Необходимость учета адаптации ЖКХ к погодным условиям в режиме изменяющегося климата за последние десятилетия с целью повышения экономической эффективности их работы отображена на рисунке.
Технологии автоматизации зданий получили название «Умный дом» и предполагают использование датчиков и микроконтроллеров для управления освещением в комнатах, поливом растений, работой бытовой техники и систем безопасности. Управление устройствами осуществляется, как правило, с помощью мобильных приложений или веб-сервисов.
Использование беспроводных систем учета потребления электроэнергии, воды, газа и тепла в многоквартирных домах позволяет осуществлять достоверный мониторинг расходов энергоносителей эксплуатирующими компаниями и уменьшает затраты времени жильцами на оплату услуг, а использование банковских услуг типа «Автоплатеж» сводит подобные затраты времени к нулю.
Использование систем элеваторов при подключении многоквартирных домов к системе центрального отопления требует учета оперативных данных о температуре окружающего воздуха для регулировки забора горячей воды в контур отопления. Для решения подобной задачи подходят городские сети метеорологических датчиков, обновляющих показания с интервалом в несколько минут. Знания теории влияния метеорологических факторов на тепловой режим здания позволяют уменьшить расходы владельцев квартир и управляющих компаний.
Тепловой режим здания – распределение в пространстве и во времени температуры и потоков тепла в здании.
Основное значение термического режима здания определяется его влиянием на теплоощущения человека. Теплоощущения человека внутри здания определяются сложным комплексом характеристик метеорологического режима помещения: температурой и влажностью внутреннего воздуха, скоростью его движения в помещении, лучистыми потоками тепла внутри помещения. В действующих предписаниях учитывается лишь один фактор теплоощущения – температура внутреннего воздуха Тв. Эта температура определяется тепловым балансом помещений, т. е. законом сохранения энергии, примененным к тепловой энергии внутри здания. Уравнения теплового баланса содержит потоки тепла через наружное ограждение, обусловленные различными механизмами теплообмена, а также поступления (или потери) тепла вследствие теплового режима здания (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха), так и преследующей другие цели (бытовые и промышленные тепловыделения). В результате действия всех этих процессов устанавливается некоторое значение температуры внутреннего воздуха Тв. В зимнее время (точнее, в течение отопительного периода) Тв должно равняться некоторому заданному расчетному значению. В этом случае из уравнения теплового баланса может быть найдена мощность источника тепла (отопления), необходимая для поддержания этого значения Тв, и равная теплопотерям, которые имели бы место при отсутствии отопления.
Температура Тв может быть различной для разных частей здания. Например, в чердачных помещениях и лестничных клетках она может быть ниже, чем в жилых помещениях. Из-за наличия внутренних ограждений и малой теплопроводности воздуха теплообмен между различными помещениями обычно невелик, так что тепловой режим в различных помещениях может рассматриваться раздельно. При этом условии вводится осредненная по всей внутренности здания расчетная температура Тв. Такое среднее значение близко к расчетной температуре, принимаемой для жилых помещений (обычно 18ºС), и вообще, что различия Тв для разных помещений не играют существенной роли при учете влияния метеорологических факторов на тепловой режим здания в целом.
Так для расчета отопительных систем необходима информация о продолжительности отопительного периода, о средней температуре отопительного периода, максимальной суточной амплитуде, наиболее холодных днях и другая. Все эти величины влияют на энергопотребление. В настоящее время установлены такие нормы: комфортная температура внутри помещения должна составлять 18ºС. Средняя разность температур наружного воздуха и воздуха в неотапливаемом помещении составляет 3ºС. С учетом теплопотерь через стены и окна начало и конец отопительного сезона приходится на переход среднесуточной температуры воздуха через 8ºС в сторону понижения и в сторону повышения в течение 5 дней. Такие параметры заложены в строительные нормы и правила.
На основании этих параметров рассчитывается продолжительность отопительного сезона, что учитывается при расчете энергопотребления, для того чтобы не было «недотопа» и «перетопа». За продолжительность отопительного периода (ТОП) принимается число дней со средней суточной температурой воздуха ниже +8°С, то есть промежуток времени между средними датами начала и окончания отопительного периода. Средняя температура воздуха за указанный период и является средней температурой отопительного периода. Она представляет собой отношение суммы температур отопительного периода к его продолжительности.
