Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса моделирования систем теплоснабжения, использующих теплоту возобновляемых источников
1.1 Источники низкопотенциальной возобновляемой тепловой энергии
1.1.1 Грунтовые источники теплоты 12
1.1.2 Солнечные источники теплоты 16
1.2 Преобразователи энергии возобновляемых источников и моделирование их работы
1.2.1 Преобразователи энергии грунта 20
1.2.1.1 Типы конструкций и перспективы использования преобразователей энергии грунта
1.2Л .2 Применение грунтовых источников теплоты для теплоснабжения
1.2.2 Преобразователи солнечной энергии 23
1.2.2.1 Типы конструкций и перспективы использования преобразователей солнечной энергии
1.2.2.2 Применение солнечных источников теплоты для горячего водоснабжения
1.3 Повышение (трансформация) теплового потенциала возобновляемых источников энергии с помощью тепловых насосов
1.3.1 Общие условия применения тепловых насосов в теплоэнергетических системах
1.3.2 Принципиальные схемы теплоснабжения с тепловыми насосами и преобразователями энергии возобновляемых источников теплоты
1.4 Состояние работ в области моделирования систем теплоснабжения, использующих теплоту возобновляемых ис
точников энергии
1.4.1 Обоснование необходимости выполнения работ по САПР комбинированных систем теплоснабжения
1.4.2 Анализ состояния и тенденции развития моделирования комбинированных систем теплоснабжения
1.4.3 Критерии эффективности моделирования 43
1.4.4 Классификация задач моделирования комбинированных систем теплоснабжения и их анализ
1.5 Методологические подходы к оценке технико- экономической эффективности комбинированных систем теплоснабжения
1.5.1 Общие принципы и существующие методики расчета 46
1.5.2 Информационное обесценивание расчетов 49
1.6 Выводы по главе 1 и постановка задач исследований
2 Разработка и обоснование структурно-функциональной модели комбинированной системы теплоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии
2.1 Общие принципы и принятый подход к построению модели 54
2.2 Формирование блока «Техническое задание» 60
2.3 Обоснование формальной модели комбинированной сие- 61 темы теплоснабжения
2.4 Описание схемы комбинированной системы теплоснабжения 67
2.5 Выбор принципа построения моделирующего алгоритма 68
2.6 Предполагаемая процедура реализация моделирующего алгоритма
2.7 Предполагаемая реализация системы управления модели 70
2.8 Агрегат модели, имитирующий "Внешнюю среду" 72
2.9 Агрегат модели, имитирующий "Традиционный источник теплоты"
2.10 Агрегат модели, имитирующий «Грунтовый источник теплоты»
2.11 Агрегат модели, имитирующий "Солнечный источник теплоты»
2.12 Агрегат модели, имитирующий теплонасосную установку 88
2.13 Блок оптимизации состава комбинированной системы теплоснабжения
2.13.1 Использование процедуры машинного синтеза
2.13.2 Синтез на базе библиотеки функций
2.14 Выбор и использование существующего адаптируемого или приобретаемого программного обеспечения
2.15 Выводы по второй главе 100
3 Моделирование работы преобразователей и трансформаторов низкопотенциальной энергии грунта и солнца
3.1 Моделирование работы грунтовых источников аккумуляторов теплоты
3.1.1 Работа испарителя в водоносном грунте 104
3.1.2 Работа испарителя в ненасыщенном влажном грунте 108
3.1.3 Постановка задачи теплового взаимодействия испарительного трубопровода теплоотводящей среды с промерзающим грунтом
3.1.3.1 Исходные предпосылки к решению задачи и анализ принятых допущений
3.1.3.2 Разработка математической модели и алгоритма расчета теплообмена испарителя-аккумулятора с промерзающим грунтом
3.1.3.3 Анализ численных результатов решения задачи 132
3.1.3.4 Сравнение результатов, полученных по предложенной модели, с данными других исследователей
3.1.3.5 Надежность систем использования тепловой энергии грунта 138
3.2 Моделирование работы солнечных источников теплоты 141
3.3 Использование трансформаторов низкопотенциальной энергии грунта и солнца
3.4 Выводы по главе 3 150
4 Моделирование поступления ресурсов возобновляемых источников энергии
4.1 Определение потенциала тепловых ресурсов грунта на разных глубинах
