Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ состояния вопроса и постановка задачи 12
1.1. Классификация систем Отопления Вентиляции Кондиционирования и потребляемых ими Энергетических ресурсов. 12
1.2. Современная ситуация развития и применения оборудования систем ОВК 13
1.3. Основы проектирования систем ОВК здания 19
1.4. Моделирование теплового режима здания 26
1.5. Постановка задачи 3 8 Выводы 41
ГЛАВА 2 Динамическая модель помещения 42
2.1. Модель теплового режима здания 43
2.2. Математическая модель наружных и внутренних воздействий 50
2.3. Единая динамическая модель 70
ГЛАВА 3 Моделирование работы системы ОВК 81
3.1. Подход к моделированию оборудования систем ОВК 81
3.2. Описание универсальной структуры блока Системы ОВК 89
3.3. Моделирование основных элементов систем ОВК 95
ГЛАВА 4. Применение разработанных методик 128
4.1. Расчетная модель здания 128
4.2. Моделирование работы оборудования 137
4.3. Дополнительные Варианты системы ОВК 158
4.4. Определение годового графика потребления энергоресурсов 167
4.5. Сравнение работы оборудования различных производителей 179
Выводы 183
Выводы по работе 184
Список литературы 186
Приложение 191
- Современная ситуация развития и применения оборудования систем ОВК
- Математическая модель наружных и внутренних воздействий
- Описание универсальной структуры блока Системы ОВК
- Определение годового графика потребления энергоресурсов
Введение к работе
Проблема энергосбережения в строительстве, промышленности и коммунально-бытовой сфере на протяжении последнего десятилетия находится в центре внимания специалистов как строительного, так и теплоэнергетического профиля.
По опубликованным данным, на отопление, вентиляцию, кондиционирование воздуха и на горячее водоснабжение жилых, общественных и промышленных зданий, а так же на технологические нужды промышленных и коммунальных предприятий в 1995г. в России было израсходовано 7850 млн. ГДж теплоты среднего (до 350С) и низкого (до 150С) потенциала. На выработку указанного количества теплоты было затрачено 323,6 млн. т. условного топлива, а в 2000г. на эти же нужды было затрачено 365 млн. т. условного топлива. Значительное количество топлива использовано на производство электроэнергии, которая необходима для приводов насосов, вентиляторов, компрессоров и других технологических элементов систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Вместе с тем, эффективность использования энергии в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха является сегодня крайне низкой, прежде всего из-за низкой эффективности существующих и вновь проектируемых систем ОВК и невысокого уровня проработки вопросов энергосбережения в соответствующей нормативно-методической литературе.
Энергосбережение возведено в ранг государственной политики. Основные направления энергетической политики РФ на период до 2010 года, утвержденные Указом Президента Российской Федерации № 472 от 07.05.95 г., определяют следующие приоритеты:
регулирование на федеральном и региональном уровнях цен (тарифов) на энергоресурсы в порядке, определенном законодательными и иными нормативными актами;
формирование энергетического рынка и создания конкурентной среды в сфере производства и потребления энергоносителей;
совершенствование налоговой политики;
поддержка строительства важнейших объектов топливно-энергетического комплекса и реализация энергосберегающих проектов;
разработка и осуществление мероприятий, связанных с созданием сезонных запасов топлива на электростанциях и для населения, закачкой газа в подземные хранилища и завозом топлива в северные регионы страны;
селективная поддержка предприятий и объектов социальной сферы угольной промышленности;
адресная поддержка малоимущих слоев населения с целью компенсации расходов, вызванных приведением цен (тарифов) на топливо и энергию в соответствие с их реальной стоимостью;
реализация федеральной целевой программы «Топливо и энергия», инвестиционных, научно-технических и других энергетических программ.