Установлено, что в неотапливаемом помещении в среднем температура внутри помещения в результате случайного накопления тепла выше, чем снаружи. Для традиционных сооружений эта разница составляет примерно 3°С. Для более массивных или более легких зданий она колеблется от 8°С до 2ºС.
И теоретически здание начинает отапливаться с того момента, когда внешняя температура снижается на величину большую, чем принята разница между температурой внутри помещения и температурой наружного воздуха.
Например, условия внутри помещения принято считать комфортными при температуре в нем 18ºС. Таким образом, отопление здания можно начинать при температуре наружного воздуха ниже 15°С (при средней разнице 3°С). Внешняя температура, ниже внутренней на величину, предусмотренную в проекте, называется базовой tбаз. В приведенном примере это температура 15°С.
В качестве климатической характеристики удельного теплопотребления принят такой показатель, как сумма градусо-дней за отопительный сезон. Сумма градусо-дней определяется как сумма отклонений средней суточной температуры воздуха от «базовой». Рассчитывается она косвенным способом по графику годового хода температуры воздуха. Для этого по кривой годового хода снимается средняя многолетняя суточная температура tсут для каждого дня с температурой ниже 15ºС, вычисляется разница между ней и базовой tбаз и суммируется за весь период. Если в месяце все суточные температуры ниже базовой, то сумма градусо-дней определяется как произведение разницы средней месячной температура воздуха tср.м. и базовой tбаз на число дней в месяце.
В каждой стране «базовые значения» температуры могут быть разными, они назначаются в зависимости от характера климата и экономических возможностей данной страны. И, кроме того, они различаются в зависимости от назначения здания.
Изменения климата, которые происходят на Земле за последние десятилетия, сопровождаются повышением температуры, поэтому эти изменения должны учитываться при планировании устойчивого развития, функционировании различных технических и экологических систем. Особенно подвержена влиянию климатических изменений такая сфера деятельности, как строительная индустрия, теплоснабжение, транспорт, энергетика. Для решения ряда вопросов, связанных с проектированием и теплоснабжением используются средние климатические показатели отдельных метеорологических величин.
На современном этапе развития технологий и стремлении бизнеса и государства снизить издержки и повысить эффективность работы были предложены и внедрены несколько систем адаптивного освещения улиц, позволяющие достичь указанных целей.
Система адаптивного освещения улиц позволяет экономить на увеличении срока службы ламп и расходах на освещение за счет изменения яркости ламп в зависимости от фактической освещенности улиц и уменьшения яркости при отсутствии передвижения людей и транспорта. Использование данных об освещенности позволяет экономить управляющим компаниям на расходах на освещение.
Так способ и устройство энергосберегающего управления уличным освещением (патент RU 2526206) предназначено для автоматизированного освещения жилых, общественных и промышленных территорий, а также автотрасс и прочих объектов транспортной инфраструктуры. Оно состоит в автономном адаптивном диммировании уличных светильников в течение суток в зависимости от продолжительности светового дня, рассчитанной для каждых суток календарного года для данной географической зоны, а также интенсивности дорожного движения. Техническая задача направлена на повышение энергетической эффективности и безопасности управления уличным освещением. Способ обеспечивает функционирование системы освещения в энергосберегающем режиме (режим диммирования светильников), который подразделяется на базовый и оптимальный энергосберегающий режим. Базовому энергосберегающему режиму соответствует режим, при котором обеспечивается диммирование уличных светильников на заведомо допустимый интервал времени. Оптимальным энергосберегающим режимом является режим, при котором длительность энергосберегающего режима максимальна для текущей даты. В том случае, когда значения времени включения и выключения не определены ни для оптимального, ни для базового энергосберегающего режима, энергосберегающий режим на последующем цикле работы уличных светильников не включается. Устройство включает в себя источник света, блок питания, блок адаптивного диммирования, датчик интенсивности дорожного движения (опция) и позволяет осуществлять автономное адаптивное диммирование уличных светильников в течение суток. Технический результат состоит в сокращении затрат электрической энергии на нужды освещения и затрат на создание и эксплуатацию линий связи между светильниками и автоматизированными пунктами включения. Известны устройства, предназначенные для организации и управления уличным освещением в течение суток.
