Режим энергосбережения для автономных систем теплоснабжения

Одним из важных моментов для создания системы теплоснабжения объекта является выбор требуемой мощности источника тепла. Выбор зависит от размеров и теплофизических свойств конструкции помещения, окружающей среды. Актуальным для повышения энергоэффективности является и поиск новых технических решений управления теплоснабжением на основе микропроцессорных устройств управления.

Основная часть

Для проведения исследований было выбрано несколько объектов, для которых на основании справочных данных материалов строительных конструкций проведен расчёт требуемой мощности источника тепла, используемого для теплоснабжения объекта.

Расчётные тепловые потери для отдельных элементов конструкций объекта определялись по формуле

Р = 1 ■ 5(Т в - Т окр ) ■ n ■ (1 + m ),

R где R – сопротивление теплопередачи материала; S – площадь поверхности; Тв – температура, поддерживаемая внутри объекта; Токр – температура окружающего воздуха; n – понижающий коэффициент, m – повышающий коэффициент определяются согласно справочным данным [1, 2].

Расчётная расходуемая мощность источника теплоснабжения для заданной температуры в помещении определялась по сумме расчётных значений тепловых потерь для отдельных элементов конструкции объекта.

В экспериментах расходуемая мощность для температур Т _в и Т _окр за время исследований объекта определялась согласно зависимости:

Р рас

tраб руст tпод где Pуст – номинальная мощность источника теп- лоснабжения, tраб – время активной работы источника теплоснабжения, tпод – время эксперимента при поддержании установленной температуры Тв в помещении.

Отклонение расчётных значений мощности источника тепла от экспериментальных данных составляло для различных объектов от нескольких до десятка процентов. Сравнительный анализ расчётных результатов и экспериментальных данных позволил сделать вывод о частичном несоответствии расчётных значений требуемой мощности для теплоснабжения объекта по отношению к реальным. Это вызвано различными причинами, среди которых: дефекты ограждающих конструкций (щели, трещины и т. д.), некачественные материалы, несоблюдение норм и требований по утеплению объекта и др. Так, например, во время прове-

Рис. 1. Результат тепловизионного обследования объекта

дения тепловизионного обследовании объектов (рис. 1) можно увидеть участки ограждающих конструкций, наиболее сильно теряющие тепло – это в первую очередь окна. По данным [3] тепл о вые потери через ограждающие конструкции ра с пределяются следующим образом: стены – 30 %, кровля – 14 %, пол – 12 %, окна – 44 %. Данные потери через ограждающие конструкции объекта в основном связаны с инфильтрацией. Тепловые потери зависят, как правило, от инфильтрации в помещение холодного наружного воздуха, а также, скорости воздушного потока снаружи. Воздух в помещение поступа ет через ограждающие конс т рукции, имеющие пористые структуры, но осно в ная его часть поступает через неплотности окон.

Отклонение экспериментальных результатов исследования от теоретических расчето в позволяет сделать вывод об актуальности и целесообразн о сти применения управления теплоснабжением с учетом всех влияющих на объект факторов.

На сегодняшний день большинство фирм, занимающихся установкой автоматизированных систем управления теплоснабжением, обычно используют системы управления, осуществляющие только измерение температуры вне объекта теплоснабжения – это так называемые погодные регуляторы температуры. Управление лишь по окружающей температуре без учета других влияющих факторов приводит к возникновению несоответствий в управлении теплоснабжением, что, в свою очередь, приводит к неоптимальному регулированию теплового режима объекта. По данным источников [4–6] для реализации энергоэффективной системы автономного теплоснабжения необходимо учитывать все возмущающие воздействия на тепловой режим данного объекта теплоснабжения. Тепловой режим отапливаемых помещений определяется как результат совокупного влияния непрерывно изменяющихся внешних и внутренних возмущающих воздействий. На сегодняшний день к внешним возмущающимся воздействиям относятся, кроме температуры окружающего воздуха, скорость и направление ветра, интенсивность солнечной радиации, влажность воздуха. К внутренним возмущающим воздействиям в жилых зданиях относятся выделения тепла от работы электрического оборудования, тепло, выделяемое человеческим телом и т. д. [7–11]. Для учёта внешних возмущающих воздействий необходимо различное климатическое оборудование, устанавливаемое вне объекта теплоснабжения [7–11].

Согласно [12] на температуру в помещении существенно влияет ветер, особенно в тех зданиях, которые расположены на открытых территориях, алгоритм управления, который учитывает влияние ветра, обеспечивает до 10 % экономии тепловой энергии. Для учёта возмущающего воздействия на объект скорости воздушного потока (ветра) используют термоанемометры. Рабочий диапазон данных средств измерения от 0,3 м/с до 20 м/с, погрешность составляет 1 %, межповерочный интервал данных средств измерения составляет 1 год. На рис. 2 представлен внешний вид термоанемометра.

Рис. 2. Термоанемометр

Для определения внешней окружающей температуры за пределами объекта теплоснабжения в настоящее время большинство разработчиков систем отопления используют термосопротивления. В качестве примера можно назвать термопреобразователи сопротивления ДТС125л с выходным сигналом в виде тока от 4 до 20 мА. На рис. 3 представлен внешний вид термосопротивления ДТС125л.

