Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния вопроса и постановка задач исследования 12
1.1 Анализ гелиоустановки горячего водоснабжения как объекта управления 12
1.2 Анализ типовых структур и функциональных схем управления
гелиоустановками горячего водоснабжения 16
1.3 Технологические аспекты применения гелиоустановок в системах горячего водоснабжения в условиях умеренно-континентального климата 33
1.4 Выводы. Постановка цели и задач исследования 39
2 Математическое моделирование гелиоустановки горячего водоснабжения 42
2.1 Анализ методов математической идентификации гелиоустановки как объекта управления 42
2.2 Разработка динамической математической модели гелиоустановки горячего водоснабжения на основе геометрической конфигурации системы с использованием эмпирических зависимостей 47
2.3 Разработка модели распределения изменяющихся климатических параметров окружающей среды 56
2.4 Выводы 70
3 Синтез оптимальной адаптивной автоматизированной системы управления гелиоустановкой горячего водоснабжения 72
3.1 Анализ подходов оптимизации и выбор критерия качества 72
3.2 Определение управляющих переменных и технологических параметров объекта 78
3.3 Решение задачи динамической оптимизации в системе управления гелиоустановкой горячего водоснабжения 82
3.3.1 Использование принципа максимума в экстремальных задачах оптимального управления 82
3.3.2 Предпосылки к применению принципа максимума для решения задачи динамической оптимизации в системе управления гелиоустановкой горячего водоснабжения 84
3.3.3 Алгоритм принципа максимума в решении практических задач оптимального управления гелиоустановками 86
3.3.4 Применение принципа максимума для решения задачи динамической оптимизации в системе управления гелиоустановкой горячего водоснабжения
3.4 Решение задачи статической оптимизации в системе управления гелиоустановкой горячего водоснабжения 90
3.4.1 Предпосылки к применению адаптивного регулятора 92
3.4.2 Выбор способа поиска экстремума 92
3.4.3 Разработка оптимального адаптивного регулятора системы управления гелиоустановкой горячего водоснабжения 94
3.5 Разработка структурной модели оптимальной адаптивной автоматизированной системы управления гелиоустановкой 97
3.6 Выводы 100
4 Разработка технических решений и структур автоматизированной системы управления гелиоустановкой горячего водоснабжения 102
4.1 Структура многоуровневой автоматизированной системы управления гелиоустановкой горячего водоснабжения 102
4.2 Техническая реализация автоматизированной системы управления 105
4.2.1 Реализация нижнего функционального уровня 105
4.2.2 Разработка алгоритмов управления и программного обеспечения контроллера среднего функционального уровня 109
4.2.3 Разработка верхнего функционального уровня 114 4.3 Разработка технологии web-базированного доступа к технологическим
параметрам системы управления гелиоустановкой горячего водоснабжения 117
4.3.1 Реализация клиент-серверного взаимодействия 118
4.3.2 Решение вопросов информационной безопасности в системах диспетчеризации с удаленным доступом 121
4.3.3 Разработка системы сбора, хранения и обработки информации 122
4.3.4 Разработка web-интерфейса системы 125
4.4 Интеграция разработанной системы в состав АСДУ распределенными энергоресурсами БГТУ им. В.Г. Шухова 127
4.5 Оценка достоверности полученных результатов и эффективности функционирования разработанной автоматизированной системы управления гелиоустановкой ГВС 129
4.6 Выводы 132
Основные выводы и результаты работы 134
Список литературы
- Технологические аспекты применения гелиоустановок в системах горячего водоснабжения в условиях умеренно-континентального климата
- Разработка модели распределения изменяющихся климатических параметров окружающей среды
- Предпосылки к применению принципа максимума для решения задачи динамической оптимизации в системе управления гелиоустановкой горячего водоснабжения
- Техническая реализация автоматизированной системы управления
Введение к работе
Актуальность работы. Основополагающие задачи строительства и сферы
ЖКХ во всем мире связаны в первую очередь с обеспечением безопасности,
созданием комфортной среды обитания и благоприятных условий
жизнедеятельности человека. В связи с этим особую роль в строительстве и ЖКХ играют системы энергоснабжения и жизнеобеспечения зданий. Одним из перспективных направлений исследований в этой области является использование возобновляемых источников энергии.
