Increasing the efficiency of water supply and sewerage engineering systems at public facilities
Increasing the efficiency of water supply and sewerage engineering systems at public facilities
Abstract
The article examines the application of intelligent technologies and adaptive control for optimisation of water supply and wastewater disposal systems at mass public facilities. The relevance of the study is due to the growing requirements for energy efficiency, environmental safety and continuity of infrastructure operation in conditions of increased load, typical for stadiums, shopping malls, airports and medical centres. Automation methods are discussed, including the use of SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), BMS (Building Management Systems) and IoT (Internet of Things), which provide real-time parameter monitoring, load forecasting and automated decision-making. Special attention is paid to the introduction of variable frequency drives (VFDs) and adaptive pumping stations that allow dynamic adjustment of equipment performance depending on current demand, which minimises energy consumption and wear and tear of mechanisms.
1. Введение
Современные объекты массового пребывания людей (стадионы, вокзалы, аэропорты, торговые центры, бизнес-центры, больницы) предъявляют высокие требования к надежности и эффективности систем водоснабжения и водоотведения (ВК) , . Эти объекты подвергаются значительным колебаниям нагрузки в зависимости от времени суток, дня недели, сезона и других факторов. Колебания давления, гидравлические удары, перегрузки насосного оборудования и возможные аварийные ситуации требуют внедрения современных методов управления и мониторинга инженерных сетей , . Задача исследования заключается в изучении методов повышения эффективности работы систем водоснабжения и водоотведения на таких объектах с использованием интеллектуальных технологий, адаптивного управления и методов прогнозирования нагрузки.
2. Автоматизация управления водоснабжением в зданиях с переменной нагрузкой
Автоматизация процессов управления водоснабжением является важнейшим аспектом обеспечения стабильной работы инженерных систем ВК . Суточные и сезонные колебания потребления воды, неравномерное распределение давления и высокие энергозатраты при использовании традиционных методов управления насосами создают сложности в эксплуатации , . Внедрение современных систем управления, таких как SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), BMS (Building Management System) и IoT (Internet of Things), позволяет в режиме реального времени следить за состоянием систем водоснабжения и водоотведения , . Использование датчиков для контроля давления, температуры и расхода воды, а также применение частотно-регулируемых приводов для насосных установок, обеспечивает плавное регулирование подачи воды в зависимости от потребностей здания . Это не только снижает нагрузку на оборудование, но и предотвращает аварийные ситуации . Современные системы управления могут интегрировать прогнозные модели с применением машинного обучения, которые анализируют данные о предыдущем потреблении воды и готовят систему к возможным пикам нагрузки . Например, в крупных торговых центрах применяются алгоритмы, предсказывающие потребление воды с учетом количества посетителей и внешних погодных условий .
Рисунок 1 - График мониторинг снижения потребления воды с помощью технологии IoT
Рисунок 2 - График мониторинг параметров с помощью системы SCADA
Рисунок 3 - График мониторинг водопотребления объекта с помощью системы BMS
3. Адаптивные насосные станции в условиях переменной нагрузки
Использование адаптивных насосных станций позволяет избежать избыточного потребления энергии, износа оборудования и предотвращать аварийные ситуации, связанные с гидравлическими ударами . Современные насосные станции оснащаются частотно-регулируемыми приводами, которые обеспечивают плавную подачу воды в зависимости от текущего потребления .
Кроме того, интеллектуальные системы управления, встроенные в насосные станции, анализируют нагрузку и адаптируют работу насосов в режиме реального времени . В торговых центрах внедрены многонасосные системы с динамическим регулированием подачи воды, в аэропортах – двухконтурные насосные системы, а в гостиницах и больницах применяются буферные емкости для оптимизации нагрузки на основные водопроводные сети . Эти решения значительно уменьшают риск гидроударов, продлевают срок службы насосного оборудования и снижают эксплуатационные затраты .
Рисунок 4 - Буферная емкость
4. Влияние сезонных и суточных колебаний нагрузки на эксплуатацию систем ВК
Сезонные и суточные колебания нагрузки – это один из самых важных факторов, влияющих на эксплуатацию систем ВК . В дневное время и в часы пик наблюдается рост водопотребления, в то время как ночью система может работать на минимальной мощности .
Зимой увеличивается потребление горячей воды, что требует дополнительной настройки работы тепловых узлов. Летом, наоборот, возрастает расход воды на системы охлаждения и кондиционирования (см. табл. 1).
Для эффективного управления этими изменениями используют следующие методы:
1. Буферные емкости для сглаживания пиков водопотребления .
2. Оптимизация тарифов, стимулирующая потребителей использовать воду в периоды низкой загрузки .
3. Интеллектуальные системы управления, анализирующие данные посещаемости и прогнозирующие будущие изменения нагрузки .
