О реализации канала обратной связи в системах автоматического управления отоплением зданий

Проблема энергосбережения в жилищнокоммунальной сфере является одной из актуальнейших проблем настоящего времени. Решение этой задачи возможно, прежде всего, за счет автоматизации систем обеспечения микроклимата зданий и, в первую очередь, их систем отопления. В литературе вопросам автоматизации отопительных систем посвящено достаточно большое количество работ [1–8], получены довольно интересные и важные результаты. В частности, вполне установлено, что наиболее высокое качество управления может быть достигнуто только в рамках комбинированной системы управления, реализующей компенсацию основного возмущения температурного режима зданий (ТРЗ) - температуры наружного воздуха и имеющей канал обратной связи по температуре внутреннего воздуха. Причем подчерк- нем, что наличие канала обратной связи является одним из важнейших условий достижения высокого качества регулирования ТРЗ. Однако следует признать, что вопросы, связанные с реализацией канала обратной связи, к настоящему времени еще не решены на должном уровне, эти вопросы требуют дальнейшего развития и проработки. Их приемлемое решение несомненно приведет к повышению точности определения температуры внутреннего воздуха и вследствие этого к росту величины энергосбережения.

Как известно, температурное поле здания отличается заметной изменчивостью как по его этажам, так и по помещениям отдельных этажей. Более того, температура внутреннего воздуха также значимо различна и в пределах одного помещения. Поэтому, как это отмечено в работе [1, с. 126], «…можно говорить только о средней температуре воздуха, по которой и может производиться … регулирование расхода теплоты на отопление». Причем понятно, что, чем точнее будет определяться средняя температура внутреннего воздуха, тем больше будет и экономический эффект от автоматизации. Понятно также, что для прямого решения задачи определения этой величины необходима установка довольно значительного количества датчиков температуры в различных точках здания, что весьма проблематично. Причем, как это хорошо известно, повышение точности определения средней температуры требует существенного увеличения этого количества, а также зачастую и должного решения нетривиальной задачи определения весовых коэффициентов сигналов датчиков в информационно-измерительной подсистеме формирования сигнала о температуре внутреннего воздуха. Эти обстоятельства, в частности, являются одной из причин, обусловивших применение таких понятий, как представительное помещение здания [9, с. 458] и представительная точка в этом помещении [1-4], - считается, что температура в этой точке достаточно близка к средней температуре внутреннего воздуха. В этом случае необходим только один установленный в этой точке датчик температуры. Кроме того, такой однодатчиковый подход позволяет также снизить до минимума проблемы, связанные с прокладкой проводных линий связи в здании. Тем не менее и здесь есть вопрос, обусловленный тем, что «географически» представительная точка, как правило, расположена в центральной зоне помещения, поэтому необходимо найти приемлемое решение того, как и на чем закрепить датчик температуры. Причем эту проблему нужно решать также и в случае применения беспроводных датчиков температуры. Как отмечено, например, в работе [1, с. 54], «…cложность установки датчиков непосредственно в квартирах привела к предложениям измерять температуру не в самих помещениях, а в вытяжных вентиляционных каналах... ».

К месту заметим, что и задача определения представительной точки является весьма непростой, так как температурные поля как отдельных помещений, так и зданий в целом существенно индивидуальны. Поэтому индивидуальной будет и представительная точка здания. По всем этим причинам в настоящее время, как правило, применяются так называемые погодные регуляторы температуры (погодные компенсаторы), осуществляющие компенсацию основного возмущения - температуры наружного воздуха. Обратная связь по температуре внутреннего воздуха в них не используется из-за указанных проблем измерения данной величины. По этой причине, к примеру, применялись системы управления по температуре физической модели здания [1, 10, 11], которая якобы позволяет получить информацию о температуре внутреннего воздуха здания простейшим способом

[11], по температуре воздуха в вытяжных вентиляционных каналах и т. п.

В настоящее время беспроводные и достаточно дешевые датчиковые сети [12–14], конечно, позволяют упростить прямое решение задачи определения средней температуры внутреннего воздуха, повысить точность ее определе-ния(поскольку не проблематично увеличение количества используемых датчиков) и привести к росту величины энергосбережения от автоматизации. Сенсорные сети позволят расположить датчики температуры, в том числе и в труднодоступных местах здания, куда сложно протянуть проводные линии, при этом также повышается и надежность измерения - в случае выхода из строя одного из мотов [12–14], информация может быть передана через соседние элементы. Однако увеличение числа сенсоров связано с ростом экономических затрат на создание и эксплуатацию систем, поэтому необходимо сопоставлять затраты и выгоду от применения сенсорных сетей, определять экономически разумное количество узлов сенсорной сети. Кроме того, беспроводные сети подвержены влиянию электромагнитных помех, дальность связи таких сетей ограничена (обычно не более 100 м внутри здания), необходимо своевременно заменять элементы питания и т. д. [12-14].

