Нанотехнологии «интеллектуализации» учета энергоресурсов и подавления пожарно-энергетического вреда в инженерных системах жилых зданий. Часть 2

Впоследние годы в России участились случаи взрывов природного газа в жилых домах. Так, по данным ОАО «Росгазификация», ежегодно в жилом секторе происходят порядка 200 различных инцидентов, связанных с использованием газа. При этом число взрывов и социально-экономические потери от них возрастают (рис. 1), а «Ростехнадзор» возлагает вину за произошедшее на человеческий фактор, разделяя последствия на следующие категории – повреждение и обрушение зданий (уничтожение жилого фонда), гибель и травмы людей, материальный ущерб, психологическое воздействие на население, загрязнение

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис.1. Графики числа взрывов газа, травм, погибших и ущерба в жилом секторе России

окружающей среды. Эпицентры взрывов в подавляющем большинстве случаев находились внутри квартир. При этом около 80% пострадавших отравились продуктами горения и 20% – в результате взрывов газовоздушной смеси и пожаров [1].

Из ряда пожарно-технических экспертиз следует, что некоторые взрывы и пожары в жилом секторе возникали из-за утечки газа из внешних газопроводов путем натекания в квартиры первых и последних этажей и последующего взрыва/загорания от искро-образования в электроустановочных изделиях [2].

Очевидным решением для предотвращения утечек бытового газа является установка на газовом вводе в квартиру / индивидуальный жилой дом счетчика учета потребления газа с электромагнитным клапаном (рис. 2), отключающим подачу газа в случае его утечки [3], а также дополнение электро-счетчика-извещателя-подавителя пожарно-электрического вреда (ЭСИП ПЭВ) датчиком на бытовой газ [4], чтобы обнаружить подобную утечку и предотвратить взрыв путем отключения электроэнергии в квартире / индивидуальном жилом доме с помощью блока компенсации реактивной мощности (БКРМ) ЭСИП ПЭВ (рис. 3), что превращает такое комплексирова-ние в электро-газо-счетчик-извещатель-подавитель ПЭВ (ЭГСИП) [5].

Гранд-SPI (рис. 2) предназначен для коммерческого учета расходуемого природного газа индивидуальными потребителями и включает в себя [3]: – преобразователь расхода газа – струйный генератор и пьезоэлемент;

– встроенный датчик температуры;

– встроенный датчик давления;

– аналого-цифровой блок;

– вычислительный блок;

– интерфейсный блок;

– элемент автономного питания;

– GSM/GPRS модем (в зависимости от исполнения);

– датчик утечки газа;

– запорный клапан (в зависимости от исполнения);

– корпус счетчика с присоединительными патрубками.

Рис. 2. Газовый счетчик Гранд-SPI с датчиком утечки и с электромагнитным клапаном

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 3. Блок-схема ЭГСИ с БКРМ

Обмен данными газового счетчика и управление электромагнитным запорным клапаном с внешних устройств, с ЭГСИП ПЭВ в частности, может осуществляться посредством встроенного GSM-модема или проводами с технологического разъема [3].

В этом случае появляется возможность определения уже пожарно-энергетического вреда с размерностью Мдж по формуле [5]:

ПЭВ = kДж•(РД•Wд + РНД•Wнд) + qг•Рг•Wг, (1)

где ПЭВ – пожарно-энергетический вред за время t, kДж– коэффициент перевода киловатт/час в Джо- ули (3,6 мДж); qг – теплотворная способность газа (35 мДж/м3); РГ – вероятность пожара от газовых приборов; Wг – объем потребляемого газа, Рд – вероятность пожара от электроприборов при качественной электроэнергии; Wд – объем качественной электроэнергии, потребленной электроприборами; Рнд – вероятность пожара от электроприборов при некачественной электроэнергии; Wнд – объем некачественной электроэнергии, потребленной электроприборами.

Однако ЭГСИП ПЭВ не сможет защитить квартиру или индивидуальный жилой дом от пожара и взрыва, если они возникли не от электроприборов и собственной утечки газа, а, например, от неосто-

Рис. 4. Мембранный сепаратор воздуха («а») и термомагнитный сепаратор воздуха («б»)

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ рожного обращения с огнем или тлеющего окурка, а также от утечки бытового газа извне (внешнего газопровода, соседней квартиры и т.д.). Только применение установок газового пожаротушения (а не воды!), которые понижают концентрацию кислорода в защищаемых помещениях, позволяет подавить возгорание без повреждения мебели, приборов и предметов быта [6].

