CC BY
48
УДК 658.264 ББК 3350.7-420.7
В В. ТАРАСОВА, В.А. ТАРАСОВ, А.Г. КАЛИНИН, ВВ. АФАНАСЬЕВ, В.Г. КОВАЛЕВ
ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ
Ключевые слова: автоматизированный тепловой пункт, регулирование расхода тепловой энергии, нестационарные режимы, программируемый логический контроллер, архив данных.
Целью исследований явилось изучение динамических характеристик системы автоматического регулирования отопления здания. На основе обработки данных архива программируемого логического контроллера, установленного на автоматизированном тепловом пункте, получены зависимости расхода воды в системе отопления, разности температур прямой и обратной воды в ней, ее фактической мощности, температур прямой и обратной воды, мощности тепловых потерь, температуры в помещении от времени. Показана возможность управления мощностью системы отопления в широком диапазоне за счет изменения расхода воды в подающей магистрали с помощью регулировочного клапана.
V. TARASOVA, V. TARASOV, A.KALININ, V. AFANASYEV, V. KOVALEV RESEARCH INTO DYNAMIC CHARACTERISTICS OF AUTOMATIC BUILDING HEATING CONTROL SYSTEM
Key words: automated heat point, control of heat energy flow, transient modes, programmable logic controller (PLC), data archive.
The aim of research was to study the dynamic characteristics of the system of automatic control of building heating. Processing archive data of PLC mounted on the automated heating unit allowed to obtain dependences on the time of water discharge in the heating system, the difference in water temperatures of the forward and return flow, the actual power of the heating system, the water temperature of its forward and return flow, heat loss power, room temperature. Studies showed a possibility to control the power of the heating system by changing the water discharge in the flow pipe through introducing a control valve.
Применяемые в настоящее время системы управления отоплением не обеспечивают комфортных условий в помещениях: в нестационарных режимах при значительных суточных изменениях температуры окружающей среды происходят «перетопы», вызывающие перерасход тепловой энергии, и «недотопы», вызывающие перерасход электроэнергии, потребляемой электронагревательными приборами. Такое качество регулирования тепловой мощности вызвано несовершенством алгоритмов управления, основанных на упрощенных математических моделях и использовании усредненных статических характеристик объектов [1, 2].
Для повышения качества управления отоплением и эффективного использования тепловой энергии необходима разработка систем и алгоритмов адаптивного управления отоплением. Автоматизированная система адаптивного управления отопительными режимами зданий, использующая программируемые логические контроллеры и обобщенные математические модели процессов теплообмена, позволяет поддерживать заданные температурные режимы зданий при фактических и прогнозных изменениях параметров окружающей среды, исключить «перетопы» и «недотопы», сократить потребление энергоносителей и платежи [2, 4].
В рамках программы энергосбережения студенческими конструкторскими бюро «Энергосбережение» и «Энергоавтоматика» факультета энергетики и электротехники Чувашского государственного университета с участием ООО «Инженерно-технический центр ГорИСС» смонтирована система автоматического управления отоплением на базе серийного программируемого контроллера ОВЕН ПЛК 150 (далее - ПЛК), использующего среду разработки CODESYS (рис. 1).
Система реализует непрерывный контроль расхода и температуры прямой и обратной воды из подающей магистрали, расхода и температуры прямой воды, поступающей в систему отопления, а также контроль давления воды на входе и выходе тепловой сети [3]. С помощью датчиков контролируются также температуры наружного воздуха, воздуха внутри помещения и внутри стены. Сигналы с датчиков направляются в шкаф автоматики и обрабатываются контроллером и его периферией. Данные с ПЛК передаются по Ethernet-кабелю на OPC-сервер, с которого, используя различные scada-программы и среду CodeSys, можно менять параметры системы управления и алгоритмы для ПЛК. Система автоматического управления позволяет контролировать в режиме реального времени и сохранять в архиве данных программируемого контроллера все параметры системы теплоснабжения здания и данные о температурах наружного воздуха, в толще стены и воздуха внутри помещения.
Программа, разработанная в среде CodeSys, считывает в ПЛК с датчиков текущие переменные: Tmag - температура воды в подающей магистрали; Tnar -температура наружного воздуха; Tpod - температура подачи воды в здание; Tobr - температура обратной воды из системы отопления здания; Tin - температура воздуха внутри здания; IG - токовый сигнал с датчика расхода воды в системе отопления.
