Plumbing. Heating. Conditioning. Energy Efficiency.

Импульсный погодный компенсатор для элеваторных систем отопления

(0) (3769)
Опубликовано в журнале СОК №12 | 2013

Рассматривается проблема автоматического управления элеваторными системами отопления зданий. Предлагается импульсный алгоритм и структура системы управления, позволяющие исключить «перетопы» зданий, как при «плохом» погодном графике, так и в период его «срезки». Скважность управляющих импульсов вычисляется по результатам измерения либо температуры сетевой воды и ее расхода, либо теплоносителя на входе системы отопления и его расхода в ней.

Рис. 1. Зависимость скважности управляющих импульсов от температуры воздуха

Рис. 1. Зависимость скважности управляющих импульсов от температуры воздуха

Рис. 2. Схема первого варианта импульсной системы управления

Рис. 2. Схема первого варианта импульсной системы управления

Рис. 3. Схема второго варианта импульсной системы управления

Рис. 3. Схема второго варианта импульсной системы управления

В работе рассматривается проблема управления тепловым режимом здания (ТРЗ) с элеваторной схемой присоединения к тепловым сетям. Предлагается применение прерывистого отопления, реализуемого не с помощью двухпозиционного регулятора и погодного графика или обратной связи по температуре внутреннего воздуха tв, а в режиме импульсного управления системой отопления. В работе [1] указывается, что «…при двухпозиционном (прерывистом) регулировании… регулирующим воздействием является… период включения (отключения) нагревательных приборов…». В том случае, когда фактическая мощность системы отопления Wсо при данных значениях параметров теплоносителя и температуры наружного воздуха является избыточной, в здании устанавливается некоторая температура tв max, которая будет заметно превышать свое заданное значение tв з .

При этом подчеркнем, что такая ситуация может иметь место не только в период «срезки» температурного графика регулирования, но и в любой другой период, так как «…построение графика ориентировано на обезличенное здание… при расчетной температуре внутреннего воздуха 18 °C…» [2] и в связи с этим погодный график для конкретного здания может быть «плохим». Здесь с целью экономии расхода теплоты на отопление и обеспечения приемлемых внутренних климатических условий может применяться импульсный режим отопления зданий, при котором в течение некоторого периода длительностью T система отопления на время γT включается на полную мощность Wсо, а затем полностью отключается до конца периода.

При этом возникает вопрос: как следует выбирать длительность периода T и скважность импульсов γ, чтобы температура внутри здания поддерживалась в заданных пределах? Скважность γ можно определить с помощью следующих соображений. Понятно, что в стационарном режиме мощность системы отопления Wсо должна равняться теплопотерям здания при той температуре, которая установилась внутри него, и при той температуре, которая наблюдается снаружи. Если потери теплоты оценивать по формуле Н. С. Ермолаева, то для случая, когда система отопления мощностью Wсо работает в режиме постоянного включения:

Wсо = qV(tв max – tн)V, (1)

здесь qV — удельная тепловая характеристика здания, а V — его объем; tн — температура наружного воздуха. Если скважность импульсов подобрана должным образом, то

γWсо = qV(tв з – tн)V, (2)

где γWсо — средняя за период T мощность системы отопления в импульсном режиме. Разделив уравнение (2) на уравнение (1), получим, что скважность импульсов следует определять так:

Температуру tв max можно вычислить по математической модели теплового режима здания, которая, очевидно, предварительно должна быть настроена на реальный процесс. В частности, это можно сделать и по уравнению (1), которое представляет собой математическую модель стационарного режима. Для этого только нужно иметь в виду, что мощность системы отопления можно определить по следующей формуле:

где tсо — температура воды на входе системы отопления (после элеваторов), c — удельная теплоемкость теплоносителя; Gсо — массовый расход теплоносителя через систему отопления; (kF)со — произведение коэффициента теплопередачи на площадь поверхности теплообмена для всей системы отопления, это тот параметр, который подлежит определению при идентификации модели системы отопления. Подставляя данное выражение в формулу (1), найдем из него формулу для вычисления tв max:

а затем и требуемую скважность управляющих импульсов γ:

Как это видно из формулы (6) скважность управляющих импульсов γ является функцией температуры наружного воздуха tн, заданного значения температуры внутреннего воздуха tв з , температуры воды на входе системы отопления tсо и расхода воды через систему отопления здания Gсо. Кроме того, γ также зависит и от характеристики системы отопления — параметр (kF)со, и от теплозащитных свойств и размеров здания, а именно, от параметра qVV.

На рис. 1 приведены кривые зависимости скважности управляющих импульсов γ от температуры наружного воздуха tн для трех значений температуры на входе системы отопления tсо: кривая 1 для tсо = 70 °C, кривая 2 для tсо = 50 °C и кривая 3 для tсо = 30 °C. При этом вычисления производились по формуле (6) при qV = 0,168 Вт/ (м3⋅°C), (kF)со = 1680 Вт/ °C, tв з = 18 °C, V = 1700 м3, Gсо = 1,57 кг/с.

Как видно из рис. 1, с увеличением температуры наружного воздуха tн скважность управляющих импульсов γ уменьшается, что и ожидалось. Анализ формулы (6) и прямые вычисления по ней показали, что скважность управляющих импульсов γ растет в случаях: с увеличением параметра qVV, то есть с ухудшением теплозащитных свойств здания; с уменьшением параметра (kF) со, то есть с ухудшением теплотехнических характеристик системы отопления и, вследствие этого, ее мощности при прочих равных условиях; с уменьшением расхода воды Gсо через систему отопления. Для вычисления γ, как это видно из формулы (6), требуется измерять tн — температуру наружного воздуха, tсо — температуру и расход Gсо воды на входе системы отопления (после элеваторов или каких-либо других нерегулируемых узлов смешения).

Схема такой системы управления приведена на рис. 2. Возможно, что более предпочтительным будет измерение tc — температуры и расхода Gc сетевой воды в подающей магистрали, в этом случае мощность системы отопления Wсо следует выразить через температуру tc, как это сделано в работе [3]. Тогда данная формула будет иметь следующий вид:

где χ — коэффициент смешения. Схема системы управления для этого случая приведена на рис. 3. При реализации предлагаемого способа следует иметь в виду, что его эффективность во многом зависит от точности модели, отражающей влияние возмущения на выходную величину объекта управления, то есть от характеристик канала «температура наружного воздуха — регулируемая температура».

Хорошо известно, что эти характеристики заметно меняются, например, из-за старения здания и его системы отопления, при накоплении влаги в ограждающих конструкциях и т.п. Поэтому вполне понятно, что для построения высококачественной системы управления необходимо своевременно отслеживать изменение этих характеристик, то есть решать задачу идентификации модели канала. Способы решения данной проблемы подробно изложены в работе [4]. Длительность периода T, позволяющую достигать заданного качества процесса управления, следует определять по способу работы [5]. Разработан способ импульсного управления температурным режимом зданий с элеваторным присоединением систем отопления.

Приводятся два варианта структуры системы управления и процедуры вычисления скважности управляющих импульсов по данным измерения либо температуры сетевой воды и ее расхода, либо теплоносителя на входе системы отопления и его расхода в ней. Отличительной особенностью предлагаемого решения является то, что для его реализации не имеет принципиального значения точность и вообще наличие погодного графика теплоснабжения, важно только то, чтобы потенциал сетевой воды был бы достаточен для достижения требуемого значения температуры внутреннего воздуха.

(0) (3769)
Comments
  • В этой теме еще нет комментариев
Add a comment

Your name *

Your e-mail *

Your message