Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор существующих методов и технических решений, лежащих в основе систем контроля теплового режима 17
1.1 Методы моделирования тепловых режимов зданий и отдельных помещений 18
1.2 Контроль теплового режима помещений – способы нахождения коэффициентов теплоотдачи отопительных приборов, коэффициентов теплопередачи через внутренние и внешние ограждения 24
1.3 Использование автоматизированных систем контроля теплового режима помещений 31
1.4 Выводы по первой главе 42
Глава 2 Математическая модель и методы контроля теплового режима помещений 43
2.1 Метод балансных дифференциальных уравнений 44
2.2 Учет влияния воздушного массообмена на тепловой режим 54
2.3 Уравнение для отопительного прибора 59
2.4 Другие источники тепловой энергии 63
2.5 Контроль теплового режима помещений 67
2.6 Выводы по второй главе 72
Глава 3 Экспериментальные исследования 74
3.1 Постановка задачи 74
3.2 Исследование эффективности теплоотдачи отопительных приборов 75
3.3 Исследование эффективности удержания тепла в помещении 80
3.4 Нахождение эффективной теплоемкости помещения (исследование способности помещения аккумулировать тепло) 82
3.5 Работа системы в режиме управления 87
3.6 Оценка погрешностей 95
3.7 Выводы по третьей главе 100
Глава 4 Автоматизированная система контроля теплового режима в производственном помещении 102
4.1 Состав и структура автоматизированной системы 103
4.2 Основные технические характеристики 106
4.3 Описание и обоснование выбранных технических решений 109
4.4 Расчеты, подтверждающие работоспособность и надежность разрабатываемой системы 118
4.5 Реализация автоматизированной системы 126
4.6 Проведение исследований с помощью автоматизированной системы контроля теплового режима 142
4.7 Выводы по четвертой главе 147
Заключение 148
Список литературы 149
Список сокращений 160
Приложение А. Акты о внедрении 161
Приложение Б. Патенты 164
Приложение В. Описание характеристик АСКУЭ 168
- Контроль теплового режима помещений – способы нахождения коэффициентов теплоотдачи отопительных приборов, коэффициентов теплопередачи через внутренние и внешние ограждения
- Контроль теплового режима помещений
- Работа системы в режиме управления
- Описание и обоснование выбранных технических решений
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Актуальность диссертационной работы заключается в решении
задач, характерных для любого предприятия промышленного
производства – обеспечение и поддержание требуемого
микроклимата помещений для производственных процессов и комфортных условий труда, а также снижение себестоимости выпускаемой продукции за счет экономии тепловой энергии, повышения энергетической эффективности здания.
Решение выше озвученных задач можно найти в применении непрерывного контроля теплового режима отдельных помещений и здания в целом на этапах ввода здания в эксплуатацию и самой эксплуатации. Это достигается путем измерения в реальных условиях температур объектов и обработки результатов с помощью предложенной математической модели, состоящей из нелинейных дифференциальных балансных уравнений для средних температур отопительного прибора, воздуха и ограждающих конструкций помещения. В отличие от известных технических решений, тепловые параметры (коэффициент теплоотдачи отопительного прибора и коэффициент теплопередачи через ограждающие конструкции) находятся оперативно из экспериментальных исследований в динамическом режиме.
Таким образом, вопросы построения и анализа
автоматизированных систем контроля теплового режима в
производственных помещениях представляют существенный
интерес при проведении теоретических и экспериментальных
исследований эффективности работы отопительных приборов и
величины вклада вторичных источников тепла (например,
промышленных станков и другого технологического
оборудования), эффективности накопления и удержания тепла в
помещении ограждающими конструкциями. Также в прикладном
плане – при создании средств автоматизации и электронных
устройств, которые могут измерять и контролировать тепловой режим помещения и потребляемую тепловую энергию и, с помощью систем обратной связи, управлять этими процессами с целью экономии тепловой энергии и создания комфортных условий
для производственной деятельности. Исследования в данной области изложены в работах отечественных и зарубежных ученых (в алфавитном порядке): Богословского В.Н., Бродач М.М., Васильева Г.П., Зоновой А.Д., Ливчака В.И., Медведева В.А., Низовцева М.И., Пуговкина А.В., Сасина В.И., Табунщикова Ю. А., Федюка Р.С., Цветкова Н.А., Черепанова В.Я., Щекина Р.В., Balajia N.C., Di Perna C., Francesco Calvino, Hua Xianzhe, Kuk-Se Kim, Maria La Gennusa, Monto Manib B.V., Principi P., Pukhkal V., Rocha P., Ruffini E., Sun-Kuk Noh, Sung-Ju Oh, Wan-Young Chung, Yoo-Kang Ji.
Объектом исследования являются помещения в
производственных зданиях на стадии проектирования,
эксплуатации, реконструкции.
Предметом исследования являются тепловой режим
помещения, коэффициенты теплоотдачи отопительного прибора, коэффициенты теплопередачи через ограждающие конструкции, теплоемкости.
Цель диссертационной работы заключается в проведении исследований по автоматизации контроля теплового режима в производственных помещениях, разработке и исследовании алгоритмов нахождения тепловых параметров помещений.
