Автоматизированное управление процессом централизованного теплоснабжения распределенного комплекса зданий с учетом моделирования этих процессов

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ЗДАНИЙ С УЧЕТОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭТИХ ПРОЦЕССОВ

А.Н. ПОТАПЕНКО, А.О. ЯКОВЛЕВ, Е.А. ПОТАПЕНКО,

А.С. СОЛДАТЕНКОВ

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Рассмотрены особенности эффективного автоматизированного управления процессом централизованного теплоснабжения распределенного комплекса зданий, а также впервые на основе имитационного моделирования и экспериментальных данных показаны варианты возможного частичного перераспределения теплоносителя между объектами распределенного комплекса, приводящие в целом к снижению экономической эффективности автоматизированного управления.

Введение

Практика показала, что автоматическое регулирование в системах теплоснабжения позволяет снизить потребление тепловой энергии в среднем до 30 %, как правило, в переходные периоды отопительного сезона. Это достигается с помощью локальных систем автоматического регулирования (САР) в автоматизированных индивидуальных тепловых пунктах (ИТП) [1-3] за счет выполнения ими следующих основных функций: а именно: регулирования расхода теплоносителя в системе отопления в зависимости от температуры наружного воздуха (погодная компенсация), что позволяет избежать перерасхода тепловой энергии; программного управления подачей теплоносителя, согласно суточного и недельного графика, с учетом выходных и праздничных дней; относительно быстрого подъема температуры в помещениях зданий путем создания максимального расхода теплоносителя после периодов снижения температуры, например, в ночное время с последующим переходом на оптимальный режим функционирования локальной САР; ограничения максимальной и минимальной температуры теплоносителя в системах теплоснабжения; регулирования температуры воды в системе горячего водоснабжения (ГВС), а также реализации других преимуществ автоматических систем теплоснабжения. Опыт применения автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) распределенными энергосистемами зданий на базе автоматизированных ИТП, представленный например в [4], также показал высокую эффективность работы энергохозяйства на примере Белгородского государственного технологического университета (БГТУ) им. В.Г. Шухова.

АСДУ распределенными энергосистемами комплекса зданий - одно из направлений современных технологий энергосбережения, так как в АСДУ предусмотрены возможности регулирования работы энергохозяйства, получения информации о текущих процессах и формирования основ для оперативного и стратегического управления распределенными объектами с целью экономии энергоресурсов. Необходимо подчеркнуть, что в условиях рынка и непрерывного роста стоимости теплоносителя создание современных автоматизированных

© А.Н. Потапенко, А. О. Яковлев, Е.А. Потапенко, А. С. Солдатенков Проблемы энергетики, 2007, № 7-8

систем управления процессами теплоснабжения для повышения эффективности управления и снижения расходов на тепловую энергию - актуальная задача.

1. Особенности эффективного автоматизированного управления процессом теплоснабжения рассмотрим на примере АСДУ распределенным комплексом зданий БГТУ им. В.Г. Шухова.

Рис. 1. Схема централизованного теплоснабжения вуза

1.1. Схема централизованного теплоснабжения вуза показана на рис. 1 с учетом внутренних теплосетей и относительного расположения автоматизированных ИТП. При этом теплоснабжение осуществлялось через технологическую камеру на вводе в вуз, связанную с внешними теплосетями ТО (рис. 1). Основные обозначения на схеме следующие: А1 - общежитие №4; А2 -здание Белгородского инженерно-экономического института; А3 - здание службы главного энергетика; А4 - учебные мастерские; А5 - студенческое общежитие №2; А6 - студенческое общежитие №1; А7 - комбинат питания; А8 - научнотехническая библиотека; А9 - хозяйственное здание; А10 - хозблок; А11- гаражи и мастерские; А12 - овощехранилище; А13 - военная кафедра; А14 - спортивные залы №1 и 2; А15 - центр непрерывного профессионального образования; А16 -механический корпус; А17 - культурно-воспитательный центр (КВЦ); А18 -главный корпус; А19 - аудиторный корпус; А20 - лабораторный корпус. В системе централизованного теплоснабжения вуза применяется зависимое присоединение систем отопления и приточно-вентиляционных установок (ПВУ) к тепловым сетям (ПВУ зданий на схеме не обозначены).

Многоуровневая АСДУ распределенного комплекса зданий БГТУ им.

В.Г. Шухова - основа демонстрационной зоны, входящая в состав региональных центров энергосбережения, утвержденных Минобразования и науки РФ [5]. Основа структуры многоуровневой АСДУ представлена, например, в работе [4].

