Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ системы теплоснабжения как объекта управления 13
1.1. Анализ характеристик системы централизованного теплоснабжения 13
1.2. Анализ теплотехнических характеристик абонентских теплопотребляющих пунктов 17
1.2.1. Виды тепловой нагрузки систем теплоснабжения 17
1.2.2. Способы присоединения абонентских теплопотребляющих установок к тепловым сетям 18
1.3. Анализ факторов теплового режима здания 21
1.3.1. Регулируемые параметры теплового режима 21
1.3.2. Возмущающие воздействия 24
1.3.3. Вероятностные и детерминированные факторы теплового режима здания 28
1.4. Задачи и методы автоматического регулирования тепловым режимом здания 30
ГЛАВА 2. Построение областей качества энергосберегающего управления тепловым режимом здания 40
2.1. Идентификация теплового режима здания на основе вероятностно-статистического подхода 40
2.2. Оценка областей качества теплового режима здания по результатам эксперимента 48
2.3. Синтез областей качества энергосберегающего управления тепловым режимом здания 52
ГЛАВА 3. Оптимизация управления тепловым режимом здания в условиях неопределенности 65
3.1. Анализ методов решения задач оптимизации теплопотребления 65
3.1.1. Декомпозиция и выбор критерия качества 66
3.1.2. Динамическая и статическая постановка задачи оптимизации 67
3.1.3. Оптимизация по минимуму затрат тепловой энергии 70
3.1.4. Многоцелевая оптимизация режима потребления тепловой энергии 72
3.2. Синтез схемы и алгоритма оптимального управления системой теплопотребления 74
3.3. Применение аппарата теории игр для оптимизации управления системой теплопотребления 93
3.4. Динамические свойства системы отопления, состоящей из нескольких индивидуальных тепловых пунктов 96
ГЛАВА 4. Техническая реализация энергосберегающей системы автоматического регулирования тепловой энергии 104
4.1. Энергосберегающая система автоматического регулирования теплового режима административного здания 104
4.2. Энергосберегающая система автоматического регулирования тепловой энергии здания по ул. Каслинской г. Челябинска 109
4.3. Автоматизация системы отопления и горячего водоснабжения здания по ул. Воровского
г. Челябинска 115
4.4. САР на базе контроллера ТА2222 для автоматизации теплового пункта здания УМНС России по Челябинской области 121
4.5. Автоматизация системы отопления и горячего
водоснабжения здания в Советском районе г. Челябинска.. 130
Заключение 140
Литература 141
Приложения 150
- Способы присоединения абонентских теплопотребляющих установок к тепловым сетям
- Синтез областей качества энергосберегающего управления тепловым режимом здания
- Многоцелевая оптимизация режима потребления тепловой энергии
- Энергосберегающая система автоматического регулирования теплового режима административного здания
Введение к работе
Проблема управления качеством теплового режима зданий при минимальных затратах тепловой энергии является одной из важных проблем в области систем теплопотербления. Это связано, в первую очередь, с усложнением алгоритма управления вследствие применения системного подхода в отличие от традиционного, при котором объекты управления рассматривались как автономные.
Среди множества задач, возникающих при решении проблемы управления качеством теплового режима, значительный интерес представляют задачи, связанные с исследованием влияния переменных внешней среды, а также режимных параметров на их выходную характеристику — показатель качества (внутренняя температура). Поэтому актуальна задача разработки методов и систем управления, позволяющих оценивать влияние параметров внешней среды и систем отопления на показатель качества теплового режима здания.
Результаты исследований, содержащиеся в работе, позволяют ответить на вопрос: когда и как надо воздействовать на систему отопления, чтобы обеспечить при минимальных затратах тепловой энергии требуемые показатели качества теплового режима в условиях изменяющихся случайным образом компонентах вектора контролируемых возмущений.
В работе предложен подход к решению задачи управления тепловой энергией, основанный на аппроксимации области функционирования подсистем "внешней среды" и теплового режима совокупностью подмножеств, образованных номиналами режимных параметров и являющихся областями качественного управления независимо от состояния текущих компонент вектора контролируемых возмущений. Используя для характеристики области допустимого качества управления номиналы параметров функции отклика, в работе даются рекомендации по управлению показателем качества теплового режима в пространстве состояний подсистем "внешней среды" и отопления.
