Технологія інтелектуальних будівель: розумний шлях зниження викидів парникових газів

У статті показано, як інноваційні технологічні платформи та програмні рішення сприяють кліматичним технологіям. Щоб зменшити вики­ди парникових газів, встановлюють сонячні па­нелі у будинках або використовують енергоефективні прилади на кухнях. Це позитивно впливає на навколишнє середовище та допо­магає заощадити на рахунках за електроенер­гію. Але впровадження інтелектуальних буді­вельних технологій може не тільки допомогти підвищити енергоефективність, а й підвищити безпеку та скоротити викиди парникових газів.

Дж. Ланнан

Підвищення енергоефективності систем енерго­постачання комерційних та промислових будівель допоможе країнам досягти порогу підвищення тем­ператури в 1,5°C, передбаченого Паризькими кліма­тичними угодами 2015 року . Ключ до досягнення потенційно можливої енергоефективності в комер­ційних та промислових будівлях полягає в управлінні всією будівлею за допомогою комплексних інфор­маційних технологій. Одним із способів досягти цьо­го є загальна цифровізація та об’єднання мереж різних систем управляння такими будинками. Як за­значив Стів Кенні, віце-президент компанії Honey­well: «Сьогодні керівники будинків стикаються із зростаючим тиском у сфері безпеки, ефективності роботи та енергоефективності. Автоматизація усу­ває операційні бар’єри, щоб надати менеджерам будинків більше контролю над ефективністю своїх будівель, що в кінцевому підсумку допомагає покра­щити досвід мешканців, одночасно просуваючи цілі управління енергетикою».

Що таке інтелектуальні будівлі? Інтелектуальні будівлі, або розумні будівлі, інтегрують різні техно­логії та процеси для підвищення безпеки, комфорту та продуктивності для мешканців, одночасно підви­щуючи ефективність роботи власників. Вони роз­гортають взаємопов’язані датчики, пристрої та си­стеми управління для аналізу та оптимізації даних у реальному часі, об’єднуючи системи опалення, вен­тиляції та кондиціювання повітря (системи HVAC – Heating, Ventilation, & Air Conditioning), а також си­стему освітлення, сигналізації та безпеки в єдину ІТ- мережу (рис. 1) .

Рис. 1. Приклад інтеграції різних систем управління будівлею в одну IT-мережу

Сектор комерційних та промислових будівель має надзвичайну можливість зменшити споживання енергії, оскільки в середньому 30% енергії в цих бу­дівлях використовується неефективно або зовсім без потреби для систем опалення, вентиляції, кон­диціювання, освітлення, охолодження та гарячого водопостачання . Впровадження системи управ­ління будівлею (Building Management System – BMS) є основним методом, який допомагає зменшити втрати та підвищити енергоефективність.

Система BMS автоматизує управління електрич­ними та механічними системами будівлі, включаючи опалення, вентиляцію, кондиціювання повітря, освітлення, пожежну безпеку та охорону. У США, на­приклад, майже 60% великих комерційних будівель з площею більше 5 000 м² мають системи BMS, тоді як лише 13% невеликих будівель мають такі системи . Ці прогалини демонструють суттєву можливість для менеджерів будівель покращувати енергозбе­реження та економити кошти завдяки інформатиза­ції процесів управління.

Встановлення систем BMS із вдосконаленими датчиками та модулями зв’язку може дати в серед­ньому від 10% до 25% економії енергії . Ці систе­ми допомагають оптимізувати роботу будівлі у ціло­му та дають можливість дистанційно виявляти не­справності, забезпечуючи нагрівання, охолодження та кондиціювання лише за потреби. Автоматизація допомагає звести до мінімуму споживання енергії та знизити пікове навантаження, а дистанційна діагно­стика в реальному часі допомагає підвищити енер- гоефективність (рис. 2).

Рис. 2. Інтеграція системи управління будин- ком BMS – основний засіб підвищення енер- гоефективності та зниження викидів CO2

Інтеграція систем управління будівлею є ключем для ефективної роботи BMS. Об’єднання панелей управління, датчиків з виконавчими меха­нізмами для ефективного управління системами HVAC, освітленням, охорони, пожежної сигналізації та енергосистемами суттєво підвищує продуктивність та енергоефективність управління будівлею у цілому. Технологія Ethernet забезпечує таку інтегра­цію у комерційних або промислових умовах, підтри­муючи її на великій відстані, забезпечуючи вищу пропускну здатність, збільшену кількість вузлів і роз­ширену безпеку порівняно з застарілими системами зв’язку.

Розроблена для промислового використання технологія Ethernet надійно та успішно передає дані, незважаючи на наявність перешкод у будівлі. IP-ко- мунікації на межі системи BMS підтримують повний дуплексний зв’язок окремих систем, локалізоване прийняття рішень, усувають нестиковку даних, ско­рочують час простою для оновлення або відновлен­ня системи. До мережі Ethernet можна підключити периферійні пристрої, щоб забезпечити систему управління BMS більш повною інформацією. Якщо підвести одну пару мережі Ethernet до системи BMS, периферійні пристрої через цю мережу змо­жуть обмінюватися життєво важливою інформацією про стан будівлі для її оптимальної експлуатації та управління в цілому.

Підключивши таким чином периферійні пристрої за допомогою однієї пари Ethernet, можна гаранту­вати, що раніше ізольовані системи управління, такі як система HVAC, система освітлення, система спо­стереження та пожежогасіння, зможуть надавати у реальному часі інформацію в центральну систему управління BMS для єдиного безперервного моніто­рингу всіх даних щодо стану будівлі (рис. 3).

