31Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН № 2 (46) 2012
ИНФОРМАТИКА. НАНОТЕХНОЛОГИИ
УДК 681.51:628.8
ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМАМИ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОКЛИМАТА ПОМЕЩЕНИЙ
Р.Ш. МАНСУРОВ2
Московский государственный строительный университет 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26
2ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13 E-mail: post@mail.osu.ru
В работе предлагаются основные принципы интеллектуализации управления системами формирования микроклимата помещений. Также представлены некоторые результаты экспериментальных исследований переходных процессов в элементах систем обеспечения микроклимата.
Ключевые слова: система обеспечения микроклимата, энергосбережение, система автоматизированного управления, интеллектуальная система управления, переходный процесс, относительная избыточная теплота.
Ю.Я. КУВШИНОВ1,
Затраты на строительство здания с высоким уровнем автоматизации - так называемого «интеллектуального здания» - значительно выше, чем на строительство зданий с традиционным набором инженерного оборудования.
В странах с энергоэффективной экономикой при строительстве вкладывается значительно больше средств, чем в России, например, в значительное увеличение термического сопротивления наружных ограждений, в системы эффективного управления потребляемыми энергоресурсами. Это позволяет странам с энергоэффективной экономикой, во-первых, существенно снизить в период эксплуатации затраты на содержание здания, во-вторых, повысить качество жизни своих граждан.
В наших российских рыночных условиях «интеллектуализация» здания ведёт по разным причинам к росту цены за квадратный метр. Следовательно, «интеллектуальное здание» как высокотехнологичный объект с высоким уровнем автоматизации будет товаром только в том случае, если:
- инвестор вправе ожидать быстрого возврата вложенных денег с прибылью;
- эксплуатирующая организация вправе рассчитывать на высокую надёжность объекта и значительное снижение эксплуатационных затрат;
- собственник будет удовлетворен качеством жизни, уровнем безопасности, различными дополнительными сервисами и реально низкими коммунальными платежами.
Только такое сочетание требований делает «дорогостоящее интеллектуальное здание» привлекательным рыночным товаром, т. е. ликвидным.
Решение вопроса о ликвидности «интеллектуального здания» становится очевидным тогда, когда приведенные затраты оцениваются за многолетний (10 и более лет) период эксплуатации.
Так, например, для среднего офисного здания приведенные затраты за многолетний (более 15 лет) период эксплуатации при сегодняшних ценах состоят из себестоимости строительства - 10-15% и стоимости эксплуатации (энергоресурсы, ремонт, обслуживание и т.д.) - 85-90%.
Снижение общих эксплуатационных затрат на поддержание высокого качества жизни возможно лишь при эффективном использовании всего потенциала систем жизнеобеспечения здания - инженерных (в том числе систем обеспечения микроклимата), информационных, коммуникационных систем и систем безопасности, интегрированных в единую систему автоматизированного управления здания - систему диспетчеризации.
Остановимся подробнее на системах обеспечения микроклимата (СОМ). Известно, что доля затрат на энергоносители в общих эксплуатационных затратах составляет в среднем 40 - 60%. Они в основном расходуются СОМ для поддержания нормируемых параметров микроклимата в обслуживаемых помещениях, вне зависимости от параметров наружного климата. В холодный период года энергоносители расходуются на обогрев, в теплый период - на охлаждение эксплуатируемых помещений.
Попытка поиска технических решений по снижению энергопотребления в системах обеспечения микроклимата ведет инженерную мысль к эффективному применению энергосберегающего оборудования, энергосберегающих технологий обработки воздуха, различных организационных энергосберегающих мероприятий.
Применительно к системам обеспечения микроклимата часто используемым энергосберегающим оборудованием являются рекуператоры (пластинчатые или с промежуточным теплоносителем), регенераторы теплоты (роторные или камерные) и теплонасосные установки (ТНУ).
Из энергосберегающих технологий обработки воздуха широкое распространение получили байпасирование, рециркуляция и частотное регулирование производительности вентилятора.
Байпасирование используется, например, для обвода камеры орошения.
Рециркуляция - при смешении наружного воздуха с удаляемым воздухом из помещения.
Частотное регулирование применяется при регулировании воздухообмена в помещении в зависимости от содержания различных вредностей в воздухе рабочей зоны - теплоты, влаги, СО2, пыли и других вредных веществ.
Из организационных энергосберегающих мероприятий можно выделить организуемые и автоматически управляемые процессы по снижению температуры в зависимости от времени суток и дня недели, прерывистое отопление (охлаждение) и вентиляция помещений. Например, снижение температуры в ночное и нерабочее время суток, выходные и праздничные дни, использование так называемых «дежурных» систем отопления и вентиляции в нерабочее время, учет ассимилирующей способности воздушного объёма помещения, учет теплоаккумулирующих свойств ограждающих конструкций помещения и т.п.
