автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Разработка и исследование алгоритмов повышения точности учета и эффективности регулирования расхода тепла на отопление зданий

На правах рукописи

МОРОЗОВ Юрий Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ УЧЕТА И ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ТЕПЛА НА ОТОПЛЕНИЕ ЗДАНИЙ

Специальность:

05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы (в промышленности)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2004

Работа выполнена в

Новосибирском государственном техническом университете

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Рогачевский Борис Михайлович

Научный консультант:

доктор технических наук,

профессор Алейников Александр Федорович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Воевода Александр Александрович, кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Трушин Виктор Александрович

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное учреждение, Сибирский научно-исследовательский институт метрологии (ФГУП СНИИМ), г. Новосибирск

Защита состоится «28» сентября 2004 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.08 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета

Автореферат разослан «_» июля 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Полубинский В. Л.

2005-4 12179

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. При регулировании и учете расхода тепла на отопление зданий, в которых отсутствуют люди в течение части суток, необходимо решать задачи повышения точности измерения количества тепла и точности поддержания требуемой температуры воздуха в помещениях одновременно со снижением потребления тепла в зданиях во время отсутствия людей.

Эти задачи решаются путем совершенствования теплотехнического оборудования систем отопления зданий, аппаратного обеспечения, а также алгоритмического и программного обеспечения информационно-измерительных систем учета и регулирования тепла в зданиях.

Основополагающие вопросы по описанию теплового режима помещения в здании рассмотрены в работах В. Н. Богословского, Ю. А. Табунщикова и др. Тепловой режим помещения с системой отопления описывается системой уравнений теплового баланса в частных производных. Эти уравнения обладают высокой точностью вычислений, однако являются весьма громоздкими и неудобными для программной реализации. Уравнения теплового баланса содержат большое количество коэффициентов, требующих экспериментального определения путем проведения дорогостоящих физических экспериментов. Уравнения в частных производных ориентированы в первую очередь на решение задач проектирования здания с системой отопления.

В работах А. М. Шкловера, В. П. Туркина и др. помещение описывается как объект с сосредоточенными параметрами:

1) путем разложения последовательности прямоугольных импульсов тепловой мощности в ряд Фурье и представления теплофизических свойств помещения в частотной области при помощи комплексного коэффициента теплоустойчивости;

2) в виде линейного апериодического звена, входящего в контур системы автоматического управления, причем принимается, что температура внутреннего воздуха равна температуре внутренних поверхностей ограждений.

Известные уравнения теплового баланса не позволяют адекватно учитывать темп изменения температуры внутреннего воздуха в течение одного суточного цикла регулирования расхода тепла на отопление при реальном изменении температуры наружного воздуха и большом ступенчатом изменении тепловой мощности в момент перехода режима регулирования «ночь-день».

Тепловая мощность системы водяного отопления здания вычисляется как произведение массового расхода воды на разность удельных энтальпий воды в подающем и обратном трубопроводе. Удельная энтальпия воды представляет собой сумму запаса внутренней энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия, и потенциальной энергии, обусловленной некоторой сжимаемостью жидкости, в единице массы воды. Внутренняя энергия зависит преимущественно от температуры, потенциальная энергия - от давления.

Наиболее точным представлением данных об удельной энтальпии является представление на основании «Международного уравнения состояния воды». Это уравнение принято за основу в Пр В|одк ЦХ|?ЙсГЙХ5№Й51?¥еРГИИ- Данное

БИБЛИОТЕКА , 1

уравнение, так же как и система уравнений теплового баланса помещения в частных производных, является громоздким и неудобным для программной реализации в теилоизмерительных системах, поскольку предназначено для использования в значительно более широком диапазоне температур и давлений, чем могут иметь место в системах отопления.

Разработчиками теплоизмерительных систем предложено несколько вариантов компактного табличного представления данных об удельной энтальпии. Однако, эти варианты давали большую относительную погрешность вычисления разности удельных энтальпий при малых разностях температур из-за неучета зависимости удельной энтальпии от давления. Это обусловлено тем, что при малых разностях температур разность внутренних энергий становится соизмеримой с разностью потенциальных энергий, соответствующих этим температурам. При увеличении разности давлений разность удельных энтальпий возрастает, что и приводит к появлению значительной погрешности вычисления разности удельных энтальпий (до 10 %).

Таким образом, в силу перечисленных причин, создание новых подходов к построению системы уравнений теплового баланса помещения, входящего в контур системы автоматического регулирования, и разработка методики экспериментального определения ее коэффициентов и ее использования для расчета необходимого уровня тепловой мощности в процессе регулирования расхода тепла на отопление, являются актуальными. Также актуальной является разработка вариантов табличного представления данных об удельной энтальпии.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является повышение эффективности регулирования и точности учета тепла за счет использования данных о теплоинерционных свойствах помещения и зависимости удельной энтальпии воды в системе отопления от температуры и давления.

В соответствии с указанной целью в рамках диссертационной работы были поставлены следующие задачи:

1) на основании теории автоматического управления разработать систему уравнений теплового баланса, адекватно описывающую поведение "температуры внутреннего воздуха при форсированном нагреве помещения. Данная система уравнений должна описывать помещение как совокупность линейных апериодических звеньев с некоторыми тепловыми постоянными времени и содержать минимальное количество коэффициентов, что должно облегчить построение экспериментальной методики их определения;

2) исследовать энергосберегающий эффект, который дает использование предложенной системы уравнений теплового баланса помещения при форсированном нагреве воздуха в помещении;

3) создать методику экспериментального определения коэффициентов предложенной системы дифференциальных уравнений, имеющих смысл тепловых постоянных времени;

4) сформировать компактные табличные варианты представления данных об удельной энтальпии воды в памяти микропроцессорного теплосчетчика, которые дают малую вычислительную погрешность при малых разностях температур и больших разностях давлений в подающем и обратном трубопроводе;

5) экспериментально подтвердить эффективность предложенной системы уравнений теплового баланса помещения.

Методы исследований. При выполнении работы использовались методы математического анализа, теории автоматического управления, технической термодинамики, вычислительной математики, методы математического моделирования на компьютере, а также экспериментальные исследования системы регулирования расхода тепла на отопление, установленной в общественном здании.

Научную новизну представляют:

1) система уравнений теплового баланса помещения, которая учитывает как большую постоянную времени массивных ограждений, так и малую постоянную времени воздушного объема, что позволяет получить экономию тепловой энергии до 5 % за счет корректного определения момента включения отопления после ночного отключения для достижения требуемой температуры к моменту появления людей в здании в начале дневного времени;

2) методика экспериментального определения тепловых постоянных времени ограждений и воздушного объема помещений в здании во время отсутствия людей в течение части суток;

3) компактные табличные варианты представления данных об удельной энтальпии воды в системах учета и регулирования тепла, которые позволяют уменьшить методическую погрешность определения количества потребленной тепловой энергии при малых разностях температур воды в подающем и обратном трубопроводе системы отопления за счет корректного учета зависимости удельной энтальпии от давления и тем самым снизить требования к инструментальным погрешностям измерения температуры и расхода воды.

