Централизованное управление, которое осуществляется на теплоэлектроцентралях или в котельной, не в полной мере отвечает современным условиям регулирования теплопотребления зданий [1]. Нерегулируемый отпуск теплоносителя в традиционных системах центрального отопления приводит не только к перерасходу тепловой энергии у потребителей, и как следствие увеличенному потреблению топливно-энергетических ресурсов, но и к нестабильному тепловому режиму в помещениях зданий. Модернизация участков тепловой сети на пути от источника тепловой энергии до потребителей с помощью современных технических средств позволяет повысить энергосбережение, снизить финансовые затраты на отопление и управлять микроклиматом помещений с целью приведения его внутренних параметров в соответствие с нормируемыми значениями. Поэтому задача разработки автоматических систем управления температурой и расходом теплоносителя в системе отопления зданий для распределения тепловой энергии является актуальной.

Самостоятельная разработка методов проектирования автоматических систем управления отоплением зданий позволяет не только модернизировать традиционные схемы управления, но и реализовать расчет параметров регуляторов с использованием алгоритмов, которые обеспечивают наиболее эффективные в требуемых условиях показатели качества работы всей системы автоматического управления теплоснабжением зданий [2].

Авторами проведены исследования схем систем отопления с насосным подмешиванием, которые позволили доказать, что среди существующих традиционных систем, предполагающих установку циркуляционного насоса на подающем, обратном трубопроводах или перемычке, последний вариант, предполагающий расположение насоса на перемычке между подающим и обратным трубопроводами, считается наиболее экономичным и надежным, так как насос действует в благоприятных температурных условиях и перемещает меньшее количество воды, чем насос на обратной или подающей магистрали, и в меньшей степени влияет на изменение разницы давлений в наружных трубопроводах. Для этого варианта подключения насоса выполнялись дальнейшие исследования.

Проведенный анализ традиционных схем систем отопления многоэтажных зданий с искусственной циркуляцией теплоносителя позволил определить наиболее эффективный вариант расположения регулирующих устройств, при котором клапан расположен на подающем трубопроводе, а насос на перемычке, для которого производился синтез системы автоматического управления отоплением [3].

В работе за основу регулирования отпуска тепла потребителям принята система централизованного качественного регулирования температуры теплоносителя согласно стандартам зависимости температуры теплоносителя от температуры наружного воздуха. Качественный метод регулирования заключается в изменении на источнике тепла температуры теплоносителя, направляемого с постоянным расходом в тепловую сеть в зависимости от температуры наружного воздуха таким образом, чтобы температура воздуха внутри отапливаемых помещений поддерживалась постоянной. В работе [3] выполнена модернизация и исследование функциональной схемы системы управления теплоснабжением многоэтажных зданий, присоединенных к тепловой сети по зависимой схеме со смешением теплоносителя. Составлена статическая математическая модель теплового баланса системы отопления многоэтажного здания с целью определения функциональной зависимости в работе регулирующих устройств системы управления, разработки алгоритма их совместной работы при изменении температуры наружного воздуха. При этом было принято допущение: температура внутреннего воздуха не изменялась по объему здания. Моделирование подтвердило возможность автоматического управления режимами отпуска теплоносителя в отапливаемые помещения здания, а также эффективность согласованного управления регулирующими устройствами системы при уменьшении расхода воды на отопление и снижении теплозатрат от котельной.

Предложен частотный метод управления циркуляционным насосом при согласованном управлении регулирующим клапаном и насосом в двухконтурной системе. Данный метод позволяет регулировать величину расхода теплоносителя через систему отопления для реализации требуемого теплового режима здания, сохраняя при этом расчетный напор в сети, что обеспечивает повышение надежности системы управления, устойчивость объектов теплопотребления в широком диапазоне возмущающих воздействий [4].

Синтезированный алгоритм комплексного управления регулирующими элементами системы по температуре и расходу теплоносителя согласно стандартам зависимости от температуры наружного воздуха позволил учесть ограничения для управляющих воздействий в контурах системы, а также для параметров объекта управления, влияние погодных факторов на температуру воздуха в здании и параметры теплоносителя, влияние неизмеряемых возмущений в системе теплоснабжения, а также снизить величину расхода теплоносителя от котельной, обеспечивая комфортный температурный режим в отапливаемых помещениях здания и снижение теплозатарт.

