Компьютерные энергосберегающие технологии управления системами жизнеобеспечения зданий Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

-□ □-

Розглядаються питання тдвищен-ня енергозбереження в системах житте-забезпечення будiвель для традицшних (модертзащя ^нуючих) i альтернатив-них (розробка нових) систем теплопо-стачання. В результатi дослиджень роз-роблен комп'ютерно-ттегроват системи керування технологiчними процесами для: модертзованого iндивiдуального теплового пункту i системи опалення; систем соняч-них колекторiв; систем отримання i вико-ристання геотермальног енерги з чотирма циклами теплообмту

Ключовi слова: енергозбереження, системи життезабезпечення будiвель, альтернативнетеплопостачання, комп'ю-

терно-ттегроваш системи керування

□-□

Рассматриваются вопросы повышения энергосбережения в системах жизнеобеспечения зданий для традиционных (модернизация существующих) и альтернативных (разработка новых) систем теплоснабжения. В результате исследований разработаны компьютерно-интегрированные системы управления технологическими процессами для: модернизируемого индивидуального теплового пункта и системы отопления; систем солнечных коллекторов; систем получения и использования геотермальной энергии с четырьмя циклами теплообмена

Ключевые слова: энергосбережение, системы жизнеобеспечения зданий, альтернативное теплоснабжение, компьютерно-интегрированные системы управления

-□ □-

УДК 004:697:681.5

|DOI: 10.15587/1729-4061.2014.305031

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМАМИ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ

ЗДАНИЙ

А. А. Бобух

Кандидат технических наук, доцент* E-mail: aabobukh@ukr.net Д. А. Ковалёв Кандидат технических наук, доцент** E-mail: kovalyov_d_a@mail.ru А. А. Климов Ассистент** А. М. Дзе воч ко Кандидат технических наук, доцент* E-mail: sashadzevochko2@mail.ru *Кафедра автоматизации химико-технологических систем и экологического мониторинга Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт» ул. Фрунзе, 21, г. Харьков, Украина, 61002 **Кафедра теплохладоснабжения Харьковский национальный университет городского хозяйства имени А. Н. Бекетова ул. Революции, 12, г. Харьков, Украина, 61002 E-mail: movkli@yandex.ua

1. Введение

Энергосбережение в системах жизнеобеспечения зданий является комплексной проблемой общемирового масштаба, направленной на повышение эффективности использования существующих ресурсов и, учитывая зарубежный опыт, применения альтернативных источников тепловой энергии для экономии материально-энергетических ресурсов в условиях их дефицита. В статье рассматриваются вопросы повышения эффективности получения и использования тепловой энергии в системах жизнеобеспечения зданий за счет разработки и применения компьютерно-интегрированных систем управления технологическими процессами традиционных и альтернативных систем теплоснабжения.

2. Анализ литературных данных и постановка проблемы

Повышение эффективности эксплуатации систем жизнеобеспечения зданий представляет собой актуальную научно-техническую проблему не только Украины, но и большинства стран мира. Результатом ежегодных форумов Международного энергетического агентства, направленных на поиск решения этой проблемы, является [1, 2]:

- анализ запасов полезных ископаемых, используемых для получения тепловой и электрической энергии;

- состояние альтернативной и возобновляемой энергетики в странах - участниках;

- возможность частичного замещения традиционной энергетики альтернативной (возобновляемой);

©

- планирование и рекомендации по распространению, разработке, использованию и внедрению альтернативной энергетики в большинстве стран мира.

Использование альтернативной (нетрадиционной) энергии далеко не ново для человечества, однако свое широкое распространение она получила в последние десятилетия из-за применения современных приборов и средств, позволяющих преобразовать энергию Солнца, земли и ветра в электрическую и тепловую энергии. Это дает возможность получить больший КПД от этих установок [3], а применение компьютерно-интегрированных систем управления (КИСУ) для энергосбережения позволяет использовать полученную энергию по максимуму. Основная задача энергетических систем - обеспечение потребителей тепловой и электрической энергией с требуемыми параметрами, решение которой зависит от разработки и внедрения новых энергосберегающих технологий, с применением микропроцессорных контроллеров (МПК) и новых разработок в сфере контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации (КИП и СА).