Одной из существенных составляющих, необходимых для дальнейшего
увеличения энергосбережения является улучшения энергетических
характеристик инженерное оборудование зданий и сооружений. В современных проектах жилых, общественных и промышленных зданий все чаще применяются наиболее экономичные системы отопления, вентиляции и кондиционирования, а также предусматривается применение систем автоматизации и диспетчеризации, которые позволяют эффективно регулировать и контролировать потребление различных энергетических ресурсов.
Однако нормативно-методическая база по вопросам анализа работы, сравнения и оптимизации энергоэффективности систем ОВК разработана не полностью.
Выбор оптимального схематического решения системы ОВК здания с точки зрения минимизации потребления энергетических ресурсов относится к группе оптимизационных задач, для которых трудно или невозможно установить аналитическую зависимость затрат и результатов от искомых параметров.
Постоянное динамическое изменение показателей системы ОВК и ее нагрузок еще больше усложняет задачу и делает необходимым проведение многовариантных расчетов, что практически возможно только при применении методов математического моделирования с помощью компьютерных программ. Таким образом, задача оптимизации энергопотребления системами ОВК может быть решена с помощью динамического моделирования.
При решении задачи динамического моделирования необходимо учитывать следующие особенности:
дискретность и целочисленность результатов оптимизационных расчетов, так как количество устанавливаемого оборудования может выражаться только целыми числами, а выдаваемая современным оборудованием мощность почти всегда имеет ступенчатые значения;
нелинейность, вызываемую наличием многих нелинейных зависимостей, например мощности холодильных контуров кондиционеров от параметров внутреннего и наружного воздуха;
динамику, т.е. постоянное изменение нагрузок на оборудование и изменение выдаваемой мощности, а соответственно и потребление энергетических ресурсов;
ограничения по условиям применения современного оборудования в различных режимах его работы;
наличие собственной автоматики и алгоритмов работы и регулирования отдельных технологических компонентов системы ОВК.
Результаты математического моделирования должны быть представлены в виде показателей потребления тепловой и электрической энергии, т.е. в ГДж тепловой энергии и кВт*час электроэнергии, израсходованной рассматриваемыми системами. Эти результаты являются основой для окончательного решения об эффективности той или иной системы, с учетом таких факторов как: темпы инфляции, ликвидность и назначение объекта, ставки дисконтирования, банковские ставки, прогнозы развития экономики, налоговое законодательство и т.п.
Динамические модели систем ОВК, наряду с экспериментальными данными, должны также являться основой для разработки более простых инженерных методов определения энергетических показателей этих систем.
Моделирование работы систем ОВК необходимо также для разработчиков климатического оборудования, с целью снижения энергопотребления оборудования и увеличения его конкурентоспособности.
Таким образом, целью диссертационной работы является выбор оптимального композиционного решения системы ОВК здания с точки зрения минимизации потребления энергетических ресурсов на основе динамического моделирования.
Для достижения поставленной цели был решен ряд относительно самостоятельных, но взаимосвязанных задач, в частности:
разработка динамической модели помещения ориентированной на взаимодействие с моделью системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, и содержащей минимальный набор начальных данных;
формирование минимально-необходимого набора данных о внешних и внутренних воздействиях на микроклимат помещения;
разработка единой структурной схемы взаимодействия оборудования системы ОВК;
осуществление взаимосвязи модели помещения и модели системы отопления вентиляции и кондиционирования воздуха;
классификация и описание современного оборудования для систем ОВК с позиции их воздействия на микроклимат помещения и потребления энергетических ресурсов;
разработка динамических моделей работы отдельного климатического оборудования, ориентированных на определение их энергопотребления.
Разработанные и примененные в данной работе методы моделирования систем ОВК носят универсальный характер и могут бить применены для решения широкого круга задач.
В диссертационной работе впервые получены, составляют предмет научной новизны, имеют практическую ценность, и выносятся на защиту:
1. Формулировка термина - «Система ОВК»;
Динамическая модель помещения ориентированная на исследования работы оборудования системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха;
Классификация современного оборудования для систем ОВК с позиции внешнего взаимодействия и энергопотребления;
Метод построения математических моделей современного климатического оборудования с целью определения графиков их энергопотребления;
Универсальная структура единой системы и взаимосвязь отдельных элементов ОВК;
Совместная динамическая модель помещения и системы отопления вентиляции и кондиционирования воздуха;
Результаты проведенных примеров исследований.