Отличие модифицированной системы комплексного управления температурой и расходом теплоносителя от традиционных заключается в:

– согласованном управлении регулирующим клапаном и циркуляционным насосом системы управления, что позволяет снизить энергопотребление техническими элементами системы, обеспечить комфортный температурный режим в отапливаемых помещениях и сократить расход теплоносителя в системе;

– установке на отопительных устройствах в помещениях индивидуальных регуляторов прямого действия, что позволяет учесть влияние изменения температур и солнечной радиации;

– реализации частотного метода управления насосом, что позволяет стабилизировать давление теплоносителя в системе отопления, расчетный напор в сети, снизить стоимость системы управления.

Новизна энергосберегающей системы автоматического управления заключается в:

– реализации согласованного управления регулирующим клапаном, установленным на подающем трубопроводе, и циркуляционным насосом, установленным на перемычке;

– оптимизации режима потребления теплоносителя для каждого здания с учетом погодных условий и его конфигурации;

– уменьшение количества измерительных устройств в системе и регуляторов прямого действия.

Процессы нагревания и охлаждения теплоносителя, отопительных приборов, скорость движения воды в системе отопления вносят в характеристику объекта управления транспортное запаздывание, которое является важным фактором, определяющим возможности и качество управления, так как в течение этого времени ничего неизвестно о реакции системы отопления на регулирующее воздействие от устройства управления. Следовательно, при регулировании температуры воздуха в помещениях многоэтажных зданий, обладающих тепловой инерцией и запаздыванием изменения параметров теплоносителя на управляющие и возмущающие воздействия в системе отопления, необходимо рассматривать динамический режим функционирования объекта управления с целью определения закономерности изменения регулируемой переменной во времени и разработки качественного алгоритма управления. С этой целью авторы разделили синтезируемую двухконтурную систему управления теплоснабжением здания на ряд простых объектов, к которым отнесли модель системы управления клапаном, модель системы управления циркуляционным насосом, модель объекта управления.

Модель объекта управления структурирована в виде отдельных взаимосвязанных функциональных элементов системы: модели узла смешения теплоносителя, модели отопительных приборов, модели здания. Систему отопления здания представили эквивалентным отопительным прибором, мощность которого равна мощности системы теплоснабжения. Модель объекта управления системы теплоснабжения здания была составлена в среде Simulink программного пакета MatLab и представлена на рисунке 1.

На схеме показаны: YS – модель узла смешения теплоносителя; SO и t_{_obratki} – модель системы отопления в виде отопительного прибора; Room – модель отапливаемого здания; G_kl
– расход воды через клапан; G_n – расход воды через насос; G_sm – расход смешанного теплоносителя; t_{_kotel_zadan} – заданная температура воды в подающем трубопроводе согласно температуре наружного воздуха; d_kl – относительный диапазон изменения величины открытия термоклапана на отопительном приборе; t_{_sm} – температура смешанного теплоносителя системы теплоснабжения; t_{_obratki_OY} – температура воды в обратном трубопроводе от системы отопления; t_{_vn_v} – температура воздуха внутри отапливаемых помещений здания; t_{_nv} – температура наружного воздуха; Q_{_so} – величина теплового потока в системе теплоснабжения.

В синтезируемой системе управления теплоснабжением при включении в работу циркуляционного насоса температура теплоносителя t_{_sm}, подаваемого в систему отопления, изменяется за счет смешения высокотемпературной воды t_{_kotel_zadan} в подающем трубопроводе с низкотемпературной t_{_obratki_OY} из обратного трубопровода. Задача регулирования состоит в поддержании заданного значения температуры теплоносителя в обратном трубопроводе путем изменения величины расхода G_kl и G_n, что приводит к созданию комфортной температуры воздуха в помещениях здания и снижению теплопотребления.

Рисунок 1 – Структурная схема модели объекта управления системы теплоснабжения здания в среде Simulink

При синтезе модели узла смешения введение в формуле для температуры смеси стабилизационного отношения позволяет уменьшить влияние нелинейности с учетом ограниченного диапазона изменения величины расхода через клапан. Следовательно, уравнение температуры смеси представлено в виде (1)

                    (1)

Модель отопительного прибора, считая, что температура теплоносителя вдоль поверхности теплообмена распределяется по экспоненте, представлена системой уравнений (2)

            (2)

где – мощность отопительного прибора (эквивалентна величине теплового потока в системе теплоснабжения для заданного объекта управления); K и F – коэффициент теплопередачи и площадь поверхности отопительного прибора соответственно.

