Электрификация и автоматизация жилого дома – полный образец дипломной работы для студента

Введение, постановка цели и задач проекта

Рост индивидуального жилищного строительства, обусловленный общими тенденциями индустриализации, неизбежно ведет к повышению требований к качеству жизни, комфорту и энергоэффективности жилья. Современный дом — это сложный комплекс инженерных систем, и его надежность напрямую зависит от грамотно спроектированного электроснабжения. Это формирует главную проблему, которую решает данный проект: необходимость комплексного подхода к проектированию электрических сетей и систем автоматизации, который бы учитывал как требования безопасности, так и задачи энергосбережения.

Цель дипломной работы: разработка проекта электрификации и автоматизации индивидуального жилого дома, обеспечивающего безопасность, энергоэффективность и комфорт проживания.

Для достижения этой цели были поставлены следующие ключевые задачи:

• Провести анализ исходных данных и характеристик объекта.
• Выполнить расчет электрических нагрузок всех потребителей.
• Спроектировать силовые и осветительные сети дома.
• Обоснованно выбрать аппараты защиты и коммутационную аппаратуру.
• Разработать концепцию и структуру системы автоматизации («умный дом»).
• Провести технико-экономическое обоснование принятых решений и оценить их целесообразность.

1. Исходные данные и общая характеристика объекта проектирования

Основой для всех последующих расчетов служат исходные данные по объекту. Проектирование выполняется для двухэтажного кирпичного жилого дома общей площадью 180 м². Источником электроснабжения выступает существующая воздушная линия электропередачи ВЛ-0,4 кВ. Так как объект расположен в сельской местности, при проектировании необходимо учитывать специфические проблемы подобных сетей: значительную протяженность, возможные колебания напряжения и его несимметрию из-за преобладания однофазных нагрузок у соседей.

Все электропотребители в доме разделены на функциональные группы:

1. Силовое оборудование: система электрического отопления, насос системы водоснабжения, вентиляционные установки.
2. Бытовые приборы: электроплита, духовой шкаф, холодильник, посудомоечная и стиральная машины, бойлер для горячей воды.
3. Осветительная сеть: внутреннее и наружное освещение.
4. Система автоматизации: контроллер «умного дома», датчики, исполнительные устройства.

Отдельное требование заказчика — предусмотреть возможность будущего расширения системы. Для этого в главном распределительном щите необходимо заложить резервные группы автоматов для подключения новых потребителей (например, зарядной станции для электромобиля или оборудования для бани) без кардинальной переделки существующей схемы.

2. Расчет электрических нагрузок как основа для проектирования

Ключевым этапом, определяющим параметры всех элементов системы электроснабжения, является расчет электрических нагрузок. Первым шагом составляется полный перечень всех электроприемников с указанием их номинальной паспортной мощности. Сумма мощностей всех приборов дает нам показатель установленной мощности (Руст). Однако этот показатель не используется для выбора вводного кабеля, так как вероятность одновременной работы абсолютно всех устройств в доме стремится к нулю.

Для получения реальной картины потребления применяется коэффициент спроса (Кс), который также называют коэффициентом одновременности. Он учитывает статистическую вероятность совместной работы различных приборов. Для жилого дома с большим количеством потребителей этот коэффициент является решающим.

Итоговая расчетная мощность (Ррасч), которая представляет собой максимальную мощность, потребляемую домом в пиковые часы, вычисляется по формуле:

Ррасч = Руст * Кс

Именно на основе значения расчетной мощности производится выбор сечения вводного кабеля, номинала вводного автоматического выключателя и общего построения силовой схемы. Этот расчет позволяет избежать как необоснованных затрат на избыточную мощность кабелей, так и рисков перегрузки сети при недостаточном их сечении.

3. Проектирование принципиальной схемы электроснабжения и выбор кабельной продукции

На основе расчета нагрузок разрабатывается принципиальная однолинейная схема электроснабжения. Она наглядно показывает структуру сети: ввод кабеля в дом, подключение к вводно-распределительному устройству (ВРУ), и разделение на отходящие групповые линии.