Из уровня техники известно устройство контроля и управления уличным освещением (заявка на патент RU 2010137089, МПК G05D 25/02, H05B 37/02, опубл. 20.03.12). Устройство включает в себя следующие блоки: источники света, устройства управления. Данные блоки размещены в сети из n контрольных пунктов, каждый из которых содержит устройство управления и группу линий освещения.
Известна система контроля и управления освещенностью (патент на полезную модель RU 112572, МПК H05B 37/02, опубликован 10.01.12). Управление освещенностью осуществляется путем создания на объектах освещения временных динамически изменяющихся по площади зон. Система включает в себя следующие элементы: блоки управления для освещения площади, средства для контроля и координации освещенности, связанные между собой и источниками света посредством беспроводной двухсторонней связи.
Известны технические решения, позволяющие осуществлять диммирование уличных светильников в течение суток с целью получения светового потока требуемой величины.
Известна автоматизированная система управления наружным освещением (АСУ НО) «Горсвет» , разработанная научно-производственным предприятием «Горизонт» (дата обращения 15.10.2012). АСУ НО «Горсвет» представляет собой многоуровневую систему, предназначенную для качественного управления наружным освещением. На верхнем уровне системы располагается центральный диспетчерский пункт. На среднем уровне системы располагаются шкафы управления освещением при линиях уличного освещения или в трансформаторных подстанциях. На нижнем уровне система содержит в себе пускорегулирующую аппаратуру «ЭПРАН», которая обеспечивает адресное управление каждым источником света: включение/выключение, понижение мощности на 30% от номинальной, диагностику состояния каждого источника света. Связь между верхним уровнем и объектами среднего и нижнего уровня может осуществляться по радиоканалу, сотовой связи, выделенной телефонной линии, волоконно-оптической линии связи, либо нескольким видам связи одновременно.
Известна автоматизированная система диспетчерского управления наружным освещением (АСУ НО) «ОМЬ-СВЕТ», разработанная НПО «Мир», г.Омск (дата обращения 15.10.2012). Система предназначена для централизованного автоматического и оперативно-диспетчерского управления режимами освещения улиц, объектов и территорий городов и населенных пунктов, расположенных в районах с умеренно-холодным климатом. АСУ НО «ОМЬ-СВЕТ» представляет собой многоуровневую систему, выстроенную по иерархическому принципу с необходимым составом оборудования на каждом уровне. АСУ НО «ОМЬ-СВЕТ» включает в себя источники света, блоки питания, устройство приема и передачи данных, территориально распределенные контролируемые пункты питающие с контроллерами и средствами связи. При наличии в системе электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА), устанавливаемых в светильники, включение освещения может быть осуществлено в номинальном режиме (уровень освещенности – 100%) или экономичном (уровень освещенности – 50%). Связь ЭПРА и территориально распределенных контролируемых пунктов обеспечивается по силовым питающим проводам линии наружного освещения.
Известно интеллектуальное устройство для организации освещения и способ (заявка на патент WO 2011/049478, МПК H05B 37/02, дата международной публикации 28.04.11). Решение заключается в диммировании и изменении спектра светильника по предварительно заданному закону таким образом, чтобы дополнить характеристики естественного освещения до спектра и уровня освещения, характерные для данной географической зоны. Логические компоненты устройств управления нескольких источников света объединены в информационную сеть. Передача управляющего сигнала источнику излучения осуществляется с использованием проводов питающей сети. Кроме того, для приема и/или передачи управляющего сигнала интеллектуальное устройство дополнительно содержит устройство радиообмена.
Известно устройство автономного конструктивного модуля для автоматического управления освещением (патент RU 2399171, МПК H05B 37/02, опубл. 10.09.10). Данное устройство предназначено для автоматического управления освещением, содержащее датчик звука и микропроцессор, обеспечивающий диммирование светильников в двух режимах: минимальной и максимальной светоотдачи. Диммирование светильника осуществляется дискретно в два уровня по сигналу от датчика звука в функции от длительности пребывания человека в данном месте.
