Способ определения минимального времени включения системы отопления на нагрев помещения здания
METHOD FOR DETERMINING THE MINIMUM TURN-ON TIME OF THE HEATING SYSTEM FOR HEATING THE BUILDING PREMISES

Изобретение относится к способам определения минимального времени включения системы отопления на нагрев помещения здания с минимально допустимой температуры поддержания (во время работы системы отопления в дежурном режиме) до номинальной (установленной нормативными документами для помещения здания) к нужному моменту времени.
Известен способ определения оптимального времени нагрева помещения, в котором описано решение задачи параметрической идентификации математической модели теплового режима здания, которая учитывает тепло-инерционные свойства ограждения (в частности, постоянную времени Т). Разработана структура математической модели, позволяющая показывать изменения наружной температуры от времени. С помощью данной модели происходит определение зависимости внутренней температуры от внешних климатических условий, характеристик здания и параметров системы теплоснабжения. Разработан оптимальный алгоритм управления режимом прерывистого отопления, который заключается в снижении мощности системы теплоснабжения до минимального значения в первый интервал времени и поддержания тепловой мощности на максимальном уровне во втором периоде (Диссертационная работа на соискание степени кандидата технических наук: «Оптимизация температурных режимов общественно-административных и производственных зданий», Анисимова Елена Юрьевна; Челябинск, 2008. - 172 с.: ил. РГБ ОД, 61:08-5/179, С . 34 – 56).
Недостатком данного способа является то, что для определения оптимального времени нагрева с минимально допустимой температуры к нужному моменту времени используется датчик наружной температуры и не учитываются дополнительные факторы, влияющие на определение времени нагрева.
Известен способ определения коэффициента тепловой аккумуляции здания на основе теплового баланса с использованием с использованием коэффициентов описывающих теплофизические свойства помещения здания (Соколов Е.Я., Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов.- 7-е изд., стереот. - М.: Издательство МЭИ, 2001. - 472 с.: ил., глава 8).
Недостатком известного способа является то, коэффициент тепловой аккумуляции здания находят путём определения коэффициентов, характеризующих теплофизические свойства помещения здания по нормативным документам, что на практике не всегда совпадает с реальными теплофизическими свойствами помещения здания.
Известен способ определения времени нагрева помещения здания, который заключается в определении времени нагрева помещения здания, исходя из построенной математической модели, которая представляет собой дифференциальное уравнение с начальными условиями. Для данного уравнения численным методом решена задача Коши. Постоянная времени нагрева определяется аналитическим методом (Нагорная Анастасия Николаевна, Математическое моделирование и исследование нестационарного теплового режима зданий: диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук, Челябинск, 2008. - 150 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/398, С. 25 – 63).
Недостатком данного способа является то, что использование климатического оборудования усложняет систему управления временем нагрева помещения здания.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ, состоящий из определения необходимых теплофизических характеристик объекта для нахождения постоянной времени разогрева и остывания объекта методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных, полученных в ходе разогрева объекта. Затем определяют зависимость окружающей температуры от коэффициента активной работы системы теплоснабжения. Коэффициент активной работы системы теплоснабжения определяют по следующей формуле:
a
раб
под
затр
Pуст
K=t/t = P/,
а
раб
под
затр
уст
где К – коэффициент активной работы системы теплоснабжения, t – время активной работы системы теплоснабжения за время t, P – средняя потребляемая мощность, Р – номинальная мощность источника теплоснабжения. Далее определяют зависимость времени разогрева объекта от окружающей температуры и с помощью полученных данных находят зависимость времени разогрева объекта к определенному моменту времени от коэффициента активной работы системы теплоснабжения, при этом если коэффициент активной работы системы теплоснабжения отсутствует, то определение оптимального времени разогрева объекта находят с помощью зависимости времени остывания объекта от окружающей температуры, затем получают оптимальное время разогрева объекта в зависимости от окружающей температуры. Патент на изобретение (RU 2685814, МПК F24D 19/10, опубл. 23.04.2019).
