Содержание к диссертации
Введение 8
Глава 1. Обзор состояния систем теплового снабжения и методов их исследования 14
1.1. Оценка состояния СТС в Российской Федерации и перспективы их развития 14
1.2. Системы теплового снабжения помещений 18
1.3. Нормативные требования (СНиП) к тепловым параметрам помещений и их регулированию 20
1.4. Оценка потерь тепловой энергии в элементах систем теплового снабжения 22
1.5. Методы анализа и возможные направления повышения эффективности систем теплового снабжения " " 24
1.6. Выводы по главе и цели исследования 34
Глава 2. Анализ и классификация систем теплового снабжения 36
2.1. Обоснование требований к математическим моделям систем теплоснабжения 36
2.2. Системный подход к описанию теплоснабжения зданий 37
2.3. Централизованные системы теплового снабжения 42
2.4. Системы теплоснабжения зданий с автономными встроенными источниками 46
2.5. Системы теплоснабжения зданий с автономными пристроенными источниками 49
2.6. Системы теплоснабжения зданий с автономными вынесенными источниками 53
2.7. Принципы классификации систем теплового снабжения 57
2.8. Выводы по главе 59
Глава 3. Построение математических моделей систем теплоснабжения 61
3.1. Построение математических моделей «базовых» элементов систем теплоснабжения 61
3.1.1. Математическая модель процесса теплового обмена в источнике тепловой энергии 67
3.1.2. Математическая модель процесса теплового обмена в теплотрассах прямой и обратной подачи 71
3.1.3. Математическая модель процесса теплового обмена в обогреваемом помещении 73
3.2. Математическая модель системы теплоснабжения с вынесенным автономным источником 76
3.3. Математические модели систем теплоснабжения с совмещенными с нагрузкой автономными источниками 78
3.3.1. Математическая модель системы теплоснабжения с автономным пристроенным источником 78
3.3.2. Математическая модель системы теплоснабжения с автономным встроенным источником 80
3.4. Математические модели теплового снабжения от централизованного источника 81
3.4.1. Математические модели теплового снабжения от централизованного источника по радиальной схеме 81
3.4.2. Математические модели теплового снабжения от централизованного источника по магистральной схеме 83
3.5. Математические модели теплового снабжения от централизованного и совмещенных автономных источников 89
3.5.1. Математические модели теплового снабжения по радиальной схеме 89
3.5.2. Математические модели теплового снабжения по магистральной схеме 92
3.6. Математические модели теплового снабжения от централизованного и вынесенных автономных источников 93
3.6.1. Математические модели теплового снабжения по радиальной схеме 93
3.6.2. Математические модели теплового снабжения по магистральной схеме 95
3.7. Выводы по главе 96
Глава 4. Принципы анализа систем теплового снабжения 98
4.1. Общие принципы решения систем ОДУ рассматриваемого класса 98
4.2. Методика построения аналитических решений систем ОДУ 99
4.3. Методика нахождения нормативных режимов СТС 108
4.3.1. Условия достижимости стационарных и нормативных режимов 109
4.3.2. Нахождение нормативных режимов СТС 111
4.4. Методика эквивалентирования систем теплоснабжения 114
4.4.1. Эквивалентирование магистральных участков тепловых сетей 115
4.4.2. Эквивалентирование радиальных участков тепловых сетей 117
4.4.3. Эквивалентирование отопительных приборов 119
4.4.4. Эквивалентирование обогреваемых помещений 120
4.4.5. Эквивалентирование автономных источников тепловой энергии 121
4.4.6. Методика проведения расчетного эксперимента по эквивалентированию сети 123
4.4.7. Аналитические зависимости для оценки погрешностей эквивалентирования
4.5. Методические подходы к решению задач устойчивости систем рассматриваемого класса 129
4.6. Постановка задачи описания областей устойчивости в пространстве коэффициентов характеристических многочленов 130
4.7. Описание областей устойчивости в пространстве коэффициентов характеристических многочленов 135
4.8. Методика построения асимптотически устойчивых линейных систем ОДУ 142
4.9. Оптимальное управление системами теплоснабжения помещений 147
4.9.1. Релейное управление переходным режимом теплоснабжения помещения 148
4.9.2. Релейное управление переходным режимом теплоснабжения помещения в системе «радиатор- помещение» 151
4.10. Выводы по главе 154
