автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Система управления гелиоустановкой горячего водоснабжения

Кошлич Юрий Алексеевич

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГЕЛИОУСТАНОВКОЙ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» (строительство и ЖКХ)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 ОКТ 2015

Белгород-2015

005563959

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» (БГТУ им. В.Г. Шухова) на кафедре технической кибернетики.

Научный руководитель: Белоусов Александр Владимирович,

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Еременко Юрий Иванович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автоматизированных и информационных систем управления СТИ НИТУ «МИСиС», г. Старый Оскол

Бобырь Максим Владимирович

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры вычислительной техники ФГБОУ ВО «ЮЗГУ», г. Курск

Ведущая организация: федеральное государственное

образовательное учреждение

профессионального образования государственный университет», г. Тамбов

Защита состоится 26 ноября 2015 года в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 999.006.04 на базе ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова», ФГБОУ ВПО «Юго-западный государственный университет», ФГБОУ ВПО «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, д. 46, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на ее сайте ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» (URL: http://www.bstu.ru).

Автореферат размещен на сайте ВАК при Министерстве образования и науки РФ (URL: http://vak2.ed.gov.ru).

Автореферат разослан «/^ » октября 2015 г.

бюджетное высшего «Тамбовский технический

Ученый секретарь диссертационного совета

В. В. Ломакин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основополагающие задачи строительства и сферы ЖКХ во всем мире связаны в первую очередь с обеспечением безопасности, созданием комфортной среды обитания и благоприятных условий жизнедеятельности человека. В связи с этим особую роль в строительстве и ЖКХ играют системы энергоснабжения и жизнеобеспечения зданий. Одним из перспективных направлений исследований в этой области является использование возобновляемых источников энергии.

Рядом отечественных и зарубежных ученых (Бутузов В. А., Авезов Р. Р., Амерханов Р. А., Безруких П. П., Попель О. С., Бекман Дж., Даффи У., Динсер И. и др.) на протяжении последних десятилетий ведутся работы по созданию систем управления солнечными водонагревательными установками (гелиоустановками), которые используются в регионах с жарким климатом для достижения высокого уровня энергоэффективности систем горячего водоснабжения. В условиях умеренно-континентального климата, охватывающего европейскую часть России в пределах средних широт, ввиду относительно низкого потенциала солнечной энергии, существующие на данный момент модели, структуры и технические решения систем управления гелиоустановками не позволяют добиться таких же высоких показателей энергоэффективности. В рассматриваемом климатическом поясе при постоянно растущих тарифах на энергоносители перспективными являются вопросы поиска путей повышения энергоэффективности систем управления гелиоустановками. Одним из путей является оптимизация управления солнечными водонагревательными установками с целью сокращения потребления энергоресурсов, получаемых традиционными способами и снижения уровня негативных воздействий на окружающую среду. Поэтому исследования в области построения оптимальных систем управления гелиоустановками горячего водоснабжения являются актуальными.

Данное направление исследований соответствует приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», а также перечню критических технологий РФ «Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику», «Технологии информационных, управляющих, навигационных систем» и «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии» (Указ Президента РФ от 07.07.2011 г. №899).

Объектом исследования являются процессы управления гелиоустановками горячего водоснабжения. Предмет исследования - алгоритмы, модели и методы управления гелиоустановками в процессе горячего водоснабжения.

Цель диссертационной работы — повышение энергоэффективности систем горячего водоснабжения с гелиоустановками в условиях умеренно-континентального климата путем оптимизации управления. Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1) анализ существующих систем горячего водоснабжения с гелиоустановками и выбор структуры её прототипа, а также системы управления,

позволяющих эффективно эксплуатировать возобновляемый источник энергии в условиях местности с умеренно-континентальным климатом;

2) разработка динамической математической модели гелиоустановки горячего водоснабжения;

3) разработка модели распределения изменяющихся климатических параметров с использованием методов пассивного эксперимента;

4) выбор и обоснование критерия оптимизации управления гелиоустановкой горячего водоснабжения на основе энергетической функции цели;

5) синтез оптимальной по выбранному критерию адаптивной автоматизированной системы управления (АСУ) гелиоустановкой с использованием разработанных моделей;

6) разработка и оценка эффективности технических решений и структур, алгоритмического и функционального программного обеспечения автоматизированной системы управления гелиоустановкой горячего водоснабжения.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории автоматического управления, методы решения дифференциальных уравнений, планирования эксперимента, статистической обработки информации и теории вероятностей, математического моделирования и математической физики.

Достоверность обеспечивается применением апробированных математических моделей и методик, программно-аппаратной реализацией и внедрением АСУ гелиоустановкой ГВС кафедры физического воспитания и спорта БГТУ им. В.Г. Шухова, а также подтверждением результатами опытно-промышленных испытаний.

