Регулирование параметров микроклимата зданий и сооружений в зависимости от теплопроводности строительных конструкций Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

3/2011_МГСу ТНИК

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

REGULATION OF PARAMETERS OF THE MICROCLIMATE OF BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS DEPENDING ON HEAT CONDUCTIVITY OF BUILDING DESIGNS

C.C. Федоров, H.C. Кобелев, A.M. Крыгина, Д.Н. Тютюнов S.S. Feodor, N.S. Kobelev, A.M. Krygina, D.N. Tjutjunov

ГОУ ВПО ЮЗГУ

Разработана математическая модель системы автоматического регулирования схемы зависимого присоединения системы отопления со смешением. Предложен вариант энергосбережения при управлении приводом системы отопления.

The mathematical model of system of automatic control of the scheme of dependent joining of system of heating with mixture is developed. The power savings variant is offered at management of a drive of system of heating.

Введение. Теплоэнергетика является важнейшей структурной составляющей топливно-энергетического комплекса (ТЭК), потребляющей до 40% топливных ресурсов страны. От 70 до 95% жилого фонда, общественных сооружений и зданий обеспечивается путем централизованного теплоснабжения, что составляет более 60% коммунальных расходов потребителей тепла.

Ввиду столь высокой энергоемкости задачи теплорегулирования, энергоснабжения, энергосбережения, а также вопросы по повышению надежности и эффективности с учетом контроля, качества и работоспособности существующих систем автоматизации процесса теплоснабжения требуют разработки математических моделей, которые позволяют создавать и исследовать новые алгоритмы и структуры управления процессом отопления зданий [1].

Особый интерес вызывает применение математических методов при проектировании модели пофасадного регулирования отопления зданий.

1. Преимущества и недостатки систем автоматического регулирования. В последние годы все большую актуальность приобретают системы автоматического регулирования (САР) теплоснабжения. Применение САР имеет целый ряд положительных качеств:

- применение алгоритмов и управляющих программ для регулирования параметров, обеспечивает заданные условия функционирования систем теплоснабжения в автоматическом режиме;

- САР расширяет технические возможности отопительных систем и совершенствует систему контроля за их работоспособностью;

- САР осуществляет автоматический мониторинг и регулирование работоспособности систем отопления (подпитки и контроля за утечками теплоносителя, оперативной останов в случае аварии и т.п.).

Следует отметить, что автоматическое регулирование не лишено некоторых недостатков:

- алгоритмы и управляющие программы регулирования теплоснабжения должны адекватно моделировать динамику процессов отопления в тепловых сетях;

- математические модели (ММ) и программное обеспечение (ПО) САР нуждаются в привязке к местным тепловым сетям в виду большого разнообразия их конструкций;

- САР достаточно дорогостоющие и требуют определенных сроков окупаемости.

Опыт подсказывает, что данные недостатки можно ликвидировать за счет совершенствования и унификации ММ, ПО и элементной базы САР, что делает их более технологичными, универсальными и конкурентоспособными [3].

2. Математическая модель. Рассмотрим один из вариантов математической модели, отражающей функционирование зависимой схемы присоединения системы отопления со смешением воды (рис.1).

Предлагаемая конструкция включает в себя: подающий (1) и обратный трубопроводы (2), регулирующие клапаны с энергоприводом VI и У2 (3,4) смесительный насос N(5), тепловую нагрузку (обогреваемое помещение) Я(6), САР(7), датчиков температуры отапливаемого помещения (8), наружного воздуха (9), теплоносителя (10).

Рассмотрим номинальный режим работы схемы на рис.1.

