Анализ эффективности регулирования теплопотребления

Виноградов А.Н., Чипулис В.П.

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ

Для реализации эффективных режимов теплопотребления необходимо выполнять их регулирование. Различают два принципиально различных способа регулирования теплопотребления - количественный и качественный. В России (и ранее в СССР) принят качественный способ регулирования в системах централизованного теплоснабжения. Суть его заключается в том, что количество потребляемой теплоты регулируется на теплоисточнике путем изменения температуры теплоносителя. При этом расход теплоносителя в тепловом узле каждого потребителя должен оставаться постоянным в течение всего отопительного сезона. На Западе реализуется другой, количественный способ регулирования. При этом способе температура теплоносителя поддерживается постоянной (и достаточно высокой), а количество потребляемой теплоты дозируется за счет изменения расхода теплоносителя с использованием регулирующего оборудования у потребителей.

Практика постперестроечного периода в России показывает, что качественный способ регулирования осуществляется со значительными отклонениями от нормы, что связано как с занижением температуры теплоносителя в холодное время года, так и с ее превышением в периоды межсезонья. Поэтому потребители зачастую решают свои проблемы за счет установки регулирующего оборудования. Результатом этого является совмещение качественного и количественного способов регулирования. Для того чтобы оценить эффективность такого смешанного способа регулирования и разумно управлять этим процессом, необходимо определить «вклад» каждого из способов в общий результат, причем желательно оценить его с использованием понятных, отражающих определенный содержательный смысл, критериев.

Рассмотрим объект (управление федерального казначейства по Приморскому краю, г. Владивосток), в тепловом узле которого для регулирования теплопотребления установлен регулятор температуры ЕСЬ 10 0М. Регулирование осуществляется путем изменения коэффициента смешения при помощи клапана с электроприводом. Принципиальная схема установки регулирующего и измерительного оборудования приведена на рис.1.

Рис. 1 - Объект исследования

Регулятор температуры выдерживает температуру в подающем трубопроводе после узла смешения Ьсм в соответствии с установленным графиком зависимости Ьсм от температуры наружного воздуха ЬНв. Мх, М2

- массовые расходы теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, Мл - расход подмеса, 12,

- температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах. Заметим, что значения параметров М1г М2, Ьх , Ь2, ЬИв, измеряются соответствующими датчиками и доступны для анализа, а значения Мп и Ьсм вычисляются в дальнейшем на основании анализа результатов измерений. Для последующего анализа взята выборка данных архива тепловычислителя с 4.03.04г. по 18.03.04г. В архиве аккумулируются среднечасовые значения измеряемых параметров, которые в дальнейшем отображаются на графиках.

На Рис. 2 приведен график тенденции зависимости потребленной тепловой энергии 0 от изменения температуры наружного воздуха Ьшг аппроксимирующий результаты измерений.

О, Гнал час

Рис. 2

Зависимость количества потребляемой теплоты от температуры наружного воздуха

Взяв за основу зависимость Оф(Гкал)=0,153 - 0,0047 Ьнв,

отраженную на рис.2, представим ее же, но выраженную в процентах, где за 100% примем количество тепловой энергии, потребляемой объектом при минимальной среднесуточной температуре наружного воздуха мин. (Для г. Владивостока величина мин равна -24°С) . Следовательно, фактическая максимальная тепловая нагрузка, определяемая из (1), равна:

(2) Омакс. факт. (Гкал)=0,153 - 0,0047* (-24)=0,266Гкал.

В проектной документации отражается расчетное значение этой величины (максимальная расчетная тепловая нагрузка объекта Омакс. расч.), которая, как правило, значительно отличается от фактической. Приняв за 10 0% величину 0,266, получим:

Оф (%)=57,59 - 1,77 1НВ.

Сравним полученную зависимость 0 с нормативной зависимостью потребляемой тепловой энергии от температуры наружного воздуха, которая в общем случае выглядит следующим образом:

Он (Гкал)= Омакс. ра ісч.. (£вн £нв .) /( £вн £нв. мин ) ,

где £вн - нормативная температура воздуха внутри помещения. С учетом того, что для г. Владивостока £вн = 18°С и £нв мин = -24°С, имеем:

Он

или в процентах:

Он (%)=42 - 2,4 1нв

Процентные зависимости полезны, когда неизвестна расчетная максимальная тепловая нагрузка объекта или ее значение вызывает серьезные сомнения (что было отмечено ранее). При этом сопоставление зависимостей, выраженных в единицах измерения теплоты, представляется нелогичным. Однако в этих случаях естественно использование выражений (3) и (6).

