employee from 01.01.2018 to 01.01.2025
Ivanovo, Ivanovo, Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
The paper considers engineering digitalization as a tool for simulation modeling of comfortable life support in capital construction facilities. A concept of analog-digital description of the full building life cycle is presented, based on the integration of a modular digital platform, programmable logic controllers, and the RS485 industrial bus. The developed hardware-software complex relies on original physico-mathematical models of non-stationary thermophysical processes within the internal circuit of heat pump systems. The platform provides real-time bidirectional data exchange via BACnet and Modbus protocols, making it possible to predict critical operational risks, such as ice formation on the evaporator, liquid refrigerant slugging into the compressor, and hydraulic shock. Special attention is paid to the application of simulation at all life cycle stages: from feasibility study at the pre-design stage to parameter verification during construction, energy-efficient operation with electricity savings up to 60%, and planning of environmentally friendly disposal. The system architecture is visualized using the ArchiMate language, demonstrating the interconnection of business processes, information modules, and actuating devices. It is shown that the developed digital environment forms a basis for simulation-based indoor climate management, minimization of accident rates, and extension of equipment service life. In the future, the platform can be integrated with artificial intelligence and BIM environments via REST API with data export in XML format, which aligns with current digitalization trends in the construction industry.
life cycle management; capital construction facilities; heat pump systems; digital twin; simulation modeling
Введение. В современных условиях строительного производства актуальным направлением является реализация информационно-цифровых моделей использования энергоэффективных ресурсов, направленных на теплообеспечение помещений в строениях.
Цифровизация этапов жизненного цикла строения заключается в использовании современных, в том числе энергосберегающих технологий в цифровом формате с программным обеспечение. Согласно требованиям Минстроя РФ, особенно Постановление Правительства РФ от 28.09.2020 года № 1558 «О Государственной информационной системе обеспечения Градостроительной деятельностью РФ» предполагается брать за основу (ЦУС) - Программный комплекс «Цифровое управление строительством», что позволит выстраивать и отлаживать процессы проектного и оперативного управления энергосберегающими технологиями, переводя такие решения в цифровой формат. Согласно Постановления Правительства РФ от 27.09. 2021 года № 1628 в соответствии с п.2. Правил № 1628 - основные требования энергоэффективных зданий включают оценку расхода энергоресурсов, где основными показателями являются расход электро и тепловой энергии на отопление, горячее водоснабжение и вентиляцию, отображая всё это индексом класса энергоэффективности.
Реализация достижения энергосберегающих решений осуществляется в процессе эксплуатации строения, применяя соответствующее оборудование и рациональные схемные решения.
В ходе режима работы, встроенного энергоэффективного энергосберегающего оборудования изменения параметров рабочего тела теплообменных систем и как следствие расход энергоресурсов тепловой и электрической энергии – всё это влияет на экономию и экологию окружающей среды перераспределения тепловыделения отопительных приборов в помещениях.
Изначально при современном проектировании строений требуется инновационно-технологический подход к обозначению энергоэкономических решений для условий эксплуатации систем энерго-теплообеспечения помещений. Последовательное решение информационно-аппаратных схем создаёт система с автоматизированно-программным состоянием: контроллер-управления, обеспечивает в этих условиях универсальную систему автоматизации соблюдая технологию жизнеобеспечения строительного объекта.
В последнее время существенно изменилось в строительном производстве насыщение систем жизнеобеспечения электронным и микропроцессорным оборудованием с возможностью создания гибких и удобно-управляющих программ и их исполнение контроллером. Контроллер – это управляющая мини-ЭВМ с периферийными устройствами и устройствами сопряжения (УСО).
Аналого-цифровые информационные модели систем теплообеспечения помещений с разработкой аппаратно-программных решений для контроллеров управления создают условия для решения технологических задач энергосбережений в ходе этапов жизненного цикла строения. Современный уровень развития цифрового управления в строительстве (ЦУС) - сегодня это любая целевая информационная модель на этапах жизненного цикла строительного объекта, позволяющего выстраивать формат цифрового двойника (Digital Twin) с целью реального отображения функционированного состояния строительного объекта и как следствие получение прогнозируемого эффекта.
Цифровой двойник становится следующим этапом развития IT-технологий в строительстве и используется для информационного отображения как этапов, так и самого строительного объекта - его жизненного цикла. Основанием анализа его становится цифровая платформа как многофункциональный алгоритм в программно-вычислительной среде с выходом в службу эксплуатации объекта.
