Автоматическое управление системами отопления с элеваторным присоединением

Анализ существа проблемы1

В работе [1] рассматривается система управления тепловым режимом здания (ТРЗ) с элеваторной схемой присоединения к тепловым сетям, построенная с использованием принципа обратной связи: управление осуществляется по температуре в контрольных помещениях каждого фасада. Автоматический регулятор – двухпозиционный, в качестве исполнительного устройства используется соленоидный вентиль, изменяющий «неполным притоком» (используется небольшой постоянный базовый расход, подаваемый через байпасную по отношению к элеватору линию [2]) подачу теплоносителя из подающей магистрали тепловой сети на элеваторный узел смешения. Выбор двухпозиционного закона регулирования авторы работы объясняют тем, что «…пропорциональное… регулирование расхода теплоносителя в силу недопус- тимой разрегулировки… систем отопления неприменимо» [1]. Такая система автоматического регулирования (САР) вообще-то решает проблему управления отоплением здания, в том числе и в период «срезки» погодного графика. Однако инерционность локального контура с обратной связью достаточно велика, поэтому не следует рассчитывать на высокое качество поддержания температуры внутреннего воздуха здания.2

Если рассматривать любой другой период, кроме периода «срезки», то качество управления можно повысить, применяя «хороший» погодный график. В этом случае контур, работающий по отклонению температуры внутреннего воздуха от задания, должен будет исправлять лишь небольшие величины этих отклонений, обусловленные как неидеальностью погодного графика, так и действием других неосновных возмущений теплового

режима здания. Вследствие этого, даже и при большой инерционности замкнутого контура качество регулирования может быть достаточно хорошим. В период «срезки» отработка основного возмущения ТРЗ – температуры наружного воздуха – возлагается только на замкнутый контур, канал компенсации этого возмущения, реализующий алгоритм погодного регулирования, в этом случае не работает, поэтому и качество регулирования в такой системе заметно снижается.

В работе [3] рассматривается задача управления системой отопления, имеющей два параллельно включенных элеватора, один из элеваторов считается базовым и работает в обычном нерегулируемом режиме, на выходе другого – регулируемого элеватора устанавливается электромагнитный вентиль, управляемый двухпозиционным регулятором. При этом двухпозиционный регулятор отрабатывает погодный график «температура наружного воздуха – температура воды в общем для группы зданий обратном трубопроводе тепловой сети». Система автоматизации работает следующим образом. При высоких температурах наружного воздуха, соответствующих участку «срезки», температура обратной воды будет завышена, вследствие этого двухпозиционный регулятор выключит регулируемый элеватор, система отопления будет работать только с базовым элеватором. Подача теплоты на отопление сокращается. При этом поступление прямой воды из камеры смешения выключенного регулируемого элеватора в обратную линию системы отопления блокируется обратным клапаном [3]. Кроме того, системой автоматизации предусматривается сокращение подачи теплоты на отопление и в часы большого водо-разбора из системы горячего водоснабжения (ГВС) зданий. Для этого используется специальный программный блок. Обоснованность выбора импульса о температуре обратной воды для целей автоматического регулирования, как нам представляется, объясняется следующими соображениями.

С помощью несложных выкладок нетрудно показать, что температура обратной воды t _ОБР является функцией вида:

_ 1 - ( kF ) со/ (2 cG_Co)

t ОБР л                   t e СО ⁺

1 + ⁽ kF ) СО /(2 ^cG co )

( kF ) СО ( cG СО )

I                                       t ,                                ⁽¹⁾

1 + (kF)со/(2eGeo)/ В где tСО – температура воды на входе системы отопления (после элеваторов); tВ – температура внутреннего воздуха; c – удельная теплоемкость теплоносителя; GСО – массовый расход теплоносителя через систему отопления; (kF )СО – произведение коэффициента теплопередачи на площадь поверхности теплообмена для всей системы отопления, это тот параметр, который подлежит определению при идентификации модели системы ото- пления. Таким образом, при постоянных GСО и tСО температура обратной воды tОБР однозначно характеризует температуру внутреннего воздуха tВ , следовательно, данную систему управления в определенной мере можно отнести к системам с обратной связью по tВ , что, в общем-то, является достаточно положительным качеством этой системы.