Весь массив потребителей разделяется на группы по функциональному назначению и мощности. Это делается для повышения надежности и удобства эксплуатации. Например, выделяются отдельные группы для:

• Розеток каждой комнаты;
• Освещения по этажам;
• Мощных потребителей на кухне (плита, духовка);
• «Мокрых» зон (ванная, санузлы);
• Наружного освещения и уличных розеток.

Для каждой из этих групп рассчитывается собственный рабочий ток. На основе полученных токов, а также с учетом требований ПУЭ (Правила устройства электроустановок), подбирается сечение медных жил кабелей. Выбор меди в качестве материала обусловлен ее высокой проводимостью и пластичностью. После выбора сечения для каждой линии выполняется проверочный расчет по потере напряжения. Это необходимо, чтобы убедиться, что у самого удаленного потребителя в линии напряжение не упадет ниже допустимого предела (отклонение не должно превышать ±5% от номинального).

4. Обоснованный выбор аппаратов защиты и коммутационной аппаратуры

После проектирования кабельных линий необходимо выбрать устройства, которые будут их защищать. В современном щите применяются три основных типа аппаратов:

1. Автоматический выключатель (АВ): Его главная задача — защита кабеля от перегрузки (когда ток превышает номинальный) и от короткого замыкания (КЗ).
2. Устройство защитного отключения (УЗО): Оно не реагирует на перегрузки, но мгновенно отключает линию при обнаружении тока утечки. Это защищает человека от поражения электрическим током при прикосновении к поврежденному прибору.
3. Дифференциальный автомат (дифавтомат): Это комбинированное устройство, выполняющее функции и АВ, и УЗО.

Выбор номинала автоматического выключателя для каждой группы должен удовлетворять ключевому правилу: I_ном.нагр < I_ном.автомата < I_длит.доп.кабеля. То есть, номинал автомата должен быть больше тока нагрузки, но меньше, чем максимальный ток, который способен длительно выдерживать кабель. Кроме того, для корректного выбора АВ выполняется расчет токов короткого замыкания для наиболее удаленных точек, чтобы убедиться, что отключающей способности автомата хватит для срабатывания.

Установка УЗО (или дифавтоматов) является обязательной для линий, питающих ванные комнаты, уличные розетки и другие «мокрые» зоны. Для этих линий выбирается УЗО с отключающим дифференциальным током 30 мА, что является порогом безопасности для человека.

5. Проектирование системы автоматизации для повышения комфорта и энергоэффективности

Современная система электроснабжения немыслима без элементов автоматизации. Для данного объекта выбрана децентрализованная система на базе протокола Zigbee. Она не требует прокладки отдельных управляющих шин, как централизованные системы, и при этом более надежна и энергоэффективна по сравнению с решениями на базе Wi-Fi, так как создает собственную ячеистую сеть.

Ключевой подсистемой автоматизации является управление освещением. Она включает в себя умные выключатели, диммеры и датчики. Это позволяет реализовать множество сценариев:

• «Я ушел»: При активации этого сценария одной кнопкой у выхода гаснет весь свет в доме, а также отключаются розетки с неприоритетными потребителями (утюг, телевизор), что повышает безопасность.
• «Вечерний уют»: По расписанию или по команде включается приглушенный свет в гостиной и на кухне, создавая комфортную атмосферу.
• «Имитация присутствия»: Во время долгого отсутствия хозяев система автоматически включает и выключает свет в разных комнатах по вечерам для отпугивания злоумышленников.
• Автоматическое включение: Датчики движения в коридорах и санузлах включают свет только тогда, когда это необходимо, и автоматически выключают его, экономя электроэнергию.

Кроме освещения, автоматизация затрагивает и другие системы. Например, управление климатом позволяет поддерживать минимальную температуру во время отсутствия людей и прогревать дом к их возвращению, а датчики протечки воды мгновенно отправят уведомление на смартфон и могут автоматически перекрыть воду.

6. Расчет и проектирование системы заземления и молниезащиты

Обеспечение безопасности людей и защита дорогостоящего оборудования — приоритетная задача проекта. Для этого разрабатывается система защитного заземления. Для частного дома оптимальной является система TN-C-S, где происходит разделение совмещенного PEN-проводника на рабочий ноль (N) и защитный проводник (PE) на вводе в дом. Главная роль заземления — обеспечить мгновенное срабатывание аппаратов защиты (УЗО) при пробое изоляции на корпус электроприбора, предотвращая поражение током.