Системы теплоснабжения проектируются с учетом технико-экономического обоснования и оптимального сочетания систем централизованного (СЦТ), умеренно-централизованного, децентрализованного и автономного теплоснабжений. В Украине широкое развитие получили СЦТ в состав которой входят [4]: источник тепловой энергии, магистральные тепловые сети, центральные тепловые пункты (ЦТП), с системами горячей водоподготовки (СГВ) и распределительными трубопроводами СГВ, тепловые распределительные сети, индивидуальные тепловые пункты (ИТП), системы отопления зданий с потребителями тепловой энергии (СО).

При разработке, использовании и внедрении энергосберегающих технологий особый интерес (в первую очередь материальный) для потребителей тепловой энергии представляет собой здание. При разработке и внедрении энергосберегающих технологий общемировой тенденцией является отказ (при невозможности - модернизация) от традиционных систем теплоснабжения и широкое распространение нетрадиционной (альтернативной) энергетики. Ввиду рекордных цен на нефть в 2010-2013 гг., газового кризиса (начавшегося с 2006 года и продолжающегося до сих пор с некоторыми периодами относительного спокойствия), нестабильной ситуация в отдельных нефте- и газодобывающих странах Северной Африки, Латинской Америки и Ближнего Востока, страны с развитой промышленностью вынуждены разрабатывать и внедрять новые технологии (использующиеся пока лишь эпизодически). Данная стратегия развития [5] позволит компенсировать дефицит традиционного топлива, и учитывать экологический фактор.

К основным видам альтернативных источников энергии относятся следующие ее виды [6, 7]: солнечная, ветровая, биомасса, геотермальная, малых рек, мирового океана.

В Украине для повышения энергосбережения в зданиях целесообразно применять солнечную и геотермальную энергии [4].

Солнечная энергетика основана на использовании солнечного излучения - неисчерпаемого (в обозримом будущем) источника энергии, использование которого при помощи солнечных коллекторов осуществляется в

целом ряде технологических процессов [8, 9], в частности, для горячей водоподготовки зданий.

В отличие от солнечной энергетики геотермальная энергия начала использоваться сравнительно недавно, но уже получила широкое распространение [10], в частности, в качестве источника низкопотенциального тепла для тепловых насосов.

Для повышения энергосбережения в рассмотренной литературе особое внимание уделяется модернизации существующих и разработке и внедрению новых технологий (использующихся пока лишь эпизодически даже в развитых странах), которые позволят компенсировать дефицит традиционного топлива. Но большинство из предлагаемых вариантов являются малоприменимыми для Украины ввиду высокой стоимости иностранных КИП и СА, в том числе МПК, предлагаемых для их реализации. Поэтому целесообразной представляется разработка КИСУ для систем жизнеобеспечения зданий с использованием отечественных КИП и СА, в том числе МПК, стоимость которых значительно ниже иностранных аналогов.

3. Цель и задачи исследования

Целью исследования является экономия материально-технических, энергетических и трудовых ресурсов за счет применения энергосберегающих технологий в зданиях.

Для достижения поставленной цели необходимо разработать КИСУ:

• для традиционной энергетики - ИТП с системами отопления и горячей водоподготовки здания, как элементов СЦТ;

• альтернативных источников энергии: солнечной - в системах кондиционирования воздуха при применении систем солнечных коллекторов, и геотермальной - в системах отопления здания при применении геотермальной энергии.

4. Энергосбережение в системах жизнеобеспечения зданий

Применение компьютерных энергосберегающих технологий управления системами жизнеобеспечения зданий при разработке нижеприведенных функциональных схем реализовано при помощи типовых современных отечественных КИП и СА, подробно рассмотренных и описанных в [4, 11-13]. Следует отметить, что стоимость применяемых КИП и СА значительно ниже иностранных аналогов.

Разработка функциональных схем компьютерно-интегрированных систем управления технологическими процессами (ФС КИСУ ТП) выполнена в соответствии с требованиями соответствующих отраслевых стандартов.