ВВЕДЕНИЕ
В условиях рыночной экономики и значительного повышения цен на энергоресурсы особую важность приобретает задача эффективного использования тепловой энергии в системах теплоснабжения и отопления. Современное развитие систем теплоснабжения и отопления направлено на повышение эффективности их функционирования, разработку и внедрение систем автоматического управления ими с привлечением для решения задач идентификации и управления процессами теплопотребления новейших результатов теоретических и прикладных исследований. Настоящая работа освещает вопросы, связанные с построением многофакторных математических моделей, отражающих статистическую взаимосвязь контролируемых, неконтролируемых и управляющих параметров с показателем качества теплового режима здания, применением при синтезе и управлении энергосберегающих систем автоматического регулирования тепловой энергии статистических методов оптимизации, методов назначения допусков, теории игр и построения областей допустимого качества. Внимание также уделяется разработке метода управления тепловым режимом здания в условиях неопределенности при минимальных затратах тепловой энергии.
Большинство существующих систем отопления жилых и общественных зданий работают в неуправляемом режиме [76] и нагревательные приборы в течение длительного времени имеют завышенную мощность, что ведет к массовому перегреву воздуха в помещениях, перерасходу тепловой энергии и снижению теплового комфорта.
Задача регулирования отпуска теплоты на отопление является весьма сложной, поскольку регулируемый параметр - температура отапливаемых помещений зависит от большого числа как внешних, так и внутренних факторов, важнейшими из которых являются [81]: температура наружного воздуха, скорость и направление ветра, солнечная радиация, т.е. факторы, имеющие вероятностный характер; теплоаккумулирующая способность зданий, внутренние тепловыделения; гидравлический и температурный режимы системы теплоснабжения; схемы присоединения потребителей к тепловой сети.
Неизбежные ошибки предсказания по статистическим моделям заставляют назначать уровни регулируемых параметров с определенным запасом, который гарантирует получение заданного качества теплового режима здания. Смысл же корректировки параметров регулирования заключается в том, чтобы этот запас был минимальным, а расход тепловой энергии на отопление и горячее водоснабжение находился в зоне оптимума для каждого вектора контролируемых возмущений или совокупности таких векторов, образующих подмножества, в пределах которых настроечные регулируемые параметры малочувствительны к изменению вектора контролируемых возмущений.
Реальные параметры на входе объекта теплопотребления под действием различных дестабилизирующих факторов отклоняются от расчетных значений в широких пределах, что заставляет рассматривать подсистему теплопотребления как усредненную и в определенном смысле как стохастическую.
Существуют следующие подходы к автоматическому регулированию расхода теплоты на абонентских тепловых пунктах: по отклонению регулируемого параметра (по температуре воздуха в контролируемых помещениях), по возмущению (изменению наружных климатических условий), комбинированные методы (по возмущению и отклонению) [81].
Первый способ позволяет использовать наиболее простые регуляторы и наиболее целесообразен для систем отопления с пофасадным разделением, но, вместе с тем, возникают определенные трудности с выбором представительных помещений, контроля состояния линий связи и датчиков [76]. По мнению ряда организаций, данный принцип не стимулирует потребителей тепловой энергии к ее экономии. [75]. Второй метод регулирования (по возмущению) на абонентских тепловых пунктах реализуется путем поддержания заданного температурного графика в системе отопления в зависимости от наружных метеоусловий. К недостаткам этого метода относят сложность наладки системы регулирования и трудности правильного учета внешних регулирования и трудности правильного учета внешних метеорологических факторов [80].
Уменьшение массы стеновых конструкций и повышение процента остекления в современных полносборных зданиях привело к снижению их тепловой устойчивости и усилению влияния колебаний погоды (возмущающих воздействий) на регулируемый параметр (температуру воздуха) в отапливаемых помещениях.
На региональной информационно-практической конференции "Средства водо и теплоучета, используемые в Уральском регионе. Проблемы учета" и на Международной выставке "Энергосбережение в наше время", проведенными в г. Челябинске в 1994-1995 г.г. отмечено, что идет процесс автоматизированного учета тепловой энергии в связи с ее резким удорожанием. Это позволяет в ряде случаев только лишь переложить деньги из кармана производителя тепловой энергии в карман потребителя, т. е. исключить необоснованные затраты на тепловую энергию по нагрузке. При этом экономии тепловой энергии не создается, а материальные затраты на установку приборов коммерческого учета тепловой энергии возрастают повсеместно.
