СПОСОБ И ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА ИНДИВИДУАЛЬНОГО УЧЕТА И РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ В ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОМ ХОЗЯЙСТВЕ
METHOD AND INTEGRATED SYSTEM OF INDIVIDUAL ACCOUNT AND CONTROL OF ENERGY RESOURCES CONSUMPTION IN MUNICIPAL HOUSING ECONOMY

Группа изобретений относится к средствам учета потребления коммунальных услуг жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), в частности к системам формирования, контроля измерительной информации по первичным параметрам, определяющим потребление квартиросъемщиками коммунальных услуг (горячая и холодная вода, тепловая и электроэнергия, газ), и передачи ее для обработки с целью получения значений (величин) фактически израсходованных потребителями энергоресурсов по переданной информации и контроля исправности элементов системы при эксплуатации и обслуживании жилых зданий и проведения расчетов за коммунальные услуги, и могут использоваться в жилищно-коммунальном хозяйстве для любых типов зданий и систем теплоснабжения.
Известен способ локального контроля и учета теплопотребления, описанный в одноименном патенте РФ №2105958 по кл. G01K 17/00, 17/08, з. 21.12.1995, 27.02.1998.
Известный способ заключается в том, что проводят термометрические измерения в отдельных группах теплоиспользующих установок на их входе и выходе с помощью термопреобразователей с различными уровнями подаваемых сигналов (на один градус разности температур), которые создают пропорциональными относительным номинальным тепловым мощностям соответствующих теплоиспользующих установок, обеспечивая пропорциональность суммарного уровня сигнала общему потреблению тепловой энергии.
Недостатком известного способа является не очень высокая точность измерений, обусловленная тем, что при измерении не учитываются и не разделяются расходы энергоносителей на отопление мест общего пользования - коридора в подъезде, на нормативное отопление и отопление жилых помещений.
Известен способ определения расхода тепла локальными потребителями, входящими в объединенную систему потребителей тепла, описанный в одноименном патенте РФ №2138029 по кл. G01K 17/08, з. 09.06.1998, оп. 20.09.1999 г.
Известный способ заключается в том, что определяют расход тепла объединенной системой потребителей тепла за конкретное время теплоотдачи теплоисточником, измеряют разность температур на поверхности теплоисточника локального потребителя тепла и охлаждающей среды локального потребителя тепла, определяют средний коэффициент теплоотдачи по объединенной системе потребителей тепла по формуле:
i
i
α=Q/t×∑S×ΔT,
где α - средний коэффициент теплоотдачи по объединенной системе потребителей тепла;
Q - расход тепла объединенной системой потребителей за конкретное время теплоотдачи теплоисточником;
i
S - площадь поверхности теплоисточника локального потребителя тепла;
i
ΔT - разность температур на поверхности теплоисточника локального потребителя тепла и охлаждающей среды локального потребителя тепла;
t - время теплоотдачи теплоисточником;
i=1-n, где n - количество локальных потребителей тепла,
затем определяют расход тепла локальным потребителем тепла за то же конкретное время теплоотдачи теплоисточником по формуле:
i
i
i
Q=α×S×ΔT×t,
i
где Q - расход тепла локальным потребителем за конкретное время теплоотдачи теплоисточником.
Недостатком известного способа является невысокая точность определения расхода энергоносителей, обусловленная тем, что измерение производится по среднему коэффициенту теплоотдачи, учитывающему разность температур на отопительном приборе и на уровне пола без учета площади квартиры, и, кроме того, потребитель не видит, сколько тепла израсходовано на обогрев его квартиры, а сколько на обогрев мест общего пользования. Видя только суммарную величину потребления, потребитель слабо заинтересован в экономии тепла.
Известна система сетевого диспетчерского контроля, описанная в статье "От диспетчеризации лифтов - к информатизации предприятий" в журнале "Жилищно-коммунальное хозяйство", 2001, №6, стр.16-20.
Известная система включает комплексы телемеханики, устанавливаемые в каждом из ЖЭКов, и интегрирующую их систему сетевого диспетчерского контроля, включающую оборудование объекта: устройства охранной сигнализации и диагностики лифтов, датчики давления, расхода, температуры для контроля системы тепло- и водоснабжения, исполнительные устройства, а также центральный пульт в виде радиостанции на диспетчерском пункте, связанную с объектами диспетчеризации проводной или радиосвязью через соответствующие модемы.
Недостатком известной системы является то, что она имеет ограниченные эксплуатационные возможности в плане экономии энергоресурсов, так как в основном предназначена для контроля и диагностики лифтов и достаточно дорога, так как использует телекомплексы. К сожалению, в статье система описана очень кратко.
Известны способ и устройство контроля жилищно-коммунальной информации, описанные в п. РФ №2141626 «Устройство контроля жилищно-коммунальной информации» по кл. G01F 1/00, А62С 2/00, G08B 17/00, з. 14.07.14, оп.20.11.1999 г.
Известный способ заключается в том, что в каждой квартире жилых домов устанавливают счетчики или датчики сигналов по каждому расходуемому энергоносителю: газу, теплу, горячей и питьевой воде, электроэнергии, снимают их показания и производят обработку информации по фактически израсходованным потребителями энергоносителям: газа по его массе, тепла с учетом основных особенностей отопительной системы квартиры, горячей воды по ее энергосодержанию, электроэнергии с учетом изменения временного тарифа, питьевой воды с коррекцией температурной погрешности, вычисляя расход каждого из энергоносителей.