4. 1. Энергосбережение в индивидуальном тепловом пункте с системой отопления и горячей водоподготовки здания при традиционной системе централизованного теплоснабжения

Для энергосбережения в модернизируемом ИТП с системами отопления и горячей водоподготовки здания разработана ФС КИСУ ТП (рис. 1). Описание

технологических процессов ФС КИСУ ТП модернизируемого ИТП с системами отопления и горячей водоподготовки здания рассмотрено в [12].

В результате модернизации ИТП предусматривается:

• отказ от водонагревателей в ЦТП;

• монтаж теплообменного аппарата (ТОА) в ИТП для СГВ здания;

• разработка новых КИСУ параметрами технологических процессов ИТП.

При модернизации ИТП с системами отопления и горячей водоподготовки здания осуществляется экономия энергоресурсов за счет:

• отсутствия тепловых потерь транспортируемой горячей воды для СГВ на участках трубопровода от ЦТП до ИТП здания;

• отсутствия затрат на электроэнергию для электродвигателей насосов нагнетающих горячую воду от ЦТП до ИТП здания;

• отсутствия затрат материальных средств на приобретение трубопроводов СГВ, их прокладку от ЦТП до ИТП здания, а также эксплуатацию.

Для энергосбережения в системах отопления и горячей водоподготовки здания проведена:

- замена существующей СО с трубопроводами на двухтрубную вертикальную СО с нижней подачей смешанного теплоносителя на каждый этаж здания;

- поэтажная горизонтальная разводка трубопроводов для каждой квартиры;

- замена отопительных приборов и установка терморегуляторов радиаторных в комплекте (для каждого прибора).

Для приведенного фрагмента ФС КИСУ ТП разработаны нижеследующие КИСУ, способствующие: энергосбережению здания, управлению температурой воздуха индивидуально в каждом помещении, учету потребленной тепловой энергии для каждой квартиры

Рис. 1. Фрагмент функциональной схемы компьютерно-интегрированной системы управления для индивидуального теплового пункта с системами отопления и горячей

водоподготовки здания

здания, что стимулирует своевременную ее оплату жильцами:

1. КИСУ заданной температурой смешанного теплоносителя (1.3) в СО (4) реализуется контролем этой температуры (поз. 1.1) МПК с расчетом и выдачей управляющих воздействий на сервопривод (поз 1.2) трехступенчатого управляющего клапана (5) для изменения коэффициента смешения (расходов вторых потоков горячего (1.1.2) и обратного (1.4.2) теплоносителей) с коррекцией по температурам: наружного воздуха (поз 2.1), горячего (1.1) в ИТП (поз. 3.1) и обратного (1.2) из ИТП (поз 4.1) теплоносителей.

2. КИСУ заданной температурой горячей воды (1.7) в СГВ реализуется контролем температуры (поз. 5.1) этой воды МПК с расчетом и выдачей управляющих воздействий на ИМ (поз 5.2) для изменения расхода теплоносителя (1.1.1) в одноступенчатый ТОА (2).

3. КИСУ требуемым соотношением температур (поз. 5.1; 6.1) горячей воды (1.7) в СГВ и смешанной воды (1.6) в одноступенчатый ТОА (2) соответственно реализуется МПК контролем указанных температур с выдачей воздействий на ИМ (поз. 6.2) на управление изменением расхода холодной воды (1.5), при равенстве значений температур подача прекращается.

4. КИСУ требуемыми температурой (поз. 13.1) и давлением (поз. 14.1) циркуляционной воды (1.8) реализуется МПК контролем указанных параметров с расчетом и выдачей управляющих воздействий на ИМ (поз. 11.2) электродвигателя циркуляционного насоса (3) путем изменения расхода этой воды при необходимости.

5. КИСУ требуемым давлением в напорном патрубке насоса (6) подачи смешанного теплоносителя (1.3) реализуется контролем указанного давления (поз. 13.1) МПК с расчетом и выдачей управляющих воздействий на ИМ (поз. 13.2) электродвигателя этого насоса.

6. Компьютерно-интегрированная система расчета потребляемой тепловой энергией (КИСРПТЭ) ИТП (1) с системами: отопления с поэтажной горизонтальной разводкой для каждой квартиры (4) и горячей водоподготовки здания реализуется МПК контролем температур (поз. 3.1; 4.1) горячего (1.1) и холодного (1.2) теплоносителей соответственно и расхода (поз 18.1) с выдачей на принтер или дисплей результатов расчета ежемесячно или по требованию и хранением их в памяти (три года).

