Разработка и исследование алгоритмов повышения точности учета и эффективности регулирования расхода тепла на отопление зданий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Морозов, Юрий Владимирович

• Морозов, Юрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Морозов, Юрий Владимирович

Введение.

Выводы.

1. Обзор существующих систем уравнений теплового баланса помещения, используемых при регулировании расхода тепла на отопление.

1.1. Система дифференциальных уравнений теплового баланса помещения в частных производных.

1.2. Уравнение теплового баланса помещения в частотной области.

1.3. Описание теплового баланса помещения во временной области при помощи одного дифференциального уравнения.

1.4. Сравнительная характеристика существующих описаний теплового баланса.

Выводы по первой главе.

2. Предложенная система уравнений теплового баланса помещения и ее использование в основе классических алгоритмов регулирования.

2.1. Способ описания поведения температуры внутреннего воздуха в помещении при помощи системы из двух дифференциальных уравнений теплового баланса.

2.2. Анализ взаимосвязи управляющих тепловых воздействий и алгоритмов регулирования расхода тепла на отопление.

2.3. Использование системы уравнений теплового баланса в основе классического ПИ-алгоритма для определения уровня управляющего воздействия при форсированном на- 48 греве.

2.4. Определение уровня управляющего воздействия при форсированном нагреве с использованием предложенного описания теплового баланса.

2.5. Анализ влияния погрешностей определения тепловых постоянных времени на точность формирования управляющего воздействия.

Выводы по второй главе.

3. Исследование путей повышения эффективности регулирования тепла на основании предложенного описания теплового баланса помещения.

3.1. Исследование эффективности использования предложенной системы дифференциальных уравнений вместо известной при регулировании расхода тепла на отопление с экстраполяцией температуры внутреннего воздуха.

3.2. Исследование эффективности использования предложенной системы дифференциальных уравнений вместо известной при регулировании расхода тепла на отопление с экстраполяцией температуры внутреннего воздуха.

Выводы по третьей главе.

4. Анализ влияния вариантов представления данных об удельной энтальпии на погрешность систем учета и регулирования тепла.

4.1. Анализ уравнений состояния воды.

4.2. Анализ известных вариантов представления данных об удельной энтальпии.

4.2.1. Традиционный метод вычисления тепловой мощности (с использованием k-фактора).

4.2.2. Способ представления данных об удельной энтальпии, используемый в теплосчетчиках SA94.

4.3. Новые варианты представления данных об удельной энтальпии.

4.3.1. Представление данных об удельной энтальпии при измерении рь Ть Gb р2, Т2, G2.

4.3.2. Представление данных об удельной энтальпии при измерении Ть Т2, Gi, G2 (pi и р2 - не измеряются).

4.3.3 Сравнение предложенного варианта 1.1 с вариантом, приведенным в МИ 2412-97.

Выводы по четвертой главе.

5. Экспериментальное подтверждение эффективности предложенной системы описания теплового баланса помещения в здании, в котором отсутствуют люди в течение части суток.

5.1. Методика экспериментального определения постоянных времени ограждений и воздушного объема помещений.

5.2. Анализ данных, полученных в результате экспериментов, подтверждающих систему из двух дифференциальных уравнений.

Выводы по пятой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование алгоритмов повышения точности учета и эффективности регулирования расхода тепла на отопление зданий»

Актуальность. При регулировании и учете расхода тепла на отопление зданий, в которых отсутствуют люди в течение части суток, необходимо решать задачи повышения точности измерения количества тепла и повышения точности поддержания требуемой температуры воздуха в помещениях одновременно со снижением потребления тепла в зданиях во время отсутствия людей.

Эти задачи решаются путем совершенствования теплотехнического оборудования систем отопления зданий, аппаратного обеспечения, а также алгоритмического и программного обеспечения систем учета и регулирования тепла. Основой алгоритмического и программного обеспечения системы учета и регулирования тепла является математическое описание теплового режима помещений здания.

Основополагающие вопросы по описанию теплового режима помещений здания рассмотрены в работах В. Н. Богословского, Ю. А. Табунщикова и др. [1,2]. Тепловой режим помещения с системой отопления описывается системой уравнений теплового баланса в частных производных. Эти уравнения обладают высокой точностью вычислений [1], однако являются весьма громоздкими и неудобными для программной реализации. Уравнения теплового баланса содержат большое количество коэффициентов, требующих экспериментального определения путем проведения дорогостоящих физических экспериментов. Уравнения в частных производных ориентированы в первую очередь на решение задач проектирования здания с системой отопления.