Основные положения работы, результаты теоретических и расчетных
исследований докладывались и обсуждались на VIII и IX Международной
научно-технической конференции студентов и аспирантов
«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - г.Москва 2002 и 2003г.г.9 представлены на Четвертой Российской научно-техническая конференции "Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности" -г. Ульяновск, 2003., представлены в публикациях.
Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения представлены в следующих публикациях:
Волков В.А. Сбережение энергии в системах вентиляции за счет внутренней очистки и перераспределения воздуха. //Восьмая Междунар. науч. -техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектронника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -Т.З -М., МЭИ, 2001. -С.50-51.
Волков В.А. Применение пластинчатых теплообменников в приточно-вытяжных вентиляционных установках. //Девятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектронника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -Т.2 -М.5 МЭИ, 2001. -С.305-306.
Волков В .А., Кудрявцев Д.А. Расчет потребления энергии при работе кондиционера типа сплит-система. //Девятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектронника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -Т.2 -М.9 МЭИ, 2001. -С.306-307.
Кудрявцев Д. А., Волков В .А. Энергосберегающая теплонасосная система вентиляции отопления и кондиционирования. //Девятая Междунар. науч. -техн. конф. студентов и аспирантов
«Радиоэлектронника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -Т.2 -М., МЭИ, 2001. -С.305-306.
Результаты исследований и зависимости, полученные в ходе выполнения работы, демонстрировались при проведении семинаров для проектировщиков и технических специалистов в области ОВК зданий, проводимых Госстроем России и ЗАО "Евроклимат" в 2002г и 2003г.
Диссертация объемом 199 машинописных страниц состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, приложения и списка использованной литературы из 56 наименований.
Работа выполнена на кафедре Промышленных Теплоэнергетических Систем Института Проблем Энергетической Эффективности под руководством доктора технических наук, іїрофессора В. В. Галактионова.
Современная ситуация развития и применения оборудования систем ОВК
За последние 15-20 лет в результате развития науки и технологии и мощной экономической поддержке, возникшей вместе с увеличением спроса на комфортные условия в жилых и технологических помещениях, оборудование для систем ОВК претерпело ряд изменений и перешло на новый качественный уровень.
Прежде всего, появились новые виды оборудования для систем ОВК [3,4,5], такие как:- канальные вентиляторы с двигателем с внешним ротором, канальные нагреватели, компактные приточные и приточно-вытяжные системы;- бытовые сплит системы с тепловым насосом;- паровые увлажнители с погружными электродами; - местные доводчики типа теплонасосные установки;- многозональные системы с переменным расходом хладогента;- освоен выпуск оборудования с компрессорами типа SCROLL;- локальные осушители воздуха;
В то же время, в результате применения новых технических решений и разработок, стало доступным к применению оборудование, которое нельзя было раньше использовать в системах ОВК из за ограничений накладываемых различными СНиП, например [6].
Традиционные виды оборудования, перечисленные в [7,8,9,10,11] стали легче в эксплуатации, монтаже и проектировании. Появились различные модификации и варианты исполнения традиционного оборудования, которые делают его применение более гибким и специализированным, что позволяет решать задачи ОВК на более высоком техническом уровне. Широко доступными стали:- Водоохлаждающие машины (чиллеры) с осевыми и центробежными вентиляторами, с выносными конденсаторами, с водоохлаждаемыми конденсаторами, и т.д., а также абсорбционные холодильные агрегаты;- Компрессорно-конденсаторные блоки различного исполнения и модификаций, в том числе с тепловым насосом;- Фанкойлы (ранее известные как вентиляторные доводчики);- Центральные моноблочные ондиционеры для крышной установки (Roof-Тор);- Секции непосредственного охлаждения для центральныхкондиционеров;- Автоматизированная запорно-регулирующая арматура;
Появились простые надежные сервоприводы и исполнительные механизмы для регулировки режимов работы и производительности оборудования для систем ОВК.