Рядом отечественных и зарубежных ученых (Бутузов В. А., Авезов Р. Р., Амерханов Р. А., Безруких П. П., Попель О. С., Бекман Дж., Даффи У., Динсер И. и др.) на протяжении последних десятилетий ведутся работы по созданию систем управления солнечными водонагревательными установками (гелиоустановками), которые используются в регионах с жарким климатом для достижения высокого уровня энергоэффективности систем горячего водоснабжения. В условиях умеренно-континентального климата, охватывающего европейскую часть России в пределах средних широт, ввиду относительно низкого потенциала солнечной энергии, существующие на данный момент модели, структуры и технические решения систем управления гелиоустановками не позволяют добиться таких же высоких показателей энергоэффективности. В рассматриваемом климатическом поясе при постоянно растущих тарифах на энергоносители перспективными являются вопросы поиска путей повышения энергоэффективности систем управления гелиоустановками. Одним из путей является оптимизация управления солнечными водонагревательными установками с целью сокращения потребления энергоресурсов, получаемых традиционными способами и снижения уровня негативных воздействий на окружающую среду. Поэтому исследования в области построения оптимальных систем управления гелиоустановками горячего водоснабжения являются актуальными.
Данное направление исследований соответствует приоритетному
направлению развития науки, технологий и техники в РФ «Энергоэффективность,
энергосбережение, ядерная энергетика», а также перечню критических технологий
РФ «Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая
водородную энергетику», «Технологии информационных, управляющих,
навигационных систем» и «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии» (Указ Президента РФ от 07.07.2011 г. №899).
Объектом исследования являются процессы управления гелиоустановками горячего водоснабжения. Предмет исследования – алгоритмы, модели и методы управления гелиоустановками в процессе горячего водоснабжения.
Цель диссертационной работы – повышение энергоэффективности систем
горячего водоснабжения с гелиоустановками в условиях умеренно-
континентального климата путем оптимизации управления. Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
1) анализ существующих систем горячего водоснабжения с
гелиоустановками и выбор структуры её прототипа, а также системы управления,
позволяющих эффективно эксплуатировать возобновляемый источник энергии в условиях местности с умеренно-континентальным климатом;
-
разработка динамической математической модели гелиоустановки горячего водоснабжения;
-
разработка модели распределения изменяющихся климатических параметров с использованием методов пассивного эксперимента;
-
выбор и обоснование критерия оптимизации управления гелиоустановкой горячего водоснабжения на основе энергетической функции цели;
-
синтез оптимальной по выбранному критерию адаптивной автоматизированной системы управления (АСУ) гелиоустановкой с использованием разработанных моделей;
-
разработка и оценка эффективности технических решений и структур, алгоритмического и функционального программного обеспечения автоматизированной системы управления гелиоустановкой горячего водоснабжения.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории автоматического управления, методы решения дифференциальных уравнений, планирования эксперимента, статистической обработки информации и теории вероятностей, математического моделирования и математической физики.
Достоверность обеспечивается применением апробированных
математических моделей и методик, программно-аппаратной реализацией и внедрением АСУ гелиоустановкой ГВС кафедры физического воспитания и спорта БГТУ им. В.Г. Шухова, а также подтверждением результатами опытно-промышленных испытаний.
Научную новизну работы составляют:
динамическая математическая модель гелиоустановки горячего водоснабжения активного типа с плоскими солнечными коллекторами, полученная на основе уравнений теплового баланса с применением эмпирических зависимостей, отличающаяся взаимосвязью разности температур теплоносителя на входе и выходе бака-аккумулятора тепловой энергии и скорости движения теплоносителя;
математическая модель распределения изменяющихся климатических параметров, полученная с использованием регрессионного анализа и методов пассивного эксперимента, отличающаяся выбором степени полиномов регрессии минимизацией комбинированной функции цели на основе среднеквадратического отклонения и квадратичной оценки;
шагово-поисковый адаптивный алгоритм оптимального управления процессом зарядки бака-аккумулятора тепловой энергии гелиоустановки ГВС по энергетической функции цели с использованием принципа максимума, отличающийся предварительным вычислением оптимальной скорости теплоносителя;
структурная модель автоматизированной системы управления
гелиоустановкой горячего водоснабжения, полученная на основе методов решения задач статической и динамической оптимизации, отличающаяся наличием оптимального адаптивного регулятора, состоящего из вычислителя скорости теплоносителя, поискового оптимизатора и позиционного исполнительного элемента, обеспечивающего оптимальный режим зарядки бака-аккумулятора тепловой энергией и системы диспетчерского управления.