Следует отметить, что зависимости (4) и (5) являются нормативными зависимостями для любого объекта - потребителя тепловой энергии (г. Владивостока). Сравнение выражений фактической (3) и нормативной зависимостей (6) для рассматриваемого объекта (рис.3) свидетельствует о том, что с понижением температуры наружного воздуха реальное теплопотребление растет несколько медленнее (1,77# на 1°С) , чем предусмотрено графиком регулирования (2,4# на 1°С) .

Рис. 3 - Зависимость количества потребляемой теплоты от температуры наружного воздуха

Проанализируем эффективность регулирования теплопотребления объекта, принимая во внимание, что регулирование осуществляется как на источнике теплоты (качественное), так и у потребителя (количественное). Отметим, что на практике нередки случаи, когда регулирование у потребителя, не смотря на установленное регулирующее оборудование, вообще не выполняется. Поэтому целесообразно вначале получить качественную оценку способов регулирования (имеет место или отсутствует), а затем, в случае необходимости, уточнить ее на количественном уровне.

Начнем с визуальной оценки эффективности применения регулятора температуры в тепловом узле рассматриваемого объекта. Предварительно сделаем следующее существенное замечание, касающееся предельных возможностей регулятора. Максимальное теплопотребление обеспечивается в том случае, когда весь теплоноситель из подающего трубопровода, без подмеса (смешения с теплоносителем из обратного трубопровода) поступает к тепловой нагрузке (Ьсм = Ьх). Если при этом Ьх < то теп-

лопотребление будет недостаточным (по сравнению с нормативным) и регулятор не в состоянии улучшить ситуацию. Эффект от использования регулятора возможен лишь в части снижения избыточного теп-лопотребления за счет увеличения доли подмеса теплоносителя из обратного трубопровода и, как следствие, уменьшения Ссм« Поэтому зона эффективного функционирования регулятора ограничивается областью температур теплоносителя, для которой справедливо Ьх > Ьхн. В остальных случаях с помощью регулятора осуществляется прямая транспортировка теплоносителя, без подмеса, к тепловой нагрузке.

На рис.4 приведены графики изменения во времени расхода теплоносителя в подающем трубопроводе и температуры наружного воздуха на исследуемой выборке данных. Регулирование расхода в системе отопления производилось в диапазоне с 23 т/час до 4,5 т/час при изменении температуры наружного воздуха от -23°С до +13°С. На графике прослеживается очевидная зависимость между отраженными на них параметрами Ьнв и МХ, а именно - с уменьшением температуры наружного воздуха Ьнв расход теплоносителя Их растет. Это свидетельствует о том, что количественное регулирование у потребителя теплоты, безусловно, осуществлялось.

Рис. 4 - Графики во времени среднечасовых значений расхода в подающем трубопроводе и температуры

наружного воздуха

Анализируя рис.4, следует также отметить, что пиковые (максимальные) значения расхода, равные приблизительно 23 т/час и наблюдаемые 11.03.04 и 18.03.04 г., не соответствуют наименьшим значениям температуры наружного воздуха, что представляется нелогичным. Однако этому явлению есть объяснение. Именно в эти периоды времени температура теплоносителя была минимальной - приблизительно 57-58оС . Представляется, есть все основания утверждать, что при этом весь теплоноситель, без подмеса (Мп=0), передавался в систему отопления. На рис.5 показаны графики изменения во времени температуры теплоносителя в подающем трубопроводе и температуры наружного воздуха. Зависимость между этими параметрами, характеризующая качественный способ регулирования, выглядит, в отличие от предыдущего случая, гораздо менее очевидной, особенно в области высоких значений Ьнв •

Рис. 5 - Графики во времени среднечасовых значений температуры в подающем трубопроводе и температуры наружного воздуха

Далее перейдем к количественной оценке процессов регулирования. На рис.6 приведен отопительный график источника теплоты.