В соответствии с поставленной целью предусмотрено решение следующих задач:
-
Определить недостатки известных технических решений и способов контроля теплового режима и учета потребляемой тепловой энергии в отдельном помещении, а также выявить пути решения существующих проблем.
-
Выполнить математическое и компьютерное моделирование теплового режима помещений на основе системы нелинейных дифференциальных балансных уравнений.
3. Разработать способ и алгоритм измерения эффективности
отопительных приборов путем оперативного нахождения
коэффициента теплоотдачи прибора в заданном температурном
диапазоне непосредственно в условиях эксплуатации.
4. Разработать способ и алгоритм оценки эффективности
накопления и удержания тепла в помещении путем измерения
коэффициентов теплопередачи через ограждающие конструкции и эффективной теплоемкости помещений.
5. Получить экспериментальные результаты для
подтверждения адекватности разработанных способов путем
решения задачи, обратной моделированию – по измеренным
температурным зависимостям с помощью системы нелинейных
дифференциальных уравнений вычислить параметры теплового
режима помещения.
6. Спроектировать автоматизированную систему контроля
теплового режима помещения с использованием предложенных
алгоритмов.
7. Провести натурные исследования с помощью
автоматизированной системы контроля теплового режима
помещений.
Методы исследования.
Для достижения поставленной цели и связанных с ней задач в
работе использовались методы решения линейных и нелинейных
дифференциальных уравнений, методы математического
моделирования, численные методы анализа, корреляционный анализ.
Научная новизна.
-
Предложен динамический метод анализа системы теплоснабжения помещений, отличающийся от известных тем, что параметры математической модели, состоящей из нелинейных дифференциальных балансных уравнений, находятся из экспериментальных исследований путем решения обратной задачи, когда тепловой режим приводится в нестационарное состояние путем нагревания или охлаждения помещения. Это позволяет учесть индивидуальные особенности системы теплоснабжения помещения (тип и состояние источников тепла, состояние ограждающих конструкций, наличие в помещении мебели и других предметов, а также людей и энергетически активных приборов).
-
Предложен новый способ измерения коэффициента теплоотдачи отопительного прибора, позволяющий определить эффективность отопительных приборов с учетом их индивидуальных особенностей и условий теплообмена, отличающийся от известных тем, что нахождение коэффициента
производится оперативно в реальных условиях эксплуатации отопительного прибора с высокой точностью (Способ измерения сопротивления теплоотдачи отопительного прибора : пат. 2566640 Рос. Федерация : МПК G01K 17/00 / заявители и патентообладатели Пуговкин А.В., Купреков С.В., Муслимова Н.И. № 2012134982/28; заявл. 15.08.12 ; опубл. 27.10.15, Бюл. № 30.).
-
Предложен способ нахождения коэффициента теплопередачи через ограждающие конструкции, который позволяет оценить величину утечки тепла через внешнее ограждение помещения в режиме реального времени, отличающийся от известных тем, что нахождение коэффициента производится непосредственно из эксперимента в условиях эксплуатации, согласно уравнению теплового баланса помещения.
-
Аппаратно-программный комплекс для непрерывного контроля теплового режима помещений, на основе предложенных в работе математической модели и способов отличается от известных тем, что позволяет одновременно, с использованием одних и тех же температурных датчиков, провести учет тепловой энергии и непрерывный инструментальный контроль системы теплоснабжения в реальном масштабе времени.
Практическая значимость.
1. Предложен способ измерения эффективности отопительных
приборов (экспресс анализ).
2. Предложен способ измерения эффективности удержания
тепловой энергии в помещении.
Использование в производственном процессе
автоматизированной системы непрерывного контроля теплового режима помещений, на основе предложенных в работе математической модели и способов, позволяет:
– обеспечить быстродействие и оперативность при измерении коэффициента теплоотдачи отопительного прибора в условиях эксплуатации;
– снизить стоимость и трудозатраты при внедрении и эксплуатации системы;
– обеспечить точность измерения коэффициента теплоотдачи отопительного прибора, необходимую для применения в условиях эксплуатации (с отклонением не более 4%);
– оценить потери тепловой энергии, излучаемые через внешние ограждения;
– организовать учет вторичных источников тепла (например,
промышленных станков и другого технологического
оборудования);
– сопоставить проектные показатели зданий с фактическими при сдаче в эксплуатацию и оценить параметры ограждающих конструкций в процессе эксплуатации.
Внедрение результатов исследования.
Результаты диссертационной работы используются в составе программного обеспечения «Системы мониторинга и учета тепла ООО «ЭТИС» и применяются в производственном помещении проливной установки, что подтверждается актом. Кроме того, результаты исследования внедрены в учебный процесс ТУСУРа на кафедре телекоммуникаций и основ радиотехники.
Результаты исследований вошли в отчеты по НИРиОКР по
комплексному проекту, выполняемому совместно с ЗАО «ПКК
Миландр» в рамках ПП РФ № 218 по теме: «Разработка
гетерогенной автоматизированной системы мониторинга
потребляемых энергоресурсов, программного обеспечения, а также разработка и реализация проектно-сметной документации на развертывание и проведение натурных испытаний системы на объектах». Шифр «2014-218-05-1708-ТУСУР (х/д № 29/14).
Степень достоверности результатов.
