RESEARCH OF AUTOMATIC HEAT CONTROL SYSTEMS

Full Text

Введение В период экономического кризиса и действия ограничивающих санкций актуальным вопросом является разработка оригинальных энергосберегающих эффективных решений при производстве [1, 2], потреблении энергоресурсов [3-6]. Так как значительная доля теплоты, вырабатываемая на тепловых станциях, направляется на отопительные нужды, важной задачей является использование эффективных решений в области систем производства и потребления тепловой энергии, теплопотребления зданий, в том числе с использованием низкопотенциальных источников теплоты или возобновляемых источников энергии [7-11]. Изменение температуры окружающей среды имеет динамический характер [12], поэтому одним из энергосберегающих решений для сокращения потребления теплоты на нужды теплоснабжения жилых и общественных зданий может быть использование автоматизированных систем теплопотребления. Такие системы открывают возможности эффективного использования поступающей на нужды отопления теплоты, позволяют реализовывать режимы переменного теплопотребления в выходные и праздничные дни. Особый интерес вызывают системы автоматизированного управления теплопотреблением [5] с тепловым насосом [8-11], использующим низкопотенциальные источники теплоты (теплота грунта, воздуха, сбро- DOI: 10.17673/Vestnik.2016.02.23 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) 130 ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА сов и стоков) [6-8, 13]. Поэтому в статье рассмотрены автоматизированные системы управления теплопотреблением зданий с традиционным и низкопотенциальным источником теплоты. Автоматизированные системы управления теплопотреблением и условия их эксплуатации Для разработки математической модели с целью исследования различных систем теплопотребления необходимо рассмотреть их внутреннюю структуру. Рис. 1 иллюстрирует схемные решения для автоматизированных систем управления теплопотреблением зданий. Здесь приведены два основных типа систем: 1) автоматизированные системы управления теплопотреблением зданий от традиционного источника теплоты [5-7] через тепловые сети; 2) автоматизированные системы управления теплопотреблением зданий от низкопотенциального источника теплоты (теплота наружного воздуха) через тепловой насос. Система (см. рис. 1, а) работает следующим образом. Теплоноситель (горячая вода) поступает из подающей магистрали централизованной системы теплоснабжения с температурой t1. Далее производится смешение теплоносителя с температурой t1 и теплоносителя из обратной магистрали с температурой t2. Полученный теплоноситель направляется в отопительную систему здания. Регулирование параметров теплоносителя для подачи в систему отопления осуществляется регулирующим устройством 8. В традиционной отопительной системе используются конвективные отопительные приборы. В осенний и весенний периоды применение системы наиболее экономически целесообразно, так как температура окружающей среды, как правило, не достигает низкоотрицательных значений. Однако экономия теплоты осуществляется в основном у потребителя тепловой энергии, при этом на ТЭЦ сохраняются затраты на водоподготовку и подогрев сетевой воды. В этой связи возникает необходимость использования весной и осенью других источников теплоты, в том числе низкопотенциальных. В системе (см. рис. 1, б) на нужды отопления используется теплота от низкопотенциального источника, в качестве которого использована теплота окружающей среды. Рабочим телом (теплоносителем) в такой системе является низкотемпературный хладагент (например, фреон R410A). Подогрев воздуха в помещении осуществляется за счет прокачки воздуха вентилятором через теплообменник поверхностного типа, в котором греющим агентом выступает фреон. Система работает как тепловой насос, передающий теплоту от низкопотенциального источника к потребителю (в помещение). Особенность системы заключается в том, что для снижения давления низкотемпературного хладагента используется не дроссельный клапан, а капиллярная трубка. При этом регулирование работы системы осуществляется регулирующим устройством 8, в качестве котоа б Рис. 1. Схема автоматизированной системы управления теплопотреблением здания: а - от тепловых сетей; б - от теплового насоса; 1 - теплосчетчик; 2 - устройство вывода информации; 3 - термоконтроллер; 4, 5, 11, 12 - датчик температуры; 6 - насос; 7 - обратный клапан; 8 - регулятор; 9 - отопительный прибор; 10 - теплообменник-конденсатор; 13 - обратный клапан; 14 - компрессор; 15 - вентилятор; 16 - теплообменник-испаритель 131 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) А.А. Цынаева, Е.