Следует отметить, что здания вуза являются концевыми потребителями тепла от городской котельной, находящейся в пределах 11 км, и это приводит к

значительным потерям тепловой энергии в теплосетях. В связи с этим в последние два года в вузе разумно сочетается как централизованное, так и децентрализованное теплоснабжение зданий с использованием 2-х котельных установок типа ТКУ. Представленный материал основан на исследованиях особенностей централизованного теплоснабжения зданий вуза.

1.2. Эффективность автоматизированного управления процессом теплоснабжения распределенного комплекса зданий на базе автоматизированных ИТП и ПВУ рассмотрим на примере функционирования АСДУ в 2002 и 2003 годах. Это связано с тем, что в 2002 г. была получена высокая экономия тепловой энергии при функционировании части автоматизированной системы, а в 2003 г. экономия тепла не была получена.

На начало 2002 г. функционировала часть АСДУ (основной комплекс работ по созданию АСДУ был закончен в конце 2005 г.), на нижнем уровне которой находились автоматизированные ИТП и ПВУ основных учебных корпусов (А16, А18-20, рис. 1), включая пять ИТП и два ПВУ, а также КВЦ (А17) с одним ИТП, ПВУ и тепловой завесой. При этом были автоматизированы 24% от всех элеваторных узлов с суммарной нагрузкой около 33 % (с учетом ПВУ) от общей тепловой нагрузки вуза. На начало 2003 г. автоматизированных ИТП было порядка 44 % с суммарной нагрузкой около 69 % (с учетом ПВУ), причем в конце 2003 г. уже функционировало 64 % автоматизированных ИТП с суммарной нагрузкой порядка 76 % от общей тепловой нагрузки вуза.

Анализ экономической эффективности за 2002 г. показал, что экономия тепловой энергии по комплексу БГТУ им. В.Г. Шухова в абсолютном выражении составила около 4053 Гкал, причем коммунальные расходы за тепло были снижены в целом по вузу на 22 % с учетом фактического потребления. Следовательно, автоматизированные системы управления процессом теплоснабжения, составляющие только четвертую часть от всех нерегулируемых элеваторных узлов, причем с суммарной нагрузкой около третьей части от общей нагрузки вуза, обеспечивали основной процент полученной экономии. Следует также отметить, что и в 2001 г. экономия тепла при создании первой очереди АСДУ составила около 42 % (А16 с САР отопления, ГВС и ПВУ, рис. 1).

Для сравнительного анализа эффективности АСДУ на базе автоматизированных ИТП за эти годы выполним оценку фактических и среднестатистических температур воздуха по г. Белгороду. При этом данные ФГУ Белгородского областного центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Белгородского областного центра ГМОО) о среднемесячной температуре воздуха Т£ и среднестатистической температуре воздуха Та для

месяцев отопительного сезона по г. Белгороду (с учетом данных СНиП. Строительная климатология) приведены в табл. 1.

Анализ данных табл. 1 с учетом значений среднегодовой температуры воздуха Тg 1 = -1,3 °С в 2001 г. и Тg2 = -1,25 °С в 2002 г. показывает, что

температура воздуха в г. Белгороде была относительно высокой в эти годы, что и позволило получить существенную экономию тепловой энергии с помощью автоматизированных систем теплоснабжения. Данные ФГУ Белгородского областного центра ГМОО о количестве дней за январь-март, соответственно, 2002 и 2003 года с учетом некоторой среднесуточной температуры воздуха представлены в табл. 2. Аналогичные данные о среднемесячной температуре

воздуха Тk и с учетом максимальной и минимальной температуры воздуха за этот период приведены в табл. 3.

Таблица 1

Фактические (Тк) и среднестатистические (Тя) температуры воздуха

Месяцы Значения Та и Тк для соответствующих месяцев года

2001 год 2002 год

T °С a Tk, °С Тк >То или Тк<То С ° Tk, °С Тк >То или Тк<То

январь -8,5 -2,0 выше -8,5 -5,7 выше

февраль -6,4 -4,4 выше -6,4 1,0 выше

март -2,5 0,6 выше -2,5 3,9 выше

апрель 7,5 8,7 выше 7,5 5,1 ниже

октябрь 6,4 2,8 ниже 6,4 5,8 ниже

ноябрь 0,3 1,3 выше 0,3 1,5 выше

декабрь -4,5 -9,3 ниже -4,5 -11,4 ниже

Таблица 2

Данные о количестве дней за январь-март 2002 -2003 г. г. с учетом некоторой среднесуточной

