автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Методы и алгоритмы повышения энергоэффективности многоуровневой системы централизованного теплоснабжения

005054369

На правах рукописи

ВОЛОГДИН СЕРГЕЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГОУРОВНЕВОЙ СИСТЕМЫ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и технике)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

- 1 НОЯ 2012

Ижевск 2012

005054369

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Якимович Борис Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор -

Тененев Валентин Алексеевич (ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»)

доктор физико-математических наук, профессор -Карпов Александр Иванович (ФГБУН Институт механики Уральского отделения РАН)

доктор физико-математических наук, профессор -Гитман Михаил Борисович (ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»)

Ведущая организация Нижегородский Инвестиционный Центр Энергоэффективности - НН (г. Нижний Новгород)

Защита диссертации состоится « 13 » декабря 2012 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.06 в ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова» по адресу по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. 30 лет Победы, 2, корп. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИжГТУ.

Отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 426069, гЛжевск, ул.Студенческая, 7, Ученому секретарю совета Сяктереву В.Н. Тел./факс: (3412)59-05-49; E-mail: dissovet@istu.ru

Автореферат разослан « 09 » октября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.065.06 к.т.н., доцент

В.Н. Сяктерев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время в различных областях человеческой деятельности все большее внимание уделяется математическому моделированию технических систем. Данный подход целесообразно применять в тех случаях, когда изучение того или иного явления непосредственно экспериментальными методами затруднено техническими или финансовыми проблемами, а также недопустимой длительностью проведения экспериментов. К такому случаю относится и исследование режимов системы централизованного теплоснабжения (СЦТ).

Необходимость создания математических методик и программных средств для исследования и оптимизации системы теплоснабжения продиктовано тем, что экономия и повсеместный учет энергетических ресурсов становится одним из главных приоритетов государственной политики.

Основные положения, определяющие необходимость проведения работ по повышению энергоэффективности закреплены Федеральным Законом от 23.11.09г. №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», постановлением Правительства Российской Федерации от 13.11.09г. №1234-р «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года».

Теплоснабжение городов со всей их инфраструктурой в настоящее время осуществляется преимущественно от централизованных источников тепла, состоящих из источников выработки тепловой энергии, тепловых сетей и потребителей тепла. Централизованная система теплоснабжения представляет трехуровневую иерархическую систему со всеми присущими таким сложным системам особенностями поведения (нелинейность, взаимозависимость, изменчивость и т.д.). В силу постоянного развития системы теплоснабжения (рост присоединенной нагрузки на котельные и ЦТП за счет новых абонентов, увеличивается разветвленность и протяженность тепловых сетей и др.) усиливаются взаимосвязи между ее различными уровнями и подсистемами. Так как различные уровни централизованной системы теплоснабжения взаимозависимы, то решения по ее функционированию, принимаемые по каждой подсистеме в отдельности, не являются оптимальными для системы в целом.

Оптимальное регулирование различных уровней теплоснабжения потребителей с учетом их взаимозависимости является важнейшим условием существенного сокращения потерь тепла. В соответствии с Федеральным законом № 261-ФЗ, одной из важнейших задач в области энергосбережения является повышение эффективности использования тепловой энергии в жилищно-коммунальном хозяйстве страны.

Для принятия технических и управленческих решений направленных на повышение энергоэффективности СЦТ за счет снижения дисбаланса на взаимозависимых уровнях системы централизованного теплоснабжения не-

обходимо задачи анализа теплогидравлического режима и оптимизации параметров на различных уровнях СЦТ решать в комплексе с использованием методов математического моделирования, энергоаудита, а также компьютерных методов обработки информации.

Степень научной разработанности проблемы. Построению моделей тепловых и гидравлических режимов систем теплоснабжения посвящено множество работ, среди которых можно отметить работы А.Д. Альштуля, В.Н. Богославского, Н.М. Зингера, С.С. Кутатедзе, А.Н. Сканави, В.Г. Шухова, С.А. Чистовича, В.М. Чаплина, А.П. Меренкова.

Существенный вклад в развитие отечественной школы в области централизованного теплоснабжения внес профессор Московского энергетического института Соколов Е.Я.

Вопросы оптимизации параметров системы централизованного теплоснабжения рассматриваются в работах А.П. Меренкова, А.М. Занфирова Б.Л. Шифринсона, В.Я. Хасилева, Е.В. Сенновой, А.Г.Евдокимова, Г.В. Монахова, Ф.И. Стратан, В.Ф. Иродова, O.A. Некрасовой, М.Г. Сухарева и др. Вопросы проектирования систем централизованного теплоснабжения с учетом надежности рассмотрены в работах A.A. Ионина, Е.В. Сенновой, В.Е.Константиновой, Г.Х. Умеркина., А.И. Юфа, В.Е. Константиновой, Н.К. Громова. Математическая модель теплового баланса зданий рассматриваются в работах Ю.А. Табунщикова, Ю.А. Матросова.

При этом в отечественной и зарубежной литературе отсутствуют работы, в которых системно и комплексно исследуются вопросы повышения эффективности функционирования СЦТ за счет снижения дисбаланса системы теплоснабжения на всех ее взаимозависимых уровнях и подсистемах.

Объект исследования: иерархическая система теплоснабжения, состоящая из трех уровней: ■S первый уровень - сеть магистральных теплопроводов между теплоисточниками и центральными тепловыми пунктами (ЦТП); •S второй уровень - сеть коммунальных тепловых сетей между ЦТП и зданиями, являющимися потребителями тепловой энергии;

5 третий уровень - тепловые сети внутри зданий и сооружений.

Предмет исследования: математические модели, методики, алгоритмы исследования и оптимизации теплового и гидравлического режима многоуровневой системы теплоснабжения.

Цель диссертационной работы: научное обоснование технических и управленческих решений, направленных на снижение дисбаланса многоуровневой системы централизованного теплоснабжения за счет применения системного подхода к оптимизации параметров системы теплоснабжения.

Для достижения цели исследования поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка методологии построения системы математических моделей для принятия технических и управленческих решений по снижения дисбаланса системы централизованного теплоснабжения.

2. Разработка комплексного алгоритма расчета равновесных температур помещений.

3. Разработка алгоритма оптимизации параметров тепловой сети с целью принятия управленческих решений по эффективному отпуску тепловой энергии на теплоисточниках.

4. Разработка алгоритма оптимизации тепловых потоков между абонентами системы централизованного теплоснабжения.

5. Разработка алгоритма структурно-параметрического синтеза для оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов системы отопления зданий.

6. Исследование системных связей и закономерностей температурного режима абонентов тепловой сети, обслуживаемых едиными теплоисточниками.

7. Разработка проблемно-ориентированного пакета прикладных программ для принятия управленческих решений по повышению энергоэффективности системы централизованного теплоснабжения.

Методы исследования основаны на использовании методов системного анализа, решения задач линейного и нелинейного программирования, алгоритмов структурно-параметрического синтеза, численных методов решения систем нелинейных уравнений, методы обработки, анализа и визуализации информации; использован аппарат математического моделирования, объектно-ориентированного проектирования и программирования.

Основные научные результаты:

1. Методология построения системы математических моделей снижения дисбаланса системы централизованного теплоснабжения, основанная на системном применении методов оптимизации параметров на различных уровнях системы теплоснабжения, включающая в себя методы оптимизации мощности теплоисточников (первый уровень системы теплоснабжения), оптимизации тепловых потоков между абонентами тепловой сети (второй уровень), оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов системы отопления зданий (третий уровень).

2. Комплексный алгоритм расчета равновесных температур помещений, основанный на системном применении алгоритмов решения уравнений теплового баланса помещений, гидравлического и теплового расчета системы отопления зданий, расчета тепловых потерь теплопроводностью и инфильтрацией через ограждающие конструкции здания, расчета водоструйного элеватора.

3. Алгоритм оптимизации параметров тепловой сети и мощности теплоисточников для минимизации затрат на производство и транспортировку теплоносителя.

4. Алгоритм оптимизации тепловых потоков между абонентами многоконтурной тепловой сети, обслуживаемых несколькими теплоисточниками, включающий в себя решение задач снижения дисбаланса температурного режима зданий, гидравлического и теплового расчета тепловой сети и системы отопления зданий, расчета тепловых потерь через ограждающие конструкции помещений, расчета водоструйного элеватора, решение уравнений теплового баланса отдельных помещений зданий.

5. Математическая модель и алгоритм структурно-параметрического синтеза для оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов системы отопления зданий с целью минимизации дисбаланса отопительной системы.

6. Исследовано влияние сетевого расхода, температуры теплоносителя и диаметров сопл элеваторных узлов на температурный режим помещений, а также определена структура тепловых потерь через различные элементы ограждающих конструкций, как отдельных квартир, так и зданий в целом.

7. Пакет прикладных программ «Энергоэффективность» для принятия управленческих решений по повышению энергоэффективности системы централизованного теплоснабжения, разработанный на основе программной реализации математических алгоритмов снижения дисбаланса системы теплоснабжения, методов энергоаудита, а также компьютерных методов обработки информации для визуализации и анализа информации по различным элементам тепловой сети.

Достоверность и обоснованность полученных результатов:

1. Используемые математические модели основаны на фундаментальных положениях вычислительной математики, теории тепломассобмена и теории гидравлических цепей.

2. При решении оптимизационных задач достоверность обеспечена корректностью постановки рассматриваемых задач, а также проведенными исследованиями по сходимости численных методов.

3. При проверки адекватности алгоритма расчета равновесных температур помещений достоверность подтверждается точностью совпадения модельных значений температур с фактическими значениями (экспериментальными измерениями), при этом ошибка расчета подчиняется нормальному закону распределения.

4. Полученные выводы и рекомендации по повышению энергоэффективности СЦТ подтверждаются качественными особенностями функционирования режимов теплоснабжения.

Научная новизна работы:

1. Впервые разработан комплекс системных моделей, направленный на снижение дисбаланса системы централизованного теплоснабжения, отличающийся от существующих широтой охвата параметров исследований, учетом взаимосвязанных энергетических, экономических и управ-

ленческих процессов между различными уровнями системы централизованного теплоснабжения.

2. Новизна алгоритма расчета равновесных температур помещений заключается в совместном решении системы уравнений теплового баланса помещений и задачи расчета температуры теплоносителя в отопительной системе здания с водоструйным элеватором.

3. Алгоритм оптимизации параметров тепловой сети впервые объединяет алгоритмы определения оптимальных напоров насосных станций, оптимальной производительности теплоисточников для многоконтурной тепловой сети, расчета себестоимости производства тепловой энергии.

4. Алгоритм оптимизации тепловых потоков между абонентами тепловой сети, в отличие от существующих алгоритмов основан на совместном решении задач по оптимизации диаметров сопл элеваторных устройств и расчету равновесных температур помещений абонентов.