Рис. 3. Об’єднання у мережу Ethernet периферійних пристроїв із раніше окремих систем забезпечує єдиний безперервний моніторинг усіх даних про стан будівлі

Інтеграція технологій штучного інтелекту і ма­шинного навчання у системі BMS може ще краще оптимізувати енергоспоживання, забезпечуючи прогнозний аналіз і інтелектуальні алгоритми для автоматизації процесів і підвищення енергоефек- тивності.

Інноваційні технології у системі BMS. Сучасна система BMS базується на передових технологіях, що забезпечують її живлення, включаючи конфігу- ровані пристрої вводу/виводу, які підтримують взає­модію між людиною-оператором або іншою систе­мою та комп’ютером. Конфігуровані пристрої вво- ду/виводу спрощують установку системи BMS і за­безпечують можливість адаптації в майбутньому, що зберігає інвестиції.

Джерела вхідних даних включають датчики тем­ператури, датчики диму, датчики руху та інші, тоді як джерела вихідних даних – це, як правило, приводи зі змінною швидкістю, сигнальні дзвінки та інші. Крім того, покращене джерело живлення та оптимальне управління двигуном підвищують енергоефектив- ність, а діагностика обладнання може своєчасно виявити несправне обладнання та мінімізувати час на його обслуговування та простої. Впровадження цих технологій може суттєво зменшити енергію спо­живання, необхідну для роботи обладнання будівлі, наприклад, систем опалення, вентиляції, кондицію­вання, освітлення та безпеки.

Застосування інноваційних технологій опалення та охолодження, таких як теплові насоси та системи зі змінним потоком холодоагенту, може ще більше зменшити викиди. Ці системи перевершують тради­ційні газові або масляні котли в перетворенні електроенергії в теплову, що дозволяє використовувати для їх живлення відновлювану енергію Вони роб­лять опалення та охолодження приміщень менш енергоємними.

Перехід до теплових насосів сьогодні та стан­дартне використання їх у новому будівництві допо­може зменшити викиди вуглекислого газу, оскільки електрична мережа буде переходити на відновлю­вані джерела. Більше того, ЄС вважає теплові насо­си ключовими для забезпечення переходу на чисту енергію та досягнення цілі ЄС щодо вуглецевої ней­тральності до 2050 року. Починаючи з 3 мільйонів теплових насосів, встановлених у 2022 році, ЄС пла­нує встановити принаймні 10 мільйонів додаткових теплових насосів до 2027 року .

Теплові насоси, які працюють від електроенергії з низьким рівнем викидів, є основною технологією глобального переходу до безпечного та сталого опалення . Теплові насоси, наявні на ринку, у три-п’ять разів енергоефективніші, ніж газові котли. Вони зменшують вплив комерційних та промисло­вих будівель, а також приватних домогосподарств на стрибки цін на викопне паливо, що стало ще більш актуальним через триваючу зараз глобальну енергетичну кризу.

На сьогодні більше однієї шостої світової потре­би в природному газі припадає на опалення буді­вель, а в Європейському Союзі ця цифра ще більша і становить одну третину. Теплові насоси також мо­жуть забезпечувати охолодження повітря, що усуває потребу в окремому кондиціюванні приблизно для 2,6 мільярдів людей, які живуть у регіонах, що потребуватимуть опалення та охолодження до 2050 року. Опалення в будівлях виробляє більше ніж 4 гі- гатони викидів CO2 щорічно, що складає 10% від світових викидів. Встановлення теплових насосів замість котлів, що працюють на викопному паливі, значно скорочує викиди парникових газів на всіх ос­новних ринках опалення. Це основна перевага теп­лових насосів, яка буде збільшуватися з ростом де­карбонізації систем електроенергії.

ВИСНОВКИ

Очевидна можливість для власників комерційних будівель, які хочуть зменшити шкідливі викиди, по­лягає у впровадженні нової системи управління бу­дівлею, яка буде використовувати новітні цифрові технології. Уряди країн також можуть відіграти в цьо­му ключову роль, впроваджуючи відповідне законо­давство, економічні стимули та нові будівельні стан­дарти, такі, наприклад, як LEED – Лідерство в енер­гетичному та екологічному проєктуванні. Хоча на сьогодні ці ініціативи для деяких власників комерційних та промислових будівель можуть здатися ля­каючими, використання інтелектуальних енергозбе­рігаючих технологій в таких будівлях допоможе не тільки зменшити шкідливі викиди в атмосферу, але й скоротити витрати на експлуатацію цих будівель.

ЛІТЕРАТУРА

1. United Nations, Paris Agreement.
2. Smart Buildings: Four considerations creating people-centered smart, digital workplaces.
3. of Energy; Commercial Buildings Integra­tion Program.
4. gov; Commercial Building Sensors and Controls Systems: Barriers, Drivers, and Costs.
5. org; Smart Buildings: Using Smart Tech­nology to Save Energy in Existing Buildings.
6. IEA; Tracking Clean Energy Progress 2023.
7. US Dept of Energy; Office of Energy Efficiency & Renewal Energy.
8. IEA 50; Heat Pumps.
9. European Commission; Heat pumps are key to enabling the clean energy transition and achieving the EU’s carbon neutrality goal by 2050.