Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор существующих подходов к оптимизации и исследованию параметров системы централизованного теплоснабжения : 16
Выводы к главе I 27
2. Разработка комплексного алгоритма расчета равновесных температур помещений 28
2.1. Методика расчета теплопотерь зданий и помещений 29
2.2. Методика гидравлического расчета водотрубных систем 38
2.3. Методика расчета теплоотдачи отопительных приборов и труб 58
2.4. Алгоритм расчета равновесных температур помещений 77
Выводы к главе II 83
3. Разработка математических моделей и алгоритмов снижения дисбаланса системы централизованного теплоснабжения 85
3.1. Оптимизация тепловых потоков между абонентами системы централизованного теплоснабжения 86
3.2. Оптимизация мощности теплоисточников, работающих на единую тепловую сеть, при наличии регуляторов напора и сопротивления 96
3.3. Оптимизация сопротивлений гидравлических регуляторов системы отопления зданий 114
Выводы к главе III 21
4. Исследование системных связей и закономерностей температурного режима абонентов тепловой сети, обслуживаемых едиными теплоисточниками 124
4.1 Исследование влияния параметров теплоносителя и элеваторных узлов на температурный режим зданий 124
4.2. Разработка мероприятий по снижению дисбаланса отопительной системы зданий 139
Выводы к главе IV 142
5. Применение системного подхода для исследования и оптимизации многоуровневой иерархической СЦТ 144
5.1. Анализ взаимосвязи основных элементов и задач по повышению энергоэффективности СЦТ 144
5.2. Разработка проблемно-ориентированного пакета прикладных программ «Энергоэффективность» 147
5.2.1. Программа «Информационно аналитическая система теплоснабжения и энергосбережения» 148
5.2.2. Программа автоматизации проведения энергетических обследований «Энергоаудитор» 171
5.2.3. Программа «Оптимизация тепловой сети» 184
5.2.4. Программа «Единая информационно - аналитическая система учета ТЭР в организациях бюджетной сферы УР» 192
5.3. Разработка оптимальных стратегий проведения энергосберегающих мероприятий 210
5.3.1. Энергоаудит, разработка и финансирование энергоресурсосберегающих мероприятий на объектах бюджетной сферы и жилищно-коммунальном хозяйстве 210
5.3.2. Разработка энергоэффективных мероприятия для СП «Тепловые сети» 222
5.3.3. Анализ эффективности энергосберегающих мероприятий по тепловой защите зданий 230
5.3.4. Технико-экономическое обоснование энергосберегающих мероприятий 238
Выводы к главе V 261
Заключение 263
Литература
- Методика гидравлического расчета водотрубных систем
- Оптимизация мощности теплоисточников, работающих на единую тепловую сеть, при наличии регуляторов напора и сопротивления
- Разработка мероприятий по снижению дисбаланса отопительной системы зданий
- Программа «Информационно аналитическая система теплоснабжения и энергосбережения»
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в различных областях человеческой деятельности все большее внимание уделяется математическому моделированию технических систем. Данный подход целесообразно применять в тех случаях, когда изучение того или иного явления непосредственно экспериментальными методами затруднено техническими или финансовыми проблемами, а также недопустимой длительностью проведения экспериментов. К такому случаю относится и исследование режимов системы централизованного теплоснабжения (СЦТ).
Необходимость создания математических методик и программных средств для исследования и оптимизации системы теплоснабжения продиктовано тем, что экономия и повсеместный учет энергетических ресурсов становится одним из главных приоритетов государственной политики.
Основные положения, определяющие необходимость проведения работ по повышению энергоэффективности закреплены Федеральным Законом от 23.11.09г. №261-Ф3 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», постановлением Правительства Российской Федерации от 13.11.09г. №1234-р «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года».
Теплоснабжение городов со всей их инфраструктурой в настоящее время осуществляется преимущественно от централизованных источников тепла, состоящих из источников выработки тепловой энергии, тепловых сетей и потребителей тепла. Централизованная система теплоснабжения представляет трехуровневую иерархическую систему со всеми присущими таким сложным системам особенностями поведения (нелинейность, взаимозависимость, изменчивость и т.д.). В силу постоянного развития системы теплоснабжения (рост присоединенной нагрузки на котельные и ЦТП за счет новых абонентов, увеличивается разветвленность и протяженность тепловых сетей и др.) усиливаются взаимосвязи между ее различными уровнями и подсистемами. Так как различные уровни централизованной системы теплоснабжения взаимозависимы, то решения по ее функционированию, принимаемые по каждой подсистеме в отдельности, не являются оптимальными для системы в целом.
Оптимальное регулирование различных уровней теплоснабжения потребителей с учетом их взаимозависимости является важнейшим условием существенного сокращения потерь тепла. В соответствии с Федеральным законом № 261-ФЗ, одной из важнейших задач в области энергосбережения является повышение эффективности использования тепловой энергии в жилищно–коммунальном хозяйстве страны.