температуры воздуха

Год Количество дней с некоторой среднесуточной температурой Ti

январь февраль март

Ti < Ti < Ti > Ti < Ti < Ti > Ti < Ti < Ti >

Ta -9 оС 0 оС Ta -9 оС 0 оС Ta -9 оС 0 оС

2002 г. 9 9 7 1 нет 19 1 нет 28

2003 г. 10 10 2 22 13 нет 14 2 3

Таблица 3

Данные о среднемесячной температуре воздуха

Год Температура воздуха по месяцам года

январь февраль март

Tcp, T, 1 max Tmin , Tcp, T, 1 maxy Tmin , Tcp, T, 1 maxy Tmin ,

оС оС оС оС оС оС оС оС оС

2002 г. -5,7 4,0 -25,4 1,0 9,0 -6,9 3,9 17,0 -5,0

2003 г. -6,3 1,9 -22,8 -9,9 0,2 -23,0 -3,6 4,6 -14,5

Анализ представленных результатов показывает, что средняя температура воздуха за январь-март в 2002 г. составила -0,26 оС, а в 2003 г. она была равна -6,6 оС, причем среднестатистическая температура была Тап = -5,8 оС (данные табл. 3). При этом суммарное количество дней за этот период в 2002 г. со среднесуточной температурой воздуха ниже среднестатистической составило всего 11 дней, тогда как в 2003 г. их было уже 46 (данные табл. 2). При этом необходимо отметить, что основные здания вуза были построены в 70-80-е годы с учетом существовавшего в то время нормативного сопротивления теплопередачи для ограждающих конструкций типовых зданий. Следовательно, в январе-марте 2003 г. невозможно было получить экономию тепла без применения дополнительных мероприятий по утеплению зданий, так как практически полтора месяца среднесуточная

температура воздуха была ниже среднестатистической температуры и количество дней со среднесуточной температурой воздуха ниже - 9 оС за этот период составило 25 (данные табл. 2 и табл. 3). Вместе с тем, благодаря применению локальных САР процессами теплоснабжения на нижнем уровне АСДУ, в целом за год перерасход тепла был минимальным (порядка 1,6 %) при фактическом потреблении тепловой энергии около 22900 Гкал. При этом компенсация перерасхода тепловой энергии произошла в октябре-декабре 2003 г.

В частном случае было установлено следующее. Если при температуре наружного воздуха в пределах среднестатистических температур фактические сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций зданий соответствуют нормативным, но при нормальных условиях (для г. Белгорода расчетная температура принимается равной -23 °С) сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций зданий не соответствуют нормативным. Тогда выводы следующие:

• при теплых зимах (среднемесячные температуры воздуха выше среднестатистических) автоматизированное управление распределенными энергосистемами зданий обеспечивает существенную экономию тепловой энергии;

• при среднемесячных температурах воздуха в зимние месяцы в пределах среднестатистических основной эффект от внедрения автоматизированных ИТП будет заключаться в отсутствии перерасхода тепла даже без применения капитальных затрат на утепление этих зданий, но до определенных границ;

• в переходные периоды отопительного сезона автоматизированное управление теплоснабжением также обеспечивает существенную экономию тепловой энергии при среднемесячных температурах воздуха выше среднестатистических (например, в марте 2002 г. экономия в абсолютных единицах была более 1130 Гкал при фактической среднемесячной температуре воздуха Тк 1= 3,9 оС, т.е. Тк 1» Та, где Та = -2,5 оС), но если среднемесячная температура воздуха находится в некоторых пределах от среднестатистической, то тогда экономия тепловой энергии будет небольшая (например, в марте 2003 г. экономия в абсолютных единицах составила ~135 Гкал при Т к 2 = - 3,6 оС, т.е. при температуре воздуха ниже Та на 1,1 оС).

Следовательно, известное утверждение о том, что автоматическое регулирование в системах теплоснабжения позволяет снижать потребление тепловой энергии в среднем до 30 % в переходные периоды отопительного сезона, необходимо корректировать для зданий с ограждающими конструкциями с сопротивлениями теплопередаче, не соответствующими нормативным.

2. Автоматизированное управление процессом теплоснабжения распределенных объектов с учетом моделирования процесса перераспределения теплоносителя между ними.

2.1. Для исследования особенностей функционирования АСДУ на базе автоматизированных ИТП и ПВУ была использована математическая модель управления процессом теплоснабжения распределенного комплекса зданий на основе имитационного моделирования в среде 81тиИпк, по аналогии [6].

Основная модель управления процессом теплоснабжения распределенного комплекса зданий учитывает структуру связей зданий и расположение автоматизированных ИТП относительно друг друга, а также включает математические модели исследуемого процесса для каждого объекта с учетом схем присоединения систем отопления и ПВУ к тепловым сетям.

2.1.1. Схема при зависимом присоединении систем отопления к тепловым сетям (рис. 2) характерна для исследуемого комплекса зданий.