а)

б)

Рис. 6 - а) нормативные зависимости температуры в подающем трубопроводе, обратном трубопроводе и разности температур от температуры наружного воздуха, б) нормативные зависимости температуры после узла смешения, в обратном трубопроводе и разности температур от температуры наружного воздуха

Левая часть графика (рис.6, а) отражает нормативные зависимости параметров ^ , t2н, £2 от £нв. Эти же зависимости можно представить аналитически следующим образом:

ли

ti -

t1

70

25,2 - i,44 tn

Эффективность регулирования на источнике можно оценить степенью близости значений температуры теплоносителя в подающем трубопроводе к нормативным значениям отопительного графика источника. На рис.7 представлена фактическая тенденция (линейная) изменения температуры теплоносителя £1ф=63,43-0,431Ив в зависимости от £нв в сравнении с нормативной зависимостью. Из рисунка видно, что регулирование и практически не проводилось. При уменьшении £нв на 10оС температура и фактически возрастала на 4,3Ос вместо нормативного увеличения на 250С.

Оценим количественно величину занижения фактической температуры теплоносителя на входе теплового узла относительно нормативной. Для этого введем коэффициент К д т. =( ( Ь1н - / £н) *100%.

Назовем его коэффициентом дефицита температуры теплоносителя. Как следует из рис.7, фактическая температура теплоносителя, поступающего от источника на объект, значительно ниже требуемой, что и привело к весьма существенному дефициту величины этого параметра. Среднее значение коэффициента К д. т. равно +7% и превышает +40% в области низких температур. Однако в области положительных температур К д. т. достигает значения - 32%, что свидетельствует об избыточной температуре теплоносителя в теплые периоды времени (перетопы). Предположительно в этой области, в основном, должно проявляться действие регулятора, установленного в тепловом узле потребителя.

Далее перейдем к более детальной (количественной) оценке эффективности регулирования. Для этого проанализируем зависимость £см от tHв. Именно на ее поддержание, отраженное в другой части отопительного графика источника (рис.6, б), ориентирован регулятор температуры. Безусловно, интересна также фактическая зависимость разности температур Д£см = £см - £2 от £нв, поскольку она определяет эффективность работы системы отопления. Отметим, что в нашем случае нет результатов измерения £см. Однако его значения можно приближенно вычислить, исходя из имеющихся измеренных среднечасовых значений £1, £2 и М1. Для этого вначале воспользуемся достаточно очевидным выражением для опреде-

ления £см, а именно:

£см = №£ + Ип12) / (М1+Мп) .

Далее примем во внимание, что при правильном выборе насоса и регулятора должно соблюдаться:

Mcm =Mi+Mn

const.

Очевидно, что при Мп=0 выполняется:

М = м

1 М1 1 Ммакс ,

где Ммакс - максимальное значение расхода теплоносителя Мі для случая, когда весь теплоноситель, без подмеса (Мл=0), транспортируется в систему после узла смешения. Напомним, что из графика на рис.4 видно, что значение Ммакс ориентировочно равно 23 т/час. Следовательно:

Mi+Mn

M

С учетом 0 выражение для приближенного вычисления значений искомого параметра примет вид:

tсм (Мііі + МпІ2)/Ммакс= Ні + (Ммакс - Мі)Ь2)/Ммакс=

= (Мі(Ьі - І2)+ Ммакс ^2) / Ммакс= Мі / М макс (Ьі - Ь2) + Ь2

Приведем также используемую далее для анализа нормативную зависимость £См н от Ьнв для отопительного графика Рис. 6, б:

Ьсм н ( оС) = 56-1,68Ьнв

Используя выражение 0, а так же архивные значения параметров Ьі, Ь2 и Мі, определим тенденцию фактической зависимости Ьсм от Ьнв

£см ф ( °С) = 55,5-0,73£нв,

показанную на рис. 8 в сравнении с нормативной зависимостью Ьсм н от 1ИВГ соответствующей отопительному графику и заданной выражением (12).