Достоверность результатов и выводов работы обеспечивается
строгостью используемых математических методов,
обоснованностью принятых допущений, адекватностью
используемой математической модели; основывается на
результатах экспериментальных исследований отопительных
приборов и теплового режима помещений, полученных в лабораторных условиях и в реальных условиях эксплуатации, их соответствии с результатами моделирования, а также, в частных случаях с экспериментальными результатами других авторов.
Положения, выносимые на защиту.
1. Применение динамических методов в сочетании с
математической моделью, состоящей из нелинейных
дифференциальных балансных уравнений, позволяет провести
анализ системы теплоснабжения помещения и синтез
автоматизированной системы контроля теплового режима в производственном помещении.
Соответствует пункту 10 паспорта специальности: Методы синтеза типовых модулей функциональных и обеспечивающих подсистему АСУТП.
2. Динамический режим работы отопительных приборов
позволяет с помощью балансных дифференциальных уравнений,
путем обработки измеренных значений средних температур
поверхности отопительного прибора и воздуха помещения,
реализовать алгоритм и аппаратное обеспечение оперативного
нахождения коэффициента теплоотдачи отопительного прибора.
Соответствует пункту 2 паспорта специальности:
Автоматизация контроля и испытаний.
3. Автоматизированная система позволяет сочетать
непрерывный инструментальный контроль тепловых режимов
отдельных помещений и здания в целом на этапах ввода здания в
эксплуатацию и самой эксплуатации с измерением потребляемой
тепловой энергии без дополнительных финансовых затрат, за счет
использования одних и тех же температурных датчиков.
Соответствует пункту 2 паспорта специальности:
Автоматизация контроля и испытаний.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы
докладывались на одной Зарубежной, трех Международных и пяти
Всероссийских научно - технических конференциях, среди которых:
Conference of Environmental and Climate technologies «CONECT
2015» (Рига, Латвия, 2015); IV Международная научно-
практическая конференция «Энергосбережение в системах тепло- и
газоснабжения. Повышение энергетической эффективности»
(Санкт-Петербург, 2013); II Всероссийская научная
конференция с международным участием «Энерго- и
ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий» (Новосибирск,
2015); Всероссийская научно-техническая конференция студентов,
аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР» (Томск,
2010–2013); Конференция молодых специалистов ОАО
«Связьтранснефть» и студентов ТУСУР на лучшую научно-техническую разработку (Томск, 2010).
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 18 работ, из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК; 2 статьи в журналах, рецензируемых Scopus; 1 монография, 2 патента на изобретение; 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад автора.
Основные результаты диссертации получены лично автором
или при непосредственном его участии. Автором лично определены
задачи, решаемые в работе; собраны и обобщены в виде
аналитического обзора библиографические сведения по теме
диссертации; выполнено математическое и компьютерное
моделирование теплового режима помещений; проведен сбор и
анализ экспериментальных данных; осуществлено компьютерное
оформление всего графического материала. Предложен и
теоретически обоснован способ измерения коэффициента
теплоотдачи отопительного прибора, проанализированы основные
характеристики устройства измерения коэффициента теплоотдачи
(диапазон измерения температур, точность измерения, время
измерения), выявлена возможность проведения измерений
коэффициента теплоотдачи отопительного прибора в условиях
эксплуатации. Разработаны способ и алгоритм оценки
эффективности накопления и удержания тепла в помещении,
проведен эксперимент в условиях эксплуатации. Исследования на
экспериментальной установке проведены совместно с
сотрудниками кафедры ТОР ТУСУР С.В. Купрековым, С.И. Абрамчуком и В.С. Степным. Автором совместно с научным руководителем, д.т.н., профессором А.В. Пуговкиным осуществлен выбор направления исследований и сформулирована цель работы.
Структура и объем работы.
Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение,
список использованной литературы, содержащий 103
наименования. Общий объем диссертации составляет 172 страниц машинописного текста, включающий 44 рисунка и 10 таблиц.
Контроль теплового режима помещений – способы нахождения коэффициентов теплоотдачи отопительных приборов, коэффициентов теплопередачи через внутренние и внешние ограждения
Температура наружного воздуха непрерывно изменяется, в связи с чем изменяется температура поверхностей ограждений, нагревательных приборов и т.д. Все эти факторы влияют на тепловой режим помещения. Поэтому, решая задачу контроля теплового режима помещений, необходимо знать реальные параметры тепловых объектов, а именно:
- коэффициент теплоотдачи отопительного прибора;
- коэффициент теплопередачи внешнего ограждения;
- коэффициент теплопередачи внутреннего ограждения.
Существуют различные способы и варианты расчета коэффициента теплоотдачи отопительного прибора Оист, согласно учебным и справочным пособиям, например, [46-47]. Однако, нас интересует практическая сторона нахождения данного коэффициента в условиях эксплуатации отопительных приборов.
Таким образом, коэффициент теплоотдачи отопительного прибора Gист можно определить из закона Ньютона-Рихмана, согласно которому тепловая мощность Ртепл , отдаваемая отопительным прибором, пропорциональна разности между средней температурой отопительного прибора Гист и средней температурой воздуха помещения Тв:
Ртепл=0ист-{Тист-Тв). (1.3)
Коэффициент теплоотдачи отопительного прибора характеризует способность отопительного прибора отдавать тепловую энергию и учитывает его индивидуальные особенности.