7. КИСРПТЭ горячей водо-подготовкой здания реализуется путем контроля МПК температур (поз. 5.1; 7.1) горячей (1.7) и холодной (1.5) воды соответственно и расхода (поз 17.1) холодной (1.5) воды с выдачей на принтер или дисплей результатов расчета ежемесячно или по требованию и хранением их в памяти (три года).

8. КИСРПТЭ СО каждой из квартир здания

j = 1,50) с поэтажной горизонтальной разводкой (на примере одной квартиры) реализуется контролем МПК температур (поз 8.1^; 9.1.^) и расхода (поз 18.1) теплоносителя на входе (1.3.к) и выходе (1.4.к) соответственно с выдачей на принтер или дисплей результатов расчета ежемесячно или по требованию и хранением их в памяти (три года). Учет потребленной тепловой энергии для каждой квартиры здания стимулирует своевременную ее оплату жильцами.

4. 2. Энергосбережение в системах кондиционирования воздуха здания при применении систем солнечных коллекторов

Экономия материально-технических, энергетических и трудовых ресурсов за счет применения энергосберегающих технологий в зданиях, в частности, разработка и внедрение КИСУ альтернативным источником - солнечной энергией реализовано на примере ФС КИСУ ТП систем солнечных коллекторов (ССК) и кондиционирования воздуха (СКВ) здания с рециркуляцией при работе в летний период (рис. 2). Описание технологических процессов ФС КИСУ ТП ССК и СКВ рассмотрено в [13].

Рис. 2. Фрагмент функциональной схемы компьютерно-интегрированной системы управления технологическими процессами систем солнечных коллекторов и кондиционирования воздуха

периоды лета, при превышении на 0,5 °С температур наружного воздуха (3.1) над нагретым воздухом (3.7).

Для приведенного фрагмента ФС КИСУ ТП разработаны нижеследующие КИСУ, способствующие: управлению температурой воздуха индивидуально в каждом помещении и экономии энергоресурсов.

1. КИСУ температурой воздуха индивидуально в каждом помещении (10) здания реализуется контролем температуры (поз. 1.1) воздуха в помещении МПК с расчетом и выдачей воздействий на ИМ (поз. 1.2) электродвигателя вентилятора (9) подачи охлажденного воздуха (3.6), путем изменения расхода этого воздуха подаваемого в помещение (10).

2. КИСУ заданной температурой охлажденного воздуха (3.6), подаваемого в помещения (10) здания реализуется контролем этой температуры (поз. 2.1) МПК с расчетом и выдачей воздействий на ИМ (поз. 2.2) электродвигателя насоса (8) путем изменения расхода холодной воды (1.4) после воздухонагревателя (5) в бак-аккумулятор (7).

3. КИСУ температурой «точки росы» воздуха (3.5), подаваемого в воздухонагреватель второго подогрева (5), реализуется контролем этой температуры (поз.

3.1) МПК с расчетом и выдачей воздействий на ИМ (поз. 3.2) электродвигателя насоса (4.2) подачи расхода холодной воды (1.1), нагнетаемой в камеру орошения (4.3).

4. КИСУ перепадом температур наружного (3.1) и нагретого (3.7) воздуха более чем на 0,5 °С реализуется контролем указанных температур (поз. 4.1; 5.1) соответственно МПК с расчетом и выдачей воздействий на соответствующие ИМ: (поз. 4.2) - клапана (1) подачи наружного воздуха (3.1), (поз. 4.3) - клапана (12) удаления отработанного воздуха (3.9) с возможностью полного прекращения выброса этого воздуха при необходимости, (поз. 4.4) - клапана (14) использования только рециркуляционного воздуха (3.8) при необходимости.

В результате разработки ССК и СКВ предусматривается:

• реализация новых КИСУ для ССК и СКВ.

