تنفيذ برامج في نظم HVAC للبناء الهندسي

مقدمة: لماذا مسائل إدارة البيانات والمحفوظات

وتستهلك المباني التجارية والصناعية الحديثة جزءا كبيرا من الطاقة العالمية، حيث تشكل نظم التدفئة والتخصيب وتكييف الهواء نحو 40 في المائة من مجموع استخدام الطاقة في المبنى، بينما تشديد أنظمة تكاليف الطاقة والاستدامة، يتعرض مهندسو المرافق ومشغلو المباني للضغط لتحسين الكفاءة دون التضحية بالراحة الافتراضية، ويكمن مفتاح تحقيق هذا التوازن في البيانات، وذلك بتنفيذ نماذج مختارة من خلال نظام الأداء في منطقة هونغ كونغ.

ما هي المضادات في نظم HVAC؟

وفي سياق هندسة HVAC، تعد المناقصات أجهزة قياس أو وحدات برامجية تتبع بارامترات قابلة للقياس الكمي تتصل بتشغيل النظام، وخلافا للمؤشرات البسيطة، تُعدل البيانات بمرور الوقت، مما يتيح للمهندسين تحليل الاتجاهات، وكشف الشذوذ، واتخاذ قرارات قائمة على الأدلة، ويمكن أن تكون المضادات أجهزة مادية مثبتة في القنوات أو الأنابيب أو الألواح الكهربائية، أو يمكن أن تكون مضادات افتراضية في نظام إدارة المباني.

والغرض الأساسي من هذا المواجه هو تحويل الظواهر الطبيعية الخام - مثل سرعة الهواء، أو تفاوت درجات الحرارة، أو التيار الكهربائي، أو سائل الحجم - إلى نقاط بيانات منفصلة، مثلاً، يستخدم مفاعل الطاقة جهازاً محرّلاً وجهازاً استشعارياً للفولط في حساب استهلاك الطاقة في ساعات كيلوات ساعة، وتكشف هذه البيانات، على مدى شهر، عن مدى الطاقة التي تستخدمها صناعة التبريد أو المقارنات أو المضخات المحددة.

أنواع المضادات المستخدمة في نظم HVAC

ولتحسين نظام HVAC استخداماً أمثل، يقوم المهندسون بنشر مجموعة متنوعة من الأنواع المضادة، ويخدم كل منهم غرضاً مستقلاً للرصد ويوفر بيانات حاسمة بالنسبة لمختلف جوانب إدارة النظام.

Energy Counters

وتقيس مضادات الطاقة استهلاك الكهرباء والغاز الطبيعي والطاقة الحرارية (المياه الساخنة والبخار والماء المبرد) وهي عادة ما تكون مجهزة في نقاط الإمداد الرئيسية أو على معدات فردية مثل المبردات والمغليات ومعالجات الهواء، ويمكن أن تتواصل مقابر الطاقة الحديثة عبر مودبوس، أو BACnet، أو بروتوكولات MQTT، وتغذي البيانات مباشرة في نظام إدارة المباني.

Flow Counters

وتتتبع أجهزة الموجات الصوتية حجم الهواء أو الماء المتحرك عبر نظام، وفي إطار تشغيل القنوات، تستخدم أجهزة التدفق الجوي الأنابيب الكهربية، أو أجهزة استشعار التشت الحراري، أو لوحات الأورام، وفي الحلقات المروحية المائية، قد تقاس أجهزة قياس التدفق الكهرومغناطيسي أو الموجات فوق الصوتية معدلات تدفق المياه، كما أن البيانات المتذبة ضرورية للتحقق من توازن النظام، وكشف كسور التبريد، وحساب كفاءة النقل الحراري.

معضلات الحرارة

وتسجل مضادات الحرارة الظروف الحرارية في نقاط متعددة: هواء العرض، أو هواء العودة، أو الهواء المختلط، أو أجهزة الاستشعار في المناطق، أو خطوط التبريد، وتوليد درجة حرارة في السجلات على مر الزمن، مما يخلق صورا تكشف عن أنماط التدوير، أو التستر، أو الهيستيريز، أو التحكم في هذه المواد، وتزيد من درجات الحرارة المختلفة عند تبادل الحرارة، وتكون مفيدة بوجه خاص في كشف قضايا تصاميم أو التبريد النفايات.

العمليات المضادة

فساعات تشغيلية لقطع غيار معدات مثل المكثفات والمراوح والمضخات والمحركات، وكثيرا ما تكون هذه المقابر هي الكهروميكانيكية )المقاييس التي تدوم ساعاتها( أو برامجية، تحفزها حالة الاتصال بالسيارات أو الاستشعار الحالي، وتُبلغ بيانات العمل بالجدول الزمني للتعهدات المتوقعة: يمكن خدمة المضغوط الذي يقترب من وقته المتوسط بين الإخفاقات قبل حدوث انهيار.

