CC BY
18ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ,
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА POWER EFFICIENCY, POWER SAVING, NUCLEAR POWER ENGINEERING
Интеллектуальная система и электронные компоненты для контроля потребления тепловой энергии
Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, Д.Б. Рыгалин, М.Ю. Штерн, И.С. Караваев, М.^ Рогачев
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Intellectual System and Electron Components for Controlling Individual Heat Consumption
Yu.I. Shtern, Ya.S. Kozhevnikov, D.B. Rygalin, M.Yu. Shtern, I.S. Karavaev, M.S. Rogachev
National Research University of Electronic Technology, Moscow
Представлены интеллектуальная система и электронные компоненты для ее функционирования, позволяющие реализовать инновационный метод измерения индивидуального потребления тепловой энергии. Для реализации интеллектуальной системы разработаны оригинальные конструкционно-технологические, схемотехнические и аппаратно-программные решения для ее электронных компонентов. Определены и обоснованы методы и математические модели для расчета индивидуального потребления тепловой энергии.
Ключевые слова: интеллектуальная система; электронные компоненты; тепловая энергия; энергосбережение; беспроводные технологии передачи информации; аппаратно-программные средства.
The intellectual system and the electron components for its functioning, allowing the implementation of the innovative method of measuring the individual heat consumption, have been developed. For intellectual system realization the original construction-technological circuit, hardware and software solutions have been developed for the intellectual system electron components. The methods and the mathematical models for calculation of individual heat consumption have been determined and stipulated.
Keywords: intellectual system; electron components; heat energy; energy saving; wireless data transmission technology; hardware and software means.
© Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, Д.Б. Рыгалин, М.Ю. Штерн, И.С. Караваев, М.С Рогачев, 2015
Введение. Контроль расхода энергоносителей в настоящее время является одной из важнейших задач науки и техники. Внедрение энергосберегающих технологий невозможно без объективного учета потребления энергоносителей. Особенно это актуально для индивидуального учета, так как стимулирует население к экономии.
Анализируя методы и средства измерения расхода энергоносителей, необходимо отметить, что наиболее сложной и неоднозначно решенной задачей является учет индивидуального потребления тепловой энергии, в частности в жилищно-коммунальном хозяйстве. Для индивидуального учета тепла при двухтрубной горизонтальной схеме построения системы отопления могут быть использованы так называемые квартирные теплосчетчики. Популярны за рубежом и начинают применяться в нашей стране электронные приборы, с помощью которых по измерению и интегрированию температурного напора между поверхностью отопительного прибора (теплообменника) и воздухом в помещении определяют долю тепловой энергии, выделяемой данным отопительным прибором, относительно показаний домового теплосчетчика. Эти приборы называют пропорционаторами или распределителями тепла.
Рассмотренные технические решения имеют ряд недостатков. Квартирные теплосчетчики можно использовать только в тех домах, где установлена двухтрубная горизонтальная система отопления при разности температур ДГ на подающем и обратном трубопроводах системы отопления не менее 3-5 °С. Такое значение ДГ имеет место в трехкомнатных (и более) квартирах. Необходимо также отметить, что доля квартир с двухтрубной горизонтальной разводкой мала по сравнению с другими системами отопления, где невозможно использовать квартирные теплосчетчики.
При реализации метода определения тепла с помощью пропорционаторов их необходимо устанавливать на всех теплообменниках, размещенных в квартире. Методика расчета тепла корректируется для каждого типа теплообменника. Однако прямое измерение тепловой энергии здесь не осуществляется, поэтому возникает высокая погрешность распределения потребленного тепла, которая определяется рядом методических и технологических факторов. Не измеряется также тепло, выделенное трубами стояков, размещенных в квартирах, и исключается возможность измерения общедомовых затрат тепловой энергии. В настоящее время это пока доминирующий способ оценки индивидуального потребления тепла в многоквартирных домах, который активно готовится для внедрения в нашей стране.
Работы в направлении поиска новых методов определения индивидуального потребления тепла ведутся многими исследовательскими лабораториями и фирмами, разрабатывающими и производящими контрольно-измерительные приборы для определения расхода энергоносителей. Пока не существует эффективного метода и средств для прямого измерения индивидуального потребления тепловой энергии, которые возможно использовать для любых известных способов построения систем отопления.
Создание интеллектуальной системы (ИС) контроля индивидуального потребления тепла, в которой реализован инновационный метод прямого измерения тепловой энергии, включая общедомовые затраты, является актуальной научно-технической задачей. Решение этой задачи имеет существенное значение для объективного контроля расхода энергоносителей и реализации энергосберегающих технологий в первую очередь в ЖКХ. Таким образом, возможно решить также важную социально-экономическую проблему.
