автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Энергосберегающая автоматизированная система управления тепловыми режимами в закрытых тепловых сетях зданий в условиях неопределенности

I Кот-рплъяь гтр|

На правах рукописи

Алёшин Евгений Анатольевич

! к

I

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ | СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМИ РЕЖИМАМИ

, В ЗАКРЫТЫХ ТЕПЛОВЫХ СЕТЯХ ЗДАНИЙ

В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

Специальность 0S.I3.06 - "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск 2003

Работа выполнена в Южно-Уральском государственном университете.

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Глухов В.Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Панферов В.И., доктор технических наук, профессор Юсупов Р.Х.

Ведущая организация - ЗАО "Научно-производственный центр гидроавтоматики", г. Челябинск.

Защита состоится 1 октября 2003 года, в 16 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.298.03 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В .И. Ленина, 76, конференц-зал ЮУрГУ (ауд. 244).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета.

Автореферат разослан "_"_2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К.Т.Н., доц.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема управления тепловыми режимами зданий при минимальных затратах тепловой энергии является одной из важных проблем в системах теплоснабжения у потребителей тепловой энергии. В условиях рыночной экономики и значительного повышения цен на энергоресурсы особую важность приобретает задача эффективного использования тепловой энергии в системах теплоснабжения и отопления.

Снижение энергоемкости в системах отопления зданий можно добиться в том числе и за счет автоматизации управления процессом теплопотребления, что позволяет сократить расход тепловой энергии. Дальнейшее снижение энергоемкости процесса теплопотребления за счет совершенствования систем и алгоритмов управления может быть достигнуто на пути создания энергосберегающих систем автоматизированного и автоматического управления, оптимизирующих тепловые режимы зданий, что является одним из наиболее перспективных направлений совершенствования систем управления. Оптимизация систем управления позволяет найти самый эффективный способ ведения тепловых режимов в системах отопления. Здесь важен выбор оценки эффективности управления процессом (критерий-оптимальности), поскольку критерий оптимальности практически полностью определяет энергозатраты при функционировании системы автоматического регулирования.

Большинство существующих систем отопления зданий работают в неуправляемом режиме, нагревательные приборы в течение длительного времени имеют завышенную мощность, что ведет к массовому перегреву воздуха в помещениях, перерасходу тепловой энергии и снижению теплового комфорта. Поэтому одним из направлений автоматизации систем теплопотребления зданий является разработка на базе современных средств вычислительной техники энергосберегающих автоматизированных систем управления, представляющих собой интерактивные системы управления тепловыми режимами по критерию эффективности управления.

Задача регулирования отпуска теплоты на отопление является весьма сложной, поскольку регулируемый параметр (температура отапливаемых помещений) зависит от большого числа как внешних, так и внутренних факторов. Реальные параметры системы теплопотребления под действием различных дестабилизирующих факторов "внешней среды" и скрытых возмущений в системе теплопотребления отклоняются от расчетных значений в широких пределах, что позволяет рассматривать систему теплопотребления как стохастическую. Существующие методы и системы автоматического регулирования расхода теплоты на абонентских тепловых пунктах предложены и нашли наиболее полное отражение в работах С.А. Чистовича, Н.М. Зингера, Л.А. Мелентьева, А.П. Сафонова, Е.Я. Соколова, В.П. Туркина, Л.Д. Богуславского, В.Т. Благих, Ю.А. Табуншикова, В.И. Ливчака, В.П. Витальева и других. В работах С.А. Чистовича, В.К. Аверьянова, ЮЛ. Темпеля, С.И. Быкова рассматривается применение математических моделей для точечного прогноза внутренней температуры в здании. Однако в этих работах не рассматривались задачи оптимизации управ-

3 | 6ИЬЛ:-.--1_г.А

{ С. Петербург / •

* оэ тЗ,*£уО[

ления режимными параметрами в системах теплоснабжения зданий в условиях неопределенности.

Поэтому актуальной является задача не только разработки.энергосберегающих систем автоматизированного управления тепловыми режимами зданий, но и синтеза методов определения и коррекции режимных параметров в системе отопления в условиях неопределенности, оптимизирующих тепловые режимы с целью поддержания показателя качества в области энергосбережения при действии неизвестных возмущений и фиксированных параметрах внешней среды в текущих ситуациях в системе теплопотребления.

Задачи параметрической коррекции рассматриваются в работах О.В. Абрамова. Ф.И. Бернацкого, В.В. Здора, А.А. Супони, которые применительно к оптимизации и автоматизации технологических процессов и процессов потребления тепловой энергии в зданиях в условиях неопределенности получили дальнейшее развитие в трудах В Л. Глухова.

Объектом исследования являются системы и методы энергосберегающего автоматизированного регулирования расхода теплоты на абонентских тепловых пунктах.

Целью работы является определение принципов построения и синтез энергосберегающих автоматизированных систем управления тепловыми режимами зданий с наиболее рациональными настроечными параметрами, обеспечивающими минимум расхода тепловой энергии в системах отопления зданий в условиях неопределенности.

Задачи работы. Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

1) анализ существующих методов и систем автоматизированного управления и автоматического регулирования расхода теплоты на абонентских тепловых пунктах;

2) разработка математической модели, отражающей взаимосвязь параметров внешней среды я системы теплопотребления с показателем качества теплового режима в виде эффективности управления;

3) построение областей качества, являющихся областями энергосберегающего управления в системах отопления зданий в условиях неопределенности;

4) разработка алгоритмической структуры функционирования энергосберегающей системы управления тепловыми режимами здания в условиях неопределенности, обеспечивающей реализацию режимных параметров, минимизирующих расход тепловой энергии;

5) анализ динамических свойств группы индивидуальных тепловых пунктов, объединенных коллектором со стороны источника питания или со стороны нагрузки, как объекта управления;

6) практическая реализация полученных результатов на объектах, являющихся потребителями тепловой энергии.

Связь диссертация с федеральными я региональным* программами. Диссертационное исследование проводилось в рамках целевой Программы "Энергосбережение" Минобразования РФ и научно-исследовательской работы

по гранту 103 Гр-98 "Создание методов оптимального управления и энергосберегающих систем автоматического регулирования тепловых режимов в закрытых тепловых сетях зданий", № гос. регистрации 01.980006958.

Методы исследования. Теоретической и методологической основой диссертационного исследования являются методы теории параметрической коррекции, теории автоматического управления, теории вероятностей, математической статистики, регрессионного анализа и аппарата теории игр. Оценка параметров моделей, построение областей качества и поиск гарантированной эффективности управления проводилась на ЭВМ с помощью соответствующих прикладных программ.

Научная новизна диссертационной работы. В ходе исследования были получены следующие научные результаты: V

1) создана многофакторная математическая модель, отражающая взаимосвязь параметров подсистем "внешней среды" и "теплопотребления" с показателем качества теплового режима в виде эффективности управления;

2) разработан метод энергосберегающего управления тепловыми режимами здания, позволяющий осуществлять коррекцию уставок режимных параметров регуляторов, обеспечивающих минимизацию энергопотребления;

3) разработана алгоритмическая структура функционирования энергосберегающей системы управления теплопотреблеиием здания в условиях неопределенности, обеспечивающая реализацию режимных параметров, минимизирующих расход тепловой энергии;

4) получено решение задачи оптимизации настроечных параметров и автоматизированного управления процессом потребления тепловой энергии в условиях неопределенности в виде совокупностей стратегий подсистем внешней среды и теплопотребления, являющихся седловой точкой средней эффективности управления и оценки управления, представляющей значение этой функции в седловой точке;

5) разработаны матричные структурные схемы системы отопления здания, состоящей из нескольких индивидуальных тепловых пунктов, на основе матричных уравнений, описывающих динамику системы отопления при действии возмущений как со стороны источника теплоснабжения, так и со стороны нагрузки, которые упрощают анализ динамических свойств системы отопления как объекта автоматического регулирования.

Практическая значимость результатов работы:.

1) разработана методика синтеза энергосберегающей автоматизированной системы управления тепловыми режимами в закрытых тепловых сетях зданий в условиях неопределенности, предусматривающая учет взаимосвязи между подсистемами - "внешняя среда" - "теплопотребление" - "система коммерческого учета тепловой энергии" - ЛПР - САР;

2) разработана методика назначения тепловых режимов в зданиях на базе теории игр, обеспечивающих существенную экономию тепловой энергии на стадии отделочных работ внутри здания при отсутствии САР при наличии теплосчетчика;

3) разработаны и внедрены на объектах г. Челябинска энергосберегающие системы автоматического регулирования тепловой энергией, позволяющие получать до 30 % ее экономии.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях ЮУрГУ (г. Челябинск, 1998-2000 гг.), на специализированной выставке "При-боростроение-2002" (г. Екатеринбург).