• повышение точности заданной температуры ±1 °С воздуха в помещениях (10) здания;

• повышение точности управления относительной влажностью воздуха ±7 % в помещениях (10) здания;

• повышение точности управления заданной температурой в помещениях (10) здания, в очень жаркие

4. 3. Энергосбережение в системах отопления здания при применении геотермальной энергии

Применение энергосберегающих технологий в зданиях, в частности, разработка и внедрение КИСУ для альтернативного источника - геотермальной энергии реализовано на примере ФС КИСУ ТП (рис. 3) системы получения и использования геотермальной энергии для четырех циклов теплообмена [9, 10].

Рис. 3. Фрагмент функциональной схемы компьютерно-интегрированной системы управления технологическими процессами системы получения и использования геотермальной энергии

Описание технологических процессов ФС КИСУ ТП системы получения и использования геотермальной энергии рассмотрено в [14].

Для приведенного фрагмента ФС КИСУ ТП разработаны нижеследующие КИСУ, способствующие управлению температурой воздуха индивидуально в каждом помещении здания и экономии энергоресурсов.

1. КИСУ температурой воздуха индивидуально в каждом помещении (5) здания реализуется контролем этой температуры (поз. 1.1) МПК с расчетом и выдачей воздействий на ИМ (поз 1.2) электродвигателя циркуляционного насоса (5) подачи горячего теплоносителя (1.4) изменением его расхода с коррекцией по температурам: (поз. 2.1) - наружного воздуха, (поз. 3.1) - горячего теплоносителя (1.4) в поэтажную горизонтальную СО здания, (поз. 4.1) - остывшего теплоносителя (1.3) из поэтажной горизонтальной СО здания.

2. КИСУ требуемой температурой горячего теплоносителя (1.1) в бак-аккумулятор (3) реализуется контролем указанной температуры (поз. 5.1) МПК с расчетом и выдачей воздействий на ИМ (поз 5.2) электродвигателя циркуляционного насоса (4) подачи остывшего теплоносителя (1.2) изменением его расхода.

3. КИСУ регламентной температурой сжатого фреона (18.3) в конденсатор (2.3) реализуется контролем указанной температуры (поз. 6.1) МПК с расчетом и выдачей воздействий на ИМ (поз. 6.2) электродвигателя компрессора (2.2) подачи сжатого фреона (18.3) путем изменения его расхода.

4. КИСУ давлением в напорном патрубке насоса (1.3) подачи теплого рассола (29.1) в конденса-

тор (2.1) реализуется контролем указанного давления (поз. 7.1) МПК с расчетом и выдачей воздействий на ИМ (поз. 7.2) электродвигателя насоса (1.3) подачи теплого рассола (29.1) изменением его расхода.

5. КИСУ температурой (поз. 1.1) воздуха индивидуально в каждом помещении (5) в нерабочее время (выходные, праздники, а также ночное время) при необходимости реализуется контролем указанной температуры (поз. 1.1) МПК с расчетом (по таймеру К) и выдачей управляющих воздействий на соответствующие ИМ для уменьшения подачи ниженазванных расходов материальных потоков изменением числа оборотов: (поз. 1.2) электродвигателя насоса (6) подачи горячего теплоносителя (1.4) в поэтажную горизонтальную СО здания; (поз. 5.2) электродвигателя насоса (4) подачи остывшего теплоносителя (1.2); (поз. 6.2) электродвигателя компрессора (2.2) подачи сжатого фреона (18.3) в конденсатор (2.3);(поз. 7.2) электродвигателя насоса (1.3) подачи теплого рассола (29.1) в конденсатор (2.1). За два часа до начала рабочего времени автоматически МПК (по таймеру К) выдает управляющие воздействия на вышеуказанные ИМ для увеличения расходов соответствующих материальных потоков вышеуказанных теплоносителей.

5. Выводы

В результате проведенных исследований по энергосбережению в системах жизнеобеспечения зданий, с учетом зарубежных тенденций применения альтернативных источников тепловой энергии для экономии

материально-энергетических ресурсов в условиях их дефицита, разработаны ФС КИСУ ТП традиционных (модернизация существующих) и альтернативных (разработка новых) систем теплоснабжения.