Коэффициент теплопередачи внешнего ограждения Gвн учитывает явления теплопроводности, конвекции и теплового излучения. Эта характеристика позволяет оценить эффективность внешнего ограждения помещений и зданий с учетом индивидуальных особенностей материалов стен, конструкций оконных проемов и степени их изоляции от внешней среды.
Далее рассмотрим известные способы нахождения коэффициента теплоотдачи отопительного прибора.
Как правило коэффициент теплоотдачи находится экспериментальным путем в специализированных лабораториях [48]. Нахождение данного коэффициента в реальных условиях сопряженно с трудностями, поскольку он зависит от типа отопительного прибора, его размещения в комнате, физического состояния (окраска, зашлакованность и т.п.). Несмотря на это, предприняты попытки нахождения коэффициента теплоотдачи и вычисление тепловой энергии для отдельного отопительного прибора.
В работе [49] нахождение коэффициента теплоотдачи предполагается осуществлять через усредненный суммарный коэффициент теплоотдачи Gср, характеризующий всю совокупность отопительных приборов. Исходя из равенства теплового баланса, средний коэффициент Gср вычисляется как отношение мощности, потребляемой зданием, к произведению числа отопительных приборов на среднюю разность температур отопительных приборов и воздуха. Зная величину среднего коэффициента теплоотдачи, можно определить количество тепловой энергии, потребленной п-м потребителем. Для этого необходимо учесть тип отопительного прибора введением корректирующего коэффициента. Недостатком описанного метода является большая погрешность при нахождении корректирующих коэффициентов для отдельного отопительного прибора.
На измерение тепловой энергии в отдельном помещении претендует фирма ООО «ИВК - Саяны» [50]. «Саяны» придерживаются следующей концепции: для каждого типа отопительного прибора коэффициент теплоотдачи находится либо расчетным путем, либо путем измерения в специальной лаборатории. Однако значение коэффициента теплоотдачи в реальных условиях эксплуатации зависит от индивидуальных особенностей как отопительного прибора, так и помещения в целом, что было подчеркнуто выше. Кроме того, значение коэффициента теплоотдачи зависит от величины температурного напора, что в данном методе либо не учитывается, либо учитывается приближенно.
Кроме того, известен способ [51] определения значений радиаторных коэффициентов для чугунных радиаторов экспериментально из стендовых испытаний. Этот способ базируется на экспериментальных исследованиях в лабораторных условиях, не учитывает индивидуальных особенностей каждого отопительного прибора и изменение его характеристик в процессе эксплуатации. Применение в измерениях теплосчетчика требует врезки в трубопровод и вносит значительные погрешности.
Известно устройство [52] учета расхода тепловой энергии отопительного прибора, содержащее блок вычисления коэффициента теплоотдачи, определяемого по прямолинейной зависимости от разности температур: a = fAtx 0,03 + 3. Однако, эти решения приводят к усложнению способа нахождения коэффициента теплоотдачи или обуславливают низкую точность его определения.
Известен способ [53] определения расхода тепла локальными потребителями (помещения), входящими в объединенную систему потребителей тепла (здание), который предполагает определение расхода тепла объединенной системы потребителей тепла (с помощью теплосчетчика) за конкретное время, измерение разности температур на поверхности теплоисточника локального потребителя тепла и охлаждающей среды локального потребителя тепла. Затем по формуле Ньютона-Рихмана определяют средний коэффициент теплоотдачи по объединенной системе потребителей тепла (по расходу тепловой энергии на все здание, площади поверхности отопительных приборов и средней разности температур всего здания). С помощью данного коэффициента определяют расход тепла локальным потребителем за конкретное время.
Недостаток данного способа заключается в том, что найденный средний коэффициент теплоотдачи по объединенной системе потребителей тепла подразумевает наличие у каждого потребителя теплоисточников (отопительных приборов) одного типа, отличающихся лишь количеством секций, что зачастую не соответствует действительности. Отсутствие учета индивидуальных особенностей отопительных приборов вызывает резкое увеличение погрешности измерений. Кроме того, при измерениях отдельные отопительные приборы могут быть включены не на полную мощность, что также вносит дополнительные неточности.
Известно также устройство [54] для измерения теплового сопротивления (величина, обратная коэффициенту теплооотдачи), содержащее источник тепловой энергии, измеритель температуры, электронный блок обработки. Недостатком данного решения является его сложность, невозможность использования в условиях эксплуатации зданий и сооружений. Это устройство не может учитывать индивидуальные особенности каждого теплового источника и изменение его характеристик в процессе эксплуатации. В связи с этим значение теплового сопротивления для отдельного источника тепла будет иметь большой разброс по отношению к измерениям, выполненным в лабораторных условиях для эталонного образца. Из практики эксплуатации отопительных приборов известно, что этот разброс достаточно высок.
Известно устройство для измерения теплового сопротивления отопительной системы отдельного помещения, содержащее m датчиков для измерения средней температуры воздуха помещения и n датчиков для измерения средней температуры внутреннего ограждения помещения, а также датчик температуры внешней среды и датчик температуры отопительного прибора, выходы которых связаны с входами микропроцессорного контроллера для сбора и передачи информации, шина связи которого подключена к входной шине устройства обработки данных [55]. Всего в данном устройстве измеряются значения четырех температур.
