Математические модели управления процессами теплоснабжения зданий для автоматизированных систем управления Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Сергеев С.К., д.т.н., проф., ФГУП «РНПО «Росучприбор», г. Москва Потапенко А.Н., к.т.н., проф., Белоусов А.В., к.т.н., доц.,

Потапенко Е.А., к.т.н., доц. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Введение

По программе Министерства образования и науки РФ «Энергосбережение Минобразования России. 19992005 гг.» БГТУ им. В.Г. Шухова с 2000 г. был определен головным исполнителем в Белгородской области. На базе БГТУ им. В.Г. Шухова впервые в регионе была разработана и внедрена (первая очередь в конце 2000 г.)

демонстрационная зона по энергосбережению согласно программы «Энергосбережение Минобразования России. 1999-2005 гг.», которые создавались с учетом международного проекта Европейской экономической комиссии ООН «Энергоэффективность». При этом БГТУ им. В.Г. Шухова вошел в десятку базовых вузов Центрального федерального округа [1], в которых были

созданы региональные центры по энергосбережению, и стал одним из ведущих вузов России с учетом функционирования демонстрационной зоны на базе автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ) распределенными энергоэффективными инженерными системами комплекса зданий вуза.

Структур а АСДУ трехур овнев ая [2], при этом нижний уровень содержит узлы учета энергопотребления и системы автоматического регулирования (САР) отоплением, горячим водоснабжением (ГВС), приточно-вентиляционными установками (ПВУ), тепловыми завесами, а также мини-котельные. Локальные САР отопления нижнего уровня АСДУ обеспечивают экономию и рациональное использование тепловой энергии в помещениях зданий путем изменения расхода теплоносителя в системе с учетом температурного графика подачи теплоносителя, температуры наружного воздуха и температуры внутри зданий. Локальные САР горячего водоснабжения обеспечивают стабилизацию заданной температуры в системах ГВС зданий. Автоматизация ПВУ заключается в управлении потоками теплоносителя и воздуха в системах по заданному алгоритму. На среднем уровне АСДУ расположены контроллеры телеметрии, предназначенные для передачи команд управления и сбора первичной информации с локальных контроллеров, регуляторов нижнего уровня, приборов и датчиков технологических параметров между уровнями. Верхний уровень АСДУ предназначен для регулирования, получения информации и документирования данных по процессам, протекающим в распределенных энергоэффективных инженерных системах комплекса зданий вуза. Развитие этого направления привело к созданию АСДУ распределенными энергосистемами Белгородского государственного университета (10 зданий) и АСДУ распределенными мини-котельными г. Старый Оскол (18 объектов) с учетом разработки верхних уровней автоматизации для этих систем.

Научно-технический совет программы «Энергосбережение Минобразования России. 1999-2005 гг.» за достигнутые успехи выделил 5 вузам РФ - головным исполнителям в регионах по программе энергосбережение, среди них и БГТУ им. В.Г. Шухова, средства в пределах 4,5 млн руб. для прио бретения м о бильных лабо -раторий энергоаудита (http://www.beta.ru/mobile_labs) на базе автомобиля ГАЗ-2705 с современными многофункциональными приборами. Учитывая, что основная доля коммунальных расходов в организациях бюджетной сферы приходится на теплоснабжение [2], поэтому одна из основных задач связана с разработкой моделей управления этими процессами в распределенных комплексах зданий на базе применения современных приборов лаборатории энергоаудита.

Следует отметить, что энергосбережение и энергоэффективность являются одними из важнейших компонентов энергетической безопасности государства. При этом повышение энергоэффективности и экономия энергии соответственно позволят снизить нагрузку на инфр аструктуру как урб анизиров анных гор одов, так и мегаполисов и будут способствовать оздоровлению

окружающей среды за счет сокращения эмиссии углекислого газа и загрязняющих веществ [3].

Математические модели и экспериментальные исследования

Для обеспечения эффективного управления распределенными энергосистемами комплекса зданий на уровне АСДУ необходимо разрабатывать и использовать математические модели для управления процессами теплоснабжения зданий. При этом следует учитывать, что при р азр аб отке м атем атических м оделей упр авле-ния процессом отопления автоматизированных индивидуальных тепловых пунктов (ИТП), создающихся на этапах реконструкции и модернизации существующих систем теплоснабжения, необходимо опираться на экспериментальные исследования с тем, чтобы учитывать основные особенности распределенных энергосистем зданий, находивших в длительной эксплуатации.

Рис. 1. Схема при зависимом присоединении систем отопления к тепловым сетям

Схема при зависимом присоединении систем отопления к тепловым сетям показана на рис. 1, при этом М2, К1 - исполнительный механизм с регулирующим клапаном; М1, Н1 - электропривод с циркуляционным насосом; СО - система отопления здания; КО1 - обратный клапан; О,, Т. - параметры системы, причем Ок и То - расход и температура теплоносителя обратного трубопровода на участке смешивания.