Публикации. Основные положения и результаты работы отражены в 8 печатных работах и научно-техническом отчете.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из предисловия, введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 102 наименования, 3 приложений. Работа изложена на 162 страницах печатного текста, содержит 37 рисунков, 9 таблиц.

На зашнту выносятся:

1) математическая модель, отражающая взаимосвязь параметров подсистем "внешняя среда" и "теплопотребление" с показателем качества в виде эффективности управления;

2) методика определения номинальных оптимальных параметров системы теплоснабжения здания в условиях неопределенности, позволяющая минимизировать расход тепловой энергии на отопление;

3) алгоритмическая структура функционирования энергосберегающей автоматизированной системы управления теплопотреблением здания в условиях неопределенности;

4) способ оптимизации, основанный на аппарате теории игр, настроечных параметров систем отопления, не оснащенных средствами автоматики.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Совершенствование методов и систем управления тепловыми режимами зданий

В настоящее время управление тепловыми режимами зданий при минимальных затратах тепловой энергии является одной из важных задач в области систем теплопотребления. Снижение энергоемкости в системах отопления зданий можно добиться за счет автоматизации управления процессом теплопотребления. Дальнейшее повышение эффективности процесса теплопотребления может быть достигнуто на основе создания энергосберегающих систем автоматизированного и автоматического управления, оптимизирующих тепловые режимы зданий, что является одним из наиболее перспективных направлений совершенствования систем управления тепловыми режимами зданий.

Разнотипность применяемых САР для управления тепловыми режимами зданий объясняется тем, что разработка САР производилась без достаточно обоснованной теории и данных о векторе «внешней среды». Именно поэтому существующие САР имеют избыточную структуру и не обеспечивают минимизацию расхода тепловой энергии в системах отопления зданий в условиях неопределенности. В существующих САР режимные параметры (уставки) уста-

наадиваются по статистическим данным без достаточного научного обоснования. Синтез структуры энергосберегающей автоматизированной системы управления тепловыми режимами с учетом условий физической реализуемости управляющих воздействий, ограничений, влияния случайных возмущений и непредвиденных изменений динамики в системе отопления, требований устойчивости и грубости синтезируемой АСУ тепловыми режимами зданий представляет сложную задачу.

Для решения сложных задач оптимизации управления технологическими процессами получены фундаментальные и плодотворные результаты, связанные с теорией номиналов и допусков, выдвинутых в работах О.В. Абрамова, Ф.И. Бернацкого, В.В. Здора, A.A. Супони и др., решен ряд задач синтеза оптимальных систем с ограниченным управляющим воздействием представленных в работах Я.З. Цыпкина, H.H. Красовского, М.Д. Потапова и др.

Поэтому, в общем случае решение задач синтеза оптимальных АСУ ТТТ очень трудно и техническая реализация их затруднительна, первоочередную роль приобретает синтез АСУ тепловыми режимами, достаточно простых по структуре, но вместе с тем близким к наилучшим по обеспечению минимума расхода тепловой энергии в системе отопления зданий в условиях неопределенности.

Имея ввиду важность указанной проблемы и учитывая, что имеющиеся разработки не удовлетворяют требованиям экономии энергоресурсов, была поставлена задача изучить технологические особенности систем теплоснабжения как объекта регулирования, на базе которых дать принципы построения энергосберегающей АСУ тегоюпотреблением зданий, определить ее минимальную структуру и разработать метод расчета оптимальных номинальных настроечных параметров в системе отопления зданий в условиях неопределенности.

Динамические свойства систем отоплении как объектов автоматического регулировании

Одним из наиболее универсальных способов описания динамических характеристик САУ является описание их с помощью дифференциальных уравнений. При составлении таких уравнений исходим из захона сохранения энергии! который при нестационарном режиме работы можно сформулировать следующим образом: производная по времени от энергии, заключенной в объеме здания, равна разности между потоком энергии, поступающей в этот объем (расход теплоносителя, тепловыделения в здании и т.п.) и потоком энергии, выходящем из этого объема (инфильтрация воздуха через ограждающие конструкции, тепловые потери, связанные с проветриванием помещений и т.п.).

При физико-математическом анализе рассматриваемой системы отопления представляет интерес структура математической модели, содержащей меньшее возможное число параметров. Опыт учит, что при проведении экспериментов на системе и при преимущественном использовании информации о «внешней среде», полученной путем измерения на объекте управления, всегда желательно иметь приближенные результаты физико-математического анализа и производить оценку решения. Из литературы известно, что никакая матема-

тическая модель не может точно отражать действительную систему во всех ее взаимосвязях и проявлениях. Поэтому, исходя из практических соображений, выбираем упрощающие предположения о стационарности процессов в системе отопления.

В силу специфических особенностей системы отопления как стохастического объекта управления проведены исследования с целью синтеза структуры энергосберегающей АСУ теплопотреблением здания и алгоритма ее функционирования в условиях неопределенности.

Основываясь на теоретических положениях, выдвинутых в работах О.С. Соболева, A.A. Красовского и др., систему отопления здания, состоящую из нескольких индивидуальных тепловых пунктов (И'111), можно рассматривать как совокупность нескольких одинаковых параллельных подсистем с перекрестными связями между ними, которые объединены общим коллектором как со стороны источника теплоснабжения так и со стороны нагрузки для совместного функционирования с целью обеспечения требуемого теплового режима здания. Перекрестные связи между системами автоматического регулирования одинаковых параллельных систем отопления действуют через общий источник энергии, они объединены общим коллектором на стороне регулирующих органов (рис. I), или общим коллектором со стороны нагрузки.

aiiWe(p)

Перемещение регулирующего органа (с координатой и,) приводит к изменению давления в коллекторе я к изменению {»сходов £], сетевой воды на все ИТП. Значение хаждого из расходов определяется положением не

только своего, во я соседних регулирующих органов. Поскольку процессы в гидравлической сети практически безынерционны, то перераспределение расходов происходит мгновенно вслед за изменением положения регулирующего органа. В линейном приближении зависимость расходов от положения регулирующих органов описывается алгебраическим уравнением

*

у-1

где а^ - коэффициент передаче от/-го регулирующего органа к расходу через к-& агрегат.

Изменение каждой из регулируемых переменных ук (температуры теплоносителя в обратном трубопроводе, которая является интегральной температурой) происходит под действием изменения расхода на объект gk и описывается уравнением

Ук'К(ркк+^г(р)/к. * = 1.2.....п, (2)

где /к - возмущение; р), р) - передаточные функции объекта по каналам управляющего расхода и возмущения.

Исключив из уравнений (1)и(2) переменные , запишем уравнение для совокупности отопительных систем (абонентов) как объекта управления:

Л=2>#Го(/>>«/+Иг/(р)Л, ¿»1,2,-^л. (3)

м

Вследствие безынерционности процессов перераспределения расходов передаточные функции объекта по каналам от каждого из регулирующих органов по всем регулируемым переменным различаются только коэффициентами передачи а^.

У каждого из абонентов или в каждом ИТП установлены идентичные, одинаково настроенные регуляторы с передаточной функцией 1Ур(р), так что

уравнение /-го регулятора имеет вид (х, - задание):

* ¡Гр(рХ*1 ".УД »'«1.2»—»(4)

Идентичность сепаратных каналов передачи воздействий вместо громоздкой полной структурной схемы системы позволяет ограничиться изображением звеньев и связей, соответствующих только одной сепаратной системе (рис. 2). Такое представление структурной схемы соответствует ее уравнениям (3), (4), относящейся к одной сепаратной системе, при использовании бегущего индекса для распространения уравнений на все п сепаратные системы. Для представления уравнений системы в матричной форме вводим векторы переменных (у - вектор регулируемых переменных, х — вектор заданий, а — вектор управлений, I - вектор возмущений), передаточные матрицы объекта А (совокупности абонентов) по основным каналам передачи воздействий, по каналам возмущений и передаточную матрицу регуляторов.

Каждая из передаточных матриц описывает всю совокупность связей между переменными, входящими в состав соответствующей пары векторов; пере-

даточные функции каналов, связывающих между собой компоненты векторов (отдельные переменные системы), играют роль элементов матриц и занимают в них вполне определенные места. Уравнения (3) и (4) в матричной форме

у = ^0(р)Аа + ^/(р)Е{, (5)

и = Гр(рЩх-у). (6)

Матричным уравнениям системы (5, 6) соответствует матричная структурная схема (рис. 3).