Кроме того, по t _ОБР можно судить и о расходе теплоносителя на данный абонентский ввод, поддержание этого параметра на заданном уровне является важной задачей эксплуатирующих организаций. Дело в том, что при уменьшении гидравлического сопротивления какого-либо абонента расход воды на этот абонент увеличивается, вследствие этого t _ОБР вырастет, при этом пьезометрический график сети, образно говоря, «сужается», потери напора на других абонентских вводах заметно снижаются, что приводит к резкому сокращению расхода воды на эти абоненты, т. е. к их «недотопу». Также из-за «подъема» пьезометрического графика обратной магистрали возможно разрушение отопительных приборов абонентов с зависимым присоединением к тепловой сети и низкими геодезическими отметками. Поэтому контроль t _ОБР является важнейшей функцией системы автоматизации.

В работе [4] проблему «перетопа» в период «срезки» в открытых системах теплоснабжения предлагают решать путем уменьшения температуры точки излома с 70 °С до 60 °С , по данным автора этой работы теоретическая величина «пере-топа» в этом случае снизится с 71 до 36,6 %. Однако при этом будет происходить уменьшение теплофикационной нагрузки ТЭЦ и повышение доли конденсационной выработки электроэнергии, что является достаточно нежелательным обстоятельством.

Следует заметить, что проблема «перетопа» в период «срезки» реализуемого на источнике теплоты температурного графика порождается применением на неавтоматизированных абонентских вводах зданий нерегулируемых, как правило, элеваторных узлов смешения. Если же на индивидуальный тепловой пункт (ИТП) здания смонтировать регулируемый узел смешения, например, на базе насосов с частотно-регулируемым электроприводом, то такой проблемы просто не возникает. Однако при этом необходимо учитывать следующие обстоятельства.

Согласно данным автора работы [5], выпускаемые ведущими мировыми фирмами насосы «…характеризуются удивительно низким значением КПД», имеют «…недостаточно высокую надежность» и высокую стоимость. Вместе с тем, по оценкам автора той же работы [5], «…единственный недостаток элеватора, в целом очень простого, надежного и непритязательного в эксплуатации» заключается в том, что он имеет постоянный (нерегулируемый) коэффициент смешения. Однако, по мнению автора работы [5], этот недостаток можно устранить, если применить так называемое прерывистое отопление. При этом под термином «прерывистое отопление» в данном случае понимается поддержание заданного графика зависимости температуры обратной воды от температуры наружного воздуха с помощью двухпозиционного регулятора. Двухпозиционный регулятор включает электромагнитный клапан на подающем трубопроводе перед элеватором, причем параллельно клапану устанавливается байпасная линия, обеспечивающая некоторый расход прямой воды на элеватор при закрытом клапане, т. е. осуществляется двухпозиционное регулирование неполным притоком. Перед клапаном с байпасной линией устанавливается регулятор перепада давления между подающим и обратным трубопроводами абонентского ввода, устраняющий избыток перепада давления между подающей и обратной магистралями тепловой сети. Схема данной САР приведена на рис. 1.

По оценкам автора работы [5] технические средства для реализации данного подхода достаточно просты, надежны и имеют значительно меньшую стоимость, чем насосные системы и системы с клапанами пропорционального регулирования. Опыт применения таких систем регулирования по данным [5] показал их высокую экономическую эффективность. Вместе с тем, необходимо отметить, что указанная система автоматического регулирования процесса отопления решает задачу отработки погодного графика и поддержания должного значения температуры внутреннего воздуха достаточно приближенно. Дело в том, что при полном отключении системы отопления от тепловой сети сигнал датчика температуры, установленного на обратном трубопроводе, вообще не несет никакой информации о ТРЗ. Попытка разработчиков данной системы устранить этот недостаток пропуском через байпасную по отношению к регулирующему клапану линию 20%-ного расхода воды через систему отопления в период отключе- ния (хотя и неполного) мало что дает, так как согласно уравнению (1) tОБР однозначно характеризует ТРЗ только при постоянном значении GСО . При 100%-ном расходе эта зависимость одна, а при 20%-ном совершенно другая, да и погодный график указывается для расчетного расхода воды через систему отопления. Кроме того, как уже отмечалось выше, неизбежна и гидравлическая разрегулировка системы. Поэтому необходима разработка других способов решения проблемы.

Возможные схемы регулирования элеваторных систем отопления обсуждаются также и в работе [6], здесь указываются приемлемые способы решения проблемы отработки погодного графика отопления зданий, в том числе и в период «срезки». Причем весьма интересны предложения авторов, касающиеся того, как можно регулировать коэффициент смешения элеватора.