В основе изобретения [55] лежит способ динамического изменения теплового режима помещения во времени, когда температуры воздуха и внутренних ограждений помещения принудительно меняются во времени, например, путем охлаждения помещения. В данном способе измерения теплового сопротивления учитываются индивидуальные особенности отопительного прибора, но возникают недостатки: наличие избыточных измерений температур (четыре измерения вместо двух), что понижает точность вычисления теплового сопротивления; возникновение погрешности из-за низкого перепада величин температур воздуха и внутренних ограждений помещения; для измерения теплового сопротивления необходимо проводить сложный эксперимент, связанный с охлаждением помещения.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что известные технические решения применяют коэффициент теплоотдачи отопительного прибора, найденный по справочным данным, либо при измерении в лабораторных условиях. Т.е. при нахождении коэффициента теплоотдачи не учитываются реальные условия эксплуатации отопительного прибора. Все это не позволяет обеспечить высокую точность измерения тепловой энергии, отдаваемой отопительным прибором с учетом его индивидуальных особенностей, а также снизить стоимость и трудозатраты при внедрении и эксплуатации устройства или системы на основе вышеописанных способов.
Контроль теплового режима помещений
Задача мониторинга (контроля) включает в себя анализ теплового режима как отдельного помещения, так и здания в целом; анализ влияния на тепловой режим таких факторов, как эффективность работы отопительных приборов; влияния на тепловой режим помещения внешней среды, т.е. температуры воздуха внешней среды, ветровой нагрузки и пр. Решение этой задачи производится нами путем измерения в реальных условиях температур объектов и обработке результатов с помощью математической модели (2.11).
Система уравнений (2.11) устанавливает взаимосвязь коэффициентов теплопередачи во всей цепочке подведения, преобразования и рассеяния тепловой энергии, а именно: теплоноситель - отопительный прибор - воздух - ограждения. Реальная оценка каждого из этих соотношений в конкретных условиях работы позволяет определить влияние различных параметров на процесс теплообмена.
Наибольший интерес данная математическая модель представляет при решении задачи, обратной моделированию - нахождения искомых параметров уравнений из экспериментального исследования. Тепловой режим приводится в нестационарное состояние путем нагревания или охлаждения помещения, при обработке полученной температурной зависимости находятся коэффициенты теплоотдачи отопительных приборов, коэффициенты теплопередачи через внешние и внутренние ограждения, теплоемкости элементов помещения.
Рассмотрим возможность исследования и измерения коэффициента теплоотдачи в динамическом режиме, когда изменяются как тепловая мощность, так и температура поверхности отопительного прибора [24, 63]. Для этого рассмотрим третье уравнение теплового баланса отопительного прибора системы (2.11).
Если прекратить подачу теплоносителя (М = О), то из третьего уравнения системы (2.11) можно найти коэффициент теплоотдачи:
Процедура измерения заключается в следующих действиях:
- нахождение температуры остывающего отопительного прибора как функции времени Тист. = f (t);
- измерение температуры воздуха, которая в пределах интервала наблюдения является постоянной величиной;
- сглаживание полученных данных методом простой скользящей средней. Величину скользящего окна выбираем так, чтобы перепад температур в окне был не более 1 C.
- выбор точки калибровки в середине наблюдаемого участка от ТН до ТВ на кривой функции Tист = f(t). При этом, период наблюдения может составлять от минуты до нескольких суток, причем температура отопительного прибора в точке калибровки может лежать во всем диапазоне измеряемых температур;
- нахождение скорости изменения температуры отопительного прибора во времени ист dt на участке остывания. Участок состоит из п точек, где п минимальное количество отсчетов, при котором температура радиатора упадет на величину, не менее 3C (и выбираем нечетное).
- вычисление коэффициента теплоотдачи по формуле (2.13). Теплоемкость отопительного прибора задается справочно, либо измеряется в лаборатории.
Блок-схема алгоритма расчета коэффициента теплоотдачи приведена на рисунке 4.13 в разделе 4.5.
В данном случае коэффициент теплоотдачи измеряется для каждого отопительного прибора с учетом его индивидуальных особенностей, в отличие от аналогов, когда коэффициент находится из справочной литературы или путем измерения в специализированных лабораториях [48]. Алгоритм реализуется в условиях эксплуатации при прекращении подачи теплоносителя в стояке системы отопления. Еще одним достоинством такого алгоритма является то, что он учитывает зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора (Тист- 1), учитывается конвекция и др. Это следует из дифференциального характера уравнения (2.13). При решении обратной задачи (нахождение Оист) нелинейность будет учитываться.
Представим коэффициент теплоотдачи в виде суммы радиационной и конвективной составляющих. Радиационная составляющая описывается формулой Стефана - Больцмана, которую можно представить в виде степенного ряда
Коэффициенты данного ряда зависят только от температуры воздуха помещения, которую можно измерить.
Конвективная составляющая также описывается нелинейной функцией разности температур, которую также представим в виде степенного ряда.