Рис. 2. Сепаратная система

Разработанные матричные структурные схемы системы отопления здания, состоящей из нескольких индивидуальных тепловых пунктов, связанных общим коллектором как со стороны источника теплоснабжения, так и со стороны нагрузки упрощают анализ динамических свойств системы отопления как объекта автоматического регулирования

Построение областей качества теплового режима здания в плоскости режимных параметров системы теплопотребления Реальные параметры системы теплопотребления под действием различных дестабилизирующих факторов "внешней среды" и скрытых возмущений в системе теплопотребления отклоняются от расчетных значений в широких пре-

делах. Статистическая зависимость между параметрами "внешней среды" и номинальными режимными параметрами системы теплопотребления с показателем качества управления позволяет оптимизировать систему теплопотребления в условиях неопределенности. Корректировка параметров регулирования теплового режима для принтов схемы автоматизации системы отопления заключается в том, чтобы показатель качества системы теплопотребления находился в зоне оптимума для каждого вектора контролируемых возмущений, или совокупности таких векторов, образующих подмножества, в пределах которых регулируемые параметры системы теплопотребления к изменению вектора контролируемых возмущений нечувствительны.

Модель, отражающая взаимосвязь параметров внешней среды и системы теплопотребления

На основе массива экспериментальных данных построена квадратичная регрессионная модель, отражающая взаимосвязь параметров внешней среды (температура наружного воздуха /н, скорость ветра V, солнечная радиация R, температура теплоносителя в прямом трубопроводе /пр) и системы теплопотребления (расход теплоносителя Q и его температура в обратном трубопроводе г^р ) с температурой внутреннего воздуха /в :

f, (и)= 24,961 + 0,424/н (я - 1)+4,6850(л -1) + 5,603 • -1) +

+ 7,732 • 10"21«р (я -1) + 4,303-1<Г2Л(и-1)-1,15Ы(Г2 V(n -1)+ + 1,С 35-10~2 Гш(п -1)-Q(n -1)+ 6,11110_3/н(я - O-t^ln ~ 0+ +1,130 • HT3*, (л -1)- Л(п -l)~ 7,151-W'tjn -1)- V{n -1)- 2,904 • 10 "ге(л -1)- tv{n-l)+ 7,125 • 10"2 Q{n -1)- /^{n -1)- (7) -1,447 • 10"3е(в -1)- R(n -1)-1,819• 10-2Ç{n -1)- V(n -1)--8,042• Ю-^я- 1) й(л-1)-1,752 • юЛ^я -1)- V(n -1)+ + 7,829 • 10"5 (я -1) • Л(я -1) +1,198 • 10"3 ^ (я -1) ■ К(и -1)+ + 9,902-10"4-t^sp{n — lX«-1)+8,425 • 10~3f./„(w-lX«-l) + + 1,913 • 10'3 R(n -1)- У(п -1)- 2,561 • 10"4/2 (и - 1)-О,23302(л -1)- 9,990 • 10"4 (я -1) - 6^37 • 10-6 Л2 (я -1) - 3 Д26 • 10"2 F2 (я -1) Адекватность полученной модели подтверждается по критерию Фишера.

Модель, отражающая взаимосвязь параметров внешней среды и системы теплопотребления с показателем качества теплового режима в виде эффективности управления

Эффективность управления тепловым режимом здания предложено рассчитывать на основе функции желательности (8):

-у

е~* .если te <,22'С О, если tg > 22'С

Для перехода от фактических значений внутренней температуры г, к безразмерной шкале у', получено уравнение у' --13.4418 + 0,747087 tB. По значениям функции желательности (8), рассчитанным в кислой экспериментальной точке, найдена модель (9) (для te <22°С), отражающая взаимосвязь параметров внешней среды и системы теплопотребления с показателем качества теплового режима в виде эффективности управления в диапазоне от 0 до 1.

D = 8,318-10"2 - 5,835-10-2 fH (и -1)- 2,564-10"2 Q{n -1)+

+9,083-10"3/пр(и-1)-7,25ЫО"4 fo6p{«-l)+4,498-I0"3Ä(«-l)+

+0Д23Г(п-1}-ЗДЗЗ-10-3<«(и-1)-е(й-1)+1,170-10-3/11(и-1)гобр(и-1)-

- 2,295-10"5 /„ (л -1)- Я(л-1) - 2,061-10~3 /„ (л -1)- V(n -1)+

+U24-10"5ß(B-l)-/ (л-1)-1,675-Ю"3е(и-1)/обр(«-0+

(9)

+2,490-10-40(л—l}- Л(я—1)+1,253-10"3 Q(tt -1 )• V(n -1)- 5,505-10"5 t^n - !)• *(л-1)-1,273-10"3(л-1)- F(n-l)-

-4,055 10-4/eep(«-l)-J?(n-l)-2,19210-3foep(n-l)F(fl-l)-

-^loo-io^^fl-O-Kie-O+s^eio^^^-O-i^ö-io^ß2^-^

+2^13-10~4/^5р(и—1)-4,969-10_6/?2(л-1)-3,895-10"*3И2(л-1)

Адекватность полученной модели подтверждается по критерию Фишера. Полученная модель используется для синтеза областей энергосберегающего управления тепловыми режимами зданий, а также для расчета гарантированной эффективности управления процессом теплопотребления и оптимизации настроечных параметров системы отопления.

Области энергосберегающего управления тепловыми режимами здания

Путем совмещения линий равного значения целевой функции (9) D=f\x,0) (где X - вектор контролируемых параметров внешней среды, Ü -вектор управления), полученных для различных соотношений параметров внешней среды X, учитывая ограничения на факторы t^ и Q, строятся облаете качества теплового режима здания. Анализ областей качества показывает, что они смещаются относительно друг друга в пространстве параметров. Аппроксимируя области качества вписанными прямоугольниками, определяем расположенные в области взаимопоглощения номиналы режимных параметров Uи U2 (расход воды Q и температура воды в обратном трубопроводе Гг), ко-

35

30

25

20

! 1 1

!

ШттШу ШШШк

• • • < 1 1 1 • 1

¿2тш

14 2,0 Явж 2,5 3,0

3,5 4,0

£,м3/ч

Рис. 4. Область качества теплового режима в плоскости режимных параметров в ситуациях Д

/2,°С

^2шт

Рис. 5. Область качества теплового режима в плоскости режимных параметров в ситуациях Д

О, м /ч

Рис. 6. Область качества теплового режима в плоскости режимных параметров в ситуациях Е>%

*2тш

2,0 2.5 3,0 Озат 3,5 6« 4,0

О,*3/*

Рис. 7. Область качества теплового режима в плоскости режимных параметров в ситуациях £>«

торые в пределах этой области удовлетворяют требуемому качеству теплового режима здания, но не обеспечивают минимизацию расхода теплоты на отопление, и допуска на режимные параметры II* ±А11* и и* ±Аи" для различных значений показателя эффективности управления О (рис. 4 - 7). Области Ц являются областями энергосберегающего управления, в пределах которых режимные параметры системы теплопотребления и" и и" с учетом их допуска + Д£/" являются оптимальными номинальными параметрами и обеспечивают минимум затрат тепловой энергии на отопление здания. Аппроксимация областей качества прямоугольниками со сторонами параллельными координатным осям, согласно методам параметрической коррекции, позволяет назначать допуска на режимные параметры системы теплопотребления независимо друг от друга с учетом проведения энергосберегающей стратегии.

Алгоритмическая структура функционирования энергосберегающей автоматизированной системы управления

теплопотреблением здания в условиях неопределенности На базе методов теории игр разработаны структурная схема функционирования энергосберегающей автоматизированной системы и алгоритм энергосберегающего управления тепловым режимом здания в условиях неопределенности.

Эффективность управления системой теплопотребления в условиях неопределенности Эффективность управления системой теплопотребления в условиях неопределенности определяется по критерию:

■^-шигМ^^гДжД (10)

ш

где и - множество допустимых значений управляемых параметров системы теплопотребления при фиксированном векторе параметров внешней среды Ху. У подсистем "внешняя среда - теплопотребление" в каждой текущей ситуации имеется возможность принять одно из многих конечных состояний Бх и 5Г соответственно. Благодаря этому каждую текущую ситуацию задаем лхи матрицей А, где л - число стратегий (состояний) подсистемы "внешней среды" Бх,т- число стратегий подсистемы параметров 5Г. В матрице А существует

элемент со, являющийся седяовым при использовании стратегий и . Смешанную стратегию "внешней среды* описываем л-мерным вектором

=(г!,У2.....Уд), где у) ~ вероятность использования чистой стратегии

Смешанную стратегию подсистемы задаем т-мерным вектором

5Г =(п1»т12>—»Пш)> где - вероятность использования чистой стратегии (использование при текущем векторе "внешней среды" х /-ой модели теплового режима здания.

Матрица оценок |/9<| оптимальных эффективностей управления СТП

(системой теплопотребления) при использовании моделей ц, и у-ого вектора

"внешней среды" х} в текущих ситуациях СТП формируется при условии, что

(Ц)

где О) - область качества управления СТП при использовании модели ц,.

