автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация процесса отопления распределенного комплекса зданий с алгоритмами управления, учитывающими климатические факторы

На правах рукописи

ПОТАПЕНКО ЕВГЕНИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОТОПЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ЗДАНИЙ С АЛГОРИТМАМИ УПРАВЛЕНИЯ, УЧИТЫВАЮЩИМИ КЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Специальность 05.13.06 - "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел - 2004

Работа выполнена в Белгородском государственном технологическом университете (БГТУ) им. В.Г. Шухова

- засл. деятель науки РФ,

Научный руководитель

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор

Рубанов Василий Григорьевич

доктор технических наук, профессор

Константинов Игорь Сергеевич

засл. деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

Корсунов Николай Иванович

Ведущая организация - ОАО "Белгородэнерго"

Защита состоится 30 марта 2004 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.182.01 при Орловском государственном техническом университете по адресу:

302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Орловского государственного технического университета.

Автореферат разослан февраля 2004

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук А.И. Суздальцев

г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблемы энергосбережения в бюджетной сфере и в тсистеме Министерства образования России являются ключевыми. Минобразования РФ занимает 5-6 место по уровню потребления энергоресурсов среди 80 федеральных ведомств (основных бюджетополучателей), причем в 2001 г. средства на оплату коммунальных услуг увеличились более чем в 2 раза по сравнению с предыдущим годом. В 2002 г. расходы Минобразования России на оплату энергоресурсов в абсолютном выражении составили более 6 млрд. рублей.

Как показала практика в образовательных учреждениях важнее всего проводить энергосберегающие мероприятия, направленные на экономию тепловой энергии, так как на нее приходится основная доля коммунальных расходов. Для этого необходимо обеспечить реконструкцию систем теплоснабжения зданий, обладающих низкой эффективностью и высокой изношенностью, путем создания индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) с системами автоматического учета и регулирования тепловой энергии, а также модернизировать системы горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования на базе энергосберегающего оборудования для снижения энергопотребления.

Для повышения эффективности управления распределенными энергосистемами зданий, в условиях роста стоимости теплоносителя, актуальными являются задачи развития современных интегрированных автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) с целью снижения расходов на эксплуатацию и обслуживание автоматизированных систем нижнего уровня. Важно отметить, что в современных экономических условиях внедрять АСДУ на уровне систем управления интеллектуальными зданиями (СУЗ) для систем теплоснабжения зданий образовательного назначения нецелесообразно, в связи с высокой стоимостью СУЗ для распределенных объектов с ограниченным количеством контролируемых и регулируемых параметров. Вместе с тем на практике необходимо использовать основные подходы, применяемые в СУЗ для эффективного управления потребляемыми энергоресурсами и др.

Важным моментом при создании АСДУ распределенными

энергосистемами зданий является возможность удаленного доступа к

информационной базе АСДУ подразделениям вуза, в том числе,

занимающимися планированием. Такое взаимодействие с плановыми

службами позволит обеспечить решение задач оптимизации при

планировании потребления энергоресурс' связи

* НАЦИОНАЛЬНАЯ

БИБЛИОТЕКА С Петер!

« • О» Я

с ужесточением политики Минфина РФ по контролю за использованием бюджетных средств для оплаты статей коммунальных расходов.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности управления процессом отопления распределенного комплекса зданий (РКЗ) за счет создания алгоритмов управления, обеспечивающих энергосбережение.

Поставленная цель достигается при решении следующих основных задач:

1. Анализ методов и систем управления процессом отопления распределенного комплекса зданий.

2. Разработка математической модели управления процессом отопления здания.

3. Выбор критериев оценки эффективности управления процессом отопления распределенного комплекса зданий.

4. Оценка эффективности алгоритмов управления процессом отопления здания по выбранным критериям с помощью имитационного моделирования.

5. Разработка системы управления процессом отопления распределенного комплекса зданий образовательного назначения.

Методы исследований. В работе для анализа инженерных систем распределенного комплекса зданий применялась методика системного анализа, а также методы интегрального и дифференциального исчислений, теории управления, математического моделирования, численные методы анализа, теории алгоритмов, теории идентификации, моделирования систем.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработана математическая модель управления процессом отопления здания с учетом нелинейности процесса смешивания теплоносителя на вводе системы отопления здания;

• разработана имитационная модель, включающая нелинейную математическую модель процесса смешивания теплоносителя, и ее алгоритмическая реализация с помощью компьютерного моделирования;

• разработаны алгоритмы управления процессом отопления распределенного комплекса зданий образовательного назначения с учетом климатических факторов для обеспечения энергосбережения.

Практическую значимость работы составляют.

1. Имитационная модель процесса отопления здания и результаты ее исследования.

2. Автоматизированная система диспетчерского управления процессом отопления распределенного комплекса зданий с учетом климатических факторов.

3. Результаты экспериментальных исследований процесса отопления здания на примере учебных корпусов БГТУ им. В.Г. Шухова.

На защиту выносятся:

• математическая модель управления процессом отопления здания с учетом нелинейности процесса смешивания теплоносителя на вводе системы отопления здания;

• имитационная модель, включающая математическую модель процесса смешивания с учетом нелинейности, и ее алгоритмическая реализация с помощью компьютерного моделирования;

• разработанная структура подсистем нижнего уровня АСДУ процессом отопления здания с учетом климатических факторов;

• алгоритмы управления процессом отопления распределенного комплекса зданий образовательного назначения с учетом климатических факторов для обеспечения энергосбережения.

Внедрение результатов исследовании. Результаты исследований, связанные с внедрением АСДУ процессом отопления зданий, вошли в состав демонстрационной зоны по энергосбережению БГТУ им. В.Г. Шухова. В 2002 г. при использовании АСДУ распределенными энергосистемами комплекса зданий БГТУ им. В.Г. Шухова в целом получена экономия порядка 4000 Гкал. Учитывая, что относительная доля автоматизированных приточно-вентиляционных установок (ПВУ), находящихся на нижнем уровне АСДУ, в экономии тепловой энергии составляет около 22%, поэтому основная экономия, а это 78%, получено за счет внедрения автоматизированных ИТП при энергоэффективном управлении с верхнего уровня АСДУ комплексом зданий БГТУ им. В.Г. Шухова. Следовательно, в абсолютном выражении это дало экономию тепловой энергии порядка 3120 Гкал в год.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях: XXIII конференции молодых ученых механико-математического факультета МГУ "Современные исследования в математике и механике", Москва (2001 г.); Всероссийской студенческой олимпиаде, научно-практической конференции и выставке студентов, аспирантов и молодых учелых "Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии", Екатеринбург (2001 г.); И Международном конгрессе студентов, молодых ученых и специалистов "Молодежь и наука - третье тысячелетие", Москва (2001 г.); Международной (российско-германской) конференции "Датчики и

системы" (International Conference. Sensors & Systems), Санкт-Петербург (2002 г.); VI Всероссийской конференции и выставке "Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения", Н. Новгород (2002 г.) на Международном конгрессе "Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии", посвященного 150-летию В.Г. Шухова, г. Белгород (2003 г.) и др.

Связь с научно-техническими и другими программами. Работа выполнялась в рамках программы Минобразования РФ "Энергосбережение Минобразования России на 1998-2005 годы", региональной программы "Энергосбережение" и с учетом трехстороннего Соглашения между Минобразования России, Минэнерго РФ и администрацией Белгородской области. БГТУ им. В.Г. Шухова с 2000 г. является базовым вузом по выполнению программы "Энергосбережение Минобразования России". Основа его демонстрационной зоны по энергосбережению - это трехуровневая АСДУ распределенными энергосистемами комплекса зданий, входящая в состав региональных центров энергосбережения, утвержденных Минобразования РФ. Кроме того, работа выполнялась по научной программе "Федерально-региональная политика в науке и образовании" Министерства образования РФ на 2003 г.

Публикации. Основные положения работы изложены в 12 печатных работах, из них статей 9.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа с учетом приложений изложена на 141 странице машинописного текста, включающего 9 таблиц, 48 рисунков, список литературы из 136 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования. Отмечено, что проблемы энергосбережения в системе Министерства образования России являются ключевыми. Особенно важна эта проблема для систем теплоснабжения зданий образовательных учреждений, являющихся крупнейшими потребителями тепловой и электрической энергий, поэтому одно из основных направлений по проведению энергосберегающих мероприятий в образовательных учреждениях, связано с экономией тепловой энергии.