В этой схеме теплоноситель с температурой Т и расходом О1 через клапан К1 поступает к перемычке, соединяющей подающий и обратный трубопроводы в ИТП здания, и смешивается с охлажденным в СО теплоносителем, имеющим параметры Ок и То. После смешивания теплоноситель с температурой То и расходом поступает в ветви СО, а из них через стояки к отопительным приборам, а затем в обратный трубопровод с температурой То. Из обратного трубопровода теплоноситель возвращается в тепловую сеть (Т2 = Т) и частично на участок смешивания.

Для исследования особенностей динамических процессов в СО зданий (см. рис. 1) были проведены эксперименты на базе учебных корпусов БГТУ им. В.Г. Шухова. На рис. 2 приведены типовые переходные характеристики для СО учебного корпуса с 5 ветвями на подающем и обратном трубопроводах. Зависимости Тоо(г) и Т(г) в ИТП (рис. 2, а) и Т . (I) на ветвях СО здания (рис. 2, б) получены при скачкообразном изменения расхода О.

а

б

КО ТО СО 50 40

ли 20 10 О

Т, 0С; О, м3/ч

Т А со

То

/

01

и

55 50 45 40

30 25

Г, 0С

То 4 Т., _

/

То 3

То 2

■\То 5

г,

' " Ч : : ■ ч: м

■I :' ■■■ - г ' I 1.......... м

Рис. 2. Экспериментальные характеристики СО учебного корпуса: а) и To(t) при 01 уаг; б) Т при 01 уаг

Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что имеется возможность изменять величины теплопотреблений по ветвям здания и соответственно обеспечивать стабилизацию температуры по этим помещениям. При этом необходимо учитывать внешние воздействия на здание и управлять расходом теплоносителя по ветвям системы отопления. Важно отметить, что при этом не требуется применение независимых подсистем для автоматического регулирования температур в г-ых ветвях системы отопления (известный способ пофасадного регулирования [4]), а достаточно осуществлять регулирование по ветвям системы отопления с помощью дополнительных регулирующих клапанов. В этом случае многоконтурная САР отопления здания имеет возможность компенсировать воздействия окружающей среды на различные фасады здания (например, излучения Солнца, обеспечивающее дополнительный нагрев помещений, воздействие ветра, охлаждающего часть здания с соответствующими помещениями, и др.) [5].

С учетом проведенных экспериментальных исследований и анализа полученных результатов за основу для разработки математической модели управления процессом отопления распределенного комплекса зданий при зависимом присоединении систем отопления к теплосетям можно принимать математическую модель [6] согласно схеме теплоснабжения (см. рис. 1). При этой схеме теплоснабжения процесс отопления здания описывается следующей системой уравнений, включающей нелинейное алгебраическое уравнение для участка смешивания теплоносителей:

' ОД (г)+д, (г) -(всо - о, (Г)) = оД (Г), +о() = о,,

дД ^т+Т+Т )ёт-+т() = кгс().

ш

(1)

Последнее уравнение системы (1) описывает динамические процессы в системе отопления и представлено в виде апериодического звена второго порядка, причем за выходную величину принято То(г), а за входную

- То(г); Т, Т2.и к - соответственно постоянные времени системы отопления и коэффициент передачи, определяются при параметрической идентификации системы отопления здания с учетом применения приборов лаборатории энергоаудита.

Схема при независимом присоединении систем отопления к тепловым сетям показана на рис. 3, при этом используются обозначения, как и на рис. 1.

В этой схеме теплоноситель с температурой Т и расходом 01 подается в теплообменник (ТО), а затем через клапан К1 с температурой Т2 возвращается обратно в теплосеть. Теплоноситель в ветви СО поступает из теплообменника с температурой То, а из них через стояки к отопительным приборам и далее в обратный трубопровод с температурой То. В СО расход поддерживается постоянным с помощью циркуляционного насоса Н1. Регулируется расход 01 в этой схеме при воздействии М2 на регулирующий клапан К1 (см. рис. 3). Температура То теплоносителя, подаваемого в СО, функционально связана с изменением расхода 01 теплоносителя из тепловой сети через ТО.

Основы имитационной модели управления процессом отопления здания при независимом присоединении к тепловым сетям приведены в [7]. Для моделирования управления процессом отопления (см. рис. 3) возможно применять уравнения, полученные на основе зависимости вида:

ёТх (х)

ёх ёТ2 (х)

ёх

= р,- (Т( х) -Т,( х)); = Р2- (Т2( х) -Т,( х));

(2)

т.е. системы обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка (2), представляющих собой распределение температуры греющего Т(х) и нагреваемого Т2(х) теплоносителя вдоль теплопроводящей стенки в любой точке с координатой х, с учетом уравнений связи и экспериментальных исследований, позволивших определить постоянные для рабочих режимов САР, на основе которых определяются зависимости температуры теплоносителя Тсо в СО здания и Т2

для греющего теплоносителя на выходе теплообменника в виде:

Тсо = F(01,Осо,То,Т),

Т = р (в1, осо, то, Т) .

(3)

(4)

При этом задача управления системой отопления сводится к регулированию температуры теплоносителя Тсо, подаваемого в систему отопления для схемы, показанной на рис. 3.