Для принятия технических и управленческих решений направленных на повышение энергоэффективности СЦТ за счет снижения дисбаланса на взаимозависимых уровнях системы централизованного теплоснабжения необходимо задачи анализа теплогидравлического режима и оптимизации параметров на различных уровнях СЦТ решать в комплексе с использованием методов математического моделирования, энергоаудита, а также компьютерных методов обработки информации.
Степень научной разработанности проблемы. Построению моделей тепловых и гидравлических режимов систем теплоснабжения посвящено множество работ, среди которых можно отметить работы А.Д. Альштуля, В.Н. Богославского, Н.М. Зингера, С.С. Кутатедзе, А.Н. Сканави, В.Г. Шухова, С.А. Чистовича, В.М. Чаплина, А.П. Меренкова.
Существенный вклад в развитие отечественной школы в области централизованного теплоснабжения внес профессор Московского энергетического института Соколов Е.Я.
Вопросы оптимизации параметров системы централизованного теплоснабжения рассматриваются в работах А.П. Меренкова, А.М. Занфирова Б.Л. Шифринсона, В.Я. Хасилева, Е.В. Сенновой, А.Г.Евдокимова, Г.В. Монахова, Ф.И. Стратан, В.Ф. Иродова, О.А. Некрасовой, М.Г. Сухарева и др. Вопросы проектирования систем централизованного теплоснабжения с учетом надежности рассмотрены в работах А.А. Ионина, Е.В. Сенновой, В.Е.Константиновой, Г.Х. Умеркина., А.И. Юфа, В.Е. Константиновой, Н.К. Громова. Математическая модель теплового баланса зданий рассматриваются в работах Ю.А. Табунщикова, Ю.А. Матросова.
При этом в отечественной и зарубежной литературе отсутствуют работы, в которых системно и комплексно исследуются вопросы повышения эффективности функционирования СЦТ за счет снижения дисбаланса системы теплоснабжения на всех ее взаимозависимых уровнях и подсистемах.
Объект исследования: иерархическая система теплоснабжения, состоящая из трех уровней:
первый уровень - сеть магистральных теплопроводов между теплоисточниками и центральными тепловыми пунктами (ЦТП);
второй уровень - сеть коммунальных тепловых сетей между ЦТП и зданиями и сооружениями, являющимися потребителями тепловой энергии;
третий уровень - тепловые сети внутри зданий и сооружений.
Предмет исследования: математические модели, методики, алгоритмы исследования и оптимизации теплового и гидравлического режима многоуровневой системы теплоснабжения.
Цель диссертационной работы: научное обоснование технических и управленческих решений, направленных на снижение дисбаланса многоуровневой системы централизованного теплоснабжения за счет применения системного подхода к оптимизации параметров системы теплоснабжения.
Для достижения цели исследования поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработка методологии построения системы математических моделей для принятия технических и управленческих решений по снижения дисбаланса системы централизованного теплоснабжения.
-
Разработка комплексного алгоритма расчета равновесных температур помещений.
-
Разработка алгоритма оптимизации параметров тепловой сети с целью принятия управленческих решений по эффективному отпуску тепловой энергии на теплоисточниках.
-
Разработка алгоритма оптимизации тепловых потоков между абонентами системы централизованного теплоснабжения.
-
Разработка алгоритма структурно-параметрического синтеза для оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов системы отопления зданий.
-
Исследование системных связей и закономерностей температурного режима абонентов тепловой сети, обслуживаемых едиными теплоисточниками.
-
Разработка проблемно-ориентированного пакета прикладных программ для принятия управленческих решений по повышению энергоэффективности системы централизованного теплоснабжения.
Методы исследования основаны на использовании методов системного анализа, решения задач линейного и нелинейного программирования, алгоритмов структурно-параметрического синтеза, численных методов решения систем нелинейных уравнений, методы обработки, анализа и визуализации информации; использован аппарат математического моделирования, объектно-ориентированного проектирования и программирования.
Основные научные результаты:
-
Методология построения системы математических моделей снижения дисбаланса системы централизованного теплоснабжения, основанная на системном применении методов оптимизации параметров на различных уровнях системы теплоснабжения, включающая в себя методы оптимизации мощности теплоисточников (первый уровень системы теплоснабжения), оптимизации тепловых потоков между абонентами тепловой сети (второй уровень), оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов системы отопления зданий (третий уровень).
-
Комплексный алгоритм расчета равновесных температур помещений, основанный на системном применении алгоритмов решения уравнений теплового баланса помещений, гидравлического и теплового расчета системы отопления зданий, расчета тепловых потерь теплопроводностью и инфильтрацией через ограждающие конструкции здания, расчета водоструйного элеватора.