Личный вклад. Способы решения поставленных задач и основные научные результаты принадлежат автору.

Практическая ценность работы и результаты внедрения. Разработанные варианты представления данных об удельной энтальпии реализованы в виде программного обеспечения для эталонного теплосчетчика, теплоизмери-тельных систем «Тепло-2» и «Тепло-3», а так же некоторых модификаций «Те-пло-1». Работа выполнялась в рамках хоздоговоров ССОД- 3-00, 4-01, 7-01, 801.

Созданная методика определения тепловых постоянных времени использована при регулировании расхода тепла на отопление и включена в состав программного обеспечения системы регулирования расхода тепла на отопление, установленного в одном из зданий НГТУ, а также в ряде зданий СО РАСХН. Работа выполнялась в рамках Отраслевой научно-исследовательской программы «Энергосбережение Минобразования России» (2000-2005).

Практические результаты работы подтверждены пятью актами внедрения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту: - предложенная система из двух уравнений теплового баланса помещения, входящего в контур системы автоматического, регулирования расхода тепла на отопление;

- процедура получения энергосберегающего эффекта при использовании системы из двух уравнений теплового баланса помещения для формирования управляющего воздействия на систему отопления;

- методика экспериментального определения коэффициентов предложенной системы дифференциальных уравнений;

- табличные варианты представления данных об удельной энтальпии воды в системах учета тепла.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Сибирской региональной научно-практической конференции «Разработка, аттестация и применение методик выполнения измерений» (1998 г), V Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2000, VI Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2002, на заседании Региональной научно-технической Школы семинара студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиотехники» СПР-2003, VII Международной научно-практической конференции «СХН АПК Сибири, Монголии, Казахстана, Кыргызстана».

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Объем работы 131 страница основного текста, содержит 14 рисунков, 21 таблица. Список литературы содержит 34 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена цель работы, показаны ее актуальность, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведен анализ известных уравнений теплового баланса помещения, входящего в контур системы автоматического управления.

Приводится описание системы уравнений теплового баланса в частных производных. Показано, что трудоемкость вычислений при ее использовании и количество коэффициентов, требующих экспериментального определения, пропорциональны числу ограждений и слоев, на которые они разбиты.

Далее показана неэффективность описания теплового баланса в частотной области и описания в виде одного дифференциального уравнения. На рис. 1 показана «шкала сложности» известных описаний теплового баланса. В соответствии с дифференциальным уравнением теплового баланса температура внутреннего воздуха изменяется в одном темпе с температурой внутренних поверхностей ограждений за счет большой постоянной времени тп, близкой к постоянной времени ограждающих конструкций (ограждений). На самом деле температура внутреннего воздуха изменяется быстрее, чем температура внутренних поверхностей ограждений и в установившемся режиме ее превышает. Это обусловлено тем, что источник тепла контактирует с воздушным объемом помещения, который имеет значительно (на несколько порядков) меньшую постоянную времени, чем постоянная времени ограждений. После ступенчатого

увеличения тепловой мощности источника она будет расходоваться как на нагрев воздушного объема в силу его теплоаккумулирующих свойств, так и на передачу тепла внутренним поверхностям ограждений. За короткий (по сравнению с тепловой постоянной времени ограждений) интервал времени расход тепла на нагрев воздушного объема самого по себе прекратится, и все тепло источника будет отдаваться только внутренним поверхностям ограждений. Тепло, отдаваемое ограждениям, в свою очередь, будет расходоваться на нагрев ограждений и рассеиваться через наружные ограждения. После того, как расход тепла на теплоаккумуляцию воздушного объема прекратится, температура внутреннего воздуха будет изменяться в такт температуре внутренних поверхностей ограждений.

Значительные отличия между темпом роста температуры внутренних поверхностей ограждений и температуры внутреннего воздуха будут иметь место при больших изменениях управления, которые должны изменить температуру внутреннего воздуха до требуемого значения за ограниченное время.

Рис. 1. «Шкала сложности» описаний теплового баланса

В табл. 1 приведена сравнительная характеристика известных описаний теплового баланса помещения.

Таблица 1

Сравнительная характеристика известных описаний

Название описания Число экспе-римен-тально определяемых коэффициентов Трудоемкость вычисления температуры внутреннего воздуха Особенности

в частных производных (7М+8)п пропорциональна числу слоев М и ограждений п трудоемкость экспериментального определения коэффициентов и вычисления температуры воздуха пропорциональны числу ограждений и слоев, на которые они разбиты

в частотной области 1 не зависит от числа слоев и ограждений необходимость формирования гармонического изменения тепловой мощности в течение длительного интервала времени, пропорционального постоянной времени ограждений (более 100 ч)

в виде диф. уравнения 1-го порядка 1 не зависит от числа слоев и ограждений возможность оценки тепловой постоянной времени с использованием одиночного ступенчатого изменения тепловой мощности; неучет быстрого изменения температуры внутреннего воздуха сразу после ступенчатого изменения тепловой мощности

Для того, чтобы учесть то обстоятельство, что темп изменения температуры внутреннего воздуха определяется не только теплофизическими свойствами ограждений, но и теплофизическими свойствами воздушного объема, и при этом сохранить относительную простоту описания тепловых процессов в помещении (рис. 1), предлагается вместо одного известного дифференциального уравнения теплового баланса использовать систему из двух линейных дифференциальных уравнений.

Во второй главе рассматривается предложенная система из двух дифференциальных уравнений теплового баланса помещения

где ха - постоянная времени воздушного объема, с; Т0 - постоянная времени ограждений, с; т] - отношение коэффициента теплопередачи наружных ограждений к коэффициенту поверхностного теплообмена на их внутренних поверхностях; Тпов - средняя температура внутренних поверхностей ограждений, "С, и— управляющее воздействие, пропорциональное тепловой мощности системы отопления, °С.

На рис. 2 показана схема отапливаемого помещения, входящего в контур системы автоматического регулирования.

Рис. 2. Модель помещения согласно системе уравнений (1)-(2), s - параметр преобразования Лапласа

Воздушный объем и ограждения помещения представлены в виде линейных апериодических звеньев. На вход каждого звена воздействует некоторая часть управляющего воздействия, определяемая соотношением обобщенного коэффициента теплопередачи наружных ограждений и коэффициента поверхностного теплообмена внутренних поверхностей ограждений. На звено с постоянной времени ограждений воздействует также температура наружного воздуха. Наличие у ограждения нескольких слоев учитывается путем усреднения произведений теплоемкости на массу каждого слоя. Такой вариант учета неоднородности ограждений является наиболее предпочтительным, поскольку учет отдельного слоя каждого ограждения в виде отдельного апериодического звена приводит к усложнению описания теплового баланса вплоть до системы уравнений в частных производных.