Развитие компьютерных технологий и электронной техники позволило создавать эффективные системы контроля и управления работой ОВК здания, которые могут «принимать» решения по оптимизации рабочихпараметров оборудования, управлять различными видами «свободногоохлаждения» (free cooling - в зарубежной литературе), быть интегрированы вобщую систему диспетчеризации здания (системы BMS - Building
Monitoring System). Все это позволяет более точно контролировать параметры воздуха в помещениях с учетом проходящих во всем здании технологических процессов и вести учет энергопотребления всей системыовк.
С другой стороны возросли требования к уровню комфортности и точности обеспечения желаемых метеорологических условий, наиболее благоприятных доя самочувствия людей. Это привело к необходимости использовать более сложное, мощное, дорогостоящие оборудования для систем ОВК. Применение такого оборудования, кроме увеличения стоимости капитальных затрат, в свою очередь, ведет к увеличению энергетических ресурсов, которые расходуются при работе системы ОВК. В результате, возрастает количество потребляемой на ОВК энергии и наносится дополнительный вред окружающей среде.
В связи со сложившийся ситуацией в СНиП [12] появился раздел "Использование Тепловых Вторичных Энергетических Ресурсов", направленный на снижение потребления энергии в системах ОВК. Однако, содержание этого раздела носит больше рекомендательный характер и пока вопрос оптимизации энергетических характеристик систем ОВК остается открытым, прежде всего из-за отсутствия достаточной проработки методик и подходов для его решения.
Для того, чтобы лучше показать реальную актуальность и необходимость развития данной тематики, рассмотрим существующую ситуацию в различных секторах строительства, где находит свое применение оборудование для систем ОВК.
В жилом секторе появилось такое понятие как элитное жилье, одной из особенностей которого является возможность «свободной планировки», т.е. отсутствие межкомнатных перегородок и инженерных коммуникаций в каждой отдельной квартире. Заказчик, покупая жилье, сам определяет, где будут межкомнатные перегородки, ванна, туалет, и, т.д. А также необходимо принять решение относительно того, какое оборудование будет использовано для поддержания комфортных условий. Традиционный вариант, применяемый ранее в жилищном секторе и до сих пор рекомендуемый СНиП [13] - естественная вентиляция и общее центральное отопление - в данном случае не годится, по следующим причинам: применение новых строительных и отделочных материалов и пластиковых окон, повышенные требования к поддержанию комфортных условий - необходимость кондиционирования и индивидуального поддержания комфортных условий в каждой зоне, необходимость по квартирного учета потребления энергоресурсов, индивидуальный график использования системы ОВК.
Современное оборудование позволяет решить все эти вопросы, но для этого необходимо применить эффективную и удобную композиционную схему решения ОВК всего здания. Это создает ситуацию, в которой строитель (инвестор) должен сам определить технологическую схему, концепцию и оборудование для системы ОВК всего здания. Но для этого необходимы тщательно разработанные и проверенные типовые инженерные решения, которые пока находятся в стадии разработки. В результате этого, во всех новых «элитных» домах вопрос построения систем ОВК решается на очень низком уровне.Следует также отметить, что применение пластиковых окон в серийных многоквартирных домах значительно ухудшило работу традиционной системы естественной вентиляции.
В связи с тем, что оборудования для отопления и оборудование для систем вентиляции и кондиционирования производится различными фирмами- производителями, сооружение этих систем выполняется через различные дистрибыоторские фирмы. К сожалению, такое положение дел наиболее негативно сказывается при строительстве небольших индивидуальных домов. Как правило, мощность котла оказывается рассчитанной только на поддержание в здании температуры воздуха при плотно закрытых окнах и не обеспечивает подогрев воздуха для системы вентиляции. С другой стороны, температура воздуха, подаваемого в рабочую зону в зимние время, оказывается несколько ниже, с расчетом на работу системы отопления, что допустимо по [12], а вот система отопления на дополнительную нагрузку уже не предназначена. Этот пример наиболее ярко показывает необходимость комплексной разработки, проектирования и строительства системы ОВК здания, для чего нужно создание соответствующей научной и нормативно-методической базы.