Программа позволяет управлять режимом отопления любого здания за счет изменения значений удельной отопительной характеристики q0, Вт/(м3-°С) и объема здания V, м3, предусмотрено также вычисление и сохранение в архиве таких данных, как Gkubs - расход воды в системе отопления здания, м3/с;
Gkubh - расход воды в системе отопления здания, м3/ч; Pfakt -фактическая мощность системы отопления здания, кВт; Ppoter - мощность тепловых потерь здания, кВт.
Фактическая мощность системы отопления здания
Pfakt _ Gkubs ' cp 'Р' (Tpod ~ Tobr К (1)
где cp - теплоемкость воды; р - плотность воды. Мощность тепловых потерь здания
P _ V' q0 • (Tin Tnar) (2)
Ppoter _ 1000 . (2) Расход воды в подающей магистрали
вш _ ' 3600P,a„ (3)
р • cp • (T^mag Tobr )
Коэффициент смешения, равный отношению масс смешиваемых потоков охлажденной и высокотемпературной воды, рассчитывается по выражению
Tmag Tpod
U _
Расход воды в перемычке
Tpod Tobr
вper U ' вт.
Для поддержания заданной температуры в здании при любых погодных условиях необходимо обеспечить равенство фактической мощности системы отопления здания и мощности тепловых потерь. При резких колебаниях температуры наружного воздуха необходимо также учитывать тепло, аккумулированное ограждающими конструкциями, т.е. тепловую инерционность здания [2].
Целью работы являлось исследование динамических характеристик системы автоматического регулирования отопления здания за счет изменения расхода воды в подающей магистрали с помощью регулировочного клапана. При этом в архив ПЛК записывались усредненные за интервал времени 5 мин все параметры режимов. По Ethernet-кабелю данные при помощи scada-системы поступали на OPC-сервер. Обработка данных архива ПЛК позволила получить зависимости расхода воды в системе отопления, разности температур прямой и обратной воды в ней, ее фактической мощности, температур прямой и обратной воды, мощности тепловых потерь, температуры в помещении от времени. Расход воды в подающей магистрали рассчитывался по формуле (3).
Для исследования регулировочных характеристик разомкнутой системы управления отоплением были проведены эксперименты по быстрому увеличению расхода воды в подающей магистрали с 1,58 м3/ч до 3,42 м3/ч в течение 10 мин с помощью регулировочного клапана (режим 1) и резкому уменьшению расхода воды в подающей магистрали до 0,79 м3/ч за счет прикрытия клапана на 15 мин (режим 2) с последующим быстрым восстановлением расхода до первоначального состояния 1,58 м3/ч (режим 3). Время установки клапана в заданное положение составляет 10 с.
Результаты эксперимента, полученные обработкой архива данных, приведены на рис. 2-4.
в, м3/ч
7 6 5 4 3 2 1 0
5
10
20
25
15 т, мин
Рис. 2. Изменение расхода воды в системе отопления здания (1), перемычке (2) и подающей магистрали (3) в зависимости от времени
Р, кВт Т, °С
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
30
в, м3/ч 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
т, мин
Рис. 3. Зависимости фактической мощности (1), расхода воды (2), температур прямой (3) и обратной воды (4) системы отопления и расхода воды в подающей магистрали (5) от времени
Рис. 4. Зависимости относительных значений параметров теплового режима автоматизированного теплового пункта от расхода воды в подающей магистрали: 1 - мощность системы отопления Р^, 2 - температура прямой воды в системе отопления Трос1, 3 - расход воды в системе отопления здания Сын
о.е.
2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0
V
2
У 3
у /
/
0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 ое-
0
0
Из рис. 2 следует, что увеличение расхода воды в подающей магистрали в 2,15 раза от первоначального значения вызывает возрастание расхода воды в системе отопления всего в 1,07 раза, при этом расход воды в перемычке снижается в 1,4 раза, коэффициент смешения уменьшается в 2,8 раза (с 3,4 до 1,2), вследствие этого в 1,12 раза возрастает температура прямой воды в системе отопления здания при практически неизменной температуре обратной воды. Разность температур прямой и обратной воды в системе отопления увеличивается в 2,04 раза в течение первых 5 мин после открытия регулировочного клапана, соответственно возрастает также мощность системы отопления с 48 кВт до 102 кВт, т.е. в 2,12 раза. Результаты экспериментов свидетельствуют, что количественное регулирование расхода воды в подающей магистрали на входе здания приводит к неожиданному результату - местному качественному регулированию мощности отопления за счет изменения температуры воды в системе отопления.