Для типовых схем (рис. 2) при исследовании процессов теплоснабжения используется система уравнений в виде [7]

т 1 Сі (і)+ То (і ).(, - Оі (і ))=сС0 тсо (і),

Сок (і )+ С1 (і )= Ссо,

й 2 Т0 йТ0

Т1Т2 —— + (Т1 + Т2) - + То (і) = кТсо (і),

йґ

йі

включающая нелинейное алгебраическое уравнение, описывающее участок смешивания теплоносителя из подающего трубопровода теплосетей и обратного трубопровода системы отопления; уравнение неразрывности струи и дифференциальное уравнение второго порядка, которое описывает динамические процессы в системе отопления, причем за выходную величину принято То (t), а за входную - Тсо (*); при этом Т1, Т2 и к - соответственно постоянные времени системы отопления и коэффициент передачи, которые определяются при параметрической идентификации исследуемой системы отопления здания. В основе этой модели управления процессом теплоснабжения - экспериментальные исследования, часть из которых представлена, например, в [7].

Рис. 2. Схема при зависимом присоединении систем отопления к тепловым сетям: М2, К1 -исполнительный механизм с регулирующим клапаном; М1, Н1 - электропривод с циркуляционным насосом; СО - система отопления здания; КО1 - обратный клапан; Є,, Ті - параметры системы, причем ЄоК и То - расход и температура теплоносителя обратного

трубопровода на участке смешивания

В качестве способа исследования особенностей процесса теплоснабжения на основе системы уравнений (1) целесообразно использовать метод фазовой плоскости. В этом случае после замены переменных получим зависимости:

Х1 = Тсо

с учетом которых система уравнений (1) приводится к форме пространства состояний в виде

Ж йх з

= х 3> к -1

(Т+Т2) .

х 2---------х3 +'

кТп

и--

к

х 2и.

Ж Т1Т2 Т1Т2 Т1Т2Осо Т1Т2Осо

Зависимость для фазового портрета в этом случае имеет следующий вид:

1п

с

х2 + —

а

+ С = -—1п 2

х3

)2 - Ь

х2 + с / а

х3

х2 + с / а

- — I

Ь 1п 2х3 Ь л/4а . Ь2

х2 + с / а

14а + Ь 2 2 х3 . Ь I л/1а I Ь2

х2 + с / а

Здесь

в = (( к -1). О с0 - ки )/(Т1Т2 О с0 ); Ь = -(Т1 + Т2 )/(ТТ ); с = кТпти / (Т1Т2 С со ). При этом уравнения сепаратрис в фазовой плоскости следующие:

А(х2»х3»и) = х3 - (х2 +—)• (

а

Ь + V Ь2 + 4а

2

х 2»х 3»и ) = х 3 - ( х 2 + С) • ( Ь

а2

Ь 2 + 4а

)

)

В этой математической модели для ИТП здания, в отличие от известных, величина То (*) является одним из регулируемых параметров. Это позволяет исследовать алгоритмы управления для локальных САР нижнего уровня АСДУ с учетом схемы теплоснабжения (рис. 2) для обеспечения энергосбережения.

2.1.2. Основы имитационной модели управления процессом теплоснабжения здания при независимом присоединении систем отопления к тепловым сетям приведены в работе [6]. В этой схеме теплоноситель из тепловых сетей с температурой Тц и расходом вц по подающему трубопроводу попадает в теплообменник (ТО), а затем через регулирующий клапан с температурой Т 21 возвращается обратно в теплосеть. Теплоноситель из обратного трубопровода системы отопления (СО) после нагрева в ТО поступает в СО здания с температурой Тсо1, а затем через стояки с отопительными приборами - в обратный трубопровод с температурой То 1. В системе отопления расход теплоносителя Осо1 поддерживается постоянным с помощью циркуляционного насоса. Расход Оц изменяется при воздействии исполнительного механизма на регулирующий клапан, и при этом соответственно изменяется температура Тсо1 теплоносителя в СО здания.

Для моделирования управления процессом отопления с учетом теплообменника применяются зависимости, получаемые на основе системы уравнений следующего вида:

(

йх йТ21

йх

= 01 • (Т21( х) - Ти( х)), = в2 • (Т21(х) - Ти(х)),

в которых учитывается распределение температуры греющего и нагреваемого теплоносителя вдоль теплопроводящей стенки теплообменника в любой точке с координатой х, а также коэффициенты р1 и р2 .