Цифровой двойник в режиме реального времени может выполнять следующие операции:
- осуществляет непрерывный сбор данных от датчиков и систем поэтапного жизнеобеспечения помещения (строения);
- проводит интеллектуально-аналитический анализ и прогноз технически-обеспеченного системой управления состояния строения-здания, обеспечивает механический контроль и безопасность;
- выполняет статистически-вероятностный анализ и мониторинг эффективного режима работы инженерно-коммуникационного оборудования строения.
Целью статьи является обоснование и разработка концепции инженерной цифровизации как инструмента имитационного моделирования для обеспечения комфортного микроклимата и энергоэффективной эксплуатации объектов капитального строительства
Материалы и методы. Современный уровень цифровизации в строительном производстве в условиях реализации эколого- энергосберегающих технологий это аналого-цифровое описание инженерии полного жизненного цикла объекта капитального строительства (его комфортное жизнеобеспечение) [1–5], которое представляет собой цепочку приемлемых аппаратно-программных средств целевого назначения, позволяющих реализовывать свои возможности используя реальную модульно-цифровую платформу в сочетании с контроллером tech-vс-10u2 и шиной управления RS485 [6]. Модульный контроллер разработан для теплообменных систем жилого дома и имеет широкие возможности применения в условиях строительных конструкций. Данный контроллер технологически позволяет соединять последовательно в технологическую цепочку обозначенные пользователем приборы-датчики с адаптацией с исполнительными механизмами, обеспечивающими энергосберегающую позицию каждого прибора – датчика.
В составе цепочки энергосберегающих элементов, соблюдая «синергию» и режим рациональной эксплуатации, в строении рекомендуется включать:
- современные теплообменные теплонасосные системы;
- теплоизолирующее стекло со специальным покрытием;
- приточно-вытяжную вентиляцию с рекуперацией воздуха;
- прибор с увлажнением окружающей среды;
- обеззараживатель воздуха в приточных каналах;
- теплогенератор с торможением (эффект Джоуля);
- кавитационный теплогенератор;
- возобновляемые источники энергии
Программно-аппаратные решения, разработанные на основе физико-математических моделей [7–10] с целью режима комфортного теплообмена помещения, учитывая реальные условия эксплуатации строения, позволяют сформировать информационный поток на основе модульно-цифровой платформы, в формате «ансамбля» алгоритмов с программным кодом. В таблице 1 представлено краткое описание реализованных программных решений.
Программное обеспечение, представленное в таблице 1 обеспечивает взаимодействие между пользователями, состояние информационного потока:
- Обеспечивает поставку исходных данных со стороны пользователей – желаемые параметры микроклимата помещений объекта капитального строительства.
- Обеспечивает приемку входных данных с внешних и внутренних датчиков: температура наружного воздуха, температура теплоносителя, давление рабочего тела, расход теплоносителя.
- Обеспечивает распределение параметров по назначению их работы в теплонасосной системе на основе входных данных.
- Обеспечивает прогноз возникновения наледи на трубопроводах испарительного внутреннего контура теплового насоса.
- Контроль допуска возникновения гидравлического удара во внутреннем контуре теплового насоса.
Таблица 1
Описание разработанных программных решений.
|
№ |
Наименование программы для ЭВМ |
Краткое описание и назначение |
Ключевые особенности / математический аппарат |
|
1 |
Программа для моделирования аналитической зависимости функциональных параметров кинетики испарения капель рабочего хладагента в контуре воздушных теплохолодильных систем [7] |
Прогноз времени полного перехода жидкой фазы в пар на участке «ТРВ - компрессор» для исключения гидроударов и поломки компрессора |
Расчёт скорости витания капель, учёт реологических свойств фреонов |
|
2 |
Программа расчета температуротеплопроводности и граничных температур пластины, учитывающая процесс десублимации влаги на наружной поверхности трубопровода теплообменного прибора [8] |
Моделирование роста слоя наледи («шубы») и оценка его термического сопротивления для оптимизации циклов оттайки |
Краевая задача теплопроводности с граничными условиями IV рода, учёт теплоты фазового перехода. |
|
3 |
Программа расчета динамики профиля температур теплоизолированного трубопровода внутреннего контура испарительно-конденсационного блока воздушной теплохолодильной установки [9] |
Расчёт распределения температур по толщине стенки трубы и слоя изоляции при изменяющихся параметрах теплоносителя |
Представление цилиндрической геометрии в виде двухслойной пластины, интегральное преобразование Лапласа, учет граничных условий IV рода на контакте слоёв |
|
4 |
Программа для моделирования решения задачи теплопроводности неограниченной пластины [10] |
Универсальная модель теплообмена в системе «газ–твёрдое тело» для сложных геометрических форм строительных и инженерных конструкций |
Расчет теплопроводности по толщине стенки трубопровода внутреннего контура теплонасосной системы численно-аналитическим методом академика С.В. Федосова: пошаговый переход от граничных условий III рода к граничным условиям I на интервалах Δτ, отказ от поиска корней трансцендентных уравнений |
Основная часть. Информация модульно-цифровой платформы формируется исходя из основной цели реализации экономически рационального управления жизненным циклом объекта капитального строительства. При необходимости информационно-цифровое пространство можно применять на каждом этапе жизненного цикла объектов капитального строительства.
