CC BY
91
УДК 658.264 ББК 3350.7-420.7
В В. ТАРАСОВА, В В. АФАНАСЬЕВ, В.Г. КОВАЛЕВ, В.А. ТАРАСОВ, А.Г. КАЛИНИН
АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМОМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЯ С ПОМОЩЬЮ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ТЕПЛОВОГО ПУНКТА*
Ключевые слова: автоматизированный тепловой пункт, отопление, статистическая обработка данных, влияние температуры наружного воздуха.
Приведены результаты экспериментальных исследований режимов отопления здания с использованием автоматизированного теплового пункта с серийным программируемым контроллером ОВЕН ПЛК 150. Проведен анализ взаимосвязей температур и расхода прямой и обратной воды и мощности системы отопления и температуры наружного воздуха. Определена фактическая удельная отопительная характеристика здания. Показано, что система автоматического управления обеспечивает в здании комфортные условия в течение всего отопительного периода.
Для экспериментальных исследований статических и динамических процессов в системе теплоснабжения здания и алгоритмов управления отоплением создан автоматизированный тепловой пункт с серийным программируемым контроллером ОВЕН ПЛК 150, использующим среду разработки СОБЕ8У8 и совместимую измерительную периферию ОВЕН. Индивидуальный автоматизированный тепловой пункт для теплоснабжения корпуса «Д» размещается в технологическом помещении (Д-104) одного из корпусов Чувашского государственного университета.
Система теплоснабжения корпуса выполнена по зависимой схеме со смешением теплоносителя с помощью насоса, что позволяет применить наиболее энергосберегающие автоматизированные решения по регулированию систем абонента, учесть погодные факторы по датчику температуры наружного воздуха, тепловые характеристики здания и теплогидравлические характеристики системы. Появляется возможность не только качественного, но и качественно-количественного (смешанного) регулирования режимов отопления в широком диапазоне с учетом специфики теплового режима здания при одновременном сокращении потребляемого теплоносителя. Насосная схема присоединения системы отопления позволяет более точно, чем элеваторная, поддерживать необходимую температуру воздуха в отапливаемых помещениях, так как в этом случае возможно более совершенное регулирование подачи тепла на отопление путем изменения коэффициента подмешивания.
Применение насосного побуждения за счет универсальности и гибкости управления позволяет решать любые задачи регулирования систем абонента. Насос размещен на подающем трубопроводе. Необходимая температура теп-
* Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, грант УМНИК 2015.
лоносителя в системе отопления устанавливается путем воздействия на двухходовой клапан регулятора. Функциональная схема автоматизированного теплового пункта приведена на рис. 1.
Система автоматического управления отоплением включает в себя [2]:
- программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК 150;
- модуль ввода аналоговый ОВЕН МВА8;
- датчики температуры воды в подающей магистрали (TE1), на входе в систему отопления здания (TE2), на выходе из системы отопления (TE3) ТСП-Ь60 Pt 100;
- датчики температуры наружного (TE4) и внутреннего (TE5) воздуха ДТС 3005-РТ1000;
- электромагнитный преобразователь расхода ПРЭМ (FE);
- преобразователи полного давления на входе в тепловой пункт (PE1) и на выходе из теплового пункта (PE2) ПД-Р;
- насос циркуляционный Wilo TOP - S 30/10;
- клапан регулирующий двухходовой с электроприводом (M);
Система позволяет реализовывать непрерывный контроль расхода и температуры прямой и обратной воды из подающей магистрали, непрерывный контроль расхода и температуры прямой воды, поступающей в систему отопления, непрерывный контроль давления воды на входе и выходе из тепловой сети. Реализуется также непрерывный контроль температуры наружного воздуха, температуры воздуха внутри помещения и температуры внутри стены. Сигналы с датчиков сходятся в шкаф автоматики и обрабатываются контроллером и его периферией. Согласно заданному алгоритму контроллер генерирует аналоговый управляющий сигнал на двухходовой клапан в подающем трубопроводе.
Экспериментальный сбор данных с теплового пункта проводился с 12 октября 2015 г. по 13 апреля 2016 г. Проводились как пассивные эксперимен-
ты по сбору данных, так и активные эксперименты по испытанию различных алгоритмов адаптивного управления отоплением. Из архива ПЛК извлечено более 80 файлов, содержащих все параметры, измеряемые и рассчитываемые по программе, разработанной в среде CODESYS. Периоды опроса датчиков ПЛК варьировались от 10 до 30 с. В архиве данные сохранялись в текстовом формате, извлеченные из архива данные обрабатывались в Excel. Исследовано более 160 ч работы системы с ПЛК с визуализацией данных в режиме реального времени. Итоговый объем анализируемых в Excel строк - более 5000.
Для непрерывного контроля и регистрации температуры и относительной влажности в различных помещениях корпуса «Д» использовались автономные регистраторы температуры ОВЕН Логгер100-ТВ. Обработка результатов измерений проводилась на персональном компьютере при помощи программного обеспечения (ПО), входящего в комплект поставки. C. Период опроса от 2 с до 24 ч.
