Безжични сензорни технологии за топлоснабдителни мрежи

Обновяването на системите за централно отопление чрез използването на безжични сензорни мрежи - технология за мониторинг и управление експлоатацията на топлоснабдителната инсталация, ще доведе до по-ефективно оползотворяване на топлинната енергия.

Благодарение на данните за състоянието на съществуващите мрежи, които са достъпни в реално време и в необходимия обем, ще се повиши и качеството на предоставяните отоплителни услуги.

Архитектурата за управление и комуникация се внедрява чрез безжична мрежа от сензори и задвижващи устройства, които контролират преноса на енергия от топлоразпределителната мрежа към сградите.

Този подход позволява разработването на нови стратегии за управление по отношение оптимизирането на енергопреноса, благодарение на това, че системата осигурява повече информация.

През последните няколко десетилетия приложението на безжичните сензорни мрежи е тема на дискусията между редица учени и експерти от индустрията. На практика обаче технологията все още не се прилага широко.

Проблеми при конвенционалните мрежи

Съществен проблем на използваните в момента системи за управление е това, че са насочени единствено към осигуряването на комфорт, но не са съсредоточени върху оптимизацията на работните характеристики на подстанциите.

Това води до загуба на топлинна енергия в първичния контур. Използването на безжична връзка между сензорите и задвижващите механизми позволява осъществяването на нови подходи за диагностика и услуги.

Едно от основните предизвикателства пред съвременните топлоснабдителни мрежи е системното балансиране. За ключов фактор за постигането на висока стойност на температурната разлика в една топлоснабдителна подстанция се счита температурата на радиаторния контур.

Обикновено тя зависи от местната температура на околната среда на открито, която гарантира и стабилна температура на закрито. Допуска се, че зависимостта между външната температура и първичното енергийно снабдяване е линейна (по-студеният въздух води до първично енергийно снабдяване с по-висока температура).

Различни фактори, като вятър, слънчево излъчване или пикове в потреблението на гореща вода, могат да окажат видимо въздействие върху съотношението между околната температура и тази на първичното енергийно снабдяване.

Друг проблем е свързан с настройките в една част от системата за централно отопление, които могат да причинят неочаквани отклонения в други нейни части, причинявайки дисбаланс и дори повреди. Следователно, централното отопление не трябва да се смята за съвкупност от независими една от друга системи.

Регулиращите вентили в подстанцията за централно отопление често са неправилно оразмерени, което води до прекъсвания в процеса на управление, ударни налягания и високи температури на връщащия се топлопренасящ материал.

Също така откриването на повреден вентил или такъв, който не действа в съответствие с управляващия сигнал, може да е трудно. Поради високата топлинна времеконстанта на една сграда вътрешната температура не се повлиява директно.

По този начин повредата в регулиращия вентил може да остане незабелязана за значителен период от време.

Малките течове от топлоразпределителните тръби могат да не бъдат регистрирани веднага, което води до съществена загуба на гореща вода. Тъй като инспекцията на топлопроводите е времеемка и невинаги успешна, откриването на местоположението на теча не е лесна задача.

Предизвикателство за топлоснабдителните дружества е и това, че потребителите и от търговския, и от битовия сектор желаят да получават данните за енергопотреблението си и разходите си с цел не само за плащане на сметките, но и за проследяване на поведението си и предприемане на мерки за реализиране на спестявания.

Динамичното балансиране на товара е метод, прилаган за елиминиране на пиковите топлинни натоварвания и за разпределение на потреблението между сградите. То се основава на наличието на висока топлинна времеконстанта за всяка отделна сграда.

Например в една сграда с голяма времеконстанта отоплителната система може да бъде изключена за периода, в който цената на топлоенергията е висока, без да се нарушава топлоподаването на останалите клиенти.

Осъществяването на такова балансиране е невъзможно без онлайн автоматизирана и независима задействаща система, с помощта на която да се реши в кои сгради отоплението да бъде изключено или към кои от тях да се подаде ограничено количество топлинна енергия.

Предимства на безжичните сензорни мрежи

Данните от топломерите могат да бъдат събрани посредством използването и на двата вида мрежи - чрез традиционната жична или чрез безжична мрежа. Безжичната система обаче позволява улеснен монтаж на нови сензори в съществуващи сгради, тъй като безжичната архитектура не изисква опроводяване, пробиване на дупки за преминаването на кабелите или други подобни дейности, което прави целия процес по-рентабилен и ефективен.

Предаването на информацията между подстанциите от системата за централно отопление допринася значително за качествената им експлоатация. Например ако разликата между температурата на доставената топлина и на връщащата се е твърде малка или прекалено голяма, това е индикатор, че подстанцията на една сграда или е неефективна, или има възникнала повреда.