Практически информационно-цифровое пространство является широкой -аппаратной средой, с подобранными интерфейсами, позволяющими осуществлять обмен данными как с пользователем (владельцем капитального объекта строительства), так и компонентами - датчиками теплонасосной системы. На рисунке 1 представлена концептуальная структура реализации информационной системы, предлагающая использовать модульную платформу управления жизненным циклом объектов капитального строительства.
Рис. 1. Концептуальная структура реализации информационной системы рационального управления жизненным циклом объекта капитального строительства
Структурная схема системы реализации информационного модуля теплонасосной системы как рациональное управление жизненным циклом объекта капитального строительства предложена с учетом языка моделирования структуры предприятия ArchiMate. Желтыми прямоугольниками показаны ключевые процессы и функционалы, в которых конкретно заинтересованы владельцы объектов капитального строительства. Синие прямоугольники отображают программный уровень – информационные системы с программным кодом, а также их функции. Программное обеспечение информационной среды может быть установлено как на персональных компьютерах, так и на смартфонах. С целью упрощения структурной схемы элементы устройства, на которых разворачивается программная среда не указаны. Зелеными прямоугольниками показаны конкретные устройства (элементы) системы теплообеспечения, которыми осуществляется управление. Язык моделирования ArchiMate был выбран с целью удобства показать взаимосвязь между разными уровнями единой методологии управления жизненным циклом объектов строительства: процессы, информационно-цифровая система и конкретные устройства. Стоит также отметить, что в настоящий момент информационно-цифровая платформа предусматривает возможность аккумулировать описываемые данные и результатов их расчетов посредством встроенных локальных баз данных [11, 12]. В настоящий момент в цифровую платформу заложены функциональные наработки реализации специализированных интерфейсов для взаимодействия в составе с программируемым логическим контроллером (ПЛК) с учетом промышленных протоколов BACnet и Modbus. Такое решение обеспечивает синхронный, двухсторонний обмен данными в реальном времени. Концептуальная разработка спроектированной как инструмент имитационного моделирования позволяет трансформировать результаты физико-математического моделирования (прогноз образования наледи, вероятность попадания жидкой фазы в компрессор, рациональные параметры работы системы и её компонентов) в процесс управления, воздействуя на исполнительные механизмы теплообменной – теплонасосной системы. При этом все инженерные события фиксируются в цифровом журнале (база данных), формируя основу для анализа надёжности и планирования технологического и технического обслуживания на последующих этапах жизненного цикла объекта [13–15].
Потенциальные преимущества от реализации информационно-цифрового подхода в реализации жизнеобеспечения объекта капитального строительства представлены в таблица 2. При этом особое внимание было уделено управлению рисками на этапе эксплуатации (табл. 3).
