
Контроллеры – это, по сути, небольшие компьютеры, разработанные для конкретных задач и оснащенные возможностями ввода и вывода. Эти контроллеры различаются по размерам и функциональности и предназначены для управления устройствами, обычно используемыми в зданиях, а также подсетями контроллеров. Входы позволяют контроллеру считывать температуру, влажность, давление, силу тока, расход воздуха и другие важные параметры. Выходы позволяют контроллеру отправлять команды и управляющие сигналы на подчиненные устройства и другие части системы. Входы и выходы могут быть цифровыми или аналоговыми. Цифровые выходы также иногда называют дискретными, в зависимости от производителя. Контроллеры, используемые для автоматизации зданий, можно разделить на три категории: программируемые логические контроллеры (ПЛК), системные/сетевые контроллеры и контроллеры оконечных устройств. Однако для интеграции сторонних систем (например, автономной системы кондиционирования) в центральную систему автоматизации здания может использоваться дополнительное устройство. Контроллеры оконечных устройств обычно подходят для управления освещением и/или более простыми устройствами, такими как блочные кондиционеры, тепловые насосы, VAV-боксы, фанкойлы и т.д. Установщик обычно выбирает одну из доступных предварительно запрограммированных конфигураций, наиболее подходящую для управляемого устройства, и не должен создавать новую логику управления.
Занимаемость
Занятость – один из двух или более режимов работы системы автоматизации здания; другие распространенные режимы – незанятость, предварительный прогрев и ночной откат. Режим занятости обычно основан на расписании по времени суток. В режиме занятости система автоматизации здания (САЗ) стремится обеспечить комфортный климат и достаточное освещение, часто с зоновым управлением, чтобы пользователи на одной стороне здания имели отдельный термостат (или другую систему, или подсистему) от пользователей на противоположной стороне. Датчик температуры в зоне передает обратную связь контроллеру, чтобы тот мог обеспечить необходимое отопление или охлаждение. Если включен, режим предварительного прогрева (ПП) активируется перед началом режима занятости. Во время предварительного прогрева САЗ пытается привести здание к заданным параметрам непосредственно перед началом режима занятости. САЗ часто учитывает внешние условия и исторические данные для оптимизации ПП. Это также называют оптимизированным стартом. В некоторых зданиях используются датчики присутствия для включения освещения или системы кондиционирования. Учитывая возможное длительное время, необходимое для достижения комфортной температуры в помещении, система кондиционирования воздуха обычно не запускается непосредственно датчиком присутствия.
Освещение
Освещение может включаться, выключаться или регулироваться по яркости с помощью системы автоматизации здания или системы управления освещением, в зависимости от времени суток, датчиков присутствия, фотосенсоров и таймеров. Типичный пример – включение освещения в помещении на полчаса после последнего обнаруженного движения. Фотоэлемент, установленный снаружи здания, может определять наступление темноты и время суток, регулируя освещение в наружных офисах и на парковке. Освещение также хорошо подходит для управления спросом, поскольку многие системы управления позволяют диммировать (или выключать) свет для получения преимуществ и экономии от программ DR. В современных зданиях управление освещением может быть основано на полевой шине Digital Addressable Lighting Interface (DALI). Лампы с электронными пускорегулирующими аппаратами (ЭПРА) DALI полностью диммируются. DALI также может обнаруживать неисправности ламп и ЭПРА в светильниках DALI и сигнализировать об этих неисправностях.
Теневые и стеклянные
Затенение и остекление являются важнейшими компонентами в системе здания, влияющими на визуальный, акустический и тепловой комфорт находящихся в помещении людей, а также обеспечивающими вид наружу. Автоматизированные системы затенения и остекления – это решения для контроля поступления солнечного тепла и предотвращения бликов. Они подразумевают использование технологий для управления внешними или внутренними устройствами затенения (такими как жалюзи и шторы) или самим остеклением. Система активно и оперативно реагирует на изменяющиеся внешние данные (например, солнечную радиацию, ветер) и на изменения внутренней среды (например, температуру, освещенность и потребности пользователей). Системы затенения и остекления зданий могут способствовать улучшению теплового и светового режимов с точки зрения как энергосбережения, так и комфорта.
Динамическое затенение
Динамические устройства затенения позволяют регулировать поступление дневного света и солнечной энергии в здания в зависимости от внешних условий, потребностей в освещении и положения солнца. К распространенным продуктам относятся венецианские жалюзи, рулонные шторы, ламели и ставни. Чаще всего их устанавливают с внутренней стороны остекления из-за невысокой стоимости обслуживания, но они также могут использоваться снаружи или в комбинации с внутренним и внешним расположением.
Сигнализация и безопасность
Все современные системы автоматизации зданий оснащены функцией сигнализации. Обнаружение потенциально опасной или дорогостоящей ситуации не имеет смысла, если никто из тех, кто может решить проблему, не будет уведомлен. Уведомление может осуществляться через компьютер (электронную почту или текстовое сообщение), пейджер, голосовой вызов на мобильный телефон, звуковую сигнализацию или все эти способы вместе. В целях страхования и соблюдения требований законодательства все системы ведут журналы, фиксирующие, кого, когда и каким образом уведомили. Сигнализация может немедленно оповещать ответственного, либо только при достижении определенного порога серьезности или срочности. На объектах с несколькими зданиями кратковременные перебои в электроснабжении могут вызывать сотни или тысячи срабатываний сигнализации от отключившегося оборудования – такие срабатывания следует подавлять и рассматривать как симптомы более серьезной неисправности. На некоторых объектах критические сигналы запрограммированы на автоматическую повторную отправку через различные интервалы времени. Например, повторяющийся критический сигнал (от источника бесперебойного питания, переключенного в режим "bypass") может повторяться через 10 минут, 30 минут и затем каждые 2–4 часа до устранения неисправности. Системы безопасности могут быть интегрированы с системой автоматизации здания. Здания могут быть взломаны для измерения или изменения параметров окружающей среды: датчики обеспечивают наблюдение (например, мониторинг перемещений сотрудников или привычек жильцов), а исполнительные механизмы позволяют выполнять действия в здании (например, открывать двери или окна для злоумышленников). Несколько производителей и комитетов начали улучшать функции безопасности в своих продуктах и стандартах, включая KNX, Zigbee и BACnet (см. последние стандарты или проекты стандартов). Однако исследователи сообщают о ряде нерешенных проблем в области безопасности автоматизации зданий. 11 ноября 2019 года была опубликована 132-страничная исследовательская работа под названием «Я владею вашим зданием (системой управления)» авторства Гёко Крстича и Сипке Меллемы, в которой рассматривалось более 100 уязвимостей, затрагивающих различные системы управления зданием и решения для контроля доступа от разных производителей.
Автоматизация помещений
Автоматизация помещений является частью автоматизации зданий и преследует схожую цель: объединение одной или нескольких систем под централизованным управлением, но уже в пределах одного помещения. Наиболее распространенные примеры автоматизации помещений – это корпоративные переговорные комнаты, презентационные залы и лекционные аудитории, где управление большим количеством устройств, определяющих функциональность помещения (например, оборудованием для видеоконференцсвязи, видеопроекторами, системами управления освещением, системами оповещения и т.п.), сделало бы ручное управление очень сложным. В системах автоматизации помещений обычно используется сенсорный экран как основной способ управления всеми функциями.