4.2 Определение потенциала тепловых ресурсов солнечной энергии на разных географических широтах местности
4.3 Основные результаты гл. 4 162
5 Синтез схемы комбинированной системы теплоснабжения на основе использования модели имитации поступления ресурсов внешней среды и моделей традиционных, грунтовых и солнечных источников энергии
5.1 Системный подход к решению задачи синтеза комбиниро- 163 ванной системы теплоснабжения
5.2 Постановка комплексной задачи синтеза комбинированной 166 системы теплоснабжения
5.3 Структура программно-вычислительного обеспечения 174
5.4 Пример работы алгоритма 176
5.5 Выводы по главе 5 179
Выводы 181
Литература
- Преобразователи энергии возобновляемых источников и моделирование их работы
- Формирование блока «Техническое задание»
- Постановка задачи теплового взаимодействия испарительного трубопровода теплоотводящей среды с промерзающим грунтом
- Определение потенциала тепловых ресурсов солнечной энергии на разных географических широтах местности
Введение к работе
В зависимости от вида используемой энергии все системы теплоснабжения (СТС) мог)Т быть классифицированы следующим образом: традиционные (использующие в качестве топлива невозобновляемые источники тепловой энергии — газ, мазут, твердое топливо и т.п.); нетрадиционные (использующие энергию возобновляемых источников -солнца, грунта, рек, ветра и т.п.); комбинированные (сочетающие в себе в том или ином соотношении два предыдущих типа систем).
Анализ опубликованных теоретических и экспериментальных исследований возобновляемых источников энергии (ВИЭ) позволил сделать вывод об энергетической и экономической перспективности для России совместного использования в комбинированных системах теплоснабжения (КСТС) двух разнородных возобновляемых источников - солнечной и грунтовой энергии. Благодаря своим естественным свойствам, в случае дефицита тепловой энергии традиционных источников, эти два вида ВИЭ позволяют осуществить взаимную компенсацию друг друга и сгладить неравномерность теплопотребления.
Солнечные и грунтовые источники энергии в тепловом отношении относятся к низкопотенциальным системам. Указанное обстоятельство обуславливает целесообразность включения в схемы КСТС объектов жилого и промышленного назначения специальных трансформаторов потенциала тепловой энергии, в качестве которых применяются ТН.
Значительный вклад в развитие научного обеспечения этого направления был сделан зарубежными учеными Р. Гордоном, Ж. Лундом, Л. Николе, Л. Рибахом, Г. Форх-геймером, К. Шлоссером и российскими учеными В. Н. Богословским, Г. П. Васильевым, К). В. Голевинским, Ю. П. Коротаевым, Б. Л. Кривошеиным, Б. Н. Новаковским, Б. Н. Курицыным, А. Н. Ложкиным, А. В. Лыковым, Е. С. Мартыновским, Н. И. Никитиной, Е. Я. Соколовым, Ю. А. Табунщиковым, X. Р. Хакимовым, Е. П. Шубиным и др.
Актуальность темы. Переход к широкому внедрению КСТС сдерживается в нашей стране, с одной стороны, рядом объективных обстоятельств: кризисным состоянием национальной экономики, искаженной тарифной политикой и структурой цен на энергетические ресурсы, преобладанием централизованного теплоснабжения.
С другой стороны, серьезным препятствием, сдерживающим внедрение КСТС, является фактическое отсутствие математического, программного и методического обеспечения для разработки таких систем в почвенно-климатических условиях России.
Этим обусловлены значимость и актуальность темы исследования.
Диссертационная работа выполнялась в рамках научного направления «Научно-технические проблемы развития централизованного и автономного теплоснабжения в современных условиях».
Цель работы - разработка схем КСТС, включающих в себя традиционные и возобновляемые источники энергии солнца и фунта.
Задачи исследований:
-
Анализ известных схемных решений и разработка на их основе принципиальной схемы функционирования КСТС, сочетающей в себе традиционные и возобновляемые источники энергии - фунтовые и солнечные.
-
Разработка функциональной модели КСТС как совокупности отдельных взаимосвязанных блоков параметров, описывающих ее работу.