Таблица 2
Основные преимущества цифрового пространства в управлении жизненным циклом объекта капитального строительства
|
№ |
Наименование этапов жизненного цикла |
Способ применения |
|
1 |
Предпроектный |
Технико-экономическое обоснование. Реальная оценка стоимости реализации проектов |
|
2 |
Проектный |
Уменьшение типовых коллизий технических расчетов в разделе ОВ. |
|
3 |
Строительство |
Верификация параметров режима работы теплонасосной системы перед вводом объекта в эксплуатацию |
|
4 |
Эксплуатация |
Эффективная экономия потребления электроэнергии на 40–60 %. Экологичность и надежность жизненного цикла компрессора. |
|
5 |
Демонтаж / снос |
Прогноз утилизации элементов конструкции системы, негативно влияющих на экологию окружающей среды. |
Таблица 3
Управление рисками при эксплуатации объекта капитального строительства
|
Потенциальный риск |
Вероятность возникновения |
Степень влияния |
Инструмент управления и контроля |
|
Технические риски |
|||
|
Образование наледи на поверхности трубопровода внутреннего контура |
Высокая |
Критическое |
Программа расчета типизации наледи на поверхности испарителя |
|
Попадание крупных капель рабочего тела в компрессор |
Средняя |
Критическое |
Программа для моделирования кинетики испарения капель хладагента |
|
Гидравлический удар во внутреннем контуре |
Низкая |
Критическое |
Программа для моделирования кинетики испарения капель хладагента |
|
Снижение эффективности устройства |
Средняя |
Высокое |
Программа расчета температуро-теплопроводности, программа моделирования решения задачи теплопроводности |
|
Организационно-технические риски |
|||
|
Рост тарифов на электроэнергию |
Высокая |
Средняя |
Программа расчета температуро-теплопроводности, программа моделирования решения задачи теплопроводности |
|
Отсутствие квалификации специалистов в рамках данной специализации |
Высокая |
Средняя |
Программа расчета температуро-теплопроводности, программа моделирования решения задачи теплопроводности |
В таблицах 2 и 3 обозначены конкретные эффекты от реализации программно-прикладного цифрового пространства эффективного управления жизненным циклом объектов капитального строительства и их эксплуатации.
Выводы. Разработанный комплекс программных средств в перспективе может быть доработан в части интеграций с сопутствующими системами прикладного характера строительного объекта. Например, с программой управления инженерии системы, средой общих данных, а также единым информационным пространством. Конечно, такая интеграция будет востребована для более масштабных сооружений, чем объекты капитального строительства, но в рамках масштабирования результатов настоящего исследования такое вполне допустимо. Если принять во внимание высокую активность интенсивности развития технологий информационного моделирования можно с уверенностью утверждать, что в будущем появится необходимость в автоматизированной передаче данных и параметров на основе искусственного интеллекта (ИИ)] от разработанной цифровой платформы в цифровые информационные модели, создавая имитационные модели объектов капитального строительства, реализованные в международном формате Industry Foundation Classes (IFC). Технология реализация передачи вполне возможна, используя ИИ цифровой платформы и программные интерфейсы (REST API) с консолидацией инженерных данных.
Перспективным направлением дальнейшего развития разработанной цифровой платформы является реализация возможности экспорта отчетности в машиночитаемом формате XML. Принимая во внимание настоящую тенденцию строительного законодательства, реализация обозначенной доработки будет востребована всеми участниками строительной сферы.
Разработка и реализация информационной системы с цифровой платформой обеспечивает комплекс программно-информационного моделирования, что позволяет управлять качеством микроклимата, эффективностью работы и возможными рисками при эксплуатации теплонасосных систем в объектах капитального строительства на стадиях проектирования и реализации.
1. Skolubovich Yu.L., Anpilov S.M., Dobrovolsky D.A., Erofeev V.T., Leonovich S.N., Mailian L.R., Rimshin V.I., Sorochaykin A.N. Methods for extending the lifecycle of buildings with wooden floors [Sposoby prodleniya zhiznennogo tsikla zdaniy s derevyannymi perekrytiyami]. Proceedings of Higher Educational Institutions. Construction. 2024. No. 9 (789). Pp. 88–103. DOI:https://doi.org/10.32683/0536-1052-2024-789-9-88-103. (rus)
2. Rimshin V.I., Ketsko E.S., Esipov S.M., Merkulov S.I. Determination of factors affecting the lifecycle of a commercial building [Opredelenie faktorov, vliyayushchikh na zhiznennyy tsikl zdaniya torgovogo naznacheniya]. Eurasian Science Bulletin. 2023. Vol. 15, No. 6. Pp. 1–12. (rus)