Практическая значимость работы заключается в:
повышении энергоэффективности систем жизнеобеспечения зданий благодаря сокращению расходов энергии на горячее водоснабжение на 25 – 30 %;
снижении сроков окупаемости систем горячего водоснабжения с гелиоустановками в условиях умеренно-континентального климата с 12 – 15 лет до 7 – 10 лет;
создании программно-аппаратного комплекса АСУ гелиоустановкой горячего водоснабжения с использованием web-базированного доступа;
использовании результатов работы в учебном процессе и научно-исследовательской деятельности благодаря созданию и внедрению межвузовской распределенной демонстрационной зоны по энергосбережению и интерактивной лаборатории с удаленным доступом к реальному технологическому оборудованию.
Внедрение результатов исследований:
разработанная АСУ гелиоустановкой горячего водоснабжения интегрирована в состав АСДУ энергоснабжением и жизнеобеспечением БГТУ им. В.Г. Шухова (Акт о внедрении);
результаты исследований, связанные с разработкой и внедрением технологии web-базированного доступа к переменным систем энергоснабжения и жизнеобеспечения зданий, вошли в состав следующих проектов: АСДУ распределенными энергоресурсами НИУ БелГУ, АСДУ распределенными энергоресурсами ОАО «КМАпроектжилстрой» (Акты о внедрении);
создана межвузовская распределенная демонстрационная зона по энергосбережению БГТУ им. В.Г. Шухова, которая включает ряд средних и высших учебных заведений, а также промышленные предприятия и жилые микрорайоны Северный и Степной г. Старый Оскол;
разработанные математические модели, структуры, схемные решения, алгоритмическое и функциональное программное обеспечение автоматизированной системы управления гелиоустановкой горячего водоснабжения используются в учебном процессе выпускающей кафедры электроэнергетики и автоматики БГТУ им. В.Г. Шухова в рамках специализированных дисциплин (Акт о внедрении в учебный процесс).
На защиту выносятся положения, составляющие научную новизну
работы, структура и состав программно-аппаратного комплекса АСУ
гелиоустановкой горячего водоснабжения, а также результаты его эксплуатации.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Диссертационные исследования соответствуют паспорту специальности 05.13.06 – «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» (строительство и ЖКХ) по областям исследования пп. 4, 5 и 15.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на всероссийских («Энергоэффективность. Наука и образование» г. Якутск, 2014г., «Телематика-2014» г. Санкт-Петербург, 2014г., «Телематика-2012» г. Санкт-Петербург, 2012г., «Телематика-2011» г. Санкт-Петербург, 2011г.), международных («Инновационные материалы и технологии» г. Белгород, 2011г., «Электронная Казань» г. Казань, 2011г.) и зарубежных («Innovation Information Technologies (I2T-2014)» г. Прага, 2014г., «Modern informatization problems in the technological and telecommunication systems analysis and synthesis» г. Лорман, 2013г., «SGEM 2015» г. Албена, 2015г.) конференциях.
Связь работы с научно-исследовательскими и опытно-
конструкторскими работами и научно-техническими программами. Основные
научные исследования выполнены в рамках АВЦП "Развитие научного потенциала
высшей школы" (1.2.11) по госзаданию Минобрнауки России "Теоретические
основы функционирования и методология построения автоматизированных систем
диспетчерского управления инженерными сетями распределенных объектов с
интеллектуальными системами освещения и энергоснабжения" (Проект
7.4395.2011), а также хоз. договоров по темам: "Исследование и разработка
методического обеспечения опытного образца второй очереди
автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ)
энергетическими объектами ФГАОУ ВПО "Белгородский государственный
национальный исследовательский университет" (Дог. №Д-40/2012);
"Формирование организационно-правового и методического обеспечения анализа и повышения эффективности потребления топливно-энергетических ресурсов муниципальными образованиями Белгородской области и исследование процессов повышения энергоэффективности и обеспечения надежности функционирования распределенных систем водоснабжения и водоотведения муниципальных образований Белгородской области" (Дог. №Д-44/2013).
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 26 печатных работах (шесть научных статей опубликованы в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, одна статья – в сборнике материалов конференции, индексируемом ISI Web Of Knowledge и SCOPUS, одна статья – в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК Украины). Получено три свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад соискателя. Все разделы диссертационной работы написаны лично автором. Результаты исследований получены им самостоятельно, либо при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 194 страницах машинописного текста, включающего 12 таблиц, 79 рисунков, список литературы из 157 наименований и приложения на 44 страницах.