Глава 5. Анализ математических моделей конкретных систем теплового снабжения
5.1. Масштабирование коэффициентов математических моделей, моделирующих теплоснабжение от централизованных источников 156
5.2. Математическое моделирование системы теплоснабжения порядка 4п+1 158
5.2.1. Анализ устойчивости системы теплоснабжения с централизованным источником 15 8
5.2.2. Оценка устойчивости системы теплоснабжения с централизованным источником и одной нагрузкой 159
5.2.3. Аналитические решения систем теплоснабжения с централизованными источниками (общий случай) 164
5.3 Масштабирование коэффициентов математических моделей, моделирующих теплоснабжение от централизованного и автономных источников 164
5.3.1. Масштабирование коэффициентов математических моделей для централизованных систем с автономными встроенными источниками 165
5.3.2. Масштабирование коэффициентов математических моделей для централизованных систем с автономными пристроенными источниками 166
5.3.3. Масштабирование коэффициентов математических моделей для централизованных систем с автономными вынесенными источниками 167
5.4. Анализ устойчивости систем теплоснабжения с централизованным и автономными источниками 169
5.4.1. Анализ устойчивости системы теплоснабжения с централизованным и автономными встроенными источниками 169
5.4.2. Анализ устойчивости системы теплоснабжения с централизованным и автономными пристроенными источниками 173
5.4.3. Анализ устойчивости системы теплоснабжения с централизованным и автономным вынесенным источниками 177'
5.5. Нормативные решения для систем централизованного теплоснабжения 178
5.6. Нормативные решения для систем централизованного теплоснабжения с автономными источниками 180
5.6.1. Нормативные решения для систем централизованного теплоснабжения с автономными встроенными источниками 180
5.6.2. Нормативные решения для систем централизованного теплоснабжения с автономными пристроенными источниками 184
5.6.3. Нормативные решения для систем централизованного теплоснабжения с автономными вынесенными источниками 188
5.7. Пример корректировки устойчивости системы ОДУ 193
5.8. Выводы по главе 196
Глава 6. Реализация программных комплексов по математическому моделированию СТС 198
6.1. Принципы компьютерной реализации (возможности и структура системы программной поддержки) 198
6.2. Пример эквивалентирования магистральной схемы СТС в радиальную 199
6.3. Эквивалентирование системы теплоснабжения с централизованным источником 205
6.4. Пример оценки устойчивости системы теплового снабжения 223
6.5. Сравнительный анализ компьютерного моделирования СТС с результатами эксперимента 226
6.6. Оптимизация системы теплоснабжения типового жилого комплекса 234
6.7. Выводы по главе 239
Заключение 241
Библиографический список 244
Обозначения, символы и сокращения 269
Приложение 272
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема экономии энергетических ресурсов для современной российской экономики является актуальной, поскольку влияет не только на себестоимость энергоносителей, но и на все остальные цены. Управление режимами теплоснабжения и их оптимизация играют важную роль в настоящем, и будут играть еще большую роль в будущем. По мнению виднейшего футуролога современности Артура Кларка, все расчеты в будущем будут из-Ш меряться единицами затрат тепловой энергии, то есть тепло станет единой мировой валютой.
Высокие тарифные ставки на энергоносители не решают проблемы их дефицита, возникающей из-за высокой энергоемкости национальной экономики и больших потерь почти всех видов энергии. Это относится и к области теплового снабжения, так как эта отрасль энергетики сложна в расчетном отношении « и менее изучена. Разработка обоснованных рекомендаций по режимам теплоснабжения должна основываться на математических моделях. В настоящее время наблюдается разрыв между применяемыми простейшими инженерными и статистическими моделями описания и анализа тепловых сетей и моделями тепловых полей, основанными на уравнениях математической физики. Необходима разработка математических моделей для описания режимов СТС, которые, с одной стороны позволяли бы описывать режимы работы системы в це- лом, а с другой - получать необходимые для практических целей результаты. Следовательно речь идет о построении математических моделей, обеспечивающих поиск решений, отвечающих минимуму затрат на теплоснабжение.