Класс точности термопреобразователей от 0,5 до 1 %, рабочий диапазон температур лежит в пределах от –50 до 125 °С, межповерочный интервал составляет 2 года. Для исключения попаданиz солнечных лучей на датчики температуры используются защитные экраны. На рис. 4 представлен экран для защиты от солнечных лучей.

Для измерения влажности воздуха вне объекта теплоснабжения используют пассивные или активные канальные датчики влажности (рис. 5).

Рабочий диапазон составляет от 0 до 100 %, погрешность – 2 %, межповерочный интервал – 2 года.

Для определения интенсивности солнечной радиации в диапазоне от 0 до 1000 Вт/м2 применяют датчики (рис. 6).

Рис. 3. Термопреобразователи сопротивления ДТС125л

Рис. 4. Экран для защиты термопреобразователей от солнечных лучей

Рис. 5. Внешний вид датчика для определения влажности воздуха

Рис. 6. Внешний вид датчика солнечной радиации

Рабочий диапазон составляет от 0 до 1000 Вт/м2, погрешность таких средств измерения – 1 %, межповерочный интервал – 1 год.

Несмотря на более точное управление теплоснабжением, установка, настройка, поверка климатического оборудования, учитывающего внешние возмущающие воздействия, введение соответствующих управляющих цепей вносят дополнительные затраты, что в конечном результате отражается на стоимости необходимого оборудования при его установке и эксплуатации, а также на периоде его окупаемости [13–17].

В нерабочее время в общественно-административных, производственных зданиях, в жилых домах при отсутствии людей температура воздуха в помещениях может быть значительно снижена, то есть возможен так называемый режим прерывистого отопления, для реализация которого следует обеспечить восстановление комфортной температуры к началу использования помещения или к началу рабочего дня, при этом актуальным является обеспечение минимальных затрат энергии для разогрева помещения с пониженной температуры до требуемой. Для выполнения этого условия необходимо определить вид зависимости, по которой возможно учитывать все влияющие факторы на тепловой режим помещения, управлять температурным режимом здания в переходном процессе, чтобы потребление тепловой энергии было минимальным. Как уже отмечалось, для выхода в нужный момент времени на стационарный режим необходимо учитывать все влияющие на тепловой режим здания факторы, так как только в этом случае удается точно определить интервал времени с момента включения системы теплоснабжения на разогрев до заданной температуры [18–24]. На рис. 7 представлен температурный режим объекта при прерывистой системе теплоснабжения.

Актуальной для существующих систем управления тепловым режимом объекта является проблема определения минимального интервала времени для повышения температуры в помещении до номинальной к моменту начала использования объекта.

Авторами данной статьи разработан алгоритм для определения оптимального времени разогрева помещения (с учётом всех возмущающих воздействий на объект) с помощью коэффициента актив- ной работы системы теплоснабжения или времени снижения температуры внутреннего воздуха на 1°С без использования различного климатического оборудования, устанавливаемого вне отапливаемого объекта [25]. На рис. 8 представлена блок-схема разработанного алгоритма определения оптимального времени включения системы теплоснабжения на разогрев.

Блок-схема состоит из 16 блоков. В блоке 1 осуществляется ввод необходимых параметров для первоначальной работы алгоритма управления системой теплоснабжения, а именно Т min – минимально допустимая температура поддержания внутри объекта теплоснабжения в режиме энергосбережения которая устанавливается по нормативным документам в зависимости от типа помещения, Т nom – номинальная температура поддержания внутри объекта в период рабочего времени или момент присутствия людей в помещении, устанавливается по нормативным документам в зависимости от типа помещения, t _эн – заданный момент времени с начала которого начинается режим энергосбережения (момент окончания рабочего дня или прихода людей), t нач.р – время начала рабочего дня или момента прихода людей в помещение, q 0 – экспериментальная, общая, удельная тепловая характеристика объекта, V – объём ограждающих конструкций объекта по внешнему обмеру, T о – постоянная времени остывания объекта, Т _р – постоянная времени разогрева объекта, k ₀ – общий экспериментальный коэффициент теплопередачи объекта, P _ист – номинальная мощность источника теплоснабжения. В блоке 2 осуществляется режим энергосбережения Ф2 объекта теплоснабжения. В блоке 3 в динамическом режиме происходит подсчёт коэффициента активной работы системы теплоснабжения за последний час, который определяется по формуле t - p раб затр

K =    =      .