С помощта на данните за този параметър може да се реализират енергийни спестявания чрез намаляване на изпомпваната гореща вода към разпределителната мрежа и подобрена цялостна ефективност.

С цел предотвратяване на аварии в системата всички нейни съществуващи компоненти следва да бъдат подменяни периодично с нови, като се отчете приблизителната продължителност на експлоатационния им живот, която се определя чрез статистически данни за възникналите в миналото технически неизправности.

Тази статистика обаче показва само една тенденция, без да предоставя информация за специфичното оборудване. При безжичните сензорни технологии данните за повредите в подстанцията се предават директно към топлоснабдителното дружество, което позволява ранното им откриване и навременно предприемане на действия по отстраняването им, удължаващи експлоатационния срок на компонентите, докато не покажат признаци на амортизация.

Системните неизправности и събития се регистрират и информацията автоматично се записва на сървър, след което може да бъде използвана при поддръжката или за изготвянето на различни анализи.

За удобство на клиентите, в случай на отклонения от нормалния режим на системата, сигнали могат да бъдат подавани чрез електронна поща или SMS.

Прилагането на безжични сензорни мрежи позволява всяка отоплителна подстанция да предостави необходимата информация на топлоснабдителното дружество - температурата на подадената и върнатата топлинна енергия, данни за движението на топлинния поток и др.

Тази информация осигурява цялостна картина на разпределителната област, което може да помогне за откриването на енергийни загуби от топлопроводите под земната повърхност например или за определянето на различията при отделните сгради.

Друго предимство на безжичните сензорни технологии е това, че предразполагат към междусистемно сътрудничество. Предаването на събраната информация към централна база данни на топлоснабдителното дружество насърчава партньорството със съседни подстанции или между топлоцентралата и клиентите с цел намаляване на енергийните загуби.

Например в сгради, които задържат топлина в структурата си, потреблението за отопление на помещения може да се редуцира по координиран начин, като така ще се сведе до минимум и пиковата консумация, без да се нарушава комфортът на обитателите. Това обаче може да се постигне само, при условие че топлоснабдителното дружество разполага с детайлни данни за състоянието на разпределителната мрежа.

Ограничения на съществуващите безжични сензорни технологии

През последните няколко години ориентираната към услуги архитектура (service oriented architecture, SOA) се внедрява успешно, доставяйки софтуерни системи с фокус върху бизнеса и взаимодействието между представителите му.

Днес технологията придобива все по-голямо значение и в областта на интегрирането на устройства. Пренасянето на концепцията за SOA на ниво устройство е обещаващ подход за максимално успешното повсеместно ползване на интелигентни устройства и постигането на по-добра ефективност при обединяването на софтуерни системи и embedded устройства.

SOA има възможността да поддържа съвместното функциониране на система за централно отопление и друга енергийна и обслужваща система, например вентилация, термопомпи и др. Този подход би позволил реализирането на енергийни спестявания и високо качество на вътрешния комфорт за клиентите.

Въпреки това приложението на SOA при силно ограничени устройства като сензорни възли например, все още е обект на проучване поради няколко неразрешени проблема. Сред тях са ниската скорост на предаване на данните от безжичните сензорни възли, ограничените възможности за обработка, малката памет на сензорните възли и ограниченият експлоатационен живот на батериите.

Изброените ограничения могат да бъдат елиминирани основно чрез два подхода. Първият използва междинен софтуер в шлюзови устройства за взаимодействие със сензорни мрежи. При втория се прилагат уеб услуги, базирани на оперативно съвместим протокол за обмен на структурирана информация (simple object access protocol, SOAP), без да се използва шлюз.

По-голямата част от изследователските усилия са насочени към използването на междинен софтуер на устройства и шлюзове с по-висок капацитет. Този междинен софтуер отговаря за представянето на функционалността на цялата сензорна мрежа като услуги посредством стандартна SOA технология.

По този начин за комуникацията в рамките на мрежата все още се използват специализирани частни протоколи. Освен това тези модели на обслужване са опростени, въпреки че не са стандартизирани. За да се избегне необходимостта от извършване на ресурсно интензивни операции върху сензорните възли, междинният софтуер на шлюзовите устройства комуникира с възлите по специфичен начин, след което трансформира функционалността им в уеб услуги.

Предимство на този подход е това, че ресурсно интензивните задачи, свързани със стандартното внедряване на услуги, остават за шлюза. Той обаче има и някои недостатъци, например ограничения в комуникационната честота, възможностите за обработка и неспособност за поддържане на хетерогенност на ниво възел.