Как известно [7], коэффициент смешения элеватора зависит только от его геометрических размеров и сопротивления подключенной гидравлической цепи. Коэффициент смешения не зависит от перепада давления между сетевой водой перед соплом и обратной водой в приемной камере элеватора. Изменение указанного перепада давления вызывает изменение расхода сетевой воды, перепада давления, создаваемого элеватором, и пропорциональное изменение расхода воды в системе отопления, коэффициент смешения остается при этом постоянной величиной. Но это имеет место только при постоянном сопротивлении подключенной к элеватору гидравлической цепи. Если же это сопротивление изменять, то будет меняться и коэффициент смешения элеватора. В работе [6] предлагается изменять коэффициент смешения элеватора, меняя сопротивление клапана, установленного либо на элеваторной перемычке, либо за диффузором элеватора. Таким образом, погодный график регулирования отопления поддерживается должным образом во всем диапазоне изменения температур наружного воздуха. Недостатком такого способа регулирования является то, что в под-

Рис. 1. Схема двухпозиционной САР: 1 – контроллер, 2 – двухходовой клапан с электроприводом и байпасной линией, 3 – датчик температуры наружного воздуха, 4 – датчик температуры обратной воды, 5 – элеватор, 6 – регулятор перепада давления

ключенную к элеватору гидравлическую цепь вводится дополнительное сопротивление, а это приводит к дополнительным энергетическим затратам по сравнению с прерывистым способом регулирования отопления. При этом, конечно, в точке подключения к тепловой сети должен быть достаточный избыточный перепад давления [6].

Тем не менее автор работы [8] считает неприемлемым применение элеваторов в энергоэффективных системах отопления. Вышеуказанные способы автоматического регулирования элеваторных систем почему-то оказались не принятыми во внимание. Пропагандируются широко используемые в Западной Европе автоматизированные насосные узлы смешения. Однако в нашей стране и в странах СНГ удельный вес находящихся в эксплуатации элеваторных узлов достаточно велик, поэтому актуальна разработка высококачественных систем управления отоплением именно с такими узлами смешения.

Предлагаемые решения

Как нам представляется, эффективное решение данной проблемы все-таки существует и заключается в применении прерывистого отопления, только реализуемого не с помощью двухпозиционного регулятора и погодного графика или обратной связи по t _В , а в режиме импульсного управления системой отопления.

В работе [9, с. 35] указывается, что при «…двухпозиционном (прерывистом) регулировании… регулирующим воздействием является… период включения (отключения) нагревательных приборов».

В том случае, когда фактическая мощность системы отопления W _СО при данных значениях параметров теплоносителя и температуры наружного воздуха является избыточной, в здании устанавливается некоторая температура t _В ^max , которая будет заметно превышать свое заданное значение t _В ^З . При этом подчеркнем, что такая ситуация может иметь место не только в период «срезки» температурного графика регулирования, но и в любой другой период, так как «…построение графика ориентировано на обезличенное здание… при расчетной температуре внутреннего воздуха 18 °С» [10, с. 458]. В таком случае с целью экономии расхода теплоты на отопление и обеспечения приемлемых внутренних климатических условий может применяться импульсный режим отопления зданий, при котором в течение некоторого периода длительностью T система отопления на время у T включается на полную мощность W _СО , а затем полностью отключается до конца периода. При этом возникает вопрос: как следует выбирать длительность периода T и скважность импульсов у , чтобы температура внутри здания поддерживалась в заданных пределах?

Скважность у можно определить следующим образом. Понятно, что в стационарном режиме мощность системы отопления W _СО должна равняться теплопотерям здания при температуре, установившейся внутри него, и при температуре, которая наблюдается снаружи. Если потери теплоты оценивать по формуле Н.С. Ермолаева, то для случая, когда система отопления мощностью W _СО работает в режиме постоянного включения, должно выполняться следующее соотношение:

W co = q v ( t max - 1 h ) V , (2)

где qV – удельная тепловая характеристика здания; V – его объем; tН – температура наружного воздуха. В случае же, когда скважность импульсов подобрана должным образом, получим у Wco = qV (tB - tH)V . (3) Здесь уWco — средняя за период T мощность системы отопления в импульсном режиме. Разделив уравнение (3) на уравнение (2), получим, что скважность импульсов следует определять так:

^у = ⁽ t В ^- t н )/⁽ t max ^- t Н ). ⁽⁴⁾

Температуру t _В ^max можно вычислить по математической модели теплового режима здания, которая, очевидно, предварительно должна быть настроена на реальный процесс. В частности, это можно сделать и по уравнению (2), которое представляет собой математическую модель стационарного режима. Для этого только нужно иметь в виду, что мощность системы отопления можно вычислить по следующей формуле:

W co =

( kF )_СО ( t _СО

—

t Н )

1 + ( kF ) co /( Q y V ) + ( kF ) co /(2 cG co )

. (5)