В настоящее время в России наибольшее количество внедряемых автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) приходится в основном на энергетику, нефтяную, газовую и

металлургическую отрасли. Если для энергетики такое развитие закономерно, то для указанных отраслей прорыв в области автоматизации на современном этапе развития обеспечен за счет наибольшего финансирования. В системе Минобразования РФ только благодаря целевому бюджетному финансированию но программе "Энергосбережение Минобразования России на 1998-2005 гг." стало возможным развитие и внедрение систем автоматического регулирования и учета тепловой энергии и создание АСДУ распределенными энергосистемами зданий образовательных учреждений.

Основные разработки современных автоматизированных систем управления выполняются под руководством ученых, среди которых следует отметить академика РАН И.В. Прангишвили, докторов наук Э.Л. Ицковича, В.М. Дозорцева, Б.В. Павлова, СВ. Фролова, а также ведущих специалистов ИПУ РАН, МГТУ им. Баумана, МЭИ (технический университет), НГТУ и др.

Первая глава. Система энергоснабжения учебных заведений и других организаций бюджетной сферы в основном состоит из тепло-, электро-, газо- и водоснабжения (горячего и холодного). В связи с тем, что основная доля коммунальных расходов в организациях бюджетной сферы приходится на тепловую энергию, поэтому важным направлением в решении проблем энергосбережения должна стать реконструкция элеваторных тепловых пунктов с созданием систем автоматического регулирования и учета тепловой энергии на базе современного энергосберегающего оборудования.

Анализ современных систем автоматизации теплоснабжения зданий показывает, что они решают задачи энергосбережения на основе применения современных технологий автоматизации систем отопления, горячего водоснабжения и др. Среди них следует выделить автоматизированные ИТП зданий, системы автоматизации с пофасадным регулированием отопления и индивидуальное регулирование с термостатами на отопительных приборах и с использованием автоматизированных ИТП. Первые из рассмотренных не позволяют обеспечить равномерное распределение температуры по помещениям здания, а также не позволяют учесть влияние внешних воздействий на фасады зданий. Пофасадное регулирование, состоящее из двух независимых подсистем для авторегулирования температур в системе отопления, применяется для протяженных в плане зданий, расположенных определенным образом относительно сторон света с учетом двух характерных зон, связанных с различной интенсивностью солнечной радиации в них. Это техническое решение существенно зависит от разводки ветвей по этим фасадам и его применение

возможно не для всех типов зданий. Индивидуальное регулирование теплоносителя в отопительных приборах совместно с регулированием в ИТП является весьма дорогим и неэффективным способом для существующих зданий бюджетной сферы особенно при однотрубной системе и зависимом присоединении систем отопления (СО) к тепловым сетям.

При анализе существующих регуляторов для энергоэффективных ИТП установлено, что они ориентированы на четко ограниченный круг задач и не позволяют гибко и эффективно управлять отоплением здания. Кроме того, отсутствие единого стандарта связи для подобных устройств затрудняет решение задачи координированного управления распределенными энергосистемами.

Таким образом, использование существующих способов и систем управления подачей теплоносителя в СО здания не позволяет гибко и эффективно управлять процессом отопления РКЗ.

Основные существующие методы расчета и модели систем отопления основываются на использовании уравнений теплопроводности и других с учетом начальных и граничных условий. При этом важно отметить, что исследование неодномерных и нестационарных процессов конвективного теплообмена представляет собой весьма сложную задачу. Вместе с тем на практике при выявлении энергоэффективных законов управления распределенными объектами систем теплоснабжения зданий целесообразно сочетать использование математических моделей с сосредоточенными параметрами с определением для них неизвестных составляющих на основе экспериментальных исследований.

В результате анализа установлено, что в современных условиях разработку и внедрение проектов по реконструкции систем теплоснабжения зданий образовательного назначения или других организаций бюджетной сферы на уровне Intelligent Building Systems (IBS) практически невозможно и даже нецелесообразно проводить, в связи с высокой стоимостью IBS применительно для распределенных объектов с весьма ограниченным количеством контролируемых параметров. Вместе с тем, использование модульного подхода на основе аппаратного и программного обеспечения различных производителей широко доступных на рынке, позволяет значительно снизить затраты на разработку и внедрение систем автоматизации и управления за счет использования современных методов и средств автоматизированного проектирования. Использование данного подхода совместно с основными принципами автоматизации, используемыми в интеллектуальных зданиях, позволяет строить надежные и недорогие

системы автоматизации инженерного оборудования зданий бюджетной сферы.

Таким образом, для эффективного управления процессом отопления распределенного комплекса зданий и обеспечения экономии и рационального использования энергоресурсов основной упор необходимо сделать на разработку АСДУ системами теплоснабжения распределенного комплекса зданий бюджетной сферы на базе использования модульного подхода ее построения. При этом в первую очередь это необходимо для системы Минобразования РФ, находящейся в первой пятерке по уровню потребления энергоресурсов среди 80 федеральных ведомств.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям и разработке математической модели управления процессом отопления РКЗ.

С точки зрения управления процессом отопления РКЗ выполнен анализ тепло- и массообменных процессов от ввода тепловых сетей в комплекс зданий до ветвей системы отопления одного здания с использованием стратифицированного представления исследуемых процессов. Определены основные факторы, влияющие на эффективность процесса отопления РКЗ. При анализе процесса отопления здания как объекта управления установлены основные управляемые, управляющие и возмущающие величины. Основные возмущающие переменные - это климатические факторы, такие как температура наружного воздуха, скорость ветра, интенсивность солнечной радиации и др.; температура и давление теплоносителя из теплосетей.

Для выявления особенностей динамики процесса отопления зданий и разработки математической модели управления процессом отопления здания были проведены экспериментальные исследования и установлено следующее.

1. Для зависимых схем присоединения систем отопления к тепловым сетям возможно учитывать температуру теплоносителя в обратном трубопроводе на участке смешивания для введения коррекции в контур управления с целью снижения теплопотребления в энергоэффективном ИТП при смене режимов функционирования (рис. 1, где Сп„, и Т„т - расход и температура теплоносителя из подающего трубопровода; Ос„ и Тео - расход и температура теплоносителя СО здания, й0к и Г„ - расход и температура обратного трубопровода на участке смешивания).

2. По каналу регулирования "расход теплоносителя - температура теплоносителя в обратном трубопроводе" исследуемый процесс обладает свойствами фильтра нижних частот, что важно при разработке

его математической модели (рис. 2, типовые данные из системы АСДУ,

где Г/ - температура теплоносителя, °С; О, - расход теплоносителя, в м3/ч; / -время, [а:Ь] - соответственно в часах: минутах; Ж теплопотребление, выраженное в относительных единицах). Например, средний градиент изменения температуры То(0 от 18 °С до 60°С составляет 0,25°С/с. Максимальный градиент изменения температуры Т() составляет 0,01°С/с. Следует отметить, что за счет значительной инерционности ветвей и стояков при протекании по ним теплоносителя зависимость Т() является гладкой даже при скачкообразных периодических изменениях От (см. рис. 2, б).

3. Возможно управлять расходом теплоносителя по ветвям СО без разделения их на" независимые для каждого фасада с целью снижения теплопотребления в процессе отопления здания при учете климатических факторов.

4. В системе мониторинга можно контролировать температуру в обратных ветвях трубопроводов СО, косвенно учитывающую влияние климатических факторов.

Исходя из анализа экспериментальных динамических характеристик объекта управления, выбрана и обоснована модель в виде апериодического звена 2-го порядка (рис. 3). С использованием обобщенного метода наименьших квадратов (ОМНК) и МНК по ретроспективной информации с глубиной выборки 500 записей и временем квантования 158 секунд получена оценка параметров модели объекта управления по каналу регулирования "Тсо - То".

На основе параметрической идентификации, с учетом законов сохранения массы и количества теплоты на базе принятых допущений разработана математическая модель процесса отопления здания (см. рис. 3), учитывающая нелинейный участок смешивания теплоносителей из подающего трубопровода теплосетей и обратного трубопровода системы отопления здания, расположенный после регулирующего клапана К1 (см. рис. 1). В разработанной модели в отличие от известных То является одним из регулируемых параметров. Разработанная математическая модель позволяет исследовать алгоритмы управления, обеспечивающие энергосбережение. Кроме того, разработана математическая модель процесса отопления здания, позволяющая исследовать возможность регулирования • расходов теплоносителя в ветвях СО.

На основе выполненной декомпозиции целей управления с глобальной целью, ориентированной на энергосбережение (рис. 4) и разработанной математической модели сформулированы и уточнены критерии эффективности управления процессом отопления РКЗ в виде иерархической стратифицированной структуры.

Критерий ПИТП характеризует потребление тепловой энергии и имеет вид:

ПИТП = ^(О-йЛО-ГДО)** (!)