При этом из системы уравнений (6) получаются функциональные зависимости [6]:

Тсо1 = Р (С11, Ссо1, То1, Т11), Т21 = Р (Сц, Осо1,То1,Тп),

которые с учетом уравнений связи и экспериментальных данных (для вычисления постоянных коэффициентов) позволяют определять зависимость температуры теплоносителя Тсо1 в СО здания и Т21 греющего теплоносителя на выходе теплообменника. В этом случае задача управления системой отопления в ИТП здания сводится к регулированию температуры теплоносителя Т со1.

2.2. Для выявления основных особенностей управления процессом теплоснабжения распределенных объектов с учетом имитационного

моделирования в среде Simulink рассмотрим упрощенный вариант схемы, представленной на рис. 3. Через технологическую камеру (ТК1) осуществляется теплоснабжение трех зданий, содержащих следующие объекты:

• здание 1 - систему отопления (ТП1);

• здание 2 - ТП2 и ПВУ1;

• здание 3 - ТП3, ПВУ2 и тепловую завесу (ТЗ1),

при этом в ИТП зданий применяется схема зависимого присоединения систем отопления, ПВУ и ТЗ1 к тепловым сетям.

Рис. 3. Схема централизованного теплоснабжения 3-х зданий © Проблемы энергетики, 2007, № 7-8

При разработке структурной схемы имитационного моделирования управления процессом теплоснабжения автоматизированных распределенных объектов (рис. 3) их гидравлические сопротивления определялись на основе экспериментальных исследований для каждого объекта, а гидравлические сопротивления трубопроводов до объектов вычислялись, например, как в [8] с учетом их диаметров, длин, изгибов и т.д. Расход теплоносителя в системах теплоснабжения объектов измерялся с помощью ультразвукового портативного расходомера жидкости типа Portaflow с учетом накладных ультразвуковых датчиков. При этом совместно с расходомером Portaflow применялся ультразвуковой толщиномер типа Sonagage II для определения толщины стенки трубы. Абсолютная погрешность измерения скорости потока жидкости прибором Portaflow составляет ± 0,03 м/с, относительная погрешность ± 3 %. Давление определялось с помощью измерительного преобразователя давления типа Метран-100 с индикаторным устройством при относительной погрешности прибора ± 0,2 % от шкалы. При проведении экспериментальных исследований система автоматизации была переведена в ручной режим работы.

С помощью имитационного моделирования в среде Simulink исследовался процесс перераспределения теплоносителя между объектами с учетом заданного расхода теплоносителя в камере ТК1. Исследуемый процесс характерен для автоматизированных систем управления зданиями в следующих случаях:

• при программном снижении температуры в вечернее и ночное время, в выходные и праздничные дни, а также при быстром подъеме температуры в помещениях зданий путем создания максимального расхода теплоносителя;

• при ограничении максимальной и минимальной температуры теплоносителя в системах теплоснабжения и др.

Результаты моделирования распределения расходов теплоносителя в подающих трубопроводах объектов (рис. 3) при их функционировании в рабочих режимах и с учетом условий, при которых расходы теплоносителя в заданных объектах принимались равными нулю, представлены в табл. 4.

Таблица 4

Расходы теплоносителя в подающих трубопроводах на вводах объектов с учетом некоторых условий в исследуемой системе теплоснабжения

Состояние объектов (РР - рабочий режим) Расход теплоносителя по объектам, м3/ч

здание 1 здание 2 здание 3

ТП1, Оц ТП2, 021 ПВУ1, 022 ТП3, 031 ПВУ2, 032 ТЗ1, 033

Объекты (Ок) - РР 7,0 14,0 2,50 16,40 5,60 1,20

Он = 0, О; - РР 0 16,80 2,90 18,76 6,80 1,40

021 = 0, О; - РР 10,50 0 3,70 22,37 8,30 1,70

031 = 0, О; - РР 10,80 21,40 3,70 0 8,80 1,85

Оц = 0 и 021 = 0, О; - РР 0 0 4,87 28,67 10,90 2,21

Анализ результатов показывает (табл. 4), что относительные соотношения расходов в подающих трубопроводах объектов, находящихся в рабочих режимах, следующие: G11 - 15,0 %; 021 - 30,0 %; 022 - 5,4 %; G31 - 35,1 %; 032 - 12,0 %; 033 -