Наиболее важным представляется решить задачу оптимизации систем ОВК для промышленных и технологических предприятий. Этот сектор рынка только в последние 3-4 года обратился к новому оборудованию, но заложенные технические возможности по его применению и энергосбережению могут оказаться нереализованными, если не будут выполнены нормативно-методические разработки направленные на оптимизацию энергоэффективности различных композиционных решений.
Математическая модель наружных и внутренних воздействий
В данном параграфе рассматривается влияние погодных условий и внутренних тепловыделений, а так же работы оборудования ОВК и наличия дополнительных поступлений влаги на динамическую модель помещения.
Составленная в параграфе 2.1. математическая модель теплового режима здания является только частью общей модели всей системы. Для того чтобы получить целостную модель теплового режима здания необходимо так же описать влияние внутренних и внешних факторов на распределение температуры и составить модель влажностного режима.
Следует отметить, что вопрос обобщения условий функционирования систем ОВК в течении их цикла эксплуатации, в настоящие время развит довольно слабо. Наиболее интересное решение этой задачи, применительно к СКВ предложено в [33,34]. В работе предложено использовать в качестве "каркаса" математического моделирования ИТС (исходные термодинамические схемы), которые определяют классы нагрузок на СКВ. Однако, как указывает автор - проф., д. т. н. Рымкевич А А., "для применения предложенной методики необходимо уточнить форму предоставления информации о наружном климате".
В связи с этим, в ходе выполнения работы была разработана методика задания исходных данных дня внешних воздействий, влияющих на работу систем ОВК. (см. далее Функции группы А)
При построении динамической модели здания имеем две группы динамических функций, оказывающих влияние на параметры воздуха внутри помещения:- Группа А: Функции, изменяющиеся во времени и независящие от работы системы ОВК и методика их задания.Группа Б: Функции, изменяющиеся во времени, в результате работы системы ОВК. К этой группе относятся функции, которые изменяются со временем, и график их изменения никак не зависит от работы систем ОВК.1. Температура наружного воздуха, С;2. Влагосодержание наружного воздуха, кг/кг;3. Тепловой поток, в результате метеорологических условий, Вт/м эв;4. Внутренние теплопоступления, Вт;5. Внутренние влаговыделения, кг/час.
Функция 1 - представляет собой колебания температуры, вокруг определенного среднесуточного значения, как сказано в [7,8], эти колебания по виду близки к гармоническим колебаниям и в общем виде могут быть описаны соответствующим уравнением: тут и далее t і - соответствует температуре наружного воздуха, fi_i относительной влажности, dj - влагосодержанию.
Таким образом, для описания годового изменения температуры во времени необходимо будет задать 365 значений среднесуточной температуры и амплитуду суточных колебания. Возможен вариант задания среднемесячной температуры, а среднесуточные будут определены случайным распределением, исходя из максимальной амплитуды месячного колебания.
Следует отметить, что при расчете, необходимо описать колебания несколько отлично от синусоиды, для обеспечения непрерывности функции изменения температуры во времени.
Считаем, что за сутки температура будет колебаться вдоль оси, соединяющей среднесуточную температуру текущего и следующего дня. Общая ось синусоиды будет сдвинута так, чтобы максимум температуры приходился на 15:00, согласно рекомендациям в [7].
В результате, задав график среднесуточных температур, получим непрерывный график изменения температуры во времени, как показано на рис.5.t На представленном графике сдвиг максимума температуры = 0 часов. При написании модели на ЭВМ и выполнении расчетов считается что сдвиг составляет: -Зчаса.