Подставляя данное выражение в (2), найдем из него формулу для вычисления t _В ^max :

t max =_________ t Н ^{+ (} kF ) co ^{( t} co t Н) _________ (6)

^В    ( q_vV) + ( kF ) co + ( kF ) co/ (2 cG co ) • ( q V V ' ,

а затем и требуемую скважность управляющих импульсов у :

З tt у = —В--— X tco — t Н

X [ 1 + ( q_vV )/( kF ) co + ( q_vV )/(2 cG co ) ] .      (7)

Как это видно из формулы (7) скважность управляющих импульсов у является функцией

температуры наружного воздуха t _Н , заданного значения температуры внутреннего воздуха t _В ^З , температуры воды на входе системы отопления t _СО и расхода воды через систему отопления здания G_co . Кроме того, у также зависит от характеристики системы отопления – параметр ( kF )_СО и теплозащитных свойств и размеров здания – параметр ( q_V V ) .

На рис. 2 приведены кр и в ые з ависим о с т и с к в ажност и у п равл я ю щи х и м п у ль с ов у от температуры наружного воздуха t _Н д ля т рех зн а чен и й те мпе р а т у р ы на вх о д е сист е м ы о то п л ен ия t _СО : кривая 1 для t СО = 70 ° C, кривая 2 для t СО = 50 ° C и кривая 3 для t СО = 30 ° C. Пр и э т ом в ы ч исл ен и я про изв о д ились по формуле (7) при q _V = 0,168 Вт/(м ³ ■ °С), ( kF )_СО = 1680Вт/°С, t В = 1 8 ° C , V = 1700м ³ , G _co = 1,57 кг/с.

К ак вид но и з рис . 2, с ув еличе н ие м температуры наружного воздуха t _Н с кваж н о с т ь упр ав л я ющих импульсов у уменьша е тся, что и ож и да л ос ь.

А н а л и з ф о р м улы ( 7 ) , в т о м чи с ле и п р я мы е в ыч и с ления п о н е й , п ок аза л и , ч т о с к ва ж н о с т ь упр авляющих импульсов у р аст е т в сле дую щих с л уч аях:

• 1)    с увеличением параметра ( q_V V ) , т. е. с ухудшением теплозащитных свойств здания;

• 2)    с уменьшением параметра ( kF )_СО , т. е. с ухудшением теплотехнических характеристик системы отопления и вследствие этого ее мощности при прочих равных условиях;

• 3)    с уменьшением расхода воды G _СО через систему отопления.

Для вычисления у , как это видно из формулы (7), требуется измерять температуру наружного воздуха t _Н , температуру t _СО и расход G _СО воды на входе системы отопления (после элеваторов или каких-либо других нерегулируемых узлов смешения). Схема такой системы управления приведена на рис. 3.

Возможно, что более предпочтительным будет измерение температуры t _C и расхода G _C сетевой воды в подающей магистрали, в этом случае

Рис. 2. Зависимость скважности управляющих импульсов γ от температуры наружного воздуха t _Н

Рис. 3. Схема 1-го варианта импульсной системы управления: 1–6 – обозначения как на рис. 1; 7 – расходомер

Рис. 4. Схема 2-го варианта импульсной системы управления: обозначения как на рис. 3

мощность системы отопления WСО следует выра- зить через температуру tC , как это сделано в [11]. Данная формула будет иметь вид

W СО

= cG C

_________ t С t Н __________ X + 0,5 + cG c + cG c , 1 + X    ( kF ) co q v V

где X — коэффициент смешения. Схема системы управления для этого случая приведена на рис. 4.

При реализации предлагаемого способа следует иметь в виду, что его эффективность во многом зависит от точности модели, отражающей влияние возмущения на выходную величину объекта управления, т. е. от характеристик канала «температура наружного воздуха – регулируемая температура». Хорошо известно, что эти характеристики заметно меняются, например, из-за старения здания и его системы отопления, при накоплении влаги в ограждающих конструкциях и т. п. Поэтому вполне понятно, что для построения высококачественной системы управления необходимо своевременно отслеживать изменение этих характеристик, т. е. решать задачу идентификации модели канала. Способы решения данной проблемы достаточно детально изложены в работе [12].

Длительность периода T , позволяющую достигать заданного качества процесса управления, следует определять по способу работы [13].

Заключение

Разработан способ импульсного управления температурным режимом зданий с элеваторным присоединением систем отопления. Приводятся два варианта структуры системы управления и процедуры вычисления скважности управляющих импульсов по данным измерения либо температуры сетевой воды и ее расхода, либо теплоносителя на входе системы отопления и его расхода в ней.