Помещение, входящее в контур системы автоматического регулирования расхода тепла на отопление, целесообразно описывать в виде отдельных апериодических звеньев, тепловые постоянные времени которых отличаются значительно друг от друга, что было подтверждено результатами экспериментов.

Далее проведен анализ эффективности использования как известного уравнения, так и предложенной системы дифференциальных уравнений теплового баланса в основе традиционного пропорционально-интегрального (ПИ) алгоритма регулирования тепла. В качестве критериев эффективности использова-

лись критерии среднеквадратического отклонения (СКО) фактической температуры внутреннего воздуха от требуемой и СКО фактического управляющего воздействия от требуемого для одного суточного цикла регулирования после единичного изменения температуры внутреннего воздуха. В табл. 2 приведены оценки эффективности работы ПИ-регулятора при его настройке на время форсированного единичного изменения требуемой температуры 3 ч. Значения критериев в зависимости от сочетаний коэффициента пропорциональности К„и постоянной интегрирования меняются незначительно. Как для известного,

Таблица 2 так и для предложен-

Результаты моделирования работы ПИ-алгоритма на основе известного и предлагаемого описания теплового баланса при единичном форсированном нагреве за 3 ч

т0 =150ч,тв = 2 ч, ц = 0,1

изв. у равнение предл. система уравнений

к„ т„, ч 5т в 5и к„ ти, ч 5тв

141 00 0,1531 21,28 118 00 0,0832 9,2737

120 105 0,1556 20,89 115 270 0,0831 9,1578

100 25,5 0,1640 19,99 110 82,5 0,0829 8,9523

100 33 0,0835 8,5490

ного описания теплового баланса СКО управляющего воздействия намного превышает его требуемый уровень, поскольку желаемое время установления требуемой температуры много меньше тепловой постоянной времени ограждений. Постоянная интегрирования слабо влияет на качество регулирования. В то же

время, предложенная система уравнений теплового баланса дает примерно в 2 раза меньшее СКО управляющего воздействия, чем известное. Таким образом, даже при использовании классического ПИ-алгоритма предложенная система уравнений теплового баланса будет более эффективной, чем известная.

Затем показана эффективность использования предложенной системы уравнений теплового баланса при утреннем форсированном нагреве помещений. Рассмотрено три варианта форсированного нагрева:

1) уровень управляющего воздействия, пропорционального тепловой мощности, и нарастание температуры внутреннего воздуха рассчитываются по известному уравнению теплового баланса. Этот вариант является характерным для случая, когда температура внутреннего воздуха не измеряется;

2) уровень управляющего воздействия рассчитывается по известному уравнению теплового баланса, нарастание температуры рассчитывается по предложенной системе из двух уравнений. В этом случае температура внутреннего воздуха измеряется, но, поскольку предложенная система дифференциальных уравнений считается неизвестной, уровень управляющего воздействия вычисляется с помощью известного уравнения. В тоже время реальное изменение температуры внутреннего воздуха идет согласно предложенной системе уравнений теплового баланса, что фиксируется датчиком температуры;

3) уровень управляющего воздействия и нарастание температуры рассчитываются в соответствии с предложенной системой уравнений теплового ба-

ланса. Здесь предложенная система дифференциальных уравнений считается уже известной.

Расчеты показывают, что при использовании известного уравнения вместо предложенной системы уравнений теплового баланса приращение управления при форсированном нагреве получается значительно завышенным.

Расчет форсированного нагрева, основанный на известном уравнении теплового баланса, приводит к необходимости иметь располагаемое управляющее воздействие в несколько раз больше, чем это следует из предложенной системы уравнений. Это, естественно, приводит к тому, что температура внутреннего воздуха нарастает очень быстро, чего не требуется. Кривые расчетного и фактического изменения температуры внутреннего воздуха в третьем случае совпадают.

Таким образом, на основании предложенной системы дифференциальных уравнений теплового баланса рекомендуется следующий вариант вычисления уровня управляющего воздействия при форсированном нагреве в процессе регулирования расхода тепла на отопление: производится измерение температуры наружного и внутреннего воздуха перед началом форсированного нагрева; вычисляются значения переходной характеристики помещения, полученной на основании предложенной системы дифференциальных уравнений теплового баланса (1), (2) для заданного времени форсированного нагрева с использованием экспериментально определенных оценок тепловых постоянных времени; для заданного значения температуры внутреннего воздуха в конце форсированного нагрева вычисляется приращение управляющего воздействия.

Показано, что при форсированном нагреве помещения в зданиях, в которых отсутствуют люди в течение части суток (в ночное время и выходные дни), тепловой баланс помещений, входящих в контур системы автоматического управления расхода тепла на отопление, описывается с использованием системы из двух дифференциальных уравнений первого порядка, одно из которых отражает относительно быстрый нагрев воздуха с постоянной времени порядка нескольких часов, второе - прогрев ограждающих конструкций помещения с постоянной времени около 100 часов и более.

В третьей главе рассматриваются способы повышения эффективности регулирования тепла на основании предложенной системы из двух дифференциальных уравнений теплового баланса вместо известного уравнения. Чтобы обеспечить установление требуемой температуры внутреннего воздуха к началу дневного времени при наличии ограничений на максимальное управляющее воздействие, предлагается на основании описания из двух уравнений теплового баланса определять момент включения отопления после ночного отключения.

На рис. 3 показан суточный цикл регулирования тепла на основании известного и предложенного описания теплового баланса. В дневное время регулирование осуществляется в соответствии с дискретным пропорциональным алгоритмом регулирования. В ночное время осуществляется вычисление момента включения отопления.

Рис 3. Регулирование расхода тепла на отопление с определением момента включения отопления с целью достижения требуемой температуры у началу дневного времени (8:00) на основании а) известного б) предложенного описания теплового баланса

При использовании для этой цели известного уравнения из-за неучета малой постоянной времени воздушного объема происходит преждевременное включение отопления, в то время как при использовании предложенной системы уравнений теплового баланса включение осуществляется всего лишь за 2 ч до наступления дневного времени. При регулировании тепла на основании известного описания «затраты на регулирование» значительно выше, чем на ос-

новании предложенного, прежде всего, за счет преждевременного включения отопление в ночное время. Для оценки энергосберегающего эффекта был проведен анализ зависимости «затрат на регулирование» uz и экономии тепловой энергии от выбора описания теплового баланса и ограничений на максимальное управляющее воздействие итахс использованием разработанной автором моделирующей программы.