Для анализа процессов теплопередачи через ограждающие конструкции использовались также данные по метеоусловиям г. Чебоксары с сайта http://pogoda21.ru, которые приведены на рис. 2. Во время отопительного периода разница между дневной и ночной среднемесячными температурами достигает 4оС.
ос 10
5
о
-5 -10 -15
Рис. 2. Изменение среднемесячной дневной (---), среднесуточной (---)
и ночной (-) температур наружного воздуха в Чебоксарах
в течение отопительного периода 2015-2016 гг.
Статистическая обработка архива данных ПЛК и метеоданных позволила получить зависимость мощности системы отопления корпуса «Д» и температур прямой и обратной воды в подающей магистрали от температуры наружного воздуха. Очевидно, что взаимосвязь температур прямой и обратной воды и температуры наружного воздуха должна определяться утвержденным температурным графиком 150/70. Из рис. 3 видно, что температурный график в отопительный период в основном соблюдался. Теплопотребление на отопление имеет корреляцию с температурой наружного воздуха (рис. 3, 4).
Результаты статистической обработки данных узла учета ПЛК автоматизированного теплового пункта корпуса «Д» показали, что фактическая мощность системы отопления зависит от температуры прямой воды (коэффициент корреляции r = 0,94) и расхода воды (коэффициент корреляции r = 0,56), от температуры обратной воды мощность практически не зависит (коэффициент корреляции r = 0,04).
ЭсаПегр^: сред магистраль (Саэе^ллБе МС магистраль = 78,157-2,417 * сред Согге1айоп: г = -,8379
| ~^95% confidence|
б
Рис. 3. Корреляционная зависимость значений температуры прямой воды в магистрали (а) и обратной воды (б) от температуры наружного воздуха
ъсаПнгр1о1 маис уб Р'фактС-аБаи^а МС' Оа^йоп) Рфант = 11.4,778 - 2,963 "маю:
а
кВт |-,-,-,-,-
I
I Ь.,
20 1-1-:-'-'-:-'-:-—^—^
-е -4 -2 0 2 4 6 10 с
"V . 95% СС'ПМаПНа |
Рис. 4. Корреляционная зависимость фактической мощности системы отопления от температуры наружного воздуха
Эксперименты показали, что увеличение расхода воды в подающей магистрали вызывает лишь незначительное возрастание расхода воды в системе отопления. При этом существенно возрастает температура прямой воды в системе отопления здания при практически неизменной температуре обратной воды, вследствие этого возрастает мощность системы отопления. Таким образом, количественное регулирование расхода воды в подающей магистрали на входе в тепловой пункт здания приводит к местному качественному регулированию мощности отопления за счет изменения разности температур прямой и обратной воды в системе [1].
Статистическая обработка архива данных ПЛК позволила путем регрессионного анализа определить фактическую удельную тепловую характеристику корпуса «Д» с учетом влияния на тепловые потери конфигурации здания, показателя компактности, инсоляции, влияния на скорость движения воздушных потоков вблизи зданий растительности в качестве ветрозащитных барьеров. Регрессионный анализ зависимостей потребления тепловой мощности от температуры наружного воздуха (рис. 3) позволил определить фактическую отопительную характеристику корпуса «Д», которая учитывает все факторы, влияющие на тепловые потери.
По результатам регрессионного анализа данных архива ПЛК по потреблению тепловой энергии во время отопительного периода 2015-2016 гг. фактическая отопительная характеристика корпуса «Д» составляет 0,3274 Вт/(м3 К), что отличается от проектной.
Максимальная мощность системы отопления по результатам регрессионного анализа данных архива ПЛК при температуре наружного воздуха -32оС должна быть 147 кВт, средняя мощность за отопительный период при средней температуре наружного воздуха -4,9оС составляет 70,5 кВт. Годовой расход тепла на отопление корпуса «Д» составит 316 Гкал. До установки автоматизированного теплового узла корпус «Д» не имел автоматического управления отоплением и индивидуального приборного учета потребления тепловой энергии, что не позволяет точно определить экономию от внедрения автоматического управления. Рассчитанный ООО «Коммунальные технологии» по данным узла коммерческого учета зданий и сооружений, находящихся по адресу г. Чебоксары, Московский просп., д. 15, и устаревшим проектным данным годовой расход тепловой энергии на отопление корпуса «Д» составлял 435 Гкал.
Обработкой данных архива узла учета определено среднее давление воды на входе в тепловой узел 6,17 атм, на выходе - 4,04 атм, перепад давлений менялся от 1,87 атм до 2,25 атм, в среднем 2,107 атм. Расход воды в системе отопления корпуса «Д» менялся незначительно и составлял в среднем 6,87 м3/ч, расход воды в подающей магистрали менялся от 1,21 м3/ч до 2,6 м3/ч, в среднем 1,865 м3/ч. Средний суточный расход воды в подающей магистрали составлял 44,76 м3/сут., максимальный - 62,4 м3/сут. Гидравлическое сопротивление теплового узла корпуса «Д» менялось от 0,718 атм/(м3/ч) до 2,6 атм/(м /ч), в среднем 1,61 атм/(м /ч). Средний коэффициент подмеса системы отопления менялся от 1,6 до 3,17, в среднем 2,67.
