Куприяновский В.П., Esri CIS (vk@esri-cis.ru), Волков С.А., Ангстрем (sergey.volkov@gmail.com), Лукичёв А.Ю., РКСС (lukichev@gollard.ru), Долбнев А.В., Huawei (adolbnev@huawei.com), Тищенко П.А., DАТА+ (tpa@dataplus.ru), Хрусталёва Н.М., Esri CIS (nkhrustaleva@esri-cis.ru)
Smart Grid: GIS- and FM Capabilities for the «Green Standards» Implementation
В последние два десятилетия во всем мире отмечается повышенный интерес и рост спроса на экологичное жильё, офисные здания и промышленные объекты. Соответственно должны появляться экологические нормативы, которые формулируют условия создания и эксплуатации таких построек.
Для определения необходимых критериев в разных странах в разное время были приняты так называемые «Зелёные стандарты»:
- в 1990 г. обнародован стандарт «зелёных зданий» BREEAM (Великобритания);
- в 1998 г. обнародован стандарт LEED (USGBC, Совет США по «зелёным зданиям»);
- в 2003 г. введён в действие стандарт «GOBAS» (Китай) – система оценки олимпийских объектов;
- в 2004 г. разработана система оценки Green Star на основе BREEAM и LEED (Австралия);
- в 2004 г. разработан национальный стандарт «зелёных зданий» «CASBEE» (Всеобъемлющая система оценки эффективной застройки окружающей среды, Япония);
- в 2008 г. Советом по устойчивому строительству (DGNB, Германия) разработана система сертификации GSBC.
Методы сертификации зданий позволяют быстро и наглядно дать оценку эко-эффективности объекта. Стандарты используются в основном для:
- сокращения расходов при строительстве и эксплуатации объекта;
- измерения и улучшения эффективности работы здания;
- повышения квалификации сотрудников;
- разработки планов и мониторинга реализации проектов строительства.
В США для сертификации на требования “зелёных стандартов” применяются аналитические продукты от компании Esri.
Сегодня в создании «Зелёных стандартов» принимают участие национальные правительства, строительные организации и компании, специализирующиеся на энергоэффективных технологиях, выпуске строительных материалов, производстве комплектующих и монтаже теплосетей, электрооборудования и водоснабжения. «Зелёные стандарты» служат для оценки экологической эффективности зданий, они применимы к новым и к существующим постройкам, актуальны для самых разных типов зданий: офисных, жилых, промышленных, торговых и общественных.
«Зелёные стандарты» оценивают здания по таким критериям, как экономное потребление ресурсов всех видов, решение проблемы грунтовых вод, экологичность, благоустройство окружающего пространства, использование инновационных разработок. Объекты, сертифицированные по таким стандартам, обеспечивают минимальное загрязнение окружающей среды, высокий уровень экологической безопасности, эксплуатация таких построек, как правило, обеспечивается профессиональным экологическим менеджментом.
Рынок США для систем обеспечения эффективности использования энергии в здании составляет порядка 1 трлн. долл. и по прогнозам утроится к 2030 г. Начиная с 2007 г., прирост объема рынка в этой области составил более 270 млн. долларов с учетом порядка 18% от всех инвестиций в интеллектуальные сети Smart Grid.
В настоящий момент и в России появляется все больше застройщиков, которые с целью повышения капитализации своих объектов планируют их сертификацию по одному из международных зеленых стандартов. Летом 2009 г. в Министерстве природных ресурсов и экологии России была создана рабочая группа по разработке критериев добровольной экологической сертификации с учётом международного опыта применения «зелёных» стандартов. В результате, в феврале 2010 Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии была зарегистрирована Система добровольной сертификации объектов недвижимости – «Зелёные стандарты».
Правовые экономические и организационные основы для внедрения в России передовых технологий энергосбережения и энергоэффективности создаёт Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
Уже имеется опыт реализации подобных проектов в наших условиях, например, первое здание в России, сертифицированное по стандарту LEED. Владелец этого завода по производству железнодорожных подшипников в Тверской области – концерн SKF (Швеция). К основным достижениям данного проекта относятся:
- на 35% снижена потребность в электричестве, естественное освещение обеспечено для 90% всех площадей в светлое время суток
- на 2 600 куб.м снижено потребления воды в год
- общее количество переработанных материалов – 12,4%.
