Содержание к диссертации
Введение
1. Повышение эффективности систем автоматизированного управления теплопотреблением зданий (асутп) анализ состояния проблемы 6
1.1. Системы управления теплопотреблением 6
1.2. Математические модели и методы сравнения эффективности систем управления теплопотреблением 21
1.3. Постановка задачи исследования 30
2. Математическое моделирование автоматизированных систем управления теплопотреблением 32
2.1. Динамические уравнения систем управления теплопотреблением зданий 32
2.2. Коэффициенты динамического уравнения для систем управления теплопотреблением зданий 38
2.3. Динамический анализ систем управления теплопотреблением 40
2.4. Оценка погрешности численного исследования 45
2.5. Оценка погрешности экспериментального исследования 50
2.6. Анализ достоверности численных исследований 51
2.7. Структура программного продукта 53
Выводы 58
3. Экспериментальное исследование систем управления теплопотреблением 59
3.1. Экспериментальные установки и методика проведения эксперимента 59
3.2. Анализ воспроизводимости результатов экспериментального исследования 62
3.3. Результаты экспериментальных исследований 64
3.4. Экономическая эффективность от использования систем управления теплопотреблением 71
Выводы 76
4. Результаты численного исследования динамических характеристик систем управления теплопотреблением 77
4.1. Исходные данные для анализа АСУТП 77
4.2. Результаты численного исследования автоматизированных систем управления теплопотреблением зданий 79
4.3. Частотные характеристики систем 95
4.4. Устойчивость систем 99
4.5. Чувствительность систем 108
4.6. Предлагаемые проектные решения и рекомендации по проектированию АСУТП зданий 109
Выводы
Заключение и выводы
- Математические модели и методы сравнения эффективности систем управления теплопотреблением
- Динамический анализ систем управления теплопотреблением
- Анализ воспроизводимости результатов экспериментального исследования
- Результаты численного исследования автоматизированных систем управления теплопотреблением зданий
Введение к работе
Актуальность темы. Широкому внедрению автоматизированных систем управления теплопотреблением (АСУТП) препятствует отсутствие адекватных моделей и методов выбора такой структуры АСУТП, при которой АСУТП давала бы наибольшую экономию тепла в конкретных условиях эксплуатации с принятой погрешностью регулирования температуры внутреннего воздуха + 1,5...2 С. Эффективность работы систем определяется электронной схемой оборудования, внутренней структурой АСУТП (местом установки регулирующего органа АСУТП), внешними факторами (графиком центрального качественного регулирования (ЦКР) отпуска теплоты; теплотехническими характеристиками здания, где установлена АСУТП). Характерной особешго-стью АСУТП является то, что они работают в динамическом режиме (при непрерывном изменении наружной температуры, температур в подающей и в обратной магистрали). Поэтому необходимо установить связь между динамическими характеристиками систем с различной внутренней структурой и экономической эффективностью от их внедрения. Экспериментальные исследования АСУТП для каждого случая требуют неоправданно высоких капиталовложений. В связи с этим, моделирование динамических режимов и численное исследование эффективности АСУТП с учетом влияния внутренней структуры АСУТП и внешних факторов представляется актуальной проблемой, решение которой открывает возможность выбора оптимального варианта АСУТП уже на стадии ее проектирования.
Цель работы. Разработать математическую модель и исследовать динамические режимы автоматизированных систем управления теплопотреблением зданий.
Эта цель достигается решением следующих задач:
Разработать математическую модель АСУТП для исследования динамических режимов работы системы.
Выполнить экспериментальные исследования различных автоматизированных систем управления тешюпотребления для верификации математической модели и анализа экономической эффективности различных систем.
Выполнить численные исследования динамических режимов автоматизированных систем управления теплопотреблением.
На основании численных исследований динамических режимов систем управления теплопотреблением сформулировать рекомендации по выбору АСУТП для различных условий их эксплуатации.
Методы исследования. Расчетно-теоретический с использованием теории дифференциальных уравнение теории автоматического регулирования и экспериментальный.
Научная новизна положений, выносимых на защиту:
1. Предложена математическая модель АСУТП, предназначенная для ис
следования динамических режимов работы системы с учетом влияния графики
ЦКР и места установки регулирующего органа АСУТП. /
На основе экспериментальных исследований установлена существенная зависимость эффективности работы автоматизированной системы управления теплопотреблением от графика ЦКР и места установки регулирующего органа.