Технологические аспекты применения гелиоустановок в системах горячего водоснабжения в условиях умеренно-континентального климата
Существует большое количество СВУ, различающихся в зависимости от конфигурации системы, способами рециркуляции теплоносителя, принципами действия регуляторов и т.п. Анализ отечественной и зарубежной литературы позволил выделить типовые структуры СВУ и основные схемы управления ими [1, 36, 40, 110, 116, 118, 154], а также оценить эффективность и целесообразность их эксплуатации с учетом специфики климатических условий определенной местности.
Простейшей системой горячего водоснабжения потребителя, использующей возобновляемые источники энергии, является одноконтурная система нагрева воды с естественной рециркуляцией теплоносителя (рисунок 4). Контуры теплоносителя и ГВС в гелиоустановках такого типа конструктивно не разделены.
Вода из нижней части бака-аккумулятора 3 с температурой через подводящую трубу 4 поступает в солнечный коллектор 1. Вода, нагретая в СК до температуры под действием солнечного излучения, возвращается по отводящему трубопроводу 2 обратно в бак. Естественный ток воды в СВУ создается за счет разности давлений в системе, вызванной разной плотностью воды в верхней и нижней части коллектора. Чем больше разность температур и и высотных отметок трубопроводов, тем выше интенсивность естественной циркуляции в энергоустановке. Кроме того, обязательным условием функционирования системы является превышение отметки высоты дна бака над отметкой верхней части СК. В противном случае, возможен процесс обратной рециркуляции теплоносителя при отсутствии солнечной активности. ГУ рассматриваемого типа получили достаточно широкое распространение во всем мире в странах с жарким климатом [1, 36, 40, 116]. Главным достоинством таких систем является низкая стоимость и их независимость от дополнительных источников энергии. Установки являются автономными энергонезависимыми системами ГВС без автоматизации процесса регулирования температуры. Большое распространение рассматриваемые гелиоустановки получили в сельском хозяйстве, а также в быту и на производстве для подготовки горячей воды, обеспечивая производственные технологические нужды. Повышение эффективности функционирования систем управления ГВС с применением пассивных СВУ возможно в основном за счет внесения конструктивных изменений как непосредственно в солнечный коллектор, так и в систему в целом, а также за счет использования дополнительного теплообменного оборудования и запорно-регулирующей арматуры. Существенный недостаток при автоматизации управления тепловыми процессами в таких системах связан со значительным увеличением их стоимости и потери независимости функционирования от традиционных источников энергии. Примером повышения эффективности функционирования пассивной одноконтурной СВУ может служить гелиоустановка плоскокапиллярного безнапорного типа с солнечным коллектором специальной конструкции из полимерной пленки [86], в котором теплоноситель движется в виде пленки жидкости под действием силы тяжести по наклонной поверхности. Применение такого типа гелиоколлекторов позволяет быстро производить очистку, ремонт и замену СК при небольших экономических затратах.
В работах [104, 105] рассматривается возможность повышения уровня автоматизации гелиоустановки за счет управления тепловыми процессами в солнечных энергоустановках пассивного типа с применением регуляторов прямого действия. При этом сохраняется независимость функционирования от традиционных источников. Упрощенная структура и функциональная схема автоматизации (ФСА) такой системы представлена на рисунке 5. Конструктивно регулятор температуры прямого действия 1а представляет биметаллическую пластину, осуществляющую ограничение объемного расхода теплоносителя за счет деформации, вызванной изменением температуры в солнечном коллекторе. Но для технической реализации такой системы вносятся конструктивные изменения в солнечный коллектор.
В [71] предлагается использование энергонезависимого регулятора прямого действия, работающего по принципу регулирования теплового потока пропорционально температурному напору. Это позволяет повысить уровень автоматизации управления процессами тепло- массопереносом без эксплуатации систем регулирования, работающих на традиционных источниках энергии и пусковой аппаратуры. Но такие системы, вследствие естественной циркуляции теплоносителя, обладают достаточно небольшой теплопроизводительностью.