где t], t2 - определяют временной интервал, в котором происходит смена режима теплопотребления; G„ms[0; Gco], Критерий эффективности НРТ:

нрт=%(гю(а,)-т$. (2)

(»1

где Тп!(в) - температура в помещении /-го фасада здания; Ыф -количество фасадов здания; Т„ ? - заданная температура в помещениях

здания;|;(71=сС0-

Критерий ПРКЗ, характеризующий эффективность управления процессом отопления РКЗ с учетом температурных режимов фасадов в целом, определяется исходя из сформулированных критериев следующим образом:

ПРКЗ = X{кпигп • ПИПТ, + кНРТ ■ НРТ,)+ к

эсо' Рэто + кро ' ^ю

+ кс-Гс

.(3)

где Ы3 - количество зданий; — количество отказавших локальных контроллеров; Рс - количество отказавших контроллеров согласования; ¥ро — количество отказавших стояков СО; ¿эсо» кро> кс> кпитп, Ьнрт> ~ весовые коэффициенты.

СНИЖЕНИЕ/ ПОТРЕБЛЕШШ-ТЕПЛОВОЙ-ЭНЕРГИИ РКЗ,

тепч опошребле нне

РКЗ, ПРЮ=>тт

Обеспечение рациональных режимов функционирования элементов и подсистем в едином информационном пространстве, степень координации, С.К

Обеспечение рациональных Обеспечение интерфейеною режимов работы подсистем

и протокольного согласовании подсистем с у1КТОМ системы

теплоснабжения РКЗ

Снижение потребления тепловой энергии в процессе отопления здания,

расход тепловой энергии в процессе ототения здания, П3=>т'т

Обеспечение требуемой температуры в помещениям по Снижение фасадам здания,

потрейщния нсртнчиериость

тепловой энергии рсспреммпт в ИТП в переходные „,атсратры± периоды,

расход пкпнтЖ 11РГ=>тт

■щерят в ЮН,

ШГГП=>тт

Обеспечение работоспособности элементов и подсистем, отказы элементов и подсистем, ОЭП^>тт

Контроль работоспособности локального регулирующего оборудования (ЛРО), отк'ты ЛРО,

/

Контроль

работоспособности элементов системы отопления (ЭСО), «ШАТТЛ* ЛО.

ОЭСО=>тт

а'1РО=>нип

Рис. 4. Иерархическая стратифицированная структура критериев

Третья глава посвящена исследованию динамики системы управления и разработке алгоритмов управления процессом отопления РКЗ, обеспечивающих энергосбережение.

Выполнен анализ особенностей управления процессом отопления с учетом климатических факторов. Управление температурным режимом по каждому из К-фасадов здания позволит в целом повысить эффективность управления процессом отопления за счет учета климатических факторов путем обеспечения возможности регулирования расхода теплоносителя по ветвям СО. Это достигается установкой дополнительных элементов автоматизации в системе отопления здания: контроллера; регулирующих клапанов с исполнительными механизмами на ветвях обратных трубопроводов СО, за исключением ветвей северного фасада здания; датчиков температуры воздуха в типовых помещениях со стороны всех фасадов здания; датчиков температуры наружного воздуха по всем фасадам здания, за исключением северного. Этот датчик используется в локальной САР температуры теплоносителя, подаваемого в СО.

Основная особенность при управлении потоками в ветвях СО заключается в том, что при изменении расхода в одной из ветвей в соответствии с алгоритмом работы дополнительного контроллера происходит перераспределение расходов в ветвях системы отопления, потому что расход Gco=const и определяется циркуляционным насосом Н с электроприводом М2 (см. рис. 1). Перераспределение расходов по ветвям вызывает изменение температуры обратного трубопровода СО (Т) и соответственно, практически мгновенное изменение Тс0 на участке трубопровода после смешивания теплоносителей из подающего и обратного трубопроводов, аналогично как и при изменении Gnm (см. рис. 2). В связи с этим, при управлении ветвями СО необходимо стабилизировать переменную То для поддержания требуемого режима теплопотребления. Это выполняется с помощью электронного регулятора локальной САР температуры в СО. При этом важно отметить, что в соответствии с разработанным алгоритмом дополнительный контроллер управляет расходом теплоносителя по ветвям системы отопления с учетом климатических факторов и корректирует программное задание по температуре наружного воздуха самого холодного фасада для электронного регулятора, управляющего расходом теплоносителя из тепловых сетей с учетом температуры системы отопления и наружного воздуха.

Для анализа динамики системы управления процессом отопления здания методом фазовой плоскости в аналитической форме получен фазовый портрет движения исследуемой системы нелинейных дифференциальных уравнений и уравнения сепаратрис в фазовой плоскости.

Процесс отопления здания описывается системой уравнений, которая включает в себя нелинейное алгебраическое уравнение,

описывающее участок смешивания; теплоносителя, линеиное дифференциальное уравнения второго порядка, описывающее систему отопления, и уравнение неразрывности струи. После замены переменных: Х1=Тсо(0> Хз=То(0, и=Спт($, х^вх^/ск, скз/Ж^х^й?,

исследуемая система приводится к форме пространства состоянии:

Л

^ к-1 (Г, +Г,) . кТ„ „ к

а

У±±ЫХ I .....

т,тг 1 г, г, 3

(4)

и —

-хги.

Получен фазовый портрет ее движения:

Здесь а=((к-1)-Ссо-Ш)/(Т,Т&саУ, Ь=-(Т,+Тг)/(Т,Т,); с=кТтяи/(Т,Т2Ос„).

Также получены уравнения сепаратрис в фазовой плоскости:

,,, . с. ,6 + -Л>3 + 4а.; , . ... . с. .Ь-^Ь1 +4а,. (6) а 2 а 2

Методом имитационного моделирования, с алгоритмической реализацией в виде

компьютерного моделирования, выполнено исследование

особенностей динамики системы

0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01

-0.

\ \ 5 X.. — —

— \

/

/

/

ч

Л

и Г". 1 .Н

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

%

Рис. 5. Фазовые траектории движения исследуемой системы

управления (рис. 5), на базе которого предложены алгоритмы управления процессом отопления здания, обеспечивающие

энергосбережение и выполнена оценка их эффективности по выбранным критериям.

В результате анализа динамики установлено, что существуют рациональные (квазиоптимальные) режимы движения изображающей точки (ИТ) по сепаратрисам ^ V (ур-ние (6)), характеризующиеся лучшим качеством управления. Переход в квазиоптимальный режим возможен при х3?Ю, следовательно, чтобы ИТ двигалась по одной из сепаратрис необходимо в определенный момент времени осуществлять переключение управления и. При этом ИТ достигает конечного состояния за меньшее время или с меньшим энергопотреблением. Энергоэффективное управление при стабилизации Т^будет иметь следующий вид:

•О>0,б<0, (7)

где е=(Тс*г-Тсв) - рассогласование; и^Т^^О-куСГ^-Т^/к

определяется из уравнения участка смешивания теплоносителя;

Выполнен анализ эффективности по выбранному критерию ПИТП предложенного управления в сравнении с ПИ-законом управления, используемого в промышленных регуляторах СО, и установлено:

• закон управления, предложенный на основе результатов имитационного моделирования, целесообразно использовать при значительных рассогласованиях е задания с регулируемой переменной, например, при смене режимов тешюпотребления с дневного на ночной или наоборот. При этом обеспечивается лучшее качество регулирования;

• ПИ-закон управления целесообразно использовать при незначительных рассогласованиях £ задания с регулируемой величиной, например, в режиме погодной коррекции.

На основе имитационного моделирования для системы управления процессом отопления здания предложен алгоритм управления с реализацией в виде регулятора с переменной структурой на базе сочетания энергоэффективного управления при смене режима тешюпотребления и ПИ-регулирования при незначительных рассогласованиях £ (рис. 6).

Рис. 6. Структурная схема регулятора

Регулятор обеспечивает энергосбережение при выходе на заданное значение Тсь при смене режимов теплопотребления и далее функционирует с компенсацией внешних и внутренних возмущений, стабилизируя Тса. На рис. 6 обозначения следущие: А(, - порог переключения каналов регулятора; к„, Т„ - параметры настройки регулятора; - коэффициент преобразования датчика положения;

,pu(s) - передаточная функция исполнительного механизма и регулирующего органа; £(Т,„ UycJ - функция линии переключения, определяющая соответствующую сепаратрису в фазовой плоскости.

На основе выполненных исследований разработана структура системы управления процессом отопления здания с учетом климатических факторов, включающая подсистему управления процессом отопления здания на базе регулятора с переменной структурой и подсистему регулирования теплопотребления ветвей СО на базе дополнительного контроллера.

Для системы управления процессом отопления здания разработан алгоритм управления, позволяющий повысить качество процесса отопления за счет учета внешних воздействий, действующих на фасады здания, и обеспечить равномерное распределение температуры по помещениям здания с соответствующих его сторон, т.е. фасадов.

