ОТЛАДКА ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ ПОСЛЕ ВВОДА ЗДАНИЯ В ЭКСПЛУАТАЦИЮ
Марк Боуман
Инженер Марк Боуман (Mark Bowman), в прошлом ведущий конструктор компании E Cube, сейчас – главный инженер компании Bowman Consulting в Сиэтле.
Джек С. Уолперт (Jack S. Wolpert), президент компании E Cube в Боулдере (штат Колора до), доктор философии. Участвовал в разработке «Рекомендаций ASHRAE 1 1996: Процесс сдачи в эксплуатацию систем по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха». Член комитета GPC 14P «Измерение сокращения потребления энергии и спроса на нее».
Процесс ввода зданий в эксплуатацию и оптимизации коммунальных систем развивается вместе с коммунальными информационными технологиями. В этой статье представлен детальный анализ проекта, выполненного в Исследовательском центре им. Дэвида Скаггса (David Skaggs Research Center) в Боулдере, для определения эксплуатационных проблем, возможностей по увеличению эффективности работы коммунальных систем и других улучшений после начала эксплуатации здания в первый год после окончания его строительства. Предполагается, что проведенная оптимизация должна окупиться менее чем за год. Она повышает качество предоставляемых коммунальных услуг, позволяя более надежно и эффективно удовлетворять потребности клиентов в здании. Хотя в данном случае процесс улучшения коммунальных систем рассматривался в контексте нового строительства, его также можно использовать и для реконструкции, и повторной сдачи в эксплуатацию уже существующих коммунальных систем, для которых была показана сравнительно быстрая окупаемость. Полученные результаты также указывают на то, что дальнейшее развитие в области коммунальных информационных технологий сделает эти диагностические методики и связанные с ними преимущества более доступными для широкого использования. Это позволит фундаментально изменить процесс сдачи зданий в эксплуатацию и их последующее использование.
История проекта
Американское Управление служб общего назначения (General Service Administration/GSA) создало Исследовательский центр Дэвида Скаггса для нужд лаборатории экологических исследований Национальной администрации по океану и атмосфере (NOAA), Национальной метеорологической службы и Национального центра геофизических данных и ряда других федеральных агентств. В комплексе, где расположен исследовательский центр, 720 офисов с открывающимися окнами, 20 конференц-залов, несколько компьютерных центров и почти 100 лабораторий «мокрых» и «сухих» технологий. Комплекс состоит из трех надземных этажей и одного подземного. Общая площадь центра –34 500 кв. м.
Для обеспечения отопления комплекса и круглогодичного снабжения горячей водой используются два газовых котла, КПД которых в стационарном режиме работы составляет 82%. Мощность каждого из котлов, установленных на высоте 1646 м над уровнем моря, – 1959 кВт. Три центробежных чиллера с водяным охлаждением (с эффективностью при полной нагрузке 0,63 кВт/т емкостью по 470 тонн (1653 кВт) каждый) подают холодную воду для охлаждения всего комплекса. Два небольших воздушных охладителя с поршневыми насосами используются как резервные для централизованной системы охлаждения компьютерных залов.
Пять установок системы центрального кондиционирования воздуха снабжены 100%-ными экономайзерами для регулирования температуры подаваемого снаружи воздуха, подогревающими теплообменниками, охлаждающими теплообменниками и двумя параллельно работающими осевыми вентиляторами с регулируемым наклоном лопастей и мощностью по 56 кВт. Два аппарата снабжены системами утилизации тепла воздуха, поступающего из лабораторий.
Во время проектирования здания комплекса инженерно-архитекторская группа и агент, отвечающий за проведение пусконаладочных работ, позволили GSA проявить значительную инициативу для уменьшения расходов на строительство и эксплуатацию комплекса за счет реализации ряда высокоэффективных мер, направленных на снижение расходов по водоснабжению комплекса и обеспечению электроэнергией. Одна из этих мер включала новый подход к вводу здания в эксплуатацию с учетом особенностей работ по
– обеспечение надежной бесперебойной работы всех основных систем комплекса;
– выявление любых проблем или неисправностей и поиск решений для их устранения;
– поиск и выявление возможностей по увеличению эффективности работы коммунальных
систем и общему улучшению работы оборудования;
– разработку основ документов, регулирующих корректирующие действия при эксплуатации системы и действия, направленные на улучшение ее работы;
– создание эталонов для управления работой системы в будущем.