Изложенное позволяет сформулировать цель работы: разработка энергосберегающей автоматизированной системы и метода оптимизации управления теплопотреблением здания в условиях неопределенности.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
1) анализ существующих методов и систем автоматизированного управления и автоматического регулирования расхода теплоты на абонентских тепловых пунктах;
2) разработка математической модели, отражающей взаимосвязь параметров внешней среды и системы теплопотребления с показателем качества теплового режима в виде эффективности управления; 3) построение областей качества, являющихся областями энергосберегающего управления в системах отопления зданий в условиях неопределенности;
4) разработка алгоритмической структуры функционирования энергосберегающей системы управления тепловыми режимами здания в условиях неопределенности, обеспечивающей реализацию режимных параметров, минимизирующих расход тепловой энергии;
5) анализ динамических свойств группы индивидуальных тепловых пунктов, объединенных коллектором со стороны источника питания или со стороны нагрузки, как объекта управления;
6) практическая реализация полученных результатов на объектах, являющихся потребителями тепловой энергии.
В первой главе приводится анализ существующей структуры и иерархии ступеней автоматического управления в системе централизованного теплоснабжения как объекта управления; сравниваются способы присоединения абонентских теплопотребляющих установок к тепловым сетям. При рассмотрении факторов теплового режима здания внимание уделяется регулируемым, управляющим и возмущающим параметрам, классификации их на вероятностные и детерминированные. Показаны, также, достоинства и недостатки различных методов автоматического управления отпуска теплоты на абонентских тепловых пунктах.
Во второй главе на основе анализа методов построения математических моделей управления режимами работы систем теплоснабжения выбирается и рассматривается вероятностно-статистический подход для идентификации теплового режима здания, отличительной особенностью которого является учет стохастического характера процессов, влияющих на тепловой режим. Здесь рассматриваются регрессионные модели, отражающие взаимосвязь параметров подсистем "внешняя среда" и "теплопотребления" с показателем качества теплового режима в виде эффективности управления. Третья глава посвящена оптимизации управления тепловым режимом здания в условиях неопределенности. Рассматриваются следующие задачи: синтез структуры системы автоматического управления тепловым режимом, обеспечивающей заданную эффективность управления при достижении требуемых значений номиналов настроечных параметров, разработка структурной схемы оптимальной системы и алгоритма оптимального управления тепловым режимом здания. В силу случайного изменения параметров "внешней среды" системы автоматического управления тепловым режимом практически никогда не работают при оптимальных номинальных настроечных параметрах [76]. В результате действия контролируемых и неконтролируемых переменных на входе подсистемы теплопотребления вектор режимных настроечных параметров перемещается в некоторой области. Задача синтеза оптимального управления и состоит в том, чтобы выбрать такую структуру АСУ и такие номиналы настроечных параметров, при которых вектор этих параметров с большей вероятностью не вышел бы за пределы этой области.
В четвертой главе приведены результаты разработки и внедрения энергосберегающих систем автоматического регулирования тепловой энергии в закрытых тепловых сетях зданий. Энергосберегающие системы, реализующие метод оптимального управления в областях качества по экономическому критерию, отражающему функцию цены, и состоящие из подсистемы прогноза теплового режима и подсистемы автоматического регулирования теплового режима в зданиях с коммерческим учетом тепловой энергии, внедрены на различных объектах г. Челябинска.