-
Формирование базы статистических метеорологических данных по фунтовой и солнечной энергии для разработки математического описания КСТС.
-
Получение аналитических зависимостей пространственно-временного распределения температуры фунта.
-
Разработка математической модели и алгоритма расчета процессов теплообмена, протекающих в испарителях фунтовых теплообменников, и проверка адекватности предложенной модели путем сопоставления результатов собственных численных экспериментов с данными натурных исследований других авторов.
-
Модификация алгоритма расчета коэффициента замещения общей тепловой мощности КСТС солнечной энергией.
-
Разработка алгоритма оптимизации работы традиционных источников теплоты и осуществление его программной реализации в модели КСТС.
8. Разработка методики определения области эффективного применения КСТС.
Научная новизна:
-
Обоснована возможность проведения функциональной аналогии между моделью КСТС и теорией массового обслуживания. На основе такой аналогии модель КСТС представлена в виде совокупности отдельных взаимосвязанных блоков, описывающих: а) влияние внешней среды; б) работу источников теплоты, использующих возобновляемую энергию солнца и грунта; в) работу традиционных источников энергии. Данное представление модели позволило сформировать ее математическое описание таким образом, что выходные параметры предыдущих блоков расчета являются входными параметрами для последующих блоков.
-
Впервые предложены аналитические выражения пространственно-временного распределения температуры фунта, полученные в результате обработки данных «типичного климатического года», представляющих собой усредненные статистические метеорологические характеристики за последние 30 лет наблюдений.
-
Разработана математическая модель и структурная схема реализующего ее алгоритма расчета процессов теплообмена, происходящих в испарителях грунтовых теплообменников системы теплоснабжения, которая, в отличие от известных моделей, учитывает влияние на теплообмен фазовых превращений влаги в порах фунтового массива. Адекватность предложенной математической модели подтверждена сравнением результатов собственных численных исследований по модели с натурными экспериментальными данными других авторов.
-
Модифицирован алгоритм расчета доли тепловой мощности системы теплоснабжения, вырабатываемой за счет солнечной энергии, для решения обратной задачи: путем осуществления процедуры последовательных итераций определяется требуемая площадь преобразователей солнечной энергии в тепловую.
-
Разработан алгоритм оптимизации зафузки каждого котельного афегата традиционного источника теплоты.
-
На основе научных результатов диссертации разработана методика определения области эффективного применения КСТС.
Методы исследований. Для решения задач были использованы методы математической физики, статистического, математического и экономического анализа Все допущения и упрощения в работе оговорены и обоснованы.
Достоверность результатов исследования подтверждается применением современных методов исследований; адекватностью принятых математических моделей; сходимостью теоретических результатов и экспериментальных данных.
Практическая значимость работы и реализация результатов. Результаты диссертационной работы применяются в виде методики при разработке раздела по технико-экономическому обоснованию принятых схем систем теплоснабжения в проектной
практике ЗАО ЦЧР «Гипроавтотранс» (г. Воронеж); использованы при разработке «Программы комплексного развития систем коммунальной инфраструктуры городского округа город Воронеж на период 2010-2020 гг.», о чем имеются соответствующие акты. На защиту выносятся:
-
Математическая модель КСТС в виде совокупности отдельных взаимосвязанных блоков, описывающих: а) влияние внешней среды; б) работу источников теплоты, использующих возобновляемую энергию солнца и фунта; в) работу традиционных источников энергии.
-
Аналитические выражения пространственно-временного распределения температуры грунта.
-
Математическая модель и структурная схема реализующего ее алгоритма расчета процессов теплообмена, происходящих в испарителях грунтовых теплообменников системы теплоснабжения.
-
Алгоритм расчета площади солнечных коллекторов в зависимости от доли тепловой мощности системы теплоснабжения, вырабатываемой за счет солнечной энергии.
-
Алгоритм оптимизации загрузки каждого котельного агрегата традиционного источника теплоты.