Действие неконтролируемых возмущений вызывает необходимость уточнения значений матрицы . Для этого определяются такие значения параметров 0', при которых выполняется условие

тах ./»(ц,(«;,)*()• (12)

где У* - уточненное значение элементов У* с учетом действия неконтролируемых возмущений. Векторы 5* и являются оптимальными стратегиями при условиях:

5гго, 5Х>0.

Совокупность является решением задачи оптимизации "внеш-

няя среда - СТП" в условиях случайного изменения вектора "внешней среды" Xj, точка подчиняется цепочке неравенств:

Ф&.^Ч&^^Ф^.З;) (14)

и является седловой точкой функции

Ф^А)«!!^?;, (15)

при условии (13), а со - значение этой функции в седловой точке.

Определяем смешанные (оптимальных) стратегий и 5Г> при которых

гарантированное значение эффективности управления СТП

ю* =зирт/ ф(5х,5г)= /и/ 5ырф(51,5г). (16)

г л п г

В текущих ситуациях СТП смешанная стратегия подсистемы "внешняя среда" известна, а подсистема "режим С111" минимизирует средние потери и

реализует чистую стратегию 5Г = и.

Алгоритмическая структура функционирования энергосберегающей АСУ ТП здания в условиях неопределенности (рис. 8) предусматривает взаимосвязь между подсистемами - "внешняя среда", - "СИ Г - "система коммерческого

16

учета" - "АСУ - 411" (автоматизированная система управления теплопотребле-нием) - ЛПР (лицо, принимающее решение) и представляет интерактивную систему управления.

Оптимизация управления тепловым режимом здания

Гарантированное значение эффективности управления процессом теплопотребления определяется на основе применения аппарата теории игр. В подсистеме теплопотребления наряду с управляемыми входными параметрами (расход теплоносителя, интегрированная температура помещений, температура теплоносителя в обратном трубопроводе) присутствуют неуправляемые параметры (внутренние тепловыделения, потери тепла через ограждающие конструкции, теплота, затраченная на подогрев вентиляционного воздуха и многие другие).

Управление тепловым режимом здания в таких условиях является сложной задачей. Возможность оперативно получать информацию о неуправляемых параметрах и вносить коррективы в процесс управления представляется далеко не всегда. Лучшее, что можно сделать в такой сложной ситуации, это разработать некоторую оптимальную стратегию управления, пригодную для всех случаев. Задача отыскания такой оптимальной стратегии формализована и решается с применением аппарата теории игр

В терминах теории игр задача формулируется следующим образом: в игре участвуют две подсистемы — подсистема "внешняя среда" (партнер С) и подсистема теплопотребления (партнер К). В подсистеме теплопотребления может быть выбран любой (в пределах ограничений на эффективность управления тепловым режимом) режим управления (стратегии К); в подсистеме "внешняя среда" — любое (из возможных) сочетание метеопараметров (парт-вер С). Каждой комбинации стратегий К и С отвечает определенное значение выходного параметра процесса управления у9, который выступает в роли параметра оптимизации. Ограничим число возможных вариантов К и С в пределах плана эксперимента, которые могут принимать подсистемы внешней среды и теплового режима здания, конечными числами лит соответственно. В случае, когда пят достаточно большие числа, такое квантование вполне соответствует реальным условиям управления тепловым режимом.

В результате приходим к парной игре пхт. Так как ^(/ = 1,2,...,ж,

/ = 1,2,..., л) известны для любого сочетания К/ я Су, то игра определена и условия ее можно записать следующим образом в виде матрицы игры:

С, - С,- _ С,

К1 Уи - Уу ~ Уи

..................-..............(П)

— >* - Уы

К, У»I - Ущ - Угт 17

!

Подсистема «внешней среды»

1. Априорная информация

!/ I

Э. Вычисление

7. Коррекция параметров

СТП

О,

Т\.

Система коммерческого учета энергии_

и]

'в • ¡обр

<2.

10. САР-ТП

9. ЛПР

'нар

2. Модели СТП

0? ± д{7,

8. Вычисление допусков

и? ±&01

ТУ

6. Вычисление У по

Ы /

4. Алгоритм управления

5. Вычисление со

Рис. 8. Структура энергосберегающего управления системой теплопотребления здания в условиях неопределенности

Решением (за подсистему К) является смешанная стратегия

д* Г*1 Ъ • М (18)

1л Рг " Рт)

которая при многократном повторении обеспечивает наилучшее среднее значение параметра оптимизации. В выражении (18) р1 — частоты, с которыми чередуются случайным образом стратегии К1.

Описанный подход использован для оптимизации управления тепловым режимом здания. Параметром оптимизации служила обобщенная функция желательности (9). В качестве стратегий К рассмотрены 4 режима регулирования расхода воды (от 2 до 3,5 м3/ч), в качестве стратегий С - 84 вариантов возможных сочетаний параметров внешней среды X. Таким образом, матрица игры имела размер 4 х 84.

Оптимальная стратегия находилась методом итераций. Решением данной игры является активная стратегия Кг*3,5 м3/ч. При этом цена игры равна О* =0,617. Таким образом, при любых сочетаниях параметров внешней среды (в пределах экспериментальных значений), эффективность управления тепловым режимом здания будет не ниже 0,617, что соответствует хорошему качеству теплового режима по шкале критерия оптимальности в виде функции желательности.

Данный метод применяется для абонентских тепловых пунктов зданий, оснащенных теплосчетчиками, но не оснащенных средствами автоматики, и позволяет научно обоснованно устанавливать расход сетевой воды в системе отопления.

Реализация энергосберегающих автоматизированных систем управления тепловыми режимами зданий

В зависимости от финансовых возможностей потребителей разработаны два вида автоматизированных систем на базе отечественных и импортных средств автоматизации.

Системы автоматизации отопления и горячего водоснабжения,внедренные в здания АО "НефтегазстройЗАО "Востокметаллургмонтаж ИМНС Курчатовского района г. Челябинска

Энергосберегающая автоматизированная система управления тепловым режимом оснащена регуляторами температуры в комплекте с датчиками температуры, программными устройствами, электрическими исполнительными механизмами и регулирующими органами, устанавливаемыми на обратном трубопроводе из системы отопления. Эта схема в дальнейшем берется за основу и подвергается различным модификациям в зависимости от конструктивных особенностей конкретного здания и требований заказчика.

Энергосберегающая автоматизированная система управления тепловым режимом здания автоматически ограничивает температуру обратного теплоносителя, возвращаемого в тепловую сеть, по сигналу от датчика температуры, который установлен на обратном трубопроводе системы отопления, независимо от соблюдения отопительного графика теплоснабжающей ооганизацией. Огра-

19

ничение на температуру обратного теплоносителя задается в виде уставок на регуляторе температуры.

Регулирование расхода сетевой воды, поступающей в систему отопления, происходит с помощью шарового регулирующего органа, который установлен на обратном трубопроводе и соединен с электрическим исполнительным механизмом. Команда на открытие или закрытие регулирующего органа поступает от регулятора температуры в зависимости от температуры теплоносителя в обратном трубопроводе. Преимущество регулирования по температуре обратного теплоносителя заключается в том, что она является интегратором влияния изменения расхода теплоносителя, так как изменение расхода при одной и той же начальной температуре приводит к изменению температуры обратной воды из системы отопления. К тому же, при данном способе ресулщэрвания обеспечивается нормируемое теплоснабжение.

В автоматизированной системе управления реализуется прерывистое регулирование расхода сетевой воды. В системе осуществляется неполный отток тепловой энергии при закрытии регулирующего органа и неполный приток энергии при полностью открытом регулирующем органе. Регулятором расхода коммутируется только часть общей тепловой энергии, поступаемой в систему отопления, что обеспечивает уменьшение амплитуды колебания температуры воды в обратном трубопроводе, внутреннего воздуха в отапливаемых помещениях и благоприятно сказывается на гидравлическом режиме системы отопления. В системе предусмотрено программное уменьшение расхода теплоносителя в нерабочее время, выходные и праздничные дни.

САР на базе контроллера ТА2222 для автоматизации

теплового пункта здания УМНС России по Челябинской области

Схема локальной САР, входящей в алгоритмическую структуру функционирования энергосберегающей АСУ тепловыми режимами здания показана на рис. 9. Принятая схема автоматики обеспечивает:

- автоматическую работу теплового пункта без постоянного обслуживающего персонала;

- регулирование температуры подачи на отопление в зависимости от температуры наружного и внутреннего воздуха, времени суток и дня недели;

- поддержание на заданном уровне температуры горячей воды с возможностью понижения ее в нерабочее время;

- автоматическое включение/выключение насоса на отопление по температуре наружного воздуха;

- защиту насосов по перегреву и от работы всухую; выдачу аварийной сигнализации.

Разработанные энергосберегающие системы управления тешюпотребле-нием зданий внедрены на различных объектах г. Челябинска и обеспечивают экономию до 30% тепловой энергии.