С целью выявления эффекта от использования описания теплового баланса как основы алгоритмического обеспечения системы регулирования тепла анализ проводился при постоянной температуре наружного воздуха. Под «затратами на регулирование» следует понимать суммарное управляющее воздействие за один суточный цикл, пропорциональное потреблению тепловой энергии. Под экономией энергии Э следует понимать относительную разницу между «затратами на регулирование» при поддержании требуемой температуры в течение части суток и при ее круглосуточном поддержании

На рис. 4 показана зависимость «затрат на регулирование» и экономии тепла от максимального управляющего воздействия. Известное описание дает экономию тепла, не превышающую 1-2%, а предложенное описание - 5% для

большей части диапазона максимальных управляющих воздействий. При приближении максимального управляющего воздействия к требуемой температуре внутреннего воздуха экономия приближается к нулю. Таким образом, непосредственный эффект от использования предложенного описания теплового баланса составляет 5% экономии потребляемого тепла, причем абсолютная экономия определяется тепловой нагрузкой здания, временем эксплуатации системы отопления и стоимостью единицы потребляемого тепла.

Дальнейшее повышение эффективности регулирования тепла заключается в использовании экстраполяции температуры внутреннего воздуха относительно момента текущего приращения управляющего воздействия до момента следующего приращения управляющего воздействия с целью упреждающего формирования управляющего воздействия.

Рис. 4. Экономия тепла и «затрат на управление» при использовании: 1- известного, 2- предложенного описания теплового баланса

На рис. 5 приведен блок-схема фрагмента алгоритма регулирования расхода тепла на отопление с экстраполяцией температуры внутреннего воздуха. Здесь ) - номер временного шага; г — число отсчетов температуры между соседними приращениями управляющего воздействия; Д1 - интервал между соседними отсчетами температуры; ^ - требуемое значение температуры внутреннего воздуха; - приращение

управления; - переходная характеристика помещения. Способ вычисления величин

Рис. 5. Блок-схема фрагмента алгоритма регулирования расхода тепла на отопление

Ьи(Г'Л£), используемых во 2-м и 3-м блоках алгоритма будут определяться способом описания теплового баланса, так как известно, что переходная характеристика объекта определяется видом дифференциального уравнения, которым он описывается. Символ «|», используемый в литературе по теории автоматического регулирования, означает операцию экстраполяции интересующей нас величины относительно момента времени, указанного справа, до момента времени, указанного слева от «|». Эффект от упреждающего формирования приращения управляющего воздействия ожидается при реальном изменении температуры наружного воздуха. Моделирование работы алгоритма регулирования тепла с экстраполяцией при изменении температуры наружного воздуха в диапазоне от -5 °С до +5 °С показало, что само по себе использование предложенного описания теплового баланса дает экономию тепла 5%, а использование экстраполяции позволяет лишь удерживать температуру внутреннего воздуха возле требуемого значения с более высокой точностью.

Таким образом, энергосберегающий эффект, полученный в результате совершенствования алгоритмического и программного обеспечения системы регулирования расхода тепла на отопление, достигается в первую очередь за счет выбора и использования соответствующего описания теплового баланса помещений здания. Использование этого описания для экстраполяции температуры внутреннего воздуха дает возможность лишь повысить точность поддержания требуемой температуры в дневное время.

В четвертой главе рассматриваются способы представления данных об удельной энтальпии воды, используемые для вычисления количества тепла, потребляемого системой отопления от теплосети.

Правила учета тепловой энергии предполагают использование «Международного уравнения состояния воды» и полученной с помощью него таблицы значений удельной энтальпии. В основе этого уравнения лежит зависимость удельной энергии Гельмгольца от температуры и плотности. Вид у этой зависимости весьма сложный:

А(Т,р) = А0(Т) + А,(Т,р) + А2(Т,р) + А3(Т,р) + А4(Т,р),

(3)

где А0(Т) - (Ат + А0]Т)-1пТ + V А0)Т''

А2(Т,р) = А20Т

1п

1-У.

130

А1(Т,р) = р|А11Т-,; 169

3(1-у) 6(1-У)'

1(0

— 14у

у = Р-|у0+у11пТ+^|-+^|;А3(Т(р) = |Аз1[^ ' •

А4(Т,р) = 2А41б;(,) •ехр(-а)6Г<') -р,6?); 6,

Р-Р.

т. =-

Т-Т,

В этих формулах Аоо, А01, Ао„ А]„ Аа>, Аз„ А«,б„ а„ и У0> У1> У 2» Уз» р1? Т, - постоянные коэффициенты, 1(1), т(1), - постоянные показатели степеней. Программная реализация данного уравнения весьма громоздка и неудобна для микропроцессорного теплосчетчика. Это делает необходимым поиск более рациональных способов табличного представления данных об удельной энтальпии и исследования их влияния на погрешность теплосчетчика.

Известные табличные варианты представления данных об удельной энтальпии при малых разностях температур в подающем и обратном трубопроводе системы отопления дают относительную погрешность до 10%, поскольку они не учитывают зависимости удельной энтальпии от давления.

Предложен ряд вариантов представления данных об удельной энтальпии: Вариант 1.1. Таблица значений удельной энтальпии для температур 0, 10... 150 °С и давлений (р) 0,1,0,11 ... 1 МПа. Зависимость удельной энтальпии от давления в диапазоне ОД - 1 МПа ^ф)} для каждой из температур аппроксимирована выражением:

(4)

Вариант 1.2. Таблица значений удельной энтальпии для температур О, 10... 150 °С за вычетом значений при 0 °С, усредненных по 20 поддиапазонам давлений внутри диапазона 0,1-1 МПа. При Т = 0 °С удельная энтальпия аппроксимирована выражением:

h(p,0) = b + c-(p-0,l), (5)

где р - текущие значения давления, МПа; b - коэффициент, постоянный для данного поддиапазона давлений, кДж/кг; с = 1 кДж/(кг МПа).

Вариант 2.1. Таблица значений удельной энтальпии для температур О, 10 ...150 °С и давлений 0,35 и 0,65 МПа, наиболее часто имеющих место в подающем и обратном трубопроводах системы отопления.

Вариант 2.2. Использование теплоемкости, усредненной по диапазону 0150 °С и 0,1 - 1 МПа, характерному для систем отопления.

Первые два варианта 1.1 и 1.2 используются в случае, если в состав теплосчетчика входят каналы измерения давления, иначе используются остальные варианты 2.1 и 2.2. Все варианты получены на основании детального численного анализа зависимости удельной энтальпии воды от температуры и давления, который позволил получить выражения (4) и (5), которые, в свою очередь, дали возможность рационально использовать вычислительные ресурсы теплосчетчика. Для определения значений удельной энтальпии для промежуточных значений температуры и давления используется интерполяция 0-го или 1-го порядка.

Все предложенные варианты табличного представления данных дают в 2-8 раз меньшую погрешность вычисления разности удельных энтальпий в подающем и обратном трубопроводе, чем известные (рис .6).