С использованием в качестве нотации языка UML (Unified Modeling Language) разработана система управления процессом отопления РКЗ с учетом климатических факторов, обеспечивающая достижение глобальной цели - снижение потребления тепловой энергии РКЗ (рис. 7). _ _

На основе выполненных исследований разработана функциональная схема системы управления процессом отопления РКЗ, реализующая разработанные алгоритмы управления с учетом энергосбережения.

Разработан цикл управления процессом отопления РКЗ с учетом климатических факторов, который иллюстрирует основные выполняемые функции подсистем и их иерархию.

Четвертая глава посвящена разработке структур и технических решений АСДУ процессом отопления РКЗ.

В работе представлены структуры, схемы и технические решения для основных уровней управления АСДУ процессом отопления распределенного комплекса зданий с учетом климатических факторов,

разработанные на основе исследований систем теплоснабжения зданий образовательного назначения.

На рис. 8 показана схема разработанной АСДУ процессом отопления РКЗ с учетом климатических факторов на примере учебных корпусов БГТУ им. В.Г. Шухова (схема нижнего уровня выполнена с учетом ГОСТ 21.404-85*). На нижнем уровне АСДУ находятся подсистема управления процессом отопления здания на базе предложенного регулятора с переменной структурой (ТС1), разработанная подсистема управления теплопотреблением ветвей СО (ТС2) и подсистема контроля и мониторинга элементов и подсистем РКЗ (ТС4). Особенностью подсистемы на базе контроллера ТС4 является опрос датчиков температуры стояков системы отопления для анализа температуры теплоносителя обратного трубопровода каждого стояка СО. Основой для построения данной подсистемы служат датчики температуры с цифровым интерфейсом MicroLan, позволяющим строить протяженные сети с произвольной топологией. На среднем уровне находится многофункциональный PC-контроллер подсистемы согласования, обеспечивающий возможность функционирования подсистем нижнего уровня в едином информационном пространстве за счет использования унифицированного протокола связи Modbus. На верхнем уровне АСДУ находится АРМ диспетчера на базе персонального компьютера, основные функции которого, связаны с обеспечением рациональных режимов работы подсистем нижнего уровня путем изменения параметров и заданий регулирования.

Разработанная АСДУ входит в состав демонстрацонной зоны по энергосбережению БГТУ им. В.Г. Шухова, входящей в состав региональных центров энергосбережения, утвержденных Минобразования РФ. Благодаря использованию стандартных протоколов связи на всех уровнях управления структура АСДУ является открытой для подключения внешних программных и аппаратных компонентов различных производителей, а также обладает свойствами адаптивности и живучести. Существует возможность настройки АСДУ при изменении конфигурации сети и возможность модернизации АСДУ без нарушения функционирования системы, а также способность выполнять установленные функции в условиях воздействия внешней среды и отказов компонентов системы.

Одной из функций подсистемы контроля и мониторинга элементов и подсистем РКЗ является контроль температуры теплоносителя в обратном трубопроводе стояков СО, что косвенно позволяет судить о состоянии стояков СО и циркуляции теплоносителя. Это особенно важно для однотрубной СО при зависимом теплоснабжении. Кроме того, на основе полученной информации, а также с учетом потребления

1-752011-преобразователь интерфейса ЯБ-232/ЯБ-485; •1-7188-контроллер среднего уровня; 1-7060 - модуль дискретного ввода/вывода; РШИ. 24/220У — источник питания; ТСЗ - теплосчетчик с комплектом датчиков; Рк - отопительный прибор:

Д - диспетчерский пульт управления; ВП|, В<} -подающие и обратные ветви СО

Рис. 8. Схема АСДУ пооиессом отопления РКЗ с учетом климатических бактооов

в системах ГВС и ПВУ, можно прогнозировать теплопотребление по зданиям. Проведенные экспериментальные исследования доказали эффективность контроля температуры теплоносителя обратных трубопроводов стояков СО на предмет их нормального функцио н ирования.

Разработано программное обеспечение АРМ диспетчера с использованием специализированного средства - SCADA-системы Wonderware InTouch, позволяющего диспетчеру выполнять основные функции по управлению процессом отопления РКЗ.

На АРМ диспетчера функционируют следующие программные средства: среда разработки и среда выполнения InTouch, среда для программирования контроллеров среднего уровня, сервер ввода-вывода Modbus и программное обеспечение, позволяющее осуществлять удаленный доступ к информационной базе АСДУ посредством цифровых сотовых сетей GSM. Взаимодействие между программными компонентами осуществляется по стандартным протоколам DDE, ОРС.

Программное обеспечение АСДУ помимо АРМ диспетчера включает прикладное программное обеспечение контроллеров среднего уровня, выполняющее функции согласования различных устройств с нестандартными протоколами, и программное обеспечение контроллеров нижнего уровня, реализующее разработанные законы энергоэффективного управления.

В работе представлены разработки структур информационных связей АСДУ процессом отопления РКЗ на примере демонстрационной зоны по энергосбережению БГТУ им. В.Г. Шухова.

Обоснована эффективность внедрения и использования АСДУ в целом на примере отопительного сезона 2002/2003 гг. в демонстрационной зоне по энергосбережению БГТУ им. В.Г. Шухова. В 2002 г. при использовании АСДУ распределенными энергосистемами комплекса зданий БГТУ им. В.Г. Шухова в целом получена экономия порядка 4000 Гкал. Учитывая, что относительная доля автоматизированных приточно-вентиляционных установок,

находящихся на нижнем уровне АСДУ, в экономии тепловой энергии составляет около 22%, основная экономия, а это 78%, получено за счет внедрения автоматизированных ИТП при энергоэффективном управлении с верхнего уровня АСДУ комплексом зданий БГТУ им. В.Г. Шухова. Следовательно, в абсолютном выражении это дало экономию тепловой энергии порядка 3120 Гкал в год. Установлено, что использование АСДУ, во-первых, обеспечивает эффективное управление распределенными энергосистемами зданий и снижение расходов на тепловую энергию в переходные периоды отопительного сезона, а также в условиях "теплой" зимы, во-вторых, в случае низких

температур позволяет без применения значительных капитальных затрат на утепление зданий обеспечивать необходимое теплопотребление зданий, но до определенных границ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Для решения одной из основных задач энергосбережения, связанной с экономией тепловой энергии, проведены экспериментальные исследования особенностей динамики процесса отопления зданий и установлено следующее:

• для зависимых схем присоединения систем отопления к тепловым сетям возможно учитывать температуру теплоносителя в обратном трубопроводе на участке смешивания для введения коррекции в контур управления с целью снижения теплопотребления в энергоэффективном ИТП при смене режимов функционирования;

• по каналу регулирования "расход теплоносителя - температура теплоносителя в обратном трубопроводе" объект управления обладает свойствами фильтра нижних частот, что важно при разработке его математической модели;

• возможно управлять расходом теплоносителя по ветвям СО без разделения их на независимые для каждого фасада с целью снижения теплопотребления в процессе отопления здания при учете климатических факторов.

2. Разработана модель управления процессом отопления здания с учетом нелинейности процесса смешивания теплоносителя на вводе системы отопления здания.

3. На основе экспериментальных исследований, с использованием ОМНК по ретроспективной информации с глубиной выборки 500 записей и временем квантования 158 секунд получена оценка параметров модели объекта управления по каналу регулирования "Тсо - То".

4. Разработана имитационная модель, включающая нелинейную математическую модель управления процессом отопления здания, и ее алгоритмическая реализация в виде компьютерного моделирования, позволяющая исследовать особенности динамики системы управления процессом отопления здания. На основе оценки по выбранным критериям эффективности предложены алгоритмы управления процессом отопления здания, обеспечивающие энергосбережение.

5. Предложена система управления процессом отопления распределенного комплекса зданий с учетом климатических факторов, реализующая разработанные алгоритмы управления, обеспечивающие энергосбережение, состоящая из подсистем: координированного

управления, согласования, управления процессом отопления здания, контроля и мониторинга элементов РКЗ. Особенностью подсистемы управления процессом отопления здания является применение дополнительного контроллера, управляющего расходом теплоносителя по ветвям системы отопления и корректирующего программное задание для электронного регулятора, управляющего расходом теплоносителя из тепловых сетей с учетом температуры системы отопления и наружного воздуха.

6. Обоснована эффективность внедрения и использования АСДУ в целом на примере отопительных сезонов 2002-2003 гг. в демонстрационной зоне по энергосбережению БГТУ им. В.Г. Шухова. Установлено, что использование АСДУ, во-первых, обеспечивает эффективное управление распределенными энергосистемами зданий и снижение расходов на тепловую энергию в переходные периоды отопительного сезона, а также в условиях "теплой" зимы, во-вторых, в случае низких температур позволяет без применения значительных капитальных затрат на утепление зданий обеспечивать необходимое теплопотребление зданий, но до определенных границ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Потапенко Е.А Автоматизированная система диспетчерского управления энергоэффективным тепловым пунктом //В сб. материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научно-практической конференции и выставки студентов, аспирантов и молодых ученых: Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. - С. 104-107.