Рис. 9. Схема САР на базе контроллера ТА2222 для автоматизации теплового пункта здания УМНС России по Челябинской области

1 - теплосчетчик с двумя расходомерами (15) и датчиками температуры (16);

2 - пластинчатый теплообменник;

3 - насос на рециркуляцию ГВС;

4 - насос на отопление;

5 - электропривод клапана отопления;

6 - контроллер на отопление и ГВС с функциями оптимизации ТА 2222;

7 - регулирующий клапан на отопление;

8 - регулирующий клапан на горячее водоснабжение;

9 - электропривод клапана горячего водоснабжения;

10 - датчик температуры теплоносителя;

11 - датчик температуры внутреннего воздуха;

12 - датчик температуры наружного воздуха;

13 - обратный клапан; 14-задвижка.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана математическая модель, отражающая взаимосвязь параметров внешней среды и системы теплопотребления с показателем качества в виде эффективности управления.

2. Рассматривая систему отопления здания, состоящую из нескольких ИТП, как совокупность одинаковых параллельных подсистем с перекрестными связями между ними, которые объединены общим коллектором как со стороцы источника теплоснабжения, так и со стороны нагрузки, показано, что вместо громоздкой полной структурной схемы системы можно ограничиться изображением звеньев и связей, соответствующих только одной сепаратной эквивалентной системе, что позволяет упростить анализ динамических свойств системы отопления как объекта автоматического регулирования.

3. Предложен метод энергосберегающего управления тепловым режимом здания в условиях неопределенности, позволяющий находить оптимальные номинальные значения режимных параметров системы теплопотребления, обеспечивающих энергосберегающий режим ее работы.

4. Разработана структура энергосберегающей автоматизированной системы управления тепловыми режимами зданий в условиях неопределенности.

5. Решена задача оптимизации настроечных параметров и автоматизированного управления теплопо1реблением в условиях неопределенности в виде чистой стратегии подсистемы теплопотребления, позволяющей минимизировать расход тепловой энергии в системах отопления зданий, оснащенных теп-, лосчетчиками, но не имеющих САР.

6. На базе отечественных и импортных средств автоматизации разработаны и внедрены на объектах г. Челябинска энергосберегающие системы автоматического регулирования тепловых режимов зданий, обеспечивающие до I 30% экономии тепловой энергии. (

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1,

1. Создание методов оптимального управления и энергосберегающих систем автоматического регулирования тепловых режимов в закрытых тепловых сетях зданий: Отчет по НИР / Глухов В.Н., Адршин ЕЛ., Барыкин С.Г.; ЛаГР 01.980006958; Инв. № 02.990003096. - Челябинск, 1998.

2. Глухов В.Н., Алёшин Е.А. Энергосберегающая оптимальная система автоматического контроля и регулирования тепловой энергии в закрытых тепловых сетях с нестационарным режимом работы II Системы обработки информации и управления: Архитектура и программное обеспечение: Тем. сб. науч. тр. - Челябинск: ЮУрГУ, 1998.- С. 52т56.

3. Глухов В.Н., Алёшин Е.А. Энергосберегающая система автоматического регулирования теплового режима в зданиях // Системы управления и информационные технологии: Межвузовский сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1999.- С. 190-197.

4. Глухов В.Н., Алёшин Е.А. Оптимизация управления тепловым режимом здания в условиях неопределенности // Информационно-измерительные и управляющие системы и устройства: Тем. сб. науч. тр. - Челябинск: ЮУрГУ, 2000,- С.29-33.

5. Глухов В.Н., Алёшин Е.А. Регулирование одинаковых параллельных систем отопления // Системы автоматического управления: Тем. сб. науч. тр. -Челябинск: ЮУрГУ, 2000.- С. 30-35.

6. Алёшин Е.А. Математические модели тепловых режимов зданий с учетом взаимосвязи возмущающих воздействий // Вопросы автоматизации и управления в технических системах: Тем. сб. науч. тр. - Челябинск: ЮУрГУ, 2000.-С. 19-20.

7. Алёшин Е.А. Применение аппарата теории игр для оптимизации управления тепловым режимом здания // Информационные, измерительные и управляющие системы и устройства: Тем. сб. науч. тр. - Челябинск: ЮУрГУ, 2002,- С. 15-19.

8. Глухов В.Н., Алёшин Е.А. Расчет параметров настройки процесса теп-лопотреблеиия в зданиях // Приборостроение: Тем. сб. науч. тр. - Челябинск: ЮУрГУ, 2002.- С. 45-4«.

Ii

Издательство Южно-Уральского государственного университета

ИД № 00200 от 28.09.99. Подписано в печать 10.07.2003. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Усл.печ. л. 1,16.Уч.-изд. д. 1. Тираж 100 экз. Заказ 323/367.

УОП Издательства. 454080, г.Челябинск, пр. им. В.И.Ленина, 76.

looj

»tïTî?

ПРЕДИСЛОВИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

Л ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

1.1. Анализ характеристик системы централизованного теплоснабжения.

1.2. Анализ теплотехнических характеристик абонентских теплопотребляющих пунктов.

1.2.1. Виды тепловой нагрузки систем теплоснабжения.

1.2.2. Способы присоединения абонентских теплопотребляющих установок к тепловым сетям.

1.3. Анализ факторов теплового режима здания.

1.3.1. Регулируемые параметры теплового режима.

1.3.2. Возмущающие воздействия.

1.3.3. Вероятностные и детерминированные факторы а теплового режима здания.

1.4. Задачи и методы автоматического регулирования f тепловым режимом здания.

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ КАЧЕСТВА

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ ЗДАНИЯ

2.1. Идентификация теплового режима здания

J на основе вероятностно-статистического подхода.

Iт 2.2. Оценка областей качества теплового режима здания по результатам эксперимента.

2.3. Синтез областей качества энергосберегающего управления тепловым режимом здания.

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ ЗДАНИЯ

В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ.

3.1. Анализ методов решения задач оптимизации теплопотребления.

3.1.1. Декомпозиция и выбор критерия качества.

3.1.2. Динамическая и статическая постановка задачи оптимизации.

3.1.3. Оптимизация по минимуму затрат тепловой энергии.

3.1.4. Многоцелевая оптимизация режима потребления тепловой энергии.

3.2. Синтез схемы и алгоритма оптимального управления системой теплопотребления.

3.3. Применение аппарата теории игр для оптимизации управления системой теплопотребления.

3.4. Динамические свойства системы отопления, состоящей из нескольких индивидуальных тепловых пунктов.

ГЛАВА 4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ

АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ.

4.1. Энергосберегающая система автоматического регулирования теплового режима административного здания.

4.2. Энергосберегающая система автоматического регулирования тепловой энергии здания по ул. Каслинской г. Челябинска.

4.3. Автоматизация системы отопления и горячего водоснабжения здания по ул. Воровского г. Челябинска.

4.4. САР на базе контроллера ТА2222 для автоматизации теплового пункта здания УМНС России по Челябинской области.

4.5. Автоматизация системы отопления и горячего водоснабжения здания в Советском районе г. Челябинска.

Проблема управления качеством теплового режима зданий при минимальных затратах тепловой энергии является одной из важных проблем в области систем теплопотербления. Это связано, в первую очередь, с усложнением алгоритма управления вследствие применения системного подхода в отличие от традиционного, при котором объекты управления рассматривались как автономные.

Среди множества задач, возникающих при решении проблемы управления качеством теплового режима, значительный интерес представляют задачи, связанные с исследованием влияния переменных внешней среды, а также режимных параметров на их выходную характеристику — показатель качества (внутренняя температура). Поэтому актуальна задача разработки методов и систем управления, позволяющих оценивать влияние параметров внешней среды и систем отопления на показатель качества теплового режима здания.

Результаты исследований, содержащиеся в работе, позволяют ответить на вопрос: когда и как надо воздействовать на систему отопления, чтобы обеспечить при минимальных затратах тепловой энергии требуемые показатели качества теплового режима в условиях изменяющихся случайным образом компонентах вектора контролируемых возмущений.

В работе предложен подход к решению задачи управления тепловой энергией, основанный на аппроксимации области функционирования подсистем "внешней среды" и теплового режима совокупностью подмножеств, образованных номиналами режимных параметров и являющихся областями качественного управления независимо от состояния текущих компонент вектора контролируемых возмущений. Используя для характеристики области допустимого качества управления номиналы параметров функции отклика, в работе даются рекомендации по управлению показателем качества теплового режима в пространстве состояний подсистем "внешней среды" и отопления.