Для создания заземляющего устройства выполняется расчет контура заземления. Выбирается конфигурация (например, треугольник из трех вертикальных стальных стержней) и рассчитывается их длина и глубина залегания, чтобы итоговое сопротивление растеканию тока не превышало нормативное значение — не более 30 Ом для сети 220/380В.

Помимо заземления, проект предусматривает комплексную молниезащиту. Она состоит из внешней системы (молниеприемник на крыше, токоотводы и собственный заземлитель) и внутренней. Внутренняя защита реализуется установкой УЗИП (устройств защиты от импульсных перенапряжений) во вводном распределительном щите. Их задача — сгладить скачки напряжения, вызванные ударом молнии в линию электропередачи.

7. Требования по охране труда и технике безопасности на всех этапах

Проектирование электроустановки неразрывно связано с обеспечением безопасности как на этапе монтажных работ, так и в ходе дальнейшей эксплуатации. При проведении монтажа должны неукоснительно соблюдаться организационные и технические мероприятия. К ним относятся: работа по нарядам-допускам, проведение целевых инструктажей, отключение напряжения, вывешивание запрещающих плакатов и обязательное применение средств индивидуальной защиты (диэлектрические перчатки, инструмент с изолированными рукоятками).

Монтаж всего оборудования должен производиться в строгом соответствии с инструкциями заводов-изготовителей. По завершении монтажа обязательна проверка качества изоляции кабелей и правильности всех подключений.

Для жильцов дома формулируются простые правила безопасной эксплуатации: не использовать поврежденные розетки и приборы, не прикасаться к электроприборам мокрыми руками, регулярно проверять срабатывание УЗО нажатием кнопки «Тест». Кроме того, проект учитывает и санитарно-гигиенические нормы, обеспечивая достаточную освещенность во всех помещениях и параметры микроклимата, поддерживаемые системами отопления и вентиляции.

8. Технико-экономическое обоснование предложенного проекта

Любой инженерный проект должен быть не только технически грамотным, но и экономически целесообразным. Для оценки предложенных решений составляется смета капитальных затрат. Она включает три основные статьи расходов:

1. Стоимость оборудования и материалов: кабели, автоматические выключатели, УЗО, распределительные щиты, оборудование системы «умный дом».
2. Стоимость проектных работ.
3. Стоимость электромонтажных работ.

Особое внимание уделяется расчету экономического эффекта от внедрения энергосберегающих технологий. Основную экономию дает система автоматизации. Сравнивая прогнозируемое энергопотребление с автоматическим управлением освещением (по датчикам движения) и отоплением (понижение температуры во время отсутствия) с традиционной системой без автоматики, можно рассчитать годовую экономию в кВт*ч. На основе этой экономии и текущих тарифов на электроэнергию рассчитывается простой срок окупаемости инвестиций именно в систему автоматизации.

Расчеты показывают, что, несмотря на начальные вложения, проект является целесообразным не только с технической точки зрения (повышение комфорта и безопасности), но и с экономической, так как позволяет существенно сократить эксплуатационные расходы в долгосрочной перспективе.

Заключение, подведение итогов и выводы

В рамках выполненной дипломной работы был разработан и всесторонне обоснован комплексный проект электрификации и автоматизации современного индивидуального жилого дома. В ходе работы были решены все поставленные задачи и получены ключевые результаты: рассчитаны электрические нагрузки, на их основе спроектирована надежная схема электроснабжения, выбраны сечения кабельных линий и номиналы аппаратов защиты.

Предложена и обоснована энергоэффективная система автоматизации «умный дом», позволяющая не только повысить комфорт проживания, но и значительно сократить потребление электроэнергии. Также были спроектированы необходимые системы безопасности — защитное заземление и молниезащита. Технико-экономическое обоснование подтвердило целесообразность вложенных средств.

Таким образом, можно сделать главный вывод: разработанное проектное решение полностью соответствует современным требованиям, предъявляемым к жилым зданиям в части безопасности, комфорта и энергосбережения. Поставленная в начале работы цель может считаться успешно достигнутой.