Разработка EHIDMidNight израильской фирмы ELTAM EIN-HASHOFET (дата обращения 15.10.2012). Система EHIDMidNight включает в себя источники света, ЭПРА с возможностью диммирования. Система оснащена алгоритмом, который позволяет автономно осуществлять настройку сценария диммирования в соответствии с реальной продолжительностью ночи. Система использует точку включения и точку выключения освещения в целях определения времени средней точки. Выбор режимов диммирования и их продолжительность осуществляется относительно средней точки, которая принимается фиксированной в течение календарного года. При этом в данной разработке освещение организовано на базе газоразрядных источников света.
Практическое применение данных систем позволяет получить значительный экономический эффект и повысить уровень комфортности освещения.
В городах одним из самых актуальных остается вопрос своевременной эффективной уборки улиц, в том числе дорожного полотна и пешеходных зон.
В последнее время в соответствии с адресными программами в работу коммунальных служб городов внедряют современные технологии, позволяющие снизить затраты на данные виды работ и повысить скорость реагирования на неблагоприятные погодные условия, такие как сильные снегопады, ливневые осадки и др.
Так, например, в Санкт-Петербурге с 2015 года вся зимняя уборочная техника оборудована блоками ГЛОНАСС и GPS и подключена к городской системе мониторинга. На карте, опубликованной на сайте Комитета по благоустройству, можно в режиме реального времени отслеживать перемещение пескоразбрасывателей, зимних пылесосов, снегоуборщиков, фронтальных погрузчиков и других машин, занятых на уборке дорог и тротуаров. Информация на карте обновляется каждые 2 минуты. В системе мониторинга отражается как техника, осуществляющая уборку, так и ожидающая выезда в колоннах.
Работа по комплексной уборке улиц организована круглосуточно, при этом количество уборочной техники планируется отдельно на дневной и ночной период в зависимости от погодных условий, интенсивности движения и целого ряда других факторов. При плюсовых температурах и отсутствии снега машины в штатном режиме чистят улицы от мусора, смета (мелкого песка, пыли и т.д.), опавшей листвы.
Если синоптики прогнозируют заморозки, машины с запасом противогололедных средств выходят на дежурство по 117 адресам и проводят превентивную обработку наиболее опасных участков улично-дорожной сети: мостов, путепроводов, спусков, подъемов, предотвращая образование гололеда. Устранение скользкости – первая задача дорожных служб и при снегопадах. В течение 20 минут после начала снегопада техника начинает обработку противогололедными материалами (ПГМ) дорог группы А, к которым относятся ключевые городские магистрали (Невский, Московский, Лиговский проспекты, мосты, набережные и т.д.). Затем обрабатываются дороги группы Б – напряженные трассы, по которым ходит общественный транспорт, а вслед за ними – тупики, боковые проезды, улицы с малоинтенсивным движением (группа В).
Согласно требованиям ГОСТа, ликвидировать скользкость на дорожной сети необходимо в течение 4-6 часов. Противогололедные средства предотвращают образование наката и скользкости на дороге – соль разрушает лед, превращая его в кашицу, которую следующая колонна техники сметает к лотку (полуметровая зона проезжей части у бордюрного камня). После этого дороги вновь обрабатывают противогололедными материалами, что позволяет предотвратить образование наледи, если выпадение снега продолжается.
Когда снежный вал на обочине достигает высоты в 30-50 см, на улицы выходит вспомогательная техника, которая расчищает карманы для заезда общественного транспорта, перекрестки, пешеходные переходы, парковки и т.д.
Следующая стадия работ – вывоз снега и финишная очистка улиц. На завершение работ после прекращения снегопада ГОСТом также отводится 4-6 часов. В случае затяжных снегопадов обработка противогололедными материалами проводится через каждые 4 см свежевыпавшего снега – цикл «посыпка-подметание» может повторяться много раз.
Порядок операций корректируется в зависимости от погодных условий. Так, если снег идет при плюсовой температуре, снежную кашу не отметают к лоткам, чтобы не подвергать пешеходов опасности быть облитыми с головы до ног проезжающим транспортом: при интенсивном движении снег быстро тает под колесами. В этих случаях дорожники также стараются рационально использовать ПГМ, чтобы без оснований не увеличивать солевую нагрузку. Также в Санкт-Петербурге дорожные предприятия оснащены транкинговой связью. Если система автоматического мониторинга создана для удобства жителей и контроля за качеством уборки улиц со стороны Комитета по благоустройству, то новый вид связи, работающий в диапазоне УКВ, помогает в первую очередь самим дорожникам.
