Введение к работе
Актуальность работы. Исторически в городах сложились централизованные системы (комплексы) снабжения тепловой энергией отапливаемых помещений. Недостатком центрального отопления является значительные потери (до 10% и более) тепловой энергии при транспортировке теплоносителя (воды) по протяженным трубопроводам тепловой сети. Кроме того, значительная электроэнергия тратится на перекачку теплоносителя от источников тепла до потребителя.
В связи с этим в последнее время наметилась тенденция к применению (особенно в коттеджном строительстве) в качестве источника тепловой энергии автономных (индивидуальных) водяных газовых тепловых комплексов (систем) на базе газотеплогенераторов (котлов) разомкнутого структурного типа, работающих в соответствии с отопительным графиком. Эти комплексы не имеют протяженных тепловых трасс и связанных с ними недостатков.
В промышленных зданиях требуется поддерживать необходимые для людей метеорологические условия - определенный микроклимат. Базовым параметром микроклимата является температура воздуха отапливаемого помещения, оптимальные и допустимые значения которой даны в Санитарных правилах и нормах СанПиН 2.2.4.548-96. В соответствии с нормами оптимальные показатели микроклимата необходимо соблюдать на рабочих местах производственных помещений, на которых выполняются работы операторского типа, связанные с нервно-эмоциональным напряжением (на постах управления технологическими процессами, в залах вычислительной техники и др.) и на рабочих местах производственных помещений в соответствии с категориями (1а,1б,Па,Пб,Ш) работ по уровню энергозатрат. Так, к примеру, для производственных помещений «оптимальные нормы температуры воздуха» в отапливаемом помещении в холодный период года равны 22-24С (категория 1а, с энергозатратами 139Вт) и 16-18С (для категории III, с энергозатратами более 290Вт),т.е. зона допуска (и шаг) температуры составляет 2С.
Эффективность и качество производства, создающего материальные блага и услуги, - во многом определяется решением вопросов, связанных с комплексной автоматизацией и управлением составляющих его процессов, состоящих из основных (технологических) процессов; вспомогательных процессов, обеспечивающих бесперебойное протекание основных процессов (обеспечение всеми видами энергий (электроэнергией, теплом, паром и т.д.)) и обслуживающих (услуг) процессов (технический контроль, транспортировка, комфортность микроклимата рабочих мест и т.д.).
В данной работе ставятся и решаются две взаимосвязанные задачи. Первая -решение вопросов, позволяющих использование для отопления производственных помещений автономных водяных газовых тепловых комплексов с учетом Санитарных норм. Вторая - решение вопросов оптимизации управления тепловыми режимами отопления, позволяющих осуществлять ресурсо-энергосбережение. Обе задачи решаются на путях повышения точности регулирования (стабилизации) температуры воздуха в отапливаемом производственном помещении.
Известные автономные водяные газовые тепловые комплексы разомкнутого структурного типа содержат контур автоматического регулирования (стабилизации) температуры теплоносителя (воды) на выходе котла, поступающего в отапливаемое помещение, и «не следят» за самой температурой воздуха в помещении. Их недостатком, обусловленным их структурой и малым уровнем автоматизации,
является низкая комфортность из-за плохой стабилизации (больших колебаний, с амплитудой порядка 3-^5С) температуры воздуха в отапливаемых помещениях, т.е. эти комплексы не обеспечивают, что сдерживает их масштабное применение в производстве, оптимальный нормируемый уровень температуры в отапливаемых помещениях.
В результате чего возможно появления дефицита тепла в отапливаемых помещениях либо его избыток, что приводит к перерасходу энергии (энергоносителя) и низкой экономичности системы. Системы, работающие по отопительному графику, кроме того, не позволяют повышать экономичность комплексов за счёт использования тепла, выделяемого людьми, находящимися в помещении, и/или нагревательными технологическими устройствами.
Управление тепловыми комплексами осуществляется на базе математических моделей.
Известные математические модели тепловых комплексов либо недостаточно адекватны, так как не учитывают дискретный характер преобразования энергии и информации комплексов, либо сложны и громоздки, что затрудняет их практическое применение в процессах регулирования (стабилизации) заданных температурных режимов микроклимата в помещении и приводит к сложным алгоритмам управления. Отопление обеспечивает тепловой режим зданий в зимний период года с затратой около 25% энергии в балансе страны.
Поэтому совершенствование структуры и алгоритмов управления, повышающих степень автоматизации и обеспечивающих реализацию ресурсо-энергосберегающих режимов и комфортность, автономных водяных газовых тепловых комплексов «газотеплогенератор - отапливаемое производственное помещение» является весьма актуальной задачей.
Объект исследования. Система «газотеплогенератор - отапливаемое помещение».
Предмет исследования. Процессы автоматического регулирования температурных режимов микроклимата отапливаемого производственного помещения.
Целью работы является разработка новых структур и алгоритмов системы управления автономного водяного газового теплового комплекса «газотеплогенератор - отапливаемое производственное помещение», обеспечивающих повышение быстродействия и точности процессов стабилизации на нормируемом уровне температуры воздуха в отапливаемом производственном помещении, автоматизацию и ресурсосбережение.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
-
Провести натурные экспериментальные исследования типового (индивидуального) водяного газового теплового комплекса «газотеплогенератор -отапливаемое помещение» с целью выявления особенностей теплового комплекса как объекта управления и параметрической идентификации.