-
Алгоритм оптимизации параметров тепловой сети и мощности теплоисточников для минимизации затрат на производство и транспортировку теплоносителя.
-
Алгоритм оптимизации тепловых потоков между абонентами многоконтурной тепловой сети, обслуживаемых несколькими теплоисточниками, включающий в себя решение задач снижения дисбаланса температурного режима зданий, гидравлического и теплового расчета тепловой сети и системы отопления зданий, расчета тепловых потерь через ограждающие конструкции помещений, расчета водоструйного элеватора, решение уравнений теплового баланса отдельных помещений зданий.
-
Математическая модель и алгоритм структурно-параметрического синтеза для оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов системы отопления зданий с целью минимизации дисбаланса отопительной системы.
-
Исследовано влияние сетевого расхода, температуры теплоносителя и диаметров сопл элеваторных узлов на температурный режим помещений, а также определена структура тепловых потерь через различные элементы ограждающих конструкций, как отдельных квартир, так и зданий в целом.
-
Пакет прикладных программ «Энергоэффективность» для принятия управленческих решений по повышению энергоэффективности системы централизованного теплоснабжения, разработанный на основе программной реализации математических алгоритмов снижения дисбаланса системы теплоснабжения, методов энергоаудита, а также компьютерных методов обработки информации для визуализации и анализа информации по различным элементам тепловой сети.
Достоверность и обоснованность полученных результатов:
-
Используемые математические модели основаны на фундаментальных положениях вычислительной математики, теории тепломассобмена и теории гидравлических цепей.
-
При решении оптимизационных задач достоверность обеспечена корректностью постановки рассматриваемых задач, а также проведенными исследованиями по сходимости численных методов.
-
При проверки адекватности алгоритма расчета равновесных температур помещений достоверность подтверждается точностью совпадения модельных значений температур с фактическими значениями (экспериментальными измерениями), при этом ошибка расчета подчиняется нормальному закону распределения.
-
Полученные выводы и рекомендации по повышению энергоэффективности СЦТ подтверждаются качественными особенностями функционирования режимов теплоснабжения.
Научная новизна работы:
-
Впервые разработан комплекс системных моделей, направленный на снижение дисбаланса системы централизованного теплоснабжения, отличающийся от существующих широтой охвата параметров исследований, учетом взаимосвязанных энергетических, экономических и управленческих процессов между различными уровнями системы централизованного теплоснабжения.
-
Новизна алгоритма расчета равновесных температур помещений заключается в совместном решении системы уравнений теплового баланса помещений и задачи расчета температуры теплоносителя в отопительной системе здания с водоструйным элеватором.
-
Алгоритм оптимизации параметров тепловой сети впервые объединяет алгоритмы определения оптимальных напоров насосных станций, оптимальной производительности теплоисточников для многоконтурной тепловой сети, расчета себестоимости производства тепловой энергии.
-
Алгоритм оптимизации тепловых потоков между абонентами тепловой сети, в отличие от существующих алгоритмов основан на совместном решении задач по оптимизации диаметров сопл элеваторных устройств и расчету равновесных температур помещений абонентов.
-
Новизна алгоритма структурно-параметрического синтеза по снижению дисбаланса отопительной системы зданий заключается в совместном решении задач определения структуры модели «отопительный прибор – термостат» (схема и способ подключения, мощность приборов отопления), оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов (термостатов приборов отопления), расчету равновесных температур помещений.
-
Впервые исследовано влияние диаметров сопл элеваторных узлов, расхода и температуры теплоносителя на температурный режим как отдельных помещений в зависимости от расположения в системе отопления зданий, так и группы зданий, обслуживаемых едиными теплоисточниками.
-
Программный комплекс «Энергоэффективность» впервые системно объединяет алгоритмы оптимизации параметров многоуровневой системы централизованного теплоснабжения, расчета равновесных температур помещений, комплексного расчета теплогидравлических режимов от теплоисточников до индивидуального потребителя и методы энергоаудита применительно к задаче снижения дисбаланса системы централизованного теплоснабжения.
Научная и практическая значимость работы заключается в разработке математических моделей, алгоритмов оптимизации, а также базы данных различных элементов тепловой сети, образующих пакет прикладных программ «Энергоэффективность», позволяющий:
решить задачу по минимизации дисбаланса системы теплоснабжения в комплексе на всех уровнях иерархической системы теплоснабжения с учетом взаимозависимости различных уровней;
определить оптимальный отпуск тепловой энергии на отопление и горячее водоснабжение, а также оптимальный напор теплоносителя на различных участках многоконтурной тепловой сети при минимизации затрат на производство и транспортировку теплоносителя;
проводить комплексный автоматизированный теплотехнический расчет многоконтурной тепловой сети (расчет равновесных температур помещений, тепловых потерь отдельных помещений зданий в целом, распределения расхода и температуры теплоносителя на различных участках системы отопления зданий и тепловой сети);
проводить технико-экономическое обоснование различных вариантов реализации реформы жилищно-коммунального хозяйства в части экономии тепловых ресурсов и количественного учета потребителей тепловой энергии;
осуществлять энергоаудит, как отдельных квартир, так и зданий в целом, составлять энергетические паспорта объектов теплопотребления, а также анализировать эффективность различных энергосберегающих процедур.
