CC BY
33
шформационна; КА И ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГЕТИКЕ
УДК 697.31
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ОТОПЛЕНИЕМ УЧЕБНОГО ЗАВЕДЕНИЯ
Н.Н. КОВАЛЬНОГОВ, А.С. РТИЩЕВА, Е.А. ЦЫНАЕВА Ульяновский государственный технический университет
Рассмотрены технические, программно-информационные и организационнометодические решения по автоматизированному управлению отоплением и оптимизации теплопотребления учебного заведения. Представлены результаты исследования работы автоматизированной системы учебного корпуса и общежития Ульяновского государственного технического университета. Установлено, что экономия тепловой энергии на отопление за счет внедрения разработанной комплексной системы теплосбережения составляет 17,5% для учебного корпуса и 36,7% для общежития. За первый год эксплуатации автоматизированных систем общая экономия денежных средств на оплату тепловой энергии составила 612 тыс. руб.
Введение
Удорожание тепловой энергии при относительном удешевлении средств автоматизации и компьютерной техники делает все более привлекательным использование автоматизированных систем управления отоплением зданий и оптимизации их теплопотребления. Автоматизированное управление ограничивает потребление теплоты на отопление таким ее количеством, которое необходимо для поддержания заданного (соответствующего санитарным нормам) значения температуры в помещениях. При этом температура внутреннего воздуха контролируется датчиками и поддерживается на заданном уровне системой автоматики. Задача оптимального управления формулируется таким образом: обеспечить минимальное теплопотребление на отопление при обеспечении заданной температуры внутреннего воздуха за счет рационального перераспределения тепловых потоков в разных группах помещений здания. Кроме того, предусматривается возможность снижения температуры внутреннего воздуха (и теплопотребления) в помещениях учебного корпуса в ночное время и в выходные дни.
В рамках работы по оптимизации теплопотребления в декабре 2004 г. введена в действие автоматизированная система управления теплопотреблением главного учебного корпуса УлГТУ [1]. На втором этапе работ осуществлен монтаж и ввод в эксплуатацию аналогичной системы в общежитии университета. Одновременно разрабатывался инструментарий для эффективного использования такого рода систем и оптимизации теплопотребления, включающий комплекс программно-информационных продуктов, технических средств мониторинга и организационно-методических решений [2-8].
© Н.Н. Ковальногов, А. С. Ртищева, Е.А. Цынаева Проблемы энергетики, 2007 № 3-4
1. Технические средства автоматизации
Для оптимизации теплопотребления главного учебного корпуса УлГТУ использована система управления, спроектированная в НПО «Лайф» (г. Новосибирск). В общежитии использована аналогичная система, разработанная в ЗАО «Промсервис» (г. Ульяновск). Управление системой осуществляется с одного рабочего места при помощи персонального компьютера или специального переносного пульта.
В состав системы входит теплорегулятор, который представляет собой программный контроллер. Он осуществляет управление исполнительными механизмами по заложенной в него программе, основываясь на показаниях датчиков. Датчики, установленные в трубопроводах теплоносителя (на подающей и обратной магистралях) в помещениях и на улице, передают информацию о температуре на теплорегулятор. Исполнительные механизмы представляют собой клапаны. Приводом клапана служит специальное малогабаритное устройство сильфонного типа. Связь теплорегулятора с компьютером осуществляется по локальной вычислительной сети через специальный адаптер.
Система обеспечивает реализацию управления тепловым режимом здания по текущим значениям температуры наружного воздуха и температуры воздуха в помещениях; реализацию ночного режима отопления, позволяющего снизить теплопотребление здания в заданный промежуток времени; реализацию режима выходного дня, позволяющего снизить температурный режим в течение выходных дней; реализацию режима форсированного обогрева, позволяющего увеличить теплопотребление здания в заданные промежутки времени и восстановить температурный режим после снижения теплопотребления.