Новое оборудование позволяет начальнику автоколонны, мастерам и водителям находится на прямой связи – это дает возможность оперативно следить за обстановкой и в случае необходимости перенаправлять технику на самые проблемные участки. Руководство предприятий получает полную картину работ и может корректировать действия подчиненных в процессе уборки. Транкинговая связь имеет массу других преимуществ для дорожников: в переговорах могут участвовать сразу несколько человек, есть возможность довести важную информацию сразу до всех работников на линии, водителям не приходится отвлекаться, чтобы ответить на звонок – они всегда в эфире. Радиус действия системы полностью покрывает фронт проведения работ в городе, оборудование подключается к бортовой системе питания, поэтому не требует подзарядки в течение смены.
Вопросы эффективного управления системами водоотведения в городах стоят сейчас особенно остро. Существует необходимость не только в техническом обновлении, но и применении новых подходов к решению задач водоотведения в городах, основанных на современном технологическом и информационном обеспечении, а также непосредственном учете гидрометеорологических факторов в работе систем канализации города.
Первопроходцем в этой сфере можно назвать ГУП «Водоканал Санкт-Петербург», осуществляющий внедрение автоматизированной информационной системы (АИС) «Осадки». 34 осадкомера, установленные в рамках создания АИС "Осадки", обеспечивают необходимое покрытие города и ближайших пригородов для измерения количества выпавших атмосферных осадков. Более объективная и точная информация об объемах поверхностного стока позволяет разработать и спроектировать систему отведения поверхностного стока и сооружений для их очистки с максимальной точностью и минимальными затратами. Использование АИС «Осадки» обеспечивает оперативную передачу данных, позволяет рассчитать и формировать отчеты по объемам поверхностного стока и водному балансу для территорий города и ближайших пригородов с учетом пространственной неоднородности выпадения атмосферных осадков. Кроме того, благодаря этой системе стало возможным формирование сверхкраткосрочного прогноза (до 12 часов с уточнением каждые 3 часа). Прогнозные данные по количеству атмосферных осадков необходимы для планирования специальной техники, в том числе снегоуборочной.
Непрерывное измерение количества атмосферных осадков (жидких, твердых, смешанных) и получение оперативных метеорологических данных (в том числе количество и интенсивность выпадения атмосферных осадков) каждые 5 минут дает возможность оперативно реагировать на аварийные ситуации на сетях водоотведения в определенной координате (административном районе, бассейне водоотведения). В том числе позволяет снизить затраты на устранение аварийных инцидентов в части выведения необходимого числа рабочих и техники.
В энергетическом балансе страны все большее значение придается теплоэнергетике. Развитие коммунального и промышленного строительства требует ввода в эксплуатацию все более мощных теплоэлектростанций (ТЭЦ), вырабатывающих как тепловую, так и электрическую энергию. Такие энергоносители, как пар и вода, заняли одно из ведущих мест в теплообеспечении городского хозяйства.
Централизованное теплоснабжение дает примерно 80% тепла, потребляемого промышленными предприятиями, жилыми и общественными зданиями. Остальная доля приходится на районные котельные. Установлена географическая локализация экономичности ТЭЦ, что обусловлено выбором расчетной нагрузки. Так, для европейской части страны она составляет 400 Гкал/ч, для Урала – 600 Гкал/ч, для Сибири – 900 Гкал/ч. В крупных городах все тепловые источники осуществляют подачу теплоносителя на общую тепловую сеть. Примерно 50% вырабатываемого тепла приходится на жилищно-коммунальный сектор, остальная часть поглощается в сфере материального производства.
Производство тепловой энергии связано с большим расходом энергоресурсов. Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов – одно из главных условий успешного хозяйственного переустройства и развития экономики городов и страны в целом.
Особое место здесь занимает оптимальное использование информации о погоде и климате в целях снижения расхода топлива и энергии. ТЭЦ совместно с теплосетью образуют самостоятельную локальную энергосистему, осуществляющую теплоснабжение. Отпуск тепла регулируется в зависимости от ожидаемой температуры наружного воздуха и скорости ветра на предстоящие сутки. На основании прогноза температуры воздуха и ветра задается режим работы ТЭЦ – ее тепловая нагрузка.