Недостатком известного способа является то, что он не является достаточно точным, поскольку не учитывает долю нормативного потребления энергоресурсов в квартирах, не оборудованных средствами учета, общедомовые потери тепла с учетом «участия» каждой квартиры в общедомовых потерях и не разделяет совокупное потребление на индивидуальную и обще домовую части.
Реализующее данный способ устройство содержит домовые контроллеры с запоминающими устройствами, содержащими адреса домов, модемы, электронную вычислительную машину центральной диспетчерской с таймером для запоминания событий во времени и принтером для обеспечения отчетно-правового делопроизводства и распечатки счетов-квитанций, подлежащих оплате квартиросъемщиками, ПЭВМ со звуковой и световой сигнализацией, расположенные в дежурных охранных частях, датчики параметров работы лифтов с пультами вызова помощи, кабельные, почтовые, телефонные и/или радиоканалы связи, а также установленные в квартирах жилых домов унифицированные датчики электрических сигналов по температуре, давлению и объемному расходу газа, датчики электрических сигналов по температуре и объемному расходу воды, расположенные в характерных точках отопительных систем квартир, систем питьевой и горячей воды, микроконтроллеры, выполненные с возможностью запоминания номеров квартир и определения массового расхода газа и расхода питьевой воды, энергосодержания горячей воды и тепла с учетом температурной погрешности и запоминания этих величин на время отсутствия сетевого электропитания, снабженные автономными источниками электропитания, блоки электронных преобразователей с сетевыми источниками электропитания, пульты вызова охранной помощи, и также содержит блоки квартирных счетчиков фактически израсходованного газа по его массе, тепловой и электрической энергии, питьевой воды и энергосодержания горячей воды, выполненные в виде электромеханических счетчиков электрических импульсов, соответствующих заданным «единичным» размерам израсходованного энергоносителя с возможностью их размещения за пределами квартир, при этом датчики и пульты вызова охранной помощи соединены через электронные преобразователи с микроконтроллерами, которые соединены с блоками квартирных счетчиков и с домовыми контроллерами, соединенными через модемы и каналы связи с ЭВМ центральной диспетчерской и ПЭВМ дежурных частей пожарной охраны, милиции, скорой помощи, аварийной службы газа, жилищно-коммунальной службы или службы лифтового хозяйства, расположенных вблизи дома, жильцы которого нуждаются в помощи.
В известной системе текущая жилищно-коммунальная информация последовательно периодически собирается компьютером через модемы, телефонную сеть, кабельную или радиоканалы от домовых микроконтроллеров. Человек, которому нужна помощь, может нажать на кнопку вызова соответствующей помощи и сигнал вызова прерывает работу компьютера по сбору информации и поступает через ЭВМ центральной диспетчерской, где запоминается с отметкой времени и указанием адреса, в ближайшую дежурную часть пожарной охраны, милиции, скорой помощи, аварийной службы горгаза, жилищно-коммунальной службы или службы лифтового хозяйства.
Основным техническим результатом известного устройства является увеличение объема информации для анализа состояния систем жилищно-коммунальных услуг.
Недостатком известного устройства являются его ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные использованием аналоговых схемно-технических решений, исключающих возможность обмена информацией устройств различного уровня (квартирный, домовой, системный) и возможность реализации многотарифных счетчиков, не допускающая снижения затрат потребителя. Кроме того, известное устройство не может использоваться в зданиях с вертикальной разводкой систем отопления.
Помимо вышесказанного, известное устройство не обеспечивает для потребителя точного учета потребляемых им энергоресурсов, поскольку не разделяет совокупное потребление на индивидуальную (поквартирную) и общедомовую части.
Наиболее близкими к заявляемым по технической сущности являются способ и устройство, описанные в п. РФ №2296305 по кл. G01K 17/00, з. 22.08.05, оп. 27.03.07 и выбранные в качестве прототипов.
Известный способ заключается в следующем.
Устанавливают в каждой квартире для измерения расхода газа и электроэнергии электромеханические счетчики с интерфейсными модулями для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Для измерения тепла и расхода воды используют соответственно интеллектуальные сенсоры преобразования температуры и интеллектуальные сенсоры количества воды или электромеханические счетчики воды с интерфейсными модулями, замеряют с их помощью температуру и количество воды непосредственно на стояках в квартире и в подъезде. Измеряют с помощью теплового счетчика расход тепла по всему дому. Определяют фактический расход тепла на отдельную квартиру, исходя из расчета теплового баланса по принципу равенства измеренного по тепловому счетчику расхода тепла по всему дому и расхода тепловой энергии, поступившей на отопление отдельных квартир, по формуле:
дом
iинд
норм
общедом
Q=∑Q+∑Q+Q,
i.инд
где Q - фактический расход тепла на отопление каждой квартиры по теплосчетчику;
норм
Q - доля нормативного потребления тепловой энергии отдельной квартирой;
общедом
Q - общедомовые потери тепла.
Общедомовые потери тепла определяют как:
общедом
дом
iинд
норм
Q=Q-∑Q-∑Q.
Учитывают "участие" каждой квартиры в общедомовых потерях тепла в количестве
общедом
i
общедом
Q=δ×Q,
i
где δ - "весовой" коэффициент конкретной квартиры, определяемый для случая
общедом
i
i
Q<0 как δ=S/S,
i
где S - площадь отдельной квартиры;
общедом
i
i
учета
S - площадь всех квартир в доме, а для случая Q>0 как δ=S/S,
учета
где S - площадь квартир, оснащенных счетчиками.