5. Новизна алгоритма структурно-параметрического синтеза по снижению дисбаланса отопительной системы зданий заключается в совместном решении задач определения структуры модели «отопительный прибор -термостат» (схема и способ подключения, мощность приборов отопления), оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов (термостатов приборов отопления), расчету равновесных температур помещений.

6. Впервые исследовано влияние диаметров сопл элеваторных узлов, расхода и температуры теплоносителя на температурный режим как отдельных помещений в зависимости от расположения в системе отопления зданий, так и группы зданий, обслуживаемых едиными теплоисточниками.

7. Программный комплекс «Энергоэффективность» впервые системно объединяет алгоритмы оптимизации параметров многоуровневой системы централизованного теплоснабжения, расчета равновесных температур помещений, комплексного расчета теплогидравлических режимов от теплоисточников до индивидуального потребителя и методы энергоаудита применительно к задаче снижения дисбаланса системы централизованного теплоснабжения.

Научная и практическая значимость работы заключается в разработке математических моделей, алгоритмов оптимизации, а также базы данных различных элементов тепловой сети, образующих пакет прикладных программ «Энергоэффективность», позволяющий:

решить задачу по минимизации дисбаланса системы теплоснабжения в комплексе на всех уровнях иерархической системы теплоснабжения с учетом взаимозависимости различных уровней;

определить оптимальный отпуск тепловой энергии на отопление и горячее водоснабжение, а также оптимальный напор теплоносителя на различных участках многоконтурной тепловой сети при минимизации за-

трат на производство и транспортировку теплоносителя;

^ проводить комплексный автоматизированный теплотехнический расчет многоконтурной тепловой сети (расчет равновесных температур помещений, тепловых потерь отдельных помещений зданий в целом, распределения расхода и температуры теплоносителя на различных участках системы отопления зданий и тепловой сети);

^ проводить технико-экономическое обоснование различных вариантов реализации реформы жилищно-коммунального хозяйства в части экономии тепловых ресурсов и количественного учета потребителей тепловой энергии;

^ осуществлять энергоаудит, как отдельных квартир, так и зданий в целом, составлять энергетические паспорта объектов теплопотребления, а также анализировать эффективность различных энергосберегающих процедур.

^ Результаты работы могут быть рекомендованы:

^ научным организациям и предприятиям, занимающихся теоретическими и прикладными исследованиями в области разработки и создания программно-вычислительных комплексов для расчета и оптимизации гидравлических и тепловых режимов централизованной системы теплоснабжения;

^ соответствующим службам для подготовки оптимальных управленческих решений в штатных и аварийных ситуациях с целью оптимизации распределения тепловых потоков, экономии тепловых ресурсов и количественного учета потребителей тепловой энергии.

Реализация результатов работы. Внедрение результатов работы подтверждается соответствующими актами. На основании полученных в диссертации теоретических и практических результатов выполнено более 40 научно-технических отчетов, в частности:

1. Разработка информационно-аналитической системы расчета теплообмена и теплоснабжения комплекса зданий городской больницы №4 г. Ижевска.

2. Проведение энергоаудита и создание баз данных графической и цифровой информации для расчета режимов теплообмена и теплоснабжения комплекса зданий, обслуживаемых ЦТП №5 (заказчик ГЖУ г. Ижевска).

3. Энергоаудит ОАО «Чепецкий механический завод».

4. Разработка Концепции развития ТЭК Удмуртской Республики на период 2003-201 Огоды.

5. Энергетическое обследование и разработка мероприятий по снижению потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) СП «Тепловые сети» филиала «Генерация» ОАО «Удмуртэнерго».

6. Гидравлический расчет и энергоаудит тепловых сетей п. Игра, п. Южный.

7. Энергетическое обследование объектов бюджетной сферы УР, в.т.ч. Государственный театр оперы и балета Удмуртской Республики и др. организаций г. Ижевска, организаций Дебёсского, Сарапульского, Мало-пургинского, Селтинского, Боткинского и Шарканского районов.

8. Разработка Республиканской Программы «Энергоэффективность в бюджетной сфере и жилищно-коммунальном хозяйстве районов Удмуртской Республики» Алнашского, Селтинского, Сюмсинского, Бале-зинского районов.

9. Создание единой информационно-аналитической системы учета ТЭР в организациях бюджетной сферы УР.

10. Разработка программного комплекса информационного обеспечения проекта «Концепция развития централизованного теплоснабжения г. Ижевска на 2010 год с перспективой до 2015 года».

Апробация работы. Основные результата диссертационной работы докладывались на: 31-й, 33-й научно-технической конференции «Ученые ИжГТУ - производству» (Ижевск, 1998, 2001), Международной конференции «Современное газоиспользующее оборудование и технологии в решении энергосберегающих и экологических проблем в газовой промышленности» (Ижевск, 1999), 3-й, 4-й, 5-й Всероссийской конференции «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения» (Нижний Новгород, 1999, 2000, 2001), 1-й, 3-й, 4-й Международной конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 1999, 2001, 2003), Международной конференции «Энергосберегающие технологии» (Казань, 2001), научно-практическом семинаре «Энергосбережение в ЖКХ» (Ижевск, 2001), 4-й Международной конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2003), Международном научно-практическом семинаре «Энергосбережение и возобновляемая энергетика» (Сочи, 2005), Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2005), школе-конференции «Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники» (Чайковский, 2006), Всероссийской научно-практической конференции «Научно-промышленная политика и перспективы развития Урала и Сибири» (Екатеринбург, 2007), Международной on-line конференции «Современные проблемы экономики, бизнеса и менеджмента: теория и практика» (Ижевск, 2008, 2011), 19-ом Международном симпозиуме DAAAM «Интеллектуальное производство и автоматизация в промышленности» (Словакия, 2008), 8-ой Международной научно-практической конференции «Современное состояние естественных и технических наук» (Москва, 2012).

Результаты работы отмечены Государственной премией Удмуртской Республики в области науки и техники (2003 г.), Премией европейского концерна FESTO и сертификатом лучших авторов Международного симпозиума

БАЛАМ (2008 г.), дипломом ВДНХ на Всероссийском форуме «Образовательная среда-2009». Имеются акты об использовании результатов диссертационной работы в организациях Удмуртской Республики.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 36 работах, из них 11 работ — в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторских диссертаций, 9 статьей опубликованы за единоличным авторством, имеются 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Личное участие автора состоит в разработке постановке задач исследования, разработке и выборе используемых алгоритмов. При непосредственном участии автора разработаны методики, алгоритмы и программный комплекс решения поставленных задач. При личном участии автора проводился анализ и интерпретация результатов.

Структура и объем работы. Объем диссертации составляет 291 страниц, включая 70 рисунков и 107 таблиц. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 300 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и практическая значимость проведенного в работе исследования. Формулируется цель работы и задачи исследования. Сформулирована научная новизна и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе проводится обзор литературы и существующих подходов решения задач потокораспределения, теплового расчета и оптимизации структурных элементов системы централизованного теплоснабжения, а также проводится анализ возможностей и структуры существующих программных комплексов по расчету системы теплоснабжения.

Проведенный анализ литературы позволяет сделать следующие выводы.

1. Для принятия управленческих решений направленных на повышение энергоэффективности СЦТ необходимо задачи анализа теплогидравли-ческого режима и оптимизации параметров на различных уровнях СЦТ решать в комплексе с использованием методов математического моделирования.

2. Математическое описание установившихся режимов движения жидкости в системах труб подчиняется сетевым законам Кирхгофа. Предметом теории гидравлических цепей являются вопросы математического моделирования и решения задач расчета, оптимального проектирования и управления функционированием трубопроводных систем.

3. Задачи схемно-структурной оптимизации системы теплоснабжения являются сложным объектом для применения математических методов оптимизации в виду наличия многоэкстремальности решения и необходимости учета множества факторов и ограничений. В настоящее время от-

сутствуют аналитические методы и универсальные алгоритмы нахождения решения задачи схемно-структурной оптимизации.

4. Существующие математические модели теплового баланса отдельных помещений и здания в целом учитывают длинноволновую и коротковолновую радиацию в помещении, конвективный теплообмен, внутренние источники и теплоаккумуляционные характеристики оборудования в нестационарном тепловом режиме. Однако существующие модели не учитывают теплогидравлический режим системы отопления зданий в сопряженной постановке задачи.

5. Отсутствуют программно-вычислительные комплексы расчета тепловых потерь и равновесных температур отдельных помещений (квартир) с учетом теплогидравлического режима системы отопления зданий.

6. Отсутствуют комплексные подходы к оптимизации параметров на взаимозависимых уровнях системы централизованного теплоснабжения с целью снижения дисбаланса температурного режима зданий.

Вторая глава посвящена систематизации математических моделей расчета режимов системы теплоснабжения и теплообмена зданий, необходимых для разработки алгоритма расчета равновесных температур помещений, а также комплекса алгоритмов снижения дисбаланса СЦТ, представленного в третьей главе.

Расчет режимов теплоснабжения и теплообмена зданий, обслуживаемых теплоисточником, состоит из следующих этапов:

1) расчет гидравлических режимов тепловой сети микрорайона;

2) расчет теплоотдачи надземных и подземных теплопроводов;

3) расчет теплового баланса жилых зданий;

4) расчет потокораспределения теплоносителя отопительной системы здания;

5) расчет тепловых потерь квартир и дома в целом.

Движение теплоносителя в установившемся режиме по многоконтурной сети подчиняется системе уравнений, составленной на основе первого (закон неразрывности потока) и второго (сумма перепадов давлений всех линейно независимых контуров цепи равна нулю) законов Кирхгофа:

где А - матрица соединения узлов и ветвей; В - матрица контуров; g - вектор действующего расхода теплоносителя в узлах; х и у- векторы расхода и перепада давлений на ветвях соответственно.

Связь между векторами х и у определяется соотношением, составленным на основе уравнения Бернулли:

(1)

1д>

(2)

где ¡гд - вектор действующего напора на ветвях; 5 и Х- диагональные матрицы, элементами которых являются соответственно коэффициенты гидравлических сопротивления и модули расходов |х( | ветвей.

Решение задачи потокораспределения начинается с создания расчетной схемы тепловой сети микрорайона в виде ориентированного графа (рисунок 1). В качестве ветвей выступают участки разветвленной сети, в которых расход теплоносителя не изменяется.

Рисунок 1 - Граф системы теплоснабжения: а) микрорайона; б) здания

Результатом данного расчета является определение расходов теплоносителя, перепадов давления на ветвях многоконтурной системы тепловой сети района, а также располагаемого напора теплоносителя на абонентских вводах зданий. По результатам гидравлического расчета проводится тепловой расчет сети с целью определения тепловых потерь трубопроводов и температуры теплоносителя на абонентских вводах зданий. Данные параметры являются исходными для расчета температур помещений.

В работе предложен новый комплексный алгоритм расчета равновесных температур помещений, основанный на совместном решении системы уравнений теплового баланса помещений и задачи расчета температуры теплоносителя в отопительной системе здания. Определение значений равновесных температур и основывается на совместном решении задачи расчета температуры теплоносителя в отопительной системе здания и системы уравнений теплового баланса помещений (в установившемся режиме теплообмена теплоприход от источников теплоты равняется тепловым потерям).

