Моделирование и численное исследование основных режимов функционирования системы автоматического управления теплопотреблением общественного здания

УДК 697.31

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЕМ ОБЩЕСТВЕННОГО ЗДАНИЯ

А. С. РТИЩЕВА

Ульяновский государственный технический университет

Рассмотрены технические решения по автоматическому управлению теплопотреблением общественного здания и программно-информационные средства моделирования параметров микроклимата. Представлены результаты численного исследования затрат тепловой энергии при реализации основных режимов функционирования системы автоматического управления теплопотреблением на примере здания учебного корпуса Ульяновского государственного технического университета. Установлено, что экономия тепловой энергии на отопление при снижении температуры с 20 °С до 15 °С в ночное время суток (суточное регулирование) и в выходные дни (недельное регулирование) составляет 11,8 %.

Ключевые слова: энергосбережение, микроклимат, системы управления, математическая модель, погодное регулирование, суточное регулирование, недельное регулирование, теплопотребление, численное исследование.

Введение

Удорожание тепловой энергии делает необходимым повышение эффективности функционирования систем обеспечения микроклимата, что возможно при использовании автоматических систем управления. Автоматическое управление ограничивает потребление тепловой энергии на отопление таким ее количеством, которое необходимо для поддержания заданного (соответствующего санитарным нормам) значения температуры в помещениях. При этом температура внутреннего воздуха контролируется датчиками и поддерживается на заданном уровне системой автоматики. Системы автоматического управления микроклиматом жилых зданий способны осуществлять погодное регулирование теплопотребления, а также обеспечивать более благоприятный для человека динамический температурный режим (снижение температуры на 2-3 °С в ночное время). Особый интерес, с точки зрения экономии тепловой энергии, представляют общественные здания. При наличии систем автоматического управления теплопотреблением возникает возможность существенного снижения температуры внутреннего воздуха (на 5-7 °С) в ночное время и в выходные дни.

В рамках работы по оптимизации теплопотребления, проводимой Ульяновским государственным техническим университетом (УлГТУ), было произведено моделирование работы систем обеспечения микроклимата здания в программном пакете TRNSYS v.1.6 (в работе использована демонстрационная версия, имеющаяся в открытом доступе). Полученные результаты численного исследования эффективности суточного и недельного регулирования теплопотребления (на примере здания учебного корпуса УлГТУ) показывают эффективность использования указанных режимов и дают возможность прогнозирования реального экономического эффекта при внедрении систем автоматического управления микроклиматом.

© А.С. Ртищева Проблемы энергетики, 2013, № 3-4

1. Программно-информационные средства

При моделировании теплового режима общественного здания при наличии суточного и недельного регулирования теплопотребления использовался программный пакет TRNSYS v.1.6.

Программный пакет TRNSYS был разработан CSTB ("the Building Technical and Scientifique Centre"), во Франции, совместно с "TRANSSOLAR Energietechnik GmbH", Германия. В настоящее время он используется в Европе и США. TRNSYS v.1.6 рассчитан для работы в Windows 2000/XP/7. Минимальные требования к ресурсам компьютера: процессор Pentium 166 МГц, оперативная память 64 Мб, видеокарта с памятью 16 Мб. Основные компоненты и приложения программы написаны на языке Microsoft Visual С++ и Java.

Программный пакет TRNSYS позволяет создать модель здания с указанием: ориентации здания относительно частей света, геометрии здания, типа и материала ограждающих конструкций, дополнительных тепловых потерь и теплопоступлений, обусловленных наличием в здании людей, осветительных приборов, компьютерной техники и электрооборудования. Также в программном пакете TRNSYS имеется возможность моделирования работы систем обеспечения микроклимата [3, 4].

На рис. 1 показана модель здания учебного корпуса УлГТУ. В модели был произведен учет наличия дополнительных теплопоступлений только в рабочее время.

