Особенности энергообеспечения системы «Умный дом»

УДК 621.313

ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ «УМНЫЙ ДОМ»

В.Ю. Карницкий, С.В. Ершов, А.Ю. Рюмов

Статья посвящена вопросам энергообеспечения системы, получившей в последнее время широкое распространение, такое как «умный дом» Приводится понятие системы «умный дом» выполнен анализ нагрузок, формируемых потребителями «умного дома» рассмотрено оборудование для реализации системы управления энергообеспечение «умного дома» приводится анализ возможных схемных решений для энергообеспечения «умного дома».

Ключевые слова: энергообеспечение, система «умный дом» потребители электроэнергии, энергосбережение.

В последнее время наблюдается устойчивая тенденция увеличения сложность оборудования, которое устанавливается в многокомнатной квартире, и тем более в частном загородном доме. Применяемое электрооборудование имеет значительную мощность, что приводит к росту уровня энергопотребления. Если для квартиры в многоэтажном доме сложно добиться полной автономии энергоснабжения, то загородный коттедж вполне может иметь полностью замкнутую и автономную систему энергообеспечения. Такая система, как правило, содержит множество составных компонентов и достаточно сложна. И, зачастую, становится очень сложно контролировать визуально функционирование таких систем жизнеобеспечения, как: уровень топлива в котле, наличие протечек в системе отопления, работа вентиляции. При такой сложности системы и ее многозадачности, очень легко упустить из виду недостатки работы какого-либо из участков системы энергообеспечения, который напрямую влияет на степень автономности и безопасности дома. Поэтому для повышения надежности работы энергообеспечения дома требуется система, которая может взять управление параметрами на себя.

Такая система автоматизированного контроля и управления параметрами жизнеобеспечения жилых помещений получила название «Умный дом».

Поэтому, в свою очередь и система мониторинга и управления параметрами энергообеспечения дома так же должна представлять собой структуру, построенную на базе высокотехнологичного оборудования. Основное предназначение системы контроля и управления энергообеспечением «Умного дома» - это автоматизация операций по управлению различными инженерными системами в доме.

Отсюда вытекает основное требование к системе энергообеспечения «умного дома»: обеспечение комфорта, безопасности, ресурсосбережения и выполнения рутинных операций по управлению параметрами энергетического и электромеханического оборудования жилого дома.

134

При этом режимы работы остальных элементов (таких как работа приборов охранной сигнализации, система видеоконтроля, передачи информации по каналам связи и т.д.), так или иначе, зависят от работы системы энергообеспечения.

Таким образом, для надежного функционирования должен быть реализован комплексный подход в работе системы управления домом.

При таком подходе в систему «Умный дом» должны быть интегрированы такие элементы как:

- система управления и связи;

- система отопления, вентиляции и кондиционирования;

- система освещения;

- система электропитания здания;

- система безопасности и мониторинга.

Контроль над работой всех систем может быть осуществлен дистанционно - при помощи мобильного телефона, планшета или через Интернет (рис.1).

Мониторинг на платформах ИОС и Андройд

Интеллектуальная система автоматизированного контроля и управления энергообеспечением

« ST J

Параметры микроклимата

Рис. 1. Управление параметрами энергетического и электротехнического оборудования при помощи устройств

на базе IOS или Android

Дистанционно система управления энергопотреблением «умного дома» может выполнять такие функции как:

- управление интенсивностью освещенности любого помещения;

- управление электротехническим оборудованием микроклимата в помещении;

- управление таймерами закрытия форточки через определённый промежуток времени, чтобы не замёрзнуть под утро;

- управление входным коммутационным оборудованием;

- управление параметрами охраны и видеонаблюдения.

135

То же самое можно сделать посредством специального пульта управления - кнопочного или сенсорного.

Можно сказать, что система управления параметрами энергообеспечения «Умного дома» должна базироваться на трёх основных принципах:

- обеспечение комфорта;

- обеспечение безопасности;

- обеспечение энергоэффективности.

В основе работы системы контроля и управления параметрами энергопотребления «Умного дома» лежит интеллектуальная программа, причём её работа адаптируется под конкретные условия и пожелания владельца. Для наглядности вся информация о её работе может выводиться на сенсорный дисплей, расположенный, например, на стене. Надежная и корректная работа системы управления энергообеспечения напрямую зависит от интуитивно понятного интерфейса, точности в наименовании команд и поясняющих изображений.

Также для надежного функционирования системы энергообеспечения необходимо правильно определить энергетические нагрузки. Поэтому выполним анализ основных потребителей энергии в «умном доме».

Прежде все это конечно система освещения. Поскольку «умный дом» подразумевает использование современных технологий, поэтому речь об обычных лампах накаливания, как правило, не идет. Здесь применяется светодиодное либо энергосберегающее люминесцентное освещение. Расход электрической на освещение 1 м площади дома при использовании светодиодного освещения составляет 3...4 Вт. При общей площади жилых помещений дома 200...300 м соответствующая установленная мощность будет составлять 0,6...1,2 кВт.