Структура ИС контроля потребления тепловой энергии. Разработанная ИС может воспринимать, сравнивать, преобразовывать, создавать и хранить внутри себя алгоритмы и модели определенных объектов. ИС с обратной связью выполняет проверку
топологии расположения компонентов системы, ее проектную конфигурацию, соответствующую данному типу здания. ИС реагирует на несанкционированные действия, выбирает и реализовывает нужный алгоритм расчета при отсутствии данных от оконечных устройств, проводит мониторинг всех параметров системы с принятием мер по внештатным ситуациям. ИС способна изменять измерительные каналы, проводить дистанционный контроль, инициализацию и настройку системы в зависимости от конфигурации, а также рассчитывать и структурировать данные в базы данных.
Принцип построения ИС базируется на интеграции в единый информационно-измерительный комплекс измерительных, исполнительных, включая приемопередающие устройства, и аппаратно-программных средств. В ИС реализован метод измерения индивидуального потребления тепловой энергии, основанный на новой концепции использования виртуальных измерительных каналов, оснащенных высокоточными средствами измерения температуры с беспроводным интерфейсом. ИС представляет собой совокупность электронных измерительных средств и исполнительных устройств, объединенных в оконечные устройства (ОУ), аппаратно-программных и вычислительных средств.
В качестве измерительных средств в ИС применяются измеритель температуры беспроводной (ИТБ-1) и расходомер теплоносителя с импульсным выходом, подключенный к счетчику импульсов беспроводному (СИБ-1К). В состав всех средств измерений входят радиотрансиверы, т.е. обмен информацией осуществляется по беспроводному интерфейсу. Исполнительными устройствами ИС являются ретрансляторы локальные (РЛ), предназначенные для приема-передачи информации; комнатные мониторы (КМ), используемые для отображения информации о расходе энергоносителей, и терморегулирующие вентили для управления расходом теплоносителя. В качестве вычислительных средств для расчета параметров энергоносителей и их расхода используется центральный сервер системы (ЦСС), роль которого может выполнять домовый ретранслятор (ДР), оснащенный соответствующими аппаратно-программными средствами.
ИС в автоматическом режиме обеспечивает непрерывный мониторинг термодинамических параметров теплоносителя, расчет и передачу измеренных параметров в базу данных для накопления и хранения, а также вывод результатов измерений и расчета на различные индикаторы. ИС предназначена для учета тепловой энергии в многоквартирных зданиях и передачи информационных данных, например в Единый информационно-расчетный центр, управляющую компанию, в масштабах здания, квартала, муниципалитета, региона, что позволяет создать единую информационно-аналитическую сеть.
Структурная схема ИС в многоквартирном доме представлена на рисунке.
Рассматриваемая система является измерительной, организуемой по единому сетевому принципу и принимаемой как функционально законченное изделие на конкретных объектах. Работа ИС осуществляется следующим образом. Измеренные данные от оконечных устройств по радиоканалу передаются на РЛ и далее по проводному или беспроводному интерфейсу поступают на ДР, выполненный на базе промышленного компьютера. В ДР эти данные обрабатываются, архивируются и передаются в ЦСС, где с помощью специального программного обеспечения (ПО) производится расчет и отображение значений потребленных энергоносителей. Передача данных в ЦСС от ДР может осуществляться одним из следующих способов: носитель флэш-памяти, Wi-Fi, GSM, TSP/IP. При установлении ПО непосредственно в ДР функции ЦСС выполняются домовым ретранслятором. Результаты измерений потребленных энергоносителей в узаконенных единицах сохраняются в базе данных ЦСС и доступны для просмотра на мониторе ЦСС, на дисплеях РЛ и на дисплеях КМ, установленных у индивидуальных потребителей, а также доступны для просмотра с ограниченным доступом в сети Интернет.
Структурная схема ИС для однотрубной системы отопления
В системе реализован метод измерения индивидуального потребления тепловой энергии, основанный на концепции построения контролируемых измерительных каналов, образованных с помощью определенного размещения ИТБ и расходомеров теплоносителя. Таким образом возможно контролировать потребляемую тепловую энергию на любых участках системы отопления. Топология измерительных каналов определяется схемой расположения ИТБ и расходомеров теплоносителя на трубопроводах в процессе проектирования системы отопления. Необходимо отметить, что построение измерительных каналов может быть изменено (оптимизировано) в процессе эксплуатации ИС с помощью аппаратно-программных средств. В связи с этим можно считать, что измерительные каналы определения потребленной тепловой энергии являются виртуальными. Возможность построения виртуальных измерительных каналов - существенное преимущество предложенной методики тепловой энергии, так как позволяет кроме индивидуального (поквартирного) определения тепла проводить измерения расхода тепла на обогрев общедомовых и коммерческих помещений.