Uglus

—в—

Shading+Light

Building

Tïnçiciaiuri

Рис. 1. Модель здания учебного корпуса УлГТУ, созданная в программном пакете ТК^УБ

Адекватность созданной модели проверялась путем сравнения данных о потреблении тепловой энергии, полученных с помощью модели, с данными теплосчетчика, установленного в учебном корпусе УлГТУ. При этом исходными данными для проведения численного исследования являлись средняя температура воздуха в здании, измеренная в течение месяца группой датчиков температуры,

установленных в различных помещениях здания, а также метеоданные за исследуемыи период. Расхождение результатов составило в среднем 8,4 %. С учетом погрешности теплосчетчика 3-4 % и погрешности математического эксперимента, которая составила в среднем 10 %, можно считать, что результаты согласуются.

2. Моделирование и численное исследование режимов суточного и недельного регулирования теплопотребления

Моделирование режима суточного и недельного регулирования теплопотребления здания учебного корпуса УлГТУ производилось в программе TRNbuild, входящей в состав программного пакета TRNSYS. В основе численного исследования лежит модель теплового баланса помещения.

Суммарные конвективные тепловые потери и теплопоступления для j-й тепловой зоны (помещения) Qj при отсутствии тепловых поступлений от системы отопления (охлаждения) рассчитываются как

Qj = Qsurf ,j + Qinf,j + Qvent,j + Qg,c,j + Qcp lg,j,

где Qsurf j - конвективный тепловой поток от всех внутренних поверхностей, Вт;

Qinf j - конвективный тепловой поток, обусловленный инфильтрацией, Вт; Qvent j -

конвективный тепловой поток, обусловленный наличием вентиляции, Вт; Qg c j -

внутренние тепловые поступления (от осветительных приборов, человека, компьютерной техники и др.), Вт; Qcp ig j - конвективный тепловой поток,

обусловленный граничными условиями (к примеру, конвективный тепловой поток между соседними тепловыми зонами-помещениями), Вт.

Расчет вышеперечисленных конвективных тепловых потоков производится по формулам:

Qsurf ,j = а j

Qinf,j = cppVoutsjde

Qvent,j = cppVvent

Qcp lg,j = cppVbetween

В формулах (2)-(5) a - коэффициент теплоотдачи (для внутренней поверхности стены), Вт/(м2^К); cp - изобарная массовая теплоемкость воздуха, Дж/(кгК); р -плотность воздуха, кг/ м3; Voutsjde - объемный расход инфильтрующегося наружного воздуха, м3/с; Vvent - объемный расход воздуха, поступающий для вентиляции помещения, м3/с; Vbetween - объемный расход воздуха, обусловленный граничными условиями (может поступать из соседней тепловой зоны), м3/с; Twan j - температура внутренней поверхности стены, К; T ajr - температура внутреннего воздуха, К; Fj -площадь поверхности стены, м2; Toutsjde - температура наружного воздуха, К; Tvent j -

температура воздуха, поступающего на вентиляцию помещения, К; Tz - температура воздуха в соседней тепловой зоне, К.

Расчет температур Twall,j производится с учетом радиационного теплообмена

между поверхностями. Суммарный радиационный тепловой поток, получаемый поверхностью стены Qr,w рассчитывается как

Qr, w Qg ,r ,i, w + Qsol, w + Qlong, w + Qwall - gain ,

Qg r i w - радиационный тепловой поток от внутренних источников, получаемый

стеной, Вт; Qsoi w - радиационный тепловой поток, полученный стеной от солнечной

радиации, проникающей, через оконный проем, Вт; Qiong,w - длинноволновое

излучение от соседних стен, Вт; Qwaii - gain - дополнительный радиационный тепловой

поток на поверхность стены (чаще всего, обусловленный наличием электрооборудования в помещении), Вт.

Таким образом, при отсутствии системы отопления (охлаждения) возможны изменения температуры внутреннего воздуха:

Q-f Ti = Qi, (7) d т

Ti,i= Т',т-Дт + Q. (8) Ci

Наличие тепловой мощности системы отопления (охлаждения) Qs i влияет на изменения температуры следующим образом:

CidTTi = Qi - Qs,i.