График t_l - среднесуточная температура воздуха - за первые сутки +5Си+10Сзавторые.Второй график "t_l+A sin" - изменение температуры во времени, рассчитывается по формулам: Функция 2 - при расчетах с достаточной точностью можно считать, что изменение влагосодержания воздуха определяется текущем значением его температуры (функция 1) и параметрами воздуха заданными в СНиПсоответственно. По значениям относительной влажности определяем влагосодержание воздуха \\3ий\я.
Будем считать, что изменению температуры наружного воздуха будет также соответствовать изменение его влагосодержания. Увеличение влагосодержания наружного воздуха, при увеличении температуры на 1С определяем по формуле:Ksun - коэффициент, для учета влияния погодных условий на влагосодержание воздуха. По найденному значению влагосодержания наружного воздуха и его температуре, определяем относительную влажность воздуха.
Если при расчете относительная влажность превышает 90%, то считаем ее равной 90% и при текущем значении температуры определяем соответствующее влагосо держание.
Функция 3 - Наиболее сложная задача описать тепловой поток, возникающий в результате метеорологических условий. Он определяется, прежде всего, солнечной радиацией, которая зависит от того солнечно или пасмурно на улице, времени суток, места расположения объекта, его ориентации по сторонам света и текущего месяца.
По воздействию на тепловой режим здания можно выделить две составляющие теплового потока - тепловой поток воспринимаемый наружной частью ограждающей конструкции и тепловой поток воспринимаемый внутренним эквивалентным объемом.
Допускаем, что соотношение между двумя потоками постоянное, тогда можно будет задать только один график функции теплового потока от времени.
Для точных расчетов необходимо задавать график внешних теплопритоков дая каждого дня, или определять непрерывный динамический график изменения солнечного потока по существующим методикам [35].
В данном случае задается почасовой график только для каждого месяца, и указывать одно из трех состояний атмосферы - солнечно -переменная облачность или пасмурно. Тогда тепловой поток получаемый зданием определяется по формуле:Где:qsun - реальный тепловой поток возникающий в результате солнечной радиации, Вт/м ;q ray - тепловой поток в результате солнечной радиации в ясную погоду, Вт/м ;
Описание универсальной структуры блока Системы ОВК
В соответствие с таблицами, приведенными во второй главе, блок Системы ОВК получает и передает данные в общий канал передачи данных.
Структурная схема блока «Системы ОВК» приведена на рисунке 10.На схеме представлено взаимодействие оборудования системы ОВК с моделью теплового режима здания, друг с другом и с источниками энергии. Таким образом, на схеме представлено две функциональные группы - это оборудование систем ОВК и источники энергии. Блок «Системы ОВК» замыкает модель теплового режима здания на энергоносителях и устанавливает однозначную взаимосвязь через модели оборудование ОВК.
В результате моделирования этого блока появляется реальная возможность определить, какое количество энергоресурсов затрачивает та или иная система ОВК на поддержание заданных нормируемых параметров в помещении в каждый момент времени, что является необходимым для достижения поставленных в работе целей.
Отдельно, на структурной схеме, следует выделить модуль Модель алгоритма управления. Этот структурный элемент только входит в практику построения системы ОВК здания. Изначально каждое оборудование ОВК имеет свою локальную систему регулирования - на первом этапе развития техники релейно-меаническую, а позднее и микропроцессорную. При моделировании такие элементы называются локальными. В результате такой ситуации каждый технологический элемент системы «самостоятельно» определяет реакцию на изменение нормированных параметров помещения. Развитие техники и увеличение потребностей привело к появлению взаимосвязи между отдельными локальными системами регулирования для обмена между ними информацией и осуществлению более эффективной работы всей системы. На данном этапе активно ведется разработка и внедрение единой системы, связывающей все локальные системы регулирования с одним центром управления системами здания. В результате применения такой схемы реакцию на изменение нормированных параметров будет определять не каждый элемент системы ОВК, а единая система управления, что позволяет осуществлять единый контроль работы оборудования и потребления энергоносителей, учитывать различные ограничения и осуществлять эффективное регулирование рабочих параметров.