Общие цели проводимых работ и POCx включали: а) повышение комфортности условий в комплексе (температуры и качества воздуха в
его помещениях); б) снижение потребления энергии и увеличение экологической безопасности; в) уменьшение количества и стоимости работ по обслуживанию; г) повышение срока службы оборудования.
Эти цели соответствуют тем, которые излагаются в разработанных ASHRAE «Рекомендациях 151996: Процесс сдачи в эксплуатацию систем по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха», а также в более позднем «Модельном плане по проведению пусконаладочны работ и рекомендуемых спецификациях, Вер.2.05», разработанном компанией Portland Energy Conservation, Inc. в сотрудничестве с Федеральной программой по управлению потреблением энергии. (Когда шла работа над этим материалом, разработка «Рекомендаций 052005: Процесс сдачи систем в эксплуатацию», проводившаяся ASHRAE, еще не была завершена.)
Методы
Основной стратегией при проведении POCx было использование уже существующих коммунальных информационных систем для отслеживания, регистрации и анализа параметров работы механических систем комплекса с последующим использованием этой информации для улучшения работы комплекса в целом. Основными инструментами, использовавшимися для выполнения данной задачи, были BAS и программа создания и обработки электронных таблиц. Централизованная система мониторинга потребления электроэнергии также была бы полезной, но она окончательно вступила в действие лишь после завершения POCx.
Из более чем 4600 точек данных, к которым была подключена BAS, приблизительно 200 были признаны ключевыми – с их помощью определялись параметры работы основных механических систем комплекса. Для этих ключевых точек производился непрерывный сбор информации, и раз в 15 минут для них производился анализ тенденций. Эти данные автоматически сохранялись на терминале центрального оператора. Раз в неделю данные скачивались по сети производителю пусконаладочных работ для их последующего анализа. Основные контролируемые системы включали в себя бойлеры, чиллеры и связанное с ними вспомогательное оборудование, пять крупных приточных установок системы центрального кондиционирования и ряд других вспомогательных систем.
Авторы разработали несколько полуавтоматических программ для составления электронных таблиц на основании импортируемых из BAS данных результатов анализа тенденций, построения графиков на основе сочетаний этих данных и создания диагностических таблиц, суммирующих получаемые данные. В дальнейшем эти графики и таблицы анализировались вручную для проверки работы системы и для выявления областей, нуждающихся в улучшениях. На их основе велась постоянная запись рабочих характеристик системы и эффективности ее работы. Это позволило выделить важные события в работе системы, например, отказы подсистем и отдельных элементов оборудования, которые можно будет в дальнейшем использовать для создания эталонов, определяющих параметры работы системы.
Любые проблемы или неисправности оборудования регистрировались в специальной таблице на протяжении всего процесса сдачи комплекса в эксплуатацию. После выполнения действий по их устранению проводился мониторинг результатов этих действий. Проверки на месте помогали подтвердить устранение выявленных проблем перед началом анализа следующих пунктов в составленных таблицах.
Обсуждение
Проведенные в Исследовательском центре POCx позволили повысить эффективность работы его коммунальных систем, упростили их обслуживание, увеличили срок службы оборудования. Некоторые последствия очень трудно оценить количественно. И учитывая вышеприведенные факты, можно сделать ряд обоснованных оценок экономической эффективности проведенных работ. В некоторых случаях эти оценки могут быть достаточно точными. Однако немалую часть получаемых преимуществ невозможно напрямую оценить количественно.
Их можно описать качественно или же в контексте их потенциального влияния на расходы на эксплуатацию коммунальной системы. В Исследовательском центре Дэвида Скаггса предполагалось, что ежегодные коммунальные затраты, включая стоимость электроэнергии, природного газа и водоснабжения, составят 19,16 долл./м2. Эта цифра была построена на компьютерной модели строящегося комплекса с учетом коммунальных затрат за первые три месяца после начала эксплуатации. Проектный годовой бюджет центра на эксплуатацию и ремонт оборудования составляет 12,16 долл./м2. Средства на проведение крупного ремонта и замены оборудования оформляются в бюджете GSA отдельной строкой. И общие затраты, на которые могут повлиять проведенные POCx (исключая крупные операции по ремонту и замене оборудования), составляют 31,32 долл./м2 в год. Если ожидаемое уменьшение расходов составит от 5 до 10% (что является достаточно консервативной оценкой с учетом приводимых в литературе данных, и дополнительно подтверждается результатами количественно измеренного снижения расходов для рассматриваемого комплекса), предполагаемая экономия средств исчисляется от 1,40 до 2,90 долл./м2.