Каждое из вышеперечисленных технических решений даёт возможность рационально использовать и экономить энергоресурсы. Естественно, возникает желание объединить всё в одном устройстве - и оборудование, и технологии, и организационные мероприятия. Но такое насыщение техническими решениями СОМ по снижению энергопотребления до уровня, при котором сохраняются оптимальные параметры микроклимата в помещении, требует применения соответствующей системы автоматизированного управления (САУ).
Разработка САУ СОМ такого уровня требует глубокого понимания как термодинамических процессов обработки влажного воздуха, процессов тепломассообмена, так и знаний в теории автоматизированного управления.
В настоящее же время назрел определённый разрыв в понимании поставленной задачи по снижению энергопотребления между проектировщиками СОМ и проектировщиками САУ. Проектировщики СОМ, закладывая, например, ТНУ в приточно-вытяжную
установку, считают, что проектировщики САУ знают, как её интегрировать в единую систему управления. На деле же получается так, что в проект закладывается дорогостоящее энергосберегающее оборудование, используемое неэффективно из-за недостатка знаний у проектировщиков СОМ в области автоматизированного управления и непонимания термодинамических процессов обработки воздуха, процессов тепломассообмена у проектировщиков САУ. Преодолеть этот разрыв можно, только предложив проектировщикам, тем и другим, готовое многовариантное инженерное решение по автоматизированному управлению системой обеспечения микроклимата.
Многовариантное решение в виде компоновочных решений СОМ и алгоритмов САУ предполагает максимально возможное сочетание энергосберегающих технологий, различных организационных энергосберегающих мероприятий и энергосберегающего оборудования, реализованное в системе обеспечения микроклимата на единой платформе устройств и оборудования.
Единая платформа, с точки зрения научных исследований, даёт возможность проводить натурные эксперименты по нахождению оптимальных вариантов сочетания технологий, оборудования и мероприятий при различных внешних и внутренних факторах - температуры, влажности, тепло- и влагоизбытках, загазованности и т.п. Единая платформа также предполагает использование свободно программируемого контроллера с большим объёмом памяти, что позволяет «обкатывать», т.е. тестировать различные алгоритмы управления системой обеспечения микроклимата.
Если вышеперечисленные энергосберегающие технологии, организационные мероприятия и оборудование широко известны среди специалистов, то алгоритмы САУ -исключительно закрытая тема для обсуждения, или, как сейчас модно говорить, «коммерческая тайна фирмы-производителя». Но такое положение, складывающееся вокруг «фирменных» алгоритмов САУ, приведет в будущем к тупиковой ситуации. Уже сейчас разработчики сталкиваются с проблемами, связанными с увязкой логики отдельных элементов, являющихся составной частью систем обеспечения микроклимата. Например, «жестко» программируемые контроллеры «прошиты» на заводе-изготовителе и при проектировании САУ не позволяют выйти за пределы заводских настроек, что не всегда соответствует оптимальному режиму работы СОМ в целом. Даже в «свободно» программируемые контроллеры загружена программа, написанная фирмой - поставщиком оборудования для выполнения конкретной задачи и не всегда соответствующая заявленным целям, и тем более уровень её зависит от субъективных причин - квалификации программиста, его знаний о термодинамических процессах обработки воздуха и знаний в теории автоматизированного управления. Поэтому исследования теоретические, экспериментальные и практические (на реальных объектах), а также обсуждение и сравнение результатов в открытой печати различных алгоритмов управления создадут возможность для развития реального «интеллектуального здания». В этом случае процесс развития САУ в интеллектуальную систему управления (ИСУ) будет носить не субъективный - «фирменный», а научно обоснованный, т.е. универсальный и объективный характер.
Итак, на современном этапе развития СОМ применение одновременно всех вышеперечисленных технологий, а также организационных мероприятий и оборудования на практике не встречается, что связано с трудностями реализации автоматизированного алгоритма взаимодействия между ними. Трудности эти в первую очередь связаны с достаточной сложностью разработки автоматизированного алгоритма управления СОМ. Но вся сложность алгоритма, значительные затраты на его исследования и разработку «окупятся» широчайшими возможностями, появляющимися при управлении энергопотреблением СОМ.
Что же должен собой представлять алгоритм выбора варианта, при котором энергопотребление СОМ будет оптимальным? Прежде чем дать ответ на этот вопрос, следует понять, как система управления СОМ будет достигать поставленной цели - поддержание заданных параметров микроклимата в помещении. Возможны два варианта:
а) при соответствующих параметрах наружного климата и микроклимата система выбирает заранее просчитанный алгоритм управления СОМ;
б) система управления сама просчитывает различные комбинации схемных решений и выбирает из них те, которые отвечают поставленной цели.