На рис. 5 приведены результаты статистической обработки извлеченных из архива ПЛК экспериментальных данных по средней мощности системы отопления корпуса «Д» и средней температуре наружного воздуха. Из рис. 5 видно, что при снижении температуры наружного воздуха программа в ПЛК согласно разработанному и реализованному алгоритму адаптивного управления увеличивает мощность системы отопления, а при повышении температуры наружного воздуха - уменьшает, вследствие чего температура в помещениях весь период поддерживалась в пределах 19-21 °С, не было ни перетопов, ни недотопов.
кВт, 120
°С 100
80
60
40
20
0
\
октябрь ноябрь декабрь январь февраль март апрель
Рис. 5. Средняя мощность системы отопления (---) и средняя разность температур
наружного воздуха и заданной температуры помещения (-) по месяцам
Измеренная с помощью Логгера 100-ТВ относительная влажность в помещениях за весь отопительный период находилась в пределах 32-45%, что значительно меньше рассчитанных по программе1 [3] предельных значений относительных влажностей воздуха в помещениях, при которых начинается конденсация на стенке водяных паров.
Выводы. Автоматизированный тепловой пункт с серийным программируемым контроллером ОВЕН ПЛК 150 позволяет с помощью разработанной в среде СОББ8У8 программы вести непрерывный контроль и запись в архив всех параметров режима теплоснабжения здания. Определены основные характеристики системы отопления корпуса «Д».
С помощью статистической обработки архива данных проведен регрессионный анализ зависимостей температур и расхода прямой и обратной воды и мощности системы отопления от температуры наружного воздуха. Определены фактическая удельная отопительная характеристика здания и расход тепла в течение отопительного периода. Показано, что система автоматического управления позволяет обеспечивать в здании комфортные условия в течение всего отопительного периода без перетопов и недотопов.
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. № 3. С. 10-18.
2. 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.
ТАРАСОВА ВАЛЕНТИНА ВЛАДИМИРОВНА - аспирантка кафедры теплоэнергетических установок, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (сЬагт1^_сег1@гатЫег. ги).
АФАНАСЬЕВ ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теплоэнергетических установок, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (avvteo@mai1.ru).
КОВАЛЕВ ВЛАДИМИР ГЕННАДЬЕВИЧ - кандидат технических наук, заведующий кафедрой электроснабжения промышленных предприятий, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (espp21@mai1.ru).
ТАРАСОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетических установок, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (tarwo1@yandex.ru).
КАЛИНИН АЛЕКСЕЙ ГЕРМАНОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры систем автоматического управления электроприводами, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (humanoid1984@yandex.ru).
1 Расчет параметров процессов теплопередачи через ограждения с учетом теплопроводности, конвекции и излучения. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2014618236 от 13.08.2014. Правообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова». Авторы: Тарасова В.В., Афанасьев В.В., Ковалев В.Г., Тарасов В.А.
V. TARASOVA, V. AFANASYEV, V. KOVALEV, V. TARASOV, A. KALININ EXPERIMENTAL STUDIES IN AUTOMATED THERMAL POINTS OF HEATING MODE
Key words: automatic heater, heating, statistical data processing, influence of outside temperature.
The results of experimental studies of the building heating mode using an automated thermal point with the serial programmable controller OWEN PLC 150 are given. There is an analysis of the relationship of temperature, direct flow of water and return water, the power of the heating system and outdoor temperature. It determines the actual specific characteristics of the building heating. It is shown that the automatic control system provides comfort conditions in the entire heating period.
References
1. Afanasyev V.V., Kovalev V.G., Tarasov V.A., Tarasova V.V., Fedorov D.G. Issledovanie raskhoda teplovoi energii na otoplenie zdanii [Statistical analysis of the heat flow in heating]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2014, no. 3, pp. 10-18.
2. Tarasov V.A., Kalinin A.G., Fedorov D.G., Afanas'ev 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 substation enclosure system with automatic control of heating with programmable controller]. Cheboksary, Chuvash University Publ., 2015, iss. XI, pp. 152-160.
TARASOVA VALENTINA - Post-Graduate Student, Heat and Power Plants Department, Chuvash State University, Cheboksary, Russia.
AFANASYEV VLADIMIR - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Heat and Power Plants Department, Chuvash State University, Cheboksary, Russia.
KOVALEV VLADIMIR - Candidate of Technical Sciences, Head of Industrial Enterprises Power Supply Department, Chuvash State University, Cheboksary, Russia.
TARASOV VLADIMIR - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Heat and Power Plants Department, Chuvash State University, Cheboksary, Russia.
KALININ ALEXEY - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Automatic Electric Drives Control Systems Department, Chuvash State University, Cheboksary, Russia.
Ссылка на статью: Тарасова В.В., Афанасьев В.В., Ковалев В.Г., Тарасов В.А., Калинин А.Г. Адаптивное управление режимом теплоснабжения здания с помощью автоматизированного теплового пункта // Вестник Чувашского университета. - № 3. - С. 117-123.