Пример преимуществ, которые невозможно выразить в количественной форме, – устранение слишком частого переключения режимов работы для дополнительного бойлера и дополнительного охладителя, описанное выше. Сложно точно описать количественно избыточный износ оборудования, связанные с ним дополнительные затраты на его обслуживание и неудобства, испытываемые находящимися в комплексе людьми, вызванные частым переключением режимов работы оборудования. Можно предположить, что данная проблема со временем была бы выявлена и исправлена при нормальной эксплуатации оборудования и его техническом обслуживании, но основное преимущество POCx – то, что эту проблему удалось выявить и исправить намного раньше.
Затраты на проведение POCx в Исследовательском центре Дэвида Скаггса за шесть месяцев составили приблизительно 1,08 долл./м2, т.е. приблизительно 12% от стоимости всех пусконаладочных работ, проведенных во время строительства. В эти затраты были включены только стоимость получения консультационных услуг от сторонних компаний перед началом намеченных работ, расходы на еженедельный анализ получаемых данных, посещения места проведения работ в случае необходимости и взаимодействие с техническим персоналом центра и производителями работ для устранения выявленных проблем. С учетом ожидаемой экономии, обсуждавшейся выше, можно считать, что эти работы окупят себя только за счет прямого снижения расходов менее чем за один год.
Результаты
Проведенный анализ выявил более двадцати серьезных проблем и возможностей по улучшению работы системы, около 50% были связаны с работой системы и ее управлением, 25% – с конструкцией системы, а еще 25% были вызваны неисправностями оборудования. Вот развернутый пример лишь одной проблемы, связанной с работой системы. Но аналогичная диагностика и анализ проводились и документировались и для всех остальных выявленных проблем.
Слишком частое переключение режимов работы дополнительного охладителя.
Как показано на рис. 1, из усредненного графика параметров работы охладителей (созданного на основе автоматически собираемых данных) видно, что дополнительный охладитель часто то включался, то выключался – иногда до 4 раз за час и до 20 раз в сутки. Слишком частое переключение режимов работы охладителя приводит к его быстрому износу, увеличивает энергозатраты, повышает стоимость обслуживания оборудования и может быстро привести к выходу охладителя из строя. На основе анализа полученных графиков выявлено, что дополнительный охладитель отключался, когда сила тока в обоих охладителях (CH2, CH3) падала ниже 50% от значения, соответствующего работе охладителей при максимальной нагрузке. Это значение настройки параметров работы соответствовало тому, которое было указано в проектной документации, созданной разработчиком системы управления. Вероятно, разработчик предполагал, что базовое значение будет откорректировано в процессе пусконаладочных работ, но этого сделано не было. Так как нагрузка в системе обычно чуть превышала мощность основного охладителя, то после отключения дополнительного охладителя температура воды (CHWST) повышалась, и дополнительный охладитель вновь включался. Проблема была решена просто: пороговое значение силы тока для отключения дополнительного охладителя было снижено с 50 до 45% от силы тока при максимальной нагрузке.
На рис. 2 показаны результаты, полученные благодаря этому изменению. Если нагрузка превышает мощность основного охладителя, то температура воды повышается, и включается дополнительный охладитель. Если сила тока в обоих охладителях падает до 45% от силы тока при максимальной нагрузке, то второй охладитель выключается и остается выключенным до тех пор, пока охлаждающая мощность основного охладителя опять не будет превышена. Как видно из рис. 2, 18 июня наблюдалось всего одно ненужное отключение дополнительного охладителя, причину которого невозможно установить без анализа дополнительной информации. То есть необходимо и дальше отслеживать режим работы охладителей (и, возможно, с более частым произведением замеров) для выявления возможных дополнительных проблем, требующих своего решения.