В результате численного исследования выбраны целесообразные схемы АСУТП для различных графиков центрального качественного регулирования, позволяющие в 1,3:..1,7 раза увеличить экономический эффект от их применения. На основании анализа устойчисти установлены области устойчивой работы АСУТП в зависимости от графика ЦКР и места установки регулирующего органа.
Предложен способ выбора места установки регулирующего устройства в автоматизированных системах управления теплопотреблением и получено положительное решение о выдаче патента на изобретение (заявка на изобретение №2007117218 от 08.05.2007).
Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы проектными организациями при конструировании АСУТП, а также организациями, эксплуатирующими АСУТП. Их применение позволит повысить эффективность от внедрения АСУТП в 1,3... 1,7 раза.
Результаты численного исследования были положены в основу технического задания на проектирование системы управления теплопотреблением общежития №3 Ульяновского государственного технического университета. Годовой экономический эффект от внедрения разработки составил 274,3 тыс. руб., на что имеется акт внедрения.
Программные продукты по моделированию динамических режимов АСУТП с регулятором на подающей и обратной магистрали (свидетельства Ульяновского областного центра новых информационных технологий № 1218 от 8 апреля 2008 г., 1 .xrncd и № 1219 от 8 апреля 2008 г., ) внедрены в учебный процесс. Они используются на кафедре «Теплоэнергетика» УлГТУ в лабораторном практикуме по дисциплине «Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий» специальности 14010465 - «Промышленная теплоэнергетика».
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (приказы Минобразования РФ №474 от 11.02.2003; №801 от 20.02.2004, письмо заместителя руководителя Федерального агентства по образованию №16-55-76 ин/02-13 от 18.03.2005).
Достоверность. Достоверность численных расчетов обеспечивается применением адекватной (подтвержденной экспериментальными результатами) математической модели АСУТП, апробированной методики расчета, анализом погрешности вычислений. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением апробированных методов и аттестованных средств измерения, анализом погрешности измерений и подтверждается тестовыми экспериментами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 6-м Минском Международном Форуме по Тепломассообмену (Минск, 2008 г.); на IV Российской национальной конференции по теплообмену
(Москва, 2006 г.); на XVI школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках» (Петербург, 2007 г.); на V, VI Школах-семинарах молодых ученых и специалистов академика РАН В. Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2006, 2008 гг.); на 5-й Международной научной школе-конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Алушта, 2007 г.); на 4-й Международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы транспорта» (Ульяновск, 2007 г.); на научно-технических конференциях Ульяновского государственного технического университета (Ульяновск, 2005 - 2008 гг.);
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в т. ч. одна статья опубликована в журнале из списка ВАК. Получено положительное решение о выдаче патента на изобретение (заявка на изобретение № 2007117218 от 08.05.2007)
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (120 наименований) и приложений. Общий объем 147 страниц.
Математические модели и методы сравнения эффективности систем управления теплопотреблением
Из уравнения (1.6) понятно, что тепловая нагрузка может регулироваться путем изменения нескольких параметров: коэффициента кп, площади Fn, температуры греющего теплоносителя на входе в прибор т\пр, эквивалента расхода греющего теплоносителя Wn, времени работы прибора п.
При центральном качественном регулировании теплоотдача регулируется путем изменения температуры.