Тепловые потери помещения определяются суммой тепловых потерь через стеновые 0.ст, оконные ограждения <2Ж, тепловые потери через двери Яде. пол

впол» потолок 0,пот • Теплоприход определяется суммой теплоотдачи от отопительных приборов Qnp и трубопроводов стояков, расположенных в помещении (~)тр (см. рисунок 2).

Таким образом, тепловой баланс здания определяется формулой:

всп, + 81, + вйш + + 8ок + 8"„к + 8мб = <2„р + втр ■

в:

Рисунок 2 — Схема теплового баланса здания

На рисунке 3 представлена структура и связи элементов системы централизованного теплоснабжения, используемых в алгоритме расчета равновесных температур. Связь между различными уровнями системы теплоснабжения осуществляется через трубопроводы, передающих теплоноситель, при этом температура внешней среды является определяющей при расчете температуры помещений.

Рисунок 3 - Структура и связи элементов системы теплоснабжения применительно к расчету равновесных температур I,

Значения средних температур абонентов вычисляются как средневзвешенные величины температур помещений зданий, определяемых из системы уравнений теплового баланса, составленной для каждого здания в отдельно-

сти. При решении системы уравнений теплового баланса совместно решаются следующие задачи: ^ гидравлический расчет системы отопления зданий (определяются расходы теплоносителя по стоякам и к отопительным приборам); ^ тепловой расчет системы отопления зданий (определяется температура теплоносителя по длине подающего трубопровода, по стоякам и в обратном трубопроводе; определяется теплоотдача трубопроводов и отопительных приборов); ^ расчет тепловых потерь теплопроводностью и инфильтрацией через

ограждающие конструкции помещений здания; ^ тепловой расчет водоструйного элеватора (расчет температуры теплоносителя после камеры смешения).

В соответствии с формулами расчета теплоотдачи отопительных приборов и тепловых потерь через ограждающие конструкции балансовое уравнение для расчета температуры в помещении в общем виде может быть записано следующим образом:

где Кпр и Ктр - коэффициенты теплопередачи отопительного прибора и трубопроводов, отнесенные ко всей их поверхности; К - коэффициент теплопередачи 7-ого фактора теплообмена помещения с улицей; Ккр - коэффициент теплопередачи ти-ого фактора теплообмена помещения с граничащими помещениями; у'0 - количество факторов теплообмена помещения с улицей; т0 - количество факторов теплообмена рассчитываемого помещения с граничащими помещениями, равновесная температура которых равна ; /0 и -

количество тепловых приборов и трубопроводов в помещении соответственна {пР, - температура теплоносителя в /-ом отопительном приборе; ¡тр -

температура теплоносителя в л-ом трубопроводе; г - номер помещения; N -количество помещений в здании.

г

'тр'

1+1 , 2=1,(3)

п„гр 'Р + 0огрРогр{и)а-с

где циом и Р - номинальная плотность теплового потока и площадь отопительного прибора соответственно; х„р- действительный расход воды в приборе; ппр, р„р - экспериментальные коэффициенты; спр- коэффициент, учитывающий схему присоединения отопительного прибора; Когр(т) и Когр(и) - коэффициенты теплопередачи, учитывающие теплопроводность ограждения и инфильтрацию воздуха соответственно; - приведенное сопротивление

теплопередачи ограждения; Р^ - площадь ограждения; п - табличный поправочный коэффициент, зависящий от типа поверхности ограждения (пол, стена, потолок); р - поправочный коэффициент, учитывающий ориентацию стены относительно сторон света; Отр - количество воздуха, поступающего через ограждение путем инфильтрации; а - поправочный коэффициент, учитывающий нагревание воздуха в межстекольном пространстве окон и балконных дверей; с - удельная массовая теплоемкость воздуха.

Расходы теплоносителя хпр определяются решением задачи гидравлического расчета отопительной системы здания из системы (1)-(2). Температуры теплоносителя 1нр и ¡тр, помимо прочих факторов, являются функцией от

температур помещений, по которым проходят стояки отопительной системы здания, поэтому алгоритм расчета температуры помещений включает в себя два основных цикла. На внешнем цикле решается система уравнений теплового баланса (3), а на внутреннем - определяется температура теплоносителя.

Нелинейная система уравнений (3) решается методом последовательных приближений:

4*+1>=а-£{ы>+(1-аМ*>, 0<а<1,

где

1> = 1_£=1_) М СТ = 1_

" Л> щ

X Когр, + И Ко.-рт

I '-1 I

Для проверки адекватности разработанной методики расчета равновесных температур помещений проведено сравнение модельных значений температур с фактическими значениями для типовых зданий одного из микрорайонов г. Ижевска (число элементов выборки эксперимента - 270 помещений). Как показал анализ результатов, среднеквадратическое отклонение фактических значений температуры помещений от расчетных значений составило 1,4°С, при этом ошибка расчета равновесных температур помещений подчиняется нормальному закону распределения (см. рисунок 4).

(-4.5;-3.5) (-3.5,-2.5) (-2.5;-1.5) (-1,5;-0.5) (-0,5;0,5) (0,5;1,5) (1.5;2.5) (2.5;3.5) (3.5;4.5) Отклонение модельных значений температуры от фактических,°С

Рисунок 4 - Распределение ошибки расчета температур помещений

Таким образом, разработанная математическая модель расчета равновесных температур вполне удовлетворительно описывает процесс теплообмена помещений.

Третья глава посвящена методологии построения системы математических моделей для принятия технических и управленческих решений по снижению дисбаланса системы централизованного теплоснабжения.

Для повышения энергоэффективности СЦТ необходима системная оптимизация параметров иерархической системы теплоснабжения с целью принятия управленческих и технических решений, направленных на снижение дисбаланса на взаимозависимых уровнях системы централизованного теплоснабжения (см. рисунок 5).

Подсистема I уровня

Директивное управление \ мощностью теплоисточников |---

Подсистема III уровня

Управление тепловыми потоками между ЦТП

[ Управление тепловыми ! | потоками между зданиями [

Управление тепловыми потоками между отопит, приборами

у'

Рисунок 5 - Обобщенная схема управления тепловыми потоками в системе централизованного теплоснабжения

Комплекс математических моделей и алгоритмов включает в себя: алгоритм оптимизации мощности теплоисточников (горизонтальная связь на первом уровне) и тепловых потоков между ЦТП (вертикальная связь первого и второго уровней);

алгоритм оптимизации тепловых потоков между абонентами тепловой сети (вертикальная связь второго и третьего уровней); алгоритм оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов системы отопления абонентов на третьем уровне.

Разработка алгоритма оптимизации тепловых потоков между абонентами системы централизованного теплоснабжения. Неэффектное распределение потоков тепловой энергии между зданиями и в отопительной системе отдельных зданий в системе централизованного теплоснабжения приводит к росту дисбаланса системы теплоснабжения, что в конечном итоге приводит к повышению расхода тепловой энергии. Разбалан-сировка системы теплоснабжения на уровне ЦТП -» здания связана с несоответствием между фактическим расходом теплоносителя на абонентских вводах зданий и требуемой величиной.

Для снижения дисбаланса системы теплоснабжения необходимо регулирование диаметров сопл элеваторов, оказывающее влияние на изменение гидравлического сопротивления абонентов. Предложена математическая модель комплексной оптимизации элеваторных узлов, учитывающая тепловое состояние зданий, обслуживаемых единым теплоисточником. Критерием оптимизации является минимум отклонения фактической средней температуры воздуха в здании Тв от расчетной (требуемой) величины ^ :

пил (4)

1=11

где £/,, (в, - диаметр сопла элеватора и средняя температура воздуха /-ого здания соответственно; и - количество абонентов.

Ограничения экстремальной задачи описываются следующей системой:

Ax=g - первый закон Кирхгофа, (5)

Ву=0 - второй закон Кирхгофа, (6)

у+Ид=БХх - модификация уравнения Бернулли, (7)

Л™" < Л < йтах - ограничения на потери напора на ветвях, (8) ргта < р < ртах _ 0Граничения на давление в узлах, (9)

и'<м'тах - ограничения на скорость теплоносителя, (10)

¿тш ^ с! < с/"** - ограничения на диапазон допустимых

значений диаметров сопл. (11)

Таким образом, задача оптимизации тепловых потоков за счет регулирования элеваторных узлов сводится к минимизации целевой функции (4) при ограничениях (5)—(11). Особенность задачи заключается в том, что температура воздуха зданий неявным образом зависит от гидравлического сопротивления не только рассчитываемого здания, но и от сопротивления других зданий, обслуживаемых единым теплоисточником.

Система условий и ограничений, описывающая область допустимых решений, нелинейная, что связано с нелинейностью гидравлических характеристик участков сети. Диаметр сопла элеватора нелинейно связан с гидравлическим сопротивлением отопительной системы зданий, входящим в огра-

ничительное равенство (7). В частности, гидравлическое сопротивление абонента с элеватором без насоса , Па/(кг/час)2 определяется по формуле:

5р=1/(2-36002-Ф12-/12-Р)>

где ф] - коэффициента скорости сопла; р - плотность теплоносителя; /, -

площадь выходного сечения сопла, определяется по формуле /х = лй?2/4 .

Решение задачи оптимизации (4) - (11) осуществляется методом покоординатного поиска с адаптации и представляет собой итерационный процесс с общим рекуррентным соотношением:

где А(¡¡к) - приращение диаметра /-ого абонента на к -ой итерации. Сходимость итерационного процесса зависит от выбора поправки

А № , которая

определяет направление и шаг изменения вектора ¿/^:

-(к)

Значения средних температур абонентов на к -ой итерации () вычисляются как средневзвешенная величина температур помещений зданий, определяемых из системы уравнений теплового баланса (3), составленной для каждого здания в отдельности. Ограничения (5)-(7) выполняются автоматически, т.к. предложенный во второй главе алгоритм расчета равновесных температур помещений (в, учитывает выполнение данных уравнений. Переход из текущей точки

к последующей

¿(.к+Х)

требует выполнение ограничений (8)-(11).

С помощью разработанной методики проведена оптимизация элеваторных узлов 38 абонентов, обслуживаемых ЦТП №5 г. Ижевска. В табл. 1 приведены средняя температура помещений и диаметры сопл элеваторов некоторых зданий до и после оптимизации.

Таблица 1- Результаты оптимизации

№ До оптимизации После оптимизации

зд. Температура,°С Диаметр сопла, мм Температура,°С Диаметр сопла, мм

185 17,5 12,5 18,1 12,5

187 19,1 13,7 18,1 12,6

205 21,9 11,0 18,0 8,7

207 16,6 9,1 18,1 9,6

209 19,1 13,0 18,0 11,8

211 22,3 13,0 18,1 9,8

213 22,7 13,2 18,0 9,7

215 21,7 11,8 18,0 9,3

221а 18,0 14,0 18,0 13,5

Разработка алгоритма оптимизации параметров тепловой сети с целью принятия управленческих решений по эффективному отпуску тепловой энергии на теплоисточниках.