В мае 2010 г. запущен т.н. корпоративный зеленый стандарт ГК “Олимпстрой”. Все олимпийские здания должны соответствовать данному стандарту, в котором приведены рекомендации по повышению энергоэффективности и использованию возобновляемых или альтернативных источников энергии, в их числе:
- основное топливо для обеспечения энергией олимпийских объектов и г. Сочи – природный газ;
- часть энергии должна производиться с помощью гидроэнергетики;
- применение когенерации на ТЭС (тепло, получаемое во время производства электроэнергии, применяется для отопления, вместо того чтобы выбрасываться в атмосферу).
В результате внедрения этих мер уровень выбросов от объектов энергетики Сочи будет снижен на 30%. В настоящее время предусмотрено, что ключевые объекты олимпийского строительства в Сочи будут сертифицированы по стандарту BREEAM.
Ведущую роль при внедрении энергоэффективных технологий играют геоинформационные системы (ГИС) и системы “Facility Management” (управления заданными бизнес-свойствами активов) на базе ГИС.
ГИС является уникальным хранилищем разнородной информации и позволяет создавать детальные 3D-модели объектов и местности (многослойные, с привязанными текстовыми характеристиками, мультимедиа-документами и др.), получать точные геометрические параметры данных моделей, в наглядной форме отразить состояние, поведение и взаимосвязь объектов недвижимости. И, безусловно, выполнять пространственные запросы, оптимально определять расположение объектов инфраструктуры, парковок, входов-выходов, въездов, систем безопасности, инженерных и коммуникационных систем и т.д., выявлять существующие критические отклонения от требований (в т.ч. и в автоматическом режиме), прогнозировать развитие ситуации в случае возникновения ЧС.
Однако, фундаментальным вопросом в теме “ГИС здания – зелёные стандарты” является возможность использования модели данных здания. Она имеет разные варианты, например, предлагаемый Esri и доступный на сайте компании или вариант Esri-PenBay Solutions.
Фактически, работа по энергосбережению строится на основе модели энергопотерь и модели здания. Модель энергопотерь приводится к конкретному зданию (или проекту здания), его размещению в окружающей среде, решениям по стенам, окнам, крышам, системам отопления и т.п. Эти же элементы здания составляют модель BISDM, которая тоже конкретизируется на определённое сооружение. В результате появляется возможность рассчитать варианты решения математически, достигая 40-50% экономии на этапе эксплуатации.
Пример такого решения предлагается одним из лидеров рынка – компанией PenBay Solutions (бизнес партнёром Esri). Программный продукт InVision SustainSM сочетает в себе возможности пространственного анализа, а также модели и инструменты для определения, оценки, исполнения и обоснования инвестиционных программ, стратегий снижения рисков, интеграционной и финансово-хозяйственной деятельности. Данное решение работает в удобной для пользователя безопасной web-среде и позволяет организациям существенно повысить энергоэффективность, сократить эксплуатационные расходы и оптимизировать рабочие процессы управляющих компаний.
FacilityManagement – согласно определения Британского стандарта BS 8536:2010 – это процесс междисциплинарного взаимодействия во время эксплуатации объекта или во время жизненного цикла объекта, который продолжается несколько десятилетий, для непрерывного предоставления услуг, которые обеспечивают (поддерживают) основной бизнес объекта, и процесс непрерывного повышения эффективности предоставления этих услуг. Facility Management можно определить и как управление инфраструктурой объекта или активов организации.
Приведем некоторые задачи, решаемые системами на базе ГИС-технологий в рамках реализации требований “зелёных стандартов”:
- Мониторинг состояния окружающей среды, потенциально опасных объектов и явлений. Оценка состояния окружающей среды, экологии, антропогенного и техногенного воздействия. Контроль оборота отходов производства и потребления;
- Выявление источников загрязнения;
- Определение степени влияния объектов промышленности на окружающую среду;
- Оценка допустимости изменений и нагрузок на среду в целом;
- Определение пространственно-временной динамики загрязнений;
- Планирование размещения очистных сооружений;
- Мониторинг чрезвычайных ситуаций;
- Мониторинг состояния плотин, прогнозная оценка последствий прорывов и затоплений;
- Расчёт путей эвакуации населения при ЧС;
- Лесопатологический анализ/оценка.
Рассмотрим конкретные примеры возможности применения ГИС- и FM-технологий для учёта требований «зелёных стандартов».
Несомненно, без ГИС невозможна интегральная оценка экологической ситуации на выбранной местности и её прогноз. Результаты экологического мониторинга наносятся в виде тематических слоёв на электронную карту и представляются в удобном для анализа виде (условные знаки, цветокодирование, графики, привязанные к местности диаграммы и т.д.). ПО компании Esri предоставляет удобные и эффективные инструменты для проведения такого рода анализов (рис. 1, 2).