А. Цынаева рого применен четырехходовой клапан. Работоспособность автоматизированной системы управления теплопотреблением с тепловым насосом зависит от характеристик низкотемпературного хладагента и параметров низкопотенциального источника теплоты (температуры окружающей среды). Из-за особенностей конструкции система функционирует в качестве теплового насоса при температуре наружного воздуха до минус 5 °С. То есть ее применение ограничивается осенним или весенним периодами. Таким образом, наибольший интерес при эксплуатации систем теплопотребления вызывают осенний и весенний периоды. В качестве внешних воздействий при эксплуатации автоматизированных систем управления теплопотреблением (см. рис. 1) следует рассматривать температуру наружного воздуха и параметры теплоносителя (в системе с тепловым насосом характеристики хладагента), поступающего от источника теплоты. Отопительный период можно разделить по уровню температур окружающего воздуха на два этапа: период с достаточно высокими температурами (от плюс 5 до минус 5 °С), период с низкоотрицательными температурами окружающей среды (от минус 5 до минус 30 °С для г. Самары). Климатические условия за октябрь, ноябрь и декабрь 2014 и 2015 гг. приведены на рис. 2 по данным архива погоды [12]. Анализируя архив климатических условий (см. рис. 2), следует отметить достаточно высокую неравномерность распределения температуры по времени суток и в течение месяца. При этом температура наружного воздуха оказалась достаточно низкой и требует наличия отопления. Среднемесячная температура наружного воздуха в октябре 2014 г. в Самаре составила плюс 4,3 °С, в ноябре - минус 2,6 °С, в декабре - минус 6,7 °С; для 2015 г. в октябре среднемесячная температура достигла плюс 3,5 °С, в ноябре - минус 0,4 °С. Численное исследование Неравномерность колебаний температуры наружного воздуха, непрерывное изменение температуры греющего теплоносителя требует решения задачи моделирования автоматизированных систем теплопотребления в динамической постановке. Система теплопотребления здания с автоматизированной системой управления, использующая тепловую энергию от централизованной системы теплоснабжения или от низкопотенциального источника теплоты, состоит из звеньев с различной инерционностью. Для проведения анализа необходимо отразить взаимодействие наиболее инерционных элементов системы: здания, отопительной установки, регулирующего устройства. Поэтому разработана математическая модель для моделирования динамических режимов работы. Здание рассматривается в виде объекта с сосредоточенными параметрами, принято допущение, что коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций величина постоянная. Математическая модель включает в себя уравнения по расчету температуры теплоносителя в централизованной системе теплоснабжения (при использовании ТЭЦ), уравнения характеристик работы теплового насоса (при использовании низкопотенциального источника теплоты), уравнения амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристики автоматизированной системы управления теплопотреблением, динамическое уравнение взаимодействия инерционных элементов системы. Последнее уравнение получено на основании энергетического баланса отапливаемого помещения для двух случаев: 1) при использовании теплоты от централизованного источника теплоснабжения; 2) за счет теплоты низкопотенциального источника, передаваемой тепловым насосом. а б Рис. 2. Внешние климатические условия: а - 2014 г.; б - 2015 г. Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) 132 ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА Динамическое уравнение отапливаемого помещения записывается в виде (1). Вид уравнения (1) соответствует ситуации поступления теплоты от централизованного источника теплоты [13-15]: (1) где ρin, cp -- плотность, кг/м3, удельная изобарная теплоемкость воздуха, кДж/(кг.K), соответственно; V - объем помещения, м3; tin, tout - температура воздуха внутри и снаружи помещения соответственно, οС; τ - время, с; kv - компенсационный коэффициент; kh - коэффициент теплопередачи для приборов отопления, Вт/(м2.K); Fh - характеристика приборов отопления, м2; t1, t2 - температура теплоносителя в магистралях тепловой сети, в подающей и обратной соответственно, οС; k - коэффициент теплопередачи наружных стен здания, Вт/(м2.K); F - площадь наружных ограждений м2; g - коэффициент подмешивания теплоносителя; Ginf - максимальный расход инфильтрующегося воздуха, кг/с; kfl - компенсационный коэффициент теплопотерь через пол; Qs - теплопоступления от солнечной радиации, Вт; ν - коэффициент инерционности ограждающих конструкций; ξ - коэффициент эффективности авторегулирования; βh - коэффициент компенсации дополнительного теплопотребления системы отопления. Динамическое уравнение для системы с тепловым насосом [14, 16] запишется в виде: (2) где Gh, th - расход и температура поступающего в помещение подогретого воздуха °С соответственно; tin1 - температура направляемого на подогрев воздуха, °С. При использовании теплоты от