Следующий вид нагрузки - это нагрузка от бытовых приборов. Учитывая что «Умный дом» предназначается для обеспечения максимального комфорта его жильцов, общее количество единиц бытовой техники в нем значительно больше, чем в обычном доме. Перечислять всю бытовую технику в рамках данной статьи не имеет смысла - она многочисленна, начиная от электрических плит мощностью 3...7 кВт, посудомоечных машин с подогревом до установок аудио и видео от 0,08 до 1,5 кВт или электрокаминов 1,5...2 кВт.

В ванной комнате основная нагрузка - это, как правило, джакузи с гидромассажем и подогревом и душевая кабина с подогревом. Соответственно - 2,5...3,5 кВт каждая.

В современном доме обычно стиральную машину устанавливают не в ванной комнате, а отдельно в прачечной или в подвальном помещении. Установленная мощность стиральной машины от 1,5 до 3,5 кВт.

136

Далее значительная часть нагрузки - это инженерное электромеханическое оборудование. Электрическую нагрузку системы водоснабжения составляют погружные или центробежные насосы мощностью от 0,5 до 4,5 кВт. Нагрев воды, как правило, в целях экономии стараются делать от газового котла. Но если с газификацией участка возникают сложности, то приходится применять электрические водонагреватели от 2 кВт - аккумуляционные, и 10 кВт - проточные.

В системе отопления, вентиляции и кондиционирования можно выделить набирающие популярность теплые полы от 50 Вт на м . Циркуляционные насосы - 0,5 кВт, тепловентиляторы - 0,3... 1,5 кВт, кондиционеры

'у

- 0,1 кВт на м , электрокалориферы - 0,2...1 кВт.

Среди других инженерно-технических сооружений можно выделить: систему водоотведения и канализации - 0,5...1,5 кВт, систему открытия гаражных ворот и рольставни- 0,08...1 кВт, система полива газонов -не более 0,1 кВт.

Кроме этого какую-то часть электроэнергии требуется предусмотреть на охранную систему и систему видеонаблюдения - не более 200 Вт., система пожаротушения примерно тоже 200...300 Вт и питание самой системы управления энергообеспечением 250...400 Вт.

Определим, какими же средствами достигается надежная и экономичная работа системы энергообеспечения умного дома?

В отличии от квартиры в многоквартирном доме, электрическое питания частного коттеджа значительно сильнее зависит от наличия электроэнергии. Перерыв в электроснабжении частного дома приведет к нарушению работы практически всех систем — освещения, отопления, вентиляции, горячей воды и часто вообще водоснабжения, если применяется скважинное водоснабжение. Поэтому для обеспечения надежного энергообеспечения «умного дома» необходимо предусмотреть резервное энергоснабжение. Одно из наиболее простых технических решений — это использование автономного генератора. При этом необходимо решить следующие технические задачи: правильное подключение генератора, чтобы при возобновлении подачи энергии ничего не вышло из строя, выбор его рациональной мощности, чтобы не допустить его перегрузки и выбор способа пуска генератора.

С учетом приведенных выше мощностей потребителей «умного дома», а это 15...20 кВт, рациональным является установка дизель-генератора, мощностью от 10 кВт, с автоматическим запуском и со схемами согласования с электросетью. При этом необходимо выполнить расчет экономической эффективности такого решения, особенно если есть возможность подключения питания от другой линии. Для монтажа электростанции такой мощности требуется привлечение специалистов.

В данной ситуации возникает следующий вопрос о времени запуска резервного питания. Либо сразу при отключении электричества, через полчаса, а так же применить ручной или автоматический запуск? Надо учесть,

137

что ручной запуск в темное время суток не особенно удобен. Мгновенный запуск зачастую тоже не обоснован, особенно в ночное время или при кратковременном перерыве питания (3...15 мин).

Наиболее рациональным с нашей точки зрения является применение в системе энергообеспечения «умного дома» источника бесперебойного питания (ИБП).

От источника ИБП целесообразно запитать систему освещения дома, систему охранной и пожарной безопасности систему управления и систему оповещения. Также необходимо предусмотреть питание от ИБП системы управления газовым котлом.

Это позволит всегда иметь освещение на протяжении нескольких часов, в зависимости от аккумулятора, времени суток, количества и типа включенных ламп. При отсутствии хозяев система оповестит GSM сообщением. Также в зимнее время котел не отключится и батареи «не разморозятся».

Можно порекомендовать устройство дополнительной разводки под розетки с резервным питанием. Это позволит обеспечить резервным питанием самые необходимые потребители генератором минимальной мощности. При этом не будет необходимости в отключении остальных потребителей от розеток, во избежание перегрузки генератора. Наиболее целесообразно применить для резервного питания розетки другого цвета (либо сделать отметки на обычных розетках, например, красным цветом), чтобы их можно было легко идентифицировать.

В схеме электрического питания необходимо применить устройство автоматически подключающей генератор к сети, в случае ее отсутствия и отключающей генератор от сети при возобновлении подачи электроэнергии.

При использовании системы ИБП запуск резервного генератора лучше всего предусмотреть автоматически по таймеру. Таймер устанавливается в зависимости от пожеланий владельца. Мы рекомендуем устанавливать таймер запуска генератора через 20...45 мин после прекращения подачи основного питания.