Зная коэффициент Gист нетрудно вычислить тепловую мощность и количество тепловой энергии, отдаваемой отопительным прибором согласно третьему уравнению системы (2.11). Процесс измерения потребляемой тепловой энергии осуществляется в три этапа.
1. На первом этапе (калибровка) находится коэффициент теплоотдачи отопительного прибора вист. На этом этапе будем считать, что тепловой режим является нестационарным. Температура отопительного прибора изменяется во времени. С помощью температурных датчиков в ключевых точках измеряются температуры поверхности отопительного прибора и воздуха помещения.
2. На втором этапе находится тепловая мощность. На этом этапе отопительная система находится в рабочем состоянии (режим эксплуатации). С помощью тех же самых средств измерения производится измерение температур воздуха и поверхности отопительного прибора. Эти данные поставляются в уравнение Ньютона-Рихмана (1.3), в котором коэффициент теплоотдачи представляется выражением (2.13).
3. На третьем этапе вычисляется тепловая энергия, отдаваемая отопительным прибором за весь период наблюдения. Для перехода от тепловой мощности к тепловой энергии мгновенные значения тепловой мощности суммируются (интегрируются) во времени
В общем случае At, может являться функцией средней рабочей температуры, которая изменяется во времени (например, сутки, месяц, отопительный сезон).
При этом стоит учесть, что основной вклад в погрешность нахождения коэффициента Gист вносит аддитивная составляющая погрешности определения температурного напора Т. Поскольку разность температур находится с помощью одного температурного датчика, влияние аддитивной составляющей близко к нулю. Мультипликативная составляющая ошибки нахождения производной по формуле (2.13) dТ истdt будет мала, поскольку такая же ошибка присуща измерению температурного напора Т. При выполнении операции деления, согласно (2.13), эти ошибки компенсируют друг друга.
При вычислении количества тепловой энергии 23 происходит суммирование случайной величины, флуктуирующей относительно величины (Т1ист-Т1). При этом происходит дальнейшее уменьшение погрешности измерений [25].
Известное значение Gист позволяет нам решить задачу нахождения остальных параметров уравнения (2.11). Для этого необходимо установить стационарный температурный режим помещения dT1/dt = 0. Температура внешней среды не изменяется. При допущении, что Т!=Т2, в одной временной точке выбрать исходные данные для расчета: Тист; Ттеш; Т} = Тсм = Т2, AT. Подставляя эти данные и известное значение Gист в первое уравнение системы (2.11) можно найти Gвнеш по формуле: G" = (Т1-твнеш) . (2.15)
Известное значение коэффициента теплопередачи окружающего воздуха позволяет оценить величину утечки тепла через внешнее ограждение помещения в режиме реального времени.
Таким образом, мы видим, что в соответствии с первым уравнением системы (2.11) в стационарном состоянии, когда воздух в помещении не меняется (окно и дверь закрыты), вся тепловая мощность, поступающая от отопительного прибора, должна расходоваться через внешние и внутренние ограждающие конструкции. Мы можем оценить состояние внешних и внутренних ограждений и принять необходимые меры для повышения эффективности использования энергии при известной величине тепловых утечек.
Работа системы в режиме управления
Управление тепловым режимом заключается в регулировании температуры воздуха помещения в соответствии с некоторыми условиями или правилами [85]. Например, поддержание в помещении комфортной температуры воздуха в течение всего отопительного сезона. Другой случай, когда температура воздуха меняется в течение суток. Применительно к офисным помещениям в рабочее время температура должна быть комфортной, во внерабочее – пониженной. В жилых помещениях возможно подобное изменение температурного режима, когда на время отсутствия жильцов температура может быть ниже комфортной. В случае осенних и весенних перетопов также необходима регулировка температуры. Возможны и другие, более сложные режимы.
Применительно к зданию и его отдельным помещениям используются следующие варианты регулирования:
- изменение температуры или расхода теплоносителя на выходе из общедомового теплового узла. Это регулирование может быть ручным, полуавтоматическим или автоматическим и меняет тепловой режим всего здания в целом;
- регулирование температуры или расхода теплоносителя в каждом стояке. Этот метод позволяет дифференцировать тепловые режимы части помещений по отношению к другим. Однако такое «общее» регулирование может не удовлетворять некоторых потребителей;
- регулирование на уровне отдельной квартиры. Такое регулирование с помощью теплового потока возможно только в системе горизонтальной разводки. В системах с вертикальной разводкой регулирование теплового режима возможно в случае применения дополнительной принудительной вентиляции (подачи теплого воздуха);
- регулирование на уровне отдельного помещения. Здесь возможен ряд вариантов: регулирование теплового потока в каждом отопительном приборе с помощью ручных или автоматических теплорегуляторов, регулирование воздушным тепловым потоком, регулирование с помощью электрических обогревателей.
Для проведения более детального анализа был применен спектральный подход. Одним из достоинств этого метода является то, что система дифференциальных уравнений заменяется на систему алгебраических уравнений, это позволяет получить решения в аналитической форме.