централизованного источника использовались уравнения для расчета температуры теплоносителя: , (3) где Δt’ - температурный напор в отопительном приборе; t’ out - текущая температура наружного воздуха, °С; Δtt ’ - разница температур между температурой в подающей и обратной магистрали при температуре наружного воздуха tout, °С; Θ’ = t3 - t2 - температурный напор отопительного прибора, °С; t2 - температура теплоносителя в магистрали по возврату воды в источник теплоснабжения, °С. Температура теплоносителя в магистрали возврата теплоносителя в централизованный источник теплоты определяется по выражению . (4) Переходные характеристики автоматизированной системы управления теплопотреблением с централизованным источником теплоты определяются на основе аналитического решения уравнения (1) относительно температуры воздуха в помещении при единичном ступенчатом воздействии температуры окружающей среды. Для системы с тепловым насосом переходные характеристики определяются решением уравнения (2). Единичное изменение температуры наружного воздуха определялось в соответствии с выражением , (5) где tout(τ) - единичное изменение температуры наружного воздуха, οС; τ - время, c; tout1 - температура наружного воздуха при пуске отопительного периода, οС. Постоянная времени T01 переходного процесса для автоматизированной системы управления теплопотреблением здания (см. рис. 1, а) с теплоснабжением от централизованного источника определяется преобразованием (1) в (6) и записывается в виде . (6) . (7) Для автоматизированной системы управления теплопотреблением (см. рис. 1,б) с подачей теплоты от теплового насоса постоянная времени Т02 определяется преобразованием уравнения (2) в выражение . (8) Относительная температура воздуха внутри помещения при единичном воздействии для систем (см. рис. 1) определяется выражением , (9) 133 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) А.А. Цынаева, Е.А. Цынаева где tin(0) - температура внутри помещения в начальный момент времени; tin(τ) - температура внутри помещения в текущий момент времени τ;tin(τ’ ) - температура внутри помещения в момент времени τ’ стабилизации температуры соответственно. Верификация математической модели Для верификации математической модели использовались исходные данные, аппроксимирующие данные о климатических параметрах наружного воздуха в виде синусоиды с использованием генератора случайных чисел для сохранения случайного характера изменения температуры наружного воздуха. Результаты моделирования температуры воздуха внутри помещения для системы (см. рис. 1, а) показаны на рис. 3. При проведении тестового эксперимента относительная погрешность по измерениям температуры воздуха в помещении составила εtin= ± 2 %. Относительная погрешность для температуры наружного воздуха εtout= ± 1,7 %. Анализ представленных на рис. 3 результатов показывает адекватность разработанной математической модели. Результаты моделирования в пределах суммарной погрешности эксперимента и расчета достаточно хорошо согласуются с данными эксперимента. С использованием разработанной математической модели (1) - (9) [17] получены данные, представленные на рис. 4, по переходным характеристикам автоматизированных систем теплопотребления (см. рис. 1). Анализ результатов численного моделирования, представленных на рис. 4, показывает, что время переходного процесса в различных системах отличается. При этом из результатов (см. рис. 4) видно, что в системе с тепловым насосом реакция на входное воздействие до 25 % меньше, чем в системе, работающей от централизованного источника теплоты. Рис. 3. Результаты сравнения численного и натурного эксперимента с целью верификации математической модели: 1 - экспериментальные данные по температуре внутреннего воздуха в помещении; 2 - результаты моделирования Рис. 4. Переходные характеристики автоматизированных систем управления теплопотреблением: 1 - система с подачей теплоты от централизованного источника; 2 - система с подачей теплоты от теплового насоса Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) 134 ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА Однако применение системы теплопотребления с тепловым насосом, действующим от теплоты наружного воздуха, ограничивается климатическими условиями (см. рис. 2) и может быть оправдано только для осеннего и весеннего периодов года. Вывод. Реакция автоматизированной системы теплопотребления с тепловым насосом оказывается до 25 % ниже в условиях эксплуатации при температурах наружного воздуха от плюс 5 до минус 5 оС по сравнению с системой, подключенной к тепловым сетям.

About the authors

Anna A. TSYNAEVA

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Author for correspondence.
Email: vestniksgasu@yandex.ru

Ekaterina A. TSYNAEVA

Ul’yanovsk State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files