Научная новизна результатов работы состоит в следующем:
1) создана многофакторная математическая модель, отражающая взаимосвязь параметров подсистем "внешней среды" и "теплопотребления" с показателем качества теплового режима в виде эффективности управления;
2) разработан метод энергосберегающего управления тепловыми режимами здания, позволяющий осуществлять коррекцию уставок режимных параметров регуляторов, обеспечивающих минимизацию энергопотребления; 3) разработана алгоритмическая структура функционирования энергосберегающей системы управления теплопотреблением здания в условиях неопределенности, обеспечивающая реализацию режимных параметров, минимизирующих расход тепловой энергии;
4) получено решение задачи оптимизации настроечных параметров и автоматизированного управления процессом потребления тепловой энергии в условиях неопределенности в виде совокупностей стратегий подсистем внешней среды и теплопотребления, являющихся седловой точкой средней эффективности управления и оценки управления, представляющей значение этой функции в седловой точке;
5) разработаны матричные структурные схемы системы отопления здания, состоящей из нескольких индивидуальных тепловых пунктов, на основе матричных уравнений, описывающих динамику системы отопления при действии возмущений как со стороны источника теплоснабжения, так и со стороны нагрузки, которые упрощают анализ динамических свойств системы отопления как объекта автоматического регулирования.
Практическая ценность результатов работы:
1) разработана методика синтеза энергосберегающей автоматизированной системы управления тепловыми режимами в закрытых тепловых сетях зданий в условиях неопределенности, предусматривающая учет взаимосвязи между подсистемами — "внешняя среда" — "теплопотребление" — "система коммерческого учета тепловой энергии" - ЛПР - САР;
2) разработана методика назначения тепловых режимов в зданиях на базе теории игр, обеспечивающих существенную экономию тепловой энергии на стадии отделочных работ внутри здания при отсутствии САР при наличии тепло счетчика;
3) разработаны и внедрены на объектах г. Челябинска энергосберегающие системы автоматического регулирования тепловой энергией, позволяющие получать до 30 % ее экономии. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ЮУрГУ (г. Челябинск, 1998-2000 гг.), специализированной выставке "Приборостроение-2002" (г. Екатеринбург).
Диссертационное исследование проводилось в рамках целевой Программы "Энергосбережение" Минобразования РФ и научно-исследовательской работы по гранту 103 Гр-98 "Создание методов оптимального управления и энергосберегающих систем автоматического регулирования тепловых режимов в закрытых тепловых сетях зданий", № гос. регистрации 01.980006958.
Основные положения и результаты работы отражены в 7 печатных работах и одном отчете "Создание методов оптимального управления и энергосберегающих систем автоматического регулирования тепловых режимов в закрытых тепловых сетях зданий" по научно-исследовательской работе в рамках гранта в области энергетики.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из предисловия, введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 102 наименований, 3 приложений. Работа изложена на 162 страницах печатного текста, содержит 37 рисунков, 9 таблиц.
Способы присоединения абонентских теплопотребляющих установок к тепловым сетям
Основными абонентскими теплопотребляющими установками водяных тепловых сетей являются установки отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. От схем присоединения этих установок к тепловым сетям и установленных авторегуляторов зависит качество теплоснабжения, удельный расход сетевой воды и ее температура в обратной линии [11, 40]. Поэтому необходимо совершенствовать схемы присоединения установок к тепловым сетям, их оборудование и системы автоматического регулирования для того, чтобы обеспечить минимальный расход сетевой воды, минимальную температуру сетевой воды в обратной линии, а значит и экономию затрат потребителя на тепловую энергию.При непосредственном присоединении системы отопления (рис. 1.1, а), которое применяется в промышленных и жилых зданиях при наличии центрального теплового пункта с узлом приготовления теплоносителя для системы отопления, расход теплоносителя можно регулировать изменением перепада давления в подающем и обратном трубопроводах. Схема с непосредственным присоединением используется в тех случаях, когда расчетные температуры теплоносителя в тепловой сети в системе отопления совпадают [3, 63].
Элеваторная схема зависимого присоединения системы отопления широко применяется в жилых и общественных зданиях [3, 11] (рис. 1.1, б, в). Элеватор служит смесителем воды и побудителем циркуляции воды в системе. Элеватор имеет постоянный коэффициент смешения, поэтому при уменьшении потребности здания в теплоте в нем не удается сократить расход сетевой воды. Это приводит к перерасходу теплоты системой при сохранении температуры сетевой воды в переходные периоды года. Существуют элеваторы с регулируемым соплом (переменное выходное сечение сопла), что позволяет в определенных пределах менять коэффициент смешения [40, 79] и расширяет их область применения.