Из подающего трубопровода горячая вода поступает на клапан У1, который отрегулирован для ее подачи на тепловую нагрузку Я и создания номинальной температуры в обогреваемом помещении. Далее в точке А она запитывает контур АЯВА тепловой нагрузки Я с помощью смесительного насоса N поддерживающего постоянный тепловой поток части поступающей горячей воды через клапан У2. Отдавшая часть тепла вода после охлаждения в контуре попадает в обратный трубопровод и возвращается во внешнюю подающую систему. Следует отметить, что насос N работая в номинальном режиме с постоянной частотой оборотов вала, проталкивает через клапан У2

постоянную порцию охлажденной воды из контура ARBA. Если температура наружного воздуха снижается, САР пропорционально увеличивает открытие клапана V! и соответственно прикрывает клапан V2, что приводит к увеличению порции тепла, подаваемого на тепловую нагрузку R. Если температура наружного воздуха возрастает, САР пропорционально прикрывает клапан VI и соответственно открывает клапан V2, что приводит к уменьшению порции тепла, подаваемого на тепловую нагрузку R.

Схему на рис.1 можно усовершенствовать, исключив из нее питающий клапан V2, возложив его функции на смесительный насос К, рис.2. В этом случае САР будет реагировать на изменение температуры наружного воздуха, управляя частотой оборотов вала N и входным клапаном VI, рис.2.

а

1Гфат*.пг.: / I

ЧЛрП л МНТП Г.I Ч.Ч Т, —

11

Т!

Г'АР

«о

—ш

-гтт________

| ^ -----'

I

Гл

Г* ■ ^

Т|

Рис 2 Мвдпфшшроынньп! ыращ^увяшлирвышц мипекмоЛ елош пр1коел]Н£нпа Систем!! етоитешн сйс мешеной дезы

Рассмотрим процесс теплообмена в схеме на рис.2. К основным параметрам теплообмена отнесем: Ть Т2 - соответственно температуры подающего и обратного трубопроводов, К; ТА, Тк, Тн - соответственно температуры воды за точкой А в контуре ARBA, в обогреваемом помещении и наружного воздуха, К; к1, км - соответственно доли полного открытия клапана VI и полной производительности смесительного насоса К; к - коэффициент теплопередачи фасадного ограждения, Вт/(м2-град); Оь О2, Ом, Ок - соответственно расходы воды в подающем и обратном трубопроводах, смесительном насосе М отапливаемом помещении (тепловой нагрузке R), кг/ч; 01, 02, 0М Ок, 0ф, 0т _ соответственно тепловые потоки, переносимые в подающем и обратном трубопроводах, смесительном насосе М отапливаемом помещении (тепловой нагрузке R), подведенной фильтрацией, источников тепловыделения, Вт; Б - площадь поверхности обогреваемого помещения (тепловой нагрузки R), м2.

Схема на рис.2 менее дорогостоящая и более проста в управлении.

Отметим, что в номинальном режиме ко всем индексам будет добавлена буква

«н».

Составим уравнение теплового баланса для тепловой нагрузки R на рис.2. В данном случае суммарный входной тепловой поток 0вх расходуется на суммарный выходной тепловой поток 0вЫХ:

б«х = , (1) причем

(3)

Qex = QxA + QN + Q + Qm l (2)

q«=Qk + Q2. J

где

QiA = ^iQi

йф = C1 = Const

Qm = C 2 = COnSt

Q2 = C3 = const

Тепловые потоки QN, QK опишем особо.

При выборе смесительных насосов для систем отопления, рекомендуемых в соответствии с требованиями [4] при их установке на перемычке между подающим и обратным трубопроводами (напор - на 2-3 м больше потерь давления в системе отопления), следует вычислять подачу насоса (расход воды) GN по формуле:

Gn = l,luGi, (4)

где Gi - определяется по формуле:

Gl = 3,6-Ql-, (5)

1 (ti "t2)C W

где C = 4,266 кДж/(кг°С) - удельная теплоемкость воды при температуре

ti - i30 C; ti ,t2 - соответственно температуры подающего и обратного теплопроводов по шкале Цельсия °С, u - коэффициент смешения, определяемый по формуле:

ti " tA

u =—-A, (6)

tA " t2

где t a _ температура воды за точкой А в контуре ARBA по шкале Цельсия.