-
Построить алгоритмы формирования дискретных сигналов управления процессами стабилизации температуры в отапливаемом помещении.
-
Разработать обобщенную математическую модель автономного (индивидуального) водяного газового теплового комплекса, ориентированную на регулирование, анализ и синтез комплексов.
-
Разработать метод (способ) управления (регулирования) и структуру автономных (индивидуальных) водяных газовых тепловых комплексов, обеспечивающих микроклимат помещения с оптимальными температурными режимами.
-
Провести аналитические исследования влияния параметров комплекса на качество и точность регулирования.
-
Провести экспериментальные исследования автономного (индивидуального) водяного газового теплового комплекса в ресурсо-энергосберегающих режимах.
Методы исследований. Для решения сформулированной задачи использованы методы теории автоматического управления, теории эксперимента и обработки данных, теории конечных автоматов, методы дифференциального и интегрального исчисления, метод «черного ящика». При исследовании процессов индивидуальных тепловых комплексов использовалось моделирование и натурные эксперименты, которые подтвердили основные теоретические положения, представленные в работе.
Достоверность результатов и выводов, представленных в диссертационной работе, подтверждается соответствием фундаментальным законам теплообмена и адекватностью математической модели, подтвержденной удовлетворительным совпадением результатов расчета и эксперимента.
Научная новизна работы.
В диссертационной работе получены следующие новые результаты:
-
Разработан, исследован и реализован метод «двойной зоны допуска» опережающего релейного регулирования температуры воздуха в помещении, позволяющий, совместно с разработанными алгоритмами управления, повысить качество и точность регулирования.
-
Разработаны модернизированные структуры автономных (индивидуальных) водяных газовых тепловых комплексов, учитывающие в совокупности как логические, так и динамические свойства составных частей (газотеплогенератор, отапливаемое помещение, управляющее устройство) комплексов, а также температурные режимы в отапливаемом помещении.
-
Предложен критерий энергоэффективности управления автономным водяным газовым тепловым комплексом и критерий компенсации возмущающих воздействий наружной температуры при прерывистом регулировании (стабилизации) температурного режима микроклимата в отапливаемом помещении.
-
Составлена и исследована модель автономного (индивидуального) водяного газового теплового комплекса, учитывающая особенности комплекса и ориентированная на анализ и синтез управляющих устройств и программ, в которой используются параметры, полученные экспериментальным путём.
-
Проведены теоретические и экспериментальные исследования и сравнительный анализ процессов в автономном водяном газовом тепловом комплексе при различных способах (без натопа, с натопом) управления комплексом.
Практическая значимость работы.
-
Получены экспериментальные данные динамики автономного водяного газового теплового комплекса «газотеплогенератор-отапливаемое помещение».
-
Составленные структуры и модели компонентов комплекса позволяют выполнять проектирование и расчёт комплекса, определять динамические характеристики.
-
Разработанные алгоритмы управления позволяют повысить тепловую комфортность помещений и энерго-ресурсосбережение комплексов.
-
Полученные результаты исследований могут быть использованы для модернизации с целью повышения энергоэффективности действующих известных (разомкнутого типа) автономных водяных газовых тепловых комплексов, а также стать основой для инженерного решения задач автоматизации комплексов.
-
Результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция и гидравлика» ВлГУ в дисциплине «теория автоматического управления».
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы, в том числе, защищенные патентом Российской Федерации, могут быть использованы при проектировании и наладке ресурсо-энергосберегающих автономных водяных газовых тепловых комплексов, при модернизации действующих автономных комплексов, при замене автономными комплексами «отработавших своё» централизованных систем отопления производственных зданий, а так же переданы ОАО «Московский завод тепловой автоматики», ООО «Инженерные решения», ООО «Производственное объединение ОВЕН».
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на:
III Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (Москва, МГСУ, 2009г.);
Международных конференциях по математической теории управления и механике (Суздаль, 2009г., 2011г.);
Международная научно-техническая интернет конференция «Строительная наука 2010»;
XXX Российской школы, посвященной 65-летию Победы. «Наука и технология». (Миасс, 2010г).
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Результаты научно-исследовательских испытаний автономного (индивидуального) водяного газового теплового комплекса «газотеплогенератор-отагшиваемое помещение» в типовых и энергосберегающих режимах;
Структуры автономного (индивидуального) водяного газового теплового комплекса;
Математические модели основных компонентов автономных (индивидуальных) водяных газовых тепловых комплексов «газотеплогенератор-отапливаемое помещение», ориентированные на анализ и синтез комплексов;
Критерий энергоэффективности управления комплексом;
Критерий (коэффициент) компенсации возмущающих воздействий наружной температуры при прерывистом (релейном) регулировании (стабилизации) температурного режима микроклимата в отапливаемом помещении;
Метод «двойной зоны допуска» и алгоритмы регулирования температуры в отапливаемом помещении в энергосберегающих режимах.
Публикации.
По теме исследований опубликовано 13 научных работ, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, получен один патент РФ на полезную модель. Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, а также списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 185 страницах, в том числе: 170 страниц основного текста, иллюстрированного 53 рисунками и 3 таблицами, список литературы из 122 наименований на 12 страницах, а также 3 приложения.