Структура математической модели теплового режима отапливаемого здания имеет вид (3)

,            (3)

где k – коэффициент передачи по каналу «мощность системы отопления – температура внутреннего воздуха»; T – постоянная времени для температуры внутреннего воздуха.

Модель (3) описывает динамический тепловой режим здания, структура математической модели отапливаемого здания с учетом запаздывания по температуре воздуха представлена в виде (4)

                (4)

где – величина запаздывания по температуре внутреннего воздуха в помещении здания.

Приведенные коэффициенты в (2) рассчитаны для чугунного секционного радиатора с параметрами m=1, n=0,3. Диапазоны изменения температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах при соответствующей температуре наружного воздуха также определены в соответствии с технической документацией для исследуемого объекта.

Для инерционного звена в (4) отклонение переходной функции от установившегося значения не превышает 5% через время регулирования t_р ≈ 3Т. Таким образом, задав требуемое время регулирования по температуре внутреннего воздуха t_р = 600 с, определена T=200 с.

Запаздывание по температуре воздуха определено с учетом прогнозируемой динамики изменения температуры воздушных масс в помещении с.

Запаздывание по температуре теплоносителя в обратном трубопроводе определено с учетом скорости теплоносителя в трубопроводе и его длины =88,36 с.

В системе теплоснабжения возмущение по температуре наружного воздуха является измеряемым, однако динамические, случайные изменения расхода теплоносителя в системе теплоснабжения, возникающее за счет изменения величины открытия термоклапанов, установленных на отопительных приборах, а также остальные факторы являются не измеряемыми возмущениями.

Разработанная модель объекта управления представлена системой дифференциальных уравнений с сосредоточенными параметрами. Известно, что нестационарность процессов теплообмена в системах теплоснабжения, а также изменение температуры поверхностей внутренних и наружных ограждений под влиянием различных возмущающих воздействий, можно описать системой уравнений с распределенными параметрами, отражающими динамику процессов, происходящих в здании при переходе из одного состояния в другое.

Теоретические обоснования адекватности и соответствия физическим процессам уравнений, использованных при синтезе модели системы управления, представлены в [5, 6], доказано, что математическое описание объекта теплоснабжения представляют с помощью инерционных звеньев первого либо второго порядка с запаздыванием. Определено, что для эффективного управления применять математические модели с распределенными параметрами в случае приближенной априорной информации о тепловом режиме здания оказывается нецелесообразным. Вместе с тем, использование моделей с сосредоточенными параметрами при недостаточных априорных данных обеспечивает сокращение длительности изучения системы, высокую точность расчета, а также надежность управления при соответствии принципам работы системы теплоснабжения.

Проведенные экспериментальные исследования в [7, 8] подтверждают теоретические обоснования правомерности применения представленной системы уравнений для анализа теплового режима здания (4) и управления отпуском теплоносителя (1, 2) в отапливаемые помещения.

Для исследования модели объекта управления и получения переходных характеристик выполнено моделирование в среде MatLab. Система уравнений (2) запрограммирована с помощью звена S-Function. Смешения теплоносителя в системе теплоснабжения не происходило. Расход теплоносителя в системе отопления имел установленное расчетное значение. Расчет параметров элементов модели проводился для системы отопления 9-ти этажного жилого здания. Все сигналы приведены к нормированным, что позволило перейти к абсолютным величинам при моделировании системы.

Полученные в результате исследования модели объекта управления переходные характеристики процесса теплоснабжения подтверждают адекватность разработанной математической модели объекта. Соответствие экспериментальных данных теоретическим позволило применить данную математическую модель для дальнейшего синтеза системы управления тепловым режимом здания. Согласно полученным результатам моделирования доказано, что во всем диапазоне температур наружного воздуха при качественном нерегулируемом отпуске теплоносителя от котельной в систему теплоснабжения здания получен перерасход отпускаемого теплового потока, который приводит к превышению допустимого комфортного значения по температуре воздуха в помещениях здания, а также температуры теплоносителя в обратном трубопроводе, направляемого в тепловую сеть без смешения.