Вычисляют итоговый фактический расход тепла на отдельную квартиру как
i
i инд
i общедом
Q=Q+Q,
i инд
где Q - расход тепла на отдельную квартиру по счетчику,
i общедом
Q - расход каждой квартиры на обогрев места общего пользования (общедомовые потери),
затем с помощью средства отображения предоставляют каждому потребителю информацию о потребленных его квартирой энергоресурсах и их стоимости для контроля и при необходимости регулирования их потребления посредством термостатических вентилей. Недостаток известного способа заключается в том, что учет с его помощью потребляемых энергоресурсов на общедомовые нужды является недостаточно точным и удобным. Это объясняется тем, что в нем не учитываются расход на общедомовые нужды других энергоносителей (воды, газа, электричества), а также теплоэнергетические характеристики здания, например, такие как расположение квартир в доме относительно естественного источника тепла и света (Солнца), текущие климатические условия и т.п., невозможны точные замеры расхода тепла и нет возможности регулировать потребление электроэнергии в случае неоплаты ее расхода.
Известная система, с помощью которой реализуется заявляемый способ, содержит установленные в квартирах (квартирные) электросчетчики, газовые счетчики, водосчетчики, интерфейсные модули, интеллектуальные сенсоры преобразования температуры для мониторинга теплопотребления квартир, интеллектуальные сенсоры количества горячей и холодной воды, гидравлические и термостатические вентили (не обозначены и на чертежах не показаны), а также локальные концентраторы для сбора и обработки информации, каждый из которых содержит процессор, элемент памяти и источник питания (от сети или аккумуляторный) и снабжен интерфейсами для связи с квартирными мониторами, домовым концентратором и с упомянутыми счетчиками и сенсорами. Счетчики также снабжены интерфейсными модулями для преобразования сигналов. В систему входят также комплект оборудования для общедомового коммерческого учета теплопотребления и водопотребления, установленный в доме, включающий теплосчетчик, и комплекс оборудования, представляющий собой индивидуальный тепловой пункт. Теплосчетчик присоединен к домовому концентратору, связанному через модем и канал связи с центральным диспетчерским пунктом. Центральный диспетчерский пункт (ЦДП) содержит ЭВМ, служащую для идентификации контролируемого объекта, хранения архива данных о потребляемых энергоресурсах, распечатки квитанций об оплате и контроле оплаты.
Недостатки известной системы заключаются в том, что она недостаточно точно учитывает расход энергоресурсов на общедомовые нужды и не очень удобна в эксплуатации, что обусловлено следующими причинами.
В системе использована подсистема коммерческого общедомового учета только по одному из энергоносителей - тепловой энергии. Кроме того, применяется проводная линия связи, что не всегда надежно и удобно. Система использует также, помимо локальных концентраторов, счетчики электроэнергии, что увеличивает число комплектующих узлов, снижая надежность и усложняя схему. Использование датчиков температуры, которые в случае поломки приходится ремонтировать, также усложняет эксплуатацию системы. Кроме того, как используемые датчики температуры, так и счетчики электроэнергии не обеспечивают точного учета температуры и электроэнергии. Применяемая в системе линия связи не гарантирует, в случае необходимости, доступа к данным и первоочередности передачи аварийного сигнала при неисправности. В системе нет возможности осуществлять ограничение неплательщиков-потребителей в потреблении электроэнергии. Выполнение домового концентратора не позволяет конфигурировать сеть и требует навыков программирования, что также усложняет эксплуатацию системы.
Задачей является повышение точности учета энергоресурсов, расходуемых на общедомовые нужды, при повышении удобства эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что:
- в способе индивидуального учета и регулирования потребления энергоресурсов в жилищно-коммунальном хозяйстве, заключающемся в том, что для коммерческого учета подаваемых потребителям энергоносителей на входе в жилой дом устанавливают прибор коммерческого учета тепловой энергии, электричества, газа, холодной и горячей воды в виде общедомового энергоконтроллера и сертифицированных совместно с ним контрольно-измерительных приборов расхода энергоносителя, его давления и температуры, а для поквартирного учета потребляемых энергоносителей - тепла, электроэнергии, холодной и горячей воды и газа - используют контрольно-измерительные подсистемы, устанавливаемые в каждую квартиру, состоящие из измерителей расхода электроэнергии, расхода тепла, горячей и холодной воды, газа, используя для измерения расхода горячей и холодной воды и газа интеллектуальные беспроводные сенсоры потока, расхода тепла - беспроводные сенсоры энтальпии сетевой воды, устанавливаемые непосредственно на стояках в квартире, замеряют подаваемое на весь дом количество каждого энергоносителя с помощью общедомового энергоконтроллера, с помощью контрольно-измерительных систем определяют фактическое потребление энергоносителей каждой квартирой, определяют общедомовые затраты энергоносителей и распределяют их по соответствующим алгоритмам между абонентами (квартиросъемщиками) и предоставляют каждому потребителю информацию о потребленных его квартирой энергоресурсах (с учетом общедомовых затрат) и их стоимости, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ дополнительно осуществляют общедомовой учет электроэнергии, холодной и горячей воды и газа, для чего на входе в здание устанавливают подсистемы коммерческого учета названных энергоносителей, а для учета индивидуального потребления в квартирных контрольно-измерительных подсистемах для измерения расхода воды и газа используют интеллектуальные беспроводные сенсоры потока, для измерения тепловой энергии - интеллектуальные беспроводные сенсоры энтальпии, для измерения электроэнергии - сенсоры электроэнергии с функцией ограничения потребления электрической мощности, затем на основании измеренных данных от квартирных контрольно-измерительных подсистем и подсистем коммерческого учета рассчитывают общедомовые затраты энергоресурсов, которые по соответствующим алгоритмам распределяют между жильцами дома и доводят эти сведения до каждого из жильцов, при этом при расчетах для оптимального распределения затрат между жильцами дома используют данные, формируемые встроенной математической моделью термодинамического состояния дома в виде коэффициентов, учитывающих расположение квартиры внутри дома и внешние климатические факторы, а при неоплате за любой вид энергоносителя дистанционно производят ограничение мощности подаваемой электроэнергии, поставляемой неплательщику;