При реализации измерительных каналов для поквартирного определения потребленного тепла в однотрубных системах отопления (см. рисунок) ИТБ размещаются в каждой квартире на стояках отопления возле потолка или на выходе отопительного прибора. Кроме того, для определения тепловой энергии используются данные расхода теплоносителя, измеренные расходомером, оснащенным счетчиком импульсов и установленным на каждом стояке на инженерном этаже.
Электронные компоненты для ИС контроля тепловой энергии. К электронным компонентам ИС относятся устройства измерительные (ИТБ-1, СИБ-1К) и отображения информации (КМ), а также связующие элементы (РЛ). Электронные компоненты вы-
полняют прием-передачу данных по радиоканалу в полосе рабочих частот 434 или 868 МГц при мощности, не превышающей 10 мВт.
ИТБ-1 предназначен для контроля температуры в интервале от 5 до 95 °С, соответствующем температуре теплоносителя. Он состоит из электронного термометра и приемопередатчика. Определяющий параметр ИТБ-1 - низкая погрешность измерений (± 0,05 °С), достигаемая оригинальным схемотехническим решением с использованием разработанной математической модели расчета температуры, а также индивидуальной калибровкой по оригинальной методике на автоматизированном измерительном комплексе [1]. В качестве датчика используется стабильный платиновый тонкопленочный термометр сопротивления Pt-RTD1000, включенный в мостовую схему.
Проведено исследование характеристик платиновых терморезисторов и определена оптимальная математическая модель для реализации в ИТБ -1, обеспечивающая необходимую точность расчета в интервале рабочих температур:
Ж + а
/ =
ЬЖ + с'
где W - относительное сопротивление, W = Rt/R0; a, Ь, c - некоторые постоянные коэффициенты, которые находят путем обработки данных стандартных таблиц значений R = для платины по методу наименьших квадратов [2].
Данная математическая модель обеспечивает погрешность расчета температуры ±0,005 °С в интервале от 5 до 100 °С.
СИБ-1К измеряет число импульсов, поступающих от различных измерительных устройств, с относительной погрешностью 0,1%. Это беспроводной программно-управляемый микропроцессорный счетчик с ПО, реализующим алгоритм его работы.
РЛ предназначен для сбора, хранения и передачи данных от оконечных устройств в домовый ретранслятор. К каждому РЛ по радиоканалу может быть подключено до 127 оконечных устройств. В РЛ реализован протокол передачи данных 81шр11е1Т1. Ретранслятор работает в режимах конфигурирования, параметризации, калибровки и мониторинга. Все команды управления компонентами ИС поступают в РЛ от ДР по каналу RS-485, а затем транслируются соответствующему ОУ. Разработана модификация РЛ с жидкокристаллическим монитором для индикации измеренных параметров ИС и результатов потребления энергоресурсов.
ЦСС - программный модуль, состоящий из базы данных и программных приложений, который может быть установлен как на ДР, так и на удаленном компьютере с доступом в Интернет. Модуль предназначен для расчета и отображения параметров и управления ИС, хранения и передачи данных с применением различных интерфейсов, в том числе беспроводных.
Средства измерения, входящие в состав ИС, имеют сертификаты соответствия Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии.
Метод расчета тепловой энергии. Расчет потребленной тепловой энергии Q на контролируемом участке трубопровода системы отопления проводится следующим образом:
б = М(¿вх - ¿вых ),
где М - масса теплоносителя (воды); ^Ь1х - соответственно удельная энтальпия воды на входе и выходе контролируемого участка системы отопления, кДж/кг:
Ивх = 4,18544^; ¿вых = 4,18544/вых,
здесь ¿Вх, ¿вых - температура воды, измеренная ИТБ-1 соответственно на входе и выходе контролируемого участка трубопровода.
Масса теплоносителя, прошедшего через поперечное сечение трубопровода стояка отопления, определяется как
М = /^р,
где I - количество импульсов расхода воды в трубопроводе; ^ - «вес» импульса расходомера (счетчика); р - плотность воды при температуре, измеренной ИТБ-1, ближайшим к расходомеру.
При расчетах необходимо учитывать температурную зависимость плотности воды в килограммах на кубический метр при давлении 1,6 МПа:
р = 1001,35524 -0,09145^р -0,00305^,
где ¿р - температура воды в стояке, измеренная ИТБ-1, ближайшим к расходомеру.