2. Потапенко А.Н., Белоусов А.В., Потапенко Е.А. Особенности автоматизации распределенных энергосистем зданий образовательного назначения// Рациональные энергосберегающие конструкции, здания и сооружения в строительстве и коммунальном хозяйстве: Сб. докл. Междунар. науч.-практич. конф. - Белгород: БелГТАСМ, 2002. - Ч. 3. -С. 146-151.

3. Потапенко А.Н., Белоусов А.В., Потапенко Е.А. Автоматизированная система контроля и управления распределенными энергосистемами и инженерным оборудованием и исследования объектов нижнего уровня// В сб. докл. междунар. (российско-германской) конф.: Датчики и системы (International Conference. Sensors & Systems. Proceedings). - Санкт-Петербург: Изд-во СПбГТУ. -Т. 2, 2002.-С. 105-109.

4. Потапенко Е.А., Суков Д.С. Особенности регулятора на базе PC-контроллера для автоматизации систем отопления зданий// В сб.

науч. тр.: Перспективные задачи инженерной науки/ Под общ. ред. проф. Большакова В.И. - Днепропетровск: Изд-во GAUDEAMUS. -Вып. 3, 2002.-С.211-216.

5. Потапенко Е.А. Математическая модель для исследования особенностей системы теплоснабжения зданий// В сб. науч. тр.: Перспективные задачи инженерной науки/ Под общ. ред. проф. Большакова В.И. - Днепропетровск: Изд-во GAUDEAMUS. - Вып. 3, 2002.-С.132-137.

6. Потапенко Е.А., Воробьев Н.Д., Потапенко А.Н. Мониторинг систем отопления в составе автоматизированной системы диспетчерского управления// Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики №5-6, 2003. - С.120-123.

7. Потапенко А.Н., Белоусов А.В., Потапенко Е.А. Вопросы эффективности и особенности развития АСДУ распределенными энергосистемами зданий образовательного назначения //Энергоэффективность: Опыт, проблемы, решения. - Вып. 3. - 2003. - С. 58-67.

8. Филатов А.Г., Потапенко Е.А., Воробьев Н.Д. К вопросу идентификации систем теплоснабжения методами нелинейной динамики//Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - №6,2003. - С. 232-236.

9. Потапенко Е.А., Филатов А.Г., Воробьев Н.Д. Оптимальное управление подачей теплоносителя в системе отопления с зависимым теплоснабжением/УВестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - №6. - 2003. -С. 191-194.

Кроме того опубликованы тезисы 3 докладов:

10. Потапенко Е.А. Комбинационный метод решения эллиптических уравнений// В трудах XXIII конференции молодых ученых механико-математического факультета МГУ: Современные исследования в математике и механике. - М.: Издательство прикладных исследований при ММФ МГУ, 2001. - С. 290-291.

11. Потапенко ЕА Автоматизированная система диспетчерского управления распределенными энергоресурсами здания образовательного назначения// В сб. тезисов II Международного конгресса студентов, молодых ученых и специалистов "Молодежь и наука - третье тысячелетие". 4.2. - М.: МГТУ, 2002. - С. 43-44.

12. Потапенко А.Н., Белоусов А.В., Потапенко Е.А. Автоматизация распределенных энергосистем комплекса зданий БелГТАСМ// В сб. докл. VI Всерос. конф.: Региональные проблемы энергосб. и пути их решения. - Нижний Новгород: Изд-во НИЦЭ, 2002. - С.45-47.

Подписано в печать "Л?' 01 2004 г. Формат 60x84/16. Усл. п. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 3£ Отпечатано в БГТУ им. В.Г. Шухова, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

Введение.

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И

ФОРМУЛИРОВКА ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ существующих направлений автоматизации процессов отопления зданий.

1.2. Особенности технических решений систем автоматизации централизованного теплоснабжения зданий.

1.3. Анализ методов расчета и математических моделей систем отопления зданий.

1.4. Основные направления в управлении и компьютерной диспетчеризации распределенными энергосистемами.

1.5. Выводы по проведенному обзору. Формулировка цели и задач исследования.

Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОТОПЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ЗДАНИЙ.

2.1. Особенности процесса отопления распределенного комплекса зданий (РКЗ) как объекта управления.

2.2. Экспериментальные исследования динамических свойств объекта управления.

2.3. Разработка математической модели управления процессом отопления здания.

2.4. Параметрическая идентификация объекта управления.

2.5. Разработка критериев оценки эффективности управления процессом отопления РКЗ на основе целевой декомпозиции.

Выводы по главе.

Глава 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОТОПЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ЗДАНИЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ.

3.1. Особенности управления процессом отопления здания с учетом климатических факторов.

3.2. Анализ динамики системы управления процессом отопления здания методом фазовой плоскости.

3.3. Оценка эффективности управления процессом отопления по выбранным критериям с помощью имитационного моделирования.

3.4. Разработка алгоритмов и системы управления процессом отопления РКЗ, обеспечивающих энергосбережение.

Выводы по главе.

Глава 4. РАЗРАБОТКА СТРУКТУР И ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ АСДУ ПРОЦЕССОМ ОТОПЛЕНИЕЯ РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ЗДАНИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ.

4.1. Разработка структуры АСДУ отоплением РКЗ с учетом температурных режимов фасадов и основных особенностей 3-х уровней управления.

4.2. Особенности автоматизированного мониторинга систем отопления в составе АСДУ.

4.3. Разработка АРМ диспетчера верхнего уровня АСДУ отоплением РК3.

4.4. Построение системы удаленной диспетчеризации для доступа к ресурсам АСДУ посредством сотовых сетей GSM.

4.5. Анализ эффективности применения АСДУ в целом на примере демонстрационной зоны по энергосбережению БГТУ им. В.Г. Шухова.

Выводы по главе.

Актуальность работы. Проблемы энергосбережения в бюджетной сфере и в системе Министерства образования России являются ключевыми. Минобразования РФ занимает 5-6 место по уровню потребления энергоресурсов среди 80 федеральных ведомств (основных бюджетополучателей), причем в 2001 г. средства на оплату коммунальных услуг увеличились более чем в 2 раза по сравнению с предыдущим годом. В 2002 г. расходы Минобразования России на оплату эпергоресурсов в абсолютном выражении составили более 6 млрд. рублей.

Как показала практика в образовательных учреждениях важнее всего проводить энергосберегающие мероприятия, направленные на экономию тепловой энергии, так как на нее приходится основная доля коммунальных расходов. Для этого необходимо обеспечить реконструкцию систем теплоснабжения зданий, обладающих низкой эффективностью и высокой изношенностью, путем создания индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) с системами автоматического учета и регулирования тепловой энергии, а также модернизировать системы горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования на базе энергосберегающего оборудования для снижения энергопотребления.

Для повышения эффективности управления распределенными энергосистемами зданий, в условиях роста стоимости теплоносителя, актуальными являются задачи развития современных интегрированных автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) с целью снижения расходов на эксплуатацию и обслуживание автоматизированных систем нижнего уровня. Важно отметить, что в современных экономических условиях внедрять АСДУ на уровне систем управления интеллектуальными зданиями (СУЗ) для систем теплоснабжения зданий образовательного назначения нецелесообразно, в связи с высокой стоимостью СУЗ для распределенных объектов с ограниченным количеством контролируемых и регулируемых параметров. Вместе с тем на практике необходимо использовать основные подходы, применяемые в СУЗ для эффективного управления потребляемыми энергоресурсами и др.

Важным моментом при создании АСДУ распределенными энергосистемами зданий является возможность удаленного доступа к информационной базе АСДУ подразделениям вуза, в том числе, занимающимися планированием. Такое взаимодействие с плановыми службами позволит обеспечить решение задач оптимизации при планировании потребления энергоресурсов. Особенно это важно в связи с ужесточением политики Минфина РФ по контролю за использованием бюджетных средств для оплаты статей коммунальных расходов.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности управления процессом отопления распределенного комплекса зданий (РКЗ) за счет создания алгоритмов управления, обеспечивающих энергосбережение.

Поставленная цель достигается при решении следующих основных задач:

1. Анализ методов и систем управления процессом отопления распределенного комплекса зданий.

2. Разработка математической модели управления процессом отопления здания.

3. Выбор критериев оценки эффективности управления процессом отопления распределенного комплекса зданий.

4. Оценка эффективности алгоритмов управления процессом отопления здания по выбранным критериям с помощью имитационного моделирования.