Результаты работы могут быть рекомендованы:
научным организациям и предприятиям, занимающихся теоретическими и прикладными исследованиями в области разработки и создания программно-вычислительных комплексов для расчета и оптимизации гидравлических и тепловых режимов централизованной системы теплоснабжения;
соответствующим службам для подготовки оптимальных управленческих решений в штатных и аварийных ситуациях с целью оптимизации распределения тепловых потоков, экономии тепловых ресурсов и количественного учета потребителей тепловой энергии.
Реализация результатов работы. Внедрение результатов работы подтверждается соответствующими актами. На основании полученных в диссертации теоретических и практических результатов выполнено более 40 научно-технических отчетов, в частности:
-
Разработка информационно-аналитической системы расчета теплообмена и теплоснабжения комплекса зданий городской больницы №4 г. Ижевска.
-
Проведение энергоаудита и создание баз данных графической и цифровой информации для расчета режимов теплообмена и теплоснабжения комплекса зданий, обслуживаемых ЦТП №5 (заказчик ГЖУ г. Ижевска).
-
Энергоаудит ОАО «Чепецкий механический завод».
-
Разработка Концепции развития ТЭК Удмуртской Республики на период 2003-2010годы.
-
Энергетическое обследование и разработка мероприятий по снижению потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) СП «Тепловые сети» филиала «Генерация» ОАО «Удмуртэнерго».
-
Гидравлический расчет и энергоаудит тепловых сетей п. Игра, п. Южный.
-
Энергетическое обследование объектов бюджетной сферы УР, в.т.ч. Государственный театр оперы и балета Удмуртской Республики и др. организаций г. Ижевска, организаций Дебёсского, Сарапульского, Малопургинского, Селтинского, Воткинского и Шарканского районов.
-
Разработка Республиканской Программы «Энергоэффективность в бюджетной сфере и жилищно-коммунальном хозяйстве районов Удмуртской Республики» Алнашского, Селтинского, Сюмсинского, Балезинского районов.
-
Создание единой информационно-аналитической системы учета ТЭР в организациях бюджетной сферы УР.
-
Разработка программного комплекса информационного обеспечения проекта «Концепция развития централизованного теплоснабжения г. Ижевска на 2010 год с перспективой до 2015 года».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: 31-й, 33-й научно-технической конференции «Ученые ИжГТУ – производству» (Ижевск, 1998, 2001), Международной конференции «Современное газоиспользующее оборудование и технологии в решении энергосберегающих и экологических проблем в газовой промышленности» (Ижевск, 1999), 3-й, 4-й, 5-й Всероссийской конференции «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения» (Нижний Новгород, 1999, 2000, 2001), 1-й, 3-й, 4-й Международной конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 1999, 2001, 2003), Международной конференции «Энергосберегающие технологии» (Казань, 2001), научно-практическом семинаре «Энергосбережение в ЖКХ» (Ижевск, 2001), 4-й Международной научно-практической конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2003), Международном научно-практическом семинаре «Энергосбережение и возобновляемая энергетика» (Сочи, 2005), Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2005), школе-конференции «Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники» (Чайковский, 2006), Всероссийской научно-практической конференции «Научно-промышленная политика и перспективы развития Урала и Сибири» (Екатеринбург, 2007), Международной on-line- конференция «Современные проблемы экономики, бизнеса и менеджмента: теория и практика» (Ижевск, 2008, 2011), 19-ом Международном симпозиуме DAAAM «Интеллектуальное производство и автоматизация в промышленности» (Словакия, 2008).
Результаты работы отмечены Государственной премией Удмуртской Республики в области науки и техники (2003 г.), Премией европейского концерна FESTO и сертификатом лучших авторов Международного симпозиума DAAAM (2008 г.), дипломом ВДНХ на Всероссийском форуме «Образовательная среда-2009». Имеются акты об использовании результатов диссертационной работы в организациях Удмуртской Республики.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 35 работах, из них 12 работ – в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторских диссертаций, 8 статьей опубликованы за единоличным авторством, имеются 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Личное участие автора состоит в разработке постановке задач исследования, разработке и выборе используемых алгоритмов. При непосредственном участии автора разработаны методики, алгоритмы и программный комплекс решения поставленных задач. При личном участии автора проводился анализ и интерпретация результатов.
Структура и объем работы. Объем диссертации составляет 291 страниц, включая 70 рисунков и 107 таблиц. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 300 источников.
