Возможности исследования процессов отопления распределенного комплекса зданий на основе стратифицированной модели теплоснабжения

автоматического регулирования теплопотреб-ления. В данном случае ориентация на внедрение современных технологий на базе применения систем автоматического регулирования (САР) для индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) недостаточна, необходимо использовать различные технологии управления комплексом распределенных ИТП с учётом САР процессами теплоснабжения и осуществлять автоматизированный мониторинг над ними, т.е. применять инновации в виде автоматизированных систем диспетчерского управления [2].

Учитывая территориальную протяженность объекта исследования, сложность проведения экспериментальных исследований актуальной является задача разработки и исследования моделей процесса отопления на основе системных исследований. В качестве базового метода для уточнения структуры объекта исследования и выявления наиболее значимых факторов, определяющих эффективность, можно использовать стратификацию [3]. Стратификация позволяет исследовать структуру объекта с заданной степенью детализации, что особенно важно для сложных систем, состоящих из большого количества взаимодействующих подсистем, к которым можно отнести и исследуемые системы теплопотребления. Страты – некоторые уровни абстрагирования, выделяемые субъектом при моделировании в соответствии с заданной целью. Стратифицированную структуру можно рассматривать как множество взаимосвязанных моделей и исследовать некоторые ее подмножества с учетом поставленных целей. Рассмотрим в качестве сложной системы процесс теплоснабжения комплекса зданий.

В соответствии с составом системы выделено 5 страт, представленных на рис. 1: здания, системы теплоснабжения зданий, система отопления (СО) здания с зависимым тепло снабжением, ветви СО, стояки СО. На каждой страте представлен процесс изменения материального и энергетического баланса системы, на основе анализа изменения температуры Т и расхода G теплоносителя.

страта

ПТКЗ

ОТКЗ страта 2

Сот птз, отз страта 3

ОТВ

Точ

=5 пет

тепловыделения от приборов, оборудования от лиц, находящихся в помещениях и т. д.

изменения температурь наружного воздуха, скорости и направления ветра, интенсивности солнечной радиации.

влажности наружного воздуха отп | птп

Gm

, страта 5.2

Гойи

Тат       Тот

ОЛиг потребление горячей волы, гереклочения в -елповой сети, ребота вентиляционных систем ..........................н+.......................

ОП<и страта 5.1

ТоГЪч

----- Тео

УСТ =

—' Geo

Gt*

УРТ

-1 I Ge т, :

Geo

G™ птс отс т страта 4

птв

Рис. 1. Стратифицированная модель системы теплоснабжения зданий

Страта 1 - здания. Включает в себя здания (Si) и систему подающих и обратных трубопроводов комплекса зданий (ПТКЗ, ОТКЗ). Действующие возмущения, ^Gk, связаны с потреблением горячей воды населением, переключениями в тепловой сети, работой вентиляционных систем, а именно, приточно-вентиляционнных установок (ПВУ) и др. Страта 2 - система теплоснабжения. Включает в себя прочие системы теплоснабжения здания (ПСТ), такие как ПВУ, горячее водоснабжение, систему отопления (СО), подающие и обратные трубопроводы (ПТЗ, ОТЗ). Страта 3 - ветви системы отопления. Включает в себя элементы схемы, например, зависимого теплоснабжения СО - участок смешивания теплоносителя в подающем трубопроводе (УСТ) и участок распределения теплоносителя из обратного трубопровода (УРТ), подающие трубопроводы ветвей СО (ПТВ) и обратные трубопроводы ветвей СО (ОТВ), а также ветви СО (Вi). Действующие возмущения JT связаны с тепловыделениями от приборов, оборудования, от лиц, находящихся в помещениях и т.д., а также возмущения JC от изменения климатических факторов, таких как, температура наружного воздуха, скорость и направления ветра, интенсивность солнечной радиации, влажность воздуха. Страта 4 – стояки системы отопления. Включает в себя стояки СО с подающими и обратными трубопроводами (ПТС, ОТС). Страта 5 – Отопительные прибо-ры системы отопления. В СО используются однотрубная и двухтрубная схемы питания отопительных приборов. Однотрубная схема (5.1) включает последовательно расположен-ные отопительные приборы (ОП). Двух-трубная схема (5.2) включает подающие и обратные трубопроводы (ПТП, ОТП) с подключенными ОП.

Применяются следующие основные способы управления процессом отопления зданий: • регулирование Т СО на вводе в СО. Применяется для зданий с системами отопления, содержащими более 2-х ветвей (M>2). Заключается в изменении температуры теплоносителя Т СО , подаваемого в СО, посредством изменения расхода теплоносителя G ПТ (см. рис. 1, страты 2 и 3). Основным недостатком данного способа является неравномерность распределения температуры по помещениям здания вследствие невозможности учета климатических факторов и использования одной регулируемой переменной G ПТ ;

• •    пофасадное регулирование . Применяется для систем отопления протяженных зданий c

двумя фасадами (M = 2), при этом используется раздельное регулирование Т СО для каждой ветви. Применение для зданий с числом ветвей больше 2-х экономически нецелесообразно.