Одним из факторов, позволяющих снизить расход энергоресурсов, это оптимизировать расходы, связанные с производством и распределением тепловой энергии. Оптимизация структуры затрат, которая сама по себе отражает эффективность работы предприятия в целом, играет большую роль для правильной организации производства и передачи тепловой энергии конечному потребителю.

Данную задачу необходимо решать совместно с задачей определения оптимальных параметров тепловой сети (напоры насосных станций, гидравлические сопротивления регуляторов), обеспечивающих качественную надежную работу тепловой сети с требуемым теплогидравлическим режимом.

Целевая функция представляет собой сумму расчетных затрат на производство и транспортировку (потребление электроэнергии насосными установками) тепловой энергии:

Ф(Ч, Ь р, х) = У zi (<?,) + У ^ + У , (12) Ц м Р1!' Р^'

где - тепловая нагрузка на отопление и на гвс /-го теплоисточника; 21 (с7,) — функция себестоимости производства единицы тепловой энергии; ге — стоимость электроэнергии; г), - кпд насосной станции; - напор, развиваемый регулируемой насосной станцией (регулятором напора) на 1-ом участке; — напор; 1Ц - множество ветвей с регуляторами насосных станций; /й - множество ветвей с нерегулируемыми насосными станциями.

В качестве ограничений выступают уравнения Кирхгофа и Бернулли (5-7). Ограничение на диапазон допустимых значений тепловых мощностей:

дГ <Ч,<дГ, ¡ = (13)

где д™ю и <7,тах — минимально и максимально допустимые значения мощностей / -го теплоисточника соответственно.

Кроме того, в систему условий и ограничений входит система ограничений в виде неравенств на параметры теплоносителя (8-9). Ограничения на расход теплоносителя на участках тепловой сети и температуру теплоносителя в узлах сети:

xJin<xJ¿x™ll,j = l,...,n■, (14)

/ = 1,...,ОТ. (15)

Таким образом, задача оптимизации мощности теплоисточников сводится к минимизации целевой функции (12) при ограничениях (5)-(9), (13)-(15).

Себестоимость единицы тепловой энергии гД^, ) / - го теплоисточника включает в себя затраты на топливо, электроэнергию, воду, затраченные в производственном цикле, затраты на химические реагенты на подготовку исходной воды, заработную плату обслуживающего персонала, амортизационные отчисления, налоговые платежи и прочие расходы. Анализ тарифов показывает, что себестоимость единицы тепловой энергии обратно пропорционально мощности производителя:

*,(<?,) = -+*/• (16) <7,

Рассмотрим метод решения задачи. Выберем в качестве управляющих переменных - гидравлические нагрузки теплоисточников gom¡, , напоры

регулятора напора . Тогда целевая функция примет вид:

ы\

> г.—-->шш

6?, РЛ/

(17)

1=щ

Ми

Обозначим через V - вектор переменных V = (<7от1, <?от2,-, Я от к»Чгвх , Яге 2 >-> Ягек' К > Ч -Л* У ■ ЗавИСИМОСТЬ ГИДравлических параметров от переменных определяют уравнения (5)-(7). Найдем производные гидравлических параметров от переменных, для этого продифференцируем уравнения (5-6). Для производных расходов по переменным гидравлической нагрузки на отопление и горячее водоснабжение / -го теплоисточника с узлом на подающей линии /+ и узлом на обратной линии Г, получим линейные системы относительно производных:

0, /*/+,Г, 1,1-1 ,

-1 ,/ = /", (18) , ', ' (19)

" дх ■

54 —

3&от/

" Sj ]pXj

я

= 0,

5 ,■ |х, \дх .Л — = 0,

я

м дёгв1

Для вычисления производных расхода по напору / -го регулятора напора, получим систему:

'" дх, я . -

м Щ.

I л (20)

V™ ■ г-

U=I dhf [\,j = l,

Определив производные расходов можно вычислить производные давлений и температуры. В частности, производные давления определяются дифференцированием уравнения (7).

В случае, когда тепловая сеть не содержит контуров, вторые производные гидравлических параметров равны нулю. В этом случае можно записать аналитические формулы зависимости гидравлических характеристик от переменных. Как показывают расчеты, зависимость гидравлических параметров от какой-либо переменной является монотонной, их можно аппроксимировать линейной функцией.

Для решения задачи предлагается следующий алгоритм, основанный на линеаризации целевой функции (17) и ограничений (8), (9), (13), (15).

1. Решаем задачу потокораспределения (5)—(7).

2. Находим производные гидравлических параметров.

3. Решаем задачу линейной оптимизации:

V0>(vw)-v->min; (21)

vr < V, < V,max, (22)

х™-Xj(yM) + VxJ-vMiVxJ-v*x°«-xJ(yM) + Vxj-vM, (23) РГ -pt(v(k)) + VprvW<Vprv<p™ -A(v«)+Vp,. -v«, (24) УГ + (25)

Cm-^v(*>) + V/,.v«<V/,.v. (26)

Для расчета градиентов Vx,Vp, Vt используются формулы (18)-(20).

4. Находим следующее приближение, решая задачу одномерной оптимизации: v(*+1)=vw+a(v-v(*>), 0<а<1, а = arg min fk (а),

Oäa<l

/*(a) = <D(vw+a(v-v(t))).

5. Проверяем условие окончания итерационного процесса. Если итерационный процесс не сходится, то к = к +1 и переходим к пункту 1.

Линейная задача (21>-(26) решалась симплекс-методом, задача одномерной оптимизации - методом золотого сечения.

Предложенная методика опробована на различных модельных схемах теплоснабжения с разным количеством теплоисточников. Анализ результатов

показал, что для сетей без регуляторов напора вышеописанный метод показал быструю сходимость, т.к. в этом случае целевая функция имеет линейный вид. Наличие же регуляторов напора ухудшает сходимость итерационного процесса, описанного выше. В этом случае целевая функция будет иметь нелинейный вид.

Граф тепловой сети одной из тестовых задач представлен на рисунке 6, результаты расчетов тестовых задач представлены в таблице 2. Зафиксировав значения мощностей третьего и четвертого теплоисточников на оптимальном уровне, получим график зависимости суммарных затрат на производство и транспортировку теплоносителя от мощности второго производителя (см. рисунок 7).

Разработанная математическая модель может быть использована для оптимизации тепловой мощности ТЭЦ, котельных, работающих в единой многоконтурной тепловой сети.

Таблица 2 - Результаты расчетов тестовых задач

Кол-во Кол-во Кол-во Кол-во Кол-во Затраченное

теплоисточников регуляторов напора ветвей узлов итераций время, с

2 0 81 80 3 9

4 0 81 80 3 10

4 3 81 80 21 80

3 0 119 115 2 16

4 0 119 115 3 20

4 4 119 115 33 110

5 0 119 115 4 90

тестовой сети

Ф, мш.руб.

N

\ /

ч < , тыс. у.«

О 5 10 15 20 25 30

Рисунок 7 — Зависимость затрат от мощности теплоисточника №2

Разработка алгоритма структурно-параметрического синтеза для оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов системы отопления зданий.

Для решения задачи по повышению энергоэффективности системы теплоснабжения зданий предложена математическая модель оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов отопительных приборов зданий (термостаты) с целью минимизации дисбаланса отопительной системы с учетом уравнений теплового баланса отдельных помещений зданий.

Согласно СНиП «41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование» отопительные приборы в жилых помещениях должны, как правило, оснащаться термостатами, т.е. при соответствующем обосновании возможно применение ручной регулирующей арматуры. В нормативном документе МГСН 2.01-99 «Энергосбережение в зданиях. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению» содержатся более жёсткие требования к установке термостатов у отопительных приборов: «В системах отопления зданий надлежит предусматривать автоматическое регулирование отопительных приборов путем установки термостатов. Допускается не предусматривать установку термостатов в помещениях лестнично-лифтовых узлов».

Конструкция «отопительный прибор - термостат» состоит из отопительного прибора (радиатор, конвектор), терморегулирующего клапана (термостат), подводящих труб, а также замыкающего участка.

Расчет сопротивлений отопительных приборов осуществляется с учетом местных сопротивлений отопительных приборов, параллельного или последовательного типа соединения элементов конструкции, а также схемы подключения приборов к стоякам системы отопления (см. рисунок 8). При наличии у отопительного прибора замыкающего участка при выполнении теплового расчета необходимо учитывать коэффициент затекания в прибор.

е)

б)

I К1.1Э I 1 1X1I

а;

е)

ж)

п ц

аЛ

3

Рисунок 8 - Способы подключения отопительных приборов с термостатами

к системе отопления зданий: а) - б): двухтрубная система отопления; в) - е): однотрубная система отопления; д): соединение приборов на сцепке; ж): горизонтальная система отопления.

Целевая функция оптимизационной задачи - минимум отклонения температуры помещений /в от расчетной величины ^:

"о г -и

= ->пип, (27)

1=1

где я, - гидравлическое сопротивление /-ого отопительного прибора; Л^ -общее количество отопительных приборов в здании.

В качестве ограничений выступает система уравнений, составленная на основе первого и второго закона Кирхгофа (1)-(2), а также ограничение на диапазон допустимых значений гидравлических сопротивлений:

sГn<si^s^пax. (28)

Гидравлическое сопротивление складывается из гидравлических сопротивлений трения по длине трубопровода и местных сопротивлений:

(29)

где Е, ^ - сумма коэффициентов местных сопротивлений (отопительных

приборов, термостатов, арматуры); Ак - удельное динамическое давление.

Таким образом, задача снижения дисбаланса системы отопления зданий сводится к минимизации целевой функции (27) при ограничениях (1)-(2), (28). Так как записать явную аналитическую зависимость целевой функции (27) от сопротивлений не представляется возможным, то для решения исходной задачи используются прямые методы условной оптимизации. Решение данной задачи оптимизации осуществляется методом покоординатного поиска и представляет собой итерационный процесс с общим рекуррентным соотношением:

5<*+1) =*,<*>(30)

где к - номер итерации; Ду}** - поправка сопротивления /'-ого прибора.

Ограничения (1)-(2) выполняются автоматически, т.к. предложенный во второй главе алгоритм расчета равновесных температур помещений 1в, учитывает выполнение данных уравнений.

Используя линейную аппроксимацию между точками

($/*~1),/в((*~1)) и (¿/^Л/**) , определяем поправку Ду}4) по формуле:

- Л*"1) У/Р _,«) д,« = II_ ' Л" * ' (31)

Приведем общий алгоритм итерационного процесса оптимизации. 1.Задание начальных приближений , к=1.

2. Расчет равновесных температур абонентов , Г® .