Таким образом, ни метод представительной точки (точек), ни многодатчиковые как проводные, так и беспроводные сети, ни метод физической модели, ни метод температуры в вентиляционных каналах нельзя признать достаточно совершенными для определения средней температуры внутреннего воздуха здания. Проблема требует дальнейшей проработки и развития. Поэтому рассмотрим некоторые решения по определению температуры внутреннего воздуха по результатам измерений на объекте.

Предлагаемые решения

Понятно, что температура обратной воды несет в себе информацию о всех влияющих на теп-лопотребление величинах, в том числе и о температуре внутреннего воздуха. В самом деле, количество теплоты, потребленное зданием (теплопо-требление здания), определяется так:

^QЗД = ^cGСО (t СО ^- t ОБ ) ,                   ⁽¹⁾

отсюда следует, что

QЗД

• ¹    ОБ = ¹ СО    „    ,                           ⁽²⁾

cGСО но ОЗд равно мощности системы отопления (теплоте, выделяемой системой отопления в единицу времени)

Озд = Wco = (kF)СО( t ^СО + t ОБ - 1 в ) .      (3)

Поэтому

_    2(kF) со        (kF)co -2cGeo tОБ "лт ,        tВ  л m            tСО , (4)

^(kF) co + ^2c G eo    ^(kF) co + ^2c G eo

• т. е. температура обратной воды t _ОБ является функцией, в том числе и температуры внутреннего воздуха t _В , поэтому, привлекая модель теплообмена, можно по t _ОБ оценить и t _В .

Здесь GСО – массовый расход теплоносителя на всю систему отопления, c – его удельная теп- лоемкость, t    – температура воды на входе

(прямой воды) системы отопления, (kF) – произведение коэффициента теплопередачи на площадь поверхности теплообмена – в данном случае вся система отопления представляется эквивалентным отопительным прибором, этот параметр подлежит определению при идентификации системы отопления [4]. Разработаны процедуры параметрической идентификации эквивалентного отопительного прибора [4].

Как это следует из уравнения (4), температура внутреннего воздуха в данном случае может быть оценена по следующему соотношению:

(kF)co - 2cGco     (kF)co + 2cGco tВ =    шт\       t co+        \       t ОБ. (5)

2(kF) СО             2(kF) СО

Рассмотрим также и другой вариант решения задачи. Существо его заключается в следующем. В стационарном режиме теплопотери здания QПОТ должны быть равны потребляемой теплоте, поэтому

^Qзд = ^cGeo^(tco t ОБ ) = Q noT = q v^V(t в  t н )•   ⁽⁶⁾

Отсюда следует, что температура внутреннего воздуха может быть вычислена по следующему соотношению:

cGСО tB = tН +    77"(t co - t ОБ ).

qVV

Здесь tН  – температура наружного воздуха, qV – удельная тепловая характеристика здания, V – его объем.

В данном случае для реализации способа необходимо измерять массовый расход теплоносителя на всю систему отопления G _CO , а также температуру наружного воздуха t _Н , температуру прямой t _СО и температуру обратной воды t _ОБ . Конечно, при этом необходима достаточно точная оценка реального значения удельной тепловой характеристики здания q _V . В случае же соотношения (5) для определения t _В измерять температуру наружного воздуха t _Н не требуется, нужно только достаточно точно определить реальное значение параметра (kF) _СО . Понятно также, что при прекращении циркуляции теплоносителя соотношения (5) и (7) «не работают», обратная связь по t _В исчезает.

При этом следует заметить, что на результаты определения t _В обоими способами, конечно, влияет инерционность каналов, причем достаточно очевидно, что инерционность канала «температура наружного воздуха (теряемая в наружную среду теплота) – температура внутреннего воздуха» значительно большая, чем канала «потребляемая теплота (снимаемая в единицу времени с теплоносителя) – температура внутреннего воздуха». Поэтому предпочтительнее использовать первый способ определения t _В , тем более что он требует меньшего количества температурных измерений. Структурная схема измерительно-вычислительной подсистемы определения t _В первым способом приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема измерительновычислительной подсистемы определения температуры внутреннего воздуха здания

На рис. 1 использованы стандартные обозначения средств измерения и автоматизации, применяемые при оформлении функциональных схем [2].

Рассмотренные способы определения температуры внутреннего воздуха (построения канала обратной связи по t _В ) достаточно просто могут быть реализованы и в рамках структуры адаптивной системы управления, приведенной в работах [4, 8]. Необходимо только соответствующим образом дополнить ее алгоритмическое обеспечение.