Рис. 1. Интегральная оценка состояния окружающей среды (с описанием расчетной модели) с помощью ПО Esri.
Рис. 2. Типы биотопов на территории особо охраняемых природных территорий (ООПТ).
Рис. 3. Нарушение теплоизоляции панелей здания (вверху), прорыв подземной теплотрассы (внизу) на основе ИК-съёмок.
Кроме того, для оценки энергоэффективности объектов широко применяются материалы ИК-съёмок, что позволяет точно локализовать места с наибольшими энергопотерями (рис. 3).
Одна из функций геоинформационных систем – расчёт направлений и зон стоков от свалок на основе цифровой модели местности (ЦМР), что позволяет вовремя предпринимать необходимые меры по защите окружающей среды в расчётных местах (рис. 4).
С помощью ГИС можно проводить мониторинг воздушной среды, водных объектов, почвенного покрова, лесопатологический мониторинг (рис. 5), а также планировать места установки очистных сооружений для селитебных водосборных площадей.
Рис. 4. Гидрологическое моделирование стоков средствами ГИС.
Рис. 5. Лесопатологический мониторинг, обнаруженные очаги вредителей.
Рис. 6. Контроль выбросов в атмосферу.
Особое внимание следует обратить на возможность ГИС рассчитывать пути эвакуации населения в случае возможного возникновения ЧС и информирование людей. Пути эвакуации определяются заранее с учётом рельефа местности и возможных направлений распространения вредных веществ (рис. 6), могут корректироваться с учётом дорожной ситуации, расположения укрытий, госпиталей и т.д. Население получает доступ к информации с помощью вэб-технологий, в т.ч. с использованием мобильных устройств.
Отметим, что особое значение в настоящее время приобретает внедрение энергосберегающих технологий для объектов недвижимости. Согласно исследованиям Национальной лаборатория возобновляемых источников энергии (DOE, США), можно достичь экономии чистой энергии 50% для офисных зданий. Создание моделей энергопотребления и совместное их использование с 3D-моделями объектов и местности и FM-технологиями на базе ГИС позволяет существенно снизить капитальные расходы и амортизационные издержки при эксплуатации зданий, минимизировать срок окупаемости объектов недвижимости, более гибко управлять арендными ставками.
Применение инструментов геопространственного анализа в рамках реализации требований “зелёных стандартов” даёт преимущества уже при выборе и оценке места размещения нового объекта с учётом множества факторов, например:
- обеспеченность территории общественным транспортом;
- наличие транспортных магистралей, инженерных коммуникаций;
- наличие открытых пространств;
- расстояние до водных объектов;
- расстояние до полигонов ТБО;
- площади зелёных насаждений;
- ресурсы подземных вод;
- возможность для расширения и перепланировки объекта;
- и т.д.
Важным моментом является способность геоинформационных систем собирать разнородные данные из различных источников: датчиков, сенсоров, других информационных систем, обрабатывать и представлять их в удобном для принятия решений виде: карты, 2D и 3D-модели и др. (рис. 7).
Рис. 7. Отображение состояния систем здания в реальном времени.
Применение технологий для управления энергосбережением
Согласно 3-му Энергетическому пакету, недавно принятому Европарламентом, к 2020 году необходимо установить интеллектуальные счетчики у 80% европейских потребителей электроэнергии. Кроме того, по мнению аналитиков Berg Insight, база установленных интеллектуальных счетчиков в Европе в период с 2009 по 2015 год будет расти в среднем на 17,9% в год и достигнет 111,4 миллиона.
Рассмотрим несколько стандартов, относящихся к «зеленым».
ZigBee Smart Energy. ZigBee Alliance – глобальная экосистема компаний, создающих беспроводные решения для управления энергией в бытовой, коммерческой и потребительской электронике. ZigBee предлагает международные «зеленые» беспроводные стандарты, позволяющие широкому ряду устройств интеллектуально взаимодействовать и помогать вам контролировать свой мир.
Рис. 8. Платформа ZigBee Smart Energy.
Стандарт для домашних сетей ZigBee Smart Energy обеспечивает беспроводное взаимодействие между поставщиками электроэнергии, коммунальными предприятиями и бытовыми приборами, такими как интеллектуальные термостаты и другие устройства (рис. 8). Он повышает эффективность использования электроэнергии, позволяя потребителям выбрать совместимую энергосберегающую продукцию от различных производителей и объединить ее в сеть. Это позволяет точнее регулировать энергопотребление за счет автоматизации и получения информации, поступающей в режиме, близком к реальному времени. Кроме того, стандарт помогает электроэнергетическим компаниям и коммунальным предприятиям внедрить новые, более совершенные счетчики и программы реагирования на потребление для улучшения регулирования и повышения эффективности потребления электроэнергии, а также помогает им реагировать на изменения требований правительства.