ВВЕДЕНИЕ

В условиях рыночной экономики и значительного повышения цен на энергоресурсы особую важность приобретает задача эффективного использования тепловой энергии в системах теплоснабжения и отопления. Современное развитие систем теплоснабжения и отопления направлено на повышение эффективности их функционирования, разработку и внедрение систем автоматического управления ими с привлечением для решения задач идентификации и управления процессами теплопотребления новейших результатов теоретических и прикладных исследований. Настоящая работа освещает вопросы, связанные с построением многофакторных математических моделей, отражающих статистическую взаимосвязь контролируемых, неконтролируемых и управляющих параметров с показателем качества теплового режима здания, применением при синтезе и управлении энергосберегающих систем автоматического регулирования тепловой энергии статистических методов оптимизации, методов назначения допусков, теории игр и построения областей допустимого качества. Внимание также уделяется разработке метода управления тепловым режимом здания в условиях неопределенности при минимальных затратах тепловой энергии.

Большинство существующих систем отопления жилых и общественных зданий работают в неуправляемом режиме [76] и нагревательные приборы в течение длительного времени имеют завышенную мощность, что ведет к массовому перегреву воздуха в помещениях, перерасходу тепловой энергии и снижению теплового комфорта.

Задача регулирования отпуска теплоты на отопление является весьма сложной, поскольку регулируемый параметр - температура отапливаемых помещений зависит от большого числа как внешних, так и внутренних факторов, важнейшими из которых являются [81]: температура наружного воздуха, скорость и направление ветра, солнечная радиация, т.е. факторы, имеющие вероятностный характер; теплоаккумулирующая способность зданий, внутренние тепловыделения; гидравлический и температурный режимы системы теплоснабжения; схемы присоединения потребителей к тепловой сети.

Неизбежные ошибки предсказания по статистическим моделям заставляют назначать уровни регулируемых параметров с определенным запасом, который гарантирует получение заданного качества теплового режима здания. Смысл же корректировки параметров регулирования заключается в том, чтобы этот запас был минимальным, а расход тепловой энергии на отопление и горячее водоснабжение находился в зоне оптимума для каждого вектора контролируемых возмущений или совокупности таких векторов, образующих подмножества, в пределах которых настроечные регулируемые параметры малочувствительны к изменению вектора контролируемых возмущений.

Реальные параметры на входе объекта теплопотребления под действием различных дестабилизирующих факторов отклоняются от расчетных значений в широких пределах, что заставляет рассматривать подсистему теплопотребления как усредненную и в определенном смысле как стохастическую.

Существуют следующие подходы к автоматическому регулированию расхода теплоты на абонентских тепловых пунктах: по отклонению регулируемого параметра (по температуре воздуха в контролируемых помещениях), по возмущению (изменению наружных климатических условий), комбинированные методы (по возмущению и отклонению) [81].

Первый способ позволяет использовать наиболее простые регуляторы и наиболее целесообразен для систем отопления с пофасадным разделением, но, вместе с тем, возникают определенные трудности с выбором представительных помещений, контроля состояния линий связи и датчиков [76]. По мнению ряда организаций, данный принцип не стимулирует потребителей тепловой энергии к ее экономии. [75]. Второй метод регулирования (по возмущению) на абонентских тепловых пунктах реализуется путем поддержания заданного температурного графика в системе отопления в зависимости от наружных метеоусловий. К недостаткам этого метода относят сложность наладки системы регулирования и трудности правильного учета внешних регулирования и трудности правильного учета внешних метеорологических факторов [80].

Уменьшение массы стеновых конструкций и повышение процента остекления в современных полносборных зданиях привело к снижению их тепловой устойчивости и усилению влияния колебаний погоды (возмущающих воздействий) на регулируемый параметр (температуру воздуха) в отапливаемых помещениях.

На региональной информационно-практической конференции "Средства водо и теплоучета, используемые в Уральском регионе. Проблемы учета" и на Международной выставке "Энергосбережение в наше время", проведенными в г. Челябинске в 1994-1995 г.г. отмечено, что идет процесс автоматизированного учета тепловой энергии в связи с ее резким удорожанием. Это позволяет в ряде случаев только лишь переложить деньги из кармана производителя тепловой энергии в карман потребителя, т. е. исключить необоснованные затраты на тепловую энергию по нагрузке. При этом экономии тепловой энергии не создается, а материальные затраты на установку приборов коммерческого учета тепловой энергии возрастают повсеместно.

Изложенное позволяет сформулировать цель работы: разработка энергосберегающей автоматизированной системы и метода оптимизации управления теплопотреблением здания в условиях неопределенности.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1) анализ существующих методов и систем автоматизированного управления и автоматического регулирования расхода теплоты на абонентских тепловых пунктах;

2) разработка математической модели, отражающей взаимосвязь параметров внешней среды и системы теплопотребления с показателем качества теплового режима в виде эффективности управления;

3) построение областей качества, являющихся областями энергосберегающего управления в системах отопления зданий в условиях неопределенности;

4) разработка алгоритмической структуры функционирования энергосберегающей системы управления тепловыми режимами здания в условиях неопределенности, обеспечивающей реализацию режимных параметров, минимизирующих расход тепловой энергии;

5) анализ динамических свойств группы индивидуальных тепловых пунктов, объединенных коллектором со стороны источника питания или со стороны нагрузки, как объекта управления;

6) практическая реализация полученных результатов на объектах, являющихся потребителями тепловой энергии.

В первой главе приводится анализ существующей структуры и иерархии ступеней автоматического управления в системе централизованного теплоснабжения как объекта управления; сравниваются способы присоединения абонентских теплопотребляющих установок к тепловым сетям. При рассмотрении факторов теплового режима здания внимание уделяется регулируемым, управляющим и возмущающим параметрам, классификации их на вероятностные и детерминированные. Показаны, также, достоинства и недостатки различных методов автоматического управления отпуска теплоты на абонентских тепловых пунктах.

Во второй главе на основе анализа методов построения математических моделей управления режимами работы систем теплоснабжения выбирается и рассматривается вероятностно-статистический подход для идентификации теплового режима здания, отличительной особенностью которого является учет стохастического характера процессов, влияющих на тепловой режим. Здесь рассматриваются регрессионные модели, отражающие взаимосвязь параметров подсистем "внешняя среда" и "теплопотребления" с показателем качества теплового режима в виде эффективности управления.

Третья глава посвящена оптимизации управления тепловым режимом здания в условиях неопределенности. Рассматриваются следующие задачи: синтез структуры системы автоматического управления тепловым режимом, обеспечивающей заданную эффективность управления при достижении требуемых значений номиналов настроечных параметров, разработка структурной схемы оптимальной системы и алгоритма оптимального управления тепловым режимом здания. В силу случайного изменения параметров "внешней среды" системы автоматического управления тепловым режимом практически никогда не работают при оптимальных номинальных настроечных параметрах [76]. В результате действия контролируемых и неконтролируемых переменных на входе подсистемы теплопотребления вектор режимных настроечных параметров перемещается в некоторой области. Задача синтеза оптимального управления и состоит в том, чтобы выбрать такую структуру АСУ и такие номиналы настроечных параметров, при которых вектор этих параметров с большей вероятностью не вышел бы за пределы этой области.

В четвертой главе приведены результаты разработки и внедрения энергосберегающих систем автоматического регулирования тепловой энергии в закрытых тепловых сетях зданий. Энергосберегающие системы, реализующие метод оптимального управления в областях качества по экономическому критерию, отражающему функцию цены, и состоящие из подсистемы прогноза теплового режима и подсистемы автоматического регулирования теплового режима в зданиях с коммерческим учетом тепловой энергии, внедрены на различных объектах г. Челябинска.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

1) создана многофакторная математическая модель, отражающая взаимосвязь параметров подсистем "внешней среды" и "теплопотребления" с показателем качества теплового режима в виде эффективности управления;

2) разработан метод энергосберегающего управления тепловыми режимами здания, позволяющий осуществлять коррекцию уставок режимных параметров регуляторов, обеспечивающих минимизацию энергопотребления;

3) разработана алгоритмическая структура функционирования энергосберегающей системы управления теплопотреблением здания в условиях неопределенности, обеспечивающая реализацию режимных параметров, минимизирующих расход тепловой энергии;

4) получено решение задачи оптимизации настроечных параметров и автоматизированного управления процессом потребления тепловой энергии в условиях неопределенности в виде совокупностей стратегий подсистем внешней среды и теплопотребления, являющихся седловой точкой средней эффективности управления и оценки управления, представляющей значение этой функции в седловой точке;

5) разработаны матричные структурные схемы системы отопления здания, состоящей из нескольких индивидуальных тепловых пунктов, на основе матричных уравнений, описывающих динамику системы отопления при действии возмущений как со стороны источника теплоснабжения, так и со стороны нагрузки, которые упрощают анализ динамических свойств системы отопления как объекта автоматического регулирования.