6. Методика определения области эффективного применения КСТС.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены
на XXXVI межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов в области научных исследований «Молодежь и XXI век» (Курск, 19-22 мая 2008 г.); на международных научно-практических конференциях «Системные проблемы надежности, качества и информационно-телекоммуникационных технологий в управлении инновационными проектами (Инноватика - 2008 и 2009)» (Сочи, 2008 и 2009 гг.); на V межрегиональной научно-практической конференции «Экологические аспекты региона» (Воронеж, 28 мая 2009 г.); на XXXVII межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов в области научных исследований «Молодежь и XXI век» (Курск, 20-21 мая 2009 г.); на научных конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета (г. Воронеж, 2007-2009 гг.).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 17 научных работ общим объемом 83 страниц. Личный вклад автора составляет 57 страниц. Пять статей опубликованы в изданиях, приведенных в перечне ВАК РФ («Научный вестник ВГА-СУ. Строительство и архитектура»; «Вестник Воронежского государственного технического университета. Серия «Энергетика»).
В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работах [1,3] обоснована функциональная модель КСТС; в работе [2] приведена математическая модель процессов теплообмена, происходящих между грунтом и испарителями грунтовых теплообменников системы теплоснабжения; в работе f4] обоснован алгоритм оптимизации распределения тепловой мощности между котлоагрегатами традиционного источника теплоты; в работе [5] описана методика определения области эффективного применения КСТС.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы из 113 наименований, 3 приложений и содержит 200 страницы текста, включая 61 рисунок и 17 таблиц.
Преобразователи энергии возобновляемых источников и моделирование их работы
Грунт применяют в качестве естественного источника теплоты для зимнего отопления и летнего кондиционирования. Змеевики испарителя закладывают в грунт, при этом используется его зонная аккумулирующая способность. Интенсивность процессов теплопередачи в грунте главным образом зависит от его влажности.
Грунт имеет одно важное преимущество - относительно стабильную в течение года температуру. Теплота отбирается по трубопроводам теплообменников, уложенных в землю горизонтально или вертикально (спиралеобразно). Могут использоваться: системы прямого расширения с охлаждающей жидкостью, испаряющейся по мере циркуляции в контуре трубопровода, заглубленного в грунт; системы с рассольной жидкостью, прокачиваемой по трубопроводу, заглубленному в грунт.
Тепловая емкость грунта варьируется в зависимости от его влажности и общих климатических условий конкретной местности. В силу производимого отбора теплоты во время отопительного сезона температура грунта понижается.
В условиях холодного климата большая часть энергии извлекается в форме латентной теплоты, когда грунт промерзает. В летний период под действием солнца температура грунта вновь поднимается, и появляется возможность вернуться к первоначальным условиям. Тепловой режим грунта формируется под действием двух основных факторов - падающей на поверхность солнечной радиации и потока радиогенной теплоты из земных недр. Сезонные и суточные изменения интенсивности солнечной радиации и температуры наружного воздуха вызывают колебания температуры верхних слоев грунта.
Глубина проникновения суточных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий колеблется в пределах от нескольких десятков сантиметров до полутора метров. Глубина проникновения сезонных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации не превышает, как правило, 10-15 м (см. рисунок 1.1) [14].
Тепловой режим слоев грунта, расположенных ниже этой глубины (так называемой «нейтральной зоны»), формируется под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр Земли, и практически не зависит от сезонных, и, тем более, суточных изменений параметров наружного климата. С увеличением глубины температура грунта также увеличивается в соответствии с геотермическим градиентом (примерно 3 С на каждые 100 м). ХВеличина потока радиогенной теплоты, поступающей из земных недр, для разных местностей различается. Как правило, эта величина составляет 0,05-0,12 Вт/м2 [107].
Грунт, находящийся в пределах зоны теплового влияния регистра труб грунтовых испарителей, вследствие сезонного изменения параметров наружного климата, а также под воздействием эксплуатационных нагрузок на систему теплосбора, как правило, подвергается многократному замораживанию и оттаиванию.
При этом, естественно, происходит изменение агрегатного состояния влаги, заключенной в порах грунта. Влага в данном случае может существовать в объеме грунта как в жидкой, так и в твердой, и газообразной фазах одновременно. Наличие влаги в поровом пространстве грунтового массива, который относится к капиллярно-пористым системам, оказывает заметное влияние на процесс распространения в нем теплоты.