3.5.1 Спектральный подход
Дополнительную информацию о тепловых процессах в зданиях и помещениях можно получить, используя спектральный подход. Суть его заключается в том, что все функции, зависящие от времени, представляются в виде ряда или интеграла Фурье. В уравнениях (3.1) неизвестными являются спектральные функции температур воздуха, ограждений и отопительного прибора. Внешние условия также могут быть заданы спектральными функциями температуры внешней среды, температуры входного теплового потока, скорости подачи теплоносителя и др. Одним из достоинств этого метода является то, что система дифференциальных уравнений заменяется на систему алгебраических уравнений. Это позволяет получить решения в аналитической форме и проводить более детальный анализ. Особое внимание следует уделить третьему уравнению в системе (3.1). В правой части этого уравнения стоит произведение функций времени M(t)Tвх(t)-M(t)Tвых(t). Спектр произведения двух функций времени равен свертке их спектров [86]. Это обстоятельство усложняет анализ третьего уравнения. Ситуация упрощается, если входной тепловой поток постоянный: M{t) = const. В другом частном случае, когда Гвх(t) = const, избавиться от свертки не удается.
Найдем решения данной системы для отдельного помещения в ряде частных случаев.
1. Температуры источника и внешней среды не зависят от времени. Тогда система из трех уравнений сводится к системе двух уравнений.
Выражение (3.3) называют дисперсионным уравнением [86]. Из этого уравнения можно сделать следующий вывод. Динамика теплового режима помещения Тх (со) зависит не только от параметров самого помещения С1, Gист, Gвнеш, но и от параметров ограждения C2,Gк,Gсм. Для дальнейших расчетов необходимо задавать функцию Гист(со) или Гвнеш(со) и решать систему уравнений (3.1) с использованием дисперсионного уравнения (3.3).
2. Температура внешней среды является периодической функцией времени. Как правило, период равен 1 суткам. Вводя упрощения, что температуры воздуха и внутреннего ограждения равны, а температура источника постоянна, получим выражение для спектральной функции температуры воздуха помещения
Отсюда видно, что данная функция носит комплексный характер. Если найти отношение спектральных функций температур воздуха и внешней среды – комплексный коэффициент передачи, то можно заметить, что он содержит амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) – модуль, и фазочастотную характеристику (ФЧХ) – аргумент [86].
АЧХ характеризует степень влияния температуры внешней среды на температуру воздуха в помещении. ФЧХ характеризует задержку этого влияния во времени (инерционность системы).
АЧХ спектральной функции (3.4) имеет вид
3. Температура отопительного прибора является функцией времени, воздух и внутренние ограждения мало влияют на батарею.
Рассмотрим третье уравнение системы (3.1). Вводя упрощение, что входной тепловой поток M(t) = const, получим выражение для спектральной функции температуры отопительного прибора
Рассмотрим схемы автоматического регулирования для отдельного помещения. Для этого нам нужно применить математические модели, рассмотренные ранее, и ввести в них регулировочные характеристики, а именно зависимость температуры воздуха в помещении от расхода теплоносителя в отопительном приборе, от скорости теплового воздушного потока, от электрической мощности, отдаваемой электронагревателем. 1. Регулировка теплового потока в отопительном приборе. В этом случае наиболее уместна регулировка расхода теплоносителя М. В третьем уравнении системы (2.11) величину М заменяем на М0 - аМ (T 1 - T 1 ), где М0 - средний поток, задаваемый потребителем; Г1р - рабочая температура, задаваемая потребителем.
При заданной рабочей температуре Г1р система функционирует следующим образом. С понижением температуры внешней среды температура воздуха в помещении уменьшается (Т1 T1 р ), следовательно, должен быть увеличен расход теплоносителя, т.е. к среднему заданному потоку М 0 добавится дополнительный поток, описываемый членом хМ (21 - Z1 р). Аналогичные процессы происходят при увеличении температуры внешней среды.
Описание и обоснование выбранных технических решений
С учётом выдвинутых для системы требований необходимо выбрать следующие ее узлы:
- термодатчик;
- микроконтроллер;
- приёмопередатчик;
- антенны;
- интерфейс для общения УСПД с сервером;
- источник питания радиомодема;
Датчики температуры. Нами анализировались два типа термодатчиков, наиболее соответствующие описанным выше требованиям: ADT7410 (Analog Devices) и DS18B20 (Dallas Semiconductor).
Основные характеристики этих термодатчиков представлены в таблице 4.1.
Наиболее существенным отличием этих термодатчиков является их интерфейс связи. За счёт использования интерфейса 1wire датчик DS18B20 имеет всего 3 вывода, вместо 4 у ADT7410. Так же ещё одним преимуществом интерфейса 110 1wire является возможность паразитного питания за счёт передаваемых данных. Таким образом количество используемых выводов можно сократить до двух. При этом из-за меньшего количества выводов датчик DS18B20 представлен в более удобном форм-факторе.
Для измерения температур воздуха помещения, ограждений и теплового прибора были выбраны цифровые измерители температуры DS18B20 с разрешением преобразования 9 - 12 разрядов и функцией тревожного сигнала контроля за температурой. Параметры контроля могут быть заданы пользователем и сохранены в энергонезависимой памяти датчика.
DS18B20 обменивается данными с микроконтроллером по однопроводной линии связи, используя протокол интерфейса 1-Wire.
Питание датчик может получать непосредственно от линии данных, без использования внешнего источника. В этом режиме питание датчика происходит от энергии, запасенной на паразитной емкости.