В работах А. М. Шкловера, В. П. Туркина и др. [3-6] помещение описывается как объект с сосредоточенными параметрами:

1) путем разложения последовательности прямоугольных импульсов тепловой мощности в ряд Фурье и представления теплофизических свойств помещения в частотной области при помощи комплексного коэффициента теплоустойчивости [3];

2) в виде линейного апериодического звена, входящего в контур системы автоматического управления, причем температура внутреннего воздуха равна температуре внутренних поверхностей ограждений [4,5].

Известные уравнения теплового баланса [3-6] не позволяют адекватно учитывать темп изменения температуры внутреннего воздуха в течение одного суточного цикла регулирования расхода тепла на отопление [7] при реальном изменении температуры наружного воздуха и большом ступенчатом изменении тепловой мощности в момент перехода «ночь-день».

Тепловая мощность системы водяного отопления здания вычисляется как произведение массового расхода воды на разность удельных энтальпий воды в подающем и обратном трубопроводе [8]. Удельная энтальпия воды представляет собой сумму запаса внутренней энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия, и потенциальной энергии, обусловленной некоторой сжимаемостью жидкости, в единице массы воды. Внутренняя энергия зависит преимущественно от температуры, потенциальная энергия - от давления.

Наиболее точным представлением данных об удельной энтальпии является представление на основании «Международного уравнения состояния воды» [9]. Данное уравнение принято за основу в Правилах учета тепловой энергии [8]. Это уравнение, так же как и система уравнений теплового баланса помещения, является громоздким и неудобным для программной реализации, поскольку предназначено для использования в. значительно более широком диапазоне температур и давлений [9], чем может иметь место в системах отопления [8].

Разработчиками систем учета тепла предложено несколько вариантов компактного табличного представления данных об удельной энтальпии [10, 11]. Однако, эти варианты давали большую относительную погрешность вычисления разности удельных энтальпий при малых разностях температур относительно [9] из-за неучета зависимости удельной энтальпии от давления. Это обусловлено тем, что при малых разностях температур разность внутренних энергий становится соизмеримой с разностью потенциальных энергий, соответствующих этим температурам. При увеличении разности давлений разность удельных энтальпий возрастает, что и приводит к появлению значительной погрешности вычисления разности удельных энтальпий (до 10 %).

Таким образом, в силу перечисленных причин, создание новых подходов к построению системы уравнений теплового баланса помещения, входящего в контур системы автоматического регулирования, разработка методики экспериментального определения ее коэффициентов и ее использования для расчета необходимого уровня тепловой мощности в процессе регулирования расхода тепла на отопление, являются актуальными. Также актуальной является разработка вариантов табличного представления данных об удельной энтальпии.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является повышение эффективности регулирования и точности учета тепла за счет использования данных о теплоинерционных свойствах помещения и зависимости удельной энтальпии воды в системе отопления от температуры и давления.

В соответствии с указанной целью в рамках диссертационной работы были поставлены следующие задачи:

1) на основании теории автоматического управления разработать систему уравнений теплового баланса, адекватно описывающую поведение температуры внутреннего воздуха при форсированном нагреве помещения. Данная система уравнений должна описывать помещение как совокупность линейных апериодических звеньев с некоторыми тепловыми постоянными времени и содержать минимальное количество коэффициентов, что должно облегчить построение экспериментальной методики их определения;

2) исследовать энергосберегающий эффект, который дает использование предложенной системы уравнений теплового баланса помещения при форсированном нагреве воздуха в помещении;

3) создать методику экспериментального определения коэффициентов предложенной системы дифференциальных уравнений, имеющих смысл тепловых постоянных времени;

4) сформировать компактные табличные варианты представления данных об удельной энтальпии воды в памяти микропроцессорного теплосчетчика, который дает малую вычислительную погрешность при малых разностях температур и больших разностях давлений в подающем и обратном трубопроводе;

5) экспериментально подтвердить эффективность предложенной системы уравнений теплового баланса помещения.

Методы исследований. При выполнении работы использовались методы математического анализа, теории автоматического управления, технической термодинамики, вычислительной математики, методы математического моделирования на компьютере, а также экспериментальные исследования с системы регулирования расхода тепла на отопление, установленной в общественном здании.

Научную новизну представляют

1) система уравнений теплового баланса помещения, которая учитывает как большую постоянную времени массивных ограждений, так и малую постоянную времени воздушного объема, что позволяет получить экономию тепловой энергии до 5 % за счет корректного определения момента включения отопления после ночного отключения для достижения требуемой температуры к моменту появления людей в здании в начале дневного времени;

2) методика экспериментального определения тепловых постоянных времени ограждений и воздушного объема помещений в здании во время отсутствия людей в течение части суток;

3) компактные табличные варианты представления данных об удельной энтальпии воды в системах учета и регулирования тепла, которые позволяют уменьшить методическую погрешность определения количество потребленной тепловой энергии при малых разностях температур воды в подающем и обратном трубопроводе системы отопления за счет корректного учета зависимости удельной энтальпии от давления и тем самым снизить требования к инструментальным погрешностям измерения температуры и расхода воды.