МТП, оснащенный системой управления теплопотреблением позволяет применить местное количественное регулирование путем изменения расхода теплоносителя, поступающего в нагревательные приборы здания. Для всех систем непрерывного регулирования Соколов Е. Я. [83] приводит выражение на основе уравнений теплового баланса и теплопередачи: Q = W.Stnp=kn-Atnp, (1.9) где Q , W , 5tnp, кп - относительные величины соответственно тепловой нагрузки, водяного эквивалента, перепада температур в местной системе, коэффициента теплопередачи в нагревательных приборах. Q=, (1-ю) где Q - расчетная тепловая нагрузка соответствующая наружной температуре воздуха tHO; Q - количество теплоты, переданное за время, п. Тогда при расчете режимов регулирования с переменным расходом теплоносителя или эквивалента расхода теплоносителя в сети от тепловой нагрузки такая зависимость описывается эмпирическим уравнением: W=Qm, (1.11) при качественно-количественном регулировании 0 т 1 выражение (1.11) принимает вид: 0 W. (1.12) Теплопотери через ограждающие конструкции можно рассчитать по выражению [11, 12, 27, 34, 35, 58, 75, 83]: Qoгpaжд = "-Ve н) - (1.13) где к — коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций здания; tH - температура наружного воздуха, te - температура воздуха внутри помещения, F — площадь ограждающих конструкций здания. Коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций здания согласно [11, 12, 27, 34, 35, 58, 75, 83] находится как: к = - г, (1.14) 1 , ст , 1_ где ан — коэффициент теплоотдачи между наружной поверхностью ограждающих конструкций и воздухом, 8ст — толщина ограждения, Лст — коэффициент теплопроводности ограждения (стены), ав - коэффициент теплоотдачи между внутренней поверхностью ограждения (стены) и воздухом. Потери теплоты на инфильтрацию воздуха определяются по выражению: Яинф = свозд синф ( -(н) (1 15) где св03() —теплоёмкость воздуха, принятая равной 1005 Дж/(кг К), tH — температура наружного воздуха; Gtm(p - массовый расход нагреваемого ин фильтрующегося воздуха, кг/с.
Расчет систем управления теплопотреблением по уравнениям (1.6 — 1.15) ведется в условиях, когда известны температуры теплоносителя на входе в отопительные приборы и неизвестны температуры теплоносителей на выходе из них. Поэтому уравнение тепловой нагрузки (1.6) неудобно для расчета режимов регулирования , так как неизвестно значение Д , которое определяется методом последовательных приближений и принимается среднеарифметическая разность температур.
Гилюс А., Исявичюс Э. [23] предлагают свою математическую модель систем автоматизированного управления теплопотреблением на основе удельного расхода тепла qp на подогрев воздуха на 1С: где Qp — расход тепла на отопление, tH — среднемесячная температура наружного воздуха. Также этими авторами был использован удельный расход энергии qp на отопление 1м" помещения при подогреве воздуха на 1 С в сутки: 4Fr=y- (1Л?) где F3 - суммарная площадь отапливаемых помещений здания. Недостатком данной математической модели является то, что она не учитывает, например, резких скачков температуры в течении одних суток и не может быть использована при моделировании динамических режимов автоматизированных систем управления теплопотреблением.
Аналогичные модели используют Байтингер Н. М., Бурцев В. В., Басин А.С., Ершова М. И. [7 - 9, 14].
Математическая модель теплового состояния здания Байтингера Н. М., Бурцева В. В. является стационарной и основана на уравнении: Q\-Q.2=Qn=Gcp(tx2), (1.18) где 0\, Q2 - расход теплоты, подаваемой потребителю и возвращаемой поставщику тепловой энергии, соответственно, Оп — расход теплоты на отопление здания (помещения), G — расход теплоносителя (при независимой схеме присоединения МТП G-const), ср — теплоемкость воды =4,19 кДж/(кгК). Математическая модель Байтингера Н. М., Бурцева В. В. не может использоваться для моделирования динамических режимов систем управления теплопотреблением, поскольку не отражает изменения динамики системы во времени. Авторы Ливчак В. И. и Матросов Ю. А., Щипанов Ю. Б. [46 - 57] используют для математического описания систем управления теплопотреблением проектный удельный расход тепловой энергии системой отопления здания qnp, значение которого сравнивается с требуемым значением удельного расхода тепловой энергии qmp, кВт-ч/м": qnP qmP. (1.19) Аналогичные математические модели применяются в странах зарубежья [111, 113, 118-119]. Ливчак В. И. [46 - 54] предлагает в жилых зданиях, оборудованных системой отопления с термостатами на отопительных приборах, при определении годового теплопотребления вводить понижающий коэффициент, учитывающий действие вентиляции квепт = 0,75 . При определении теплопотерь здания, которые должны быть скомпенсированы системой отопления, Ливчак В. И. [46 - 54] предлагает вводить коэффициент bfa , учитывающий конструктивные особенности здания (здания башенного типа, многосекционные и протяженные здания, здания с отапливаемыми подвалами и т.д.): Ипотеръ \Уогражд + Уипф + УвентPh\ (l.zO) При определении теплопоступлений Ливчак В. И. вводит коэффициент эффективности теплозащиты здания щ и дополнительный коэффициент эффективности автоматического регулирования подачи тепла на отопление h\, пользуясь формулой: ZQnocm = [Qnp + Qimc + йбытУч Фку 0 -21) где Оинс - нормативные теплопоступления за счет инсоляции через свето-прозрачные ограждения, 0 ыт - бытовые теплопоступления.
