Имитационное моделирование здания, оснащенного индивидуальным тепловым пунктом

Компьютерная модель отдельного здания разработана с целью проверки новых теорий управления для индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) в системах централизованного теплоснабжения. Целевые системы – отдельные здания с водяной системой отопления. Работа основана на более ранних работах Wollerstrand, Persson, Yliniemi и др. [1–3], подобное тепловое моделирование в среде Simulink изложено в работе [4].

Настоящая работа представляет улучшение функциональности модели, позволяя учитывать динамику реальных теплогидравлических процессов и аккумулирования тепла. Имитация термодинамического поведения достигается путем физического моделирования основных частей здания, таких как стены, радиаторы, теплообменники и системы управления. Принимаются во внимание и моделируются изменения температуры падающей воды системы центрального теплоснабжения (ЦТ) для компенсации погодных условий. Используя методы электрической и тепловой аналогии, модель здания с ИТП может быть представлена в виде функциональной электрической схемы (рис. 1).

Предложенная модель проверена при разных климатических условиях, размерах радиаторов, теплообменников, здания и т. д. В таблице приведены наиболее важные параметры. Имитационное моделирование проводилось в течение 3 дней, при этом использовались реалистичные условия окружающей среды: температура наружного воздуха в диапазоне от –5 до –20 °С, температура в помещении составляла 21 °С, конструкция оконных проемов – однокамерные стеклопакеты с общей площадью 40 м2. Размеры дома и данные теплообменника можно найти в таблице, температура в контуре отопления – 60/40 (прямая/обратка), максимальный поток в контуре радиатора – 0,2 кг/с при открытых термостатических клапанах.

Результаты моделирования (рис. 1–4) показали, что модель достаточно реалистично описывает поведение реального здания, что было подтверждено в ходе реальных измерений на автоматизированной имитационной установке полунатурного моделирования теплогидравлических режимов инженерных систем Центра коллективного пользования в энергетике и энергосбережении ЮУрГУ.

Рис. 1. Здание в сборе

Рис. 3. Температура стены

Гипсокартон снаружи

Расход

Обратка

-- Подача

Наружный воздух

Кирпичная стена (наружи.сторона)

Кирпичная стена (внутр.сторона)

Изоляция снаружи

Внутренняя стена

Внутренний воздух

Время [ч]

Время дня

Обратка (модель)

Расход (модель

Рис. 4. Проверка цепи отопления (температура наружного воздуха –3°С)

Параметры моделирования

Размеры здания
Площадь основания, м2	210
Площадь стен, м2	230
Площадь крыши, м2	220
Площадь окон, м2	40
Дополнительные источники тепла, кВт	0
Характеристики теплообменника
Площадь, м2	0,9
Число пластин	30
Мгновенный расход, кг / с	0,32
Температура подачи первичного контура, °С	100
Температура обратки первичного контура, °С	50
Температура на входе (вторичный контур), °С	45
Температура на выходе (вторичный контур), °С	60

Мощность, кВт	20
Радиатор
Общая мощность радиаторов, кВт	17

Разработанная модель может быть использована для моделирования целого блока отдельных зданий и, возможно, целых участков сети централизованного теплоснабжения. Модель с успехом может быть применена при моделировании и прогнозировании энергетических потребностей дома в зависимости от его конструкции (например, структура стен и окон).

При подключении нескольких моделей домов модель может имитировать большие части тепловых сетей.