Когда применение элеваторов нецелесообразно или недостаточный перепад давлений на абонентском вводе, используют смесительные насосы [3, 81] (рис. 1.1, г, д). Данная схема является наиболее гибкой, так как обеспечивает изменение расхода теплоносителя в широких пределах, что позволяет осуществлять энергосберегающие мероприятия в системе теплоснабжения здания.
В последнее время большое распространение получило независимое присоединение системы отопления через водо-водяные теплообменники [79, 3] (рис. 1.1, е). Это обусловлено повышением требований к надежности теплоснабжения, возрастающей долей строительства зданий повышенной этажности. Данная схема присоединения является наиболее надежной и энергетически эффективной, так как здесь гидравлический режим систем отопления не зависит от гидравлического режима внешней сети [3]. Это дает возможность изменения температуры и расхода теплоносителя в широких пределах, что в сочетании с индивидуальным регулированием теплоотдачи отопительных приборов позволяет обеспечивать требуемые внутренние температурные условия при минимальном расходе тепловой энергии зданием. В открытых системах теплоснабжения независимое присоединение систем отопления улучшает качество воды, идущей в систему горячего водоснабжения [79], поскольку при этом вода не проходит через отопительные радиаторы.
1.3. Анализ факторов теплового режима здания
1.3.1. Регулируемые параметры теплового режима
Температурные условия и показатели воздушной среды (регулируемые метеопараметры) закрытых помещений определяются функциональным назначением помещений, временем года и суток, внешней метеорологической обстановкой, возможностями отопительно-вентиляционных и теплоснабжающих систем. В зависимости от перечисленных условий метеопараметры можно классифицировать как оптимальные, допустимые и необходимые [8, 81].
Оптимальными метеопараметрами помещений считают такие условия окружающей среды, которые обеспечивают наилучшее самочувствие и работоспособность человека [14]. Допустимыми метеопараметрами считаются условия, при которых возникают незначительная напряженность системы терморегуляции организма человека. Необходимые метеопараметры определяются задачами функционирования, состоянием отопительно-вентиляционных и теплоснабжающих систем, ограждающих конструкций и могут назначаться исходя из условий экономии тепловой энергии.
Выбор в отапливаемых помещениях оптимальных, допустимых или необходимых метеопараметров зависят от многих факторов. Оптимальные значения обеспечивают наилучшие условия в помещениях. Однако требования минимизации общих затрат и расходов тепловой энергии определяют необходимость поддержания во многих случаях допустимых, а в экстремальных условиях — необходимых метеопараметров.
Из всего комплекса метеопараметров выделяют наиболее важные, поддающиеся прямому или косвенному регулированию: температура и скорость движения воздуха в помещении, его относительная влажность, температура окружающих поверхностей.
Основными регулируемыми параметрами для систем отопления являются: температура внутреннего воздуха в помещении tB и средняя температура поверхностей, обращенных в помещение, tBncp. Подвижность и влажность воздуха как регулируемые параметры чаще рассматриваются в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.
Синтез областей качества энергосберегающего управления тепловым режимом здания
Исследуемый объект может характеризоваться п частными откликами У и (и -1.2,...,«), каждый из которых измеряется в N опытах. В данной работе за отклик объекта принята температура внутреннего воздуха в помещениях. То 1 гда уиі — это значение м-го отклика в /-ом опыте (/ = 1,2,..., iV). Каждый из от кликов уи имеет свой физический смысл и, чаще всего, разную размерность. Введем простейшее преобразование: набор данных для каждого отклика уи поставим в соответствие с самым простым стандартным аналогом — шкалой, на которой имеется только два значения: 0 — неудовлетворительное качество процесса, 1 - удовлетворительное качество. Преобразованное значение обозначим через уи/ - преобразованное значение и-го отклика в -ом опыте. Значит, в данном случае применяется простейшая шкала, в которой используется числовое множество из двух элементов (0 и 1). Стандартизировав таким образом шкалу частных откликов, переходим ко второму этапу — обобщению частных откликов.
В ситуации, когда преобразованный частный отклик принимает только два значения 0 и 1, естественно потребовать, чтобы и обобщенный отклик принимал одно из этих двух возможных значений, причем так, чтобы значение 1 имело место, если, и только если, все частные отклики в этом опыте приняли значение 1. А если хотя бы один из откликов обратится в 0, то и обобщенный отклик будет равен нулю.