Режим 2 с длительной выдержкой был необходим для создания начальных условий при исследовании переходного процесса по расходу теплоносителя со стороны тепловой сети. Форма кривой фактической тепловой мощности после прикрытия клапана установилась на значении 20 кВт, что обусловлено искусственной насосной циркуляцией воды в контуре отопления. Переходный процесс для фактической мощности в рассмотренных пределах изменения расхода воды в подающей магистрали устойчивый.
Режим 3 через 25 мин после начала эксперимента можно считать ступенчатым воздействием на систему отопления.
Из приведенных на рис. 3 зависимостей следует, что кривые переходного процесса для таких переменных, как тепловая мощность, расход и температура воды, сходны с апериодическими кривыми. Согласно результатам экспериментов постоянная времени переходного процесса в интервале 30-40 мин составляет порядка 7-10 мин.
В обычно применяемых системах учета и регулирования расхода тепловой энергии мощность системы отопления рассчитывается по расходу и разности температур прямой и обратной воды в подающей магистрали на входе в здание. Созданная система позволяет детально исследовать тепловые и гидродинамические процессы и в самой системе отопления, что дает возможность разрабатывать оптимальные алгоритмы управления, учитывающие индивидуальные особенности здания и системы его отопления. Исследования показали, что разработанная схема теплового пункта позволяет быстро менять мощность в системе отопления в широких пределах за счет воздействия на регулировочный клапан. Это позволяет применять различные алгоритмы адаптивного управления, которые можно дистанционно изменить за несколько минут.
На рис. 4 приведены зависимости температуры Трос1 и расхода прямой воды в системе отопления здания Оыыг, а также мощности Р^ системы отопления в относительных единицах от расхода воды в подающей магистрали. За базисные приняты параметры теплового режима в начале эксперимента.
Из рис. 4 видно, что при изменении расхода воды в подающей магистрали расход воды в системе отопления меняется незначительно, однако меняет-
ся температура прямой воды, что вызывает изменение мощности системы отопления. Таким образом, установленный на подающей магистрали регулировочный клапан позволяет легко и быстро управлять тепловым режимом системы отопления.
Статистическая обработка данных узла учета ПЛК показала, что фактическая мощность системы отопления зависит от температуры прямой воды в системе отопления (коэффициент корреляции r = 0,94) и ее расхода (коэффициент корреляции r = 0,56). Наиболее высокая корреляция наблюдается между мощностью и разностью температур прямой и обратной воды в системе отопления (коэффициент корреляции r = 0,997). При этом от температуры обратной воды мощность практически не зависит (коэффициент корреляции r = 0,04).
Планируется провести натурные эксперименты по определению тепло-физических параметров здания как объекта управления и опробовать различные алгоритмы управления режимами отопления.
Выводы. Создана и опробована экспериментальная установка для контроля и управления режимами теплоснабжения здания.
Установлено, что при регулировании расхода воды в подающей магистрали расход воды в системе отопления здания меняется незначительно, существенно меняется расход воды в перемычке, а также фактическая мощность системы отопления за счет разности температур прямой и обратной воды в системе отопления. Показана возможность управления мощностью системы отопления в широком диапазоне за счет изменения расхода воды в подающей магистрали с помощью регулировочного клапана.
Упрощенная схема замещения разомкнутой системы управления отопительной системой здания в рассмотренных пределах изменения режимов может быть представлена инерционным звеном с постоянной времени 7-10 мин.
Литература
1. Афанасьев В.В., Ковалев В.Г., Тарасов В.А., Тарасова В.В., Федоров Д.Г. Исследование расхода тепловой энергии на отопление зданий // Вестник Чувашского университета. 2014. № 2. С. 10-18.