Проверка кода программы, управлявшей охладителями, также выявила несколько таймеров и других переменных, связанных с управлением охладителями, которые не могли напрямую контролироваться операторами BAS. В интересах управления работой коммунальных систем комплекса необходимо было разработать более простой и наглядный интерфейс для контроля и управления работой охладителя. Компания, создававшая BAS, в последующем переработала графический интерфейс управления работой системы охлаждения воды с центрального компьютера BAS, включив в него отображение всех переменных, необходимых для контроля работы охладительной системы, а также возможность управления этими переменными. Это значительно повысило возможности операторов контролировать работу центральной системы холодоснабжения.
Методы анализа, аналогичные вышеприведенному, были разработаны и для всех остальных основных механических систем.
Приведем еще два примера.
Частые отключения вентиляционных установок системы центрального кондиционирования из-за накопления статического давления. Приточные вентиляторы установок системы центрального кондиционирования воздуха часто отключались из5за низкого статического давления с подающей стороны осевых вентиляторов. Вентиляторы оставались невключенными, пока технический персонал не перезапускал вручную датчики системы. Это могло нарушить требуемый уровень комфорта в помещениях комплекса и вызвать дисбаланс в работе вентиляционной системы. После выявления причины отключения вентиляторов было найдено временное решение возникшей проблемы. Управление воздушными клапанами было переведено в режим экономайзера (100%-ное использование наружного воздуха) путем прямого изменения настроек на центральном компьютере BAS. Вполне логичное временное решение для весны и осени, оно привело к избыточному расходу энергии и повысило нагрузку на систему холодоснабжения в теплые дни. Но при отсутствии другого решения это могло бы привести и к невозможности обеспечить необходимое охлаждение воздуха в условиях летней жары.
Использование графиков, построенных с помощью BAS, и данных наблюдений позволило выявить причину возникшей проблемы. Она заключалась в алгоритме управления воздушными потоками, из5за которого при отключении режима экономайзера (основные клапаны подаваемого снаружи воздуха закрыты, вспомогательные клапаны открыты) клапаны рециркулируемого воздуха закрывались для поддержания минимального потока всасываемого снаружи воздуха через вспомогательный клапан. Предполагалось, что это приведет к закрытию входного отверстия приточного вентилятора для повышения отрицательного статического давления и увеличения минимального потока наружного воздуха. Однако требуемое отрицательное статическое давление было значительно ниже точки срабатывания датчиков системы безопасности, что приводило к отключению вентиляторов (минимальный размер входного отверстия клапана подаваемого наружного воздуха был относительно небольшим и, вероятно, слишком маленьким для правильной работы системы).
Алгоритм управления работой клапана был изменен – в него был включен минимальный временной интервал для основного клапана, подающего наружный воздух. Это устранило ненужные срабатывания датчиков системы безопасности, а также позволило выполнить требования по обеспечению уровня минимальной вентиляции при сокращении потребления электроэнергии вентилятором.
Слишком высокое статическое давление в воздуховодах. В начале эксплуатации комплекса угол, под которым располагались лопасти вентиляторов, нагнетающих воздух в систему центрального кондиционирования, регулировался так, чтобы статическое давление в воздуховодах поддерживалось в районе 1,5 дюймов водяного столба (373,2 Па). По нашему опыту – это та начальная точка, с которой начинается последующая регулировка давления.
Так как терминалы с регулируемым расходом воздуха (VAV) при статическом давлении номинально рассчитаны на работу в воздуховодах в 0,5 дюйма водяного столба (124,4 Па) и даже ниже, то был проведен эксперимент, цель которого – измерить, сколько энергии удастся сэкономить, уменьшив статическое давление в воздуховодах, и проверить, не будет ли при этом нарушен комфорт находящихся в комплексе людей. К моменту проведения этого эксперимента система контроля работы электросети еще не была введена в строй и на двух установках системы центрального кондиционирования были установлены переносные измерители мощности тока. В процессе эксперимента, продолжавшегося несколько недель, производилась регистрация потребления электроэнергии вентиляторами, статического давления в воздуховодах, наружной температуры и скорости ветра, но сначала для номинального статического давления в воздуховодах в 1,5 дюйма водного столба (373,2 Па), а затем – для номинального давления в 1,0 дюйм водяного столба (248,8 Па).