3.Определение новой точки по зависимостям (30-31). В случае если фактическая мощность отопительного прибора недостаточна для достижения требуемой температуры в помещении, т.е. s|aia >sjk+l) - не выполняется условие (28), то для обеспечения сходимости итерацион-. ного процесса применяется алгоритм структурно-параметрического синтеза. Данный алгоритм основывается на расчете необходимой мощности отопительного прибора с учетом уравнения теплового баланса помещений (3), а также на определении способа подключения прибора к системе отопления здания.

4.Расчет равновесных температур помещений . Если целевая функция Ф($(*+1)) достигла минимума, то окончание итерационного процесса, иначе к =¿+1 и возвращаемся к шагу 3.

Решение поставленной задачи на примере типового здания одного из микрорайона г. Ижевска позволило устранить дисбаланс системы отопления здания и привести среднюю температуру помещений к нормативной величине - 20°С (см. рисунок 9).

24 22

и

о.

£

20 4 18 16 14 12 10

■

До

оптимизации

-После оптимизации

1

5 6 7 8 Номер помещения по стояку

10

Рисунок 9 - Температура в помещениях до и после оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов отопительных приборов

Четвертая глава посвящена исследованию системных связей и закономерностей температурного режима абонентов тепловой сети, обслуживаемых едиными теплоисточниками.

Проведен анализ теплогидравлического режима второго и третьего уровня системы теплоснабжения одного из микрорайонов г. Ижевска с целью выявления механизмов по повышению энергетической эффективности эксплуатации зданий, снижения дисбаланса температурного режима зданий и его отдельных помещений.

В результате расчетов определена структура тепловых потерь зданий различных серий, температура воздуха в помещениях, температура и давле-

ние теплоносителя по длине трубопроводов. Кроме того, проведено исследование влияния геометрических размеров элеватора на расход теплоносителя, температуру и тепловые потери зданий, сетевого расхода и температуры теплоносителя на тепловое состояние зданий, температуры наружного воздуха на температуру в помещении.

Проведенные исследования показали, что температура внутреннего воздуха абонентов микрорайона изменяется в пределах от 16°С до 24°С, что указывает на наличие дисбаланса второго уровня системы теплоснабжения.

Заметное влияние на температуру помещений оказывает температура наружного воздуха (см. рисунок 10), Температура наружного воздуха задавалась в интервале от -5°С до -25°С. Как видно из графика, средняя температура по дому составляет 19°С. При этом в "теплой" квартире (№15) температура воздуха с понижением температуры на улице, возрастает, а в "холодной" квартире (№2) падает. Данный факт говорит о наличии дисбаланса третьего уровня системы теплоснабжения и о необходимости перераспределения тепловых потоков за счет оптимизации регуляторов системы отопления зданий, а также проведения утеплительных мероприятий.

Повышение температуры теплоносителя на 10°С приводит к росту температуры помещений зданий различных серий в среднем на 2ч-4°С в зависимости от расхода теплоносителя и условий обогрева помещений, при этом в «теплых» помещениях - повышение температуры внутреннего воздуха максимально.

Проведено исследование зависимости теплового состояния зданий от диаметра сопла элеватора (см. рисунок 11). Регулирование диаметра сопла приводит к заметному изменению температуры помещений. Как показал расчет, с увеличением диаметра сопла на 20%, температура помещений в среднем возрастает на 4°С для расчетных параметров отопительного сезона. т,с

-15 -10 -5 0

Температура наружного воздуха

10,5 11 11,5 Диэлеф сопла, мм

Рисунок 10 - Влияние температуры наружного воздуха на температуру воздуха в помещении

Рисунок 11 - Зависимость температуры в помещении от диаметра сопла для различных зданий

Изменение сетевого расхода теплоносителя также оказывает влияние на температурный режим помещений. Так при увеличении сетевого расхода на 50% температура помещений увеличивается в среднем на 5°С.

Заметное влияние на температуру помещений оказывает, главным образом, температурный напор теплоносителя (разница температуры воды в трубопроводах и температуры наружного воздуха). Поэтому, в течение отопительного сезона зависимость температуры помещений от характерных размеров элеватора изменяется в широких пределах. Так, при увеличении диаметра сопла на 20%, изменение температуры помещений составляет от 2°С до 9°С. В этой связи, в наиболее холодные дни отопительного сезона дисбаланс системы теплоснабжения достигает максимального значения и незначительное регулирование элеваторных узлов в этот период оказывает наиболее существенное влияние на тепловое состояние зданий.

При расчете отдельного здания, наряду со средней равновесной температурой здания в целом определялись и равновесные температуры отдельных квартир, фактические и требуемые тепловые потери квартир, коэффициент избытка тепла в них и номинальная мощность отопительных приборов.

Проведенная ревизия отопительных приборов в «теплых» зданиях показала, что номинальная мощность отопительных приборов несколько превышает нагрузку зданий. Средняя температура воздуха в помещениях данных зданий в течение отопительного сезона значительно превышает требуемую величину. При этом, внутри зданий существует дисбаланс системы отопления, выраженный в наличии теплых и холодных квартир. В настоящее время средние температуры отдельных квартир зданий отличаются от нормативной величины до 5°С. Это свидетельствует о том, что удельные мощности батарей в различных помещениях зданий существенно отличаются между собой. Поэтому регулировку расходов и температуры теплоносителя на вводе абонента можно производить только после выравнивания удельной мощности тепловых приборов, иначе в «холодных» помещениях станет еще холоднее.

Как показали расчеты, уровень и вклад составляющих факторов теплообмена существенно зависит от расположения квартир в доме. В табл. 3 приведена структура тепловых потерь для угловой квартиры первого этажа и неугловой квартиры второго этажа при существующем положении.

Структура тепловых потерь для первой квартиры следующая: через окна - 54,8% (на инфильтрацию - 32,0%), через стены - 17,2%, через пол -24,3%, через стены в подъезд - 3,1% от суммарных тепловых потерь. Для неугловых квартир характерна большая удельная доля потерь тепла через окна, а также повышение доли потерь тепла через стены квартиры в подъезд по сравнению с угловой квартирой первого этажа. Так тепловые потери для данной квартиры через окна составляют 74,9% (на инфильтрацию - 42,6%), через стены - 15,6%, через стены в подъезд - 6,9%.

Таблица 3 - Структура тепловых потерь помещений

Составляющие теплопотерь Теплопотери, %

угловая квартира первого этажа неугловая квартира второго этажа

Теплообмен стен наружу 17,2 15,6

Теплообмен окон 22,3 32,3

Инфильтрация окон 32,0 42,6

Теплообмен пола 24,3 -

Теплообмен дверей квартир 0,5 1,1

Инфильтрация дверей квартир 0,7 1,5

Теплообмен стен в подъезд 3,1 6,9

ВСЕГО 100 100

Исследования показывают, что установка счетчиков расхода тепла ставит в невыгодное положение владельцев угловых квартир и квартир крайних этажей.

Разбалансировка системы отопления зданий, главным образом, связана с несоответствием фактической тепловой мощности отопительных приборов, установленных в помещении, и их требуемой величины. Для примера в табл. 4 представлены данные о фактической и требуемой величине тепловой мощности приборов в характерных квартирах микрорайона. Приведение к норме мощности теплоотдающих приборов можно осуществлять как посредством регламентных работ по замене приборов, так и за счет качественно-количественного регулирования теплоотдачи (изменение температуры и расхода теплоносителя).

Таблица 4 — Дисбаланс отопительной системы здания

Отношение фактической мощности теплового прибора к требуемой величине, % Процент от общего числа квартир

<-50 1

(-50,-30) 7

(-30,-10) 37

(-10,+10) 26

(+10,+30) 19

(+30,+50) 5

>+50 5

Как известно, на работу в однотрубных системах отопления влияет так называемая горизонтальная разрегулировка, имеющая место в случаях, когда вода поступает в отдельные стояки системы в количествах, не соответствующих проектным расчетам. Изменение расхода воды в стояке оказывает наибольшее влияние на теплоотдачу приборов, расположенных последними по ходу движения теплоносителя. Так, при уменьшении расхода воды в стоя-

ке вдвое, теплоотдача последних приборов снижается почти на 50%, а первых приборов - всего на 17%. При увеличении расхода теплоносителя вдвое теплоотдача последних по ходу движения воды приборов повышается в среднем на 43%, а первых - всего на 16%.

Практическая значимость проведенных исследований состоит в том, что результаты работы могут быть использованы при проектировании новых зданий, также для повышения энергетической эффективности эксплуатации существующих жилых и общественных зданий с целью оптимизации температурного режима зданий и его отдельных помещений.

Пятая глава посвящена вопросам применения системного подхода к исследованию и оптимизации многоуровневой системы централизованного теплоснабжения. Для принятия оптимальных управленческих решений направленных на повышение энергоэффективности СЦТ необходимо задачи анализа теплогидравлического режима и оптимизации параметров на различных уровнях СЦТ решать в комплексе с использованием методов математического моделирования (см. табл. 5).

Таблица 5 - Система методов повышения энергоэффективности СЦТ

Методы Достигаемая цель Краткая характеристика (состав задач)

Энергоаудит Выявление причин неэффективного использования ТЭР, разработка рекомендаций Проведение энергетического обследования объектов производства, транспортировки и потребления энергетических ресурсов

Оптимизация гидравлических режимов в тепловых сетях Снижение дисбаланса первого и второго уровня СЦТ. Обеспечение устойчивости работы Оперативное управление гидравлическим режимом тепловой сети при перераспределении нагрузок между потребителями теплоты

Оптимизация производства и отпуска теплоэнергии Обеспечение требуемого режима теплопотребления с минимальными затратами Оперативное перераспределение тепловых нагрузок между тепловыми источниками

Оптимизация теплогидравлического режима системы отопления зданий (СОЗ) Снижение дисбаланса, нормализация теплового режима СОЗ Оптимизация сопротивлений гидравлических регуляторов. Приведение мощности отопительных приборов к требуемому уровню

Исследование теп-логидравлических режимов СОЗ Обеспечение расчетной температуры помещений Расчет равновесной температуры помещений. Оптимальное проектирование СОЗ

Основные элементы и стратегии системного подхода для повышения энергоэффективности СЦТ за счет снижения дисбаланса представлены на рисунке 12.

Для решения поставленных задач создан проблемно-ориентированный пакет прикладных программ для принятия управленческих решений по повышению энергоэффективности системы централизованного теплоснабжения

«Энергоэффективность», разработанный на основе программной реализации математических моделей и алгоритмов, представленных во второй и третьей главах диссертационной работы.

Системный подход к снижению дисбаланса на всех взаимозависимых уровнях СЦТ

| Комплексное внедрение I стратегий

Теплоисточники _ Магистральные трубопроводы ■

□

Объект исследования

ПотЬебите. (здания)

ЛИТТ

О:

Насосные

ДТП \

Внутриквартальные трубопроводы

Рисунок 12 - Принципы системного подхода к снижению дисбаланса СЦТ

Пакет программ состоит из следующих программных комплексов: у программный комплекс «Информационно аналитическая система теплоснабжения и энергосбережения» (ИАСТС); ^ программный комплекс «Энергоаудитор»;

✓ программный комплекс «Оптимизация тепловой сети»;

V программный комплекс «Единая информационно-аналитическая система учета ТЭР в организациях бюджетной сферы УР». Взаимосвязь функциональных блоков программного комплекса представлена на рисунке 13.