5. Разработка системы управления процессом отопления распределенного комплекса зданий образовательного назначения.

Методы исследований. В работе для анализа инженерных систем распределенного комплекса зданий применялась методика системного анализа, а также методы интегрального и дифференциального исчислений, теории управления, математического моделирования, численные методы анализа, теории алгоритмов, теории идентификации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработана математическая модель управления процессом отопления здания с учетом нелинейности процесса смешивания теплоносителя на вводе системы отопления здания;

• разработана имитационная модель, включающая нелинейную математическую модель процесса смешивания теплоносителя, и ее алгоритмическая реализация с помощью компьютерного моделирования;

• разработаны алгоритмы управления процессом отопления распределенного комплекса зданий образовательного назначения с учетом климатических факторов для обеспечения энергосбережения.

Практическую значимость работы составляют.

1. Имитационная модель процесса отопления здания и результаты ее исследования.

2. Автоматизированная система диспетчерского управления процессом отопления распределенного комплекса зданий с учетом климатических факторов.

3. Результаты экспериментальных исследований процесса отопления здания на примере учебных корпусов БГТУ им. В.Г. Шухова.

На защиту выносятся:

• математическая модель управления процессом отопления здания с учетом нелинейности процесса смешивания теплоносителя на вводе системы отопления здания;

• имитационная модель, включающая математическую модель процесса смешивания с учетом нелинейности, и ее алгоритмическая реализация с помощью компьютерного моделирования;

• разработанная структура подсистем нижнего уровня АСДУ процессом отопления здания с учетом климатических факторов;

• алгоритмы управления процессом отопления распределенного комплекса зданий образовательного назначения с учетом климатических факторов для обеспечения энергосбережения.

Внедрение результатов исследований. Результаты исследований, связанные с внедрением АСДУ процессом отопления зданий, вошли в состав демонстрационной зоны по энергосбережению БГТУ им. В.Г. Шухова. В 2002 г. при использовании АСДУ распределенными энергосистемами комплекса зданий БГТУ им. В.Г. Шухова в целом получена экономия порядка 4000 Гкал. Учитывая, что относительная доля автоматизированных приточно-вентиляционпых установок (ПВУ), находящихся на нижнем уровне АСДУ, в экономии тепловой энергии составляет около 22%, поэтому основная экономия, а это 78%, получено за счет внедрения автоматизированных ИТП при энергоэффективном управлении с верхнего уровня АСДУ комплексом зданий БГТУ им. В.Г. Шухова. Следовательно, в абсолютном выражении это дало экономию тепловой энергии порядка 3120 Гкал в год.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях: XXIII конференции молодых ученых механико-математического факультета МГУ "Современные исследования в математике и механике", Москва (2001 г.); Всероссийской студенческой олимпиаде, иаучно-практической конференции и выставке студентов, аспирантов и молодых ученых "Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии", Екатеринбург (2001 г.); II Международном конгрессе студентов, молодых ученых и специалистов "Молодежь и наука - третье тысячелетие", Москва (2001 г.); Международной (российско-германской) конференции "Датчики и системы" (International Conference. Sensors & Systems), Санкт-Петербург (2002 г.); VI Всероссийской конференции и выставке "Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения", Н. Новгород (2002 г.) на Международном конгрессе "Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии", посвященного 150-летию В.Г. Шухова, г. Белгород (2003 г.) и др.

Связь с научно-техническими и другими программами. Работа выполнялась в рамках программы Минобразования РФ "Энергосбережение Минобразования России на 1998-2005 годы", региональной программы "Энергосбережение" и с учетом трехстороннего Соглашения между Минобразования России, Минэнерго РФ и администрацией Белгородской области. БГТУ им. В.Г. Шухова с 2000 г. является базовым вузом по выполнению программы "Энергосбережение Минобразования России". Основа его демонстрационной зоны по энергосбережению - это трехуровневая АСДУ распределенными энергосистемами комплекса зданий, входящая в состав региональных центров энергосбережения, утвержденных Минобразования РФ. Кроме того, работа выполнялась по научной программе "Федерально-региональная политика в науке и образовании" Министерства образования РФ на 2003 г.

Публикации. Основные положения работы изложены в 12 печатных работах, из них статей 9.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа с учетом приложений изложена на 141 странице машинописного текста, включающего 9 таблиц, 48 рисунков, список литературы из 136 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Для решения одной из основных задач энергосбережения, связанной с экономией тепловой энергии, проведены экспериментальные исследования особенностей динамики процесса отопления зданий и установлено следующее: для зависимых схем присоединения систем отопления к тепловым сетям возможно учитывать температуру теплоносителя в обратном трубопроводе на участке смешивания для введения коррекции в контур управления с целью снижения теплопотребления в энергоэффективпом ИТП при смене режимов функционирования; по каналу регулирования "расход теплоносителя - температура теплоносителя в обратном трубопроводе" объект управления обладает свойствами фильтра нижних частот, что важно при разработке его математической модели; возможно управлять расходом теплоносителя по ветвям СО без разделения их на независимые для каждого фасада с целью снижения теплопотребления в процессе отопления здания при учете климатических факторов.

2. Разработана модель управления процессом отопления здания с учетом нелинейности процесса смешивания теплоносителя на вводе системы отопления здания.

3. На основе экспериментальных исследований, с использованием ОМНК по ретроспективной информации с глубиной выборки 500 записей и временем квантования 158 секунд получена оценка параметров модели объекта управления по каналу регулирования "7*с0 - Т0 ".

4. Разработана имитационная модель, включающая нелинейную математическую . модель управления процессом отопления здания, и ее алгоритмическая реализация в виде компьютерного моделирования, позволяющая исследовать особенности динамики системы управления процессом отопления здания. На основе оценки по выбранным критериям эффективности предложены алгоритмы управления процессом отопления здания, обеспечивающие энергосбережение.

5. Предложена система управления процессом отопления распределенного комплекса зданий с учетом климатических факторов, реализующая разработанные алгоритмы управления, обеспечивающие энергосбережение, состоящая из подсистем: координированного управления, согласования, управления процессом отопления здания, контроля и мониторинга элементов РКЗ. Особенностью подсистемы управления процессом отопления здания является применение дополнительного контроллера, управляющего расходом теплоносителя по ветвям системы отопления и корректирующего программное задание для электронного регулятора, управляющего расходом теплоносителя из тепловых сетей с учетом температуры системы отопления и наружного воздуха.

6. Обоснована эффективность внедрения и использования АСДУ в целом на примере отопительных сезонов 2002-2003 гг. в демонстрационной зоне по энергосбережению БГТУ им. В.Г. Шухова. Установлено, что использование АСДУ, во-первых, обеспечивает эффективное управление распределенными энергосистемами зданий и снижение расходов на тепловую энергию в переходные периоды отопительного сезона, а также в условиях "теплой" зимы, во-вторых, в случае низких температур позволяет без применения значительных капитальных затрат на утепление зданий обеспечивать необходимое теплопотребление зданий, но до определенных границ.

1. Богословский Б.Н., Сканави А.Н. Отопление. М.: Стройиздат, 1991.-735 с.

2. Тихомиров К.В., Сергсенко Э.С. Теплотехника, теплогазоспабжепие и вентиляция. М.: Стройиздат, 1991.-480 с.

3. Теплотехника, отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха/ В.М. Гусев, Н.И. Ковалев, В.П. Попов, В.А. Потрошков. J1.: Стройиздат, 1981.- 343 с.

4. Эффективные системы отопления зданий/ В.Е. Минин, В.К. Аверьянов, Е.А. Белинкий и др.-Л.: Стройиздат, 1988.-216 с.

5. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Ч. 1. Теоретические основы создания микроклимата здания: Учебное пособие / Полушкин В.И., Русак О.Н., Бурцев С.И. и др. СПб.: Профессия, 2002. - 176 с.

6. Хартман Т. Индустрия комфорта: возможности XXI века. // АВОК. №3. -2001.-С. 16-20.

7. Васильев П. Экономически целесообразный уровень телозащиты зданий// Энергосбережение. № 5. - 2002. - С. 48-51.

8. Строительные нормы и правила. Отопление, вентиляция и кондиционирование. СНиП 2.04.05-91.

9. Вагин Я., Лоскутов А.Б. Экономия энергии в промышленности: Учебное пособие. Н.Новгород: изд. Нижнегородский. ГТУ, 1998. - 220 с.

10. Энергосбережение в системе образования// Сб. научно-практ. и метод матер./ Под ред. А.Балыхина. М.: АМИПРЕСС, 2000. - 143 с.

11. Балыхин А. Сергеев С.К. Энергосбережение в системе Министерства образования РФ. Итоги и перспективы// Энергоэффективность: Опыт, проблемы, решения. 2003. - №3. - С. 54-57.