Список использованной литературы

1. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. / Под общей ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т. 1. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 456с.
2. ПУЭ. 7 издание. Дополненное с исправлениями. – М.: ЗАО «Энергосервис», 2007. Козлов В.А., Библик Н.И. Справочник по проектированию электроснабжения городов. – Л.: «Энергоатомиздат», 19810.
3. Козлов В.А. Электроснабжение городов.  Л.: «Энергоатомиздат», Ленинградское отделение, 1988. – с изменениями и дополнениями.
4. Тулчин И.К., Нудлер Г.И. Электрические сети и электроснабжение жилых и общественных зданий. – М.: «Энергоатомиздат», 1990.
5. Проектирование электрического освещения: Учебное пособие / Н.А. Фалилеев, В.Г. Ляпин; Всесоюзный сельхозинститут заочного обучения. М.: 1989. — 97с.
6. Справочная книга по светотехнике/ Под ред. Ю.Б.Айзенберга. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 472с.
7. Автоматизация производственных процессов. /И. Ф. Кудрявцев, О.Б. Карасёв, Л.Н. Матюнина. – М.: Агрпромиздат,1985. – 223 с.
8. Курсовое и дипломное проектирование по электроснабжению сельского хозяйства / Л.И. Васильев, Ф.М. Ихтейман, С.Ф. Симановский и др. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Агропромиздат, 1989. — 159с.
9. Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03
10. Естественное и искусственное освещение. СНиП 23-05-2010/
11. Справочник электрика по электрооборудованию сельского хозяйства для студентов 4, 5, 6 курсов специальности 311400 «Электрификация и автомотизация сельского хозяйства» очной и заочной формы обучения. – Кострома: КГСХА, 2005. – 102 с.
12. Рыжов С.В. Комплекты оборудования для животноводства: Справочник. — М.: Агропромиздат, 1986. — 352с.
13. Кестер У. Аналогово-цифровое преобразование: Под ред. У. Кестера М.: Техносфера, 2007. 1016 с.; ил.
14. Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналогово-цифрового преобразования и средств мультимедиа. Выпуск 1 – М. ДОДЭКА, 1996 г., 384 с.
15. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств.– М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005.–528 с.
16. Безопасность жизнедеятельности: Методические указания к самостоятельным работам / Сердюк В.С., Игнатович И.А., Кирьянова Е.Н., Стишенко Л.Г. – Омск: ОмГТУ, 2007.
17. LM317. 1.2V to 37V voltage regulator. datasheet.– stmicroelectronics, 1998.
18. Никитинский В.З. Маломощные силовые трансформаторы.–М.: «Энергия», 1968.–47 с.
19. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / П. П. Мальцев и др. – М.: Радио и связь, 1994. –240 с.
20. Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров/А.-Й. К Марцинкявичюс, Э.-А. К. Багданскис, Р.Л.Пошюнас и др.; Под. ред. А.-Й. К Марцинкявичюса, Э.-А. К. Багданскиса.– М.: Радио и связь, 1988.-224 с.; ил.
21. Интегральные микросхемы: Микросхемы для линейных источников питания и их применение. Издание второе, исправленное и дополненное – М. ДОДЭКА, 1998 г., 400 с.
22. Типовые нормы времени на разработку конструкторской документации. – 2-е издание., доп. – М.: Экономика, 1991.– 44 с.
23. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. –М.: Высшая школа, 1988. – 448 с.
24. Магомет Р.Д., Березкина Е.В. Безопасность жизнедеятельности: учебно-методический комплекс / — СПб.: Из-во СЗТУ, 2009, — 168 с.
25. «Справочник по проектированию электрических сетей» / Под редакцией Д.Л. Файбосовича. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2006. – 320 с. ил.
26. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, строений и производственных коммуникаций. СО 153-343.21.122-2003.
27. Правила пожарной безопасности РД 153.-34.0-03.301-00 (ВППБ 01-02-95). — М.: Изд-во стандартов, 2000.
28. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. №261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
29. Федеральный закон Российской Федерации от 26 марта 2003 г. № 35-ФЗ «Об электроэнергетике»