Повышение эффективности использования энергетических ресурсов в системах теплоснабжения зданий за счет выбора стратегии управления тепловыми пунктами

Растущий спрос на энергию во всем мире делает весьма актуальными вопросы повышения эффективности энергетических систем. В области теплоснабжения значительное улучшение эффективности достигается благодаря использованию центрального отопления от ТЭЦ (рис. 1). Тепло производится центральным теплогенератором, и за счет комбинированного производства тепла и электроэнергии общая эффективность использования топлива достигает 90 % [1].

Однако и в этом случае остается место для совершенствования технологии. ТЭЦ использует систему централизованного теплоснабжения как большой радиатор для охлаждения воды в процессе производства электроэнергии. Повысить эффективность использования топлива возможно за счет

Электроэнергия

Рис. 1. Комбинированное производство тепла и электроэнергии

увеличения перепада температуры (ΔT) в сети централизованного теплоснабжения.

Новый подход в управлении индивидуальным тепловым пунктом (ИТП) позволяет повысить ΔT первичного теплоносителя. Оценки показывают, что увеличение перепада температур в системе на 10 °C приведет к общей экономии первичного топлива до 14 % [2]. Таким образом, максимизация ΔT в отрасли теплоснабжения является очень актуальной задачей.

Основная идея предлагаемого подхода заключается в учете температуры первичного теплоносителя, в то время как в существующих системах учитывается и измеряется обычно только один параметр – местная температура наружного воздуха. Исследование подхода проводилось на типичном здании с ИТП, подключенным к системе централизованного теплоснабжения по независимой схеме, в которой первичный контур – тепловая сеть (ТС), вторичный контур – отопление дома и горячее водоснабжение (ГВС) (рис. 2). Имитационная модель строилась на основе данных, полученных при проведении испытаний на автоматизированной имитационной установке для полунатурного моделирования теплогидравлических режимов инженерных систем Центра коллективного пользования в энергетике и энергосбережении ЮУрГУ.

Для поддержания стабильной температуры в помещении при различной температуре наружного воздуха и, следовательно, изменения требуемого количества тепловой энергии, передача тепла от радиаторов системы отопления здания должна контролироваться. Имеются два параметра системы отопления здания, которыми наиболее легко управлять: температура подачи контура отопления ( T_rs ) и расход теплоносителя отопления ( m_r ). Это формирует три возможных способа поддержания стабильной температуры в помещении:

• •    качественный – изменение температуры при постоянном расходе теплоносителя;

• •    количественный – изменение расхода при постоянной температуре теплоносителя;

• •    количественно-качественный – изменение

расхода и температуры теплоносителя.

Результаты имитационного моделирования, представленные на рис. 3 и 4, показывают, что расход и температура подачи контура отопления должны корректироваться в зависимости от температуры наружного воздуха и температуры подачи ТС. Однако температура подачи ТС имеет большее влияние на оптимальную температуру подачи отопления, чем температура наружного воздуха. Это означает, что температура подачи ТС важнее, чем температура наружного воздуха при управлении на максимальный ΔT.

Решающим испытанием новой стратегии управления было сравнение ее с традиционными методами управления при различных схемах температуры подачи ТС на основе имитационного моделирования. При сравнении рассматривались модель дома с тремя методами управления.

Первый дом (Дом 1) был оснащен идеально настроенной традиционной системой управления с температурой подачи контура отопления 60 °C при температуре наружного воздуха –30 °С, во втором доме (Дом 2) использовалась оптимизированная

Рис. 2. Пример системы отопления дома, подключенного к системе центрального отопления:

1 – подача ТС; 2 – возврат ТС; 3 – ввод ХВС; 4 – ИТП;

5 – радиатор; 6 – кран ХВС и ГВС

Рис. 3. Зависимость температуры теплоносителя возврата ТС T pr от расхода (а) и температуры подачи контура отопления (b) при различных температурах подачи ТС и температуре воздуха –10 °С

Краткие сообщения

кривая управления, основывающаяся на температуре наружного воздуха, в третьем доме (Дом 3) -оптимальная кривая управления, основывающаяся на температуре подачи ТС.

Изменение температуры наружного воздуха было одинаковым для всех этапов моделирования, влияние ветра и солнца не учитывались. Для сравнения значений AT при различных температурах подачи ТС, было проведено моделирование с различными температурными схемами (рис. 5): моде-

Рис. 4. Зависимость температуры теплоносителя возврата ТС T pr от расхода (a) и температуры подачи контура отопления (b) при различных температурах наружного воздуха и температуре подачи ТС 95 °C

Дом 1          Дом 2          Дом 3

• (а) Моделирование А (Ь) Моделирование В (с) Моделирование С

  
  
  
  
  
  
  
  
  

Время [дни]               Время [дни]               Время [дни]

Рис. 5. Перепад ΔT и расход теплоносителя в первичном контуре лирование А – обычная температурная схема, моделирование B – температура подачи ТС зафиксирована на уровне 100 °С, моделирование C – температура подачи 70 °С. Общее время моделирования составило 4 дня.

Анализируя результаты, можно заключить, что стратегия управления по температуре подачи ТС, заложенная в Доме 3, превзошла традиционные подходы.