Научную новизну работы составляют:

- динамическая математическая модель гелиоустановки горячего водоснабжения активного типа с плоскими солнечными коллекторами, полученная на основе уравнений теплового баланса с применением эмпирических зависимостей, отличающаяся взаимосвязью разности температур теплоносителя на входе и выходе бака-аккумулятора тепловой энергии и скорости движения теплоносителя;

- математическая модель распределения изменяющихся климатических параметров, полученная с использованием регрессионного анализа и методов пассивного эксперимента, отличающаяся выбором степени полиномов регрессии минимизацией комбинированной функции цели на основе среднеквадратического отклонения и квадратичной оценки;

- шагово-поисковый адаптивный алгоритм оптимального управления процессом зарядки бака-аккумулятора тепловой энергии гелиоустановки ГВС по энергетической функции цели с использованием принципа максимума, отличающийся предварительным вычислением оптимальной скорости теплоносителя;

- структурная модель автоматизированной системы управления

гелиоустановкой горячего водоснабжения, полученная на основе методов решения задач статической и динамической оптимизации, отличающаяся наличием оптимального адаптивного регулятора, состоящего из вычислителя скорости теплоносителя, поискового оптимизатора и позиционного исполнительного элемента, обеспечивающего оптимальный режим зарядки бака-аккумулятора тепловой энергией и системы диспетчерского управления.

Практическая значимость работы заключается в:

- повышении энергоэффективности систем жизнеобеспечения зданий благодаря сокращению расходов энергии на горячее водоснабжение на 25 - 30 %;

- снижении сроков окупаемости систем горячего водоснабжения с гелиоустановками в условиях умеренно-континентального климата с 12-15 лет до 7- 10 лет;

- создании программно-аппаратного комплекса АСУ гелиоустановкой горячего водоснабжения с использованием тееЬ-базированного доступа;

- использовании результатов работы в учебном процессе и научно-исследовательской деятельности благодаря созданию и внедрению межвузовской распределенной демонстрационной зоны по энергосбережению и интерактивной лаборатории с удаленным доступом к реальному технологическому оборудованию.

Внедрение результатов исследований:

- разработанная АСУ гелиоустановкой горячего водоснабжения интегрирована в состав АСДУ энергоснабжением и жизнеобеспечением БГТУ им. В.Г. Шухова (Акт о внедрении);

- результаты исследований, связанные с разработкой и внедрением технологии \уеЬ-базированного доступа к переменным систем энергоснабжения и жизнеобеспечения зданий, вошли в состав следующих проектов: АСДУ распределенными энергоресурсами НИУ БелГУ, АСДУ распределенными энергоресурсами ОАО «КМАпроектжилстрой» (Акты о внедрении);

- создана межвузовская распределенная демонстрационная зона по энергосбережению БГТУ им. В.Г. Шухова, которая включает ряд средних и высших учебных заведений, а также промышленные предприятия и жилые микрорайоны Северный и Степной г. Старый Оскол;

- разработанные математические модели, структуры, схемные решения, алгоритмическое и функциональное программное обеспечение автоматизированной системы управления гелиоустановкой горячего водоснабжения используются в учебном процессе выпускающей кафедры электроэнергетики и автоматики БГТУ им. В.Г. Шухова в рамках специализированных дисциплин (Акт о внедрении в учебный процесс).

На защиту выносятся положения, составляющие научную новизну работы, структура и состав программно-аппаратного комплекса АСУ гелиоустановкой горячего водоснабжения, а также результаты его эксплуатации.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационные исследования соответствуют паспорту специальности 05.13.06 -«Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» (строительство и ЖКХ) по областям исследования пп. 4, 5 и 15.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на всероссийских («Энергоэффективность. Наука и образование» г. Якутск, 2014г., «Телематика-2014» г. Санкт-Петербург, 2014г., «Телематика-2012» г. Санкт-Петербург, 2012г., «Телематика-2011» г. Санкт-Петербург, 2011г.), международных («Инновационные материалы и технологии» г. Белгород, 2011г., «Электронная Казань» г. Казань, 2011г.) и зарубежных («Innovation Information Technologies (I2T-2014)» г. Прага, 2014г., «Modern informatization problems in the technological and telecommunication systems analysis and synthesis» г. Лорман, 2013г., «SGEM 2015» г. Албена, 2015г.) конференциях.