В работе [3] проведена оценка доверительных границ систематической погрешности измерения индивидуального потребления тепловой энергии с помощью метода, реализованного в ИС и основанного на использовании высокоточных интеллектуальных датчиков температуры. Показано, что средневзвешенная арифметическая погрешность определения тепловой энергии, потребленной одной квартирой за отопительный сезон, составляет не более 6,5 % (вполне приемлемый показатель). Необходимо также отметить, что эта погрешность ниже, чем у единственного альтернативного способа индивидуального учета тепловой энергии, основанного на использовании распределителей потребленного тепла [4].
Заключение. Электронные компоненты для функционирования разработанной ИС позволяют реализовать инновационный метод прямого измерения индивидуального потребления тепловой энергии, основанный на использовании виртуальных измерительных каналов, определяемых топологией интеллектуальных датчиков температуры и расходомеров теплоносителя в системах отопления. Конфигурация измерительных каналов определяется с помощью программных средств и может оперативно изменяться в процессе эксплуатации.
В процессе создания ИС получены следующие результаты, имеющие научную новизну: определена математическая модель для платинового термометра сопротивления,
-3
позволяющая рассчитывать температуру с погрешностью, не превышающей 5 10 °С; разработаны оригинальные конструкционно-технологические, схемотехнические и аппаратно-программные решения для интеллектуального датчика температуры; предложен метод аппаратно-программной калибровки высокоточных интеллектуальных датчиков температуры, позволяющий проводить их аттестацию в автоматическом режиме, что значительно сокращает время и снижает себестоимость датчиков; определены и обоснованы методы и математические модели для расчета индивидуального потребления тепловой энергии, включающие расчет и распределение общедомовых расходов тепловой энергии.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках прикладных научных исследований (соглашение № 14.575.21.0013, уникальный идентификатор проекта ЯРМЕР157514Х0013).
Литература
1. Методика и аппаратно-программный комплекс для автоматизированной калибровки средств измерений температуры с беспроводным интерфейсом / Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, Р.Е. Миронов и др. // Измерительная техника. - 2013. - № 5. - С. 23-26.
2. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Миронов Р.Е. Разработка математических моделей и аппаратно-программных средств для высокоточных электронных измерителей температуры // Изв. вузов. Электроника. - 2013. - №1 (99). - С. 10-17.
3. Оценка неопределенности измерения индивидуального потребления тепловой энергии / Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, В.А. Медведев и др. // Метрология. - 2013. - № 5. - С. 19-25.
4. Медведев В.А. Счетчики-распределители теплопотребления. Метрологические аспекты // Мир измерений. - 2004. - № 5. - С. 17-19.
Статья поступила 2 июня 2015 г.
Штерн Юрий Исаакович - доктор технических наук, профессор кафедры материалов функциональной электроники МИЭТ, заведующий базовой кафедрой интеллектуальных энергосберегающих систем ОАО «Зеленоградский инновационно-технологический центр», руководитель Центра коллективного пользования (ЦКП) «Электронные приборы и оборудование» МИЭТ. Область научных интересов: интеллектуальные энергосберегающие системы, теория материаловедения и физические методы исследования материалов, высокоточные температурные технологии, полупроводниковые преобразователи энергии, полупроводниковые термоэлектрические устройства и приборы. E-mail: [email protected]
Кожевников Яков Серафимович - кандидат технических наук, научный сотрудник ЦКП «Электронные приборы и оборудование» МИЭТ. Область научных интересов: цифровая обработка сигналов, проектирование специализированных цифровых вычислительных устройств и автоматизированных систем управления, высокоточные температурные технологии, интеллектуальные энергосберегающие системы.
Рыгалин Дмитрий Борисович - доктор экономических наук, руководитель ЦКП «Метрология и аттестация нано-, микросистемной техники и электронной компонентной базы для теплоэнергетики». Область научных интересов: интеллектуальные энергосберегающие системы, проектирование нано- и микроэлектронных схем, метрология температурных средств измерений.
Штерн Максим Юрьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры МФЭ МИЭТ. Область научных интересов: интеллектуальные энергосберегающие системы, полупроводниковые термоэлектрические устройства и приборы.
Караваев Иван Сергеевич - аспирант кафедры МФЭ МИЭТ. Область научных интересов: высокоточные температурные технологии, интеллектуальные энергосберегающие системы, автоматизированные системы управления.
Рогачев Максим Сергеевич - аспирант кафедры МФЭ МИЭТ. Область научных интересов: высокоточные температурные технологии, полупроводниковые преобразователи энергии, энергосберегающие технологии, полупроводниковые термоэлектрические устройства и приборы.