Создание отчетов, справок, построение оптимальных решений ______

Энергоаудит

Системный анализ информации

Графическое представление информации

Теплогидравлический расчет зданий и помещений

Теплогидравлический расчет, оптимизация параметров

Расчет теплового баланса помещений

Расчет тепловых потерь и температуры помещений, определение температуры и давления теплоносителя

Расчет

тепловых потерь сети

Расчет температуры и располагаемого напора теплоносителя на абонентских вводах зданий_

Гидравлический расчет, оптимизация параметров

Теплогидравлический расчет тепловой сети

Рисунок 13 - Взаимосвязь функциональных блоков программного комплекса

Разработанные алгоритмы оптимизации параметров системы централизованного теплоснабжения и практическая эксплуатация представленных программ позволяют решить задачу по снижению дисбаланса в комплексе с учетом взаимозависимости всех уровней иерархической СЦТ и создают необходимые экономические механизмы последовательного повышения качества ее функционирования.

Программа ИАСТС. Возможности ИАСТС:

S обработка графической и цифровой информации о состоянии объектов наблюдения и учета;

S комплексная аналитическая обработка данных, анализ фактического и нормативного состояния различных элементов тепловой сети;

S расчет гидравлических и тепловых нагрузок зданий;

S расчет распределения температуры, давления теплоносителя в трубопроводах тепловой сети, построение пьезометрического графика;

S расчет потребляемой тепловой энергии, структуры тепловых потерь зданий и его отдельных помещений;

S проектирование тепловой защиты зданий. Программа «Энергоаудитор» предназначена для повышения качества и сокращения сроков проведения энергетических обследований. Возможности программы:

S ввод и хранение исходных данных;

S расчет нормативных потерь энергии в заданной тепловой (электрической) сети;

S расчет нормативного водопотребления здания;

S технико-экономическое обоснование энергосберегающих мероприятий;

S автоматизированный расчет и заполнение энергетического паспорта зданий;

^ вывод результатов расчета в табличном виде, в виде диаграмм, экспорт данных в документ MS Word в соответствии с шаблонами для заполнения отчета по энергетическому обследованию организаций. Выходными документами, сформированными при разработке энергетического паспорта зданий, являются:

1. Отчет по Энергопаспорту согласно «Приложения Д» СНиП 23-022003 «Тепловая защита зданий».

2. Отчет согласно Приложения №24 к Требованиям к энергетическому паспорту, составленному на основании проектной документации.

3.Протокольный отчет согласно «Приложения Г» СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий».

Данная программа позволит энергоснабжающим и энергоаудиторским компаниям за счет автоматизации расчетов повысить эффективность своей работы. Структура программы представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Структура программы «Энергоаудитор»

Геоинформационная система «Оптимизация тепловой сети». Программа обеспечивает выполнение следующих функций:

У создание и редактирование схем тепловых сетей и др. элементов (районы, кварталы, улицы, дома, реки и т.д.), хранение информации по различным элементам тепловой сети;

гидравлический расчет многоконтурных двухтрубных тепловых сетей, построение пьезометрического графика;

•У оптимизация напоров насосных станций, мощности теплоисточников при неограниченном количестве теплоисточников и абонентов;

У расчет тарифов на тепловую энергию и водоснабжение; У оптимизация сопротивлений гидравлических регуляторов и номенклатурного ряда отопительных приборов зданий;

•/ оптимизация тепловых потоков между абонентами тепловой сети. Для графического представления объектов используется векторная модель, поддерживаются основные графические примитивы: полигон, полилиния и окружность. Система сочетает два типа информации - графическую и атрибутивную. Графическая информация - информация о координатах узловых точек примитивов, толщине, цвете линий и т.п. хранится в файле в своем внутреннем формате.

Программа «Единая информационно-аналитическая система учета ТЭР в организациях бюджетной сферы УР» имеет следующие особенности:

У трехуровневая иерархическая ИАС (уровень организации, уровень министерства (районной администрации), республиканский уровень) для осуществления сбора, хранения информации о расходе и лимитировании ТЭР, составления энергетических паспортов зданий и организаций;

У автоматизированная подсистема мониторинга, анализа эффективности использования ТЭР и воды в организациях, финансируемых республиканским и местными бюджетами.

Ввод исходной информации производится на первом и втором уровне с помощью электронных форм ввода данных. Передача исходной информации от организаций на сервера министерств и муниципальных образований осуществляется по каналам связи. Далее информация передается на центральный сервер (см. рисунок 15).

3......□ П □ П Р

i а о ...... Q" "а ......а " В!

: Подсистема III уровня: организации j

Рисунок 15 - Управленческая структура ЙАС

ИАС прошла успешную апробацию в Республиканском медицинском информационно-аналитическом центре и в администрации Сарапульского района. В настоящее время разработанный программный комплекс используется в AHO «Агентство по энергосбережению Удмуртской Республики» для учета и анализа потребления ТЭР в бюджетных организациях районов Удмуртской Республики.

Для повышения энергоэффективности использования ТЭР проведены энергетические обследования зданий и организаций с использованием моделей и алгоритмов представленных во второй и третьей главах работы. В соответствии с Федеральным Законом №261 основными целями энергетического обследования являются получение объективных данных об объеме используемых энергетических ресурсов, определение показателей энергетической эффективности; определение потенциала энергосбережения и повышения энергетической эффективности, разработка перечня типовых, общедоступных мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности и проведение их стоимостной оценки.

Сравнительная оценка эффективности различных процедур по экономии тепловых ресурсов (см. табл. 6) позволяет выработать оптимальную стратегию последовательности проведения энергосберегающих мероприятий.

Таблица 6 - Сравнительная оценка эффективности внедрения процедур энергосбережения__1_

Наименование решаемой задачи Экономия

Оптимизация отпуска теплоты от котельной за счет учета комплекса метеопараметров, медленных теплопотерь, ночного снижения 9-18%

Оптимизация отпуска теплоты на котельной при качественно-количественном регулировании 1-5%

Оснащение зданий устройствами автоматического регулирования теплопотребления 15-30%

Утепление неизолированных трубопроводов внутренней разводки системы отопления и ГВС зданий в 4-5 раз

Замена стандартной теплоизоляции трубопроводов тепловой сети на индустриальную теплоизоляцию из пенополиуретана в 3 раза

Оптимизация теплопотребления при помощи индивидуального регулирования отопительного прибора 10-20%

Экономия за счет поддержания температуры помещений с точностью до 1°С 5-8%

В таблице 7 приведены предполагаемые источники финансирования, необходимый объём средств по этим источникам и объёмы инвестирования по предприятиям ЖКХ и бюджетной сферы районов УР, с учётом инфляции к предыдущему году.

В таблице 8 приведен прогнозируемый годовой экономический эффект по предприятиям ЖКХ и бюджетной сферы, после реализации мероприятий. Экономический эффект приведён с учётом инфляции по нарастающему итогу. Средний срок окупаемости предложенных мероприятий для Алнашского района - 3,8 года, Селтинского района - 4,3 года, Сюмсинского района - 3 года.

Таблица 7 - Планируемые источники финансирования энергосберегающих мероприятий на объектах ЖКХ и бюджетной сферы, тыс. руб. _

Источники финансирования Алнашский район Селтинский район Сюмсин-ский район

Средства аккумулируемые в AHO 1 487 1 487 1 386

Средства республиканского и федерального бюджетов 16 368 9 309 10 860

Средства районного бюджета 4513 4 068 2 964

Кредитные средства, в т.ч. лизинг 10 180 8227 13 315

Собственные средства предприятий 862 1 176 257

Итого 33 410 24 267 28 782

Таблица 8 — Экономический эффект от реализации мероприятий, тыс. руб.

Район 2008 год 2009 год 2010 год 2011 год

Алнашский район, в том числе 1 984 3 617 8 920 9817

- бюджетная сфера 1 984 3 617 4 025 4 629

- предприятия ЖКХ 0 0 4895 5188

Селтинский район, в том числе 307 3 758 4 853 6 126

- бюджетная сфера 307 2515 3 431 4 619

- предприятия ЖКХ 0 1 243 1 422 1 507

Сюмсинский район 1 386 7 799 9 027 10 699

Практическое внедрение рекомендованных мероприятий должно способствовать увеличению надёжности и качества энергоснабжения объектов, снижению вредного воздействия на окружающую среду, улучшению санитарно-гигиенических, а также социальных условий объектов энергопотребления.

ВЫВОДЫ

1. Предложенный комплекс системных моделей повышает энергоэффективность функционирования системы теплоснабжения путем минимизации дисбаланса взаимозависимых уровней системы централизованного теплоснабжения до требуемого уровня.

2. Разработанная методика расчета равновесных температур удовлетворительно описывает процесс теплообмена помещений (среднеквадратиче-ское отклонение фактических значений температуры от расчетных значений не превышает 1,5°С), что позволяет провести адекватный анализ эффективности температурного режима зданий с учетом фактического состояния ограждающих конструкций и отопительной системы зданий.

3. Разработанная методика оптимизации мощности теплоисточников, позволяет минимизировать затраты на производство и транспортировку теплоносителя, определить оптимальный напор теплоносителя на различных участках многоконтурной тепловой сети и как следствие сократить дисбаланс первого уровня СЦТ.

4. Коэффициент дисбаланса отопительной системы микрорайона (второй уровень СЦТ) в реальных условиях достигает 1,5 единиц. Предложенная математическая модель оптимизации тепловых потоков между абонентами позволяет устранить дисбаланс и привести температуру воздуха зданий к требуемой величине за счет регулирования гидравлического сопротивления абонентов в многоконтурной тепловой сети

5. Коэффициент дисбаланса отопительной системы зданий (третий уровень СЦТ) достигает 3 единицы. Предложенная математическая модель минимизации дисбаланса отопительной системы зданий позволяет привести температуру воздуха в помещениях зданий к требуемой величине за счет оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов и номенклатур-

ного ряда отопительных приборов с учетом фактического состояния ограждающих конструкций.

6. Проведен анализ системных связей и закономерностей температурного режима зданий различных серий в многоконтурной тепловой сети, в частности получены следующие результаты:

a) с уменьшением температуры наружного воздуха дисбаланс системы увеличивается;

b) увеличение диаметра сопла элеватора на 20% приводит к повышению температуры помещений в среднем на 4°С;

c) увеличение сетевого расхода на 50% приводит к повышению температуры помещений в среднем на 5°С;

d) условия обогрева квартир в жилых зданиях существенно отличаются между собой: тепловые потери в угловых и не угловых квартирах одинаковой площади отличаются на 50-70 %;

e) проведение энергосберегающих мероприятий по тепловой защите зданий позволяет в 2-3 раза снизить потери тепла в зависимости от класса энергоэффективности зданий.