Конструктивное совмещение СК и бака-аккумулятора как, например, в [39], позволяет повысить эффективность предлагаемого решения, благодаря замене части традиционной тепловой изоляции бака-аккумулятора на несколько слоев прозрачного материала. Это дает возможность использовать рассматриваемую часть поверхности в качестве гелиопанели для нагрева воды непосредственно в самом баке, при этом сам СК из системы исключается, что снижает стоимость установки и делает схему проще. Но, несмотря на снижение сроков окупаемости предлагаемой системы, бак-аккумулятор устанавливается вне здания, что чревато замерзанием находящейся в нем воды. Кроме того, упрощение управляющих элементов не позволяет реализовать режим предотвращения остывания теплоносителя при отсутствии солнечного излучения и низкой температуры окружающей среды. СВУ в [117] можно отнести к классу прямоточных, причем бак-аккумулятор исключен из её структуры. Как правило, установка применяется для получения пара под давлением, что обуславливает необходимость использования дополнительного теплообменника ГВС. Система управления используется для автоматизации процесса получения тепла без его утилизации в баке-аккумуляторе. Из недостатков, несмотря на достаточно простое конструктивное исполнение, следует отметить отсутствие канала управления процессом зарядки бака-аккумулятора тепловой энергией с целью ее использования при слабом уровне солнечной радиации.
Системы с естественной рециркуляцией теплоносителя, как правило, используются при относительно небольшом расходе горячей воды (например, для бытовых нужд). Кроме того, в рассмотренных системах отсутствует система диспетчерского управления, применение которой обуславливается необходимостью контроля и сигнализации в аварийных и нештатных режимах при резких изменениях условий окружающей среды, как, например, в переходные сезоны в умеренно-континентальном климате. Для систем ГВС при больших заборах воды эффективнее применять установки с принудительной циркуляцией теплоносителя (гелиоустановки активного типа), принципиальным отличием которых является наличие насоса принудительной подачи теплоносителя в солнечный коллектор. ФСА активной одноконтурной гелиоустановки представлена на рисунке 6.
Разработка модели распределения изменяющихся климатических параметров окружающей среды
Методика, аналогичная широко применяемому на практике методу F-диаграмм расчета солнечных водонагревательных установок [112], позволяет упростить процесс выбора основных элементов и внедрения системы, добившись при этом предельных показателей качества функционирования в статическом режиме. К недостаткам следует отнести ограниченность применения в рамках рассматриваемого типа функциональных элементов систем. Также, следует иметь в виду, что используемые эмпирические зависимости получены путем численного моделирования при обработке статистической информации о погодных условиях и не учитывают ежегодного глобального изменения климата. Причем следует учесть, что используемые зависимости используются не в процессе управления системой, а для выбора ее оптимальной конфигурации по представленному выше критерию.
Оптимизация управления тепло- массообменными процессами базируется на энергетических критериях качества: минимизации расхода первичных энергоресурсов, энергозатрат на управление и др. [111, 127-130, 144]. Основное внимание в отечественной и зарубежной литературе уделяется вопросам оптимизации интегральных характеристик в установившемся режиме [1, 36, 51, 60, 112, 116, 118, 122, 135] и, следовательно, вопросы повышения энергоэффективности в динамическом режиме методами оптимизации управления тепло- массообменных процессов в гелиоустановках горячего водоснабжения в условиях умеренно-континентального климата не достаточно хорошо проработаны и изучены. В [96] управление процессами тепло- массопереноса осуществляется на основе эмпирической зависимости КПД , который является ключевым интегральным показателем эффективности работы системы, от температуры теплоносителя в солнечном коллекторе : Недостатком такого критерия является ограниченность его применения вследствие зависимости от конкретной конфигурации и типа системы, а также основных конструктивных элементов. В работе [60] предложен вариант управления автоматической системой обеспечения заданной температурой с гелиоустановкой на основе критерия эффективности где Ei – первичные энергоресурсы, затрачиваемые для функционирования системы, ГДж; Q(t) - текущая нормированная потребность в энергии, ГДж; г - конечный временной интервал, на котором происходит обмен и потребление энергоресурсов, с; / - вид традиционного энергетического ресурса, используемого системой для обеспечения заданной температуры; п - количество видов энергоресурсов системы. Фактически, критерий отражает долю суммарных энергозатрат первичных ресурсов в общей потребности энергии. Он является безразмерной величиной, которая находится между двумя предельными значениями, характеризующими максимальную и минимальную эффективность управления процессом снабжения теплоносителями потребителя. Критерий оценивает эффективность системы в интегральной форме, которая может быть отнесена к определенному периоду: суточным, недельным, сезонным и годовым показателям. При стремлении выражения ( ) к нулю система управления обеспечивает максимальную эффективность (например, в результате аккумулированной тепловой энергии в бойлере или получения горячей воды за счет тепловой энергии, отведенной от потребителя). При равенстве ( ) единице система управления дает минимальную эффективность использования возобновляемых источников (в этом случае, потребность в энергии удовлетворяется только традиционными видами энергоресурсов).