Поэтому возникла идея использовать трубопровод аспирационной системы для подачи азота в защищаемые помещения, например, путем стыковки ЭГСИП ПЭВ с мембранным (рис. 4 «а») сепаратором воздуха (МСВ) или термомагнитным (рис. 4 «б») сепаратором воздуха (ТМСВ), т.к. такое комплек-сирование позволит осуществить полное подавление определяемого ПЭВ и обнаруженных опасных факторов пожара и взрыва (ОФПВ) без нанесения ущерба приборам и предметам быта, что и было защищено патентами РФ [7, 8].

Таким образом, окончательной задачей в «устранении беспорядка» при автоматизации жизнеобеспечения жилого сектора, является комплексирование ЭГСИП ПЭВ с нанотехнологиями газоразделения воздуха и с «интеллектуальными» счетчиками горячей и холодной воды [9] в локальную автоматизированную микросистему диагностики и учета потребляемых энергоресурсов в жилом секторе [5], в т.ч. с подавлением возникающих при этом коммунальных аварий, а также ПЭВ и ОФПВ с помощью электро-газо-водо-счетчика-извещателя-подавителя (ЭГВСИП).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Системный синтез оптимальной модели ЭГВСИП привел к следующим очевидным решениям.

Во-первых, в качестве счетчиков горячей и холодной воды были выбраны приборы «Гранд СВ ТЛМ» (рис. 5), предназначенные для измерений объемов холодной питьевой и горячей воды по стандартам (СанПиН 2.1.4.1074-01 и СанПиН 2.1.4.2496-09), имеющие [9]:

– проточную измерительную камеру с крыльчаткой и датчиком температуры;

– аналого-цифровой блок с жидкокристаллическим индикатором (ЖКИ), клавиатурой, импульсным входом/выходом и GSM каналом связи;

– внешний запорный клапан (с управлением через интерфейсы: MODBUSRTU, GSM, GPRS, Bluetooth).

Во-вторых, такое комплексирование потребовало введения в ЭГВСИП (рис. 6) более мощного контроллера (3) с модулями (3.1–3.3) и портами ввода-вывода (3.4–3.10).

В-третьих, ЭГВСИП с помощью внешнего блока сепарации воздуха (БСВ) легко унифицируется, т.к. состоит только из трубопроводов и электромагнитных клапанов [6]:

– под квартиры в высотных жилых зданиях, где нет газоснабжения и трехфазное электропитание квартир, а МСВ с дополнительными электромагнитными клапанами и блоком запуска его электрокомпрессора, включая дизель резерва (рис. 7 «а»), устанавливается на техническом этаже (рис. 7 «б») или в подвале с соответствующей «разводкой» азотного и воздушного трубопроводов по квартирам параллельно с трубами водоснабжения (рис. 7 «в»),

– под квартиры в многоквартирных жилых зданиях, где используется газоснабжение и однофазное электроснабжение и может использоваться МСВ аналогично высотным зданиям или ТМСВ, который устанавливается рядом с ЭГВСИП в при-

Рис. 5. Счетчики холодной и горячей воды с электромагнитными запорными клапанами

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

2.2

2.4

N

2.5 |7

← 2.3

L3

=Uу

~U1

~U2

L1

L2

Рис.6. Блок схема ЭГВСИП

~U3

~ ~

~

I1

I2

I3

хожей, т.к. алгоритмы его функционирования и работы БСВ остаются неизменными,

– под индивидуальный жилой дом (рис. 8), где может быть использован ТМСВ и/или МСВ.

Унификация позволяет выпускать и устанавливать специфицированные ЭГВСИП:

– с газовым счетчиком,

– с одним или несколькими водяными счетчиками, – с БКРМ для трехфазного и/или однофазного электроснабжения,

– с ТМСВ для квартир и небольших индивидуальных домов,

– с МСВ для многоквартирных и высотных жилых домов.

Таким образом, структура и алгоритмы работы ЭГВСИП, описание которых приведены ниже, не зависят от его спецификации.

На входе в БСВ (2), который питается от ЭГВСИП (1) и его аккумулятора (9), установлены электромагнитные клапаны (2.4,2.5), через которые подключаются трубопроводы (2.2, 2.3), идущие по стоякам здания рядом с трубами водоснабжения и водоотведения от МСВ (11), устанавливаемого в помещении технического этажа/подвала и включаемого контроллером (3) через порт ввода-вывода (3.4) при обнаружении ОФПВ в защищаемых помещениях (12) с помощью ЭГВСИП (1).

Одновременно через БКРМ (4) отключается электроэнергия в квартире/доме и «переключается» камера (1.1) с электровентилятором (1.7) и датчиками (1.2–1.6) с помощью электромагнитного клапана (2.1) на обнаружение ОФПВ в помещении, где установлен ЭГВСИП, а также включается оповещение жильцов об эвакуации через жидкокристаллический индикатор с пьезомодулем (ЖКИП) (10).