Из рисунка видно значительное расхождение этих зависимостей, особенно в области низких температур. На том же рисунке представлено распределение значений дефицита температуры теплоносителя после узла смешения, вычисленные по аналогии с выражением 0:

К д т.см= (( £ісм н - £ісм ф) / Ьін) *100%

Сопоставление отображенных на Рис. 7 и Рис. 8 нормативных и фактических зависимостей показывает следующее. Коэффициент при £нв нормативной зависимости Ьін (°С)=70—2,5інв примерно в шесть! раз превышает коэффициент при зависимости фактической ііф (°С)=63,4—0,43£фВ. В то же время соответствующие коэффициенты в зависимостях Ьсм н(°С)= -1,681нв+56 и Ьсм ф (°С)=-0,73£фВ+55,5 различаются

(примерно) только в два раза. Следовательно, фактическая температура теплоносителя Ьсм ф существенно ближе к нормативной Ьсмн, чем фактическая температура на входе теплового узла ііф к нормативной £ін. Это объясняется тем, что использование регулятора значительно (в три раза) сглаживает негативное влияние низкой температуры теплоносителя, поступающего от источника теплоты. Однако рассогласование фактической и нормативной зависимостей температур Ьсм ф и Ьсм н от £нв, не смотря на положительное влияние регулятора, все же весьма велико. Можно предположить, что необходима корректировка настроечной характеристики регулятора Ьсм = крЬнв+Ь, которую можно выполнить путем изменения значения коэффициента кр. Однако результативность такой корректировки находится под вопросом. Чтобы пояснить это предположение, обратимся к рис.9.

Рис. 7 - Зависимость температуры теплоносителя на вводе теплового узла и ее дефицита от температуры наружного воздуха

Рис. 8 - Зависимость температуры теплоносителя после узла смешения и ее дефицита от температуры

наружного воздуха

Рис. 9 - Температура теплоносителя до и после узла смешения

Из него следует, что те из измеренных значений температуры теплоносителя Ьі на вводе теплового узла, которые расположены ниже и правее графика выражения (14), меньше соответствующих значений Ьісмн• А это исключает возможность регулировки теплопотребления без потерь для потребителя в количестве необходимой для полноценного отопления тепловой энергии. Следовательно, нельзя ожидать от настройки регулятора исчерпывающего результата без повышения температуры Ьі.

Перейдем к оценке эффективности работы системы отопления, которую ранее мы не смогли получить с использованием величин Ліф и ЛЬн, поскольку принцип качественного регулирования был нарушен использованием регулятора температуры. Однако эффективность можно оценить и по степени расхождения ЛЬсм ф и ЛЬсм н, так как именно разность температур теплоносителя после узла смешения определяет (при постоянстве расхода Мм теплопотребление объекта. На рис.10 показаны нормативная и фактическая зависимости ЛЬсм от температуры наружного воздуха.

Л£см н ( °С) = 11,2-0,62 Ьнв,

ЛЬсм ф ( °С) = 6,4-0,18£н

Эти же зависимости, выраженные в процентах, выглядят следующим образом:

Л^м н(%) = 42 - 2,4 Ьнв,

Л^м ф(%)=59, 7 - 1,68 Ьяв.

Выражение нормативной зависимости (19) повторяет выражение (3), что вполне естественно, т.к. именно значение Д^м определяет количество потребляемой объектом тепловой энергии (при Мсм =СОПБЬ). Выражения (18) и (6) для фактических зависимостей близки друг другу, что подтверждает правильность предыдущих предположений и приближенного вычисления Ьсм.

На рис.10 отражены также значения коэффициента эффективности системы отопления, вычисленные по следующей формуле:

К

(1-(Л и

л и

см ф

) / л и

Рис. 10 - Зависимость разности температур после узла смешения и коэффициента эффективности теп-

лопотребления от температуры наружного воздуха

Очевидно, что эффективность системы тем выше, чем меньше расхождение между нормативной и фактической величиной Ьсм н. Из рисунка видно, что эффективность системы чрезвычайно мала (от 35% до 75%) и растет с увеличением tнв . Это вполне объяснимо, т.к. работа регулятора эффективна именно в области высоких температур наружного воздуха.

В заключение отметим, что несложный расчет (здесь не приводится) с использованием измеренных данных показывает, что экономия от применения регулятора температуры на объекте за 15 весенних дней составила 3 5% - вместо 91,5 Гкал. без регулятора было потреблено 59,8 Гкал с применением регулятора.

эфф от