Управление осуществляется индивидуально для четырех (в учебном корпусе) или двух (в общежитии) групп помещений (имеется 4 или 2 независимых контура управления). В контрольных помещениях каждой группы размещаются датчики температуры. Управление теплопотреблением для каждой группы помещений осуществляется по среднему значению температуры, измеряемой несколькими датчиками в контрольных помещениях. Общее число датчиков в помещениях учебного корпуса равно 24. Анализ сигналов этих датчиков, помимо прочего, позволяет оперативно выявить помещения с недостаточной теплоизоляцией или неисправными отопительными приборами. Наличие индивидуальных контуров управления для каждой из групп помещений позволяет эффективно использовать тепловую энергию при изменении направления ветра, интенсивности солнечного излучения и т.п.
2. Программно-информационные средства
Программно-информационные средства включают программу управления работой системы, электронную базу данных, программу автоматизированной их обработки с отображением результатов расчета, а также реализованную в компьютерной программе тепловую математическую модель здания. Программа управления работой системы обеспечивает ее эксплуатацию в режимах настройки и наблюдения. Программное обеспечение системы позволяет получить полную информацию о температурах, измеряемых всеми датчиками в текущий момент времени, а также о температурах, хранящихся в архиве. В процессе работы системы формируется электронный архив данных, в котором содержатся текущие дата и время, а также значения температур наружного воздуха, внутреннего воздуха в контрольных помещениях, теплоносителя в прямой и обратной © Проблемы энергетики, 2007 № 3-4
магистралях и т.п. Информация о температурах заносится в архив каждые 5 минут. Общая емкость архива такова, что позволяет хранить информацию, накопленную за полгода работы системы.
В базу данных по локальной вычислительной сети с периодом 5 минут поступает информация из электронного архива, с периодом 1 час - с датчиков приборов коммерческого учета тепловой энергии, с периодом 3 часа по Интернету принимается метеорологическая информация о параметрах наружного воздуха. Часть информации, поступающая из разных источников, дублируется и используется для самотестирования программно-информационных средств.
Тепловая математическая модель используется для разработки оптимальных алгоритмов управления автоматизированной системой и мероприятий по теплосбережению. На этапе проектирования системы эта модель использована для выбора контрольных помещений, в которых размещаются датчики температуры. В качестве контрольных выбирались помещения, температура внутреннего воздуха в которых наиболее близка к средней температуре внутреннего воздуха в соответствующей группе помещений.
3. Организационно-методическое обеспечение
Организационно-методические решения включают оригинальные методики определения экономии тепловой энергии в процессе эксплуатации системы (в режиме реального времени), экономии средств, идущих на оплату потребленной энергии, как за счет экономии самой энергии, так и за счет правильного (приборного) ее учета, методику постоянного мониторинга параметров поступающего теплоносителя и установления степени их соответствия нормативным значениям, методику использования системы в качестве экспертной для анализа тепловых потерь из помещений и их соответствия нормативам. Для целей мониторинга тепловых потерь и работы отопительных приборов используется современная тепловизионная техника (тепловизор типа 1М 1011).
В имеющейся литературе оценка экономического эффекта от использования автоматизированных систем регулирования неправомерно производится путем сопоставления потребления тепловой энергии в период эксплуатации этих систем и в период, предшествующий их использованию. Неправомерность такой оценки обусловлена тем, что метеорологические условия в сравниваемые периоды будут неодинаковы, и результаты сопоставления искажаются изменением параметров наружного воздуха. Поэтому авторами разработана адекватная методика оценки эффективности использования автоматизированной системы. Разработанные организационно-методические решения изложены в работах [2, 3].
Использование тепловизионной техники иллюстрирует рис. 1, на котором представлен тепловизионный снимок отопительного прибора. Этот снимок позволяет судить о исправности отопительного прибора и правильности его регулировки. Как видно из рис. 1, в крайней правой секции батареи температура примерно на 6°С ниже, чем в остальных секциях, что связано с засорением проточной части или производственным дефектом.
62.6°С
SNAPSHOT
Min Range = 57 Max Range = 64 Integrate = 1 Interpolate = 128x128 Ambient = 20 Emissivity = 0 950 Emissivity Name =
Calibration -
IRI1011 02503 20mm STD Pixel = 7,7
Рис. 1. Тепловизионный снимок отопительного прибора
4. Результаты исследования эффективности автоматизированной системы управления отоплением учебного корпуса
С использованием разработанных средств получена детальная информация о работе автоматизированной системы управления отоплением учебного корпуса в течение первого года ее эксплуатации (с декабря 2004 г. по ноябрь 2005 г.). На рис. 2 приведено ежемесячное потребление (светлые столбцы) и экономия (затемненные столбцы) тепловой энергии за указанный период, а на рис. 3 -экономия затрат на оплату энергии, выраженная в процентах от оплаты за потребленную энергию.