Выбор того или иного варианта представления данных об удельной энтальпии определяется инструментальной погрешностью вычисления разности температур в подающем и обратном трубопроводе (рис. 6).

Если, например, абсолютная погрешность измерения разности температур составляет 0,1 °С, а минимальная разность температур составляет 2 °С, то максимальная относительная погрешность вычисления разности температур будет составлять 5%. В этом случае использование варианта 2.2 представления данных об удельной энтальпии приведет к увеличению общей относительной погрешности в 2 раза, использование варианта 2.1 в 1,5 раза. Использование вариантов 12 и 1.3 приводит к увеличению общей погрешности всего лишь в 1,1 раза. Это означает, что в дальнейшем уменьшении погрешности вычисления разности удельных энтальпий нет необходимости.

Известные способы представления данных об удельной энтальпии пригодны не для всей области изменения температур и давлений у водяных систем теплоснабжения.

Предложенные табличные методы представления данных об удельной энтальпии позволяют получить погрешность вычисления разности удельных энтальпий, много меньшую инструментальной погрешности измерения разности температур при учете зависимости удельной энтальпии от давления.

О ——I-1-1-1-1-1-1-1-

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

ТгТ2, °С

Рис. 6. Зависимость относительной погрешности от разности температур в подающем и обратном трубопроводе

Варианты 1.1 и 1.2 целесообразно использовать в эталонных теплосчетчиках, входящих в состав поверочных стендов. Варианты 2.1 и 2.2 наиболее пригодны для рабочих теплосчетчиков. Вариант 2.2 интересен для теплосчетчиков, рассчитанных на малую тепловую мощность (менее 0,1 Гкал/ч).

В пятой главе излагается экспериментальная методика оценки тепловых постоянных времени помещения, входящих в систему уравнений теплового баланса (1) - (2). Методика основана на подстановке результатов наблюдений за температурой наружного воздуха и управляющего воздействия на систему отопления в формулу дискретной свертки для нахождения расчетной температуры внутреннего воздуха, полученную на основании решения системы уравнений 0)-(2)

т т

(6)

к=1 к=1 где £ц(к'Д1) и gTн(к-ДОсоответственно дискретные импульсные характеристики помещения относительно управляющего воздействия и температуры наружного воздуха, киm соответственно номер и число отсчетов дискретных импульсных характеристик. Вычисленные значения температуры воздуха в контрольном помещении сравниваются с измеренными по критерию средне-квадратического отклонения (СКО). В табл. 3 приведены результаты эксперимента по определению тепловых постоянных времени ограждений и воздушного объема.

Таблица 3

Результаты эксперимента по оценке тепловых постоянных времени Дата I т0, ч I тв, ч I п ~~ СКО

с 22.03.03 14:00 по 24.03.03 11:00 170 2_ 0,1 0,52

с 29.03.03 14:00 по 31.03.03 11:00 145 2_ 0,1 0,48

с 19.04.03 14:00 по 21.04.03 11:00 170 \2 0,1 [0,44

Чтобы определить значения тепловых постоянных времени, дающих минимальное СКО расчетных значений температуры внутреннего воздуха от измеренных, тепловые постоянные времени воздушного объема и помещения перебираются соответственно в ожидаемых диапазонах 1-3 ч с шагом 0,1 ч и 100-200 ч с шагом 1 ч и для каждого сочетания вычисляется СКО. Эти СКО наносятся на контурную диаграмму определяется такое сочетание, которое дает минимальное СКО. Пример контурной диаграммы для одной из серий эксперимента (29.03.03 - 31.03.03) приведен на рис. 7.

Таким образом, получено необходимое совпадение результатов эксперимента с расчетом коэффициентов системы из двух дифференциальных уравнений (тепловых постоянных времени ограждений и воздушного объема) теплового баланса помещения для нескольких серий эксперимента. Показано, что при использовании одного дифференциального уравнения теплового баланса совпадения достигнуто быть не может.

В заключении приведены основные результаты работы.

В приложении представлены: акты внедрения, моделирующие программы, а также методики расчетного и экспериментального определения тепловых постоянных времени помещений здания

170

160

Ъ 150

140

130.

Рис. 7. Контурная диаграмма для оценки тепловых постоянных времени

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основании теории автоматического управления разрабогана система описания теплового баланса, прогнозирующая поведение температуры внутреннего воздуха при форсированном нагреве помещения. Данная система уравнений описывает помещение как совокупность из двух линейных апериодических звеньев первого порядка, имеющих соответствующие постоянные времени. Показано, что при форсированном нагреве помещения в зданиях, в которых люди отсутствуют в течение части суток, первое дифференциальное уравнение отражает относительно быстрый нагрев воздуха с постоянной времени порядка нескольких часов, второе - прогрев ограждающих конструкций помещения с постоянной времени около 100 часов и более.

Расчет форсированного нагрева, основанный на известном дифференциальном уравнении теплового баланса, приводит к необходимости иметь располагаемую тепловую мощность в несколько раз больше, чем это следует из предложенного описания теплового баланса. Это, естественно, приводит к тому, что температура внутреннего воздуха нарастает очень быстро, чего не требуется.

2. Показано, что в процессе регулирования расхода тепла на отопление в здании, в котором люди отсутствуют в течение части суток, использование известного дифференциального уравнения не дает значительной экономии тепловой энергии. Использование предложенной системы из двух дифференциальных уравнений теплового баланса дает экономию до 5 %.

3. Создана методика экспериментального определения тепловых постоянных времени. Данная методика позволяет оценивать тепловые постоянные времени здания, в котором люди отсутствуют в течение части суток, путем автоматического сбора данных о температурах наружного и внутреннего воздуха в период отсутствия людей в здании. Методика включена в состав алгоритмического и программного обеспечения системы учета и регулирования тепла в одном из корпусов НГТУ, а также в ряде зданий СО РАСХН.

4. Сформированы табличные варианты представления данных об удельной энтальпии, которые позволяют при малых разностях температур в подающем и обратном трубопроводе получить погрешность вычисления разности удельных энтальпий, много меньшую инструментальной погрешности измерения разности температур при учете зависимости удельной энтальпии от давления. Эти варианты включены в состав программного обеспечения теплоизмерительных систем семейства «Тепло», в том числе серийно-производимой в настоящее время теплоизмерительной системы «Тепло-3».

5. Получено необходимое совпадение результатов эксперимента с расчетом коэффициентов предложенной системы из двух дифференциальных уравнений теплового баланса помещения для нескольких серий эксперимента. Показано, что при использовании известного дифференциального уравнения теплового баланса совпадения достигнуто быть не может. Таким образом, эксперименты подтверждают эффективность предложенной системы дифференциальных уравнений теплового баланса.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Еленычев СВ., Морозов Ю.В. Использование моделей радиотехнических цепей и сигналов для описания процесса изменения температуры воздуха в помещении с водяным отоплением // Труды Региональной научно-технической Школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиотехники» (СПР-2003) (26-28 ноября 2003, Новосибирск) . -Новосибирск: НГТУ, 2003. - С. 48-51.