- в интегрированной системе индивидуального учета и регулирования потребления энергоресурсов в жилищно-коммунальном хозяйстве, включающей установленную на входе в здание подсистему коммерческого учета подаваемых в здание энергоресурсов в виде домового энергоконтроллера и сертифицированных с ним контрольно-измерительных приборов измерения расхода, давления и температуры энергоносителей, контрольно-измерительные системы для учета потребления каждого из энергоносителей, выполненные в виде установленных в квартирах жилых домов и расположенных в характерных точках отопительных систем, систем холодного и горячего водоснабжения, измерителей энтальпии, расхода газа, холодной и горячей воды, а также установленных на входе в каждую квартиру измерителей расхода электроэнергии, связанных с локальными концентраторами беспроводными линиями связи, соединенными с домовыми концентраторами, снабженными запоминающими устройствами, содержащими адреса домов, и соединенными цифровыми каналами связи с расчетно-информационной системой жилищно-коммунальной службы (биллинг), снабженной средствами запоминания событий во времени и распечатки справок по фактически потребленным энергоресурсам, при этом оборудование квартиры содержит также квартирные мониторы для отображения информации о потребленных энергоресурсах в физических и стоимостных единицах и исправности элементов системы, система также включает в себя индивидуальные термостатические вентили для поддержания оптимального теплового режима в отдельной квартире, при этом локальные концентраторы соединены с контрольно-измерительными подсистемами учета беспроводными линиями цифровой связи и с домовым концентратором с помощью проводной цифровой линии связи, домовой концентратор также представляет собой устройство сбора информации от локальных концентраторов и от домового энергоконтроллера и соединен с расчетно-информационной системой жилищно-коммунальной службы, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ для общедомового учета подаваемых энергоносителей используют дополнительно установленные на входе в здание подсистемы коммерческого учета электроэнергии, холодного и горячего теплоснабжения и газоснабжения, а в контрольно-измерительных подсистемах учета индивидуального потребления установленные в квартирах измерительные приборы выполнены беспроводными, при этом приборы для измерения расхода воды и газа представляют собой интеллектуальные сенсоры потока, приборы для измерения тепловой энергии - сенсоры энтальпии, для измерения электроэнергии - сенсоры электроэнергии с функцией ограничения потребления электрической мощности, локальные концентраторы выполняют одновременно функцию электросчетчиков, линия связи выполнена в виде сети с гарантированным доступом к данным и с многоуровневым приоритетом передачи данных, домовой концентратор представляет собой микропроцессорное устройство со встроенной тепловой математической моделью здания и архивной базой данных, обеспечивающее передачу учетных данных в биллинговый центр.
Дополнительное введение в систему подсистем коммерческого учета подаваемых потребителю остальных энергоносителей - электроэнергии, газа, горячей и холодной воды - при выполнении в контрольно-измерительных подсистемах учета индивидуального потребления каждой квартирой энергоресурсов приборов для измерения расхода воды и газа в виде интеллектуальных сенсоров потока, для измерения тепловой энергии - сенсоров энтальпии, для измерения электроэнергии - сенсоров электроэнергии с функцией ограничения потребления электрической мощности, в совокупности с выполнением локальных концентраторов с возможностью одновременного выполнения функции электросчетчиков при выполнении линии связи в виде сети с гарантированным доступом к данным и с многоуровневым приоритетом передачи данных, а домового концентратора в виде микропроцессора со встроенной тепловой математической моделью здания, учитывающей теплоэнергетические особенности каждой квартиры в доме, и архивной базой данных, позволяет повысить точность учета для каждого жильца энергоресурсов, распределение расходуемых на общедомовые затраты энергоресурсов, и повысить удобство эксплуатации системы.
Технический результат - повышение точности учета для каждого жильца общедомовых расходов энергоресурсов при повышении удобства эксплуатации.
Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как использование дополнительных подсистем коммерческого учета всех подаваемых потребителю энергоресурсов, использование в контрольно-измерительных подсистемах учета потребления более современных измерительных средств: для измерения тепла - сенсоров энтальпии, для измерения электроэнергии - сенсоров с функцией ограничения потребления электроэнергии, для измерения расхода газа, горячей и холодной воды - интеллектуальных сенсоров потока, а также учет теплоэнергетических характеристик каждой квартиры в доме с помощью используемой тепловой модели здания, и уменьшение при неоплате за любой тип энергоресурса потребленной мощности электроэнергии, поставляемой неплательщику, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемая система обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как установка на входе здания дополнительных подсистем коммерческого учета всех подаваемых в здание энергоносителей, выполнение в контрольно-измерительных подсистемах учета потребления энергоносителей установленных в квартирах датчиков беспроводными, измерителей расхода электроэнергии - сенсорными с возможностью реализации функции ограничения потребления электроэнергии, снабженных адаптерами беспроводной связи, измерителей тепла в виде сенсоров энтальпии, а измерителей расхода газа, горячей и холодной воды - в виде интеллектуальных сенсоров потока, выполнение локальных концентраторов с возможностью выполнения одновременно функции электросчетчиков, выполнение линии связи в виде сети с гарантированным доступом к данным и с многоуровневым приоритетом передачи данных, домового концентратора в виде микропроцессорного устройства со встроенной тепловой математической моделью здания и архивной базой данных, обеспечивающих в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными существенными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемые способ и интегрированная система для его осуществления соответствуют критерию "изобретательский уровень".