Математическая модель Ливчака В. И. согласно уравнениям (1.20), (1.21) не воспроизводит изменения динамики системы управления теплопотреблением во времени, не учитывает внешних условий и внутренней структуры АСУТП.
Динамический анализ систем управления теплопотреблением
Выражение для коэффициента подмешивания g для системы управления теплопотреблением с регулирующим клапаном на обратной магистрали находят в соответствии с (2.20) - (2.22).
Переходные характеристики АСУТП определяются аналитическим решением динамического уравнения (2.23) относительно температуры воздуха внутри помещения при единичном ступенчатом изменении температуры наружного воздуха. Единичное ступенчатое изменение наружной температуры, от температуры начала отопительного сезона tnc = +8 до расчетной температуры наружного воздуха (для Ульяновска tHO =-31 С) аппроксимировано аналитической функцией: /н(г)=(і-вх/Г100т)(ґІІО HC)+tHC. (2.38) где температуры tH0, tHC — взяты согласно справочным данным [78 - 81]. Динамические свойства звеньев могут быть определены с помощью частотных характеристик. Для получения частотных характеристик на вход системы подаются синусоидальные колебания с определенной амплитудой. Амплитуда колебаний наружной температуры от tnc =8 С до tH0=-3\ С находиться в соответствии с выражением: ЛЧ ноІ-Ц -. (2-39) На входе системы для различных частот колебаний будет отмечаться отношение амплитуд выходной и входной величины и разность частот по фазе. При синусоидальных колебаниях наружной температуры с амплитудой Ап и фазой (рн : tH {т) = Ан sin(w т + срн), (2.40) где w - частота колебаний наружной температуры. Температура внутри помещения (выходной сигнал) выражается синусоидальными колебаниями с амплитудой Ав и фазой ср6: te{T) = AeslniWT + cPe) (2-41) cpG — фаза колебаний внутренней температуры воздуха. При этом отношение амплитуд выходного и входного сигналов для различных частот колебаний наружной температуры воздуха составит: А = -. (2.42) Разность фаз или сдвиг по фазе между входным сигналом (наружной температурой воздуха) и выходным сигналом (температурой внутреннего воздуха) выразится как: Р = Рн- Рв- (2-43) Функция изменения коэффициента подмешивания g для системы управления теплопотреблением с регулирующим клапаном на прямой магистрали (системы 1) примет вид: dtH gem + ZT при— 0 g= dT (2.44) 8cmmax-ZT nPU 0 где gemmax максим льный статический коэффициент подмешивания. Для системы управления теплопотреблением с регулирующим органом на обратной магистрали (системы 2) функция изменения коэффициента подмешивания из обратной магистрали примет вид: dtf, 1 ст ZT npu-f- О g = dT (2.45) dt, e cmm ZT, "Ри 0 где g cmmax максимальныи статический коэффициент подмешивания из обратной магистрали. Для графиков ЦКР с параметрами температуры ниже 95-70 g изменяется от gcm до 1, для графиков ЦКР с параметрами температуры выше 95-70 g изменяется от 0 до gcm. Это обусловлено условиями эксплуатации оборудования систем отопления. Функция, описывающая изменение наружной температуры от tHC = 8 С до tno = -31 С находится в соответствии с уравнением: н (Т) = Аш + Ан sin( т + Ри )» (2-46) где AtH - постоянное число. График функции Анs m(wт + (рн) необходимо перенести на вектор (0; AtH) вдоль оси ординат, чтобы получить график функции tH(r). Величина А(и находится по формуле: А,„= . (2.47) _ о 1 і О Для г. Ульяновска она составляет AtH = — - = -11,5С.
Зависимость А от частоты будет амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) системы управления теплопотреблением. Зависимость сдвига по фазе от частоты, полученная в соответствии с уравнением (2.43), будет фазовой частотной характеристикой (ФЧХ) системы управления теплопотреблением.
Объединяя, амплитудно-частотную и фазовую частотную характеристики на одном графике получим амплитудно-фазовую характеристику (АФХ) системы управления теплопотреблением.