2. Морозов Ю. В., Рогачевский Б. М. Представление данных об удельной энтальпии и плотности воды в микропроцессорных теплосчетчиках // Измерительная техника. - 1997. - № 7. - С. 42-44.

3. Морозов Ю. В., Рогачевский Б. М. Сравнение алгоритмов вычисления тепловой мощности // Законодательная и прикладная метрология. — 1998. — № 1. — С. 39-40.

4. Морозов Ю. В., Рогачевский Б. М. Сравнение табличного метода представления данных об удельной энтальпии с методом, приведенным в рекомендации МИ2412-97 // Законодательная и прикладная метрология. -1999. - № 5. -С. 11-12.

5. Морозов Ю.В., Рогачевский Б.М. Анализ способов определения долевого участия радиаторов в нагреве помещений // Труды VI Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2000». - Новосибирск: НГТУ, 2000. - Т. 5. - С. 133-136.

6. Морозов Ю.В., Рогачевский Б.М. Анализ способов определения долевого участия радиаторов в нагреве жилых помещений // Законодательная и прикладная метрология. - 2000. - № 6. - С. 14-18.

7. Еленычев СВ., Морозов Ю.В., Рогачевский Б.М. Учет постоянных времени помещений здания при регулировании расхода тепла на отопление // Материалы VI Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2002». - Новосибирск: НГТУ, 2002. - Т. 3. - С. 115-119.

8. Алейников А. Ф., Морозов Ю. В. Повышение эффективности систем регулирования расхода тепла на отопление зданий путем совершенствования их алгоритмического обеспечения // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - 2004. - № 1. - С 104-116

9. Алейников А. Ф., Морозов Ю. В. Анализ путей совершенствования программно-алгоритмического обеспечения систем регулирования тепла в зданиях сельскохозяйственного назначения // СХН АПК Сибири, Монголии, Казахстана, Кыргызстана: Труды Международной научн.-практ. конференции/ СО РАСХН. - Новосибирск, 2004.- С. 56-68.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета формат 60x84/16, объем 1,25 п.л., тираж 100 экз., заказ № 386, подписано в печать 22.06.04 г.

М4304

РНБ Русский фонд

2005-4 12179

Введение.

Выводы.

1. Обзор существующих систем уравнений теплового баланса помещения, используемых при регулировании расхода тепла на отопление.

1.1. Система дифференциальных уравнений теплового баланса помещения в частных производных.

1.2. Уравнение теплового баланса помещения в частотной области.

1.3. Описание теплового баланса помещения во временной области при помощи одного дифференциального уравнения.

1.4. Сравнительная характеристика существующих описаний теплового баланса.

Выводы по первой главе.

2. Предложенная система уравнений теплового баланса помещения и ее использование в основе классических алгоритмов регулирования.

2.1. Способ описания поведения температуры внутреннего воздуха в помещении при помощи системы из двух дифференциальных уравнений теплового баланса.

2.2. Анализ взаимосвязи управляющих тепловых воздействий и алгоритмов регулирования расхода тепла на отопление.

2.3. Использование системы уравнений теплового баланса в основе классического ПИ-алгоритма для определения уровня управляющего воздействия при форсированном на- 48 греве.

2.4. Определение уровня управляющего воздействия при форсированном нагреве с использованием предложенного описания теплового баланса.

2.5. Анализ влияния погрешностей определения тепловых постоянных времени на точность формирования управляющего воздействия.

Выводы по второй главе.

3. Исследование путей повышения эффективности регулирования тепла на основании предложенного описания теплового баланса помещения.

3.1. Исследование эффективности использования предложенной системы дифференциальных уравнений вместо известной при регулировании расхода тепла на отопление с экстраполяцией температуры внутреннего воздуха.

3.2. Исследование эффективности использования предложенной системы дифференциальных уравнений вместо известной при регулировании расхода тепла на отопление с экстраполяцией температуры внутреннего воздуха.

Выводы по третьей главе.

4. Анализ влияния вариантов представления данных об удельной энтальпии на погрешность систем учета и регулирования тепла.

4.1. Анализ уравнений состояния воды.

4.2. Анализ известных вариантов представления данных об удельной энтальпии.

4.2.1. Традиционный метод вычисления тепловой мощности (с использованием k-фактора).

4.2.2. Способ представления данных об удельной энтальпии, используемый в теплосчетчиках SA94.

4.3. Новые варианты представления данных об удельной энтальпии.

4.3.1. Представление данных об удельной энтальпии при измерении рь Ть Gb р2, Т2, G2.

4.3.2. Представление данных об удельной энтальпии при измерении Ть Т2, Gi, G2 (pi и р2 - не измеряются).

4.3.3 Сравнение предложенного варианта 1.1 с вариантом, приведенным в МИ 2412-97.

Выводы по четвертой главе.

5. Экспериментальное подтверждение эффективности предложенной системы описания теплового баланса помещения в здании, в котором отсутствуют люди в течение части суток.

5.1. Методика экспериментального определения постоянных времени ограждений и воздушного объема помещений.

5.2. Анализ данных, полученных в результате экспериментов, подтверждающих систему из двух дифференциальных уравнений.

Выводы по пятой главе.

Актуальность. При регулировании и учете расхода тепла на отопление зданий, в которых отсутствуют люди в течение части суток, необходимо решать задачи повышения точности измерения количества тепла и повышения точности поддержания требуемой температуры воздуха в помещениях одновременно со снижением потребления тепла в зданиях во время отсутствия людей.

Эти задачи решаются путем совершенствования теплотехнического оборудования систем отопления зданий, аппаратного обеспечения, а также алгоритмического и программного обеспечения систем учета и регулирования тепла. Основой алгоритмического и программного обеспечения системы учета и регулирования тепла является математическое описание теплового режима помещений здания.

Основополагающие вопросы по описанию теплового режима помещений здания рассмотрены в работах В. Н. Богословского, Ю. А. Табунщикова и др. [1,2]. Тепловой режим помещения с системой отопления описывается системой уравнений теплового баланса в частных производных. Эти уравнения обладают высокой точностью вычислений [1], однако являются весьма громоздкими и неудобными для программной реализации. Уравнения теплового баланса содержат большое количество коэффициентов, требующих экспериментального определения путем проведения дорогостоящих физических экспериментов. Уравнения в частных производных ориентированы в первую очередь на решение задач проектирования здания с системой отопления.