Практическая ценность результатов работы:

1) разработана методика синтеза энергосберегающей автоматизированной системы управления тепловыми режимами в закрытых тепловых сетях зданий в условиях неопределенности, предусматривающая учет взаимосвязи между подсистемами — "внешняя среда" — "теплопотребление" — "система коммерческого учета тепловой энергии" - ЛПР - САР;

2) разработана методика назначения тепловых режимов в зданиях на базе теории игр, обеспечивающих существенную экономию тепловой энергии на стадии отделочных работ внутри здания при отсутствии САР при наличии теплосчетчика;

3) разработаны и внедрены на объектах г. Челябинска энергосберегающие системы автоматического регулирования тепловой энергией, позволяющие получать до 30 % ее экономии.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ЮУрГУ (г. Челябинск, 19982000 гг.), специализированной выставке "Приборостроение-2002" (г. Екатеринбург).

Диссертационное исследование проводилось в рамках целевой Программы "Энергосбережение" Минобразования РФ и научно-исследовательской работы по гранту 103 Гр-98 "Создание методов оптимального управления и энергосберегающих систем автоматического регулирования тепловых режимов в закрытых тепловых сетях зданий", № гос. регистрации 01.980006958.

Основные положения и результаты работы отражены в 7 печатных работах и одном отчете "Создание методов оптимального управления и энергосберегающих систем автоматического регулирования тепловых режимов в закрытых тепловых сетях зданий" по научно-исследовательской работе в рамках гранта в области энергетики.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из предисловия, введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 102 наименований, 3 приложений. Работа изложена на 162 страницах печатного текста, содержит 37 рисунков, 9 таблиц.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель, отражающая взаимосвязь параметров внешней среды и системы теплопотребления с показателем качества в виде эффективности управления.

2. Предложен метод энергосберегающего управления тепловым режимом здания в условиях неопределенности, позволяющий находить оптимальные номинальные значения режимных параметров системы теплопотребления, обеспечивающих энергосберегающий режим ее работы.

3. Разработана структура энергосберегающей автоматизированной системы управления тепловыми режимами зданий в условиях неопределенности.

4. Решена задача оптимизации настроечных параметров и автоматизированного управления теплопотреблением в условиях неопределенности в виде чистой стратегии подсистемы теплопотребления, позволяющей минимизировать расход тепловой энергии в системах отопления зданий, оснащенных теплосчетчиками, но не имеющих САР.

5. Рассматривая систему отопления здания, состоящую из нескольких ИТП, как совокупность одинаковых параллельных подсистем с перекрестными связями между ними, которые объединены общим коллектором как со стороны источника теплоснабжения, так и со стороны нагрузки, показано, что вместо громоздкой полной структурной схемы системы можно ограничиться изображением звеньев и связей, соответствующих только одной сепаратной эквивалентной системе, что позволяет упростить анализ динамических свойств системы отопления как объекта автоматического регулирования

6. На базе отечественных и импортных средств автоматизации разработаны и внедрены на объектах г. Челябинска энергосберегающие системы автоматического регулирования тепловых режимов зданий, обеспечивающие до 30% экономии тепловой энергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Абрамов О.В., Бернацкий Ф.И., Здор В.В. Параметрическая коррекция систем управления. - М.: Энергоиздат, 1982. - 176 с.

2. Аверьянов В.К., Быков С.И. Вероятностно-статистическое описание режима работы системы теплоснабжения // Изв. вузов. Энергетика. — 1979.-№11.- С. 55-60.

3. Автоматика и автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции / А.А Калмаков, Ю.Я. Кувшинов, С.С. Романова, С.А. Щелкунов; под ред. В.Н. Богословского. М.: Стройиздат, 1986 - 479 с.

4. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976 - 279 с.

5. Алберт А. Регрессия, псевдорегрессия и рекуррентное оценивание / Пер. с англ. М.: Наука.: 1977 - 224 с.

6. Алёшин Е.А. Математические модели тепловых режимов зданий с учетом взаимосвязи возмущающих воздействий // Вопросы автоматизации и управления в технических системах: Тем. сб. науч. тр. Челябинск: ЮУрГУ, 2000.-С. 19-20.

7. Алёшин Е.А. Применение аппарата теории игр для оптимизации управления тепловым режимом здания // Информационные, измерительные и управляющие системы и устройства: Тем. сб. науч. тр. Челябинск: ЮУрГУ, 2002.-С.15-19.

8. Анапольская JI.E., Гандин JI.C. Метеорологические факторы теплового режима зданий. Л.: Гидрометеоиздат, 1973 — 239 с.

9. Антушев Г.С. Алгоритм решения задач оптимизации методом перебора номинальных векторов. — В кн.: Управление качеством и надежностью сложных систем. Владивосток, АН СССР, ДВНЦ, Институт автоматики и процессов управления, 1978.

10. Аоки М. Введение в методы оптимизации / Пер. с англ. М.: Наука, 1977-343 с.

11. Благих В.Т. Автоматическое регулирование отопления и вентиляции. Челябинск, кн. изд-во, 1964.

12. Богославский В.М. Тепловой режим здания. М.: Стройиздат, 1979.

13. Богословский В.Н. Вероятностно-статистический метод и перспективы комплексной оптимизации // Водоснабжение и санитарная техника. — 1981, №6.

14. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. М.: Высш. школа, 1982-415 с.

15. Богуславский Л.Д. Теплосбережение жилых зданий и предприятий. — М.: Стройиздат, 1990. 119 с.

16. Бодров В.И., Попов Н.С., Трейгер В.В. Разработка алгоритма управления процессом получения диацетата целлюлозы в условиях неопределенности // Приборы и системы управления, 1978. -№10 С. 15-17.

17. Быкова А.И. Применение температурных графиков для настройки математических моделей, описывающих нестационарный теплообмен в здании // Энергосберегающие индустриальные системы теплоснабжения и вентиляции: Сб. науч. тр. ВНИИГС. Л., 1988. - С. 54-60.

18. Быкова А.И., Аверьянов В.К., Быков С.И. Математическое моделирование программного изменения отпуска теплоты жилым и общественным зданиям // Изв. вузов. Энергетика. — 1988. №9.

19. Вентцель Е.С. Исследование операций. М.: Советское радио, 1972 .552 с.

20. Витальев В.П., Фаликов B.C. Средства автоматизации систем теплоснабжения: здания, города, промышленность. — М.: Энергия, 1993. — 292 с.

21. Вознесенский В.А. Ляшенко Т.В., Огарков Б.Л. Численные методы решения строительно-технологических задач на ЭВМ. — К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989-328 с.

22. Глухов В.Н. Адаптивное управление процессом термообработки. — В материалах координационного совещания по проблемам адаптации XI семинара по адаптивным системам. — Фрунзе: ИПУ АН СССР, 1982.

23. Глухов В.Н. Оптимизация управления процессом термообработки изделий стройиндустрии в условиях неопределенности // Изв. вузов. Строительство, 1994. №12.- С. 74-80.

24. Глухов В.Н. Энергосберегающая система автоматического регулирования теплового режима в зданиях // Средства водо- и теплоучета, используемые в Уральском регионе. Проблемы теплоучета. Концерн "Метран"—ЧЦСМ, 1994.

25. Глухов В.Н., Алёшин Е.А. Оптимизация управления тепловым режимом здания в условиях неопределенности // Информационно-измерительные и управляющие системы и устройства: Тем. сб. науч. тр. — Челябинск: ЮУрГУ, 2000.- С.29-33.

26. Глухов В.Н., Алёшин Е.А. Расчет параметров настройки процесса теплопотребления в зданиях // Приборостроение: Тем. сб. науч. тр. — Челябинск: ЮУрГУ, 2002.-С. 45-46.

27. Глухов В.Н., Алёшин Е.А. Регулирование одинаковых параллельных систем отопления // Системы автоматического управления: Тем. сб. науч. тр. — Челябинск: ЮУрГУ, 2000.- С. 30-35.

28. Глухов В.Н., Алёшин Е.А. Энергосберегающая система автоматического регулирования теплового режима в зданиях // Системы управления иинформационные технологии: Межвузовский сб. науч. тр. — Воронеж: ВГТУ, 1999.-С. 190-197.

29. Гнеденко Б.В., Хинчин А .Я. Элементарное введение в теорию вероятностей. М.: Наука, 1982.

30. Громов Н.К. Абонентские устройства водяных тепловых сетей. — М.: Энергия, 1979-248 с.

31. Грудзинский М.М., Ливчак В.И. Регулирование подачи тепла в системах отопления зданий повышенной этажности // Водоснабжение и санитарная техника. 1975, №4. - С.26-29.

32. Денисов А.Е. Моделирование комплексной системы теплоснабжения // Экотехнологии и ресурсосбережение. 2000, №5. - С. 1-12.

33. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. — М.: Статистика, 1973 392 с.

34. Ефимов Н.В. Квадратичные формы и матрицы. — М.: Наука, 1975.

35. Закс Л. Статистическое оценивание. М.: Статистика, 1976 - 598 с.