Исследуем возможность повышения качества управления процессом отопления здания с регулированием на вводе путем учета климатических факторов, применив регулирование соотношений расходов, G 1 ,…, G M , по ветвям (В i ) СО (см. рис. 1, страта 3). Данный способ заключается в установке регулирующих клапанов с исполнительными механизмами на ветвях 1…M системы отопления. За счет изменения скорости протекания теплоносителя будет изменяться теплопотребление ветвей В i и соответственно температура обратных трубопроводов ветвей СО, Т о11 ,…, Т о1K . В таком случае реакция на возмущающие воздействия климатических факторов, действующих на различные фасады и соответственно ветви, будет более адекватной. На основе законов сохранения массы и количества теплоты математическую модель, описывающую связь между основными переменными, изменяющимися в СО с зависимым теплоснабжением, можно представить в виде структурной схемы, показанной на рис. 2 (для страт 3 и 4, см. рис. 1).

Рис. 2. Модель процесса отопления здания

Характерной особенностью СО зданий с зависимым теплоснабжением является наличие нелинейного участка смешивания теплоносителя (УСТ, см. рис. 1, страта 3). Для исследования представленной математической модели необходимо располагать видом операторов Wi(s), которые в общем случае определяются исходя из решения краевой задачи с уравнением теплопроводности и с учетом вынужденной конвекции, что является достаточно сложным. В связи с этим целесообразно получить вид указанных операторов на основе экспериментальных динамических характеристик исследуемого процесса в системе теплоснабжения с пятью ветвями СО (см. рис. 3) путем идентификации.

Рис. 3. Экспериментальные переходные характеристики ветвей СО при G 4 =var, T co =const (а) и G i =const, T co =var (б) (кривые 1…5 – температура в обратных ветвях СО;

кривая 0 – температура обратного трубопровода)

На основе анализа экспериментальных переходных характеристик (см. рис. 3) можно принять допущение о структуре операторов W i (s) по различным каналам регулирования, при этом, вследствие наличия нелинейностей в представленной математической модели целесообразно использовать численный способ ее исследования, на предмет синтеза регулятора. Кроме того, анализ экспериментальных данных показал, что возможно:

• •    управлять расходом теплоносителя по ветвям СО без разделения их на независимые для каждого фасада с целью снижения тепло-потребления в процессе отопления здания при учете климатических факторов. Значительное

изменение G i более чем на 50%, приводит к кратковременному, незначительному изменению Т 0 менее чем на 5% (см. рис. 3, а, кривая 0);

• •    учитывать температуру теплоносителя в обратном трубопроводе, Т 0 на участке смешивания для введения коррекции в контур управления с целью снижения теплопотребле-ния на вводе при смене режимов функционирования, что позволит обеспечивать энергосбережение, управляя выходом на заданный режим теплопотребления, поскольку при скачкообразном изменении G ПТ происходит значительное пиковое увеличение значения мгновенного теплопотребления W * (см. рис. 4, а).

  

  Рис. 4. Типовые переходные характеристики ОУ при ступенчатом (а) и периодическом (б) изменениях расхода G 1 ( W* энергопотребление в относительных единицах, G 1 в м ³ /ч; Т в °С; временная ось в ч:мин)

  
  

Таким образом, на базе принятых допущений можно обоснованно упростить модель, представленную на рис. 2 путем замены нелинейного блока СО (вход Тсо – выход Т0), включающего нелинейные блоки В1...ВМ на соответствующую аппроксимацию, структуру которой можно определить на основе экспериментальных кривых (см. рис. 4, а). С целью применения аналитических методов анализа динамики системы можно ограничиться передаточной функцией в виде апериодического звена второго порядка. Адекватность данного выбора подтверждается экспоненциальным видом экспериментальных переходных характеристик (см. рис. 4, а) и свойствами фильтра нижних частот присущих модели по данному каналу (см. рис. 3, б). Следует отметить, что за счет значительной инерционности ветвей и стояков при протекании по ним теплоносителя зависимость Т0(t) является гладкой даже при скачкообразных периодических изменениях GПТ (см. рис. 4, б). С использованием обобщенного метода наименьших квадратов (ОМНК) по ретроспективной информации с глубиной выборки 500 записей и временем квантования t = 158 с получена оценка параметров модели объекта управления (см. табл. 1) по каналу регулирования «ТСО – Т0».

Таблица 1. Значения параметров объекта управления

Параметр	T 1 , с	T 2 , с	k	t , с
значение	766,00	1336,00	0,69	158,00

На основе параметрической идентификации с учетом законов сохранения массы и количества теплоты на базе принятых допущений разработана структурная схема математической модели процесса отопления здания, представленная на рис. 5, учитывающая нелинейный участок смешивания теплоносителей из подающего трубопровода теплосетей и обратного трубопровода системы отопления здания, расположенный после регулирующего клапана.

Выводы: в разработанной модели управления процессом отопления здания с учетом нелинейности процесса смешивания теплоносителя на вводе тепловых сетей в здание в отличие от известных, Т0 является одним из регулируемых параметров, что позволяет исследовать возможность регулирования расходов теплоносителя в ветвях СО, с целью повышения эффективности управления процессом отопления, которая может быть достигнута путем учета климатических факторов. За счет устранения перетопов по различным фасадам зда- ния, подверженным влиянию внешних и внутренних возмущений, будет происходит более равномерное распределение температуры по помещениям здания и, соответственно, повысится качество процесса отопления здания. Инновационные технологии автоматизации систем теплоснабжения внедрены в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова, Белгородском государственном университете и др. Внедрение разработки позволило снизить потребление тепловой энергии до 30%.