Месяц, гол
Рис. 2. Потребление и экономия тепловой энергии в учебном корпусе
Следует заметить, что с 20.04.2005 по 5.10.2005 система отопления была отключена на летний период. В феврале 2005 г. была отключена на профилактику автоматизированная система, поэтому экономии тепловой энергии в феврале не было. Анализ приведенных на рис. 2, 3 результатов позволяет отметить, что наибольшая экономия тепловой энергии, достигающая 41%, имела место в осенне-зимний период. В зимне-весенний период экономия составляла 9 - 11 %, а точное ее определение стало возможным лишь с помощью разработанной
специальной методики. Заметим, что на рис. 3 приведена реальная экономия, подсчитанная по стоимости тепловой энергии. Экономия по количеству тепловой энергии несколько отличается от экономии по ее стоимости, поскольку эта стоимость была разной в 2004 и 2005 годах.
50
40
£
* 30
2
О
§ 20
Л
10
о
Месяц, год
Рис. 3. Относительная экономия затрат на оплату тепловой энергии для учебного корпуса
Интегральные данные по потреблению и реальной экономии тепловой энергии за счет применения автоматизированной системы управления отоплением за весь анализируемый период (с декабря 2004 г. по ноябрь 2005 г.) приведены в табл. 1. Как видно, за год в среднем система позволяет экономить около 17% стоимости тепловой энергии и 17,5% ее количества. В денежном выражении годовая экономия тепловой энергии для учебного корпуса составила более четверти миллиона рублей, что полностью окупило затраты на приобретение и монтаж системы.
С помощью разработанного программно-информационного обеспечения удалось установить также степень несоответствия параметров теплоносителя нормативным значениям и определить эффект от использования приборов коммерческого учета тепловой энергии. В табл. 1 представлены средние значения температуры теплоносителя в подающей *1 и обратной *2 магистралях, приведенные к расчетной температуре наружного воздуха (для г. Ульяновска расчетная температура равна -31 0С). Как видно, поставщиком тепловой энергии существенно занижена температура теплоносителя, которая, в соответствии с согласованным графиком центрального регулирования 105 - 70, должна быть равна 105 0С. Таким образом, вместо графика 105 - 70 центральное регулирование отпуска теплоты осуществлялось в соответствии с графиком 81 - 70. В условиях несоблюдения установленных параметров теплоносителя существенно повышается роль приборов учета тепловой энергии. В анализируемых условиях отсутствие приборов учета приводило бы к неконтролируемым недопоставкам тепловой энергии в среднем за год на 70%. Иначе говоря, при отсутствии приборов учета потребителю тепловой энергии пришлось бы в анализируемых условиях платить за нее в три с лишним раза большую сумму. Заметим, что
наличие приборов учета не приводит к экономии потребляемой тепловой энергии, а лишь позволяет вести правильный ее учет.
Таблица
Потребление и экономия тепловой энергии для учебного корпуса и общежития за первый год
эксплуатации системы
Параметр Обозначение Единица измерения Значение
для учебного корпуса для общежития
Количество потребленной тепловой энергии Гкал 2822,6 1517,4
Количество сэкономленной тепловой энергии А£ х Гкал 493,9 557,0
Стоимость потребленной тепловой энергии С тыс. руб. 1515 963
Стоимость сэкономленной тепловой энергии АС тыс. руб. 257 355
Процент экономии (по количеству тепловой энергии) - % 17,50 36,71
Процент экономии (по стоимости тепловой энергии) - % 16,97 36,86
Расчетная температура теплоносителя в подающей магистрали * 1 0С 80,7 85
Расчетная температура теплоносителя в обратной магистрали * 2 0С 69,9 63
Результаты выполненного исследования показали, что приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций главного учебного корпуса УлГТУ в 1,5 - 2 раза меньше того, которое регламентируется СНиП 11-3-79, поэтому остаются существенные резервы экономии тепловой энергии. Исследованиями установлено также, что в анализируемых условиях понижение температуры в помещениях главного корпуса УлГТУ на 1 °С (в нерабочие дни или в ночное время) дает экономию средств на отопление в размере 12,2 руб. за каждый час (в ценах на тепловую энергию 2005 г.) или 300 руб. в сутки. В этой связи актуальными являются дальнейшие исследования, направленные на программированное понижение температуры в помещениях университета в нерабочее время, выходные и праздничные дни.