1. Разработан фрагмент ФС КИСУ ТП модернизируемого ИТП с системами отопления и горячей водоподготовки здания, способствующий энергосбережению здания, управлению температурой воздуха индивидуально в каждом помещении, расчету потребляемой тепловой энергии для каждой квартиры здания, что стимулирует своевременную ее оплату жильцами.

2. Разработан фрагмент ФС КИСУ ТП альтернативной ССК для СКВ с рециркуляцией воздуха, способствующий управлению температурой воздуха индивидуально в каждом помещении и экономии энергоресурсов в исследуемой системе жизнеобеспечения здания.

3. Разработан фрагмент ФС КИСУ ТП альтернативной системы получения и использования геотермальной энергии способствующий, созданию комфортных условий в помещениях здания и экономии энергоресурсов в исследуемой системе жизнеобеспечения здания.

Литература

1. World Energy Outlook. International Energy Agency [Text] / Paris: OECD. IEA, 2012. - 690 р.

2. World Energy Outlook. International Energy Agency [Text] / Paris: OECD. IEA, 2013. - 700 р.

3. Bull, S. R. Renewable Energy Today and Tomorrow [Text] / S. R. Bull // Proceeding of The IEEE. - 2001. - Vol. 89, Issue 8. -Р. 1216-1226. doi: 10.1109/5.940290.

4. Бобух, А. А. Компьютерно-интегрированная система автоматизации технологических объектов управления централизованным теплоснабжением : монография [Текст] / А. А. Бобух, Д. А. Ковалёв; под ред. А. А. Бобуха. - Х. : ХНУГХ им. А. Н. Бекетова, 2013. - 226 с.

5. PV Status Report. Arnulf J ger-Waldau, European Commission, DG Joint Research Centre, Institute for Energy, Renewable Energy Unit. [Text] / Ispra (VA), Italia, 2010. - 124 р.

6. Дерюгина, Г. В. Основные характеристики ветра. Ресурсы ветра и методы их расчета [Текст] / Г. В. Дерюгина, Н. К. Малинин, Р. В. Пугачев, Т. А. Шестопалова. - М.: Изд-во МЭИ, 2012. - 260 с.

7. Алфёров, Ж. И. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики [Текст] / Ж. И. Алфёров, В. М. Андреев, В. Д .Румянцев // Физика и техника полупроводников. - 2004. - Т. 38. Вып. 8. - С. 937-948.

8. Гликсон, А. Л. Гелиосистемы и тепловые насосы в системах автономного тепло- и холодоснабжения [Текст] / А. Л. Гликсон,

A. В Дорошенко // АВОК. - 2004. - № 7. - С. 18-23.

9. Chiras, L. D. The Solar House: passive solar heating and cooling [Text] / D L. Chiras. - White River Junction, Vermont: Chelsea Green Publishing Company, 2002. - 274 р.

10. Сидкина, Е. С. Геохимия подземных рассолов западной части Тунгусского артезианского бассейна: автореф. дис. канд. техн. наук: 25.00.07 [Текст] / С. Е. Сергеевна. - Национальный исследовательский Томский политехнический университет -Томск, 2013. - 21 с.

11. Жук, В. И. Микропроцессорные контроллеры и системы управления на их основе: опыт построения [Текст] /

B. И. Жук. // Энергетика и ТЭК. - 2010. -№ 01 (82). - С. 41-43.

12. Бобух, А. А. Повышение энергосбережения закрытого централизованного теплоснабжения города при реконструкции центрального и модернизации индивидуального тепловых пунктов [Текст] / А. А. Бобух, Д. А. Ковалев // Энергосбережение Энергетика Энергоаудит. - 2014. - № 03 (121). - С. 12-18.

13. Ковалев, Д. А. Автоматизация технологических процессов систем солнечных коллекторов и кондиционирования воздуха [Текст] / Д. А. Ковалев, А. А. Бобух // Энергосбережение Энергетика Энергоаудит. - 2013. - № 07 (113). - С. 2-6.

14. Ковалев, Д. А. Повышение энергоэффективности получения и использования геотепловой энергии за счет автоматизации технологических процессов [Текст] / Д. А. Ковалев, А. А. Бобух // Энергосбережение Энергетика Энергоаудит. - 2013. -№ 10 (116). - С. 18-23.