Рис. 3. Схема системы отопления с независимой схемой теплоснабжения

Для анализа динамических процессов, возникающих в тепловых сетях распределенного комплекса зданий (по схеме теплоснабжения для ИТП как на рис. 1), в качестве входной величины принимаем изменение температуры теплоносителя на вводе в комплекс зданий. Типовые графики изменения температуры на вводе тепловых сетей представлены на рис. 4 а, причем Т1(г) и То (г) - соответственно температура теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах. Процесс изменения Т(г) определяется переходными процессами на городской котельной. Типовые графики изменения температуры теплоносителя То(г) и То(г) в системе отопления одного из учебных корпусов с учетом автоматизированного ИТП представлены на рис. 4 б.

Анализ зависимостей (см. рис. 4) показывает, что общий характер изменения температуры теплоносителя в СО концевого объекта (учебного корпуса) тепло-

сетей распределенного комплекса зданий соответствует изменению температуры теплоносителя на вводе тепловых сетей в этот комплекс. До появления возмущения на вводе в ИТП корпуса (концевого объекта теплосетей) температура теплоносителя стабилизировалась в соответствие с заданной (То). При уменьшении температуры на вводе в ИТП до значения ниже чем То, в САР отопления по команде локального контроллера регулирующий клапан К1 был открыт на максимум для компенсации возникшего отклонения температуры от заданной (см. рис. 1). Однако даже при максимальном расходе теплоносителя (порядка 12 м3/ч) в СО корпуса температура теплоносителя продолжала уменьшаться (см. рис. 4 б) с учетом изменения температуры теплоносителя на вводе тепловых сетей (рис. 4 а) и соответственно на вводе в ИТП. Затем с увеличением Т1 увеличилась темпер атуры Тсо теплоносителя и после достижения ею некоторой величины Тк < То температура теплоносителя снова начала уменьшаться (как и Т1). При этом расход в СО был максимальным на этом интервале времени. Следует отметить, что в некоторый момент времени (см. рис. 4, б) наблюдается резкое уменьшение Тсо теплоносителя в системе отопления исследуемого корпуса, которое связано с переходом САР отопления на режим работы с пониженной температурой.

Исследования показали, что процесс регулирования температуры в системе отопления распределенного комплекса зданий определяется не только воздействием внешней окружающей среды, но и существенно зависит от возмущений на вводе тепловых сетей в комплекс зданий.

Заключение

Как показала практика при разработках математических моделей управления процессом отопления в автоматизированных ИТП, появившихся на этапах реконструкции, необходимо опираться на экспериментальные исследования для учета реально протекающих процессов в энергосистемах зданий (например, учитывать изменения гидравлических сопротивлений в сис-

Рис. 4. Изменения температуры теплоносителя на вводе тепловых сетей в вуз (а) и в системе отопления учебного корпуса (б)

темах теплоснабжений, возникших в результате замены отопительных приборов, отложения осадков на внутренних поверхностях элементов СО и др.). При разработках имитационных м оделей упр авления пр оцессом отопления распределенного комплекса зданий необходимо учитывать не только математические модели управления процессом отопления для каждого здания, но и структуру связей для автоматизированных ИТП распределенного комплекса зданий. На основе использовании в АСДУ модели управления процессом отопления распределенного комплекса зданий имеется возможность повысить эффективность работы автоматизированных ИТП.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Балыхин Г.А. Сергеев С.К. Энергосбережение в системе Министерства образования РФ. Итоги и перспективы// Энергоэффективность: Опыт, проблемы, решения. - 2003. - № 3. -С. 54-57.

2. Опыт внедрения современных энергоэффективных технологий на основе автоматизации распределенных энергосистем

зданий вуза/ А.М. Гридчин, А.Н. Потапенко, В.С. Лесовик, А.В. Белоусов Е.А. Потапенко // Строительные материалы. Приложение «Строительные материалы: бизнес» № 4. - М., 2005. - № 2. - С. 2-5.

3. Проект ПРООН/ГЭФ «Экономически эффективные энергосберегающие мероприятия в российском образовательном секторе»/дир. проекта проф. С.К. Сергеев. - Режим доступа: http://www.energy-efficiency.ru, свободный.

4. Ливчак В.И. Энергосбережение в системах централизованного теплоснабжения на новом этапе развития // Энергосбережение. - 2000. - № 2. - С. 4-9.

5. Патент 2247422 РФ. МПК7 005Э23/19. Система автоматического регулирования отопления здания с учетом климатических факторов/ Потапенко А.Н., Белоусов А.В., Потапенко ЕА., Костриков С.В. Белгор. гос. технол. университет им. В.Г. Шухова. Заявлено 13.05.04; Опубл. 27.02.2005; Приоритет 14.05.2004.

6. Потапенко А.Н., Потапенко Е.А. Возможности повышения эффективности процесса отопления зданий в автоматизированных ИТП// Известия вузов. Проблемы энергетики. 2005.-№ 5-6. - С. 79 - 88.

7. Костриков С.В., Потапенко А.Н., Белоусов А.В., Яковлев А. О. О некоторых возможностях математической модели управления процессом отопления здания с применением теплообменника// В сб. науч. тр.: «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова». 2005 г. - № 11. - С. 16-21.