В этом случае для построения обобщенного отклика удобно воспользоваться формулой и Y[ — ПрОИЗВЄДЄНИЄ ЧаСТНЫХ ОТКЛИКОВ УиУ2і--Упі -и=\
Но, как показано в [4], такой подход к конструированию обобщенного критерия оптимальности является очень грубым и почти не используется на практике.
Другой способом получения обобщенного отклика применяется в тех случаях, когда для каждого из частных откликов известно предельное, наиболее хорошее значение. Существует много способов введения метрики, задающей степень близости к предельному значению. Обозначим через уи0 — наилучшее (идеальное) значение и-го отклика. Тогда величину уиі — уи0 можно рассматривать как некоторую меру близости к наилучшему значению. Однако использовать введенную выше разность при построении обобщенного отклика невозможно по двум причинам [4]. Во-первых, она имеет размерность соответствующего отклика, а у каждого из откликов может быть своя размерность, что препятствует их объединению. Во-вторых, отрицательный или положительный знак разности также создает неудобства. Для перехода к безразмер У " У о ным значениям можно поделить разность на желаемое значение: —— - -.
Если в некотором опыте все частные отклики совпадут с наилучшим значением, то Y станет равным нулю. Это есть то значение, к которому нужно стремиться. При этом необходимо условиться о том, что считать нижней границей, если верхняя граница равна нулю. Причем нуль в данном случае имеет другой смысл по сравнению с первым рассмотренным вариантом построения обобщенного отклика. Одним из основных недостатков такой оценки является нивелировка частных откликов, так как все они входят в обобщенный отклик на равных правах [4]. На практике же различные показатели бывают далеко не равноправны.
Многоцелевая оптимизация режима потребления тепловой энергии
Как правило, при оптимизации режима потребления тепловой энергии ориентируются исключительно на минимально возможный расход тепловой энергии. Такая постановка логична и естественна для систем более высокого уровня (центральный тепловой пункт). Для систем низшего уровня (местный тепловой пункт) в конкретных условиях минимальное теплопотребление не всегда является наиболее экономически целесообразным. Дело в том, что для отдельных элементов системы отопления допустимо и целесообразно наличие множества целей функционирования, достижение которых характеризуется не одним, а набором технико-экономических показателей (удельные расходы тепловой энергии, комфортные условия микроклимата в различных помещениях одного здания, гидравлические показатели системы отопления).
По данным многочисленных исследований [54, 84, 80], для теплового режима здания характерно противоречие между вышеперечисленными показателями и их оптимальные значения достигаются при различных режимах эксплуатации. Ориентировка на минимум теплопотребления верна в тех случаях, когда задача снижения расхода тепловой энергии для данного потребителя является главной [17-19]. В других случаях экономически целесообразными могут оказаться такие затраты тепловой энергии, которые обеспечивают оптимум другого, более важного для данного потребителя показателя, например, особые условия микроклимата в здании.
Таким образом, на практике часто встречается ситуация, когда имеется несколько несводимых критериев оптимизации одного ранга и ставится задача найти компромиссный оптимальный режим. Сложность решения задачи оптимизации в этом случае зависит от числа целей, которые необходимо учитывать, и способов их соизмерения.
Существуют различные способы построения соизмеряющей функции, связывающей частные и обобщенные критерии оптимизации. Один из способов, рассмотренный в работах [4, 10, 37], заключается в том, что обобщенный показатель эффективности определяется соизмерением частных критериев качества kj {і = \,т) на основе весовых коэффициентов of (і = 1,/и; s = l,s)
=1 - (3.7)
Значение F0 характеризует один и тот же уровень общей эффективности
достижения поставленных целей при различных комбинациях частных показателей качества.
Но сложность данного подхода заключается в проблеме установления значений весовых коэффициентов, которая помимо различной природы оцениваемых критериев осложняется характером взвешиваемых показателей (количественные и качественные), возможностью стоимостной оценки степени достижения целей и др. Широко используемая стоимостная оценка обобщенного показателя, несмотря на все свои преимущества, не всегда может быть применена, поскольку для некоторых целей невозможно дать такую оценку, а по другим она чрезвычайно затруднена. В этих случаях значения весовых коэффициентов рекомендуется устанавливать на основе экспертных оценок [12], что тоже не всегда возможно.