Возникает необходимость объединения усилий специалистов при проектировании новых зданий и поиске оптимальных решений для элементов СТС: источников тепловой энергии, теплотрасс прямой и обратной подачи, систем (щ теплового обмена в зданиях и теплоизоляции их ограждающих конструкций.
Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Энергосбережение России 1998-2005 г.г.», утвержденной Постановлением правитель ства РФ от 24.01.98 г. № 80, поддержана грантом Министерства образования РФ № 2328 «Научно-методическая разработка системы энергосбережения в образовательных учреждениях», 2000 г., обусловлена необходимостью создания методики комплексной оценки эффективности систем теплоснабжения малых городов, проводимой ОАО «Институт Ростовтеплоэлектропроект» и МУП «Донэнерго» в рамках областной программы передачи СТС из муниципальной собственности в областную, 2004 г. и направлена на реализацию Федерального закона «Об энергосбережении» № 28-ФЗ от 03.04.96 г.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является разработка математического аппарата, применение которого для решения оптимизационных задач СТС позволит минимизировать затраты на генерацию и транспортировку тепловой энергии. ;
Цель достигается разработкой общей методологии математического моделирования СТС практически любой сложности и конфигурации, разработкой методики эквивалентирования СТС в их укрупненные группы, разработкой методов аналитического решения СТС рассматриваемого класса и построением на их базе программных комплексов, реализующих разработанные математические модели.
Достижение указанной цели требует решения следующих задач:
• разработка, на основе системного анализа, классификации схемных решений и структурных вариантов построения автономных, централизованных и комбинированных СТС;
• создание методологии построения математических моделей СТС;
• построение математических моделей СТС зданий и сооружений;
• создание методики анализа устойчивости решений систем обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ), моделирующих исследуемые СТС;
• разработка методики упрощения аналитических решений систем ОДУ рассматриваемого класса;
• выявление условий достижения нормативных режимов СТС исследуемого класса;
" • разработка методики эквивалентирования моделей систем теплоснаб жения - построение более простых, эквивалентных исходным моделям по потерям тепловой мощности и энергии;
• создание программного инструмента расчета стационарных и переходных температурных режимов для отдельных элементов и СТС в целом.
Методы исследования. В работе использованы методы теории обыкновенных дифференциальных уравнений и вариационного исчисления, численные методы, линейная алгебра, теория устойчивости динамических систем, методы оптимизации и системный анализ. Наряду с аналитическими и экспериментальными методами в исследованиях широко применялось компьютерное моделирование. /ф Научную новизну представляют:
• предложенная классификация структур СТС, отличающаяся использованием ранее не применявшейся системы классификационных признаков, объединившей на основе единого методологического подхода известные и вновь разрабатываемые технические решения;
• разработанная общая для широкого класса СТС методология построения математических моделей, отличающаяся тем, что ее использование по-зволяет строить математические модели систем по их топологии и моделям «базовых» элементов;
• построенные математические модели централизованных, автономных и комбинированных схем теплоснабжения, разработанные впервые и обеспечивающие возможность проектирования и анализа режимов работы СТС;
% • выполненное описание областей устойчивости для систем ОДУ первого пятого порядков в пространстве коэффициентов характеристических уравнений или их преобразований, закладывающее основу для решения обратных задач теории устойчивости - выбора первичных параметров СТС; разработанный на основе исследования структуры характеристических уравнений метод анализа и корректировки устойчивости математических моделей исследуемых систем, позволяющий определять элементы, варьирование параметров которых приводит в наибольшей степени к желаемому изменению устойчивости анализируемых систем; предложенный эвристический метод корректировки решений сложных систем ОДУ изменением параметров подсистем, позволяющий анализировать их устойчивость по устойчивости подсистем, корректировать устойчивость целенаправленным изменением устойчивости подсистем, с последующей проверкой устойчивости систем по корням их характеристических уравнений;
• полученные для разработанных математических моделей, основанных на системах ОДУ высокого порядка, аналитические решения, отличающиеся тем, что позволяют вести на персональных компьютерах расчеты переходных режимов СТС в областях монотонной и колебательной устойчивости;
• выведенные впервые условия достижения нормативных режимов СТС исследуемого класса;
• разработанные методы эквивалентирования — преобразования различных элементов моделей СТС в их укрупненные группы, отличающиеся от существующих методов оценкой погрешностей расчетов, вносимых указанными преобразованиями;
• созданные на основе вновь разработанных математических моделей программные комплексы расчета стационарных и переходных температурных режимов для отдельных элементов и СТС в целом. Практическая ценность выполненной работы состоит в возможности применения предложенной методологии и разработанного на ее основе программного инструмента для моделирования теплотехнических процессов, расчета потерь тепловой энергии и оптимизации как отдельных элементов, так и СТС в целом, управления режимами эксплуатации систем теплового снабжения, проведения теоретических исследований на этапе проектирования зданий и сооружений и выбора источников тепла.