2,5 %. Учитывая, что максимальный расход в системе централизованного теплоснабжения 3-х зданий наблюдается на объекте ТП3, выполним анализ варианта, при котором О 31 = 0. Оценим перераспределение соотношений расходов теплоносителя между остальными объектами, находящимися в рабочих режимах: Оц - 23,1 % (увеличился на 8,1 %); 021 - 46,0 % (увеличился на 16,0 %); О 22 - 8,0 % (увеличился на 2,6 %); О 32 - 19,0 % (увеличился на 7,0 %); О33 - 3,9 % (увеличился на 1,4 %). Следовательно, при О31 = 0 наблюдается максимальное увеличение расхода О 21 на объекте ТП2. Это связано с тем, что его гидравлическое сопротивление по отношению к другим объектам минимальное. Аналогично при Оц = 0 максимальное увеличение расхода также наблюдается на объекте ТП2, причем значение О 21 при этом составляет 36,0 % от общего расхода, т.е. увеличилось на 6,0 %. Полученное приращение расхода О21 при Оц = 0 меньше, чем в предыдущем варианте, так как Оц < О31. Появление погрешности суммарного расхода в технологической камере ТК1 (< 0,3 %) при определении расходов теплоносителя на вводах объектов для различных вариантов имитационного моделировании (табл. 4) объясняется тем, что в основе модели находятся значения гидравлических сопротивлений, часть из которых определяется на основе экспериментальных исследований, а другая - с учетом вычислений.

Зависимость изменения суммарных расходов О^ в исследуемых зданиях 2 и 3 (согласно показаниям расходомеров теплосчетчиков в ИТП зданий) при условии Оц = 0, показана на рис. 4. Сравнительный анализ экспериментальных данных (рис. 4) и результатов имитационного моделирования (табл. 4) показывает, что относительная погрешность по зданию 3 составляет ± 3,2%, а по зданию 2 -порядка ± 4,4%, причем общий расход теплоносителя в ТК1 оставался неизменным. Следует отметить, что полученные результаты имитационного моделирования на первый взгляд не очевидны, так как, согласно схемы (рис. 3) для варианта при О31 = 0 и учитывая, что длина трубопровода до ТП2 во много раз больше, чем до объектов ПВУ2 и ТЗ1, следовало бы ожидать существенного увеличения расходов О32 и О33 в здании 3, а не расхода О21 в здании 2.

С, м’/ч

\

\

\ ^ '

\ /

/

о о — гч

Рис. 4. Зависимость изменения суммарных расходов Од в зданиях 2 и 3 при условии, что в

здании 1 О11 = 0

Анализ результатов показывает, что перераспределение соотношений расходов теплоносителя между распределенными объектами определяется их гидравлическими сопротивлениями, которые, в свою очередь, зависят от положения штока регулирующего клапана в локальной САР здания (например, рис. 2). Таким образом, если в одном здании будет автоматизированный ИТП, а в остальных - нерегулируемые элеваторные узлы, ПВУ и т.д., то тогда, например, при программном снижении температуры в вечернее и ночное время в автоматизированном ИТП соответственно скачкообразно уменьшится на его вводе расход потребляемого теплоносителя, а это приведет к перераспределению соотношений расходов теплоносителя между другими объектами. При этом ожидаемого снижения потребляемой тепловой энергии в целом по трем зданиям не произойдет, что зафиксируется теплосчетчиком в общей камере ТК1.

2.3. Схема имитационного моделирования управления процессом теплоснабжения распределенных объектов (рис. 1) на порядок сложнее, чем для схемы централизованного теплоснабжения 3-х зданий с шестью объектами (рис. 3), но она по структуре аналогична предыдущей.

Анализ результатов имитационного моделирования управления процессом отопления и экспериментальных данных показал [6], что среднее арифметическое

*

отклонение расчетной Тсо1 от величины Тсо1 (экспериментальные данные) на интервале переходных процессов в объекте управления от момента скачкообразного изменения расхода Оц до выхода температуры Тсо1 на

установившееся значение (в пределах 184 с) составило ~ 3 °С, а на всем интервале наблюдения это отклонение - около 0,43 °С. Учитывая, что в установившемся режиме результаты имитационного моделирования имеют малую погрешность в сравнении с данными экспериментов, а также то, что в подающих трубопроводах исследуемых объектов наблюдается относительно малая инерционность по сравнению с процессами в схеме (рис. 1), поэтому имитационное моделирование управления процессом теплоснабжения распределенных объектов выполнялось в рамках статических режимов работы всей системы.

