Прежде всего, хочется поговорить о сфере жилищно-коммунального комплекса, который хронически пребывает в глубоком кризисе. Несмотря на нехватку компетентного обслуживания жилищного фонда, в нашем городе продолжается активное строительство новых зданий, предназначенных для жилья и офисов. При чем в проектах изначально закладывается расход электрической энергии на единицу площади значительно более высокий, нежели нормы двадцатилетней давности. Это объясняется просто – множество электрических приборов (в том числе и нагревательных), усиленное освещение, электроплиты на кухнях, это, пожалуй, неотъемлемая часть любой современной квартиры.

На рисунке 1 приведен график, характеризующий проектные нормы расхода электроэнергии и динамику их изменений.

На диаграмме указаны мощности в киловаттах, потребление которых должна выдерживать электропроводка в квартирах. Грубо говоря, сегодня в однокомнатной квартире можно абсолютно безопасно подключить электроприборы суммарной мощностью 20 кВт. Это очень много, если учесть состояние наших коммунальных электросетей. Не стоит также забывать и о потерях энергии, которые неизбежно появляются при передаче таких мощностей. В среднем они составляют 4-7%, и если раньше, при малом потреблении, они были практически незаметны, то сегодня в атмосферу в виде тепла улетают мегаватты энергии.

Как с этим бороться? Первое, что приходит в голову – оптимизация расходов, уменьшение суммарной мощности, увеличение КПД и коэффициента нагрузки. Бытовая техника потребляет сравнительно мало, самые большие затраты – это производство тепла, особенно в период зимы. Электрообогреватели, которые в полном ассортименте представлены в любом магазине, имеют внушительные мощности и весьма эффективно греют, но и их действие можно оптимизировать и улучшить. Существует физический закон о соотношении КПД и затрачиваемой мощности, он справедлив везде и всегда, как для механики, так и для электротехники. Не вдаваясь в физические дебри, сущность его можно описать следующими словами: КПД имеет всего одну точку своего максимального значения, при определенной мощности. На графике ниже (Рисунок 2) показана общая кривая, характеризующая распределение коэффициента полезного действия. Где Q – мощность, max – зона максимальной эффективности.

То есть с определенного момента, не смотря на повышение мощности, КПД будет падать. Задача оптимизации – держать систему в зоне max.

Основная методика для электроприборов – измерение тока и контроль электромощности. На входе устройства устанавливается измеритель тока, связанный с микроконтроллером, в котором заложена кривая распределения КПД и подключен датчик температуры. Исходя из тепловых условий и мощности, контроллер ограничивает ток питания и автоматически выводит систему в зону оптимума. Конечно, глупо предлагать такую систему бытовому нагревателю, но при наличии централизованного электрообогрева такое решение позволит заметно экономить ресурсы.

Особенно хочется остановиться на централизованном отоплении. Очень часто при повышении температуры воздуха на улице батареи продолжают отдавать тоже количества тепла, что и в морозы. В результате, люди открывают окна и форточки в надежде спастись от жары в квартирах, и тепло снова выбрасывается в атмосферу. Если оптимизировать подобную систему, то можно избежать подобных казусов. На узловых точках раздачи тепла достаточно установить клапаны с электроприводами, управляемыми тем же контроллером, который измеряет температуру воздуха снаружи здания и внутри, и умеет заложенную в него программу оптимизации. Регулируя расход теплоносителя в батареях, можно добиться оптимальной температуры в помещениях (20-22?С) при любой погоде, одновременно экономя на тепле.

В новых домах часто устанавливают газовые бойлерные, которые греют холодную воду и пускают ее на нужды отопления и водоснабжения. В этом случае можно обойтись только регулированием расхода газа в нагревательной камере, что повлечет за собой изменение температуры теплоносителя.

Не стоит забывать и о проблемах аварийности - трубы лопаются, забиваются грязью, бойлер страдает от накипи, теплообменные радиаторы забиваются грязью и теряют площади теплообмена. При установке ряда датчиков и контрольных приборов можно проводить автоматическую диагностику систем с предотвращением серьезных аварий (периодичность может быть любой – каждый день, месяц, квартал, перед запуском, в процессе работы и т.д.). Например, измеряя давление и расход в трубах и рассчитывая средний коэффициент теплоотдачи, появляется возможность оценки пропускной способности теплотрасс. А если в систему включить специальные устройства (антинакипь, вибратор, насос повышенного давления), то можно проводить профилактику, плановую или при возникновении аварийной ситуации.