Заявляемые способ и система могут найти широкое применение в коммунальном хозяйстве, а потому соответствуют критерию "промышленная применимость".
Заявляемые изобретения иллюстрируются чертежами, где показаны соответственно на:
фиг.1 - функциональная схема системы;
фиг.2 - функциональная схема измерительной части однотрубной системы отопления;
фиг.3 - функциональная схема измерительной части двухтрубной системы отопления;
фиг.4 - функциональная схема тепловой математической модели здания.
Заявляемый способ индивидуального учета потребления и регулирования потребления энергоресурсов в жилищно-коммунальном хозяйстве заключается в следующем.
Устанавливают поквартирно контрольно-измерительные подсистемы по каждому из энергоносителей: на входе в каждую квартиру - сенсоры электроэнергии, в каждой квартире - приборы для измерения расхода тепла, горячей и холодной воды, газа. При этом для измерения расхода воды и газа используют интеллектуальные сенсоры потока, для измерения тепловой энергии - сенсоры энтальпии, для измерения электроэнергии - сенсоры электроэнергии с функцией ограничения потребления электрической мощности. На входе в здание устанавливают подсистемы коммерческого учета по каждому из энергоносителей (теплу, электричеству, газу, холодной и горячей воде), реализованные на базе сертифицированных средств учета.
С помощью сертифицированных средств учета осуществляют коммерческий учет всех подаваемых в здание энергоносителей. С помощью квартирных контрольно-измерительных подсистем измеряют расход тепла, горячей и холодной воды, газа в каждой квартире. При этом для измерения расхода горячей и холодной воды и газа используют интеллектуальные сенсоры потока, для измерения тепловой энергии - сенсоры энтальпии, для измерения электроэнергии - сенсоры с функцией ограничения потребления электроэнергии. Затем на основании измеренных данных от квартирных контрольно-измерительных подсистем и подсистем коммерческого учета рассчитывают общедомовые затраты энергоресурсов, которые по соответствующим алгоритмам распределяют между жильцами дома и доводят до их сведения полученные данные. При этом при расчетах для оптимального распределения затрат между жильцами дома используют данные, формируемые встроенной математической моделью термодинамического состояния дома в виде коэффициентов, учитывающих расположение квартиры внутри дома и внешние климатические факторы. При неоплате за любой энергоресурс снижают неплательщику количество поставляемой электроэнергии.
1-5
Интегрированная система индивидуального учета энергоресурсов (фиг.1) содержит расположенные на входе в здание подсистемы 1-5 коммерческого учета соответственно тепловой энергии, электроэнергии, холодной и горячей воды и газа, снабженные физическими беспротокольными интерфейсами 6.
1-5
На входе в каждую квартиру располагают сенсор 8 электроэнергии, а в каждой квартире - сенсоры 9 энтальпии (на каждом стояке), сенсоры 10, 11, 12 потока соответственно холодной, горячей воды и газа. Эти сенсоры каждой квартиры беспроводными каналами связи соединены с локальным концентратором 13 каждой квартиры, каждый из которых проводными линиями связи, в свою очередь, подключен к домовому концентратору 7, связанному через цифровой интерфейс 14 с энергоконтроллером 15. Энергоконтроллер 15 также соединен через физические беспротокольные интерфейсы 6 с подсистемами 1-5 коммерческого учета, а домовой концентратор 7 связан с билинговым центром 16.
При этом подсистема 1 содержит датчики 17, 18, 19 расхода, давления и температуры прямой и обратной сетевой воды, подсистема 2 - электросчетчик 20, подсистема 3 -расходомер 21, датчик 22 давления и температуры 23, подсистема 4 - расходомер 24, датчик 25 давления и датчик температуры 26, подсистема 5 - расходомер 27, датчик давления 28 и датчик 29 температуры. Все измерительные подсистемы коммерческого учета на границе балансовой ответственности соединены физическим беспротокольным интерфейсом с сертифицированным как средство коммерческого учета энергоконтроллером 15. Домовой концентратор 7 посредством интерфейса 30 связан с энергоконтроллером 15. Расчетные данные по квартирному потреблению из учета общедомовых затрат и данных математической модели по запросу передаются в биллинговый центр 16 для формирования платежей по абонентам и в виде квитанций на оплату возвращаются биллинговым центром 16 в подсистемы индивидуального учета. Локальный концентратор 13 связан через интерфейсы 31 и 32 соответственно с домовым концентратором 7 и контрольно-измерительной подсистемой 33 индивидуального учета, которая включает в себя установленные на входе в каждую квартиру сенсоры 8 электроэнергии, а в каждой квартире - сенсоры 9 энтальпии (на каждом стояке), сенсоры 10, 11, 12 потока соответственно холодной, горячей воды и газа. Контрольно-измерительная подсистема 33 реализует функции индивидуального учета потребления каждой квартирой тепла, электроэнергии, газа, холодной и горячей воды. Домовой концентратор 7 связан через интерфейс 34 линией 35 цифрового интерфейса с билинговым центром 16, который формирует через цифровой интерфейс 36 отчетные данные по платежам в подсистемы индивидуального учета квартир 8.
Установленные в квартирах жилого дома сенсоры 8-12 контрольно-измерительных подсистем 33 расположены в характерных точках отопительных систем квартир, систем холодного и горячего водоснабжения. Локальные концентраторы 13 выполнены с возможностью запоминания номеров квартир и сбора данных по расходу газа, электричества и воды, энергосодержания горячей воды и запоминания этих величин.