Корректный учет этого влияния на сегодняшний день сопряжен со значительными трудностями, которые, прежде всего, связаны с отсутствием четких представлений о характере распределения твердой, жидкой и газообразной фаз влаги в той или иной структуре системы.
При наличии в толще грунтового массива температурного градиента молекулы водяного пара перемещаются к местам, имеющим пониженный температурный потенциал, но, в то же время, под действием гравитационных сил возникает противоположно направленный поток влаги в жидкой фазе. Кроме того, на температурный режим верхних слоев грунта оказывает заметное влияние влага атмосферных осадков, а также грунтовые воды. Поток радиогенной теплоты Рисунок 1.1- График изменения температуры грунта в зависимости от глубины
Расчет теплового режима систем сбора теплоты грунта на сегодняшний день осложняет и так называемая «информативная неопределенность» математических моделей, описывающих подобные процессы (отсутствие достоверной информации о воздействиях на систему окружающей среды - атмосферы и массива грунта, находящихся вне зоны теплового влияния грунтового теплообменника системы теплосбора и чрезвычайная сложность их аппроксимации).
Иначе говоря, грунтовый массив системы теплосбора, независимо от того, в каком состоянии он находится (в мерзлом или талом), представляет собой сложную трехфазную полидисперсную гетерогенную систему, скелет которой образован огромным количеством твердых частиц разнообразной формы и величины и может быть как жестким, так и подвижным, в зависимости от того, прочно ли связаны между собой частицы или же они отделены друг от друга веществом в подвижной фазе.
Промежутки между твердыми частицами могут быть заполнены минерализованной влагой, газом, паром и льдом или тем и другим одновременно.
Моделирование процессов тепломассопереноса, формирующих тепловой режим такой многокомпонентной системы, представляет собой чрезвычайно сложную задачу, поскольку требует учета и математического описания разнообразных механизмов их осуществления: теплопроводности в отдельной частице, теплопередачи от одной частицы к другой при их контакте, молекулярной теплопроводности в среде, заполняющей промежутки между частицами, конвекции пара и влаги, содержащихся в поровом пространстве, и многих других.
Особо следует остановиться на влиянии влажности грунтового массива и миграции влаги в его поровом пространстве на тепловые процессы, определяющие характеристики грунта как источника низкопотенциальной тепловой энергии.
В капиллярно-пористых системах, каковой является грунтовый массив системы теплосбора, наличие влаги в поровом пространстве оказывает заметное влияние на процесс распространения теплоты.
Формирование блока «Техническое задание»
Задачи проектирования комбинированных систем теплоснабжения можно классифицировать на задачи, в которых рассматриваются только типовые технические решения (М); на задачи, в которых прорабатываются индивидуальные решения (Е) и задачи смешанного типа (СМ). Под типовым техническим решением будем подразумевать наличие готовых технических модулей традиционных источников теплоты (ТИТ), подбор которых осуществляется в ходе проекта. В части СИТ и ГИТ прорабатываются индивидуальные технические решения (например, для ГИТ - глубина заложения испарительных теплообменников, их длина, диаметры коаксиальных труб, количество).
Задачи, принадлежащие классу М, отличаются от задач, принадлежащих классу Е прежде всего тем, что задачи класса М можно отнести к задачам перебора комбинаций готовых технических модулей и анализу полученной системы. Задачи класса Е более сложны и в рамках данных задач дополнительно к задачам, рассматриваемым в классе М, рассматриваются задачи по использованию индивидуальных особенностей объекта, использованию новых конструкторских решений и.т.д. В рамках задач смешанного типа существуют задачи, принадлежащие классу Е и М одновременно.
Классификация задач и методов, используемых при проектировании КСТС, связана с учетом взаимного влияния их элементов. Математические модели, учитывающие взаимное влияние элементов комбинированной системы (С), отличаются от математических моделей, где данное влияние не учитывается (О). Взаимное влияние элементов комбинированной системы теплоснабжения, которое должно учитываться ее математической моделью, проявляется в наличии корреляции между приходящими ресурсами. Компромиссом между математическими моделями, учитывающими и не учитывающими корреляцию по приходящим ресурсам, являются математические модели, частично учитывающие данную корреляцию (СО).
Следующий уровень классификации связан с необходимостью удовлетворения различных целей для комбинированных систем теплоснабжения, работающих в крупной энергосистеме (ЭС), и для систем, работающих на автономного потребителя (Л).