5. Результаты исследования эффективности автоматизированной системы управления отоплением общежития
Информация об эффективности работы автоматизированной системы управления отоплением общежития в течение первого года ее эксплуатации (с ноября 2005 г. по октябрь 2006 г.) представлена на рис. 4, а также в табл. 1.
Анализ полученных результатов позволяет отметить, что в анализируемый период экономия тепловой энергии в общежитии в процентном выражении оказалась примерно в 2 раза выше, чем в учебном корпусе. Причины этого явления требуют специального анализа.
Месяц, ГОД
Рис. 4. Потребление и экономия тепловой энергии в общежитии
Выводы
Созданная использованием отоплением обеспечивает
в УлГТУ комплексная система теплосбережения с современных автоматизированных систем управления существенную экономию тепловой энергии и
финансовых ресурсов и может быть рекомендована к использованию в высших учебных заведениях.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (приказы Минобразования РФ №474 от 11.02.2003; №801 от 20.02.2004, письмо заместителя руководителя Федерального агентства по образованию№16-55-76 ин/02-13 от 18.03.2005).
Summary
This article is reviewing the engineering, programmatic-information and stage-methodical solutions of a computer-assisted management for heating and optimization of heat consumption of an educational institution. The results of research of activity of a computerized system are introduced of the educational building and hostels of the
Ulyanovsk state engineering university. Is established, that the saving of a thermal energy of heating at the expense of implementation of a designed overall system of heat saving compounds 17,5 % for the educational building and 36,7 % for a hostel. For the maiden year of exploitation of computerized systems the communal saving of money resources of repayment of a thermal energy has compounded 612 thousand rubles.
Литература
1. Автоматизированная система управления теплопотреблением главного корпуса УлГТУ / Н.Н. Ковальногов, А.С. Ртищева, А.Н. Фомин и др. // Вестник Ульяновского государственного технического университета. - №4. - 2004. - С. ST-61.
2. Ковальногов Н.Н. Автоматизированная система оптимизации теплопотребления учебного заведения. - Ульяновск: УлГТУ, 2005. - 46 с.
3. Ковальногов Н.Н., Ртищева А.С. Оценка эффективности использования автоматизированной системы управления теплопотреблением главного корпуса УлГТУ // Вестник Ульяновского государственного технического университета. -№2. - 2005. - С. 55 -57.
4. Тепловая модель главного учебного корпуса УлГТУ, оборудованного системой оптимизации теплопотребления / Н.Н. Ковальногов, В.Н. Ковальногов, А.С. Ртищева, А.Н. Афонин // Математические методы и модели в прикладных задачах науки и техники «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике» Том 7. - Ульяновск. - 2004. - С. 102-106.
5. Ковальногов Н.Н. Анализ эффективности автоматизированной системы управления теплопотреблением зданий высшего учебного заведения // Тезисы докладов III Международной научной школы-конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики». - Алушта, 2005. - С. 105-106.
6. Ковальногов Н.Н., Ртищева А.С. Автоматизированная система
оптимизации теплопотребления учебного заведения // Энергоэффективность. Опыт. Проблемы. Решения. - Вып. 1. - Нижний Новгород. - 2005. - С. 61-67.
7. Ковальногов Н.Н., Ртищева А.С. Автоматизированная система
управления теплопотреблением здания высшего учебного заведения // Материалы III Международной научно-технической конференции «Современные научнотехнические проблемы транспорта». - Ульяновск, 2005. - С. 84-87.
8. Система оптимизации теплопотребления технического университета / Ковальногов Н.Н., Ртищева А.С., Цынаева Е.А., Цынаева А.А. // Труды Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену. Т. 8. - М.: Изд-во МЭИ, 2006. - С. 81-84.
Поступила 18.12.2006