الضغـط والمضادات الهضمية

وتراقب أجهزة الضغط الضغط الضغط الثابت في القنوات، أو الضغط على المبردات في أجهزة الضغط، أو ضغط المياه في النظم الهيدروليكية، وتتتبع التواضع النسبي في الهواء العرضي أو المناطق المحتلة، بينما تكون هذه المضادات أقل مناقشة، جزءا لا يتجزأ من نوعية الهواء الداخلي وصحة النظام، مثلا، فإن الضغط المفرط المنخفضة جدا يشير إلى تسرب النواقل، بينما تشير الضغوط العالية على التصريف في مبردات.

فوائد البرامج المنفذة

وتسفر عن إدماج المضادات في نظم لجنة الخدمة المدنية الدولية عن فوائد تشغيلية ومالية ملموسة، وترد النقاط التالية بالتفصيل كيفية دفع البيانات من المضادات إلى تحقيق الحد الأمثل.

المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة في استخدام الطاقة

فبإمكان مضاد الطاقة في الوقت الحقيقي أن تعرض أوجه القصور مثل التدفئة والتبريد المتزامنين، أو الإفراط في استخدام المعدات، أو عدم الكفاءة في التحميل الجزئي، حيث يمكن للمهندسين أن ينفذوا التهوية التي تخضع لسيطرة الطلب، أو أن يضبطوا نقاطاً قائمة على شغل الوظائف، أو أن يُعادلوا المبردات المتسلسلة من أجل التشغيل الأمثل، وتظهر الدراسات التي أجرتها إدارة الطاقة في الولايات المتحدة أن الرصد المستمر للطاقة يمكن أن يقلل استهلاك الطاقة في منطقة HVAC للطاقة بنسبة ١٥ في المائة.

الصيانة الافتراضية

فالعمليات وأجهزة الاهتزاز تتيح الصيانة القائمة على الظروف بدلا من الجداول الزمنية الثابتة، فعلى سبيل المثال، قد يكون المروح الذي تتراكم ساعاته على مدى فترات أسرع مما كان متوقعا، يعمل دون داع، وقد يؤدي انخفاض تدفق الهواء الذي يكتشفه مكتب للتدفق الجوي إلى تنبيه إلى تصفية أو أحزمة، ومنع عمليات الإصلاح الطارئة المكلفة، وتوسيع نطاق حياة المعدات.

كشف البيانات عن الخزنة

وتولد المضادات منحنىات أداء خط الأساس لكل قطعة من المعدات، وعندما يبتعد أحد المضاد عن خط الأساس، مثلاً، فإن استهلاك الطاقة في المبردات مع ترك ارتفاع درجة حرارة المياه - يمكن أن يُظهر نظام إدارة المباني حالة شاذة، وهذا الكشف الآلي عن الأخطاء يقلل الوقت الذي يُنفق فيه على نظم التفتيش اليدوي ومشاكل الصيد في وقت مبكر، عندما تكون الإصلاحات أبسط وأرخص.

تحسين مرافق الرعاية

ومن خلال تسجيل البيانات التاريخية، يمكن للمهندسين التحقق من أن استراتيجيات الرقابة تستجيب بشكل صحيح لتغييرات الحمولة، ومن المرجح أن يقدم المشغلون الشكاوى عندما يكيف النظام تلقائيا للحفاظ على الراحة.

الامتثال والإبلاغ التنظيميان

وتحتاج العديد من الولايات القضائية الآن إلى تحديد معايير الطاقة ووضع مقاييس فرعية في المباني الكبيرة، وتوفر هذه المضادات البيانات الموثقة اللازمة للامتثال لمعايير مثل المعايير المحاسبية الدولية للقطاع العام، أو رموز الطاقة، أو الأوامر المرجعية المحلية، كما تدعم البيانات الدقيقة الوثائق اللازمة لإصدار شهادات بناء خضراء مثل نظام تخطيط الموارد في المؤسسة أو نظام بريم.

الخطوات المتخذة لتنفيذ التدابير المضادة بفعالية

ويتطلب التنفيذ المنجز لمكافحة الفساد تخطيطا دقيقا، وتركيبا، وتحليلات لما بعد التركيب، ويوفر تدفق العمل التالي إطارا قويا.

الخطوة 1: تحديد البارامترات إلى المرصد

وابتداء من إدراج مؤشرات الأداء الرئيسية التي تتمشى مع الأهداف التشغيلية للمبنى الخاص بك، وإذا كانت الأولوية هي تخفيض تكاليف الطاقة، فإن التركيز على مقابر الطاقة في حمولات رئيسية، وإذا كانت الموثوقية هي الشاغل الرئيسي، فإنه يركز على مواجهات التشغيل والهتز بالنسبة للمعدات الحرجة، ويضع مصفوفة من البارامترات مقابل المعدات لتجنب التكرار مع ضمان التغطية الكاملة.