Методика гидравлического расчета водотрубных систем
Вопросы расчета тепловых потерь ограждающих конструкций зданий и пути их снижения приводятся в работах [129-139].
Вопросы проектирования систем центрального теплоснабжения с учетом надежности рассмотрены в работах [119, 140-148]. В работе [140] рассмотрены методы комплексной оптимизации систем теплоснабжения, позволяющие по І лучать существенную экономию топлива при их эксплуатации и капиталовложений при их сооружении. Изложены алгоритмы технико-экономических расчётов при оптимизации структуры и параметров систем теплоснабжения с учетом надёжности их функционирования и неоднозначности исходной информации. В работе [141] рассмотрены методы построения математических моделей систем теплоснабжения и их оборудования, особое внимание уделено проблемам развития систем, надёжности, принятия решений в условиях не полной определённости информации. Приведены примеры решения конкретных задач оптимального проектирования систем теплоснабжения. В работе [147] предлагается к группе факторов, влияющих на надежность теплопроводов отнести: тип прокладки тепловых сетей, вид антикоррозионного повреждения, среднегодовую температуру стенки трубы, условия прокладки. В диссертации Умеркина Г.Х. [146] сформулированы критерии по определению живучести систем теплоснабжения, которые учитывают мероприятия по проверке прочности элементов трубопроводов в экстремальных условиях, в т.ч. достаточности запаса компенсирующих устройств, достаточности запаса прочности металлических труб, достаточности величины пригруза бесканально проложенных теплопроводов при нерасчетных затоплениях. Здесь же приводится математическая модель но-вой конструкции трубопровода с пенополимерминеральной (ППМ) изоляцией, обладающей повышенной надежностью при бесканальный прокладке теплопроводов. Математическая модель теплового баланса отдельных помещений и здания в целом рассматриваются в работах Табунщикова Ю.А. и др. [149-151]. В приведенных трудах уравнения теплового баланса энергии, содержащейся внутри объема здания, учитывают длинноволновую и коротковолновую радиацию в помещении, конвективный теплообмен, внутренние источники и тепло-аккумуляционные характеристики оборудования в нестационарном тепловом режиме. Однако предложенная авторами модель не учитывает в сопряженной постановке задачи тепловой и гидравлический расчет системы отопления зданий.
Требования к тепловой защите здания и нормируемые значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций закреплены в нормативном документе [152]. В нормах [153-156] приведены требования к проектированию зданий различного назначения, в т.ч. к системам отопления, вентиляции и кондиционирования. Стандарт [157] устанавливает параметры микроклимата и общие требования к оптимальным и допустимым показателям микроклимата помещений жилых, общественных, административных и бытовых зданий.
Регрессионные уравнения для зависимости температуры воздуха в зданиях и температуры воды, поступающей в систему отопления и возвращающейся из нее, рассматриваются в работах Аверьянова В.К, Быкова СИ. [158-161].
В работе Пульдас Л.А. [162] получена и обобщена экспериментальная информация об изменении по времени температур и тепловых потоков в трубопроводах горячей воды, в том числе при попадании воздуха в теплоноситель, а также приводятся данные об изменении по времени поля температур, влажно-стей и льдистостей в угловых частях многослойных ограждающих конструкций гражданских зданий. Вопросы математическое моделирование нестационарных тепловых режимов различных элементов системы центрального теплоснабжения и результаты данного моделирования рассматриваются также в работах [68,118,163-171].
Мощным толчком создания автоматизированных систем управления системами теплоснабжения, главной целью которых являлось экономия энергии, стал энергетический кризис 1973г в Западной Европе и США. Именно в эти годы у нас в стране и за рубежом быстрыми темпами начали создавать математические методы и программные комплексы расчета экономии тепловых потерь трубопроводов и зданий.
В 80-90 годах программные разработки были внедрены и успешно применяются во многих проектных, наладочных и эксплуатационных организациях: в ВНИГТИ Энергопрома и его Белорусском и Сибирском отделениях, в Лат-гипроме, Сибтехэнерго, Сибирском отделении Оргкоммунэнерго, в управлениях тепловых сетей Ангарска, Новосибирска, Омска и других городов.
Как правило, программно-технические комплексы [46,72,160,172-182] включают в себя: комплекс технических средств поддержки диалога и связи с измерительными системами (ЭВМ со стандартной периферией, информативно-вычислительные комплексы сбора и первичной обработки оперативной информации); программно-методический комплекс для решения эксплуатационных задач оценки и прогнозирования состояния тепловой сети, моделирования технологических ситуаций и оптимизации режимов, в т. ч. решение задачи потоко-распределения и тепловые расчеты.
Оптимизация мощности теплоисточников, работающих на единую тепловую сеть, при наличии регуляторов напора и сопротивления
Допущения модели гидравлического расчета системы теплоснабжения: 1) жидкость несжимаема; 2) движение теплоносителя осуществляется в установившемся режиме с квадратичным законом сопротивления; 3) потери теплоносителя не учитываются.