Рассматривая систему обеспечения микроклимата, можно сделать вывод о том, что она является достаточно сложной динамической системой с высокой степенью неопределённости [1]. Её поведение невозможно в полной мере достоверно описать математически. В таких системах неопределённость проявляется в виде внутренней и внешней.
Внутренняя неопределённость связана с характером поведения отдельных элементов СОМ, сложным динамическим взаимодействием между ними и стохастическим характером изменения термодинамических параметров внутри самой СОМ.
Внешняя неопределенность - это неопределенность взаимодействия с внешней по отношению к СОМ окружающей средой, имеющей, как правило, случайный, часто непредсказуемый характер.
Следовательно, работа ИСУ - это адаптация к меняющимся условиям внутреннего состояния СОМ и внешней среды. В такой постановке адаптация означает возможность системы управления «прогнозировать» или «просчитывать» термодинамическое состояние объекта управления (т.е. СОМ) под влиянием изменяющихся факторов внешней среды в «будущем» с заданной точностью или достаточной вероятностью.
Одним из ключевых блоков в составе ИСУ является виртуальная (математическая) модель СОМ. Она представляет собой взаимосвязанную систему, состоящую из отдельных моделей блоков или элементов СОМ, например, вентилятора, воздухонагревателя, воздуховода и т.д. Механизм работы элемента СОМ в динамике очень сложен и во многих случаях до конца неизвестен. В случае, когда сам механизм работы реального элемента не важен, а имеет значение лишь ее результат, элемент можно заменить так называемым «черным ящиком», в котором важна только функциональная связь «входов» и «выходов». В этом случае задача состоит в определении функциональной зависимости, в соответствии с которой «черный ящик» реагирует на произвольно меняющиеся входные сигналы (например, температура, влажность и скорость входящего в элемент потока воздуха) точно так же, как реальный элемент СОМ.
Функциональная зависимость «черного ящика» в рассматриваемой задаче должна представлять собой достаточно простую передаточную функцию для каждого элемента СОМ или его части (в зависимости от сложности элемента), идентификация которой возможна двумя путями:
а) на основе сопоставления с результатами расчета по математической модели, отражающей достаточно точно физическую сущность процессов в элементе;
б) на основе сопоставления с данными эксперимента на реальной физической модели.
Первый путь требует, как правило, громоздкого математического аппарата, который
сам нуждается в подтверждении адекватности реальным условиям, а также в значительных вычислительных ресурсах, поэтому для разработки реальной интеллектуальной системы управления он не подходит. Наиболее эффективным для решения задачи представляется второй путь, реализация которого не вызывает сомнения в достоверности данных и открывает таким образом возможности для формирования ИСУ СОМ и ее развития в описанной выше последовательности.
Специально для исследования и построения ИСУ в рассматриваемой постановке на кафедре теплогазоснабжения и вентиляции Оренбургского государственного университета создана и введена в эксплуатацию экспериментальная установка СОМ. Помимо традиционных элементов, установка включает энергосберегающее оборудование - пластинчатый воздухо-воздушный рекуператор (РВВ), рекуператор с промежуточным теплоносителем (РПТ) и теплонасосную установку (ТНУ).
Компоновка СОМ позволяет изменять технологию обработки воздуха с использованием рециркуляции и байпасирования воздуха. Встроенная система управления, реализованная на «свободно» программируемом логическом контроллере (ПЛК) под управлением компьютера, позволяет реализовать и исследовать различные алгоритмы управления оборудованием СОМ.
Принципиальная схема стенда (в настоящее время без камеры увлажнения воздуха) приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной системы обеспечения микроклимата
В настоящее время на опытном стенде ведется моделирование режимов работы отдельных элементов СОМ. В качестве примера на рис. 2 и 3 представлены графики экспериментальных зависимостей для двух серий экспериментов в относительных величинах переходных процессов при совместной работе электрического воздухонагревателя ЕА 40-20/12 и приточного центробежного канального вентилятора УЯ 60-30.