Результаты показали, что ожидаемая экономия от снижения потребления электроэнергии вентиляторами составит около 10% в год (т.е. 3600 долл.), но при этом не наблюдалось никаких нарушений в работе терминалов VAV-системы кондиционирования воздуха (например, с максимально возможным потоком воздуха при стандартных условиях работы терминалов) или нарушения комфортности пребывания людей в комплексе. По результатам этого эксперимента базовое статическое давление в воздуховодах было снижено до 1 дюйма водяного столба (248,8 Па) для всех пяти установок системы центрального кондиционирования воздуха (а в дальнейшем оно может быть понижено еще больше).
Другие результаты, полученные во время POCx, включали:
– обнаружение и исправление избыточного переключения режимов работы дополнительного бойлера, неточного контроля температуры (перегрева) охлажденной воды, неисправной системы контроля температуры воздуха в установках центральной системы кондиционирования, неправильные значения калибровочных параметров системы измерения воздушных потоков, плохо закрепленный клапан и неточные или неисправные сенсоры и приводные механизмы BAS;
– разработку рекомендаций по улучшению алгоритмов управления работой системы, в том числе накоплением статического давления, переключением режимов работы экономайзера, работой системы утилизации тепла и работой обходного клапана градирни.
После завершения POCx несколько организаций провели проверку использования энергии в соответствии с федеральными законами США. Перед началом проверки была введена в действие централизованная система контроля потребления энергии, обладающая достаточным разрешением для измерения реальных графиков нагрузки на электросеть, пикового потребления энергии и потребления электроэнергии различными основными категориями конечных пользователей. На рис. 3 показаны суммарные результаты трехдневного тестирования. Эти данные вместе с другими могут быть использованы для разработки эталонов, с которыми будут постоянно сравниваться параметры работы системы при различной погоде и различных условиях в целом при правильной настройке информационных систем и их введении в рутинную практику управления работой коммунальных систем комплекса.
Будущее коммунальных информационных систем
После шести месяцев POCx дальнейшее проведение этих работ было прекращено, так как не существовало никакого простого способа интегрировать их проведение в повседневную работу комплекса – на это в неделю требовалось несколько часов работы технического персонала. Технологические достижения, необходимые для более широкого использования подобных диагностических методик, включают в себя:
– системы для автоматического сбора и анализа данных, способные интегрировать в себе информацию от различных независимых контрольно5измерительных систем и затем подвергать ее дальнейшему анализу;
– возможность создания интерактивных графиков и отчетов, позволяющих быстро визуализировать ключевую информацию о работе коммунальных систем, например графиков пикового и ежедневного потребления энергии и т.д.;
– удобный в использовании интерфейс для проведения POCx, позволяющий техническому
персоналу легко создавать и использовать новые диагностические функции, графики и отчеты по мере изменения существующих коммунальных систем и в соответствии с изменениями в требованиях к информации, необходимой для управления этими системами.
Эти и другие возможности постепенно начинают предлагаться общественными, частными организациями, правительственными учреждениями, производителями традиционных систем автоматизации и новыми высокотехнологичными компаниями. Вопрос не в том, станут ли новые технологии более доступными и будут ли они использоваться более широко, а в том, насколько быстро это произойдет. Так как инвестиции проводятся на опытной основе, а значимость необходимой информации в сравнении с затратами на ее получение и анализ становятся все более и более очевидными, то новые технологии, экономически более выгодные, являются одним из основных двигателей развития этого рынка. По мере расширения принятия и использования коммунальных информационных систем затраты на их создание и эксплуатацию должны заметно снизиться. Со временем использование подобных систем для строительства зданий, принятия их в эксплуатацию и проведения в них пусконаладочных работ станут скорее правилом, чем исключением.
Даже в надлежащим образом построенных зданиях есть возможность по непрерывному улучшению работы коммунальных систем. Коммунальные информационные системы обещают в будущем способствовать экономичному обслуживанию, содействовать увеличению эффективности создаваемого комфорта при модернизации этих систем по мере их старения и при замене входящего в них оборудования.