Детальное рассмотрение графа, представленного на рисунке 1.16, показывает, что наиболее просто должны решаться задачи проектирования КСТС, принадлежащие классу М для ветвей, выходящих из узла О.
Разнородность вышеописанных задач показывает, что для их эффективного решения должны использоваться различные модели, реализующие различные функции одних и тех же объектов проектирования.
Исследования в области искусственного интеллекта, позволяющие автоматизировать процесс работы с множеством методик, в настоящий момент только ведутся [26]. В частности, весьма перспективным является подход на базе семиотического моделирования [4].
В рамках данной работы предлагается вариант решения ряда задач проектирования, принадлежащих только классу М. Как будет показано ниже, для этого создается имитационная математическая модель комбинированной системы теплоснабжения и определяются правила работы с ней. В случае продолжения работ по САПР ВИЗ, данная модель может входить в банк моделей САПР КСТС, а правила работы с данной моделью - в базу знаний экспертной системы.
Задачи синтеза схемы КСТС входят в состав технико-экономических задач структурной и параметрической оптимизации, развиваемых в рамках теории гидравлических цепей. Они возникают в процессе роста тепловых нагрузок или изменения других условий функционирования системы и состоят: в определении рациональных направлений изменения принципов построения системы; в выявлении "узких" мест и их устранении путем замены или усиления некоторых существующих элементов (источников теплоты, участков тепловых сетей, насосных станций); в выборе конкретных структур и параметров системы. Решения должны удовлетворять минимуму затрат, физическим законам движении жидкости, режимным, техническим, экологическим и надежностным ограничениям. Наиболее сложными в математическом плане являются задачи реконструкции КСТС, обладающие свойствами многоэкстремальности, дискретности и нелинейности. Для решения подобных задач в лаборатории трубопроводных и гидравлических систем ИСЭМ СО РАН был разработан метод многоконтурной оптимизации (МКО), позволяющий находить локальный минимум, достаточно близкий к глобальному и обеспечивающий выполнение технических и режимных ограничений. МКО реализован в вычислительном модуле СОСНА, который может использоваться как самостоятельный вычислительный инструмент и как один из блоков в диалоговой вычислительной системе для построения надежных ТСС - ДВС ДИМОС.
Разработанный вычислительный инструмент широко использовался для решения задач по реконструкции тепловых сетей в системах теплоснабжения многих городов страны. Полученные решения реализовывались на практике. В последние 10-15 лет, в связи с происходящими в экономике страны процессами, эти задачи должным образом не решались.
Однако постепенно они становятся все более востребованными, причем, не, только и даже не столько из-за роста тепловых нагрузок в системах, сколько из-за перехода систем на нерасчетные графики регулирования. Кроме того, из-за снижения промышленного теплопотребления часто требуются объединение источников, переключение тепловой нагрузки с одного источника на другой и соответствующая реконструкция тепловых сетей.
В этой связи задача синтеза комбинированных систем теплоснабжения, включающих в себя как традиционные, так и нетрадиционные источники теплоты, остается на сегодняшний день малоизученной областью.
Решение задач синтеза схемы КСТС в современных условиях имеет свои особенности. Во-первых, совместно с этими задачами должна решаться проблема постепенного перевода на современные принципы их построения и эффективное энергосберегающее оборудование. Во-вторых, должна проводиться финансовая оценка решений, получаемых в технико-экономических моделях синтеза схемы. Эффективность выполнения конкретных проектов должна оцениваться с помощью финансовых критериев прибыльности, рентабельности и окупаемости.
Постановка задачи теплового взаимодействия испарительного трубопровода теплоотводящей среды с промерзающим грунтом
С целью достижения максимального эффекта подсистема автоматического управления (САУ) модели комбинированной системы теплоснабжения должна позволять оптимизировать режим работы каждого преобразователя и трансформаторов энергетического потенциала, входящих в состав системы. Для реализации системы управления модели необходимо определить информационные переменные (параметры управления). Под управлением моделью понимается зависимость параметров управления U от времени.
Доказано [84], что для одного и того же агрегата может существовать несколько идентификаторов управления. Следствием этого является зависимость математической модели агрегата от выбранного идентификатора управления моделью.