Подставляя (6), (5) в (4), получим:

G 3,96Qi(ti - tA)

Gn =--(7)

N (ti -t2)(tA -t2)C

G 0,928Qi(ti - tA) (8)

или. Gn =------(8)

(ti - t2)(tA - t2)

Отметим, что процесс отопления в номинальном режиме стационарный, т.е. не меняет значений своих параметров в контуре отопления с течением времени (например, теплового потока, расхода жидкости и т.п.).

Если учесть, что тепловые потоки пропорциональны соответствующим расходам (Q ~ Gi, QN ~ Gn ), получим согласно (4) соотношение:

QN = i,iuQi. (9)

Если учесть, что теплая вода проводит через вентиль Vi с долей полного открытия ki, затем эта вода прокачивается через контур ARBA, тепловой нагрузки R с по-

мощью смесительного насоса N, работающего с долей полной производительности kn, то величину Qn можно получить по формуле:

Qn = iiQiUkikN . (i0)

Тепловой поток Qk , переносимый по контуру ARBA, передается в тепловую нагрузку R (отапливаемое помещение), создавая в нем номинальную температуру tk = 20 °С. При стационарном режиме он путем теплопередачи передается через твердую стенку ограждения [2] и определяется по формуле:

Qk = k(tk -1н)F . (ii)

Подставим (ii), (i0), (3) в (i), получим:

KiQi + iiiQiUkikN + Ci + C2 - k(tk -1H) • F + C3 (i2)

kiQi (i + i,UN) - k(tk -1H) • F + C3 - Ci - C2 (i3) i

^i (i + i,iuKN ) - — [k(tk -1H) • F + C3 - Ci - C2] (i4) Qi

Обозначив

J_

Qi

r

[k(tk -1H) • F + C3 - Ci - C2 ] = C4 = const,

имеем:

kiQi

-1

i

i,iu

i,iuQi^i i,iu

(i5)

hll' * "iamu'imm.'lь кн и: IT| Упростим формулу (i5), введя новые обозначения:

C4 i

= a;

= b

i,iuQi i,iu

придем к зависимости, связывающей коэффициенты и кN :

i

К N ~

а ,

к„ ---Ь, (16)

кг

где а > 0, Ь > 0, 0< к1 <а.

Ь

Графически зависимость (16) изображена на рис.3.

Из (16) следует, что коэффициенты Км и к1, связаны обратной пропорциональной зависимостью. Причем с ростом температуры наружного воздуха /н соответствующая

а

кривая семейства приближается к оси абсцисс и пересекает ее в точке —. На рис.3

Ь

кривым I, II,III соответствуют температуры t < t < t . Отметим, что величина Ql для номинального режима известна и хранится в памяти САР.

Литература

1. Костриков С.В. Автоматизация процесса отопления зданий с применением теплообменников и учетом фасадного регулирования: дис...канд. техн. Наук / А.Н. Потапенко - Белгород, 2005. - 146с.

2. Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления / С.А. Чистов [и др.]. -Ленингр. отд-ние, Стройиздат, 1987.- 248с.

3. Бушуев С.Д. Автоматика и автоматизация производственных процессов / С.Д. Бушу-ев, B.C. Михайлов: учеб. Для вузов. -М.: высш. шк. , 1986.-367с.

The literature

1. Kostrirov S.V.automation of process of heating of buildings with application of heat exchangers and the account of front regulation: дис ... Cand.Tech.Sci. / A.N.potapenko - Belgorod, 2005. - 146c.

2. The automated systems of a heat supply and heating / S.A.Tchistov [etc.]. - Leningr. otd-nie, Stroyizdat, 1987. 248c.

3. Buhuev S.D.automatics and automation of productions / S.D.Bushuev, V.S.Mihajlov: studies. For high schools. - TH.: высш. шк., 1986.-367c.

Ключевые слова: система автоматического регулирования, математическая модель, энергосбережение.

Keywords: automatic control system, mathematical model, the power savings

e-mail автора: ssfedorov@,list.ru

Рецензент: д.т.н., профессор В.И. Серебровский проректор Курской сельскохозяйственной

академии