الخطوة 2: اختيار التكنولوجيا الملائمة لمكافحة

فأجهزة الاختراع القائمة على متطلبات الدقة، والظروف البيئية، وبروتوكولات الاتصالات، مثلا، فإن قياس التدفق الكهرومغناطيسي هو مثالي للمياه النظيفة، بينما يعمل متر فوق الصوتي للمياه القذرة أو المياه المستعملة، ويتأكد من أن ناتج المضادة يطابق قدرات مدخلات نظام إدارة المباني الخاص بك )مثلا، صفر-10 V، 4-20 mA، الناتج البنفسج، أو الشبكة الرقمية(.

الخطوة 3: تحديد نقاط التركيب الاستراتيجية

وتؤثر الضبط المضاد تأثيرا مباشرا على نوعية البيانات، وينبغي تركيب أجهزة توليد الطاقة في الألواح الكهربائية الرئيسية التي تخدم معدات HVAC وفي أغطية فرعية للحمولات الفردية، وتحتاج أجهزة الموجات المتدفقة إلى أنبوب أو قطع قنوات مباشرة في أعلى المجرى لتلبية احتياجات دقيقة من المصانع الفولية (مثل 5 سمات فوق المجرى، و2 سمات في أسفل المجرى) وينبغي أن تُدرج أجهزة الاستشعار المثبتة في مواقعها بعيدا عن مواقعها.

الخطوة 4: إدماج جمع البيانات مع نظام إدارة المباني

ضمان ربط هذه المقابر من خلال شبكة موثوقة )BACnet/IP، أو Mdbus TCP، أو mesh اللاسلكي( - إن فرض قيود على نظام إدارة المباني على مقابر الاقتراع على فترات زمنية مناسبة - أخذ العينات كل ٥ إلى ١٥ دقيقة أمر نموذجي بالنسبة للطاقة والوقت غير المحدد، في حين أن درجة الحرارة والتدفق قد تحتاج إلى حل لمدة دقيقة لتحليل الاتجاهات.

الخطوة 5: تحليل البيانات وتنفيذ الإجراءات

ولا معنى للبيانات المضادة للصدمات بدون تحليل، وضع لوحات مظلة تبين القياسات الرئيسية: الاستخدام الكلي للطاقة، ساعات العمل، مؤشرات الكفاءة (كيو دبليو/تون، كيلوواط/سم)، والانحراف عن نقاط معينة، واستخدام الاتجاه لتحديد الأنماط الأسبوعية أو الموسمية، وعند فهم الأنماط، تنفيذ تسلسلات المراقبة مثل تعديل درجة حرارة المياه الباردة على أساس الذروة أو رسوم الطلب على المعدات.

الخطوة 6: التحقق المستمر والمعايرة

:: مكافحة الانجراف عبر الزمن بسبب الغبار أو اللبس الميكانيكي أو السن الإلكترونية: وضع جدول معايرة: مثلا، فحص مقابر التدفق الجوي سنويا بمسدس مبيد يدوي، والتحقق من قياسات الطاقة مقابل مطياف مرجعي محمول كل ثلاث سنوات، وإعادة أجهزة استشعار درجة الحرارة إذا ما انحرافت أكثر من 0.5 درجة مئوية.

إدماج المناقصات مع نظم إدارة المباني

ويتصرف نظام إدارة المباني الحديثة كجهاز عصبي مركزي للبيانات المضادة، فبخلاف العرض البسيط، يمكن لدائرة إدارة المباني استخدام بيانات مضادة في مراقبة القاع المغلقة، فعلى سبيل المثال، إذا أظهر مكتب تشغيلي أن مضخة ما كانت تعمل لمدة 12 ساعة متواصلة أثناء الحمل المنخفض، يمكن لدائرة إدارة المباني أن تلغي الجدول الزمني لتدوير المضخة لمدة 15 دقيقة كل ساعة للحد من الارتداء، ويمكن أن تؤدي مضادات الطاقة إلى الحد من الطلب: عندما تقترب نقطة القوة من نقطة الصنع من الحدة قبل التأجير، يمكن أن تضبط الحرارية.

وتثري برامج التحليل المتقدمة (المستندة إلى الحرق أو القائمة) بيانات مضادة أخرى باستخدام خوارزميات التعلم الآلاتي، ويمكن لهذه الأدوات أن تتنبأ بالفشل - مثل فشل مبرد في حمل السيارات يشير إلى اتجاهات مضادة للذبذبذب - وتولد تلقائياً أوامر عمل بتحليل الأسباب الجذرية.