Применение на практике импульса о температуре обратной воды для управления отоплением

В литературе имеются сведения об использовании импульса о температуре обратной воды для управления отоплением зданий. Так, в работе [15] сообщается о том, что погодное регулирование отопления зданий осуществлялось «…по температуре воды в общем для группы зданий обратном трубопроводе», при этом якобы «…улучшилось качество отопления зданий». В работе [16] исследовалась система управления по температуре обратной воды, заданное значение этой температуры, якобы гаранти- рующее должную температуру внутреннего воздуха, вычислялось по соотношению tоб = 47-1н —A ,              (8)

где A - заданное программное снижение темпера туры. При этом в дневное время обычно A — 0, а ночью или в часы нерабочего времени для общественных зданий величина A устанавливается эвристическим способом в пределах от 2 до 10 °С.

Данные системы относятся, как это утверждают авторы, к системам погодного регулирования, причем в отличие от обычного подхода, когда в зависимости от температуры наружного воздуха на должном уровне [7, 8] поддерживается температура прямой воды, здесь, наоборот, регулируется температура обратной воды. По данным указанных работ достигнуто существенное повышение качества регулирования отопления. Если следовать работе [17, с. 367], то объясняется это, очевидно, большей чувствительностью температуры обратной воды к изменению теплопотребления зданием, которое, как это нетрудно видеть из соотношения (3), определяется в том числе и температурой внутреннего воздуха tВ . Таким образом, данные системы в определенной мере следует отнести и к системам с обратной связью по t В . Ве- роятнее всего, это и является основной причиной, позволившей заметно повысить качество регулирования температурного режима зданий.

В самом деле, из уравнений (2) и (3) можно получить, что

W      ^(kF)co(1 Со ^{- 1} В )  ;

^СО 1 + (kF) со /(2cG co )

W      ^{(kF)co (1} ОБ ^{- 1} В )  .

^СО 1 - (kF) со /(2cG co )

Поэтому

• 5    W co _       (kF) co

^{d 1} СО ^{1 + (kF)} СО^/(2cGCO )

• 5    W co _       (kF) co

5 1 об 1 - (kF) co /(2cG co ) ^.

Очевидно, что d W co _>  d W co , 5 t об 8 t co

следовательно, формально выражаясь, чувствительность теплопотребления к изменению температуры обратной воды существенно больше, чем чувствительность теплопотребления к изменению температуры прямой воды. Конечно, при этом следует заметить, что на самом деле изменение теплопотребления вызывает изменение температуры обратной воды, а не наоборот. Независимым аргументом в данном случае является температура прямой воды, чувствительность температуры обратной воды к изменению этой величины, как это следует, например, из (4) будет таковой:

8 1 ОБ _ (kF) co - 2cG co ---- —-- 5 ¹ co    ^(kF)co ^{+ 2cG}co

^2cGCO  ^(kF) CO _>Q

(kF) co + 2cG co .

Здесь учтено, что

(kF) co (^^ - ' В) —

(kF) СО

= ^cGCO ⁽¹ СО ^{- 1} ОБ ) ^ V7^  <1.

2c GСО

Апробация предлагаемых решений. Обоснованность и применимость для практики вышеприведенных соотношений подтверждается и экспериментальными данными. Так, настроенное по экспериментальным данным соотношение (4) для одного из пятиэтажных панельных домов (г. Челябинск) имеет вид:

45372,32        22686,16 - 2cG

1    —----------- ,-------1--— 1    .

22686,16 + 2cG_C0 В 22686,16 + 2cG_C0

В данное выражение расход теплоносителя следует подставлять в т/ч . При этом при обработке экспериментальные данные представлялись в координатах y — ^CO—— их — —-—. Установ-

• ¹    в ^{- 1}Н ^GCO

лено, что связь между этими переменными линейная, а вычисленное значение коэффициента корреляции R_yx составило R_yx — 0,727, что вполне удовлетворительно. Качество аппроксимации экспериментальных данных линейной зависимостью иллюстрируется рис. 2.

Рис. 2. Аппроксимация экспериментальных данных

Следовательно, на основании этих данных можно утверждать, что импульс температуры обратной воды вполне может быть использован для реализации канала обратной связи в замкнутых системах автоматического регулирования температуры внутреннего воздуха отапливаемых зданий.

Выводы

Рассмотрена задача определения температуры внутреннего воздуха при построении замкнутых систем автоматического управления отоплением зданий. Предложены способы решения этой проблемы по температуре обратной после системы отопления воды. Результаты работы могут быть использованы при разработке технической структуры и алгоритмического обеспечения систем управления микроклиматом зданий.