При проектировании комбинированной системы теплоснабжения в целом возможно использование двух основных групп систем автоматического регулирования: - систем программного регулирования; - следящих систем. В системах программного регулирования значение регулируемой величины изменяется по заранее установленной программе (закону). В качестве примера программного регулирования можно привести систему управления солнечным коллектором, основанную на значении текущего времени.
Для следящих систем заданное значение регулируемой величины может меняться в широких пределах по произвольному закону. Обычно этот закон задается внешним воздействием.
Так как при использовании системы слежения процесс управления теряет смысл, то и процедура выбора идентификаторов управления в этом случае отсутствует. В разрабатываемой модели был использован первый из вышеприведенных типов САУ. Программное управление реализовывается: - в системе автоматического регулирования ТИТ, при этом в качест 72 ве идентификатора управления принят расход традиционного природного топлива; - в системе автоматического регулирования солнечным источником теплоты, в этом случае в качестве идентификатора управления принят угол наклона и угол поворота солнечного коллектора; - в системе грунтовых источников теплоты; - в системе теплонасосных установок.
Для систем программного регулирования могут быть использованы различные варианты закона регулирования. В работе использовался следующий вариант реализации программного регулирования: - до запуска имитации инженер или программа (блок оптимизации) генерирует зависимость значений идентификаторов управления от времени в определенные моменты времени (узловые точки); - до выполнения очередного цикла имитации блок имитации определяет значение идентификатора управления, соответствующее окончанию очередного цикла; - выполняется имитация работы системы с тем, чтобы как можно ближе подойти к требуемому значению заданного идентификатора (при этом учитывается приоритет достижения соответствующих целей). 2.8 Агрегат модели, имитирующий "Внешнюю среду" Агрегат "Внешняя среда" разрабатываемой модели энергокомплекса должен имитировать поведение внешней среды. Для этого он должен выдавать значения ресурсов и параметров, связанных с данным ресурсом, в определенные промежутки времени. В соответствии с принятой технологией обработки информации при проектировании объектов, принадлежащих к энергокомплексу, информация по приходящему ресурсу в общем случае может быть задана: - в виде выборочной совокупности данных; - вероятностными характеристиками; - детерминированной зависимостью. В соответствии с разрабатываемой моделью требуется перевод данных, заданных в виде вероятностных характеристик, в выборочную совокупность. В качестве метода приведения значений, заданных вероятностными характеристиками, к выборочной совокупности может быть использована процедура, основанная на методе Монте - Карло. Применение метода Монте - Карло для генерации выборочной совокупности по ресурсам энергокомплекса имеет ряд особенностей, связанных с вариантом модели случайного процесса:
1. Может существовать корреляция между соответствующими значениями случайных величин внутри выборочной совокупности данных по ресурсу.
2. Может существовать корреляция между соответствующими значениями случайных величин, описывающих различные ресурсы (например, между температурой грунта, определяющей в конечном счете значение теп-лопритока к испарителям ГИТ, и значением плотности потока тепловой энергии солнечной радиации).
Для генерации выборочной совокупности на базе функции обеспеченности может быть использован следующий алгоритм [65]: 1. Интервал значений функции обеспеченности Q(x) разбивается на m подинтервалов. 2. В соответствии с данным разбиением имеется ряд отрезков на оси абсцисс [хк, хк+1], которые обладают свойством: Q(Xk) - Q(xk+i) = с, где с = 1/т.
Определение потенциала тепловых ресурсов солнечной энергии на разных географических широтах местности
Таким образом, при математической интерпретации многих инженерных задач о тепловом взаимодействии трубопровода с промерзающими и протаивающими грунтами можно не учитывать миграцию влаги в грунтах и изменение ее фазового состава по всему объему промерзающего грунта в зависимости от температуры.
В дальнейшем будем считать, что изменение фазового состава воды происходит при определенной температуре іф на границе между талым и мерзлым слоями массива. В соответствии с динамикой теплового процесса, приводящей к образованию определенных форм границ раздела мерзлых и талых зон в годовом цикле эксплуатации вертикального трубопровода, можно выделить три характерных расчетных случая (рисунки 3.1- 3.3).