Установленные в квартирах жилого дома сенсоры 8-12 контрольно-измерительных подсистем 33 расположены в характерных точках отопительных систем квартир, систем холодного и горячего водоснабжения, газоснабжения и ввода электроэнергии. Локальные концентраторы 13 выполнены с возможностью запоминания номеров квартир и сбора данных по каналам беспроводной связи с беспроводных сенсоров энтальпии и потока, расчета потребления квартиры по всем видам энергоресурсов и ведения архивной базы данных.
На время отсутствия сетевого электропитания они снабжены автономными источниками электропитания.
Домовой концентратор 7 представляет собой микропроцессорное устройство со встроенной в него тепловой моделью здания (жилого дома) и снабжен интерфейсными адаптерами 30, 31 и 34 для соединения с энергоконтроллером 15, локальными концентраторами 13 и биллинговыми центрами 16. Домовой концентратор 7 снабжен памятью для запоминания адреса дома и ведения долгосрочной архивной базы данных по потребленным энергоресурсам. Оборудование квартиры содержит дополнительно проводные или беспроводные квартирные мониторы (на чертежах не показаны) для отображения информации о потребленных энергоресурсах в физических и стоимостных единицах и исправности элементов системы.
В качестве измерителей 10-12 расхода холодной, горячей воды и газа использованы интеллектуальные сенсоры потока, предназначенные соответственно для учета индивидуального потребления холодной и горячей воды и газа. Сенсоры энтальпии 9, выполнены конструктивно с возможностью замены без остановки системы отопления и обеспечивают автономный режим работы без замены встроенного источника питания не менее 3-х лет. Сенсоры электроэнергии 8 выполнены с возможностью реализации функции ограничения потребления электроэнергии в случае неуплаты по любому виду энергоносителей и установлены на входе в квартиры. Система также включает в себя индивидуальные термостатические вентили для поддержания оптимального теплового режима в отдельной квартире (на чертежах не показаны и не обозначены). При этом локальные концентраторы 13 выполняют одновременно функцию электросчетчиков, служат как устройства сбора информации от интеллектуальных сенсоров, соединены посредством беспроводной связи с сенсорами квартиры. Домовой концентратор 7 представляет собой микропроцессорное устройство со встроенной тепловой математической моделью здания, служит для сбора информации от локальных концентраторов 13 и от подсистем 1-5 коммерческого учета подаваемых в дом энергоносителей и соединен с билинговым центром 16 цифровым интерфейсом 35. Домовой концентратор 7 выполняет функции диспетчеризации количества потребленных услуг по каждой квартире и мониторинга неисправностей и вычислительного устройства для передачи необходимой информации.
Подсистемы коммерческого учета выполнены и работают следующим образом. Подсистема 1 коммерческого учета тепловой энергии строится на базе сертифицированных средств учета тепловой энергии энергоконтроллера 15, расходомеров 17, датчиков давления 18 и датчиков температуры 19 прямой и обратной сетевой воды.
Алгоритм расчета тепловой энергии определяется «Правилами учета тепловой энергии и энергоносителя» и имеет вид:
где:  - количество тепловой энергии, полученное зданием,
пр
G - расход прямой сетевой воды,
об
G - расход обратной сетевой воды,
пр
h - энтальпия прямой сетевой воды,
об
h - энтальпия обратной сетевой воды.
Подсистема строится по принципу многотарифности.
Дополнительные функции - анализ качества тепловой энергии. Оценивается по следующим показателям:
- соблюдение температурного графика в зависимости от температуры наружного воздуха;
- соблюдение расчетного напора на входе в здание;
- соблюдение расчетного теплового режима;
- своевременность и бесперебойность подачи тепловой энергии.
Подсистема 2 коммерческого учета электрической энергии содержит сертифицированный электросчетчик 20 и расположена на вводе в здание (вводно-распределительное устройство). Алгоритм расчета потребленной электрической мощности имеет вид:
где:
ЗД
N - активная потребляема мощность здания, кВт/ч.
Подсистема 2 строится по принципу многотарифности.
Дополнительные функции - анализ качества электрической энергии. Оценивается по следующим показателям:
- соблюдение частоты 50 Гц;
- соблюдение расчетного напряжения на входе в здание;
- своевременность и бесперебойность подачи электрической энергии.
Подсистема 3 коммерческого учета водоснабжения (ХВС) включает в себя сертифицированные совместно энергоконтроллер 15, расходомер 21, датчик давления 22 и датчик температуры 23. Располагается подсистема на вводе в здание. Алгоритм расчета потребления воды имеет вид:
где:
- количество воды, потребленной зданием, т,
3
G - объемный расход воды на здание, м/ч,
3
ρ - плотность воды, кг/м.
Подсистема 3 строится по принципу многотарифности.
Дополнительные функции - анализ качества услуг водоснабжения. Оценивается по следующим показателям:
- давление в подающем трубопроводе,
- своевременность и бесперебойность подачи холодной воды.
Подсистема 4 коммерческого учета горячего водоснабжения (ГВС) включает в себя сертифицированные совместно энергоконтроллер 15, расходомер 24, давления 25 и датчик температуры 26 и расположена на вводе в здание. Алгоритм расчета потребленной горячей воды имеет вид:
где:
- количество воды, потребленной зданием, т,
3
G - объемный расход воды на здание, м/ч,
3
ρ - плотность воды, кг/м.
Подсистема 4 строится по принципу многотарифности.