В целом, систему управления теплопотреблением согласно выражениям (2.33), (2.34), (2.37) можно рассматривать как апериодическое звено первого порядка с постоянными коэффициентами. Частотная характеристика системы выражается путем подстановки в передаточную функцию вместо оператора р величины wi:
Домножим числитель и знаменатель дроби (2.48) на 1 - TQWI , и после 9 соответствующих преобразований, имея в виду, что / =-1 получим выражение: W(wi)=K 0. (2.49) \ + T02w2 Функция W{wi) на комплексной плоскости выражается в виде геометрической суммы вещественной Re(w) и мнимой частей Im(w): W(wi) = Re(w) + / Im(w). (2.50) Согласно уравнению (2.49), принимая во внимание тождественность выражений (2.49) и (2.50) получаем соотношение для вещественной части Re(w): Re(w) = К (2.51) 1 + T0zwz Выражение для мнимой части Im(w) примет вид: Mw) = =3A. (2.52) 1 + T0zwz Между функцией, показывающей амплитудно-частотную характеристику и выражениями Re(w), lm(w) существует зависимость [5] : A(w) = RQ(W)2 + Im(w)2 . (2.53) Подставив в выражение (2.53) уравнения (2.51), (2.52) получим амплитудно-частотную характеристику для системы управления теплопотреблением: A(w) = \ l + T02w2) ( т „Л2 + - TQWJKQ {\ + TQ2W2 (2.54) Фазовая частотная характеристика выражается через Re(w) и Im(w) при помощи уравнения [5]: Im( v) (2.55) (p(w) = -arctg Re(w) или подставив выражения (2.53), (2.54) получим: 0wiKQ 2...2 (p(w) = -arctg +Ід w KQ (2.56) І , T 2 2 1 + TQ w 2.4. Оценка погрешности численного исследования Из литературы известно [4], что при наиболее вероятных предельных сочетаниях температур наружного воздуха и скорости ветра в Европейской части России изменения коэффициента теплопередачи составляет 5 %. В этой связи, для исследования погрешности численного решения уравнения (2.23) использовалась следующая методика.
Погрешность моделирования оценивалась путем варьирования влияющих параметров и по отклику находилась максимальная погрешность выходной функции. Расчет погрешности температуры внутреннего воздуха при моделировании динамических режимов АСУТП проводился при изменении интегрального коэффициента теплопередачи ограждающих конструкций на величину отклонения 77, которая полагалась равной 5 % [4]. Сначала проводился расчет, принятый за истинное решение, то есть в предположении отсутствия погрешности решения. Этот вариант принимался в качестве исходного. Далее значения интегрального коэффициента теплопередачи ограждающих конструкций ки изменялись на величину отклонения П, после чего проводился повторный расчет.
Расчет проводился дважды: первый вариант расчета проводится в предположении, что коэффициент теплопередачи определялся при П = +17%, второй при Я = -Я%. То есть, коэффициенты теплопередачи увеличивались и уменьшались на величину 77. Для повышения качества анализа расчет проводился не только при различных значениях интегрального коэффициента теплопередачи ограждения (к = ки, к = ки+П, к-ки-П), но и при условии изменения частоты и амплитуды колебаний наружной температуры воздуха. Исходные данные для оценки погрешности численного исследования группировались:
Анализ воспроизводимости результатов экспериментального исследования
Системы управления теплопотреблением, когда частоты колебаний наружной температуры достигают весьма высоких значений при нормативных графиках ЦКР (см. рис. 4.21 - рис. 4.25) работают так, что кривая внутренней температуры стремится принять вид нарастающей экспоненты.
Строительство зданий по новым нормам тепловой защиты зданий позволит добиваться нормативных значений температуры внутреннего воздуха при параметрах графиков ЦКР значительно ниже нормативных значений и даст возможность экономить теплоту, расходуемую на отопление зданий.