Доказана необходимость применения контролируемого отпуска теплоносителя в отапливаемые помещения для решения задачи энергосбережения и поддержания теплового режима здания в допустимой области. Определен допустимый диапазон теплопоступлений , а также теплопотерь в здании.

Для создания энергоэффективной системы автономного теплоснабжения необходимо учитывать все возмущающие воздействия на тепловой режим отапливаемого помещения, либо объекта. 

Тепловой режим отапливаемых помещений определяется как результат совокупного влияния непрерывно изменяющиеся внешних и внутренних возмущающих воздействий [2,3]. Решений являющихся оптимальными для самых различных условий и характеристик объектов управления просто быть не может. К внешним воздействиям относится изменения температуры наружного воздуха, скорость и направление ветра, интенсивности солнечной радиации, влажности воздуха. К внутренним возмущающие воздействия в жилых зданиях относятся выделения теплоты от работы электрических и осветительных приборов, тепло выделяемое людьми и т.д. [2-6].

Так же согласно [7-17] исследованиям проводимым в настоящее время необходимо знать теплофизические свойства (ТФС) ограждающих конструкций зданий и сооружений.

Оценка ТФС зданий важна не только для целей автоматизации и создание комфортного микроклимата и энергосбережения но, и например для определения допустимого времени устранение аварийных ситуаций, для определения тепло потерь здания при отсутствии проектной документации, и вообще каких-либо достоверных данных о материалах ограждений многослойных конструкций.

Так же согласно [1] инерционность зданий в большей степени влияет на результаты погодозависимого управления отоплением, современные контроллеры должны учитывать этот влияющие фактор. 

Инерционность здание определяется значением постоянной времени здания, которая находится в диапазоне от 10 часов у панельных домов, до 35 часов у кирпичных домов [4,5]. Устройство управления определяет на основании постоянные временные здания комбинированную температуру наружного воздуха, которая используется в качестве корректирующего сигнала. Но так же необходимо учитывать тот фактор, что с течением времени ТФС объекта подвержены изменениям, следовательно постоянная времени объекта так же подвержена изменениям [7-17].

И так для учёта внешних воздействий, таких как температуры наружного воздуха, скорость и направление ветра, интенсивности солнечной радиации, влажности воздуха необходимо различное климатическое оборудование [2].

Согласно [1] ветер существенно влияет на температуру помещения, особенно в зданиях расположенных на открытых территориях, алгоритм управления учитывающий влияние ветра обеспечивает до 10 % экономии тёплой энергии.

Для учёта возмущающего воздействия на объект теплоснабжения – скорости воздушного потока используют термоанемометры.

Они предназначены для высокоточного измерения скорости воздушного потока [18].

Рабочий диапазон составляет от 0.3 м/с до 20 м/с.

Погрешность составляет   1 %.

Межповерочный интервал составляет – 1 год

На рис. 1 представлен внешний вид термоанемометра.

Рис. 1 – Термоанемометр

Для определения окружающей температуры за пределами объекта теплоснабжения в настоящее время с учётом импорта замещения большинство фирм используют термосопротивления для измерения температуры воздуха фирмы

ОВЕН. В основном это термопреобразователи сопротивления ДТС125Л с выходным сигналом в виде тока от 4 до 20 мА. На рис. 2 представлен внешний вид ДТС125л [19].

Рис. 2 – Термопреобразователи сопротивления ДТС125Л.

Выпускаются данные преобразователи нескольких типов: 50М,100М, 50П, 100П, Рt100, Рt500, Рt1000.

Погрешность от 0.5% до 1%.

Рабочий диапазон температур лежит в пределах от -50°С до 125 °С

Межповерочный интервал – 2 года

Так же для исключения неточности учёта при прямом или косвенном попадании солнечных лучей используются защитные экраны для данных датчиков температур [20]. На рис. 3 представлен экран для защиты от солнечных лучей.

Рис. 3 – Экран для защиты от солнечных лучей.

Для определения влажности воздуха вне отапливаемого объекта используют канальные датчики влажности пассивные или активные российской фирмы THERMOKON [21].

Канальный датчик влажности предназначен для измерения относительной влажности. Разработан для систем управления и мониторинга.

На рис. 4 представлен внешний вид датчика.

Рис.4- Внешний вид датчика определения влажности воздуха.

Рабочий диапазон составляет от 0%до 100%.

Погрешность составляет   2 %.