^a под уст

Для определения K _a используется динамический массив, состоящий из 3600 ячеек, каждую секунду анализируется состояние известной переменной, которая означает текущее состояние устройства, включено оно или выключено, далее каждую секунду производится запись состояния переменной в соответствующую ячейку, с последующим

Рис. 7. Температурный режим производственного объекта при прерывистой системе теплоснабжения

Рис. 8. Блок-схема алгоритма определения оптимального времени разогрева объекта

усреднением). В формуле Руст – номинальная мощность системы теплоснабжения, Рзатр – затраченная мощность системы теплоснабжения на поддержание требуемой температуры за последний час работы, tраб – время активной работы системы теплоснабжения за последний час, tпод – время поддержания температуры внутри объекта теплоснабжения. В блоке 4 проверяется условие «коэффициент активной работы системы теплоснабжения за последний час больше нуля», если условие не выполняется, управление передаётся блоку 5, в котором определяется время остывания объекта на 1 °С, (данный блок работает, когда окончен рабочий день или человек покинул помещение, система перешла в режим энергосбережения и температура начала уменьшаться до минимальной температуры), tост = f( Тв), Тв1 – температура в начальный момент времени остывания, Тв2 – изменение температуры на 1 °С.

В блоке 6 происходит определение расчётной окружающей температуры вне объекта теплоснабжения, полученной по времени остывания, по формуле

Т в i ^- Т в(0) ■ exp

т окр

1 – exp

Здесь Т _{в i} – температура внутри объекта в i момент времени, Т _в ( ₀ ) – начальное значение внутренней температуры. В блоке 7 происходит подсчёт расчётного коэффициента активной работы по формуле

K a

q o V ( T в – Т окр )

,

Р уст

далее управление передаётся блоку 8. В случае выполнения условия в блоке 4, в блоке 8 производится определение окружающей расчётной температуры вне отапливаемого объекта по формуле

К Р а уст

Т окр = TB         тл q о ■ V

.

В блоке 9 производится расчёт оптимального времени включения системы теплоснабжения на разогрев объекта к нужному моменту времени (с учётом всех возмущающих воздействий на объект за последний час) по формуле tвр.р

= Т р ■ ln

T OKp   ^Т В(0) + k 0 ^Руст

^ ^Т окр + k 0 ^р уст ^Т В nom

Л

У

ТВ nom – номинальная температура поддержания внутри объекта теплоснабжения. В блоке 10 происходит проверка условия «необходимо ли в текущий день недели производить разогрев объекта с минимально допустимой температуры до номинальной»: при невыполнении условия, управление передаётся в блок 2, при выполнении условия – в блок 12, где проверяется условие «необходимо ли в текущем месяце производить разогрев объекта» при выполнении условия происходит остановка алгоритма, при невыполнении – в блок 12, в котором производится подсчёт времени разогрева по формуле до.п нач. р тек , tнач. р – время начала эксплуатации помещения, tтек – текущее время. В блоке 13 производится проверка условия «оптимальное время разогрева объекта к нужному моменту времени больше времени до начала эксплуатации помещения»: при выполнении условия управление передаётся в блок 2, при невыполнении условия в блоке 13 управление передаётся в блок 14, в котором производится, разогрев объекта до номинальной температуры. В блоке 15 производится термостабилизация внутри объекта теплоснабжения. В блоке 16 происходит проверка условия «начальный момент времени перехода системы в режим энергосбережения больше или равен текущему времени», при выполнении условия управление передаётся в блок 15, при невыполнении условия – в блок 2.

В среде программирования codesys 2.3 разработана реализующая алгоритм программа, которая позволяет без использования дополнительного климатического оборудования по коэффициенту активной работы системы теплоснабжения определять время включения системы теплоснабжения на разогрев с учётом всех действующих на объект возмущающих воздействий.

Программа обеспечивает выполнение следующих функций:

– определяет в динамическом режиме коэффициент активной работы системы теплоснабжения за последний час;

– определяет по коэффициенту активной работы расчётную окружающую температуру вне отапливаемого помещения (объекта);

– определяет по коэффициенту активной работы за последний час время включения системы теплоснабжения на разогрев объекта (помещения) к нужному моменту времени;

– определяет день недели и необходимо ли производить разогрев объекта к нужному моменту времени и поддерживать оптимальную температуру внутри него;

– определяет время остывания объекта на 1 °С;

– по времени остывания объекта (в момент перехода на режим энергосбережения по окончании рабочего дня или ухода людей из помещения) на 1 °С определяет расчётную окружающую температуру вне отапливаемого помещения (объекта);

– по расчётной окружающей температуре, полученной при остывании объекта, определяется расчётный коэффициент активной работы;

– по расчётному коэффициенту активной работы определяется время включения системы теплоснабжения на разогрев объекта (помещения) к нужному моменту времени;

– определяет температурный режим поддержания внутри объекта (режим энергосбережения – поддержания минимально допустимой температуры или режим поддержания оптимальной температуры) в зависимости от заданного человеком;

– поддерживает температурный режим внутри помещения (объекта) в режиме дискретной термостабилизации.

Заключение

Предложенный алгоритм управления системой теплоснабжения направлен на снижение затрат энергоресурсов. В качестве основы разработанного алгоритма энергосбережения положено исследование активной работы системы теплоснабжения в режиме дискретной термостабилизации при минимально допустимой температуре поддержания внутри помещении (режим энергосбережения). Полученные результаты позволяют оптимизировать режимы работы системы тепло- снабжения с различными принципами действия. Оснащение существующих автономных систем теплоснабжения устройствами с предлагаемым алгоритмом управления увеличивает срок эксплуатации оборудования, снижает затраты на оплату энергоресурсов.