36. Зенков В.Ф. Автоматическое регулирование отоплением // Экономика и производство. 1992, №1. - С. 40-52.

37. Зингер Н.М. Гидравлические и тепловые режимы теплофикационных систем. -М.: Энергоатомиздат, 1986 320 с.

38. Зингер Н.М., Бестолченко В.Г., Жидков А.А. Повышение эффективности работы тепловых пунктов. М.: Стройиздат, 1990 — 188 с.

39. Зингер Н.М., Миронов В.Д., Бурд А.Л., Жидков А.А. Система контроля и автоматического регулирования отпуска теплоты на отопление // Теплоэнергетика. 1978, №7. - С. 26-29.

40. Ионин А.А., Хлыбов Б.М., Братенков В.Н., Терлецкая Е.Н. Теплоснабжение. — М.: Стройиздат, 1982. — 336 с.

41. Ищенко В.Н., Черных Л.Ф., Ферт А.Р. Математическая модель и передаточные функции для расчета нестационарного теплового режима зданий // Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1989. №7 — С. 99-102.

42. Карташева Т.М., Штаркман Б.П. Информационные материалы совета по комплексной проблеме "Кибернетика". -М.: АН СССР, 1970, 8 (45).

43. Кононович Ю.В. Тепловой режим зданий массовой застройки. — М.: Стройиздат, 1986 157 с.

44. Куклик Л.Ф., Курбан В.Д., Петров С.П. Индивидуальное регулирование температуры в отапливаемых помещениях // Водоснабжение и санитарная техника. 1984. - №8. - С.12-13.

45. Ливчак В.И. Автоматическое регулирование отопления // Водоснабжение и санитарная техника. — 2000, №2.

46. Мальков Ю.Б. Основные решения по автоматизации систем отопления: Обзорная информация. — М.: ЦНТИ по гражд. строит., 1982. — (Инженерное оборудование населенных мест жилых и общественных зданий, вып.З).

47. Мелентьев Л.А. Системные исследования в энергетике. — М.: Наука, 1979-455 с.

48. Мелентьев Л.А. Системы энергосбережения зданий и промышленных предприятий. М.: Стройиздат, 1993. — 363 с.

49. Михайленко И.М. Классификационный анализ и синтез технологических схем автоматизированных абонентских тепловых пунктов // Энергосберегающие индустриальные системы теплоснабжения и вентиляции: Сб. науч. тр. ВНИИГС. Л., 1988. - С. 61-69.

50. Михайленко И.М. Структурно-параметрический синтез автоматизированных систем отопления: Сб. науч. тр. НИКМ МЭСХ НЗ РСФСР. Л., 1982. — С.13-18.

51. Мухин О.А. Автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции.-Минск, 1986.

52. Мухин О.А., Сергеев B.C. Управление микроклиматом зданий по принципу комбинированного регулирования отпуска тепла // Управление микроклиматом в обогреваемых зданиях. Челябинск: 1981 — С. 34-35.

53. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. — М.: Наука, 1965.

54. Николаев В.Б. Эффективные методы управления системами теплоснабжения. М.: Стройиздат, 1990. - 121 с.

55. Пугачев B.C. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Наука, 1979 496 с.

56. Розенвассер Е.Н., Юсупов P.M. Методы теории чувствительности в автоматическом управлении. М.: Энергия, 1971.

57. Рузинов Л.П., Слободчикова Р.И. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. — М.: Химия, 1980.

58. Савицкий С.К. Инженерные методы идентификации энергетических объектов. Л.: Энергия, 1978 — 70 с.

59. Сафонов А.П. Автоматизация систем централизованного теплоснабжения. М.: Энергия, 1974. — 272 с.

60. Себор Дж. Линейный регрессионный анализ / Пер. с англ. — М.: Мир, 1980-456 с.

61. Сеннова Е.В., Сидлер В.Г. Математическое моделирование и оптимизация теплоснабжающих систем. М.,1987.

62. Соболев О.С. Однотипные связные системы регулирования. — М.: Энергия, 1973 136 с.

63. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М.: Энергоиздат, 1982-360 с.

64. Степанов К.П. Тенденции развития систем теплоснабжения // Эко-технологии и ресурсосбережение. — 2000, №2. — С.15-24.

65. Табунщиков Ю.А. Расчеты температурного режима помещения и требуемой мощности для его отопления. М.: Стройиздат, 1981.

66. Темпель Ю.Я. Математическое моделирование нестационарного теплообмена в системах теплоснабжения // Автоматика, телемеханика и вычислительная техника. Вып. 101. №6. М.: ОНТИ АКХ, 1972 - С. 129-135.

67. Терехова Т.Г. и др. Геометрический подход к разделению испытываемых объектов по группам надежности. — В кн. Автоматизированные системы управления и приборы автоматики. Вып. 53. — Харьков, Вища школа, 1980.

68. Токарев В.М. Автоматизация процессов теплоснабжения. — М.: Энергия, 1997.-147 с.

69. Туркин В.П. Водяные системы отопления с автоматическим управлением для жилых и общественных зданий. М.: Стройиздат, 1976.

70. Туркин В.П., Туркин П.В., Тыщенко Ю.Д. Автоматическое управление отоплением жилых зданий. — М.: Стройиздат, 1987 — 192 с.

71. Федяев А.В. Развитие теплоснабжающих систем. — М.: Энергия, 2000.-254 с.

72. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. — М.: Мир, 1975 534 с.

73. Чистович С.А Автоматическое регулирование расхода тепла в системах теплоснабжения и отопления. JL: Стройиздат, 1975 — 159 с.

74. Чистович С.А. Научно-технические задачи автоматизации систем теплоснабжения // Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт, 1984. -№1 — С. 99107.

75. Чистович С.А., Аверьянов В.К., Темпель Ю.Я. Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления. — Л.: Стройиздат, 1987 — 248 с.

76. Юрманов Б.Н. Автоматизация систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. — Л.: Стройиздат, 1976 232 с.

77. Юфа А.И., Носулько Д.Р. Комплексная оптимизация теплоснабжения. -Киев: Тэхника, 1988 — 135 с.

78. Горячев Л.В., Здор В.В. Построение областей качества по результатам наблюдений. В кн.: Качество и надежность систем управления. — Владивосток, 1977, с. 104- 110.

79. Кузен Л.Т. Основы кибернетики. -М.: Энергия, 1973.

80. Розен В.В. Цель оптимальное решение. — М.: Радио и связь, 1982.,

81. Бородюк В.П., Псарев Б.Г. Проверка адекватности регрессионной модели в пассивном эксперименте // Труды МЭИ, вып. 445. -М.: МЭИ, 1980.

82. Бородюк В.П., Лецкий Э.К. Статистическое описание промышленных объектов. -М.: Энергия, 1971.

83. Супоня А.А. Абрамов О.В., Здор В.В. Допуски и номиналы систем управления. — М.: Наука, 1976.

84. Браверман Э.М. Математические модели планирования и управления в экономических системах. — М.: Наука, 1976.

85. Богуславский Л.Д. Экономика теплогазоснабжения и вентиляции. — М.: Стройиздат, 1988.

86. Богуславский JI.Д. Снижение расходов энергии при работе систем отопления и вентиляции. — М.: Стройиздат, 1985.

87. Водяные тепловые сети: Справочное пособие по проектированию / И.В. Беляйкина, В.П. Литвак, Н.К. Громов и др.; Под ред. Н.К Громова, Е. Шубина. -М.: Энергоатомиздат, 1988, 376 с.

88. Емельянов А.И., Капник О.В. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1983, — 399 с.

89. Литвак В.И. Энергосбережение в системах централизованного теплоснабжения на новом этапе развития Н Энергосбережение, 2000, №2.

90. Локшин Л.С. Пофасадное регулирование отопления жилых зданий // Водоснабжение и сантехника.— 1983.—№8.

91. Меклер В.Я., Раввин Л.С. Автоматическое регулирование санитарно-технических и вентиляционных систем. — М.: Стройиздат, 1982, — 224 с.

92. Постаушкин В.Ф., Шнайдер Д.А., Калинин П.В., Касюк С.Т. Моделирование теплового режима здания // Системы автоматического управления: Тем. сб. науч. тр. Челябинск: ЮУрГУ, 2000.- С. 66-73.

93. Туркин В.П. Экономия тепловой энергии на отопление жилых зданий при централизованном теплоснабжении // Водоснабжение и сантехника.— 1982.-№7.

94. Чистяков Н.Н., Грудзинский М.М., Ливчак В.И., Покровская И.Б., Прохоров Е.И. Повышение эффективности работы систем горячего водоснабжения.-М.: Стройиздат, 1988.

95. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха: Справ. пособие/Л.Д. Богуславский, В.И. Ливчак, В.П. Титов и др.; Под ред. Л.Д. Богуславского и В.И. Ливчака. — М.: Стройиздат, 1990. 624 с.