Диапазон измерения температуры составляет от -55 до +125 C. Для диапазона от -10 до +85 C погрешность не превышает 0,5 C.
У каждой микросхемы DS18B20 есть уникальный серийный код длиной 64 разряда, который позволяет нескольким датчикам подключаться на одну общую линию связи. Т.е. через один порт микроконтроллера можно обмениваться данными с несколькими датчиками, распределенными на значительном расстоянии. Режим крайне удобен для использования в системах экологического контроля, мониторинга температуры в зданиях, узлах оборудования.
Микроконтроллер.
Исходя из выдвинутых требований, основной выбор микроконтроллера делался из линейки STM32L, обладающей лучшими параметрами в области энергопотребления. Наилучшими характеристиками обладает микроконтроллер STM32L432.
Основные характеристики микроконтроллера STM32L432:
- Напряжение питания 1.7-3.6 В;
- Потребление в рабочем режиме – 360 мкА;
- Потребление в спящем режиме с ЧРВ – 0.26 мкА;
- 11 таймеров;
- 256 Кбайт flash-памяти;
- Поддержка USB 2.0, I2C, SPI, USART;
- Отладочный интерфейс SWD;
- Цена – 2.6$; Приемопередатчик.
Лидерами в сфере разработки приёмопередатчиков любительских диапазонов на данный момент являются фирмы Texas Instruments, Analog Devices и Semtech International. Каждая из этих фирм выпускает довольно широкие линейки приемопередатчиков разных частотных диапазонов. Наиболее подходящими под поставленные задачи являются трансиверы CC1120, ADF7023 и SX1233В качестве микросхемы беспроводного приемопередатчика выбрана СС1120, имеющая характеристики, указанные в таблице 4.2.
Антенны. При выборе антенны рассмотрим два типа – штыревые полуволновые и chip-антенны [98].
Преимуществом chip-антенн являются их небольшие габариты, позволяющие располагать их прямо на плате. Из-за небольших габаритов меньше излучаемая мощность, а, следовательно, и дальность связи. В связи с этим решено было использовать штыревую антенну. Для диапазона 868 МГц полуволновая антенна имеет размер около 17 см, что достаточно сильно увеличит габариты радиомодема в квартире у потребителя. Но к радиомодему УСПД требования на габариты устройства не такие жесткие, что позволяет использовать на УСПД полуволновую антенну для увеличения радиуса зоны покрытия, а на Ведомый установить полуволновую антенну длинной около 8 см.
В качестве антенны для модема УСПД подходит антенна ANT 868 CW-HW SMA, а для модема измерителя - ANT 868 CW-RH SMA-M.
Интерфейс для общения УСПД с сервером. Для решения подобных задач обычно используются интерфейсы Ethernet и RS-485.
В классической сети Ethernet применяется 50-омный коаксиальный кабель двух видов (толстый и тонкий). Однако в последнее время (с начала 90-х годов) большое распространение получает версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары. Определен также стандарт для применения в сети оптоволоконного кабеля. В стандарты были внесены соответствующие добавления. В 1995 году появился стандарт на более быструю версию Ethernet, работающую на скорости 100 Мбит/с (так называемый Fast Ethernet, стандарт IEEE 802.3u), использующую в качестве среды передачи витую пару или оптоволоконный кабель. Появилась и версия на скорость 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet, стандарт IEEE 802.3z).
Интерфейс RS-485 обеспечивает обмен данными между несколькими устройствами по одной двухпроводной линии связи в полудуплексном режиме. Широко используется в промышленности при создании АСУ ТП. RS-485 обеспечивает передачу данных со скоростью до 10 Мбит/с. Максимальная дальность зависит от скорости: при скорости 10 Мбит/с максимальная длина линии 113 - 120 м, при скорости 100 кбит/с - 1200 м. Количество устройств, подключаемых к одной линии интерфейса, зависит от типа примененных в устройстве приемопередатчиков. Один передатчик рассчитан на управление 32 стандартными приемниками. Выпускаются приемники со входным сопротивлением 1/2, 1/4, 1/8 от стандартного. При использовании таких приемников общее число устройств может быть увеличено соответственно: 64, 128 или 256. Стандарт не нормирует формат информационных кадров и протокол обмена. Наиболее часто для передачи байтов данных используются те же фреймы, что и в интерфейсе RS-232: стартовый бит, биты данных, бит паритета (если нужно), стоповый бит. Протоколы обмена в большинстве систем работают по принципу "ведущий-ведомый". Одно устройство на магистрали является ведущим (master) и инициирует обмен посылкой запросов подчиненным устройствам (slave), которые различаются логическими адресами.
Согласно полученным данным, каждый из этих интерфейсов способен удовлетворить требования, выдвигаемые на максимальную длину кабеля. В связи с этим ключевое значение в выборе интерфейса приобретает простота реализации интерфейса. В этом преимуществом обладает RS-485, так как его можно получить с микроконтроллера с помощью интерфейса USART и микросхемы-преобразователя, которых достаточно много на рынке, например, микросхема SP3485.
Батарея для радиомодема измерителя. Для обеспечения электропитания измерителя, в связи с выдвинутыми требованиями, принято решение использовать батарею.