7. Разработанные алгоритмы оптимизации параметров СЦТ и практическая эксплуатация разработанного программного комплекса решает задачу по сокращению дисбаланса на всех уровнях иерархической СЦТ и создает необходимые управленческие решения последовательного повышения качества функционирования системы, в т.ч улучшения теплотехнических свойств ограждающих конструкций зданий.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых научных журналах, рекомендованных

ВАК РФ:

1. Вологдин C.B., Горохов М.М., Кедров С.А., Русяк И.Г. Структура и возможности программного комплекса «Информационно-аналитическая система теплоснабжения микрорайона ИАСТС 2.0» // Вестник ИжГТУ. 1999. №1. С. 12-13.

2. Вологдин C.B., Зеленин В.А., Русяк И.Г. Исследование путей снижения теплообмена жилых зданий // Вестник ИжГТУ. 1998. №2. С. 8-15.

3. Вологдин C.B., Королев С.А., Машкин С.Д., Русяк И.Г. Математическое моделирование некоторых задач теплоснабжения и энергосбережения // Вестник ИжГТУ. 2003. №1. С. 13-22.

4. Вологдин C.B. Опыт использования программно-вычислительного комплекса «ИАСТС» для мониторинга и оптимизации параметров системы центрального теплоснабжения // Интеллектуальные системы в производстве. 2004. №1. С. 50-64.

5. Вологдин C.B., Ленкевич Е.Ю. Создание единой информационно - аналитической системы учета ТЭР в организациях бюджетной сферы УР // Интеллектуальные системы в производстве. 2008. №2. С. 21-29.

6. Вологдин C.B. Разработка энергоресурсосберегающих мероприятий на объектах бюджетной сферы и жилищно-коммунальном хозяйстве // Вестник ИжГТУ. 2007. №2. С. 115-119.

7. Вологдин C.B., Мошкин A.B. Себестоимость тепловой энергии, выработанной на различных видах топлива // Вестник ИжГТУ. 2008. №4. С. 154-157.

8. Вологдин C.B., Мошкин A.B. Математическая модель оптимизации затрат на производство и транспортировку тепловой энергии в системе централизованного теплоснабжения, при наличии регуляторов напора и сопротивления // В мире научных открытий. Красноярск: Научно-инновационный центр. 2011. № 8. С. 281-290.

9. Вологдин C.B. Математическая Модель оптимизации тепловых потоков между зданиями в многоконтурной тепловой сети с целью снижения дисбаланса системы теплоснабжения за счет регулирования сопл элеваторных узлов // В мире научных открытий. Красноярск: Научно-инновационный центр. 2011. № 12. С. 194-205.

10. Вологдин C.B. Исследование влияния параметров теплоносителя и элеваторных узлов на температурный режим зданий // В мире научных открытий. Красноярск: Научно-инновационный центр. 2012. N° 1. С. 195208.

11. Якимович Б.А., Вологдин C.B. Математическая модель снижения дисбаланса отопительной системы зданий // Вестник ИжГТУ. 2012. №2. С. 172-175.

Основные публикации в других изданиях:

12. Вологдин C.B. Исследование тепловых режимов внутриквартальных тепловых сетей // Информационные технологии в инновационных проектах: сб. трудов I международной научно-технической конференции (Ижевск, апрель 1999). Ижевск, 1999. С. 153-155.

13. Вологдин C.B., Камалетдинов А.Ш., Русяк И.Г., Шихарев Р.Г. Энергоаудит комплекса зданий бюджетной организации // Современное газоис-пользующее оборудование и технологии в решении энергосберегающих и экологических проблем в газовой промышленности: сб. трудов международной научно-технической конференции (Москва, 1999). М.: Газпром, 1999. С. 10-14.

14. Вологдин C.B., Шихарев Р.Г. К вопросу об экономии тепловой энергии за счет регулирования тепловой нагрузки зданий // Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения: сб. докладов IV Всероссийской конференции (Н. Новгород, октябрь 2000). Н. Новгород, 2000. С. 101.

15. Вологдин C.B., Королев С.А., Русяк И.Г., Шихарев Р.Г. Применение информационных технологий и математических методов для оценки эффективности систем теплоснабжения // Информационные технологии в инновационных проектах: сб. трудов III международной научно-технической конференции (Ижевск, май 2001). Ижевск, 2001. 4.1. С. 6163.

16. Вологдин C.B., Машкин С.Д., Русяк И.Г. Оптимизация тепловых сетей центрального теплоснабжения населенных пунктов // Энергосбережение в ЖКХ: материалы научно-практического семинара. Ижевск, 2001. С. 92-99.

17. Вологдин C.B., Горохов М.М., Русяк И.Г. Применение информационных технологий для решения задач теплоснабжения и энергосбережения // Энергоэффективность: опыт, проблемы, решения. 2001. №4. С. 50-57.

18. Вологдин C.B., Горохов М.М., Русяк И.Г. Информационно-аналитическая система учета энергопотребления - основа реализации ЖКХ // Сб. докладов Международной конференции (Казань, 2001). Казань, 2001.С. 87-88.

19. Вологдин C.B., Русяк И.Г. Математическая модель оптимизации мощности теплоисточников, работающих на единую тепловую сеть // Информационные технологии в инновационных проектах: сб. трудов IV международной научно-технической конференции ' (Ижевск, май 2003).

Ижевск, 2003. С. 14-16.

20. Вологдин C.B., Машкин С.Д., Русяк И.Г. Математическое моделирование тепловой сети с переменным теплопотреблением абонентов // Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах: материалы IV международной научно-практической конференции (Пенза, 2003). Пенза, 2003. С. 59-61.

21. Вологдин C.B., Машкин С.Д., Русяк И.Г. Моделирование нестационарного теплообмена зданий с учетом влажностного режима // Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах: материалы IV международной научно-практической конференции (Пенза, 2003). Пенза, 2003. С. 102-105.

22. Вологдин C.B., Мошкин A.B. Применение математических методов для оптимизации гидравлических режимов тепловой сети // Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: сб. материалов Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Екатеринбург, декабрь 2005).

Екатеринбург, 2005. С. 26-29.

23. Вологдин C.B., Мошкин A.B. Расчет и анализ тарифов на тепловую энергию // Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: сб. материалов Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Екатеринбург, декабрь 2005). Екатеринбург, 2005. С. 329-332.

щ

24. Вологдин C.B., Мошкин A.B. Оптимизация регуляторов тепловой сети // Известия Института математики и информатики. Удмуртский государственный университет. Ижевск, 2006. №2(36). С. 147-150.

25. Вологдин C.B., Краснов A.B. Расчет нестационарного теплообмена помещений // Известия института математики и информатики. Удмуртский государственный университет. Ижевск, 2006. №2(36).С. 143-146.

26. Вологдин C.B. О разработке Республиканской Программы «Энергоэффективность в бюджетной сфере и жилищно-коммунальном хозяйстве районов Удмуртской Республики» // Научно-промышленная политика и перспективы развития Урала и Сибири: материалы научно-практической конференции (Екатеринбург, июнь 2007). Екатеринбург, 2007. С. 269270.

27. Вологдин C.B., Мошкин A.B. Оптимизация мощностей теплоисточников, работающих на единую тепловую сеть, при наличии регуляторов напора и сопротивлений // Современные проблемы экономики, бизнеса и менеджмента: теория и практика: материалы Международной on-line конференции. Ижевск: ИжГТУ, 2008. С. 47-54.

28. Vologdin S.V. Development of a Package of the Applied Programs in the Field of Powers Savings // Annals of DAAAM for 2008 & Proceedings of the 19th International DAAAM Symposium. Viena, 2008. pp. 1505-1506.

29. Вологдин C.B. Разработка и внедрение программного комплекса «Энергоаудитор» // Научный обозреватель. 2012. № 9. С. 63-65.

Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ:

30. Тегаютэкс 2.2: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ Рос. Федерация / Вологдин C.B. № 2010614691; заявл. 19.07.2010.

31. Оптимизация мощности теплоисточников 1.0: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ Рос. Федерация / Вологдин C.B., Мошкин A.B. № 2010614692; заявл. 19.07.2010.

Отпечатано в авторской редакции с оригинал-макета заказчика

Подписано в печать 09.10.2012. Формат 60x84 Vi6. Тираж 100 экз. Заказ № 1753.

Типография ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет» 426034, Ижевск, ул. Университетская, 1, корп. 2. Тел. 68-57-18.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.

М.Т. КАЛАШНИКОВА»

На правах рукописи

05201350231

Ь

ВОЛОГДИН СЕРГЕЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

УДК 658.26, 519.6

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГОУРОВНЕВОЙ СИСТЕМЫ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка

информации (в науке и технике)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант д.т.н., профессор Якимович Б.А.

Ижевск 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К ОПТИМИЗАЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЮ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ............................................................................................Л 6

Выводы к главе I.......................................................................................................27

2. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОГО АЛГОРИТМА РАСЧЕТА РАВНОВЕСНЫХ ТЕМПЕРАТУР ПОМЕЩЕНИЙ...............................................28

2.1. Методика расчета теплопотерь зданий и помещений....................................29

2.2. Методика гидравлического расчета водотрубных систем............................38

2.3. Методика расчета теплоотдачи отопительных приборов и труб..................58

2.4. Алгоритм расчета равновесных температур помещений..............................77

Выводы к главе II......................................................................................................83

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ СНИЖЕНИЯ ДИСБАЛАНСА СИСТЕМЫ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ..............................................................................................85

3.1. Оптимизация тепловых потоков между абонентами системы централизованного теплоснабжения.......................................................................86

3.2. Оптимизация мощности теплоисточников, работающих на единую тепловую сеть, при наличии регуляторов напора и сопротивления....................96

3.3. Оптимизация сопротивлений гидравлических регуляторов системы

отопления зданий....................................................................................................114

Выводы к главе III...................................................................................................21

4. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМНЫХ СВЯЗЕЙ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА АБОНЕНТОВ ТЕПЛОВОЙ СЕТИ,

ОБСЛУЖИВАЕМЫХ ЕДИНЫМИ ТЕПЛОИСТОЧНИКАМИ.........................124

4.1 Исследование влияния параметров теплоносителя и элеваторных узлов на

температурный режим зданий...............................................................................124

4.2. Разработка мероприятий по снижению дисбаланса отопительной системы зданий.......................................................................................................................139

Выводы к главе IV...................................................................................................142

5. ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ МНОГОУРОВНЕВОЙ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ СЦТ...............144

5.1. Анализ взаимосвязи основных элементов и задач по повышению энергоэффективности СЦТ....................................................................................144

5.2. Разработка проблемно-ориентированного пакета прикладных программ «Энергоэффективность».........................................................................................147

5.2.1. Программа «Информационно аналитическая система теплоснабжения и энергосбережения»...............................................................................................148

5.2.2. Программа автоматизации проведения энергетических обследований «Энергоаудитор»..................................................................................................171

5.2.3. Программа «Оптимизация тепловой сети»............................................184

5.2.4. Программа «Единая информационно - аналитическая система учета ТЭР в организациях бюджетной сферы УР».....................................................192

5.3. Разработка оптимальных стратегий проведения энергосберегающих мероприятий............................................................................................................210

5.3.1. Энергоаудит, разработка и финансирование энергоресурсосберегающих мероприятий на объектах бюджетной сферы и жилищно-коммунальном хозяйстве...............................................................................................................210

5.3.2. Разработка энергоэффективных мероприятия для СП «Тепловые сети» ................................................................................................................................222

5.3.3. Анализ эффективности энергосберегающих мероприятий по тепловой защите зданий.......................................................................................................230

5.3.4. Технико-экономическое обоснование энергосберегающих мероприятий

................................................................................................................................238

*

Выводы к главе V....................................................................................................261

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................263

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................265

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в различных областях человеческой деятельности все большее внимание уделяется математическому моделированию технических систем. Данный подход целесообразно применять в тех случаях, когда изучение того или иного явления непосредственно экспериментальными методами затруднено техническими или финансовыми проблемами, а также недопустимой длительностью проведения экспериментов. К такому случаю относится и исследование режимов системы централизованного теплоснабжения (СЦТ).