Недостатком известного способа является, то что производится определение постоянной времени разогрева помещения здания которая с течением времени изменится, из-за старения материала из которого состоит ограждающая конструкция помещения здания, вследствии самопроизвольного необратимого изменение свойств материалов, что приведет к неточности в определении момента включения системы отопления на разогрев помещения здания.
Технический результат заключается в определении минимального времени нагрева помещения здания без использования внешнего климатического оборудования устанавливаемого с наружной стороны помещения и повышении эффективности режима энергосбережения и управляемости системы автономного теплоснабжения, за счёт более точного определения момента включения системы отопления в активную работу, без использования постоянной времени нагрева помещения здания.
Сущность изобретения заключается в том, что способ определения минимального времени включения системы отопления на нагрев помещения здания состоит из определения параметров теплового режима помещения здания и получения зависимости времени нагрева объекта к нужному моменту времени, используя математическую модель теплового режима объекта. Для нахождения минимального времени нагрева помещения здания с режима дежурного отопления определяется коэффициент активной работы системы отопления , коэффициент переходного процесса, описывающий преобразование энергии системы отопления в приращение температуры
коэффициент чувствительности системы отопления , определяется запас мощности для возможного повышения температуры в помещении здания и с помощью данных коэффициентов определяется минимальное время нагрева помещения здания с режима дежурного отопления до номинальной температуры к нужному моменту времени.
На фиг. 1 представлен график времени активной работы установки отопления для нагрева с t1min до t2min во время работы в режиме дежурного отопления; на фиг. 2 представлена графическая иллюстрация определения коэффициента чувствительности системы отопления.
К
а
Способ определения минимального времени включения системы отопления на нагрев помещения здания состоит из определения коэффициента активной работы системы отопления, коэффициента переходного процесса, коэффициента чувствительности системы отопления, а также определения запаса мощности для возможного повышения температуры в помещении здания по которым производится определение минимального времени нагрева помещения здания к нужному моменту времени после дежурного режима работы системы отопления. Совокупность влияющих факторов (климатические параметры, температура окружающей среды, влажность, ветровая нагрузка, повышенные теплопотери вследствие неоднородности строительных конструкций и т.д.), которые влияют на теплопотери помещения здания, определяют режим, который можно охарактеризовать коэффициентом активной работы (который изменяется в пределе от 0 до 1, значение 0 – установка отопления не работает, значение 1 – установка отопления работает на полную мощность, промежуточные значения соответствуют рабочим режимам при различном наборе влияющих факторов) системы отопления для заданной температуры внутри помещения здания.
Например, при неоднородности строительных конструкций помещения здания наравне со всеми остальными влияющими факторами значение коэффициента активной работы увеличивается, вследствие того, что система отопления работает в усиленном режиме по сравнению с работой в таком же помещении здания без данных воздействий, так как возникает необходимость компенсировать теплопотери данного помещения здания для поддержания заданной температуры.
Данный режим (фиг.1) описывает время активной работы источника отопления для поддержания заданной температуры в помещении здания, измеряемой при помощи датчика в момент его работы по возмещению теплопотерь помещения за последний час, т. к. это приводит к изменению температуры внутри помещения здания. Он учитывает изменение влияющих факторов на тепловой баланс помещения здания, из-за которых возникают теплопотери помещения, которые необходимо компенсировать работой установки отопления с номинальной мощностью в активном режиме работы, и в этот момент происходит подсчёт времени работы системы отопления, которое понадобилось для нагрева температуры воздуха внутри помещения здания до заданного значения. При неизменных влияющих факторах коэффициент активной работы системы отопления остается постоянным, а в случае их отклонения изменяется на то значение, которое необходимо для поддержания заданной температуры в помещении здания.
Определение коэффициента активной работы производится по следующей зависимости:
(1)
Т
где ∆τ – интервал времени, на который включен источник отопления за цикл ,  – номинальная мощность источника отопления, которая находится исходя из текущих параметров теплового режима помещения здания,  - среднее значение мощности, расходуемой источником отопления в режиме термостабилизации.