Более обоснованным способом нахождения компромиссного сочетания режимов, оптимальных по различным критериям, является метод, основанный на использовании элементов теории игр, который применяется в данной работе.
Задачу синтеза структуры системы автоматического регулирования теплового режима здания, обеспечивающей заданную эффективность управления, будем решать в достижении требуемых значений номиналов настроечных параметров: щ — расход сетевой воды, идущей на отопление, и2 - уставка на температуру воды в обратном трубопроводе. Задача состоит не только в том, чтобы уметь оценивать влияние случайных возмущений на точность работы системы автоматического управления, но и в том, чтобы научиться настраивать ее по управляющим воздействиям U, чтобы общая эффективность управления в условиях "дрейфа" параметров внешней среды была максимальной.
В процессе установления требований на параметры выходных координат Y для подсистемы теплового режима возникает конфликтная ситуация, требующая выбора такого решения, которое будет оптимальным во всем диапазоне фиксируемых значений параметров внешней среды X в пределах нулевой чувствительности обобщенного критерия оптимальности.
Одним из вариантов решения этой задачи является установление такой оценки, которая выступала бы как комплексный показатель, позволяющий:
- оценивать целесообразность применения САУ с гибкой программой для конкретных зданий и процессов по ее прямому назначению путем количественной оценки степени соответствия требованию технических и санитарных условий;
- оценивать функционирование САУ с гибкой программой в зависимости от оценки функционирования всего процесса управления тепловым режимом здания;
- применять САУ с гибкой программой для различных подсистем теплового режима одного назначения независимо от структуры их внешней среды и конструктивных особенностей зданий.
Этим требованиям удовлетворяет показатель J — эффективность управления. Показатель J определяет такую структуру САУ и параметры U , при которых достигается максимальный результат в подсистеме теплового режима при оптимальных затратах тепловой энергии в условиях неопределенности.
Энергосберегающая система автоматического регулирования теплового режима административного здания
Разработанная энергосберегающая система автоматического регулирования теплового режима административного здания по улице Чичерина г. Челябинска, функциональная схема контрольно-измерительных приборов и автоматизации которой показана на рис. 4.1, содержит следующие технические решения по автоматизации системы отопления и горячего водоснабжения.
Система автоматизации отопления предусматривает автоматическое регулирование расхода сетевой воды в узле управления с целью экономии тепловой энергии и поддержания необходимых условий по температуре воздуха в отапливаемых помещениях. Система автоматизации отопления обеспечивает регулирования температуры помещений в рабочее время, выходные и праздничные дни.
В состав энергосберегающей системы входит система автоматизации горячего водоснабжения, которая обеспечивает регулирование подачи сетевой воды в греющий контур теплообменника и стабилизацию давления в контуре горячего водоснабжения в зависимости от разбора горячей воды в рабочее время, выходные и праздничные дни.
В качестве регулирующих органов приняты шаровые клапаны фирмы "Данфосс" с электрическими исполнительными механизмами серии МЭО. Автоматизация систем отопления и горячего водоснабжения предусматривает автоматическое регулирование температуры теплоносителя с помощью регуляторов типа РТ1107, воздействующих на исполнительные механизмы серии МЭО, которые соединены с шаровыми регулирующими клапанами фирмы "Данфосс".
Поддержание давления на вводе обратной сетевой воды в теплосеть осуществляется регулятором прямого действия УРРД-М "после себя".
Режим работы системы горячего водоснабжения задается по температуре и давлению сетевой воды контура. Давление в контуре г.в. поддерживается регулятором прямого действия УРРД-М "после себя".
Тепловая нагрузка горячего водоснабжения составляет 40,4% от расчетной нагрузки отопления. Согласно СНиП И-34-76 температура для систем г.в. регламентирована не ниже 50С и не выше 75С при присоединении к закрытым тепловым сетям. Для экономии теплоты система автоматизации горячего водоснабжения предусматривает автоматическое снижение температуры воды у водоразборных кранов в ночное время, выходные и праздничные дни до 37 / 40С.