Дополнительные функции - анализ качества услуг горячего водоснабжения. Оценивается по следующим показателям:
- давление в подающем трубопроводе,
- температура горячей воды,
- своевременность и бесперебойность подачи горячей воды.
Подсистема 5 коммерческого учета газоснабжения содержит сертифицированные совместно энергоконтроллер 15 расходомер 27, датчик давления 28 и датчик температуры 29. Подсистема 5 расположена на вводе в здание. Алгоритм расчета потребленного природного газа имеет вид:
где:
3
- количество газа, потребленного зданием, нм,
3
G - объемный расход газа на здание, м/ч,
k - коэффициент размерности.
Подсистема 5 строится по принципу многотарифности.
Дополнительные функции - анализ качества услуг газоснабжения. Оценивается по следующим показателям:
давление в газопроводе,
своевременность и бесперебойность подачи газа.
Замеренные данные о подаваемых энергоносителях с помощью линии 14 связи подаются в домовой концентратор.
Контрольно-измерительные подсистемы 33 выполнены и работают следующим образом.
Индивидуального учета тепловой энергии, потребляемой квартирами, для однотрубных и двутрубных систем отопления с вертикальной разводкой несколько различаются.
Для однотрубных систем отопления с вертикальной разводкой подсистема строится на базе беспроводной сенсорной технологии. Система состоит из беспроводных сенсоров 9 энтальпии, устанавливаемых в стояках. Функциональная схема расположения измерительной части приведена на фиг.2.
i
Здесь ТЕ - беспроводной сенсор 9 энтальпии.
Алгоритм расчета тепловой энергии, потребляемой квартирой с такой разводкой, строится по следующей формуле:
j,i
где: Q - тепловая энергия, потребляемая квартирой;
i
H - энтальпия воды в стояке квартиры;
i-1
H - энтальпия воды в стояке на предыдущем этаже.
Для двухтрубных систем отопления с вертикальной разводкой подсистема также строится на базе беспроводной сенсорной технологии. Система состоит из беспроводных сенсоров 9 энтальпии. Функциональная схема расположения измерительной части приведена на фиг.3. Алгоритм расчета тепловой энергии, потребляемой квартирой, строится по следующей формуле:
где:
j,i
Q - тепловая энергия, потребляемая квартирой;
пр
H - энтальпия воды на радиатор;
об
H - энтальпия воды за радиатором.
Индивидуальный учет электрической энергии, потребляемой квартирами, строится на основе сенсора 8 электрической мощности с функцией ограничения потребления электроэнергии. Алгоритм расчета потребляемой мощности имеет вид:
где:
зд
N - активная потребляема мощность, кВт/ч,
I - сила тока, А,
U - напряжение, В.
Подсистема имеет функции ограничения электрической мощности при несвоевременной уплате абонентом за любой тип энергоносителя. Введение функции ограничения производится дистанционно. Подсистема имеет четыре уровня ограничения мощности.
Первый уровень - это лимит на потребление электроэнергии (определяется площадью квартиры).
Второй и третий уровни определяются при настройке системы на объекте.
Четвертый уровень - это уровень ограничения минимально допустимой мощности.
Индивидуальная подсистема учета холодного водоснабжения квартиры построена на основе беспроводного сенсора 10 потока. Алгоритм расчета потребления ХВС имеет вид:
где:  - количество воды, потребленной квартирой, т,
3
G - объемный расход воды на квартиру, м/ч,
3
ρ - плотность воды, кг/м.
Подсистема 34 строится по принципу многотарифности.
Качество предоставляемой услуги оценивается по своевременности и бесперебойности подачи ХВС.
Индивидуальный учет горячего водоснабжения квартиры построена на основе беспроводного сенсора 11 потока. Алгоритм расчета потребления ГВС имеет вид:
где:  - количество горячей воды, потребленной квартирой, т,
3
G - объемный расход горячей воды на квартиру, м/ч,
3
ρ - плотность воды, кг/м.
Подсистема 36 строится по принципу многотарифности.
Индивидуальный учет газа построен на основе беспроводного сенсора 12 скорости потока. Алгоритм расчета потребленного природного газа имеет вид:
где:  - количество воды, потребленной зданием, т,
3
G - объемный расход газа на здание, м/ч,
3
ρ - плотность газа, кг/м (значение передается из подсистемы коммерческого учета газа).
Подсистема строится по принципу многотарифности.
Данные с контрольно-измерительных подсистем 33 поступают через локальные концентраторы 13 на домовой концентратор 7.
Домовой концентратор 7 представляет собой микропроцессорное устройство со встроенной в него тепловой моделью здания.
Тепловая модель здания
Тепловая модель здания предназначена для оценки термодинамического состояния здания в соответствии с методикой, изложенной в строительных нормах, и формирования корреляционных коэффициентов к потребленному теплу абонентов из учета климатических и географических факторов.
Входные данные для математической модели в соответствии с ее функциональной структурой формируются на основании шести блоков.
Блок I - «Условия комфортного проживания». Условия комфортного проживания формируются на основе свода правил СП 23-101-2000 и СНиП 23-01, в которых определены комфортная температура и относительная влажность внутри помещения для различных сезонов и категорий зданий.
Блок II - «Типовые климатические условия». Типовые климатические условия устанавливаются на основании СНиП 23-01 и СП 23-101-2000, к которым относятся:
0
- скорость и направление ветра (w);
0
- атмосферное давление (р);
0
- средняя температура воздуха в течение отопительного сезона по СНиП 23-01 (t);
0
- среднее значение суммарной солнечной радиации СП 23-101-2000 (q);
0
- относительная влажность наружного воздуха в течение отопительного сезона (ψ).