При организации электрического питания «умного дома» все потребители необходимо разделить на группы (в промышленном электроснабжении категории). Каждая группа формируется от предпочтений владельца дома.

Примерное распределение по группам может выглядеть следующим образом (рис 2).

Нельзя не согласиться, что наибольший дискомфорт при отключении питания доставляет отсутствие освещения. Без освещения сложно обойтись, и потребляет оно относительно немного. Можно для снижения нагрузки на резервные источники питания предусмотреть только необходимое освещение. Поэтому обычное, либо аварийное освещение резервируем в первую очередь, с помощью ИБП. Выбор типа ИБП выбирается от мощности потребителей.

Стабилизирование >гий рижмн •!

* Сву^а. зл^к-по^шин котел

Гпи ли и р овншп ие э лог три п н г л-пие;

мае« системы ердеснееущеииа

* Х.0 Л'1'ЦЦ ЛЬ 411К. г О И^И иНОМЯ р У

Автоматические порота

Пслнвячные насосы

Эммние сады, аквариумы

Бесперебойное электропитание

Окренчо-иожарчаа ец-иапшецип » Систонп п1дд<?0Н05л10деми и

* Гел&в|лэор, домашний мнетевтр

МуЗЬ Н .ЧЛЫЧЫН Ц5НТР

Д-.Тлишмии компьютер ' Аварийное освещение

Бвсг4р«6ойио11 электропитание:

Гаэои*!* кщтел, циркуляционное насосы системы отопления

ГМОЯН* ИОТ+Л И иНИРКПВцш.ьННИ* 1»С«Ь"

»»«ичиг"-рта»™-444

Рис. 2. Распределение потребителей электрической энергии

«умного дома» по группам

С учетом рис. 2 и мощностей, указанных в начале статьи мощность ИБП составит около 6 кВт. Стоимость будет составлять около $1400. Подключается он в щитке, в разрыв линии освещения. Время работы от аккумулятора должно составлять не менее 30 минут, чтобы покрыть кратковременные отключения и дать время запустить генератор, в случае необходимости. Звуковую сигнализацию можно не применять, чтобы не доставлять беспокойство жильцам в ночное время.

Следующий вопрос — выбор мощности генератора. С учетом рассчитанной нагрузки, а также коэффициентов спроса и использования генератор должен быть мощностью не менее 10 кВт. Стоимость такого генератора составит модель, стоимостью около $5000. Этого хватит, чтобы обеспечить питанием насосы котла и скважины, освещение, холодильник и компьютер. Питание всего от аккумуляторов, по аналогии с освещением, крайне невыгодно. Во первых — нужна большая выходная мощность инвертора, во вторых — большая емкость аккумуляторов и высокая цена их замены, в третьих — инвертор должен выдавать правильную синусоиду, так как к ее форме чувствительны некоторые двигатели и модулируемые горелки котла. Генератор же выдает чистую синусоиду, автономен не менее 15 часов на одной заправке. Также, он чаще всего комплектуется стартером и собственным аккумулятором, что позволяет при желании реализовать автозапуск.

В заключении необходимо отметить, что в статье приводятся усредненные значения стоимости и мощности электрооборудования для «умного дома» площадью около 250...300 м . В последнее время стали появляться дома и площадью 5000...6000 м с отдельными постройками для

139

обслуживающего персонала и гостей. Конечно же, в этом случае суммарная мощность электрооборудования будет значительно выше, и технические решения будут отличаться от рассмотренных в статье. Но принципы построения системы управления энергопотреблением «умного дома» будут аналогичны.

Список литературы

1. Р.К. Элсенпитер, Т.Дж. Велт Умный Дом строим сами. М.: Ку-диц- образ, 2005. 384 с.

2. Гололобов В.Н. Умный дом своими руками. М.: НТ-Пресс, 2007.

416 с.

3. Вернер Харке. Умный дом. Объединение в сеть бытовой техники и систем коммуникаций в жилищном строительстве. М.: Техносфера РИЦ ЗАО, 2006. 287 с.

Карницкий Валерий Юльевич, канд. техн. наук, доц., kafelenearamhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ершов Сергей Викторович, канд. техн. наук, доц., erschov.serrgamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Рюмов Антон Юрьевич, магистр, kafelenearamhler.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет

PECULIARITIES OF ENERGY SECURITY OF THE «SMARTHOUSE» SYSTEM V. Y. Karnitsky, S. V. Ershov, A. Y. Ryumov

The article is devoted to the issues of energy supply of the system, which has recently become widely used, such as the "smart house ". The notion of the smart house system is being introduced, the loads formed hy the consumers of the "smart house" are analyzed, the equipment for the implementation of the power supply management system of the "smart house" is considered, an analysis of possible circuit solutions for power supply of the "smart house " is provided.

Key words: energy supply, smart house system, electricity consumers, energy saving.

Karnitsky Valery Yulievich, candidate of technical science, docent, kafe-lenearamhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical science, docent, erschov. serrgamail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ryumov Anton Yurievich, magister, kafelene aram hler. ru, Russia, Tula, Tula State University