12. Патент США № 4995587, кл. F 16 К 31/04.1991

13. Патент России №2112270, кл. G 05 D 23/01, F 16 К 31/64. БИ №15, 1998

14. Патент России № 2087938, кл. G 05 D 23/00, БИ №23, 1997

15. Патент России №2118843, кл. G 05 D 23/02, 23/12, БИ №25, 1998

16. Грановский В.Л. Прижижецкий С.И. Система отопления жилых зданий массового строительства и реконструкции с комплексным автоматизированием теплопотребления// АВОК. 2002. - №5. - С. 66-69.

17. Патент России №2110085, кл. G 05 D 23/19, БИ №12, 1998

18. Патент России №2110085, кл. G 05 D 23/19, БИ №4, 2000

19. Патент США № 4601328, кл. G 05 D 23/00, 1986

20. Патент России № 2106682, кл. G 05 D 23/00, БИ №7, 1998

21. Ливчак В.И. За оптимальное сочетание автоматизации регулирования подачи и учета тепла // АВОК. 1998. - №4. - С. 36-38.

22. Миронов В.А., Сульман Э.М., Корпеев К.Б., Узикова Т.И. Разработка и внедрение энергосберегающих технологий в учреждениях образования Тверской области // Энергоэффективность: Опыт, проблемы, решения. 2001. - №3. - С. 61-65.

23. Грудзинский М.М., Прижижецкий С.И., Грановский B.JI. Энерго эффективные системы отопления // АВОК. 2000. - С. 38-39.

24. Грановский B.J1. Технико-экономическая эффективность индивидуального регулирования расхода тепла в системах отопления // АВОК. 1995. - №1/2. -С.18-19.

25. Грудзинский М.М., Прижижецкий С.И., Грановский B.JI. Современные системы теплоснабжения и отопления зданий в массовом строительстве Москвы // Промышленное и гражданское строительство. 1996. - №10. - С. 21-23.

26. Сергеев С.Ф., Смирнов С.И., Зуев Л.Д. Автоматизация систем теплоснабжения с использованием регулирующего оборудования фирмы «Данфосс» // Энергосбережение. 2000. - №3. - С. 31-32.

27. Ливчак В.И. Энергосбережение в системах централизованного теплоснабжения на новом этапе развития// Энергосбережение. 2000. - №2. - С. 4-9.

28. Ливчак В.И. Энергоэффективные здания в московское массовое строительство//АВОК. - 1999.-№1 - С. 13-14.

29. Ливчак В.И. К нормированию потребления тепла на отопление и вентиляцию жилых и административных зданий //Энергосбережение. 1999. -№5. - С. 23-27.

30. Кужель И.С., Рябцев В.Н. О реализации мероприятий программы энергосбережения города Курска // Энергосбережение. 2000. - №6. - С. 28-29.

31. Казаков М. Опыт внедрения энергосберегающей автоматики и приборовучета теплопотребления фирмы «Данфосс» в зданиях детский садов Москвы // Энергосбережение. 2000. -№1. - С. 42-43.

32. Сагинбаев Х.М., Путрухин Ю.А., Гун В.А. Опыт применения узлов регулирования и учета фирмы «Данфосс» в тепловых пунктах жилых зданий Уфы // Энергосбережение. 1999. -№3. - С. 38-39.

33. Туркин В.П. Автоматическое управление отоплением жилых зданий. М., Стройиздат, 1987. - 320 с.

34. Казанцев Э.Ф., Елисеев А.И. Энергетика, экономика и экология// В материалах 1-й регион, науч.-практ. интернет- конф. : Энерго- и ресурсосбережение XXI век. - Орел: Изд-во ОрелРЦЭ, 2000. - С. 107-113.

35. Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления/ С.А.Чистович, В.К. Аверьянов, Ю.А. Темпель, С.И. Быков. JI.: Стройиздат, Лепингр. Отд-ние, 1987.-248 с.

36. Сеннова Е.В., Сидлер В. Математическое моделирование и оптимизация развивающихся теплоснабжающих систем. Новосибирск: Наука, 1987. - 219 с.

37. Ливинский А.П. О результатах реализации федеральной целевой программы «Энергосбережение России»// Энергоэффективность: Опыт, проблемы, решения. -№1.- 1999.-С. 12-19.

38. Кулев М.В. Применение комплекса автоматизации регулирования тепла в административных зданиях Екатеринбурга// Энергосбережение. -2000,-№2.-С. 24-25.

39. Шарипов А.В. Варианты теплоснабжения жилого района Куркино// Энергосбережение. 2000. - №2. - С. 54-58.

40. Каталог автоматических регуляторов для систем теплоснабжения зданий (ЗАО «Данфосс», Москва). 1999 . 144 с. (С приложениями на компакт-диске).

41. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. М: УРСС, 2003.-784 с.

42. Основы идентификации и проектирования тепловых процессов и систем: Учебное пособие / О.М. Алифанов, П.Н. Вабищевич, В.В. Михайлов и др. М.: Логос, 2001.-400 с.

43. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Минимизация расхода энергии, затрачиваемой на патоп помещения// Известия ВУЗов. Строительство иархитектура. 1988.-№12.-С. 28-30.

44. Табунщиков Ю.Л., Бродач М.М. Минимизация затрат энергии при прерывистом режиме отопления // АВОК. 2001. - №1/2. - С. 14-20.

45. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективноси зданий. М.: ЛВОК-ПРЕСС, 2002.- 194 с.

46. Тихомиров К.В., Сергеенко Э.С. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция. М.: Стройиздат, 1991. - 480 с.

47. Теплотехника, отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха/ В.М. Гусев, Н.И. Ковалев, В.П. Попов, В.А. Потрошков. Л.: Стройиздат, 1981.- 343 с.

48. Дульнев Н., Парфенов В. , Сигалов А.В. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена. М.: Высш. шк., 1990. - 207 с.

49. Федоренко Р.П. Введение в вычислительную динамику. М.: Изд-во МФТИ, 1994.-528 с.

50. Пасконов В.М., Рослянов С.,Чудов Л.А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М.: Наука, 1984.-288 с.

51. Пирумов У. , Рослянов С. Численные методы газовой динамики. М.: Высш. шк., 1987.-232 с.

52. Марчук И. Методы вычислительной математики. -М.: Наука, 1989. 608 с.

53. Oran Е.,Boris J. Numerical Simulation of Reactivc Flow, New York, Elseviev, 1987 Оран Э., Борис Дж. Численное моделирование реагирующих потоков. М.: Мир, 1990.-616 е..

54. Roache P.J. Computational Fluid Dynamics, Albuquerque, NM, Yermosa,1972 РоугП. Вычислительная гидродинамика.-M.: Мир, 1980-616 е.

55. Potter D. Computational Physics, New York, Wiley, 1973. Поттер Д. Вычислительные методы в физике. М.:Мир, 1975. - 392 е.

56. Янг Д., Хейгман Л. Прикладные итерационные методы. М.: Мир, 1986. -402 с.

57. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.

58. Внутренние санитарно-технические устройства: Справочник проектировщика. 42. Вентиляция и кондиционирование воздуха / Под ред. И. Староверова. М: Стройиздат, 1977. - 502 с.

59. Корнева А.И. ПТК и SCADA-системы на отечественном рынке промышленной автоматизации// Промышленные АСУ и контроллеры. — №12. -1999.

60. Ицкович Э.Л. Классификация микропроцессорных программно-технических комплексов //Промышленные АСУ и контроллеры.-№10. 1999.

61. Андреева Е.Б., Куцевич Н.А. SCADA системы: взгляд изнутри / URL http://wvvvv.seada.ni/puhlication/hook/.

62. Родионов В.Д., Терехов В.А., Яковлев В.Б. Технические средства АСУТП: Учебное пособие /Под ред. В.Б. Яковлева М: Высшая шк., 1989 - 263 с.

63. Дитмар Д., Лой Д. LON-технология. Построение распределенных приложений» / Пер. с нем. под ред. О.Б. Низамутдинова. Пермь: Звезда, 1999. -424 с.

64. Промышленные программно-аппаратные средства на отечественном рынке АСУТП. Практическое пособие для специалистов, занимающихся разработкой и модернизацией СУ па промышленных предприятиях.- Изд-во: Научтехлитиздат, 2001.-402 с.

65. Карандасов И.В., Клопов М.И., Столяров B.C. Совместное решение компаний TEKOII и АдАстра по автоматизации центральных тепловых пунктов // Датчики и системы.-№1.-2002.-С. 50-51.

66. Масленников В. Создание автоматизированной системы диспетчерского управления вдопроводной станцией // Современные технологии автоматизации. -№ 1.-2002.-С. 20-26.