В рассматриваемом варианте имитационного моделирования исследовался процесс перераспределения теплоносителя между объектами, возникающий в автоматизированной системе управления процессом централизованного теплоснабжения комплекса зданий, с учетом открытой схемы теплоснабжения и при зависимом присоединении систем отопления и ПВУ к тепловым сетям при следующих допущениях:

• моделирование системы управления выполняется без учета потребления горячей воды из подающих трубопроводов исследуемых объектов, что характерно для вечерних и ночных режимов работы локальных САР, например, для зданий учебных заведений;

• часть зданий А6, А5, А1, А7, А16, А17, А18, А19 и А20 (рис. 1) имеют локальные САР отопления и ПВУ;

• остальная часть зданий согласно схемы на рис. 2 имеют ИТП с нерегулируемыми элеваторными узлами, причем эти здания по трубопроводам Т1, 6; Т3, 7 и Т4 заменяются некоторыми гидравлическими сопротивлениями;

• считаем, что максимальный расход теплоносителя в технологической камере на вводе в вуз был равен О от = 149,0 м3/ч при некоторой температуре Тт наружного воздуха и при этом регулируемые клапаны в зданиях А6, А5, А1, А7, © Проблемы энергетики, 2007, № 7-8

А16, А17, А18, А19 и А20 были полностью открыты и их суммарный расход составлял 0a 1 = 104,0 м3/ч;

• принимаем, что с повышением температуры наружного воздуха до значения Тп общий расход теплоносителя в технологической камере снизился и стал равным 127,0 м3/ч, т.е. регулируемые клапаны в зданиях А6, А5, А1, А7, А16, А17, А18, А19 и А20 частично прикрылись.

При имитационном моделировании управления процессом теплоснабжения с учетом температуры наружного воздуха Тп был определен расход теплоносителя в подающих трубопроводах на вводах зданий А6, А5, А1, А7, А16, А17, А18, А19 и А20 (табл. 5). По остальным зданиям с нерегулируемыми элеваторными узлами суммарный расход составил величину Оа2 = 55,27 м3/ч.

Таблица 5

Расходы теплоносителя (О;) в подающих трубопроводах на вводах в ИТП зданий

Обозначение здания Расход, О, м3/ч

А6 9,85

А5 8,85

А1 (ИТП1, ИТП2) 3,90

3,80

А7 2,62

А16 7,21

А17 6,25

А18 (ИТП1, ИТП2) 7,60

8,55

А19 4,90

А20 8,20

Анализ сравнения полученных результатов показал следующее:

• при температуре наружного воздуха Тт исследуемые здания А6, А5, А1, А7, А16, А17, А18, А19 и А20 потребляют суммарный относительный расход порядка 70,0 %, а остальные здания комплекса - 30,0 %;

• при температуре наружного воздуха Тп здания А6, А5, А1, А7, А16, А17, А18, А19 и А20 потребляют суммарный относительный расход порядка 56,5 %, а остальные здания комплекса - 43,5 %.

Следовательно, на основе имитационного моделирования с учетом экспериментальных данных показаны варианты возможного перераспределения теплоносителя между объектами распределенного комплекса в условиях работы некоторой части автоматизированных ИТП комплекса зданий, что в целом приведет к снижению экономической эффективности автоматизированной системы управления этими распределенными объектами.

Для сравнительного анализа полученных результатов имитационного моделирования рассмотрим данные экспериментов, представленные на рис. 5 и рис. 6. Условия проведения экспериментов были следующими:

• в части зданий А16, А18 (два ИТП) и А20 (рис. 1) локальные САР отопления и ПВУ находились в автоматическом режиме функционирования;

• в зданиях А14 (ИТП1 по Т3,7 из 2-х), А15, А17 и А19 локальные САР были переведены в ручной режим работы.

Анализ экспериментальных данных (рис. 5 и рис. 6) показал:

• при программном переходе локальных САР зданий А16, А18 (два ИТП) и А20 в ночной режим работы соответственно на вводе ИТП этих зданий уменьшаются расходы теплоносителя от О£ 1 до минимума, а затем частично увеличиваются до величины О£2, что определяется стабилизируемой температурой теплоносителя в системе отопления г-го здания в этом режиме работы (типовые графики на рис. 5, а и б);

• в ИТП зданий А14 (ИТП1 по Т3,7 из 2-х), А15, А17 и А19 увеличиваются текущие расходы теплоносителя от Оп1 до Оп2, но только при частичном перераспределении расходов теплоносителя от зданий А16, А18 (2 ИТП) и А20 (типовые графики на рис. 6, а и б), причем максимальное увеличение расхода наблюдается в ИТП здания А15.

Рис. 5. Типовые зависимости изменения расходов при переходных режимах в ИТП для зданий

А18

а)

Из анализа экспериментальных данных следует, что в централизованной системе теплоснабжения комплекса зданий с автоматизированными ИТП при определенных условиях их функционирования происходит частичное перераспределение теплоносителя между объектами этого комплекса, которое в целом приведет к снижению экономической эффективности автоматизированной системы управления распределенными объектами. При этом важно отметить, что исследуемые автоматизированные ИТП - это концевые объекты

централизованной системы теплоснабжения города, в отличие от объектов, представленных в п. 2.2. В связи с этим и с учетом использования имитационного моделирования управления процессом теплоснабжения зданий и был получен экономический эффект при поэтапной автоматизации распределенных энергосистем комплекса зданий (рис. 1).