Расчетный случай (см. рисунок 3.1) относится к летнему и осеннему периоду эксплуатации трубопровода. Мерзлая зона (I) грунта формируется только вокруг трубопровода, в то время как остальной грунт находится в талом состоянии. Расчетный случай (см. рисунок 3.2) характерен для зимней эксплуатации трубопровода.
В дополнение к мерзлой зоне вокруг трубопровода (/) развивается еще одна мерзлая зона с поверхности массива (II) под воздействием отрицательных температур наружного воздуха. При этом поверхность массива может иметь еще и снежный покров.
Расчетный случай (см. рисунок 3.3) относится к весеннему периоду эксплуатации трубопровода. Этот случай характеризуется тем обстоятельством, что в верхней мерзлой зоне грунта (JI) начинает формироваться талая зона под воздействием положительных температур наружного воздуха.
Следует отметить, что указанный случай (рисунок 3.3) раздела мерзлых и талых зон в грунте носит весьма кратковременный характер.
С наступлением теплого периода года мерзлый слой (II) над трубопроводом начинает протаивать под воздействием двух источников теплоты, одним из которых является прилегающая к поверхности грунта атмосфера, другим - естественный теплоприток из отдаленных слоев талого грунта.
В результате воздействия обоих источников мерзлый грунт (II) оттаивает за очень короткий период времени 0,5-1 месяц [55,61]. Таким образом, случай (в) из расчета можно исключить, как нехарактерный.
Из двух оставшихся схем вариант (б) отличается наиболее сложными граничными условиями. В этом случае имеем шесть границ раздела различных сред «атмосфера - снежный покров - мерзлый фунт - антикоррозийная изоляция трубопровода - теплоотводящая среда», характеризующихся специфичными теплофизическими свойствами.
Очевидно, что замкнутая система уравнений, описывающая теплообмен в такой сложной системе должна содержать пять дифференциальных уравнений Лапласа и шесть граничных условий.
Решение указанной системы уравнений представляет собой сложную задачу математической физики.
Еще более усложняется математическая модель теплообмена при наличии начального распределения температур в грунте, изменения высоты снежного покрова, влияния на грунтовую поверхность солнечной радиации и т.д. В этой связи наметим дальнейшие пути к упрощению задачи. Следуя принципу дополнительной стенки [61], будем учитывать влияние снежного покрова как некоторое дополнительное сопротивление теплопередаче от поверхности грунта к воздуху. Указанный прием широко используется при решении теплофизических задач методами аналогий и дает хорошее совпадение результатов решений с данными непосредственных наблюдений.
На основании этих соображений граничное условие на поверхности грунта будет иметь следующий вид [61]: откуда толщина слоя грунта, эквивалентного термическому сопротивлению снежного покрова и теплоотдаче в наружный воздух AtoI=TL +— - (3-9) где t- температура сезонно промерзающего грунта; tF- температура поверхности грунта; t3- эквивалентная температура наружного воздуха, комплексно учитывающая теплоту солнечной радиации, испарения (конденсации) и сублимации влаги в снежном покрове; Ям- теплопроводность мерзлого грунта; Хсн-теплопроводность снега; 5СИ - толщина снежного покрова; ар - коэффициент теплоотдачи от снежного покрова в воздух.
Анализ экспериментальных данных по температурным полям вокруг действующих подземных трубопроводовх различного назначения, а также решение серии задач на гидроинтеграторах [61,86] показывают, что эти поля можно считать квазистационарными в достаточно больших интервалах времени, например, месяц.
Это явление легко объяснимо. Тепловые процессы в промерзающих и протаивающих грунтах сопровождаются выделением или поглощением больших количеств теплоты фазовых превращений воды в грунте.
Вследствие этого передвижение границы раздела мерзлого и талого грунта, происходит сравнительно медленно. В результате в мерзлых и талых зонах успевает, в среднем, установиться квазистационарное распределение температур.
Поэтому весь процесс теплопередачи можно расчленить на ряд стационарных состояний, во время которых температуру грунта можно принять постоянной и равной ее средней величине за расчетный период, а теплообмен каждой из зон определять по уравнениям стационарной теплопроводности, если при этом границу раздела зон считать подвижной.