Из воздуха, высасываемого БСВ (2) из помещения, где он установлен, через воздушный канал (2.2) МСВ (11) отделяет кислород, который выводится или в вентиляционную систему, или наружу здания, а сепарированный азот возвращается обратно через азотный канал (2.3) и трубопроводы аспирационной системы (1.8), чем обеспечивается быстрое понижение концентрации кислорода в защищаемых помещениях (12) до уровня, при котором горение или взрыв невозможны, причем ЭГВСИП (1) продолжает регистрацию ОФПВ, т.к.камера (1.1) оста-

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

a)

Рис. 7. МСВ на техническом этаже (а), разрез высотки с азотным и воздушным трубопроводами (б), планировка этажа с ЭГВСИП (в)

ется подключенной с помощью электромагнитного клапана (2.1) к части трубопровода аспирационной системы (1.7), регистрируя и записывая в память значения от датчиков температуры (1.2), задымленности (1.3), концентрации окиси углерода (1.4), бытового газа (1.5) и кислорода (1.6) в помещении (как правило, в прихожей у входной двери), где установлен ЭГВСИП, для сравнения и идентификации как возникающих изменений в защищаемых помещениях (при отсутствии ОФПВ), так и момента окончания процесса подавления ОФПВ, при котором контроллер отключает МСВ [5,6].

Применение GSM-радиомодема (5), подключаемого через порт ввода-вывода (3.10), позволяет реализовать передачу данных о потреблении вычисленных контроллером (3) «качественных ресурсов», регистрируемых АЦП (3.2) с коммутатором каналов (3.1) или получаемых от внешних счетчиков, а именно:

– электроэнергии соответствующей ПКЭ,

– горячей воды по счетчику (6) со «справедливой оплатой» в соответствии с фактическим диапазоном температуры, подключенного через порт ввода-вывода (3.9),

– холодной воды по счетчику (7) через тот же порт ввода-вывода (3.9),

– бытового газа по счетчику газа (8), подключенного через порт ввода-вывода (3.8).

Передача данных осуществляется контроллером (3) в соответствующие снабжающие организации или/и управляющие компании через GSM-радиомодем (5), подключаемый через порт ввода-вывода (3.10).

Контроллер (3) через ЖКИП-модуль (10) и GSM-радиомодем (5) реализует следующие типы тревожных сигналов и алгоритмы их функционирования:

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

б)

Рис.8. Индивидуальный жилой дом (а) и планировки этажей с ЭГВСИП и ТМСВ (б, в)

– звуковые и светодиодные мигающие сигналы оповещения по видам ОФПВ или аварии в месте расположения ЭГВСИП (утечка бытового газа, пожароопасный диапазон потребления электроэнергии, отключение электроэнергии, воды и т.д.), которые можно отключить кнопкой «сброс оповещения», если кто-то из лиц, находящихся в защищаемых помещениях, смог принять меры по ликвидации ОФПВ или аварии, при этом SMS-сообщение владельцу защищаемых помещений и управляющей компании будет отправлено в обязательном порядке;

– звуковые и светодиодные мигающие сигналы оповещения по видам ОФПВ в месте расположения ЭГВСИП и передачу SMS-сообщения с сохранением квитанции его доставки в памяти при отсутствии через установленный интервал времени «сброса оповещения» (отсутствия лиц в защищаемых помещениях или недостаточностью принятых мер после первого «сброса»), при утечке бытового газа – в газоаварийную службу и владельцу, в управляющую компанию и владельцу, при пожароугрожаемом диапазоне потребления/ отключения электроэнергии – в энергонадзор, в энергосбытовую организацию, в управляющую компанию и владельцу, при пожаре (загорание плюс эвакуация) – в пожарную охрану, в управляющую компанию и владельцу.

Легко видеть, что использование ТМСВ вместо МСВ в квартире или в индивидуальном жилом доме происходит аналогичным образом [6].

Принципиальным отличием применения ЭГВСИП при этом является наличие в нем датчика кислорода, что позволяет контролировать его концентрацию как при отсутствии ОФПВ, так и после их обнаружения и включения МСВ или ТМСВ для их подавления [4, 10].

Представляются перспективными дальнейшие исследования и эксперименты по дополнению ЭГВСИП сенсором на углекислый газ, который также входит в ОФП (табл. 1), но не столько для их обнаружения [4], сколько для мониторинга среды обитания в квартире/индивидуальном жилом доме на предмет создания оптимальных условий жизнедеятельности, включая контроль и управление отоплением [13, 14], а также вентиляцией и кондиционированием воздуха с учетом энергосбережения и самоорганизации безопасной жизнедеятельности [12, 15].