Теперь о технической стороне вопроса. В качестве микроконтроллеров стоит использовать новое поколение так называемых интеллектуальных реле. Они оснащены не только аналоговыми и дискретными входами/выходами, но и модулями GPRS-связи, т.е. могут посылать отчет о состоянии владельцу на сотовый телефон. Основное преимущество этих устройств – малая цена и унификация. Они способны работать практически с любыми видами датчиков и приводов, рассчитывать параметры по математической модели внутри, быстро и адекватно реагировать на изменение состояния системы. Еще один огромный плюс – отсутствие эффекта перерегулирования, т.е. срыва исполнительных механизмов в беспорядочные действия из-за отсутствия устойчивой в управляющих сигналах контроллера.

В комплексе с интеллектуальными реле возможно использования и микроконтроллеров серии AVR или PIC. Они относятся к микроэлектронике и несколько сложнее в эксплуатации, но абсолютно незаменимы для ускорения и оптимизации обработки аналоговых сигналов с датчиков.

Привода на клапаны и исполнительные механизмы с избытком присутствуют сегодня на рынке электротоваров. Они просты, надежны, экономичны и прекрасно согласуются с любым видом контроллера. Монтаж не займет много времени, т.к. они совместимы практически с любыми задвижками.

Кроме тепла в современных домах много ресурсов тратиться на освещение. Большие внутренние площади, короткий световой день (в зимнее время) вынуждают людей устанавливать множество светильников и сопутствующей им аппаратуры. Все это потребляет электроэнергию и часто выходит из строя. Для решения этой проблемы необходимо понять, а всегда ли нужно освещение полной мощности в наших домах? Основной пик приходится на вечернее время, когда люди приходят с работы и находятся дома, ночью же лампы горят просто так. В сумеречное время так же не обязательно мощное освещение, т.к. часть света еще присутствует на улице. На приведенном ниже графике (Рисунок 3) показаны области необходимой световой мощности.

Где кривая 1 – изменение естественного излучения за сутки, кривая 2 – необходимый уровень искусственного освещения

Как видно из рисунка, необходимо предусмотреть возможность регулирования мощности светильников для обеспечения и оптимального расхода и экономии. Сделать это можно несколькими способами: первый, и наиболее трудоемкий – установка специальных тиристорных устройств, регулирующих ток светильника, второй, более простой – регулярное изменение подключения ламп с параллельного на параллельно-последовательное.

Первый способ дорогой, но предоставляет более широкие возможности для управления светом. Меняя силу тока по любому закону можно добиться любой интенсивности свечения лампы накаливания от 0 до 100%.

Второй способ основан на установке контакторов в узловых точках системы освещения. Срабатывая, эти контакторы собирают любую схему: параллельную, последовательную, последовательно-параллельную. Это позволяет менять общее сопротивление цепи, а, следовательно, и ток проходящей по ней. Единственный минус этой системы – ступенчатый характер регулирования освещения, что компенсируется малыми затратами на обслуживание и монтаж.

При установке датчиков освещения и подключения их к контроллеру получится система, меняющая свое состояние в зависимости от времени дня. То есть искусственное освещение будет меняться следом за естественным. При необходимости можно подключить и датчики движения, для увеличения количества света при появлении человека. Если глубокой ночью в подъезде никого не бывает, то не стоит лампам гореть в полную силу все это время, достаточно будет 20-30% мощности, входящего ночью человека зарегистрирует датчик движения, и освещение включается на полную мощность. А после того, как датчик перестанет фиксировать движение, система снова вернется в экономичное состояние.

Достаточно сказать, что по предварительным расчетам подобный проект может сэкономить до 30% энергии и снизить затраты на ремонт до 40%. В свое время, в Москве владелец одной из небольших частных гостиниц пошел на эксперимент и установил у себя подобную систему. Его затраты на установку оборудования окупились за год, а далее пошла выгода благодаря экономии.

В заключении стоит добавить, что все описанное выше не представляет сверхсложной задачи для проектировщиков или монтажников. Цена оборудования также не очень высока и вполне сравнима со средним ремонтом системы, а надежность вне всякой критики. При выполнении всех требований и составлении грамотного проекта вполне реально добиться 25-30% экономии. При высоком энергопотреблении затраты на такую модернизацию окупятся намного раньше истечения гарантийного срока оборудования.