В работах А. М. Шкловера, В. П. Туркина и др. [3-6] помещение описывается как объект с сосредоточенными параметрами:

1) путем разложения последовательности прямоугольных импульсов тепловой мощности в ряд Фурье и представления теплофизических свойств помещения в частотной области при помощи комплексного коэффициента теплоустойчивости [3];

2) в виде линейного апериодического звена, входящего в контур системы автоматического управления, причем температура внутреннего воздуха равна температуре внутренних поверхностей ограждений [4,5].

Известные уравнения теплового баланса [3-6] не позволяют адекватно учитывать темп изменения температуры внутреннего воздуха в течение одного суточного цикла регулирования расхода тепла на отопление [7] при реальном изменении температуры наружного воздуха и большом ступенчатом изменении тепловой мощности в момент перехода «ночь-день».

Тепловая мощность системы водяного отопления здания вычисляется как произведение массового расхода воды на разность удельных энтальпий воды в подающем и обратном трубопроводе [8]. Удельная энтальпия воды представляет собой сумму запаса внутренней энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия, и потенциальной энергии, обусловленной некоторой сжимаемостью жидкости, в единице массы воды. Внутренняя энергия зависит преимущественно от температуры, потенциальная энергия - от давления.

Наиболее точным представлением данных об удельной энтальпии является представление на основании «Международного уравнения состояния воды» [9]. Данное уравнение принято за основу в Правилах учета тепловой энергии [8]. Это уравнение, так же как и система уравнений теплового баланса помещения, является громоздким и неудобным для программной реализации, поскольку предназначено для использования в. значительно более широком диапазоне температур и давлений [9], чем может иметь место в системах отопления [8].

Разработчиками систем учета тепла предложено несколько вариантов компактного табличного представления данных об удельной энтальпии [10, 11]. Однако, эти варианты давали большую относительную погрешность вычисления разности удельных энтальпий при малых разностях температур относительно [9] из-за неучета зависимости удельной энтальпии от давления. Это обусловлено тем, что при малых разностях температур разность внутренних энергий становится соизмеримой с разностью потенциальных энергий, соответствующих этим температурам. При увеличении разности давлений разность удельных энтальпий возрастает, что и приводит к появлению значительной погрешности вычисления разности удельных энтальпий (до 10 %).

Таким образом, в силу перечисленных причин, создание новых подходов к построению системы уравнений теплового баланса помещения, входящего в контур системы автоматического регулирования, разработка методики экспериментального определения ее коэффициентов и ее использования для расчета необходимого уровня тепловой мощности в процессе регулирования расхода тепла на отопление, являются актуальными. Также актуальной является разработка вариантов табличного представления данных об удельной энтальпии.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является повышение эффективности регулирования и точности учета тепла за счет использования данных о теплоинерционных свойствах помещения и зависимости удельной энтальпии воды в системе отопления от температуры и давления.

В соответствии с указанной целью в рамках диссертационной работы были поставлены следующие задачи:

1) на основании теории автоматического управления разработать систему уравнений теплового баланса, адекватно описывающую поведение температуры внутреннего воздуха при форсированном нагреве помещения. Данная система уравнений должна описывать помещение как совокупность линейных апериодических звеньев с некоторыми тепловыми постоянными времени и содержать минимальное количество коэффициентов, что должно облегчить построение экспериментальной методики их определения;

2) исследовать энергосберегающий эффект, который дает использование предложенной системы уравнений теплового баланса помещения при форсированном нагреве воздуха в помещении;

3) создать методику экспериментального определения коэффициентов предложенной системы дифференциальных уравнений, имеющих смысл тепловых постоянных времени;

4) сформировать компактные табличные варианты представления данных об удельной энтальпии воды в памяти микропроцессорного теплосчетчика, который дает малую вычислительную погрешность при малых разностях температур и больших разностях давлений в подающем и обратном трубопроводе;

5) экспериментально подтвердить эффективность предложенной системы уравнений теплового баланса помещения.

Методы исследований. При выполнении работы использовались методы математического анализа, теории автоматического управления, технической термодинамики, вычислительной математики, методы математического моделирования на компьютере, а также экспериментальные исследования с системы регулирования расхода тепла на отопление, установленной в общественном здании.

Научную новизну представляют

1) система уравнений теплового баланса помещения, которая учитывает как большую постоянную времени массивных ограждений, так и малую постоянную времени воздушного объема, что позволяет получить экономию тепловой энергии до 5 % за счет корректного определения момента включения отопления после ночного отключения для достижения требуемой температуры к моменту появления людей в здании в начале дневного времени;

2) методика экспериментального определения тепловых постоянных времени ограждений и воздушного объема помещений в здании во время отсутствия людей в течение части суток;

3) компактные табличные варианты представления данных об удельной энтальпии воды в системах учета и регулирования тепла, которые позволяют уменьшить методическую погрешность определения количество потребленной тепловой энергии при малых разностях температур воды в подающем и обратном трубопроводе системы отопления за счет корректного учета зависимости удельной энтальпии от давления и тем самым снизить требования к инструментальным погрешностям измерения температуры и расхода воды.

Личный вклад. Способы решения поставленных задач и основные научные результаты принадлежат автору.

Практическая ценность работы и результаты внедрения. Разработанные варианты представления данных об удельной энтальпии реализованы в виде программного обеспечения для эталонного теплосчетчика, теплоизме-рительных систем «Тепло-2» и «Тепло-3», а так же некоторых модификаций «Тепло-1». Работа выполнялась в рамках хоздоговоров ССОД- 3-00, 4-01, 701, 8-01.

Созданная методика определения тепловых постоянных времени использована при регулировании расхода тепла на отопление, включена в состав программного обеспечения системы регулирования расхода тепла на отопление, установленного в одном из зданий НГТУ, а также в ряде зданий СО РАСХН. Работа выполнялась в рамках Отраслевой научно-исследовательской программы «Энергосбережение Минобразования России» (2000-2005).

Практические результаты работы подтверждены пятью актами внедрения (прил. 1).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- предложенная система из двух уравнений теплового баланса помещения, входящего в контур системы автоматического регулирования расхода тепла на отопление;

- процедура получения энергосберегающего эффекта при использовании системы из двух уравнений теплового баланса помещения для формирования управляющего воздействия на систему отопления;

- методика экспериментального определения коэффициентов предложенной системы дифференциальных уравнений;

- табличные варианты представления данных об удельной энтальпии воды в системах учета тепла.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Сибирской региональной научно-практической конференции «Разработка, аттестация и применение методик выполнения измерений» (1998 г), V Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП 2000, VI Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП 2002, на заседании Региональной научно-технической Школы семинара студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиотехники» СПР-2003, VII Международной научно-практической конференции «СХН АПК Сибири, Монголии, Казахстана, Кыргызстана».