Энергетика представляет собой топливно-энергетический комплекс (ТЭК). Он включает в себя получение, передачу, преобразование и использование различных видов энергии. Энергетика объединяет такие системы, как электрическую, тепловую, нефте- и газоснабжение, а также угольную и атомную.
Все многообразие работ проходит на открытом воздухе и требует специального метеорологического обеспечения. Это касается как проектирования новых объектов (ЛЭП, ТЭЦ, ГЭС, АЭС), а также угольных разрезов, шахт, нефтяных скважин и т.д., их строительство и работы. На стадии проектирования и строительства используются многолетние климатические материалы. Например, при проектировании ГЭС необходимо знание многолетних данных об уровне воды, запасе воды, колебаниях уровня, температуре воды и воздуха.
Режим потребления электроэнергии зависит от температуры воздуха и естественной освещенности по конкретному региону. Изменение средней суточной температуры только на 1°С приводит к изменению регенерирующей мощности.
Степень освещенности в том или ином городе как известно определяется облачностью и суммарной радиацией. Например, на ЕТР днем в декабре при изменении облачности от небольшой до сплошной или наоборот, уменьшается (увеличивается) потребление энергии на 5%, что эквивалентно 1 млн. киловатт. В связи с этим своевременный прогноз продолжительной ясной погоды позволяет уменьшить и нагрузку, и выработку электроэнергии.
Особое внимание уделяется оперативному метеобеспечению высоковольтной сети данного региона. В холодный период акцентируется внимание на прогноз гололедных и ветровых нагрузок, в летний период – гроз, что позволяет организацию мер защиты и снижение потерь.
Для планирования потребления электроэнергии необходим прогноз среднесуточной температуры и облачности. Графики работы энергосистем составляются на год, месяц, декаду и каждый день. Таким образом, необходима как фактическая, так и прогностическая климатическая информация.
К опасным явлениям (ОЯ) для энергетики относятся:
Средства проводной связи широко применяются во всех отраслях городского хозяйства страны. По воздушным линиям связи осуществляется телефонная, телеграфная, фототелеграфная связь, передача вещательных программ, а также телесигнализация, телеуправление и т.д.
Бесперебойная работа связи, сохранность проводных линий в значительной степени зависит от условий погоды.
Чтобы уменьшить или исключить влияние метеоявлений на работу линий связи проводится переход от воздушных линий на подземные.
Что является опасным для линий связи? Это прежде всего изморозь и гололед. При отложении на проводах изморози или гололеда до 25 мм или их смеси до 5 мм происходит затухание токов высокой частоты, а если нарастание продолжается, то связь полностью прекращается. При образовании этих явлений очень сильно увеличивается нагрузка на провода и опоры, особенно если эти образования сопровождаются сильным ветром. Очень часто наблюдаются обрывы проводов и массовая поломка опор.
При ассиметричном отложении гололеда на проводах возникают такие опасные явления, как вибрация и "пляска" проводов. Вибрация и пляска проводов представляют собой собственные, близкие к вертикальным, движения провода вследствие ветра и различных по весу отложений. Вибрация представляет собой колебания со сравнительно большой частотой (до 100 периодов в секунду) и возникает при слабом ветре до 5 м/с. Причем с диной волны до 10 м. Пляска, в отличии от вибрации характеризуется низкой частотой до 4 периодов в секунду, с длинными волнами более 10 м и возникает при ветре 15 м/с и более. При этом могут наблюдаться обрывы проводов, схлестывание, поломка арматуры.
Также к опасным явлениям для линий связи относится сильный ветер (20 м/с и более). При сильном ветре происходит схлестывание проводов и вследствие этого замыкание. На провода попадают посторонние предметы. Так что заблаговременное предупреждение об усилении ветра дают возможность подготовить и выслать бригады и для профилактических работ, и для устранения аварий.
Еще одно явление – это грозы. Грозовые разряды вызывают перенапряжения на линиях связи, что может привести к выходу из строя трансформаторов, генераторов и т.д. Для защиты от разрядов существуют разрядники на линиях связи и после каждой грозы необходимо их проверять.