Поэтому при моделировании блока «Системы ОВК» необходимо учесть, какое оборудование будет управляться локальной системой регулирования, а какое в соответствие с модулем Модель алгоритма управления.
При использовании общей системы управления работой технологических элементов все данные принимаются и передаются Моделью алгоритма управления. Это основной модуль, отвечающий за режим работы систем ОВК. В зависимости от конфигурации рассматриваемого решения системы ОВК этот модуль может иметь различную структуру и алгоритм работы. Модель автоматики определяет, в какой момент времени и на какую мощность будет включен тот или иной агрегат системы ОВК5 для обеспечения поддержания заданных условий в обслуживаемой зоне здания.
Кроме этого алгоритм управления обеспечивает подачу необходимой минимальной санитарной нормы свежего воздуха на человека и минимального количества воздуха для удаления вредных выделений, которые определятся назначением здания и технологическими процессами.
Следует отметить, что этот модуль может так же сам способствовать оптимизации энергопотребления системами ОВК. Например, предлагается следующий алгоритм его работы:A) определение необходимого количества тепла/холода инедостатка/избытка влаги» при этом обязательно учитываются ограничения ипоправки на возможность работы агрегатов при текущих параметрахнаружного воздуха;Б) определение самого дешевого источника для компенсации недостатка/избытка;B) выдача команды на включение/отключение тех или иных систем ОВК,так чтобы затраты на энергетические ресурсы в каждый момент временибыли минимальны.
Воплощение такого алгоритма работы автоматики управления системами ОВК позволит значительно сократить потребление энергетических ресурсов и, несомненно, найдет свое применение в современных системах диспетчеризации зданий и сооружений (BMS - Building Monitoring Systems) или как этот сейчас называется в нашей стране - интеллектуальное здание или умный дом.
При рассмотрении и моделировании схем систем ОВК возможен так же вариант, когда только часть оборудование управляется единой управляющей системой, а часть элементов ОВК здания является локальными.
Среди всего многообразия оборудования можно выделить три группы активных (т.е. в соответствие с принятой в 3.2Л. классификацией, имеющих воздействующую связь) технологических элементов системы.
Определение годового графика потребления энергоресурсов
Разработки, выполненные в данной работе, как уже отмечалось, позволяют выполнить сравнение и оптимизацию различных схем ОВК. В приведенном далее примере исследования показаны лишь некоторые возможности, которые дает применение динамического моделирования всей системы ОВК как единого целого.
Задача данного исследования - определение годового графика потребления тепла и электроэнергии на эксплуатацию различными системами ОВК, с целью выбора оптимального решения. Причем система ОВК включает в свой состав современное оборудование, которое при некоторых режимах работы может дублировать функции друг друга, а так же имеет тепловой насос, для выполнения в некоторых режимах осуществляет функции отопления.
Применение существующих инженерных методик не позволяет решить поставленную задачу. Поэтому многие вопросы связанные с использованием различных теплоутилизационных и теплонасосных установок в системах ОВК, в частности определение затрат тепла и электроэнергии на их эксплуатацию, остаются открытыми.
Для проведения исследования были выбраны две системы ОВК1. Система, рассмотренная в Варианте №2, в которой вместо водяного нагревателя установлен электрический нагреватель мощностью 6 кВт.2. Система, рассмотренная в Варианте №2 с тепловым насосом(п. 4.3.2.), с электрическим нагревателем воздуха мощностью 6 кВт.
Для поддержания температурного режима в помещении система ОВК имеет следующий алгоритм работы, см. рис 18.Холодильный контур кондиционера включается при достижении в помещении температуры 23С, и выключается при 21 С.
Тепловой насос кондиционера включается при снижении температуры в помещении ниже 20С и выключается при достижении температуры 22С.При моделировании системы строго учитывались интервалы наружной температуры воздуха, в которых кондиционер может работать в режиме охлаждения или теплового насоса.