4. Применение методов критического пути и анализа тенденций, использованных в строительном управлении, также может быть полезно для моделирования нагрузок , .
Таблица 1 - Влияние сезонных и суточных колебаний нагрузки на эксплуатацию систем ВК
Фактор | Характеристика | Влияние на систему ВК | Методы управления |
Суточные колебания | Пиковые нагрузки в дневное время, минимальная нагрузка ночью. | Увеличение износа оборудования, риск аварий, перегрузка насосов и очистных сооружений. | 1. Использование буферных емкостей для сглаживания пиков. 2. Оптимизация тарифов. |
Сезонные колебания (зима) | Увеличение потребления горячей воды, рост нагрузки на тепловые узлы. | Повышенная нагрузка на системы нагрева воды, риск перегрузки оборудования. | 1. Настройка тепловых узлов. 2. Внедрение интеллектуальных систем управления. |
Сезонные колебания (лето) | Увеличение расхода воды на системы охлаждения и кондиционирования. | Рост нагрузки на системы водоснабжения, увеличение объема сточных вод. | 1. Использование систем рециркуляции воды. 2. Внедрение IoT для мониторинга и управления. |
Пиковые нагрузки | Кратковременное увеличение нагрузки (например, во время мероприятий). | Риск перегрузки системы, снижение качества воды, возможные сбои в работе. | 1. Резервирование мощностей. 2. Прогнозирование нагрузки с использованием SCADA и BMS. |
Низкая нагрузка (ночь) | Минимальное водопотребление в ночное время. | Неэффективное использование оборудования, риск застоя воды в трубах. | 1. Оптимизация режимов работы насосов. 2. Использование накопительных резервуаров. |
5. Практическое применение интеллектуальных систем ВК
Примеры применения временных систем подкачки воды на стадионах, автоматического регулирования насосов в торговых центрах и перераспределения нагрузки в гостиницах демонстрируют эффективность в обеспечении стабильности работы инженерных систем ВК, независимо от времени года . В крупных комплексах, таких как спортивные арены, где происходят резкие колебания водопотребления перед и после мероприятий, используются многоуровневые системы водоснабжения с программируемыми параметрами работы.
5.1. Потенциальные проблемы при внедрении интеллектуальных технологий
Несмотря на очевидные преимущества интеллектуальных систем управления водоснабжением, их внедрение сопряжено с рядом потенциальных проблем. Одной из ключевых сложностей являются высокие первоначальные затраты на закупку и установку оборудования, а также на интеграцию новых технологий в существующую инфраструктуру. Кроме того, успешное функционирование таких систем требует квалифицированного персонала, что обусловливает необходимость дополнительного обучения и повышения квалификации сотрудников. Еще одной проблемой может стать сложность технического обслуживания и зависимость от поставщиков программного обеспечения, что в отдельных случаях приводит к увеличению эксплуатационных расходов. Важно учитывать эти факторы при планировании модернизации инженерных систем, чтобы обеспечить баланс между инвестициями и ожидаемыми выгодами.
5.2. Пример внедрения интеллектуальных систем ВК на СКА-Арене
СКА Арена – один из крупнейших ледовых стадионов, активно применяющий инновационные технологии в области водоснабжения и водоотведения. В рамках повышения эффективности инженерных систем было внедрено несколько решений:
1. Адаптивные насосные станции (см. рис. 5) с частотно-регулируемыми приводами для регулировки подачи воды в зависимости от количества посетителей и текущего водопотребления.
Рисунок 5 - Адаптивная насосная станция.
3. Буферные накопительные резервуары для сглаживания пиковых нагрузок до и после массовых мероприятий.
4. Система рециркуляции воды (см. рис. 6), что позволяет значительно снизить потребление ресурсов за счет повторного использования технической воды.
Рисунок 6 - Система рециркуляции воды.
6. Заключение
Внедрение современных инженерных систем водоснабжения и водоотведения на объектах массового пребывания людей является важным шагом в обеспечении их бесперебойной и эффективной работы. Использование передовых технологий, таких как интеллектуальные системы управления (SCADA, BMS, IoT), позволяет не только повысить надежность и производительность систем, но и значительно снизить эксплуатационные затраты. Эти технологии обеспечивают точный мониторинг и контроль параметров работы систем, что помогает своевременно выявлять и устранять потенциальные проблемы, минимизируя риск аварийных ситуаций.
Таким образом, переход на современные инженерные системы водоснабжения и водоотведения не только повышает надежность и эффективность работы объектов массового пребывания людей, но и способствует снижению эксплуатационных затрат и улучшению экологической безопасности. Это делает их неотъемлемой частью инфраструктуры современных общественных объектов, обеспечивая комфорт и безопасность для посетителей и сотрудников.