3. Lapidus A.A., Krasnovsky B.M., Murtazaev S.A.Yu., Aliev S.A. Methodology for organizing construction of comprehensive territorial development to ensure resource and logistical coordination [Metodologiya organizatsii stroitel'stva kompleksnogo razvitiya territoriy dlya obespecheniya resursnoy i logisticheskoy koordinatsii]. Construction Production. 2025. No. 1. Pp. 3–7. DOI:https://doi.org/10.54950/26585340_2025_1_3. (rus)
4. Paskanny V.I., Lapidus A.A. Modeling of business processes of engineering companies at the stages of the lifecycle of an investment and construction project [Modelirovanie biznes-protsessov inzhiniringovykh kompaniy na etapakh zhiznennogo tsikla investitsionno-stroitel'nogo proekta]. Vestnik MGSU. 2024. Vol. 19, No. 11. Pp. 1789–1796. DOI:https://doi.org/10.22227/1997-0935.2024.11.1789-1796. (rus)
5. Telichenko V.I., Lapidus A.A., Slesarev M.Yu., Ali M.M. Lifecycle management methods for capital construction projects considering environmental and other risk factors [Metody upravleniya zhiznennym tsiklom ob"ektov kapital'nogo stroitel'stva s uchetom vliyaniya ekologicheskikh i drugikh vidov riskov]. Construction: Science and Education. 2024. Vol. 14, No. 2. Pp. 166–177. DOI:https://doi.org/10.22227/2305-5502.2024.2.166-177. (rus)
6. Fedosov S.V., Fedoseev V.N., Zaytseva I.A., Voronov V.A. Organization of comfortable life support technology in buildings with high energy efficiency class [Organizatsiya tekhnologii komfortnogo zhizneobespecheniya v stroeniyakh s vysokim klassom energoeffektivnosti]. Construction Production. 2023. No. 4. Pp. 77–82. DOI:https://doi.org/10.54950/26585340_2023_4_77. (rus)
7. Fedosov S.V., Fedoseev V.N., Zaytsev I.S., Voronov V.A., Blinov O.V., Zaytseva I.A. Software for modeling the analytical dependence of functional parameters of refrigerant droplet evaporation kinetics in air-conditioning systems: Certificate of state registration of computer program No. 2022666150, Russian Federation. Filed 08.08.2022; registered 25.08.2022.
8. Fedosov S.V., Fedoseev V.N., Zaytsev I.S., Voronov V.A., Blinov O.V., Zaytseva I.A. Program for calculating temperature heat conduction and boundary temperatures of a plate, taking into account the process of moisture desublimation on the outer surface of a heat exchanger pipeline: Certificate of state registration of computer program No. 2023663430, Russian Federation. Filed 05.06.2023; registered 22.06.2023.
9. Fedosov S.V., Fedoseev V.N., Zaytsev I.S., Voronov V.A., Blinov O.V., Zaytseva I.A. Program for calculating the temperature profile dynamics of a thermally insulated pipeline in the internal circuit of an evaporative-condensing unit of an air conditioning system: Certificate of registration of computer program No. 2022682948, Russian Federation. Filed 16.11.2022; registered 29.11.2022.
10. Fedosov S.V., Fedoseev V.N., Zaytsev I.S., Voronov V.A., Blinov O.V., Zaytseva I.A. Program for modeling the solution of the heat conduction problem of an unlimited plate: Certificate of state registration of computer program No. 2023668149, Russian Federation. Filed 15.08.2023; registered 23.08.2023.
11. Telichenko V.I., Lapidus A.A., Slesarev M.Yu. Risks of integrating artificial intelligence technologies into "green" standards [Riski integratsii tekhnologiy iskusstvennogo intellekta v «zelenye» standarty]. Industrial and Civil Engineering. 2023. No. 8. Pp. 102–108. DOI:https://doi.org/10.33622/0869-7019.2023.08.102-108. (rus)
12. Kurbatov V.L., Rimshin V.I., Shubin I.L., Volkova S.V. Information modeling and artificial intelligence in modern construction and housing and communal services. Moscow: [s.n.], 2023. (rus)
13. Volkov S.A., Khripko T.V. Application of XML schemas in forming the structure of an information model of capital construction objects [Primenenie XML-skhem pri formirovanii struktury informatsionnoy modeli ob"ektov kapital'nogo stroitel'stva]. Vestnik MGSU. 2020. Vol. 15, No. 11. Pp. 1570–1583. DOI:https://doi.org/10.22227/1997-0935.2020.11.1570-1583. (rus)
14. Chaykovskaya L.V., Kushnerev N.Yu. On the issue of introducing XML schemas in design and construction [K voprosu vnedreniya XML-skhem v proektirovanii i stroitel'stve]. BCE: Bulletin of Construction Equipment. 2026. No. 3 (1099). Pp. 11–13. (rus)
15. Krylov A.D. Machine-readable documents in information modeling standards for construction [Mashinochitaemye dokumenty v standartakh po informatsionnomu modelirovaniyu v stroitel'stve]. Vestnik of Research Center for Construction. 2023. No. 2 (37). Pp. 151–158. DOI:https://doi.org/10.37538/2224-9494-2023-2(37)-151-158. (rus)
