сотрудник с 01.01.2018 по 01.01.2025
Иваново, Ивановская область, Россия
Россия
Россия
В статье рассматривается инженерная цифровизация как инструмент имитационного моделирования комфортного жизнеобеспечения объектов капитального строительства. Представлена концепция аналого-цифрового описания полного жизненного цикла здания, основанная на интеграции модульно-цифровой платформы, программируемых логических контроллеров и промышленной шины RS485. Разработанный программно-аппаратный комплекс опирается на авторские физико-математические модели нестационарных теплофизических процессов внутреннего контура теплонасосных систем. Платформа обеспечивает двусторонний обмен данными в реальном времени через протоколы BACnet и Modbus, позволяя прогнозировать критические риски эксплуатации, такие как образование наледи на испарителе, попадание жидкой фазы хладагента в компрессор и возникновение гидравлических ударов. Особое внимание уделено применению моделирования на всех этапах жизненного цикла: от технико-экономического обоснования на предпроектной стадии до верификации параметров при строительстве, энергоэффективной эксплуатации с экономией электроэнергии до 60% и планирования экологичной утилизации. Структура системы визуализирована с использованием языка ArchiMate, демонстрируя взаимосвязь бизнес-процессов, информационных модулей и исполнительных устройств. Показано, что разработанная цифровая среда формирует основу для имитационного управления микроклиматом, минимизации аварийности и продления ресурса оборудования. В перспективе платформа может быть интегрирована с искусственным интеллектом и BIM-средами через REST API с экспортом данных в формате XML, что соответствует современным трендам цифровизации строительной отрасли
управление жизненным циклом, объекты капитального строительства, теплонасосные системы, цифровой двойник, имитационное моделирование
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. Сколубович Ю.Л., Анпилов С.М., Добровольский Д.А., Ерофеев В.Т., Леонович С.Н., Маилян Л.Р., Римшин В.И., Сорочайкин А.Н. Способы продления жизненного цикла зданий с деревянными перекрытиями // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2024. №9 (789). С. 88–103. DOI:https://doi.org/10.32683/0536-1052-2024-789-9-88-103
2. Римшин В.И., Кецко Е.С., Есипов С.М., Меркулов С.И. Определение факторов, влияющих на жизненный цикл здания торгового назначения // Вестник евразийской науки. 2023. Т. 15, №6. С. 1–12.
3. Лапидус А.А., Красновский Б.М., Муртазаев С.А.Ю., Алиев С.А. Методология организации строительства комплексного развития территорий для обеспечения ресурсной и логистической координации // Строительное производство. 2025. №1. С. 3–7. DOI:https://doi.org/10.54950/26585340_2025_1_3
4. Пасканный В.И., Лапидус А.А. Моделирование бизнес-процессов инжиниринговых компаний на этапах жизненного цикла инвестиционно-строительного проекта // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19, №11. С. 1789–1796. DOI:https://doi.org/10.22227/1997-0935.2024.11.1789-1796. DOI:https://doi.org/10.22227/1997-0935.2024.11.1789-1796
5. Теличенко В.И., Лапидус А.А., Слесарев М.Ю., Али М.М. Методы управления жизненным циклом объектов капитального строительства с учетом влияния экологических и других видов рисков // Строительство: наука и образование. 2024. Т. 14, №2. С. 166–177. DOI:https://doi.org/10.22227/2305-5502.2024.2.166-177.
6. Федосов С.В., Федосеев В.Н., Зайцева И.А., Воронов В.А. Организация технологии комфортного жизнеобеспечения в строениях с высоким классом энергоэффективности // Строительное производство. 2023. №4. С. 77–82. DOI:https://doi.org/10.54950/26585340_2023_4_77
7. Федосов С.В., Федосеев В.Н., Зайцев И.С., Воронов В.А., Блинов О.В., Зайцева И.А. Программа для моделирования аналитической зависимости функциональных параметров кинетики испарения капель рабочего хладагента в контуре воздушных теплохолодильных систем: свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ №2022666150 Рос. Федерация. Заявл. 08.08.2022; зарег. 25.08.2022.
8. Федосов С.В., Федосеев В.Н., Зайцев И.С., Воронов В.А., Блинов О.В., Зайцева И.А. Программа расчета температуротеплопроводности и граничных температур пластины, учитывающая процесс десублимации влаги на наружной поверхности трубопровода теплообменного прибора: свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ №2023663430 Рос. Федерация. Заявл. 05.06.2023; зарег. 22.06.2023.
9. Федосов С.В., Федосеев В.Н., Зайцев И.С., Воронов В.А., Блинов О.В., Зайцева И.А. Программа расчета динамики профиля температур теплоизолированного трубопровода внутреннего контура испарительно-конденсационного блока воздушной теплохолодильной установки: свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2022682948 Рос. Федерация. Заявл. 16.11.2022; зарег. 29.11.2022.
10. Федосов С.В., Федосеев В.Н., Зайцев И.С., Воронов В.А., Блинов О.В., Зайцева И.А. Программа для моделирования решения задачи теплопроводности неограниченной пластины: свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ №2023668149 Рос. Федерация. Заявл. 15.08.2023; зарег. 23.08.2023.
11. Теличенко В.И., Лапидус А.А., Слесарев М.Ю. Риски интеграции технологий искусственного интеллекта в «зеленые» стандарты // Промышленное и гражданское строительство. 2023. №8. С. 102–108. DOI:https://doi.org/10.33622/0869-7019.2023.08.102-108.
12. Курбатов В.Л., Римшин В.И., Шубин И.Л., Волкова С.В. Информационное моделирование и искусственный интеллект в современном строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве. Москва: [б. и.], 2023.
13. Волков С.А., Хрипко Т.В. Применение XML-схем при формировании структуры информационной модели объектов капитального строительства // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15, №11. С. 1570–1583. DOI:https://doi.org/10.22227/1997-0935.2020.11.1570-1583.
14. Чайковская Л.В., Кушнерев Н.Ю. К вопросу внедрения XML-схем в проектировании и строительстве // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2026. №3 (1099). С. 11–13.
15. Крылов А.Д. Машиночитаемые документы в стандартах по информационному моделированию в строительстве // Вестник НИЦ Строительство. 2023. №2 (37). С. 151–158. DOI:https://doi.org/10.37538/2224-9494-2023-2(37)-151-158