Личный вклад. Способы решения поставленных задач и основные научные результаты принадлежат автору.

Практическая ценность работы и результаты внедрения. Разработанные варианты представления данных об удельной энтальпии реализованы в виде программного обеспечения для эталонного теплосчетчика, теплоизме-рительных систем «Тепло-2» и «Тепло-3», а так же некоторых модификаций «Тепло-1». Работа выполнялась в рамках хоздоговоров ССОД- 3-00, 4-01, 701, 8-01.

Созданная методика определения тепловых постоянных времени использована при регулировании расхода тепла на отопление, включена в состав программного обеспечения системы регулирования расхода тепла на отопление, установленного в одном из зданий НГТУ, а также в ряде зданий СО РАСХН. Работа выполнялась в рамках Отраслевой научно-исследовательской программы «Энергосбережение Минобразования России» (2000-2005).

Практические результаты работы подтверждены пятью актами внедрения (прил. 1).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- предложенная система из двух уравнений теплового баланса помещения, входящего в контур системы автоматического регулирования расхода тепла на отопление;

- процедура получения энергосберегающего эффекта при использовании системы из двух уравнений теплового баланса помещения для формирования управляющего воздействия на систему отопления;

- методика экспериментального определения коэффициентов предложенной системы дифференциальных уравнений;

- табличные варианты представления данных об удельной энтальпии воды в системах учета тепла.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Сибирской региональной научно-практической конференции «Разработка, аттестация и применение методик выполнения измерений» (1998 г), V Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП 2000, VI Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП 2002, на заседании Региональной научно-технической Школы семинара студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиотехники» СПР-2003, VII Международной научно-практической конференции «СХН АПК Сибири, Монголии, Казахстана, Кыргызстана».

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять печатных работ. В списке литературы они отмечены символом «*». и

Выводы

1. Разработка системы дифференциальных уравнений теплового баланса помещения, учитывающей теплоинерционные свойства воздушного объема, является актуальной задачей.

2. В связи с широким использованием одного дифференциального уравнения теплового баланса помещения в системах автоматического регулирования расхода тепла на отопление необходимо провести детальный анализ того, какой эффект дает использование системы дифференциальных уравнений первого порядка вместо одного уравнения и каким образом использование того или иного уравнения теплового баланса влияет на оптимальность регулирования.

3. Как в процессе регулирования тепла, так и в процессе его учета необходимо определять текущие значения тепловой мощности системы отопления, для вычисления которых необходимо искать удобные способы нахождения значений удельной энтальпии воды в подающем и обратном трубопроводах в зависимости от температуры и давления.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Морозов, Юрий Владимирович

Выводы по пятой главе

Получено совпадение результатов эксперимента с расчетом коэффициентов предложенной системы дифференциальных уравнений (тепловых постоянных времени ограждений и воздушного объема) теплового баланса помещения для нескольких серий эксперимента. Показано, что при использовании известного дифференциального уравнения теплового баланса совпадения достигнуто быть не может.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании теории автоматического управления разработана система описания теплового баланса, прогнозирующая поведение температуры внутреннего воздуха при форсированном нагреве помещения. Данная система уравнений описывает помещение как совокупность из двух линейных апериодических звеньев первого порядка, имеющих соответствующие постоянные времени. Показано, что при форсированном нагреве помещения в зданиях, в которых люди отсутствуют в течение части суток, первое дифференциальное уравнение отражает относительно быстрый нагрев воздуха с постоянной времени порядка нескольких часов, второе - прогрев ограждающих конструкций помещения с постоянной времени около 100 часов и более.

Расчет форсированного нагрева, основанный на существующем дифференциальном уравнении теплового баланса, приводит к необходимости иметь располагаемую тепловую мощность в несколько раз больше, чем это следует из предложенного описания теплового баланса. Это естественно приводит к тому, что температура внутреннего воздуха нарастает очень быстро, чего не требуется.

2. Показано, что в процессе регулирования расхода тепла на отопление в здании, в котором люди отсутствуют в течение части суток, использование известного дифференциального уравнения не дает значительной экономии тепловой энергии. Использование предложенной системы из двух дифференциальных уравнений теплового баланса дает экономию до 5 %.