Платформа ZigBee Smart Energy поддерживает следующие функции:
- контроль основных показателей энергопотребления (измерения, хранение предыдущих показателей и т.д.);
- управление спросом (DR) и управление нагрузкой на сеть;
- ценообразование (различные единицы и валюты, а также ценовые сегменты и т.д.);
- текстовые сообщения;
- поддержка устройств для программируемых термостатов (PCT), контроллеров нагрузки, систем регулирования энергопотребления и т.д.;
- система безопасности, предоставляющая доступ только потребителю, только коммунальной компании или только совместно используемым сетям;
- поддержка измерения воды и газа
Тем не менее, ZigBee – это только один из вариантов создания “умных домов” в соответствии с “зелёными стандартами”.
Подход второй (после США) энергетики мира – Китая – чётко сформулирован в 2010 г. Постоянно развивающиеся технологии “умной” бытовой техники, «умных» домов, интеллектуальных зданий, интеллектуальных городов, интеллектуального транспорта, электромобилей и др. неотделимы от технологии Smart Grid как основы для этого процесса. Использование интеллектуальных технологий в электроэнергетике будет всё больше возрастать как по областям (производство, передачи и распределения), так и для общей эффективности электроэнергетики через продвижение идеи рационального потребления. Вместе с тем, широкополосные каналы связи становятся доступны людям через реализацию электроэнергетических проектов.
Такой подход органично объединяет электрические и телекоммуникационные сети, радиосети и Интернет, создавая единую открытую платформу для различного рода общественных сервисов, позволяет избежать дублирования использования инвестиций, социальных ресурсов и обеспечивает более рациональное использование и охрану природных ресурсов.
В Китае это воплощается в конкретику следующим образом:
- электрическая коммуникационная сеть делится на две части: основная сеть и сеть доступа;
- основная сеть использует электрические сети от 35 кВ и выше, сеть доступа использует сети от 0.4 до 10 кВ;
- общая протяжённость волоконно-оптических линий связи основной сети достигла 7,2 млн. км к концу 2010 г.;
- волоконно-оптическая связь и технологии PLC (Power line communication) – это две технологии, на которых строится сеть доступа.
На практике отрабатываются и комбинированные технологии – оптика и электрический кабель в одной оболочке, где оптический кабель скомбинирован с низковольтным кабелем. Реально, при подсоединении к “умному дому”, кабель выглядит так, как показано на рис. 9. На этой основе строится комбинированная интеллектуальная архитектура энергетических и телекоммуникационных сетей, сетевые модели и сервисы в жилой инфраструктуре.
Рис. 9. Структура кабеля OPLC.
Умное потребление энергии представляет собой взаимодействие потребителя и поставщика. Используя интерактивный канал между ними, а также интерактивные терминалы, потребитель может запрашивать различную информацию о работе сети (загрузка сети, тарифы). В зависимости от полученной информации он может гибко менять режим потребления, например, сдвигать энергоёмкие операции по дому на время с более дешёвым тарифом. Общая иллюстрация того, что достигается с вводом управления “интеллектуальным домом”, приведена на рис. 10.
Рис. 10. Интерактивный сервис интеллектуального потребления энергии.
При этом взаимодействие поставщика и потребителя энергии осуществляется для традиционной бытовой техники, но потребитель может менять режим её работы. Передающаяся по электросетям или через беспроводное соединение информация о характеристиках потребления, таких как сила тока, напряжение, частота и качество электроэнергии, является управляющей для осуществления операций включения/выключения или изменения режимов работы бытовых приборов.
Оконечное оборудование в “интеллектуальном доме” в виде “умных” розеток и “умных” бытовых приборов реально выглядит так же, как и обычное, но имеет встроенную интеллектуальную часть, которая уже может подключаться, например через ZigBee. Ведущие производители “умных” розеток и “умных” бытовых приборов наращивают их производство: это GE, Siemens, LE, Samsung и др.
Сегодня в России начата активная тендерная практика по энергосбережению зданий. Обычные требования – это снижение энергопотребления на 3% в год из расчёта 5 лет. Таким образом, достигается порядка 15% экономии. Приведённая выше мировая практика позволяет достигать 40-50% энергосбережения сооружений. Понятно, что российским компаниям есть куда стремиться, имея в нашей практике столь впечатляющие экономические и бизнес перспективы.