В формулах (7)-(9): С - изобарная теплоемкость воздуха в i-й тепловой зоне, Дж/К; Ti - температура внутреннего воздуха в i-й тепловой зоне, К; Qi - суммарные тепловые потери и теплопоступления (не связанные с работой системы отопления или охлаждения) для i-й тепловой зоны, Вт; Qs i - тепловая мощность системы отопления

(охлаждения) для i-й тепловой зоны, Вт; Дт - шаг по времени, с.

В программном пакете TRNSYS имеется возможность решения задач, в которых задается поддержание определенной температуры внутреннего воздуха (или изменение ее по некоторому закону) и производится расчет энергетических затрат для конкретной тепловой зоны (помещения) и известных метеоданных (температуры наружного воздуха, скорости и направления ветра).

При моделировании суточного регулирования теплопотребления здания УлГТУ (во время отопительного периода) был использован следующий график поддержания температур внутреннего воздуха: температура в помещениях здания устанавливалась на отметке 20 °С ежедневно в течение 13 часов (с 7.00 до 20.00) и 15 °С в течение 11 часов (с 20.00 до 7.00 следующего дня). Выбранные параметры были обусловлены расписанием проведения учебных занятий в вузе, а также тем фактом, что в здании не используются дополнительные устройства для прогрева внутреннего воздуха перед началом рабочего дня, именно поэтому снижение температуры менее чем до 15 °С нецелесообразно. За один час до начала рабочего дня (8.00) температура воздуха в помещениях способна подняться на 1 °С при установке поддержания температуры на отметке 20 °С. При этом температура 16 °С признана минимальной температурой, соответствующей санитарным нормам для общественного здания в зимний период. В течение рабочего дня, при увеличении подачи тепловой энергии и наличии дополнительных теплопоступлений от людей, осветительных приборов, компьютерной техники, температура быстро достигнет комфортного значения 20 °С. В результате были получены данные о затратах тепловой энергии за один месяц (использовались метеоданные европейской части России, соответствующие широте г. Ульяновска за

декабрь) при использовании режима суточного регулирования теплопотребления

(рис. 2).

1.8

I

£ 1.6

ó

1.4 1.2 1.0 0.8

0,6 0,4 0.2 0.0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

т. ч

Рис. 2. Сравнение потребления тепловой энергии: при наличии суточного регулирования (линия 1);

без суточного регулирования (линия 2) Аналогичным образом производилось моделирование режима недельного регулирования теплопотребления здания УлГТУ. При этом был использован следующий график поддержания температур внутреннего воздуха: температура устанавливалась на отметке 20 °С в рабочие дни (с понедельника по субботу), с субботы с 20.00 до понедельника 7.00 устанавливалась температура 15 °С. В результате также были получены данные о затратах тепловой энергии за тот же период при использовании режима недельного регулирования теплопотребления (рис. 3).

1.8

СУ

1.4 1.2

1,0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

т. ч

Рис. 3. Сравнение потребления тепловой энергии: при наличии недельного регулирования (линия 1); без регулирования (линия 2) Затраты тепловой энергии при реализации совместного суточного и недельного регулирования приведены на рис. 4.

150 200

Рис. 4. Сравнение потребления тепловой энергии: при наличии суточного и недельного регулирования

Следует отметить, что все результаты (рис. 2-4) представлены в более характерных для энергетики единицах измерения тепловой мощности - Гкал/ч.

3. Результаты исследования эффективности суточного и недельного регулирования теплопотребления

Все полученные результаты сравнивались с затратами тепловой энергии при реализации режима погодного регулирования работы системы автоматического управления теплопотреблением здания УлГТУ. Это означает, что сравнение затрат энергии производилось с режимом постоянного поддержания в здании комфортной температуры на отметке 20 °С. Сравнение производилось в соответствии с формулой

Дт 0

Дт/

О.,, - О.,

Л

й т.

