автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Оптимизация мощности и параметров управления систем кондиционирования микроклимата в условиях переменных нагрузок

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О НЕСТАЦИОНАРНОМ ТЕПЛОВОМ РЕЖИМЕ ПОМЕЩЕНИЯ И ЕГО СВЯЗИ С АВТОМАТИЧЕСКИМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ МИКРОКЛИМАТА.

ГЛАВА 2.НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ПОМЕЩЕНИЯ В УСЛОВИЯХ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ а МИКРОКЛИМАТА.

2.1.Общие положения.Постановка прямой и обратной задачи расчета.

2.2.Влияние лучистого теплообмена на теплоустойчивость помещения и параметры авто-матического регулирования систем кондиционирования микроклимата.

2.2а.Применение передаточных функций к расчету собственной теплоустойчивости помещения.

2.3.Влияние способа теплоотдачи элементов систем кондиционирования микроклимата на тепловой режим помещения.

2.4.Учет негармоничности тепловых возмущений при расчете параметров автоматического регулирования систем кондиционирования микроклимата.

ГЛАВА 3.ОПТИМИЗАЦИЯ МОЩНОСТИ И ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ МИКРОКЛИМАТА В УСЛОВИЯХ ПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК. 65 3.1.Общие положения.Построение инженерной методики расчета.

3.2.Определение температуры помещения при автоматическом регулировании систем кондиционирования микроклимата в условиях переменных нагрузок.

3.2а.Применение передаточных функций к исследованию нестационарного теплового режима помещения с регулируемым микроклиматом. 84 3.3. Выбор режима начального прогрева помещения.

3.4.Обоснование допустимой амплитуды колебаний внутренней температуры из условий комфортности.

Актуальность исследования вопросов автоматического регулирования и управления системами кондиционирования микроклимата ( СКМ ) и их взаимосвязи с нестационарными тепловыми процессами,происходящими в обслуживаемом помещении, вытекает из основной задачи специалистов по СКМ - обеспечения требуемой комфортности в обслуживаемой зоне помещения при минимальных затратах [15].Поэтому разработка СКМ здания всегда предполагает ту или иную оптимизацию принимаемых инженерных решений. Однако особую важность эта проблема приобретает в последнее время в связи с резким повышением требований к материало-и энергоемкости СКМ и степени обеспеченности заданных параметров воздушной среды при переменных внешних и внутренних воздействиях.Кроме того, значительное расширение возможностей выбора оборудования для СКМ,приводящее в ряде случаев к затруднениям в поиске оптимального варианта, также требует новых подходов к расчету, проектированию и эксплуатации СКМ и систем их автоматического регулирования ( САР ).

Существующие методики расчета и анализа состояния воздушной среды в помещении имеют ряд недостатков, т. к. либо не учитывают некоторых существенных факторов, влияющих на тепловой режим помещения (таковы,например, методики, использующие стационарный режим и нашедшие наибольшее отражение в нормативной и справочной литературе для проектировщиков, а также приложения теории теплоустойчивости), либо громоздки и потому малопригодны для инженерной практики. Кроме того ,и те. и другие пока не отражают связи динамических характеристик технических средств автоматики и аппаратов СКМ с процессами в помещении.

Расчет нестационарного теплового режима помещения при учете автоматического регулирования элементов СКМ осложняется взаимосвязью и взаимовлиянием переходных физических процессов как в самом помещении, так и в обслуживающих его элементах СКМ и средствах автоматики [153.

Поэтому необходима разработка таких приемов расчета теплового режима помещения, СКМ и САР, которые были бы относительно простыми при использовании и в то же время в достаточной степени учитывали взаимосвязь процессов, происходящих при регулировании СКМ.Данные методы должны быть аналитическими и приводить к инженерным формулам.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:Разработка методов расчета установочной мощности и параметров управления СКМ в условиях переменных тепловых нагрузок ,а также методов их оптимизации за счет надлежащего автоматического регулирования СКМ.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ: Анализ динамических процессов в помещении, СКМ и САР с учетом их взаимосвязи и взаимовлияния и получение функциональной связи между интенсивностью нагрузки, собственной теплоустойчивостью помещения, установочной мощностью СКМ и параметрами управляющего устройства САР, а также выявление влияния указанных факторов на энергопотребление СКМ.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:Создание математической модели динамических процессов в помещении,СКМ и САР .описывающей аккумуляцию тепла в массиве ограждающих конструкций, во внутреннем и вентиляционном воздухе, а также условия теплообмена на внутренней поверхности ограждений. Учет связи между температурой внутреннего воздуха и теплоотдачей (теплоассимиляци-ей) СКМ в условиях автоматического регулирования.Решение и анализ полученной системы уравнений. Проверка результатов за счет составления расчетной схемы соединения элементов системы "помещение-СКМ-САР" и обработки ее методами теории передаточных функций.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:Получение выражений для установочной мощности СКМ и параметров их автоматического управления в условиях решения общей задачи нестационарного теплового режима при одновременном учете собственной теплоустойчивости помещения и автоматического регулирования СКМ. При этом помещение и обслуживающие его СКМ и САР рассматриваются как единая система, в рамках которой осуществляется взаимосвязь и взаимовлияние динамических процессов во всех ее элементах, т. е. решается общая задача,в которую включены определение собственной теплоустойчивости помещения, мощности СКМ и параметров управляющего устройства .

ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:Инженерные формулы для расчета установочной мощности СКМ ,а также коэффициентов передачи управляющего устройства и рекомендации по выбору оптимального закона регулирования и снижению установочной мощности СКМ за счет одновременного учета собственной теплоустойчивости помещения и управляющего воздействия САР.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:Математическая модель динамических процессов в помещении, СКМ и САР в форме системы дифференциальных и алгебраических уравнений. Графоаналитический метод решения данной системы с использованием векторных диаграмм. Инженерная методика выбора установочной мощности и параметров управления автоматизированных СКМ.Рекомендации по выбору оптимального закона регулирования и учету дополнительных факторов,влияющих на динамические процессы в системе "помещение-СКМ-САР\ в т.ч.негармоничности возмущений,несовпадения температур воздуха и ограждений и др.Правила выбора допустимого отклонения температур из условий комфортности.

ОСВЕЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ:По результатам работы опубликован ряд научных и методических трудов, важнейшие из которых указаны ниже (см.также список литературы в конце работы):

1. Самарин 0.Д.О рациональном режиме начального прогрева помещения. // Известия вузов. Строительство., * 1997 , N3 , с. 83 - 85.

2. Самарин О.Д. Расчет нестационарного теплового режима помещения в условиях автоматического регулирования систем кондиционирования микроклимата. (Сб. докл. конф. НИИСФ , 1997, т. 1. - с.67 - 71)

3. Самарин О.Д. Нестационарный тепловой режим помещения в условиях автоматического регулирования систем кондиционирования микроклимата. // Известия вузов. Строительство. , 1997 , N11 , с.82 - 87.

4. Отчет по теме 6.16.2 "Технология оптимизации расхода энергии вновь возводимых и реконструируемых зданий" (промежуточный)/Самарин О.Д.Разделы IV и V.5. - М. , НИИСФ , 1997 . с. 81 - 86 . 122 - 123.

5. Самарин О.Д. Оптимизация мощности и параметров управления систем кондиционирования микроклимата в условиях нестационарного режима. (Сб.докл. конф. НИИСФ , 1998 . с.37 - 41)

6. Самарин О.Д. К вопросу о влиянии организации теплоотдачи элементов систем кондиционирования микроклимата на тепловой режим помещения. // Известия вузов.Строительство. . 1998 , N8 , с. 79 - 84.

7. N. Parfentjeva,0.Samarin, S. Paulauskaite.Optimization of the power and control parameters of HVAC systems in condition of the unsteady duties.//Sta-tyba . 1998 . IV t. , N 3 . p.202 - 205.

8. Отчет по теме 6.16.2 (заключительный)/Самарин О.Д. Разделы V.4-5,VI.1. -М., НИИСФ. 1998,с.25-27,128-139.

9. Титов В.П., Рымаров А. Г., Самарин 0. Д. Методические указания к курсовой работе по основам 0В и КВ. 2-е изд., перераб. и доп. -М. МГСУ, 1999.

10. Самарин О.Д.Оценка комфортности внутреннего микроклимата. Инженерная методика. (Сб. докл.конф. НИИСФ, 1999 , с.102-106).

Кроме того,результаты работы докладывались на ежегодных конференциях НИИСФ, семинарах АВОК и кафедры ОиВ МГСУ, а также использовались в отчетах по хозяйственным договорам,предусматривавшим анализ воздушно-теплового режима помещений Гостиного двора и стадиона "Лужники"(совм.с В. П. Титовым, А. Г. Ры-маровым и А.А.Плотниковым) .