3. Создана методика экспериментального определения тепловых постоянных времени. Данная методика позволяет оценивать тепловые постоянные времени здания, в котором люди отсутствуют в течение части суток, путем автоматического сбора данных о температурах наружного и внутреннего воздуха в период отсутствия людей в здании. Методика включена в состав алгоритмического и программного обеспечения системы учета и регулирования тепла в одном из корпусов НГТУ, а также в ряде зданий СО РАСХН.

4. Сформированы табличные варианты представления данных об удельной энтальпии, которые позволяют при малых разностях температур в подающем и обратном трубопроводе получить погрешность вычисления разности удельных энтальпий, много меньшую инструментальной погрешности измерения разности температур при учете зависимости удельной энтальпии от давления. Эти варианты включены в состав программного обеспечения теплоизмерительных систем семейства «Тепло», в том числе се-рийно-производимой в настоящее время теплоизмерительной системы «Теп-ло-3».

5. Получено необходимое совпадение результатов эксперимента с расчетом коэффициентов предложенной системы из двух дифференциальных уравнений теплового баланса помещения для нескольких серий эксперимента. Показано, что при использовании известного дифференциального уравнения теплового баланса совпадения достигнуто быть не может. Таким образом, эксперименты подтверждают эффективность предложенной системы дифференциальных уравнений теплового баланса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Морозов, Юрий Владимирович, 2004 год

1. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. М.: АВОК-ПРЕСС, 2002. -194 с.

2. Богословский В. Н. Строительная теплофизика. М.: Стройиздат, 1975. -371 с.

3. Шкловер А. М. Теплоустойчивость зданий. М.: Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, 1952. - 99 с.

4. Богословский В. Н. Тепловой режим зданий. М.: Стройиздат, 1979. -248 с.

5. Туркин В.П. Водяные системы отопления с автоматическим управлением для жилых и общественнных зданий. М.: Стройиздат, 1976 - 240 с.

6. Keller В., Maguary Eu. Neue Einsichten zur Energie- und Leistungsoptim-ierung // Bauphgsik. 1999. - 21, №4. - PP. 155-159.

7. Воложин JI.M., Клейменов А.И., Горобцов А.Ф. Программное регулирование подачи тепла в систему отопления помещения// Сборник научных трудов ЛГТУ-ЛЭГИ. Липецк: ЛГТУ, 1997. - С. 22-25.

8. Главгосэнергонадзор. Правила учета тепловой энергии и теплоносителя. М: Издательство МЭИ, 1995. - 30 с.

9. ГСССД 98-86. Таблицы стандартных справочных данных. Вода. Удельный объем и энтальпия при температурах 0.800 °С и давлениях 0,001. 1000 МПа. М: Издательство стандартов, 1986. - 10 с.

10. МИ 2164-91. Требования к испытаниям, метрологической аттестации, поверке. М: Издательство стандартов, 1991. - 10 с.

11. Birk Marc, Eisenmann Gisela. Raumtemperaturregelung in einer Etagennoh-nung // HLH: Heizung, Luftung / Klima, Haustechn. 1999. - 50, №50. -PP. 22-26.

12. Y. Oestericher, M. Bauer, J.-L. Scatezinni. Accounting free gains in a nonresidential building by means of optimal stochastic controller // Energy and Buildings. 1996. - 14. - PP. 213-321.

13. G. Fraisse, J. Virgone, J. Roux. Thermal control of discontinuously occupied building using a classical and fussy logic approach. Energy and Buildings. -1997. - № 26. - PP. 303-316

14. M. Klinger, G. Knabe, G. Lauckner, H. Werdin, G. Billerbeck. Be-darfsgerechte Regelung des Raumluftzustendes in Wohngebauden Teil 2.

15. HLH. 1999. - 50. - № 2. - PP. 46-55.

16. СП 41-101-95. Методика расчета графиков регулирования подачи теплоты на отопление у потребителей. М.: Издательство стандартов, 1995. -10 с.

17. Кононович Ю.В. Тепловой режим зданий.-М.: Стройиздат, 1986. 270 с.

18. К. Острем, Б. Виттенмарк. Системы управления с ЭВМ. М.: Мир, 1986. - 393 с.

19. М. Morari, N. Lawrence Ricker. Model Predictive Control. The Math Works Inc., 1998. - 152 p.

20. Д. Мак-Кракен, У. Дорн. Численные методы и программирование на Фортране. М: Мир, 1977. - 580 с.

21. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник. (Под ред. В.А.Григорьева, В.М.Зорина). М: Энергоатом-издат, 1988. - 540 с.

22. Texas Instruments. MSP430 Architecture User's Guide. 1996. - 130 p.