Достаточно эффективно такой подход применяется при анализе и синтезе систем энергоснабжения с переменной структурой, содержащей несколько видов ВИЭ. Применительно к решаемой задаче в данной работе реализация вышеуказанного метода не даст существенной экономии тепловой энергии, т.к. для горячего водоснабжения применяется только один вид ВИЭ.
С точки зрения автоматизации и управления, эффективность работы гелиосистемы в целом определяется процессом зарядки бака-аккумулятора тепловой энергией [116, 118, 110, 112, 149]. В результате проведенного анализа можно сделать вывод, что для повышения энергоэффективности системы необходимо оптимизировать управление процессом зарядки аккумулятора тепловой энергии, в частности, путем синтеза регулятора, который на основе сигналов обратной связи (температуры теплоносителя на входе и на выходе бойлера) и прогнозируемой информации о параметрах окружающей среды (температуры и интенсивности солнечного излучения) формирует сигналы управления электродвигателями насоса, задающего расход теплоносителя в системе. Таким образом, основная задача данной работы состоит в организации процесса циркуляции антифриза так, чтобы «отводить» максимальное количество тепла из коллектора в бойлер в соответствии с текущими внешними условиями.
Поскольку эффективность управления процессом зарядки бака аккумулятора определяет эффективность работы гелиосистемы в целом, функционал качества на основе энергетического критерия сформулирован в виде ( ). при начальных условиях , – значениях температур теплоносителя на входе и на выходе аккумулятора тепловой энергии в начальный момент времени ; – количество тепловой энергии, которую отдает нагретый антифриз в бойлере. Ограничение на управление накладываются исходя из физических соображений. Условие положительной разности температур и устанавливается требованиями к функционированию системы. Работу, которую совершает нагретый теплоноситель в баке-аккумуляторе при теплоотдаче можно представить в виде произведения где – разность температуры на входе и выходе бака-аккумулятора тепловой энергии. С учетом ( ) и постоянства значений и функционал ( ) можно записать в виде ( ): Таким образом, функционал качества ( ), отражающий насколько эффективно тепловая энергия «транспортируется» из солнечного коллектора в бак-аккумулятор, позволит синтезировать оптимальную по затратам энергии систему управления гелиоустановкой горячего водоснабжения и, как следствие, повысить уровень энергоэффективности системы горячего водоснабжения в целом.
Предпосылки к применению принципа максимума для решения задачи динамической оптимизации в системе управления гелиоустановкой горячего водоснабжения
Разработанная система управления горячим водоснабжением с возобновляемым источником энергии на основе гелиоустановки была интегрирована в состав автоматизированной системы диспетчерского управления распределенными энергоресурсами БГТУ им. В.Г. Шухова, что позволило диспетчеру осуществлять мониторинг и оперативное управление технологическим процессом горячего водоснабжения зданий (рисунок 63). Задача интеграции решена использованием совместных программных ресурсов, таких как OPC-сервер, SCADA-системы и база данных. На мнемосхеме АРМ доступны управляющие элементы, которые позволяют осуществить переход к соответствующим экранным формам системы управления гелиоустановкой в составе системы ГВС спорткафедры университета (см. рисунки 50 – 52). Рисунок 63 – Экранная форма АСДУ распределенными энергоресурсами БГТУ им. В.Г. Шухова
С использованием разработанного программного обеспечения, применением протоколов удаленного доступа и интернет технологий создана межвузовская распределенная демонстрационная зона по энергосбережению 128 БГТУ им. В.Г. Шухова, которая на данный момент включает ряд высших и средних учебных заведений и промышленных предприятий Белгородской области. Разработанная структура демозоны представлена на рисунке 64. Объектами демозоны являются энергоэффективные тепловые узлы и автономные газовые котельные, приточно-вытяжные установки, системы электроснабжения учебных корпусов и технологических зданий, узлы учета энергии. Ключевая особенность демонстрационной зоны состоит в предоставлении общих интерактивных ресурсов для совместного использования в учебной и научно-исследовательской деятельности результатов функционирования технологического оборудования распределенных систем энергоснабжения и жизнеобеспечения зданий. Авторизованный пользователь сети интернет или ЛВС БГТУ им. В.Г. Шухова может получить доступ в режиме реального времени к реальным инженерным системам, получить данные об их функционировании (переменные, параметры и др.).