Энергосберегающая система автоматического регулирования температуры горячего водоснабжения (рис. 4.1) состоит из двух регуляторов температуры (1TCSA, 2TCSA), многосуточного реле времени (1КТА), суточного реле времени (2КТА), электрического исполнительного механизма серии МЭО, шарового регулирующего клапана "Данфосс", а также содержит переключатели режимов работы системы, автоматический выключатель и защитный предохранитель. Блоки и элементы системы размещены в навесном корпусе (боксе). Питание системы осуществляется от сети переменного тока 220В, 50Гц.
При включении автомата 1SF (рис. 4.2), установленного на стенке щитка, появляется световая сигнализация на регуляторах температуры 1TCSA и 2TCSA, извещающая о положении регулирующего клапана на сетевом трубопроводе на входе теплообменника: «открыт» или "закрыт", а на реле времени 2КТА (АВО-5) - световая сигнализация 0 "СВЕТ", извещающая о том, что включен дневной режим работы системы горячего водоснабжения. На боковой стенке щитка системы установлены переключатели ISA, 2SA, 3SA. Переключатель ISA имеет положение «ЭКОНОМИЯ» (нерабочие дни) и "НОРМА» (рабочее время), 2SA имеет положение "Авт.", и "Ручн.", a имеет положение "Открыт» и «Закрыт" регулирующий клапан на сетевом трубопроводе в теплообменнике.
Регулятор 2TCSA регулирует температуру циркуляционной воды горячего водоснабжения в нерабочее время, выходные и праздничные дни. На лицевой панели регулятора 2TCSA имеется настройка в градусах от диапазона регулирования 0-150С для задания температуры горячего водоснабжения. К регулятору 2TCSA подключен датчик температуры, установленный в трубопроводе на выходе из теплообменника.
Регулятор температуры 1TCSA предназначен для регулирования температуры системы горячего водоснабжения в рабочее время. К регулятору 1TCSA подключен свой датчик температуры, установленный на выходном трубопроводе циркуляционной горячей воды теплообменника. Переключателем ISA задается температура горячей воды на не рабочее время (режим "ЭКОНОМИЯ") или на рабочее время («НОРМА"). Переключение ручки переключателя ISA в положение "ЭКОНОМИЯ" производится оператором по окончанию работы в пятницу или в конце рабочего дня перед праздником или нерабочими днями. При этом с помощью переключателей на лицевой панели многосуточного реле времени 1КТА (РВЭ0103) необходимо установить интервал времени в часах, в течение которого необходимо поддерживать температуру г.в. в нерабочее время. При этом переключатель 1SА может быть переключен в положение "НОРМА" в любой день недели до наступления нерабочих дней, а при их наступлении ISA, из положен "НОРМА" снова переключается в положение "ЭКОНОМИЯ". Температура горячего водоснабжения устанавливается на регуляторе 1TCSA и должна соответствовать 50-70С днем и 37-40 С ночью и в нерабочее время (выходные и праздничные дни). Время включения и отключения дневного или ночного режима в системе горячего водоснабжения при необходимости можно изменить с помощью кнопок "РК" и "УСТ" на реле времени 2КТА (АВО-5).
Рассмотренная энергосберегающая система автоматического регулирования тепловой энергии и горячего водоснабжения административного здания по ул. Чичерина г. Челябинска обеспечивает до 30% экономии потребления тепловой энергии у потребителя. Эффективность функционирования энергосберегающей системы существенно увеличивается с учетом значительной экономии потребления тепла в нерабочие и праздничные дни.
Разработанная энергосберегающая система содержит следующие технические решения по автоматизации системы отопления и горячего водоснабжения 10-ти этажного здания по ул. Каслинской г. Челябинска (рис. 4.3 — 4.5).
Система отопления данного объекта выполнена пофасадно с подразделением на дворовый и уличный фасады. Система автоматического регулирования тепловой энергии согласно задания заказчика разработана на базе отечественных технических средств автоматизации, насоса фирмы "Grrundfoss" и шаровых регулирующих органов фирмы Danfoss. Система автоматизации предусматривает автоматическое регулирование параметров и расхода сетевой воды в узле управления с целью экономии и поддержания жизненно-необходимых условий по температуре помещений с коррекцией по температуре наружного воздуха.