2. Афанасьев В.В., Ковалев В.Г., Тарасов В.А., Тарасова В.В., Федоров Д.Г. Исследование нестационарных тепловых режимов отопления зданий и сооружений // Вестник Чувашского университета. 2015. № 1. С. 20-28.
3. Тарасов В.А., Калинин А.Г., Федоров Д.Г., Афанасьев В.В., Ковалев В.Г., Тарасова В.В. Модернизация теплового пункта корпуса с установкой системы автоматического управления отоплением с программируемым контроллером // Региональная энергетика и электротехника: проблемы и решения: сб. науч. тр. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2015. Вып. XI. С. 152-160.
4. Федоров Д.Г. Разработка алгоритма и регулятора адаптивного управления теплоснабжения и оптимизации энергопотребления зданий // Материалы X Республиканского конкурса инновационных проектов УМНИК-2014 «Молодая инновационная Чувашия» (27-28 марта 2014 г.). Чебоксары, 2014. С. 20-21.
References
1. Afanasyev V.V., Kovalev V.G., Tarasov V.A., Tarasova V.V., Fedorov D.G. Issledovanie raskhoda teplovoi energii na otoplenie zdanii [Research into the building heat energy flow]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2014, no. 2, pp. 10-18.
2. Afanasyev V.V., Kovalev V.G., Tarasov V.A., Tarasova V.V., Fedorov D.G. Issledovanie nestatsionarnykh teplovykh rezhimov otopleniya zdanii i sooruzhenii [Research into transient heating modes of buildings and constructions heating systems]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2015, no. 1, pp. 20-28.
3. Tarasov V.A., Kalinin A.G., Fedorov D.G., Afanasyev V.V., Kovalev V.G., Tarasova V.V. Modernizatsiya teplovogo punkta korpusa s ustanovkoi sistemy avtomaticheskogo upravleniya otop-leniem s programmiruemym kontrollerom [Modernization of the building heat point with the installation of the automated heating control system with a programmable controller]. Regional'naya energetika i elektrotekhnika: problemy i resheniya: sb. nauch. tr. Vyp. XI. [Regional power engineering and electrical engineering: problems and decisions: Collected papers, issue 10]. Cheboksary, Chuvash State Univesity Publ., 2015, pp. 152-160.
4. Fedorov D.G. Razrabotka algoritma i regulyatora adaptivnogo upravleniya teplosnabzhe-niya i optimizatsii energopotrebleniya zdanii [Development of algorithm and adaptive control regulator of heating and building energy consumption optimization]. Materialy X Respublikanskogo kon-kursa innovatsionnykh proektov UMNIK-2014 «Molodaya innovatsionnaya Chuvashiya» (27-28 marta 2014) [Materials of the Republican contest of innovative projects UMNIK 2014 «Young innovative Chuvashia». March 27-28, 2014]. Cheboksary, 2014, pp. 20-21.
ТАРАСОВА ВАЛЕНТИНА ВЛАДИМИРОВНА - аспирантка кафедры теплоэнергетических установок, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (charming_cerl@rambler. ru).
TARASOVA VALENTINA - Post-Graduate Student, Heat and Power Plants Department, Chuvash State University, Cheboksary, Russia.
ТАРАСОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетических установок, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (Vladimir_tarasov@inbox.ru).
TARASOV VLADIMIR - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Heat and Power Plants Department, Chuvash State University, Cheboksary, Russia.
КАЛИНИН АЛЕКСЕЙ ГЕРМАНОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры систем автоматического управления электроприводами, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (humanoid1984@yandex.ru).
KALININ ALEXEY - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Automatic Electric Drives Control Systems Department, Chuvash State University, Cheboksary, Russia.
АФАНАСЬЕВ ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ - доктор технических наук, заведующий кафедрой теплоэнергетических установок, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (pro_nauch@chuvsu.ru).
AFANASYEV VLADIMIR - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Heat and Power Plants Department, Chuvash State University, Cheboksary, Russia.
КОВАЛЕВ ВЛАДИМИР ГЕННАДЬЕВИЧ - кандидат технических наук, заведующий кафедрой электроснабжения промышленных предприятий, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (espp21@mail.ru).
KOVALEV VLADIMIR - Candidate of Technical Sciences, Head of Industrial Enterprises Power Supply Department, Chuvash State University, Cheboksary, Russia.