Достоверность полученных автором результатов подтверждена математическими доказательствами, приведенными примерами анализа конкретных систем, исследованных разработанными методами, совпадением результатов вычислительных экспериментов с результатами тестирования действующих СТС, публикациями в журналах и сборниках трудов всероссийских и международных конференций.
Реализация результатов работы. Теоретические, методические и программные исследования нашли свое применение на различных предприятиях проектирующих и эксплуатирующих системы теплового снабжения. К их числу относятся ОАО «Институт Ростовтеплоэлектропроект», государственное научное учреждение - Всероссийский научно-исследовательский институт экономики и нормативов, ОАО «Пищеагростройпроект», ОАО «ЮВЭнергочермет», ОАО «ДОНВИНО». Результаты работы использованы также при оптимизации СТС ОАО «Ростовский комбинат хлебопродуктов», треста «Спецотделграж-данстрой» и ряда других предприятий и организаций г. Ростова-на-Дону и Ростовской области. В работе решен целый ряд теоретических задач, разработаны методики и программы, применение которых при проектировании и эксплуатации СТС позволяет получать технически и экономически обоснованные рекомендации, направленные на минимизацию капитальных затрат и эксплуатационных расходов.
Результаты исследования и система программной поддержки применяются в учебных целях при проведении лекционных и практических занятий на кафедрах «Экономика и менеджмент в машиностроении» РГАСХМ, «Экономика и прикладная математика» и «Технология материалов и машиноведение» РГПУ, «Исследование операций» РГУ в курсах: «Теплотехника», «Гидравлика», «Исследование систем управления», «Компьютерное моделирование технологических процессов», «Автоматизация технологических процессов», «Ин формационные технологии в экономике», «Исследование операций», «Математическое моделирование экономических и производственных систем». % Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационно го исследования докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на научных конференциях, симпозиумах и семинарах, в том числе на Международной научно-практической конференции «Интеграция отраслевой и вузовской науки: проблемы современного машиностроения» (Ростов-на-Дону, 2000); - 23-й международной школе-семинаре им. Шаталина С.С. «Системное Ш w моделирование социально -экономических процессов » (Дивноморск, 2000); — первой окружной Южно-Российской научно-практической конференции «Технологическое образование: содержание, проблемы, перспективы» (Ростов-на-Дону, 2000); - 24-й международной школе-семинаре им. Шаталина С.С. «Системное моделирование социально-экономических процессов» (Воронеж, 2001); - 25-й международной школе-семинаре им. Шаталина С.С. «Системное моде jte лирование социально-экономических процессов» (Королев, 2002); - VI международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении», СПбГПУ (Санкт-Петербург, 2002); - VII международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении», (Елец, 2003).
Результаты работы докладывались и получили положительную оценку на заседаниях кафедр в РГУ, РГПУ, РГАСХМ, ТГРТУ и ЮРГТУ.
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано печатных работ, в которых изложены основные положения диссертации, в том числе 2 монографии и 25 статей, опубликованных в центральной печати.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка из 280 наименований (включая справочные источники Интернет). Содержание диссертаци ш онной работы изложено на 286 страницах, в том числе 16 рисунков, 71 таблица. В приложение вынесены акты об использовании и внедрении результатов диссертационной работы.