где О., - потребленный тепловой поток (от системы отопления) при реализации режима суточного (недельного) регулирования, Вт; О., - потребленный тепловой

поток при реализации погодного регулирования (отсутствии режимов суточного и недельного регулирования), Вт.

Как показано в работах [1, 2], эффективность только погодного регулирования теплопотребления в здании учебного корпуса УлГТУ составила в среднем за отопительный сезон 17,5 % сэкономленной тепловой энергии.

Результаты численного исследования показали, что затраты тепловой энергии на отопление за исследуемый период (один месяц) при реализации погодного регулирования (постоянном поддержании температуры внутреннего воздуха в помещениях здания на отметке 20 °С) составили 698,7 Гкал (2927,6 ГДж). При реализации режима суточного регулирования затраты тепловой энергии составили 630,8 Гкал (2643,1 ГДж) (рис. 2). Таким образом, режим суточного регулирования позволяет снизить потребляемую тепловую энергию на 9,7 %.

Сравнение результатов численного исследования затрат тепловой энергии в условиях постоянного поддержания температуры на отметке 20 °С (погодного регулирования теплопотребления) и при реализации режима недельного регулирования

(рис. 3) показало снижение на 6 %. При этом затраты тепловой энергии при использовании недельного регулирования сокращаются до 656,8 Гкал (2752,0 ГДж).

Как показало исследование (рис. 4), совместная реализация суточного и недельного регулирования дает экономию тепловой энергии 11,8 % и позволяет снизить затраты тепловой энергии до 616,6 Гкал (2581,0 ГДж).

Заключение

Моделирование различных режимов функционирования систем автоматического управления микроклиматом здания дает возможность прогнозирования эффективности внедрения дорогостоящих энергосберегающих технологий на конкретном объекте потребления тепловой энергии, а также способствует созданию комплексного подхода к энергосбережению.

Результаты численного исследования могут являться научно-методической базой для обоснования внедрения указанных режимов регулирования теплопотребления в общественных зданиях.

Summary

Technical solutions on automatic control of heatconsumption of a public building and program and information simulars of parameters of a microclimate are considered. Results of numerical research of expenses of thermal energy are presented at realization of the main modes of functioning of system of automatic control by heatconsumption on an example of a building of the educational case of the Ulyanovsk state technical university. It is established that the economy of thermal energy on heating at decrease in temperature from 20 "С to 15 "С at night days (daily regulation) and in the days off (week regulation) makes 11,8 %.

Keywords: energy-saving, microclimate, control systems, mathematical model, weather regulation, daily regulation, week regulation, heatconsumption, numerical research.

Литература

1. Ртищева А. С. Моделирование теплового режима и оптимизация теплопотребления здания высшего учебного заведения / А. С. Ртищева // Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении : материалы 5 науч.-техн. конф. Казань, 2006. С. 247-250.

2. Ковальногов Н. Н. Автоматизированная система оптимального управления отоплением учебного заведения / Н. Н. Ковальногов, А. С. Ртищева, Е. А. Цынаева // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2007. № 3-4. С. 100-106.

3. Ртищева А. С. Использование программного пакета TRNSYS для моделирования теплового состояния здания / А. С. Ртищева // Актуальные проблемы науки в России : материалы международной науч.-практ. конф. Кузнецк, 2009. вып. 6. Т. 3 С.103-105.

4. Ртищева А. С. Создание моделей теплового состояния здания с помощью программного пакета TRNSYS / А. С. Ртищева // Наука. Технологии. Инновации: материалы науч. конф. Новосибирск, 2009. С.80-82.

Поступила в редакцию 23 ноября 2012 г.

Ртищева Алена Сергеевна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика» Ульяновского государственного технического университета. Тел.: 8 (8422) 61-56-52; 8 (909) 3600629; 8 (8422)43-06-43. E-mail: al.rtisheva@yahoo.com.