Межповерочный интервал составляет – 2 года

Для определения интенсивности солнечной радиации в диапазоне от 0 Вт/м² до 1000Вт/м² в основном применяются датчики QLS60.

На рис. 5 представлен внешний вид датчика по определению солнечной радиации.

Рис. 5 – Внешний вид датчика солнечной радиации.

Рабочий диапазон составляет от 0 Вт/м² до 1000Вт/м².

Погрешность составляет   1 %.

Межповерочный интервал составляет [21] – 1 год

В связи с дороговизной оборудования по определению солнечной радиации, в настоящее время используется пофосадное регулирование с учётом солнечной радиации поступающей в помещение.

Установка, настройка, а затем через определённое время поверка климатического оборудования учитывающего внешние возмущающие воздействия и дополнительного оборудования вносятся дополнительные затраты, что отражается на стоимости необходимого оборудования при его установке и эксплуатации.

Так же необходимо проведение поверки через межповерочный интервал, что бы убедиться в том, что датчики работают исправно и не вносят дополнительную погрешность в систему управления тепловым режимом объекта.

В нерабочее время в общественно-административных и производственных зданиях температура внутреннего воздуха может быть значительно снижена, то есть возможен так называемый режим прерывистого отопления, для реализация которого следует обеспечить восстановление нормируемой температуры к началу использования помещения или к началу рабочего дня при этом возникает вопрос оптимального способа разогрева с минимально допустимой температуры к оптимальной. То есть необходимо определить вид кривой по которой необходимо ввести температурный режим здания, чтобы потребления тепловой энергии в этом процессе были бы минимальны. Для выхода в нужный момент времени необходимо учитывать все влияющие факторы на тепловой режим здания, так как только в этом случае удастся достичь наиболее точного времени момента включения системы теплоснабжения на разогрев к нужному моменту времени [1]. На рис. 6 представлен температурный режим объекта при прерывистой системе теплоснабжения.

Рис. 6 – Температурный режим объекта при прерывистой системе теплоснабжения

В настоящее время на практике обычно применяют системы управления осуществляющие только учёт в основном возмущения температуры наружного воздуха это так называемые погодные регуляторы температуры, но
при тепловизионом обследование объектов рис.7 наглядно видны участки ограждений, на которых здание особо сильно теряет тепло.

Рис.7 – Тепловизионное обследование объекта.

К таким участкам в первую очередь относятся окна. По данным [22] теплопотери через ограждающие конструкции распределяются следующим образом: стены – 30%, кровля – 14 %, пол -12 %, окна- 44%.

Данные потери в основном связаны с инфильтрацией. Теплопотери на инфильтрацию зависят как правило от инфильтрации в помещение холодного наружного воздуха и его температуры, а так же скорости воздушного потока снаружи. Воздух в помещение поступает через ограждающие конструкции, имеющие пористые структуры, но основная его часть поступает через неплотности окон, при учёте лишь окружающей температуры и не учёте остальных мало влияющих факторов могут возникнуть в некоторых условиях перетопы, а в других недотоп, что в свою очередь приведёт к неоптимальному регулированию теплового режима объекта.

Согласно данным [23] инфильтрация увеличивает градиент падения температуры на 0,4 – 1°С в час.

При использование данных видов климатического оборудования учитывающих внешние возмущающие воздействия в канал управления теплоснабжением вносится общая погрешность Х используемого климатического оборудования.

 (1)

где - погрешность определённого средства измерения (датчик температуры, влажности, скорости ветра и т.д.)

Проведя расчёт вносимой погрешности с использованием климатического оборудования учитывающего внешние воздействия:

В следствии всего вышеописанного видятся следующие проблемы при построение технических средств энергосбережения. Для учёта всех возмущающих воздействий требуется дорогое климатическое оборудование которое требует установки, наладки и подключения к управляющему устройству, так же для исключения неправильности показаний климатического оборудования устанавливаемого вне отапливаемого объекта необходимо периодически проводить поверку данного оборудования что требует дополнительных вложений. 

С учётом вышеизложенного мы пришли к выводу, что при исключении внешнего климатического оборудования можно уменьшить расходы на теплоснабжение не менее чем на 3%. При этом себестоимость установки и эксплуатации оборудования сократится.

Однако остаётся вопрос, каким образом без использования внешнего климатического оборудования учесть все влияющие факторы на тепловой режим объекта, при этом производить оптимальное управление его тепловым режимом.