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять печатных работ. В списке литературы они отмечены символом «*». и

Выводы

1. Разработка системы дифференциальных уравнений теплового баланса помещения, учитывающей теплоинерционные свойства воздушного объема, является актуальной задачей.

2. В связи с широким использованием одного дифференциального уравнения теплового баланса помещения в системах автоматического регулирования расхода тепла на отопление необходимо провести детальный анализ того, какой эффект дает использование системы дифференциальных уравнений первого порядка вместо одного уравнения и каким образом использование того или иного уравнения теплового баланса влияет на оптимальность регулирования.

3. Как в процессе регулирования тепла, так и в процессе его учета необходимо определять текущие значения тепловой мощности системы отопления, для вычисления которых необходимо искать удобные способы нахождения значений удельной энтальпии воды в подающем и обратном трубопроводах в зависимости от температуры и давления.

Выводы по пятой главе

Получено совпадение результатов эксперимента с расчетом коэффициентов предложенной системы дифференциальных уравнений (тепловых постоянных времени ограждений и воздушного объема) теплового баланса помещения для нескольких серий эксперимента. Показано, что при использовании известного дифференциального уравнения теплового баланса совпадения достигнуто быть не может.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании теории автоматического управления разработана система описания теплового баланса, прогнозирующая поведение температуры внутреннего воздуха при форсированном нагреве помещения. Данная система уравнений описывает помещение как совокупность из двух линейных апериодических звеньев первого порядка, имеющих соответствующие постоянные времени. Показано, что при форсированном нагреве помещения в зданиях, в которых люди отсутствуют в течение части суток, первое дифференциальное уравнение отражает относительно быстрый нагрев воздуха с постоянной времени порядка нескольких часов, второе - прогрев ограждающих конструкций помещения с постоянной времени около 100 часов и более.

Расчет форсированного нагрева, основанный на существующем дифференциальном уравнении теплового баланса, приводит к необходимости иметь располагаемую тепловую мощность в несколько раз больше, чем это следует из предложенного описания теплового баланса. Это естественно приводит к тому, что температура внутреннего воздуха нарастает очень быстро, чего не требуется.

2. Показано, что в процессе регулирования расхода тепла на отопление в здании, в котором люди отсутствуют в течение части суток, использование известного дифференциального уравнения не дает значительной экономии тепловой энергии. Использование предложенной системы из двух дифференциальных уравнений теплового баланса дает экономию до 5 %.

3. Создана методика экспериментального определения тепловых постоянных времени. Данная методика позволяет оценивать тепловые постоянные времени здания, в котором люди отсутствуют в течение части суток, путем автоматического сбора данных о температурах наружного и внутреннего воздуха в период отсутствия людей в здании. Методика включена в состав алгоритмического и программного обеспечения системы учета и регулирования тепла в одном из корпусов НГТУ, а также в ряде зданий СО РАСХН.

4. Сформированы табличные варианты представления данных об удельной энтальпии, которые позволяют при малых разностях температур в подающем и обратном трубопроводе получить погрешность вычисления разности удельных энтальпий, много меньшую инструментальной погрешности измерения разности температур при учете зависимости удельной энтальпии от давления. Эти варианты включены в состав программного обеспечения теплоизмерительных систем семейства «Тепло», в том числе се-рийно-производимой в настоящее время теплоизмерительной системы «Теп-ло-3».

5. Получено необходимое совпадение результатов эксперимента с расчетом коэффициентов предложенной системы из двух дифференциальных уравнений теплового баланса помещения для нескольких серий эксперимента. Показано, что при использовании известного дифференциального уравнения теплового баланса совпадения достигнуто быть не может. Таким образом, эксперименты подтверждают эффективность предложенной системы дифференциальных уравнений теплового баланса.

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

2. Богословский В. Н. Строительная теплофизика. М.: Стройиздат, 1975. -371 с.

3. Шкловер А. М. Теплоустойчивость зданий. М.: Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, 1952. - 99 с.

4. Богословский В. Н. Тепловой режим зданий. М.: Стройиздат, 1979. -248 с.

5. Туркин В.П. Водяные системы отопления с автоматическим управлением для жилых и общественнных зданий. М.: Стройиздат, 1976 - 240 с.

6. Keller В., Maguary Eu. Neue Einsichten zur Energie- und Leistungsoptim-ierung // Bauphgsik. 1999. - 21, №4. - PP. 155-159.

7. Воложин JI.M., Клейменов А.И., Горобцов А.Ф. Программное регулирование подачи тепла в систему отопления помещения// Сборник научных трудов ЛГТУ-ЛЭГИ. Липецк: ЛГТУ, 1997. - С. 22-25.

8. Главгосэнергонадзор. Правила учета тепловой энергии и теплоносителя. М: Издательство МЭИ, 1995. - 30 с.

9. ГСССД 98-86. Таблицы стандартных справочных данных. Вода. Удельный объем и энтальпия при температурах 0.800 °С и давлениях 0,001. 1000 МПа. М: Издательство стандартов, 1986. - 10 с.

10. МИ 2164-91. Требования к испытаниям, метрологической аттестации, поверке. М: Издательство стандартов, 1991. - 10 с.

11. Birk Marc, Eisenmann Gisela. Raumtemperaturregelung in einer Etagennoh-nung // HLH: Heizung, Luftung / Klima, Haustechn. 1999. - 50, №50. -PP. 22-26.

12. Y. Oestericher, M. Bauer, J.-L. Scatezinni. Accounting free gains in a nonresidential building by means of optimal stochastic controller // Energy and Buildings. 1996. - 14. - PP. 213-321.

13. G. Fraisse, J. Virgone, J. Roux. Thermal control of discontinuously occupied building using a classical and fussy logic approach. Energy and Buildings. -1997. - № 26. - PP. 303-316

14. M. Klinger, G. Knabe, G. Lauckner, H. Werdin, G. Billerbeck. Be-darfsgerechte Regelung des Raumluftzustendes in Wohngebauden Teil 2.

15. HLH. 1999. - 50. - № 2. - PP. 46-55.

16. СП 41-101-95. Методика расчета графиков регулирования подачи теплоты на отопление у потребителей. М.: Издательство стандартов, 1995. -10 с.

17. Кононович Ю.В. Тепловой режим зданий.-М.: Стройиздат, 1986. 270 с.

18. К. Острем, Б. Виттенмарк. Системы управления с ЭВМ. М.: Мир, 1986. - 393 с.

19. М. Morari, N. Lawrence Ricker. Model Predictive Control. The Math Works Inc., 1998. - 152 p.

20. Д. Мак-Кракен, У. Дорн. Численные методы и программирование на Фортране. М: Мир, 1977. - 580 с.

21. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник. (Под ред. В.А.Григорьева, В.М.Зорина). М: Энергоатом-издат, 1988. - 540 с.

22. Texas Instruments. MSP430 Architecture User's Guide. 1996. - 130 p.