Демозона, в состав которой входят технологические объекты учебных заведений, жилых массивов и промышленных предприятий, является распределенной интерактивной системой в масштабе региона, демонстрирующей результаты мероприятий по повышению энергоэффективности, и позволяет 129 следовать современной концепции энергоэффективности и энергобезопасности; разрабатывать новые энергоэффективные решения в энергетике, а также получать практические навыки по техническим дисциплинам. Таким образом, демонстрационная зона по энергосбережению БГТУ им. В. Г. Шухова является мощной базой для развития энергоэффективных проектов в регионе. 4.5 Оценка достоверности полученных результатов и эффективности функционирования разработанной автоматизированной системы управления гелиоустановкой ГВС Применение разработанного подхода оптимизации управления в гелиоустановках при их использовании в составе систем горячего водоснабжения зданий позволяет достигнуть достаточно высоких показателей энергоэффективности и энергосбережения даже в условиях умеренно-континентального климата, значительно снизив сроки окупаемости таких систем. Оценка эффективности произведена эмпирическим путем на базе внедренной АСУ ГВС кафедры физического воспитания и спорта БГТУ им. В.Г. Шухова с использованием поверенных аттестованных средств технических измерений (расходомеров, датчиков давления, термометров сопротивлений).
Важным показателем эксплуатации систем энергоснабжения и жизнеобеспечения зданий является энергоэффективность, то есть степень достижения предельных показателей функционирования по минимизации первичных энергоресурсов, получаемых традиционными способами. Минимизация первичных энергоресурсов, согласно формализованному критерию ( ), заключается в оптимизации процесса тепло- массообмена при зарядке баков-аккумуляторов тепловой энергии. График распределения разности температур теплоносителя на входе и выходе бака-аккумулятора гелиоустановки во времени в зависимости от скорости движения теплоносителя при фиксированном расходе горячей воды представлен на рисунке 65.
Зависимость разности температур теплоносителя на входе и выходе бака-аккумулятора тепловой энергии Экстремальный характер зависимости подтверждает достоверность полученных результатов и указывает на энергоэффективное использование первичных энергоресурсов (теплоносителя котельной), поскольку количество тепла, отбираемого для нагрева горячей воды при данных условиях и оптимальной скорости движения антифриза ( ) является максимальным. Эффективность функционирования гелиоустановки представлена в виде графика распределения доли использования энергии возобновляемого источника, выраженной в процентах, в общем энергобалансе системы горячего водоснабжения здания во времени в зависимости от месяца года на рисунке 66. Интегральные показатели эффективности, полученные обработкой экспериментальных данных функционирования системы, отражены на рисунке 67 в виде распределения усредненного значения мощности ВИЭ во времени по месяцам. Можно сделать вывод, что период эффективной эксплуатации гелиоустановки горячего водоснабжения в составе систем горячего водоснабжения зданий в условиях умеренно-континентального климата начинается с середины апреля по середину октября. В период с июля по август до 100% тепловой нагрузки в системах горячего водоснабжения обеспечивает ВИЭ.
Распределение мгновенной мощности гелиоустановки горячего водоснабжения кафедры физического воспитания и спорта БГТУ им. В.Г. Шухова Применение разработанной оптимальной адаптивной системы управления гелиоустановкой горячего водоснабжения частично решит проблему нагрузки котельных при их эксплуатации в неотапливаемые сезоны для получения горячей воды, поскольку приходится затрачивать дополнительную энергию и подавать теплоноситель по достаточно протяженным трубопроводам к зданиям. А наиболее распространенным решением вышеуказанной проблемы является 132 использование локальных теплоисточников на основе электронагревателей и маломощных газовых котлов. Установка последних часто невозможна в связи с ограничениями, в первую очередь связанными с отсутствием, а также проблемами прокладки и обслуживания газовых трубопроводов в зданиях. Поэтому при замене электронагревателей гелиоустановками эквивалентной мощности можно получить достаточно высокие экономические показатели. Анализ эффективности функционирования гелиоустановки БГТУ им. В.Г. Шухова (см. рисунок 67) показывает, учитывая тарифы на электроэнергию, средняя годовая экономия составляет 70 – 100 тыс. руб., что при стоимости внедрения системы в 500 тыс. руб. позволяет сократить сроки окупаемости 12 – 15 до 7 – 10 лет.