Q
ост
Запас мощности для возможного повышения температуры в помещении , можно определить, как:
(2)
t
t
К
К
min
nom
а.
min
а.
nom
Коэффициент активной работы для минимально допустимой и номинальной температуры в помещении здания обозначими  соответственно.
t
к t
min
Для переходного процесса от температуры можно записать:
(3)
С
где - изменение температуры в помещении здания, - энергия, расходуемая на повышение температуры, - коэффициент переходного процесса, описывающий преобразование энергии системы отопления в приращение температуры.
С
τ
t
t
1
min
2
min
,
о
Коэффициент переходного процесса определяется экспериментальным путём при проведении обследования по определению параметров теплового режима помещения здания (поддержания интервала минимально установленной температуры в помещении здания, а именно времени работы  источника отопления, затраченного для повышения температуры в помещении с  до ) по выбранной для него номинальной мощности системы отопления (C/(Вт·сек)):
(4)
где -интервал времени переходного процесса, за который температура выросла на .
dt
dτ
Соотношение (3) будет справедливо и для перехода от  и  к  и  с учётом (4), которое можно записать:
(5)
t
t
К
К
К
min
–
nom
–
а
а
min
а no
m
В результате повышения температуры минимально допустимой температуры внутри помещения, которая поддерживается в режиме дежурного отопления дономинальной температуры внутри помещения (комфортной) в рабочее время, изменится от до .
К
=f(t)
а
Аппроксимируя линейной зависимостью формулу (5) можно представить в следующей форме:
(6)
К
∆t
t
t
а
min
.
где -коэффициент чувствительности системы отопления по ,  - интервал изменения температуры с  до
о
Коэффициент чувствительности системы отопления определяется по следующей формуле (1/С):
(7)
F,
K
K
a
.
min
a
.
nom
Первоначальный коэффициент чувствительности системы отопления (фиг.2)необходимый при настройке управления энергосбережением,определяется экспериментальным путем при проведении обследования по определению параметров теплового режима помещения здания (данный коэффициент есть ничто иное как тангенс угла наклона изменения коэффициента активной работы от времени между работой системы отопления в режиме  и ).
t
К
t
К
.
min
а.
min
nom
а.
nom
На фигуре 2, 1 – время поддержания температуры в режиме , в течение которого определяется коэффициент активной работы ,– 2 время поддержания температуры в режиме , в течение которого определяется коэффициент активной работы
∆t
∆t=t-t
,
min
Интервал температур  в (6) запишем в виде тогда выражение (6) примет вид:
(8)
Преобразуя (8) к каноническому виду дифференциального уравнения первого порядка, получим:
(9)
t=f(τ)
Функция , удовлетворяющая (9), будет иметь вид:
(10)
В
Постоянная интегрирования  определяется из начальных условий переходного процесса.
=0  t=t
t
t
К
=1.
min
.
max
.
а
При по завершению переходного процесса будет иметь значениеВ этом случае и
(11)
τ
t
раз
nom
Конечной целью анализа переходного процесса является определение времени нагрева  для достижения температуры  в помещении здания, поэтому запишем выражение (11) для номинальной температуры:
.
(12)
Преобразуя зависимость (12), получим выражения для определения времени нагрева помещения здания до номинальной температуры:
.                                            (13)
Тогда время нагрева будет определяется:
(14)
К
=f(t).
∆τ
а
раз
Выражение (14) получено для линейной аппроксимации зависимости Вариантом определения более точного значения  является кусочно-линейная аппроксимация зависимости и суммирование значений  для отдельных линейных участков или введение уточняющего коэффициента по результатам настройки системы управления энергосбережением.
По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет избежать затрат энергии в интервале времени, когда рабочий день еще не начался. Управление установкой отопления по этому времени позволяет избежать более ранних включений или тех ситуаций, когда включение происходит слишком поздно, и помещение здания не успело нагреться до номинальной температуры в результате использования постоянной времени нагрева помещения здания, и в результате тепловой режим помещения здания не отвечает установленным нормативным значениям.
По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет повысить эффективность режима энергосбережения и управляемость систем автономного отопления, за счёт более точного определения момента включения системы отопления на нагрев после режима дежурного отопления.