Результаты моделирования динамических характеристик АСУТП 2: 1 функция температуры наружного воздуха с периодом 4 ч; 2, 3, 4,5 - графики изменения внутренней температуры при ЦКР 81-70, 105-70, 120-70, 150-70 соответственно Результаты моделирования динамических характеристик АСУТП 2: / — функция температуры наружного воздуха с периодом 2 ч; 2, 3, 4,5 — графики изменения внутренней температуры при ЦКР 81-70, 105-70, 120-70, 150-70 соответственно Анализ представленных на рис. 4.13 — 4.27 результатов позволяет отметить, что при высоких частотах колебаний наружной температуры (свыше одного раза за время переходного процесса), АСУТП реагирует, но кривая выходного сигнала при синусоидальном входном воздействии стремится принять вид нарастающей экспоненты. Это особенно характерно для графиков ЦКР отпуска теплоты с параметрами ниже 120-70.
Таким образом, сравнивая характеристики графиков внутренней температуры для условий группы А и для условий групп Б, В можно заметить, что при нормативных значениях коэффициентов теплопередачи температура воздуха внутри помещения выше нормативной, что дает возможность экономии тепла во время отопительного периода даже при графиках ЦКР с параметрами ниже нормативных значений.
Частотные характеристики систем находятся согласно формулам (2.33, 2.34) и выражениям (2.49 - 2.56).
При помощи частотных характеристик удобно оценивать работу системы управления, в частности её устойчивость к внешним воздействиям.
Зависимость отношения амплитуд входного и выходного сигналов А от частоты w (или АЧХ) представлена на рис. 4.28 - рис. 4.30.
На рис. 4.28 показаны амплитудно-частотные характеристики АСУТП 1, найденные для условий группы А (при среднем интегральном коэффициенте теплопередачи за отопительный период и средней скорости ветра за отопительный период) при фактическом среднем графике ЦКР 81-70, имевшем место за типичный период эксплуатации АСУТП, и при графике ЦКР 105-Амплитудно-частотные характеристики АСУТП 1, рассчитанные для условий группы А: 1 — при фактическом графике ЦКР 81-70; 2 - при графике ЦКР 105-70
На рис. 4.29 показаны амплитудно-частотные характеристики АСУТП 2, найденные для условий группы А (при среднем интегральном коэффициенте теплопередачи за отопительный период и средней скорости ветра за отопительный период) при фактическом графике ЦКР 81 -70 и при графике ЦКР 105-70. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) АСУТП 1 при графике 81-70 практически совпадает с АЧХ АСУТП 2 при стандартном графике ЦКР 105-70.
Различие амплитудно-частотных характеристик систем управления, теплопотреблением сказывается при нахождении амплитудно-фазовых
характеристик, а значит, и на устойчивости систем управления теплопотреблением.
Зависимость сдвига по фазе д? от частоты w или фазовая частотная характеристика (ФЧХ) является важной характеристикой управляющих АСУТП. ФЧХ для условий группы А (при среднем интегральном коэффициенте теплопередачи и средней скорости ветра за отопительный период) при фактическом графике ЦКР и при графике ЦКР 105-70 для обеих АСУТП представлены на рис. 4.32.
Фазо-частотные характеристики систем при различных графиках ЦКР совпадают, это говорит о том, что сдвиг фаз между входными и выходными параметрами в меньшей степени зависит от графика ЦКР, а отношение амплитуд входного и выходного сигналов зависят от графика ЦКР в большей степени.
Амплитудно-фазовые характеристики систем, рассчитанные для условий группы А (при среднем интегральном коэффициенте теплопередачи и средней скорости ветра за отопительный период) при фактическом графике ЦКР 81-70 и при графике ЦКР 105-70 для обоих АСУТП изображены на рис. 4.31. Здесь і — мнимая единица, Im - ось мнимых чисел, Re - ось действительных чисел. Амплитудно-фазовые характеристики АСУТП, рассчитанные для условий группы А: 1, 2 - для АСУТП 1 при фактическом графике ЦКР 81-70 и при графике ЦКР 105-70 соответственно; 3, 4 - для АСУТП 2 при фактическом графике ЦКР 81-70 и при графике ЦКР 105-70 соответственно Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) АСУТП 1, найденные для условий группы Б, В при фактическом графике ЦКР и при графике ЦКР 105-70 при нормативном коэффициенте теплопередачи показаны на рис. Тд р т 4.36). При величине — = 0,5 для тех же условий Кр принимает значения от тд Т 0 до 1,42. Для отношения — = 2 величина Кр равна 0...0,36при величине тд Ти = 3600 с. Для реальных условий при эксплуатации АСУТП 1 по результатам численных исследований была выбрана величина Кр = 0,9 и Ти = 3600 с. На рис. 4.39 - 4.41 показаны границы области устойчивости для АСУТП 2 для условий группы А при графике ЦКР 81-70. Область устойчивости АСУТП 2 для условий группы А при графике ЦКР 81-70 Г находятся между кривыми 1, 4 и 5. При отношении — = 1, значение Кр тд лежит в диапазоне 0..Д95 (см. рис. 4.39) для значений Ти - 0...3600 с.