Работа содержит 110 страниц основного текста, два приложения (12 стр.),22 иллюстрации.Общий объем работы 129 стр.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1)Основной спецификой работы является введение уравнения обратной связи (т.е. зависимости 0сКМ и,косвенно, tnр от tB) в общую систему уравнений теплообмена в помещении и СКМ -т. е.объединение элементов теории теплоустойчивости и теории автоматического регулирования, причем существенно, что регулирование СКМ производится именно по значению tB,поскольку при поддержании tnp=const (как это обычно производилось ранее), предлагаемое решение сводится к существующим (т.к.в этом случае QCKM=const,a значит, Kp=ACKM/AtB=0).

2)В работе показано,что выбор установочной мощности элементов СКМ следует производить с учетом требований к амплитуде колебаний внутренней температуры, а также значений собственной теплоустойчивости помещений и амплитуды возможных тепловых воздействий с одновременным определением необходимости местного автоматического регулирования элементов СКМ "по отклонению",используя методику, изложенную в Разделе 3.1 и в Приложении 2.При оценке установочной мощности необходимо учитывать соотношение долей конвективной составляющей в тепловыделениях и теплоотдаче (теплоассимиляции) элементов СКМ.В качестве управляющих устройств рекомендовать регуляторы статические и статические с предварением, реализующие соответственно П- и ПД-закон регулирования.Разработана методика, позволяющая производить расчет начальных параметров настройки регуляторов и также изложенная в указанных разделах работы.Результаты расчета установочной мощности систем В и KB предложено использовать для определения требуемого воздухообмена из условия ассимиляции тепловыделений [126].

3)Установлено, что при выборе исходных данных для расчета установочной мощности СКМ амплитуду колебаний внутренней температуры следует принимать наибольшей из допустимых по условиям комфортности внутреннего микроклимата (Раздел 3.4),а амплитуду колебаний теплового воздействия - наименьшей из возможных,что позволяет минимизировать установочную мощность СКМ и коэффициенты передачи управляющего устройствам в пределе - исключить автоматическое регулирование "по отклонению" [126].

4)Показано, что необходимость специального рассмотрения вопроса о собственной теплоустойчивости помещения (и вычисления показателей Р0 г р,Рп 0 м)в условиях автоматического регулирования СКМ (Разделы 2.2,2.2а) связана с тем, что непосредственно не очевидно тождество вектора B+L,получаемого непосредственным решением системы уравнений теплового баланса и теплообмена в помещении и СКМ (Раздел 2.1),с обычным вектором Рпом , используемым в классической теории теплоустойчивости.Тождество (более строго,аналогия) обнаруживается предельным переходом Кр к 0, т.е.при устранении САР либо переходе к поддержанию постоянной температуры притока (см.п.1).Кроме того,не очевидно,что Рпом (или B+L) в условиях автоматического регулирования будет совпадать с таковым в отсутствие регулирования, и для решения данного вопроса приходится привлекать теорию передаточных функций (Раздел 2.2а).

5)Установлено, что из четырех показателей качества автоматического регулирования (динамическая ошибка Ади„, остаточное отклонение 6СТ,время регулирования tpег,перерегулирование 6пер) при регулярном режиме имеет смысл только Адин,принимающая в этом случае форму амплитуды колебаний AtB (или At п о м)•Прочие не имеют физического смысла: остаточное отклонение равно нулю по теореме о среднем значении периодически изменяющейся величины,время регулирования стремится к бесконечности, а перерегулирование равно 1, т. к. рассматриваются незатухающие колебания.

6)Показано, что главными критериями подобия, определяющими процесс регулирования,являются RflHH = AtBPnoM/Aq (вместо AtB может быть AtnoM) - динамический коэффициент регулирования СКМ как комплексный параметр, учитывающий величину возмущения, динамические свойства системы и требования к САР, и В0=Р'0Гр/Р0Гр - показатель ассимиляции лучистых тепловыделений (или В2 = (В0+1)/2, если AaHH=AtnoM) - тоже комплексный параметр, учитывающий способ теплоотдачи и теплоассимиляции в помещении и системе и их теплофизические свойства.Закон регулирования (а значит, коэффициенты А и В в формуле (3.2))считается заданным (если он задан, третьим определяющим критерием является величина Тдсо или Тисо - см.Раздел 2.1).Определяемый критерий во всех случаях один - величина Касс=Аскм/Aq, показывающая долю возмущения, компенсируемую принудительно за счет работы СКМ. Если закон регулирования не задан, то критерий Тдсо (Тисо) тоже становится определяемым.