Нагрев am ел ь возд уха включается только при снижении температуры воздуха в помещении ниже 20С и отключается при достижении температуры 22С. В схеме с тепловым насосом включение нагревателя происходит только если использовать тепловой насос нельзя из-за ограничений по условиям егоработы или во время цикла оттаивания. Такой алгоритм работы нагревателя предполагает покрытие нагрузки на подогрев воздуха за счет теплового насоса кондиционера, что позволяет минимизировать потребление электрической энергии на подогрев воздуха.
Радиаторы водяного отопления включаются при снижении температуры воздуха в помещении до 20С и выключается при 22С. Причем в системе ОВК без теплового насоса система отопления включается только в отопительный сезон, а в схеме с тепловым насосом, так же в отопительный сезон и только после снижения температуры наружного воздуха до -10С, когда кондиционер уже не может работать в режиме теплового насоса.
L внутренние? При проведении исследования рассматривались так же два режима работы оборудования. В первом случае поддержание температурой всем оборудованием системы ОВК выполняется круглосуточно. Во втором случае постоянно работает только система отопления, а кондиционер и соответственно приточная система вентиляции включается за час до начала рабочего дня, т.е. в 8 часов утра и выключается в 18 часов. Первый случай рассмотрен в работе для того, чтобы наглядно показать экономию энергетических ресурсов при рациональном управлении системой, например при включении ее в единую систему диспетчеризации здания (Building Monitoring System). Графики Л и М иллюстрируют годовое потребление тепла и электроэнергии системами ОК.В первую очередь на них четко видна разница между потреблением энергоресурсов при круглогодичной работе всей системы и при работе оборудования для вентиляции и кондиционирования в соответствие с рабочим графиком. Дополнительную экономию энергии может дать перевод системы отопления в дежурный режим, что в данном случае не рассматривалось. Основная доля затрат энергии при круглосуточной работе системы приходится на подогрев приточного свежего воздуха, что особенно актуально в климатических условиях России, кроме того, значительная доля энергии приходится на кондиционирования воздуха в ночное время. В результате при работе по рабочему графику годовая экономия тепла в системе ОВК №4, по сравнению с аналогичной системой ОВК №2 составила 8268 - 4732 = 3536 МДж (42%) , а электроэнергии 13105 - 5004 - 8101 кВт чае (62%). Сравнение потребления электроэнергии по месяцам представлено на графике Н. Такие результаты ярко подчеркивают необходимость применения централизованного автоматического управления системами жизнеобеспечения здания, и особенно системами ОВК. В настоящие время в России ведутся работы в данном направлении, благодаря инициативе «АВОК», и разрабатывается необходимая нормативно-методическая база.
На графиках О и П представлено сравнение энергопотребления системы ОВК №3 - без теплового насоса и системы ОВК №4 - с тепловым насосом. Для наглядности, тонкой линией изображен график изменения среднемесячной температуры наружного воздуха. В обоих случаях системы функционируют в соответствие с рабочим графиком. Применение теплового насоса в системе ОВК №4 позволяет значительно снизить использование тепловой энергии и электроэнергии идущей на подогрев воздуха в электрическом калорифере.
Использование теплового насоса в Апреле, Октябре и Ноябре полностью покрыть всю отопительную нагрузку в результате потребление тепла системой ОВК, при этом экономия тепла составила 10061 - 4732 = 5329 МДж (53%). В тоже время возросло потребление электроэнергии на работу кондиционера в режиме теплового насоса, но благодаря тому, что электрический нагреватель Системы ОВК №4 включался гораздо реже общее электропотребление системы так же снизилось, и экономия электричества составила 5334 - 5004 330 кВт час.Конкретная экономия энергетических ресурсов зависит от ряда субъективных факторов определяющих эквивалентное соотношение между тепловой и электрической энергией.В данном случае для сравнения этих двух вариантов, из-за отсутствия российской, воспользуемся европейской нормативной базой. В частности