Проведение гидравлического расчета системы теплоснабжения жилого дома начинается с создания расчетной схемы гидравлической цепи. Под гидравлической цепью [54] будем понимать совокупность труб и отопительных приборов, осуществляющих транспортировку воды. Расчетная схема цепи геометрически отображает конфигурацию теплоснабжения дома и картину направления движения, разделение потоков теплоносителя в трубах (см. рис.2.3-2.4).
Помимо расчетной цепи, записывается совокупность математических отношений, описывающих взаимозависимость количественных характеристик элементов данной системы, а также законы течения и распределения расходов, давлений и температур транспортируемой среды по всем ее элементам. Введем понятия и обозначения, необходимые для записи математических уравнений. т - число узлов цепи; п - число ветвей цепи; т-\ - число ветвей образующих дерево, т.е. связный орграф без контуров, соединяющий все узлы (контур - замкнутая последовательность ориентированных ветвей); с - число линейно независимых контуров [90,185]: с = п-т + \; с - число ветвей, являющихся хордами (хорда - ветвь, которая не входит в состав дерева, и принадлежащая только одному контуру); gd - действующий расход теплоносителя в у -ом узле (gd 0, если ву -ом узле имеет место источник теплоносителя, gd 0, если ву ом узле имеет место потребление теплоносителя, gd =0, еслиу -ый узел - простая точка разветвления на схеме); Р - значение давления ву -ом узле; хг - расход на /-ой ветви; у{=Р}- Pj+l - перепад давлений на / -ой ветви; hd - вектор действующего напора на /-ой ветви (для пассивной ветви hd =0); hl=yl+hd -потеря давления на /-ой ветви; S, - коэффициент гидравлического сопротивления /-ой ветви. А = \ац j - матрица размерности (т-1)хп - матрица соединений узлов и ветвей, однозначно определяющая структуру цепи и ориентацию ветвей (здесь ау = 0, если /-ая ветвь не имеет связи с у -ым узлом; ап = 1, если поток на /-ой ветви исходит из у-ого узла; а =-1, если поток на / -ой ветви входит ву -ый узел; В = {bn} - матрица размерности с х п - матрица контуров (здесь ЬГ1 = 0, если z -ая ветвь не принадлежит r-ому контуру; Ьп = 1, если / -ая ветвь принадлежит r-ому контуру и ее ориентация совпадает с направлением обхода; Ъп =-1, если / -ая ветвь принадлежит r-ому контуру и ее ориентация не совпадает с направлением обхода); Rn = \г )- матрица размерности [т - l)x (т -1)- матрица путей, идущих по дереву и ведущих из узла j , где задано давление, ко всем остальным узлам сети (здесь г = 0, если / -ая ветвь не принадлежит пути, ведущему из узла j в j-ый узел; гх = 1, если /-ая ветвь принадлежит пути, ведущему из узла j в /-ый узел и ее ориентация совпадает с направлением пути; rtj =-1, если / -ая вугвь принадлежит пути, ведущему из узла j ву -ый узел, но ее ориентация не совпадает с направлением пути): j = 1,2,...,/и-1; i = c + l,c + 2,...,n.
При построении матриц А и В необходимо, чтобы нумерация ветвей-хорд начиналась с единицы и совпадала с нумерацией контуров. Матрицы А, В и Rn используют для краткой записи основных законов и соотношений, справедливых для гидравлической цепи. В гидравлической системе дома можно выделить четыре основные составляющие: 1) источники давления или расхода, обеспечивающие притоки транспортируемой воды и привносящие энергию в систему (подающий трубопровод основной магистрали); 2) разводка труб в подвале, осуществляющих подачу теплоносителя" по стоякам дома; 3) стояки дома, представляющие собой совокупность труб и отопительных приборов (см. рис.2.5); 4) потребители расхода, обеспечивающие забор охлажденной транспортируемой воды (трубопровод основной магистрали). d п Рис.2.5. Типовой стояк дома При математическом моделировании все подсистемы находят соответствующее отражение в расчетной схеме цепи: участки сети, включающие арматуру и другие местные сопротивления, т.е. стояки и трубы в подвале, связывающие данные стояки, - в виде ветвей; места расположения источников расхода (притоков) и потребителей (стоков), а также соединения ветвей - в виде узлов. С точки зрения теории графов, схема гидравлической цепи - конечный ориентированный граф (см. рис. 2.3-2.4).
Среди параметров узлов и ветвей гидравлической цепи различают: / технические характеристики (диаметры трубопроводов, размеры сечений каналов, длины, гидравлические и местные сопротивления ветвей); S гидравлические параметры (расходы воды и изменение давления на ветвях); S граничные условия (расход воды, величины давлений на входе в отопительную систему дома).