Необходимость создания математических методик и программных средств для исследования и оптимизации системы теплоснабжения продиктовано тем, что экономия и повсеместный учет энергетических ресурсов становится одним из главных приоритетов государственной политики. Так постановлением Правительства Российской Федерации от 24.01.98г. №80 утверждена федеральная целевая программа «Энергосбережение России» (на 1998-2005 годы), в которой рекомендовано органам исполнительной власти субъектов Российской Федерации разработать региональные программы по энергосбережению. Постановлением правительства УР от 15.03.2010 г. №75 утверждена «Республиканская целевая программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в Удмуртской Республике на 2010-2014 годы и целевые установки до 2020 года». Целью республиканской Программы является снижение энергоемкости валового регионального продукта Удмуртской Республики за счет обеспечения эффективного использования топливно-энергетических ресурсов и снижении доли энергоемких производств [1].

Основные положения, определяющие необходимость проведения работ по повышению энергоэффективности закреплены Федеральным Законом от 23.11.09г. №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [2], постановлением Правительства Российской Федера-

ции от 13.11.09г. №1234-р «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» [3].

Теплоснабжение городов со всей их инфраструктурой в настоящее время осуществляется преимущественно от централизованных источников тепла, состоящих из источников выработки тепловой энергии, тепловых сетей и потребителей тепла. Централизованная система теплоснабжения представляет трехуровневую иерархическую систему со всеми присущими таким сложным системам особенностями поведения (нелинейность, взаимозависимость, изменчивость и т.д.). В силу постоянного развития системы теплоснабжения (рост присоединенной нагрузки на котельные и ЦТП за счет новых абонентов, увеличивается разветвленность и протяженность тепловых сетей и др.) усиливаются взаимосвязи между ее различными уровнями и подсистемами. Так как различные уровни централизованной системы теплоснабжения взаимозависимы, то решения по ее функционированию, принимаемые по каждой подсистеме в отдельности, не являются оптимальными для системы в целом.

Оптимальное регулирование различных уровней теплоснабжения потребителей с учетом их взаимозависимости является важнейшим условием существенного сокращения потерь тепла. В соответствии с Федеральным законом № 261-ФЗ, одной из важнейших задач в области энергосбережения является повышение эффективности использования тепловой энергии в жилищно-

Ч-

коммунальном хозяйстве страны.

Для принятия технических и управленческих решений направленных на повышение энергоэффективности СЦТ за счет снижения дисбаланса на взаимозависимых уровнях системы централизованного теплоснабжения необходимо задачи анализа теплогидравлического режима и оптимизации параметров на различных уровнях СЦТ решать в комплексе с использованием методов математического моделирования, энергоаудита, а также компьютерных методов обработки информации. Поэтому актуальность данной работы вполне очевидна.

Объект исследования: иерархическая система теплоснабжения, состоящая из трех уровней:

^ первый уровень - сеть магистральных теплопроводов между теплоисточниками и центральными тепловыми пунктами (ЦТП); ^ второй уровень - сеть коммунальных тепловых сетей между ЦТП и зданиями и сооружениями, являющимися потребителями тепловой энергии; ^ третий уровень - тепловые сети внутри зданий и сооружений.

Предмет исследования: математические модели, методики, алгоритмы исследования и оптимизации теплового и гидравлического режима многоуровневой системы теплоснабжения.

Цель диссертационной работы: научное обоснование технических и управленческих решений, направленных на снижение дисбаланса многоуровневой системы централизованного теплоснабжения за счет применения систе1 ^лого подхода к оптимизации параметров системы теплоснабжения.

Для достижения цели исследования поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка методологии построения системы математических моделей для принятия технических и управленческих решений по снижения дисбаланса системы централизованного теплоснабжения.

2. Разработка комплексного алгоритма расчета равновесных температур помещений.

3. Разработка алгоритма оптимизации параметров тепловой сети с целью принятия управленческих решений по эффективному отпуску тепловой энергии на теплоисточниках.

4. Разработка алгоритма оптимизации тепловых потоков между абонентами системы централизованного теплоснабжения.

5. Разработка алгоритма структурно-параметрического синтеза для оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов системы отопления зданий.

6. Исследование системных связей и закономерностей температурного режима абонентов тепловой сети, обслуживаемых едиными теплоисточниками.

7. Разработка проблемно-ориентированного пакета прикладных программ для принятия управленческих решений по повышению энергоэффективности системы централизованного теплоснабжения.

Методы исследования основаны на использовании методов решения оптимизационных задач линейного и нелинейного программирования, алгоритмов структурно-параметрического синтеза, численных методов решения систем нелинейных уравнений, методы обработки, анализа и визуализации информации; использован аппарат математического моделирования, объектно-ориентированного проектирования и программирования. *

Основные научные результаты:

1. Методология построения системы математических моделей снижения дисбаланса системы централизованного теплоснабжения, основанная на системном применении методов оптимизации параметров на различных уровнях системы теплоснабжения, включающая в себя методы оптимизации мощности теплоисточников (первый уровень системы теплоснабжения), оптимизации тепловых потоков между абонентами тепловой сети (второй уровень), оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов системы отопления зданий (третий уровень).

2. Комплексный алгоритм расчета равновесных температур помещений, основанный на системном применении алгоритмов решения уравнений теплового баланса помещений, гидравлического и теплового расчета системы отопления зданий, расчета тепловых потерь теплопроводностью и

инфильтрацией через ограждающие конструкции здания, расчета водоструйного элеватора.

3. Алгоритм оптимизации параметров тепловой сети и мощности теплоисточников при минимизации затрат на производство и транспортировку теплоносителя.

4. Алгоритм оптимизации тепловых потоков между абонентами многоконтурной тепловой сети, обслуживаемых несколькими теплоисточниками, включающий в себя решение задач снижения дисбаланса температурного режима зданий, гидравлического и теплового расчета тепловой сети и

системы отопления зданий, оасчета тепловых потепь чепез отаажлаютттие

, 1 - - - - - - - - х------,—,-----,—

конструкции помещений, расчета водоструйного элеватора, решение уравнений теплового баланса отдельных помещений зданий.

5. Математическая модель и алгоритм структурно-параметрического синтеза для оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов системы отопления зданий с целью минимизации дисбаланса отопительной системы.

6. Исследовано влияние сетевого расхода, температуры теплоносителя и диаметров сопл элеваторных узлов на температурный режим помещений, а также определена структура тепловых потерь через различные элементы ограждающих конструкций, как отдельных квартир, так и зданий в целом.

7. Пакет прикладных программ «Энергоэффективность» для принятия управленческих решений по повышению энергоэффективности системы централизованного теплоснабжения, разработанный на основе программной реализации математических алгоритмов снижения дисбаланса системы теплоснабжения, методов энергоаудита, а также компьютерных методов обработки информации для визуализации и анализа информации по различным элементам тепловой сети.

Достоверность и обоснованность полученных результатов:

1. Используемые математические модели основаны на фундаментальных положениях вычислительной математики, теории тепломассобмена и теории гидравлических цепей.

2. При решении оптимизационных задач достоверность обеспечена корректностью постановки рассматриваемых задач, а также проведенными исследованиями по сходимости численных методов.

3. При проверки адекватности алгоритма расчета равновесных температур помещений достоверность подтверждается точностью совпадения модельных значений температур с фактическими значениями (экспериментальными измерениями), при этом ошибка расчета подчиняется нормальному закону распределения.

4. Полученные выводы и рекомендации по повышению энергоэффективности СЦТ подтверждаются качественными особенностями функционирования режимов теплоснабжения.

Научная новизна работы:

1. Впервые разработан комплекс системных моделей, направленный на снижение дисбаланса системы централизованного теплоснабжения, обличающийся от существующих широтой охвата параметров исследований, учетом взаимосвязанных энергетических, экономических и управленческих процессов между различными уровнями системы централизованного теплоснабжения.

2. Новизна алгоритма расчета равновесных температур помещений заключается в совместном решении системы уравнений теплового баланса помещений и задачи расчета температуры теплоносителя в отопительной системе здания с водоструйным элеватором.

3. Алгоритм оптимизации параметров тепловой сети впервые объединяет алгоритмы определения оптимальных напоров насосных станций, опти-

мальной производительности теплоисточников для многоконтурной тепловой сети, расчета себестоимости производства тепловой энергии.

4. Алгоритм оптимизации тепловых потоков между абонентами тепловой сети, в отличие от существующих алгоритмов основан на совместном решении задач по оптимизации диаметров сопл элеваторных устройств и расчету равновесных температур помещений абонентов

5. Новизна алгоритма структурно-параметрического синтеза по снижению дисбаланса отопительной системы зданий заключается в совместном решении задач определения структуры модели «отопительный прибор -термостат» (схема и способ подключения, мощность приборов отопления), оптимизации сопротивлений гидравлических регуляторов (термостатов приборов отопления), расчета равновесных температур помещений.

6. Впервые исследовано влияние диаметров сопл элеваторных узлов, расхода и температуры теплоносителя на температурный режим как отдельных помещений в зависимости от расположения в системе отопления зданий, так и группы зданий, обслуживаемых едиными теплоисточниками.

7. Программный комплекс «Энергоэффективность» впервые системно объединяет алгоритмы оптимизации параметров многоуровневой системы централизованного теплоснабжения, расчета равновесных температур помещений, комплексного расчета теплогидравлических режимов от теплоисточников до индивидуального потребителя и методы энергоаудита применительно к задаче снижения дисбаланса системы централизованного теплоснабжения.

Научная и практическая значимость работы заключается в разработке математических моделей, алгоритмов оптимизации, а также базы данных различных э