Техническая реализация автоматизированной системы управления
Среди существующих тенденций в области построения систем мониторинга выделяется переход к интенсивному внедрению веб-технологий, связанный с их всё более широким проникновением во все сферы управления и автоматизации инженерных систем энергоснабжения и жизнеобеспечения зданий. Следование стандартам World Wide Web Consortium делает возможным построение энергоэффективных систем мониторинга с минимальными требованиями к клиенту, что подразумевает оперативное предоставление технологической информации о состоянии объекта пользователю средствами протоколов стека TCP/IP. В этом случае запросы и отображение информации осуществляются веб-браузером на клиентской машине. Последний факт делает возможным наблюдение за состоянием объекта с любого, в том числе мобильного устройства, оснащённого средствами коммуникации, достаточными для подключения к вебсерверу [22].
Требование оперативности получаемых данных означает, что отображение информации должно происходить динамически, без необходимости полной перезагрузки страницы и противоречит концепции обмена информацией по протоколу HTTP. Среди наиболее распространённых в настоящее время схем функционирования веб-приложений можно выделить схемы [93], основанные на использовании средств Java-среды и технологий AJAX, в том или ином виде. Другие варианты включают в себя применение технологий .NET, таких как ASP.NET и Remote Scripting. В этих случаях используется только протокол HTTP и поэтому невозможно добиться событийно-ориентированного обновления. Основной отрицательной чертой этих подходов является их жесткая привязка к определённой программной платформе.
Результатом изысканий путей устранения указанных недостатков явилась разработка метода, подразумевающего использование технологии реверсивного AJAX и long poll (рисунок 53). Схема такого клиент-серверного взаимодействия может быть описана следующим образом. После загрузки статической информации с веб-сервера (сама страница, изображения, клиентские сценарии и т.д.) клиент посылает асинхронный HTTP-запрос с информацией, определяющей его текущее состояние. Веб-сервер фиксирует это состояние, оставляя HTTP-соединения открытым - таким образом происходит регистрация конкретного клиента на следующее обновление. Серверное приложение, осуществляющее опрос датчиков объекта, уведомляет веб-сервер об очередном изменении состояния. Информация о данном изменении отсылается веб-сервером клиенту, после чего клиент закрывает HTTP-соединение.
AJAX Тот факт, что соединение может оставаться открытым продолжительное время позволяет избавить клиент от частой отправки регулярных запросов, снижая нагрузку на сеть и сервер, а также сократить время реакции системы, поскольку клиент получает обновлённые данные без задержек, связанных с созданием нового соединения. Реверсивность работы AJAX в данном случае объясняется переносом инициативы от клиента к серверу: сервер самостоятельно определяет моменты рассылки обновлений клиентам. При этом не требуется ни использование нестандартных портов для создания дополнительных соединений, ни каких-либо расширений браузера на стороне клиента.
Организация коммуникации по протоколу OPC реализована с помощью распространяемого по открытой лицензии модуля OpenOPC. Связь с OPC-сервером осуществляется по протоколу OPC-DA 2.05a [136]. Сервер осуществляет съём технологической информации с датчиков оборудования по протоколу Modbus, предоставляя доступ к ней через OPC-интерфейс [138].
В качестве веб-сервера выступает HTTP-сервер, поддерживающий спецификацию WSGI (Web Server Gateway Interface), Apache 2.2 с модулем mod_wsgi. Диаграмма состояний UML, описывающая алгоритм обработки синхронных и асинхронных запросов веб-сервером приведена на рисунке 54. [запрос синхронный] [запрос асинхронный] Передача запроса обработчику [Ответ отправлен] Отправка ответа клиенту [Получе запрос] [сигнал от обработчика] Для каждого запроса будет вызван собственный экземпляр обработчкиа [обработка завершена] Обработказапроса ч Рисунок 54 – Диаграмма состояний серверного программного обеспечения обработки запросов Алгоритм обработки асинхронных запросов оперативной информации обработчиком изображен на рисунке 55. Исходный код обработчика представлен в Приложении Г.
Взаимодействие потоков и сопрограмм в рамках обработки заявок. Единственным требованием, при использовании разработанной технолгии является разрешённое исполнение JavaScript-сценариев в браузере, так как вся клиентская часть системы реализована именно на их основе, но данное требование невозможно считать обременяющим.