Обработка экспериментальных данных проводилась в автоматическом режиме с использованием следующих зависимостей:
- для расчета массового расхода воздуха, кг/час.:
С = ("—252—'3600);
- для расчета количества явной теплоты, выделяемой электрическим воздухонагревателем, Вт:
С
- для расчета количества явной теплоты, выделяемой вентилятором, Вт:
С
- для расчета относительной избыточной теплоты, выделяемой электрическим воздухонагревателем:
^ТЕК _ Лнач
_ Ен тгв:-:
■^т:-:::-: _ ^ :■::-: _ /-:-:?.-: ' 1 тген ТГЕН 1
- для расчета относительной избыточной теплоты, выделяемой вентилятором:
О™
ТГЕВНТ 1-Е
_ ^ЕВНТ ХЕВНТ
тГП
. пт н,ВЕНТ 1ЛКПН _ лнач
- для расчета количества явной теплоты, аккумулируемой и ассимилируемой воздухом помещения, Вт:
С _
«"^ЗбОО
- для расчета относительной избыточной теплоты, аккумулируемой и ассимилируемой воздухом помещения:
^ТЕК _ ,-тН&Ч
ПИК ТГппи
ОТ И. НОМ |ЛЕСН_ЛНВЧ|'
для расчета относительного перепада температуры:
^ В ПЕЗГГГ
ль_=
птн
-С 2
где: Ъ - площадь сечения воздуховода в месте установки датчика скорости, м ;
- V - средняя скорость приточного воздуха по сечению, м/с; свозд - теплоёмкость воздуха, принимаемая равной 1005 Дж/(кг-К); 1:п7 - температура воздуха до электрического воздухонагревателя, оС;
1:п8 - температура воздуха после электрического воздухонагревателя и перед вентилятором, С;
1:п9 - температура воздуха после вентилятора в месте установки датчика скорости, оС; 1у1 - температура воздуха, удаляемого из помещения, определяемая во входе вытяжного воздуховода, С;
-:;->:= 1п9-1п8 - температурный перепад при нагреве воздуха, проходящего через вентилятор в текущий момент времени, С;
- = 1п8-1:п7 - температурный перепад при нагреве воздуха, проходящего через электрический воздухонагреватель в текущий момент времени, С.
Надстрочные индексы:
тек., нач., кон. - обозначение величины в текущий момент времени, начальный, при 2=0 и конечный, при 2=ю;
нагр., охл. - обозначение величины в процессе нагрева или охлаждения. Подстрочные индексы:
вент., вн., пом. - обозначение величины, относящейся к вентилятору, воздухонагревателю и помещению;
отн. - обозначение относительной величины.
После обработки экспериментальных данных с использованием вышеприведенных формул были получены зависимости С^бн^Х Ч£тн,ен(2Х Чп™нт(2Х ^тн,еент(2Х
~нагр
На рис. 2 и рис. 3 представлены экспериментальные зависимости в относительных величинах переходных процессов при совместной работе электрического воздухонагревателя и приточного центробежного канального вентилятора для двух характерных видов изменения относительной избыточной теплоты, выделяемой вентилятором.
¡¡¿о -.-.-.-.-.-
Рис. 2. Параметры работы блока «воздухонагреватель-вентилятор» при следующих режимах: вентилятора 0,6 (70-0,6=42 Гц), воздухонагревателя при скачке мощности от 0,1 до 0,3 (нагрев) и от 0,3 до 0,1 (охлаждение)
Рис. 3. Параметры работы блока ««воздухонагреватель-вентилятор» при следующих режимах: вентилятора 0,7 (70-0,7=49 Гц), воздухонагревателя при скачке мощности от 0,1 до 0,4 (нагрев) и от 0,4 до 0,1 (охлаждение)
Анализируя результаты проведенных экспериментальных исследований, можно сделать следующие выводы:
• Продолжительность и соответственно инерционность переходных процессов нагрева и охлаждения воздуха в элементах систем обеспечения микроклимата оказывают значимое влияние на запаздывание температуры воздуха помещения. Этот факт необходимо учитывать при проектировании алгоритмов автоматизированных систем управления климатическими установками.
• Экспериментальные зависимости переходных процессов в исследуемых элементах систем обеспечения микроклимата в относительных величинах имеют характерный, неслучайный вид и практически симметричны при нагреве и охлаждении воздуха. Это обстоятельство открывает возможность регрессионного анализа экспериментальных данных с целью выявления функциональных связей между различными влияющими и зависимыми параметрами. В дальнейшем это позволит реализовать следующий шаг построения интеллектуальной системы управления - разработать математическую модель того или иного исследуемого элемента системы обеспечения микроклимата.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кувшинов Ю.Я. Динамические свойства помещения с регулируемой температурой воздуха // Известия вузов. Строительство, 1993. № 4. С. 50 - 56.
THE INTELLECTUAL SYSTEM DEVELOPMENT OF ROOM MICROCLIMATE FORMATION
YU.YA. KUVSHINOV1, R.SH. MANSUROV
1Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE) 129337, Moscow, 26, Yaroslavskoe highway
2Orenburg State University (OSU) 460018, Orenburg, 13, Pobeda avenue E-mail: post@mail.osu.ru
The basic principles of intellectual system development of room microclimate formation are presented in the research. Some results of experimental researches in transitional processes in heating and cooling at microclimate supply system's elements are considered here.
Key words: microclimate supply system, energy-saving, automatic control system, intellectual control system, transitional process, comparative (relative) extra heat.
Работа поступила 17. 01. 2012 г.