التحديات والحلول في مجال تنفيذ تدابير مكافحة الفساد

وفي حين أن المضادات قوية، فإن نشرها يشكل عقبات، ففهم هذه التحديات يساعد المهندسين على التخطيط لاستراتيجيات التخفيف.

ألف - جمع البيانات والاعتماد عليها

ولا تعدّ المقذوفات سوى جيدة في تركيبها وصيانتها، إذ إنَّ قياسات التدفق غير الموضعية بالقرب من القوس تنتج قراءات خاطئة، وتخفف من آثارها باتباع معايير التركيب (المبدأ التوجيهي 22 من المبادئ المحاسبية الدولية للقطاع العام بشأن التأثّر)، وبالنسبة للقياسات الحرجة، تستخدم أجهزة الاستشعار التي تعمل بالنوع والتي لها وظائف تشخيصية مثبتة تنبه إلى الانجراف أو الفشل.

قضايا الشبكة والاتصالات

وكثيرا ما تفتقر منشآت إدارة المباني إلى موانئ اتصالات كافية أو عرض النطاق الترددي لمئات من المضادات الإضافية، وتستخدم البوابات لتحويل البروتوكولات، وتنظر في أجهزة الاستشعار اللاسلكية لمشاريع إعادة الطلاء، وتضمن أمن الشبكات عن طريق عزل حركة البيانات المضادة عن شبكة مستقلة من شبكة VLAN واستخدام بروتوكولات مشفرة حيثما أمكن.

التكلفة والتسويغ القائم على النتائج

ويشمل تركيب أجهزة مضادة، ولا سيما إعادة تصميم النظم القائمة، تكاليف أولية للمعدات والأسلاك والتكليف، وبناء حالة تجارية عن طريق تقدير وفورات الطاقة من الهدرات المحددة، وتخفيض ساعات الصيانة الإضافية، وتفادي استبدال المعدات، كما أن شركات متعددة للخدمات تقدم إعادة تشغيل مشاريع القياس الفرعية، والتحقق من برامج الحوافز المحلية.

عبء البيانات

وبدون تصفية دقيقة، يمكن لحجم البيانات الواردة من العديد من الأجهزة أن يغدو مشغلين للبيع، ولا يستخدم الإبلاغ القائم على الاستثناء: إلا العلم عندما يتجاوز أحد المقار عتبة أو ينحرف عن الأنماط التاريخية، وينشئ لوحات مربطة تناسب أدوارا مختلفة (مشغل، مهندس، مدير مرفق).

مستقبل مكافحة فيروس نقص المناعة البشرية/الإيدز: تحليلات إيوت ومرضية

ويتسارع تطور التكنولوجيا المضادة مع شبكة الإنترنت في الأمور، وتصبح الجيل القادم مناظر ذاتية (تستمد الطاقة من التهوية أو التدرج الحراري)، وترتبط بثياً، وتكون قادرة على تحليل أساسي دقيق للحساب قبل إرسال البيانات الموجزة إلى السحابة، مما يقلل من حمولة الشبكة ويتيح استجابات آنية على مستوى الأجهزة.

وقد أصبحت برامج التحليل الافتراضي معيارية في المرافق الكبيرة، حيث يمكن لهذه البرامج، من خلال استخدام بيانات مضادة إلى جانب التنبؤات الجوية، وأنماط شغل الوظائف، ومواصفات المعدات، أن توصي بأمثل أوقات بدء العمل، وتكييف أبراج التبريد مع التغيرات في درجة حرارة المصابيح، ومواعيد استبدال مرشحات المصابيح المتوقعة، والهدف النهائي هو نظام يعمل على تحقيق التشغيل الذاتي للتردد العالي في التحلل المستمر دون تدخل بشري.

خاتمة

ومن خلال تطبيق نظم الحفظ الآلي، تحولت المستهلك الخفي للطاقة إلى أصول شفافة يمكن إدارتها، ومن قياسات الطاقة التي تحقق وفورات إلى مكاتب التشغيل التي تحافظ على الجدول الزمني، فإن البيانات التي توفرها المكاتب تتيح للمهندسين اتخاذ قرارات دقيقة ومستنيرة، ومن خلال متابعة الخطوات المحددة لتحديد البارامترات، واختيار التكنولوجيا المناسبة، والتركيب بحكمة، والدمج مع نظام إدارة المباني، والأخذ بمستوى أفضل من تكاليف بناء النتائج، يمكن أن يحقق تخفيضات قابلة للقياس.

For further reading on HVAC instrumentation standards, consult the ASHRAE Handbook and U.S. Department of Energy’s Building Energy Codes Program energycodes.gov