Движение теплоносителя по тепловой многоконтурной сети дома происходит в установившемся режиме и подчиняется законам Кирхгофа [54]. Уравнения, составленные на основе сетевых законов Кирхгофа, справедливы для любой трубопроводной системы с квадратичным законом течения.
Разработка мероприятий по снижению дисбаланса отопительной системы зданий
Значения коэффициента теплопроводности грунтов различной структуры и влажности приведено в [194,197,210].
Теплопроводность антикоррозионного покрытия, основного и покровного слоев изоляции Ru определяется но формуле (2.84), где следует принять d\ -внешний диаметр трубы без изоляции и d2 - внешний диаметр трубы с учетом толщины изоляции. Термическое сопротивление стенок канала также рассчитывают по формуле (2.84) при подстановке в нее эквивалентных диаметров по наружному и внутреннему контурам канала, которые определяются по формуле (2.83). Если теплопроводность стенок канала неизвестна или отсутствуют данные по наружному периметру канала, то общее термическое сопротивление стенок канала и грунта определяют по формулам (2.85) или (2.86) при подстановке в них эквивалентного диаметра канала, рассчитанного по внутреннему контуру.
Требования к материалам и конструкциям тепловой изоляции, НОРМЫ плотности теплового потока трубопроводов, а также предельные толщины теплоизоляционных конструкций при различных способах прокладки трубопроводов закреплены в нормативном документе [211].
Температурное поле грунта на глубине до 0.7 м находится под влиянием колебаний температуры наружного воздуха, поэтому в формулах (2.85), (2.86) принимается приведенная глубина заложения [197]: hnp = h + , (2.87) где h - действительная глубина заложения; аа- коэффициент теплоотдачи на поверхности грунта (принимают а0=9 Вт/(м-К) [197]). Удельные тепловые потери теплопроводов воздушной прокладки составляют q = {tmH)lR, (2.88) где tm -температура теплоносителя; R -полное термическое сопротивление теплопровода, рассчитанное по формуле (2.77). Полное термическое сопротивление одиночного изолированного теплопровода бесканальной прокладки приближенно равно: R=RU+Re, (2.89) а удельные тепловые потери определяются по формуле (2.88) где в качестве tH принимается температура поверхности грунта.
При двухтрубной бесканальной прокладке в результате тепловых потерь вокруг теплопроводов в грунте образуются температурные поля, которые, воздействуя друг на друга, способствуют уменьшению теплопотерь каждой трубы в отдельности, что приводит к увеличению термического сопротивления каждой трубы на величину R0 [ 194]: где Ъ - расстояние между осями труб по горизонту, м. Удельные тепловые потери с учетом величины R j, определяют по формулам [194] где tmi, tm2- температура теплоносителя первой и второй трубы соответственно; t0 -расчетная температура окружающей среды, принимаемая для бесканальной прокладки и непроходных каналов равной температуре грунта на глубине заложения оси теплопровода (см. табл.2.13); R/ и R2 -полные термические сопротивления первой и второй трубы, определяемые по формуле (2.89). Таблица 2.13 Средняя месячная температура почвы в условиях г. Ижевска
В однотрубных каналах при установившемся тепловом режиме поток тепла от теплоносителя расходуется на нагрев воздуха в канале, затем тепло нагретого воздуха передается через стенки канала в грунт. Тепловой баланс такого теплоперехода выражается равенством t„-L где Н — глубина заложения канала от поверхности грунта до горизонтальной оси канала В многотрубном одноячейковом канале тепловые потоки от каждого трубопровода нагревают воздух в канале; затем общий тепловой поток от нагр; го-го воздуха через стенки канала рассеивается в грунте. При таком теплопереходе тепловые потери одного трубопровода зависят от тепловых потерь других теплопроводов.
Местные тепловые потери возникают в результате стока тепла через опорные конструкции, фланцевые соединения, запорно-регулирующую арматуру, сальниковые компенсаторы и прочие фасонные изделия. Эти потери приближенно можно определить с использовании эквивалентных длин фланцев, арматуры, опор, тепловые потери которых равновелики тепловым потерям прямых участков труб того же диаметра: где I6- суммарная эквивалентная длина фланцев, арматуры, опор и прочих элементов в пределах данного участка тепловой сети. Общие тепловые потери на участке тепловой сети Q определяются суммарным значением линейных и местных тепловых потерь по формуле Qy4=Q7+Q3yK:- (2Л00а) При этом способе учета дополнительных потерь тепла фактическая длина теплопровода условно увеличивается на длину, эквивалентную по теплопоте-рям арматуре, фланцам и прочим элементам, установленным на этом теплопроводе. В практических расчетах эквивалентную длину принимают равной [212]: для пары неизолированных фланцев - 8ч-10 м изолированного трубопровода того же диаметра; для пары изолированных фланцев -1-Й,5 м изолированного трубопровода того же диаметра; для неизолированной арматуры диаметром 100-500 мм - 12-г24 м изолированного трубопровода тех же диаметров при температуре теплоносителя 100Си400С. для изолированной арматуры диаметром 100 мм - 2,5 м и 3,2 м при диаметре 500 мм изолированного трубопровода тех же диаметров при температуре теплоносителя 100С.