Результаты численного исследования автоматизированных систем управления теплопотреблением зданий
Важной характеристикой автоматизированной системы управления теплопотреблением является её чувствительность.
Чувствительность системы отражает изменение её свойств, вызванное изменением отдельных её параметров.
Динамическое уравнение АСУТП было получено ранее (2.23). Чувствительность АСУТП характеризуется балансовым соотношением температуры смеси t-$ Температура смеси (теплоносителя, поступающего в отопительные приборы), выражается балансовым соотношением (1.1)
Таким образом, регулирующий орган обеспечивает реализацию требуемого значения коэффициента подмешиваения g и, в конечном итоге - значения температуры /3 теплоносителя, поступающего в отопительные приборы.
Из соотношения (1.1) видно, что чувствительность температуры з к положению регулирующего органа, а значит, и инерционность системы управления зависит от схемы регулирования и значения коэффициента g.
Для схемы, когда регулирующий орган установлен на прямой магистрали, в условиях, когда регулирование осуществляется по графику с уменьшается, а при t\ 120 чувствительность системы снижается, а инертность повышается. Для схемы, когда регулирующий орган установлен на обратной магистрали при t\ 120 чувствительность системы повышается, а ее инерционность уменьшается, а при увеличении g, когда / 120 чувствительность системы понижается, а ее инерционность увеличивается.
Поэтому при установке регулирующего органа на прямой магистрали при графике ЦКР с параметрами выше 120-70 более выгодна система управления теплопотреблением с регулятором на обратной магистрали, поскольку в этом случае её чувствительность выше. При установке регулирующего органа на прямой магистрали, необходимо, чтобы график ЦКР был ниже, чем 120-70, тогда чувствительность АСУТП с регулятором на прямой магистрали повышается, что подтверждается анализом динамических режимов систем управления теплопотреблением (см. рис. 4.1 - 4.11). Действительно, при графике ЦКР с параметрами выше 120-70 (см. рис. 4.11) время переходного процесса системы с установкой регулирующего органа на обратной магистрали в 1,2... 1,4 раза меньше, чем при установке в том же здании АСУТП с регулятором на прямой магистрали.
Обобщая результаты исследования, можно дать несколько рекомендаций по методике проектирования систем управления теплопотреблением. Данные рекомендации могут быть полезны разработчикам и реконструкторам таких систем для вновь построенных или реконструируемых зданий.
При проектировании систем управления теплопотреблением важно учитывать фактический температурный график центрального качественного регулирования подачи теплоты на объект. При выборе места установки регулирующего устройства необходимо провести динамический анализ АСУТП.
Для графиков ЦКР ниже 120-70 С эффективность работы АСУТП с регулирующим органом на прямой магистрали в 1,3... 1,7 раз выше, чем эффективность работы АСУТП с регулирующим органом на обратной магистрали. Однако, при оснащении этой же системы отопления регулирующим устройством на обратной магистрали при графике ЦКР с параметрами температур выше 120-70 время переходного процесса 1,2... 1,4 раза меньше, чем при оснащении этой системы отопления регулирующим устройством на подающей магистрали.
При графике ЦКР ниже 120-70, АСУТП с регулирующим устройством на подающей магистрали имеет большую чувствительность, чем АСУТП с регулирующим устройством на обратной магистрали.
При графике ЦКР выше 120-70, АСУТП с регулирующим устройством на обратной магистрали имеет большую чувствительность. В АСУТП, включающей установку регулирующего устройства на подающей (обратной) магистрали, изменяющего расход сетевой (обратной) воды в зависимости от максимально допустимой температуры горячей воды на входе в отопительные приборы, место установки регулирующего устройства следует выбирать по величине действительной температуры греющего теплоносителя в подающей магистрали при температуре наиболее холодной пятидневки. Так, что если t\ 120 С, регулирующее устройство устанавливают на прямой магистрали, а при / 120 регулирующее устройство устанавливают на обратной магистрали.