С точки зрения эффективности использования МСВ [16], в т.ч. мобильных мембранных установок различной производительности [17], представляется интересной практика ООО «Краснодарского компрессорного завода» [18] по оказанию услуг по применению атмосферного азота предприятиям и организациям угледобывающей [19] и нефтегазовой отраслей [20], в т.ч. на труднодоступных объектах [21].

Дело в том, что и за рубежом, и в нашей стране для противопожарной защиты различных объектов, в т.ч. многоквартирных и высотных жилых зданий, используют так называемые сухотрубы, которые представляют собой систему противопожарного водоснабжения, устанавливаемую для больших площадей и где уместно держать водопровод пустым в целях экономии из-за технических возможностей или если огнетушащий состав может замерзнуть, приведя к разрывам труб, что позволяет быстро, без прокладки рукавных линий подать воду от прибывшего пожарного автомобиля. При этом в обязательном порядке сухотрубы устанавливаются [22, 23]: – в многоэтажных жилых домах высотой от 36 до 50 м или до 75 м с пожарными кранами в шкафах на каждом этаже;

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

– в многофункциональных зданиях высотой до 50 м с пожарными кранами (библиотеки, административные строения, гостиницы, больницы);

– с запорными вентилями на чердаках и лестничных пространствах в двухэтажных постройках V степени огнестойкости с 4-мя и более квартирами.

Принимая во внимание тенденцию строительства высотных жилых зданий с группировкой их в микрорайоны (рис. 9), возникает идея:

– во-первых, вместо установки в каждом доме МСВ вывести «воздушный» и «азотный» трубопроводы на фасад здания, как это делается для сухотрубов [23];

– во-вторых, укомплектовать пожарные части, которые охраняют такие микрорайоны, мобильными азотными установками (рис. 10), чтобы за счет раннего и достоверного обнаружения ОФП [10] при соизмеримых временах «запуска МСВ» и следования боевого расчета к объекту пожара в микрорайоне сэкономить единовременные и текущие затраты на монтаж и эксплуатацию «десятков МСВ» в зданиях микрорайона.

Следует отметить, что ООО «Краснодарский компрессорный завод» совместно с Донским государственным техническим университетом в рамках Постановления Правительства РФ № 218 разработал в 2013 году проект постановки на производство сепараторов воздуха и выпуск стационарных и мобильных средств противопожарной защиты на их основе, который, однако, не нашел поддержки в указанном конкурсе [24].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате системного анализа проблем безопасной жизнедеятельности в жилом секторе (в квартирах жилых зданий, в индивидуальных жилых домах) городов и населенных пунктов регионов России выявлены принципиальные недостатки в организа-

Рис. 9. Микрорайон Левенцовский

Рис. 10. Азотная станция ТГА-5/10 (а) и пожарный автомобиль ККЗ (б)

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ции и автоматизации учета потребляемых энергоресурсов (электроэнергии, газа, горячей и холодной воды) в жилом секторе.

На основе разработанного вероятностно-физического подхода в возникновении пожарно-энергетического вреда в жилом секторе при потреблении электроэнергии и газа осуществлен последовательный системный синтез способа и средств диагностики пожарно-энергетического вреда с нанотехнологиями его подавления с помощью электро-газо-счетчика-изве-щателя-подавителя (блока компенсации реактивной мощности и блока сепарации воздуха), которые совместно с мембранным или термомагнитным сепараторами воздуха обеспечивают пожаровзрывозащиту квартиры/индивидуального жилого дома.

Осуществлена оптимизация и автоматизация учета горячей и холодной воды, в результате которых разработана модель универсального электро-газо-водосчетчика-извещателя-подавителя (ЭГВСИП)

и схема его применения в квартирах многоэтажных жилых зданий и индивидуальных жилых домах.

Предлагаемый подход, по мнению авторов, призван «устранить беспорядок» в функционировании инженерных систем в многоквартирных зданиях и индивидуальных жилых домах, а также осуществить оптимальную автоматизацию жизнеобеспечения жилого сектора, независимо от структур ре-сурсоснабжающих/управляющих компаний и территориальных аварийных и надзорных служб.

Разработанный метод и ЭГВСИП позволяют в кратчайшие сроки реализовать его внедрение с помощью реинвестиционной модели системы адаптивного пожарно-энергетического налогообложения физических лиц в жилом секторе [6, 10, 11].

Проведенные исследования показали, что предлагаемый подход может быть реализован на объектах торговли, здравоохранения, образования, науки и культуры [2, 12, 24].