Программа «Информационно аналитическая система теплоснабжения и энергосбережения»
Наряду с разрегулировкой системы централизованного теплоснабжения между зданиями аналогичный дисбаланс имеет место и на третьем уровне системы теплоснабжения (между помещениями зданий), выраженный в наличии «теплых» и «холодных» помещений. Разбалансировка системы теплоснабжения на третьем уровне обусловлена: S несоответствием между фактическими и требуемыми параметрами теплоносителя в отопительных приборах помещений; S отличием фактической мощности отопительных приборов от требуемой
величины S не оптимальной схемой подключения приборов к системе отопления зданий. Согласно СНиП [153] отопительные приборы в жилых помещениях должны, как правило, оснащаться термостатами, т.е. при соответствующем обосновании возможно применение ручной регулирующей арматуры. В нормативном документе МГСН 2.01-99 [218] содержатся более жёсткие требования к установке термостатов у отопительных приборов: «В системах отопления зданий надлежит предусматривать автоматическое регулирование отопительных приборов путем установки термостатов. Допускается не предусматривать установку термостатов в помещениях лестнично-лифтовых узлов».
Для минимизации дисбаланса отопительной системы предложены математическая модель и алгоритм структурно-параметрического синтеза для опти 114 мизации сопротивлений гидравлических регуляторов системы отопления зданий. Конструкция «отопительный прибор - термостат» состоит отопительного прибора (радиатор, конвектор), терморегулирующего клапана (термостат), подводящих труб, а также замыкающего участка. При наличии у отопительного прибора замыкающего участка при выполнении теплового расчета необходимо учитывать коэффициент затекания в прибор [192, 201-202, 219-222].
Алгоритма структурно-параметрического синтеза по снижению дисбаланса отопительной системы зданий заключается в совместном решении зфдач определения структуры модели «отопительный прибор - термостат» (схема и способ подключения, мощность приборов отопления), оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов (термостатов приборов отопления), расчету равновесных температур помещений.
Расчет сопротивлений отопительных приборов осуществляется по фор мулам (2.55-2.58, 2.63) с учетом местных сопротивлений отопительных прибо ров (см. табл. 2.4.), способа соединения элементов конструкции, а также схемы подключения приборов к стоякам системы отопления (см. рис. 3.8).
Значения коэффициентов местного сопротивления Ё, при использовании радиаторов типа «PRADO Universal» со встроенными термостатами для двухтрубных систем отопления RTD-N-15 фирмы «Danfos» с газоконденсатным датчиком при его настройке на режим 2С (при расчётном открытии клапана на Хр=0,57 мм) и условном диаметре подводок 15 мм принимаются по табл. 3.13 [219]. Значения коэффициентов местного сопротивления при использовании радиаторов типа «PRADO Classic» со встроенными термостатами фирмы «Schlosser» при условном диаметре подводок 15 мм принимаются по табл. 3.14 [2191.
Целевая функция оптимизационной задачи - минимум отклонения температуры помещений от нормативной величины: где Sj - сопротивление /-ого отопительного прибора; z — общее количество отопительных приборов в здании. В качестве ограничений выступает система уравнений, составленная на основе первого и второго закона Кирхгофа [ By = 0 v используемая для определения расходов теплоносителя на участках сети. Кроме того, в систему условий и ограничений входит замыкающие соотношение (2.37), описывающие связь между потерей давления и расходом на учас :сах системы отопления здания: y + hd = SXx, (3.32) а также система ограничений в виде неравенств на параметры теплоносителя.
В связи с тем, что для каждого типа отопительных приборов существует свой диапазон допустимых значений сопротивлений, вводится следующее ограничение: s,min sr srma\ (3.33) где s " и sx- минимально и максимально возможные сопротивления отопительных приборов соответственно. Таким образом, задача снижения дисбаланса системы отопления зданий сводится к минимизации целевой функции (3.30) при ограничениях (3.31)-(3.33). Так как записать явную аналитическая зависимость целевой функции (3.30) от сопротивлений не представляется возможным, как и требовать ее дифференцируемость, то для решения исходной задачи используются прямые методы условной оптимизации.
В этом случае сходимость итерационного процесса зависит от выбора поправки Л$(( , i=l,..,z, которая определяет направление и шаг изменения вектора s(A). Будем считать, что температура помещений у /-ого прибора в первом приближении имеет линейную зависимость только сопротивления /-ого прибора и влияние остальных отопительных приборов не учитывается.