Блок данных является основой для расчета типовых распределений тепловых потерь по  зданию и вычисления модуля (помещения) с минимальными тепловыми потерями
Блок III - «Типовой проект зданий». Блок определяет теплозащитные характеристики конструкций, элементов здания и материалов, устанавливает геометрические характеристики и типовое проектное оформление помещений, определяет район строительства. Формирование блока осуществляется на основании теплоэнергетического паспорта здания.
Блок IV - «Текущие климатические условия». Текущие климатические условия определяются на основании статистических данных и показаний метеостанции, устанавливаемой на здании (или группе зданий). Задает текущую климатическую картину и определяет текущие параметры:
- скорость и направление ветра;
- атмосферное давление;
- температура наружного воздуха;
- значение суммарной солнечной радиации;
- относительная влажность наружного воздуха.
Блок V - «Текущие температуры помещений». На основании показаний датчиков температуры, располагающихся внутри помещений, устанавливается средняя температура по каждому модулю (помещению). На этапе моделирования теплоэнергетических параметров здания в качестве входных данных используются данные статистики по средним температурам в течение сезона и интенсивность их изменений.
Блок VI - «Отклонение параметров». Блок формирует сигнал рассогласования типовых (Блок II) и текущих (Блоки IV и V) климатических условий по параметрам:
- скорость и направление ветра;
- температура наружного воздуха;
- температура внутри сопряженных соседних помещений (модулей);
- атмосферное давление;
- значение суммарной солнечной радиации;
- относительная влажность наружного воздуха.
Расчетный комплекс функциональной структуры математической модели состоит из следующих блоков.
Блок VII - «Математическая модель теплоэнергетических параметров». Расчетный блок основывается на реализации нестационарной динамической модели, в которой предусмотрена возможность отключения временной зависимости параметров и расчет по статической балансовой модели.
Блок VIII - «Динамические поправки типовых тепловых потерь». Устанавливает связь между дополнительными тепловыми потерями в модуле при отклонении текущих климатических условий от типовых значений, принятых согласно СНиП (учет реальных условий). Влияние каждого из климатических параметров считается независимым от остальных. Дополнительные (положительные или отрицательные) поправки к тепловым потерям связаны с отклонением параметра от типового значения и длительностью этого отклонения. Корреляционные связи рассчитываются на базе нестационарной динамической модели при вариации входного воздействия отдельно по каждому из параметров.
При работе в составе системы теплового учета в режиме реального времени являются известными функциями двух параметров: рассогласование климатического параметра и времени. Результирующая поправка к тепловым потерям определяется как сумма поправок по всем параметрам.
Минимальное время между запросами отклонений параметров (Δτ) данный параметр задает частоту опроса сенсоров Системы) устанавливается на этапе математического моделирования теплоэнергетических параметров здания. Время запроса должно быть не более времени оклика по средней температуре модуля (квартиры).
Типовой модульный (квартирный) коэффициент - коэффициент снижения при расчете платы за индивидуальное потребление тепла, обусловленное расположением модуля (квартиры) в здании согласно проектной документации. Рассчитывается на
2
1 м помещения:
2
где  - типовые тепловые потери модулей на 1 м;
2
- минимальные (или средние) тепловые потери на 1 м.
Динамические поправки учитывают отклонение климатических параметров, при которых рассчитан типовой модульный коэффициент и тепловые потери, от реальных условий. Результирующая поправка к тепловым потерям определяется как сумма поправок по всем параметрам, а текущий модульный коэффициент определяется по соотношению:
где  - типовой модульный (квартирный) коэффициент.
Блок IX - «Модульное распределение температур». Устанавливает распределение средних температур внутри помещений (модулей), получающееся при решении нестационарной динамической модели теплоэнергетических параметров.
Режимы функционирования математической модели теплоэнергетических параметров.
Режим 1 - Моделирование процессов, расчет корреляционных зависимостей, установление степени влияния различных факторов.
Входные данные:
- блок «Условия комфортного проживания»;
- блок «Типовые климатические условия»;
- блок «Типовой проект зданий»;
- блок «Текущие климатические условия»;
- блок «Текущие температуры помещений»;
- блок «Отклонение параметров».
Расчетный блок:
- блок «Математическая модель теплоэнергетических параметров».
Выходные данные:
- блок «Динамические поправки типовых тепловых потерь»;
- корреляционные зависимости;
- типовые тепловые потери;
- минимальные типовые тепловые потери;
- типовой модульный коэффициент;
- модульный коэффициент;
- модульное распределение температур.
Режим 2 - Функционирование в составе системы теплового учета.
Входные данные:
- типовой модульный коэффициент;
- минимальные типовые тепловые потери;
- блок «Условия комфортного проживания»;
- блок «Типовые климатические условия»;
- блок «Текущие климатические условия»;
- блок «Текущие температуры помещений»;
- блок «Отклонение параметров».
Расчетный блок:
- блок «Динамические поправки типовых тепловых потерь».
Выходные данные:
- поправки к тепловым потерям;
- модульный коэффициент.
Определенные с помощью тепловой модели здания теплоэнергетические характеристики также поступают в билинговый центр 16.
Параметры коммерческого учета и индивидуального учета поступают в архив. Архивные данные передаются в биллинговый центр 16, откуда распечатки по затратам энергоносителей и их стоимости поступают каждому потребителю.
В сравнении с прототипом заявляемые способ и система являются более точными с точки зрения учета и распределения между жильцами дома общедомовых расходов всех видов энергоносителей и удобными в эксплуатации.