(7, м3/ч

б)

Рис. 6. Типовые зависимости изменения расходов в ИТП для зданий А19 (а) и А17 (б) за счет перераспределения Си от других ИТП

Заключение. В настоящее время важно проводить энергосберегающие мероприятия, связанные с экономией тепловой энергии на базе автоматизированных ИТП в составе АСДУ. При этом оперативная информация АСДУ о фактическом потреблении энергоресурсов позволит эффективно управлять распределенными энергосистемами на основе имитационного моделирования процессов теплоснабжения зданий, а архивные данные обеспечат решение задач оптимизации при планировании потребления энергоресурсов.

Выводы

1. Установлено, что для зданий с ограждающими конструкциями с сопротивлениями теплопередаче, не соответствующими нормативным, автоматизированное управление процессом централизованного теплоснабжения позволяет обеспечить эффективное управление распределенными энергосистемами и существенное снижение потребления тепловой энергии в условиях, если среднемесячные температуры воздуха выше среднестатистических температур в отопительный период. В противоположном случае эффект от внедрения автоматизированных систем заключается в отсутствии перерасхода теплопотребления даже без применения капитальных затрат на утепление этих зданий, но до определенных границ.

2. В результате имитационного моделирования с учетом экспериментальных данных выявлено, что при частичной автоматизации систем централизованного теплоснабжения распределенного комплекса зданий, ИТП которых через общую технологическую камеру связаны с внешними теплосетями, возможно перераспределение теплоносителя внутри этого комплекса, которое в целом не позволит получить экономию тепловой энергии.

3. Экспериментальные исследования подтвердили, что в

централизованной системе теплоснабжения комплекса зданий с

автоматизированными ИТП в составе АСДУ при определенных условиях их функционирования возможно частичное перераспределение теплоносителя между объектами этого комплекса, которое в целом может привести к снижению экономической эффективности АСДУ этими объектами. Для устранения такого типа процессов необходимо в структуре АСДУ предусматривать использование имитационного моделирования при управлении процессом теплоснабжения распределенного комплекса зданий в условиях оптимизации теплопотребления по всему комплексу.

Summary

We examine the features of the effective automated control of centralized heat supply process in distributed building complex, and for the first time based on the simulation modeling we show the possibilities of partial redistribution of heat-transfer agent among the buildings in the distributed complex, that results in the diminished economic effectiveness of automated control of these processes.

Литература

1. Грудзинский М.М. Энергоэффективные системы отопления / М.М. Грудзинский, С.И. Прижижецкий, В.Л. Грановский // Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика (АВОК). - 1999. - №6. - С. 38-39.

2. Сергеев С.Ф. Автоматизация систем теплоснабжения с использованием регулирующего оборудования фирмы «Данфосс» / С.Ф. Сергеев, С.И. Смирнов, Л.Д. Зуев // Энергосбережение. - 2000. - №3. - С.31-32.

3. Ливчак В.И. За оптимальное сочетание автоматизации регулирования подачи и учета тепла // АВОК. - 1998. - №4. - С. 36-38.

4. Опыт внедрения современных энергоэффективных технологий на основе автоматизации распределенных энергосистем зданий вуза / А.М. Гридчин, А.Н. Потапенко, В.С. Лесовик, А.В. Белоусов, Е.А. Потапенко // Строительные материалы. Приложение «Строительные материалы: бизнес». № 4. - М., 2005. -№ 2. - С. 2-5.

5. Балыхин Г.А. Энергосбережение в системе Министерства образования РФ. Итоги и перспективы/ Г.А. Балыхин, С.К. Сергеев // Энергоэффективность: Опыт, проблемы, решения. - 2003. - №3. - С. 54-57.

6. Потапенко А.Н. Исследование процесса отопления зданий с применением теплообменников и с возможностью фасадного автоматического регулирования / А.Н. Потапенко, С.В. Костриков, Е.А. Потапенко // Известия вузов. Проблемы энергетики.- 2006. - № 7-8. - С. 63-74.

7. Потапенко А.Н. О математической модели управления процессом отопления распределенного комплекса зданий для автоматизированных диспетчерских систем / А.Н. Потапенко, Е.А. Потапенко, А.О. Яковлев // Известия вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2006. - Прил. к №3. - С. 23-33.

8. Зингер Н.М. Гидравлические и тепловые режимы теплофикационных систем / Н.М. Зингер. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 320 с.

Поступила 07.05.2007