67. Севрюгин Н., Потапов И, Попов А., Цирихов А. Автоматизированная система контроля испытаний газотурбинных двигателей // Современные технологии автоматизации. № 1. - 2002. - С.-20-26.

68. Анцевич М. Система интеллектуального здания для аэропорта // АВОК. -№ 2. 1998 - С. 16-21. (Перепечатано из журнала "ASHRAE JOURNAL", ноябрь 1997)

69. Табунщиков Ю.А. Интеллектуальные здания// АВОК. 2001. - №3. -С. 6-13.

70. Табунщиков Ю.А. От энергоэффективных к жизнеудерживающим зданиям// АВОК. 2002. - №4. - С. 84-88.

71. Крапц Х.Р. Применение стандартов информационных технологий в индустрии АСУ зданий //АВОК. 2002. - №4. - С. 84-88.

72. LonWorks представляем технологию нового тысячелетия // АВОК. — 2001. -№3. - С. 62.

73. Мельников П. Техника автоматизации зданий // Современные технологии автоматизации. 1999. - №2. - С. 36-42.

74. Калмаков А.А., Кувшинов Ю.А., Романов С.С., Щелкунов С.А. Автоматика и автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции. М.: Стройиздат, 1986. -340 с.

75. Автоматизация учета энергопотребления / Э. Молокан, И. Бирюков, J1. Хатламаджиев и др. // Современные технологии автоматизации. 1996. — №1. -С.74-76.

76. Котслевский А.А., Надтока В.И., Надтока И.И., Седов А.В. Система коммерческого учета энергоресурсов и телеуправления на базе КТС "Энергия"// Изв. ВУЗов. Электромеханика. 1999. - № 1. - С. 108-111.

77. Гаврилов С. Новые энергосберегающие технологии // Энергосбережение. -2000.-№2.-С. 48-49.

78. Лоскутов А.Б., Вагин Я., Солнцев Е.Б., Фитасов А.II. "САКУРА" система мониторинга энергопотребления бюджетной организации // Энергоэффективность: Опыт, проблемы, решения. - 2001. -№3. - С. 52-57.

79. Росаткевич К., Краснобаев В.В. Единая автоматизированная система диспетчерского контроля и управления городским хозяйством на базе Московской волоконно-оптической сети //Энергосбережение. 1999. - №5. - С. 52-55.

80. Информационно-измерительная и управляющая система "ТЕПЛО" / А. Дзябенко, Ю. Куликов, И. Мануйлов и др. // Энергоэффективность: Опыт, проблемы, решения. -2001.- №3. С. 66-69.

81. Плющаев В.И., Бурда Е.М., Зенютич Ю.Е. Система дистанционногомониторинга и управления рассредоточенными объектами системы теплоснабжения // Энергоэффективность: Опыт, проблемы, решения. 2002. -№3. - С. 34-36.

82. Волкова В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системного анализа: Учебник для студентов вузов. СПб.: Издательство СПбГТУ, 1997. - 510 с.

83. Леоненков А.В. Самоучитель UML. СПб.:ВНУ, 2001. - 304 с.

84. Рамбо Дж., Якобсон А., Буч UML: специальный справочник. СПб: Питер, 2001.-656 с.

85. Фаулер М. UML. Основы. Краткое руководство по унифицированному языку моделирования. М.: Символ-плюс, 2002. - 185 с.

86. Основы системного подхода и их приложение к разработке территориальных АСУ/ Под ред. Ф.И. Перегудова. Томск: Изд-во ТГУ, 1976. -440 с.

87. Ершенко Е.В., Свечкарев В.П. Объектно-целевая декомпозиция системы управления технологическим процессом дозирования// Изв. ВУЗов. Сев.-Кавк. Регион. Технические науки. 2001. -№3. - С. 6-8.

88. Свечкарев В.П., Ершенко Е.В., Яценко Е.А. Объектно-целевой анализ технологии приготовления стекольной шихты// Стекло и керамика. 2002. — №2. - С. 5-7.

89. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ: Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1989. - 367 с.

90. Буч. Объектно-ориентированный анализ и проектирование:.-М.: Бином, 1998.-560 с.

91. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1973. - 344 с.

92. Системный подход и общая теория систем.- М.: Мысль, 1978. 272 с.

93. Волкова В.Н., Денисов А.А., Темников Ф.Е. Методы формализованного представления систем: Учебное пособие. СПб.: СПбГТУ, 1993. 107 с.

94. Апфилатов B.C. и др. Системный анализ в управлении: Учеб. пособие/ B.C. Анфилатов, А.А. Емельянов, А.А. Кукушкин/ Под ред. А.А. Емельянова. М.: Финансы и статистика, 2003. - 386 е.: ил.

95. Дегтярев Ю.И. Системный анализ и исследование операций. М.: Высшаяшкола, 1996.-335 с.

96. Флейшман Б. Основы системологии. М.: Радио и связь, 1982. - 272 с.

97. Денисов А.А., Колесников Д.Н. Теория больших систем управления: Учебное пособие для студентов ВУЗов. JL: Эпергоиздат, 1982. - 288 с.

98. Денисов А.А., Волкова В.Н. Иерархические системы: Учебное пособие. -Л.: ЛПИ, 1989.-88 с.

99. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. М.: АВОК-ПРЕСС, 2002. -194 с.

100. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. Оптимальные, многосвязные и адаптивные системы. М.: В.ш., 1988. - 356 с.

101. Автоматическое управление в химической промышленности / Под ред. проф. Е. Дудникова.-М.: Химия, 1987.-368 с.

102. Рэй У. Методы управления технологическими процессами:.-М.: Мир, 1983. -368 е., ил.

103. Свенчанский А.Д. Автоматическое управление электротермическими установками. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 416 с.

104. Александров А. Оптимальные и адаптивные системы: Учеб. пособие. М.: Высш. шк„ 1989.-263 с.

105. Методы классической и современной теории автоматического управления. Т.З /под.ред.Н.Д. Егупова. М.: МГТУ им. Баумана, 2002. - 748 с.

106. Справочник по теории автоматического управления./Под.ред. А.А. Красовского. М.: Наука, 1987.-712 с.

107. Грановский В.Л. Прижижецкий С.И. Система отопления жилых зданий массового строительства и реконструкции с комплексным автоматизированием теплопотребления // АВОК. 2002. - №5. - С. 66-69.

108. Юрманов Б.Н. Автоматизация систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Л: Стройиздат, 1976. - 287 с.

109. Шорип C.H.Теплопередача.-М.: Высшая шк., 1964.-490 с.

110. Ливчак В.И. Энергосбережение при строительстве и реконструкции жилых зданий в России // Энергосбережение. 2001. - №5- С. 26-29.

111. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высш. шк., 1967. - 600 с.

112. Автоматика и автоматизация производственных процессов/ Под ред. К. Нечаева. К.: Вища шк., 1985. - 279 с.

113. Самарский А.А., Гулин А.В. Устойчивость разностных схем. М.: Наука, 1973.-236 с.

114. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1977. - 656 с.

115. Федоренко Р.П. Введение в вычислительную динамику. М.: Изд-во МФТИ, 1994.-528 с.

116. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.:Наука, 1978. - 512 с.

117. Янг Д., Хейгман Л. Прикладные итерационные методы. М.: Мир, 1986402 с.

118. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на ФОРТРАНЕ. М.: Мир, 1977. - 526 с.

119. Вучков И., Бояджиева J1., Солаков Е. Прикладной линейный регрессионный анализ / Пер. с бол Ю. П. Адлера. М.: Финансы и статистика, 1987. - 239 с.

120. Потапенко А.Н., Белоусов А.В., Потапенко Е.А. Автоматизация распределенных энергосистем комплекса зданий БелГТАСМ// В сб. докл. VI Всерос. конф.: Региональные проблемы энергосб. и пути их решения. Нижний Новгород: Изд. НИЦЭ, 2002. - С. 45-47.

121. Потапенко А.Н. Белоусов А.В., Потапенко Е.А. Вопросы эффективности и особенности развития АСДУ распределенными энергосистемами зданий образовательного назначения// Энергоэффективность: Опыт, проблемы, решения. -Вып. 3.-2003.-С. 58-67.

122. Потапенко Е.А. Разработка критериев эффективности управления процессом отопления комплекса зданий // В сб. трудов IX Международной открытой научной конференции: Современные проблемы информатизации-2004. -Воронеж: ВорГТУ, 2004.-С. 134-136.

123. Филатов А. Потапенко Е.А., Костриков С.В. Нечеткая идентификация систем теплоснабжения // В материалах международной научной конференции: Системный подход в науках о природе, человеке, технике. Ч. 4. Таганрог: ТРТУ, 2003. -С. 96-98