Связь работы с научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами и научно-техническими программами. Основные научные исследования выполнены в рамках АВЦП "Развитие научного потенциала высшей школы" (1.2.11) по госзаданию Минобрнауки России "Теоретические основы функционирования и методология построения автоматизированных систем диспетчерского управления инженерными сетями распределенных объектов с интеллектуальными системами освещения и энергоснабжения" (Проект 7.4395.2011), а также хоз. договоров по темам: "Исследование и разработка методического обеспечения опытного образца второй очереди автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ) энергетическими объектами ФГАОУ ВПО "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (Д°г- №Д-40/2012); "Формирование организационно-правового и методического обеспечения анализа и повышения эффективности потребления топливно-энергетических ресурсов муниципальными образованиями Белгородской области и исследование процессов повышения энергоэффективности и обеспечения надежности функционирования распределенных систем водоснабжения и водоотведения муниципальных образований Белгородской области" (Дог. №Д-44/2013).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 26 печатных работах (шесть научных статей опубликованы в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, одна статья - в сборнике материалов конференции, индексируемом ISI Web Of Knowledge и SCOPUS, одна статья - в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК Украины). Получено три свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад соискателя. Все разделы диссертационной работы написаны лично автором. Результаты исследований получены им самостоятельно, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 194 страницах машинописного текста, включающего 12 таблиц, 79 рисунков, список литературы из 157 наименований и приложения на 44 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, отмечены научная новизна, практическая значимость и внедрение результатов работы, сформулированы положения, которые выносятся

на защиту.

В первой главе приведен анализ современного состояния разработок в области разработки систем управления гелиоустановками (ГУ) ГВС. Анализ работ В. И. Виссарионова, Р. Р. Авезова, В. А. Кутузова, И. Динсер, Дж. Даффи, У. Бекмана и др. позволил выделить среди солнечных водонагревательных установок (СВУ), различающихся конфигурацией системы, способами циркуляции теплоносителя и применяемых законов регулирования, типовые структуры и основные схемы управления ими. Рассмотрены подходы к реализации систем управления ГУ. Отмечен вклад отечественных и зарубежных производителей в отрасли. Отмечено, что важной задачей, с точки зрения автоматизации и управления процессом ГВС при использовании СВУ, является повышение показателей качества регулирования и энергоэффективности благодаря оптимизации управления ГУ по энергетическим критериям. Проведен анализ работы СВУ в условиях умеренно-континентального климата, который позволил оценить эффективность и целесообразность эксплуатации рассматриваемых систем с учетом специфики климатических условий определенной местности и сделать выбор прототипа системы ГВС (рисунок 1) с СВУ в виде двухконтурной ГУ активного типа с дополнительным подогревом воды (ДПВ). Обоснована

ре т-т

— 4 Т/ Г1Н |

"'.....»*>,

„«"■"Г

X

необходимость

системы

управления

параметрической

регулятора,

технологических

предупреждения

применения диспетчерского (СДУ) для настройки мониторинга переменных и о нештатных и

ДИ' з

аварийных режимах работы оборудования. На основании выводов, сделанных из проведенного анализа,

определены цель и задачи, сформулированные ранее.

Рисунок 1 - Функциональная схема системы. 1 солнечный коллектор (СК); 2 - циркуляционный насос; 3 - бак-аккумулятор тепловой энергии; 4 -теплообменник; ДИЭ - дополнительный источник энергии.

Вторая глава посвящена разработке динамической математической модели ГУ ГВС на основе уравнений теплового баланса с использованием эмпирических зависимостей. Произведена декомпозиция выбранного прототипа ГУ на отдельные функциональные элементы, для которых определены входные и выходные переменные. Энергетические балансы для функциональных элементов ГУ в виде дифференциальных уравнений позволили построить модель (1-3).

(?5С = ас5с(7'^ - 7ВСЬ1Х) + тсмс£-

йт

Ртс-ртТю Т£ых) — ^тСрт^вых + ттсрт'

йт

(1Та

и 1 ш

"ЧгСртп-

¿Т

- = Раг Та — Раг Та ■ ~ гт'-рт1 вх гш1-рт' вых>

(1) (2) (3)

При упрощении представленной системы, принимая во внимание равенства

Твсых = Гв° и ГВыХ = Твсх на основании непрерывности потока и пренебрежения транспортных запаздываний в трубопроводах, с учетом (4)

Ц ~ Е — ЕмО(ТЙ4 - Гнв4) - <г(7Й - О (4)

и эмпирической зависимости (5)

a = p1+pгvZl (5)

получено уравнение (6), описывающее процесс циркуляции теплоносителя в СК и баке-аккумуляторе.

т°!г + 2 = Т^-ШЪ ~ + - тнв) + «м«г(7Й4 - Гнв4) - Е)0,(6)

иТ Срт

где г = ТВх — Т"ых; (7)

1

то = "рс-га"- (8)

'т . гтп

Разработанная динамическая модель (6) учитывает взаимосвязь разности температур теплоносителя на входе и выходе бака-аккумулятора тепловой энергии и скорости движения теплоносителя.

Для представления о характере и значениях основных возмущающих воздействий окружающей среды - температуры наружного воздуха Тнв и интенсивности солнечного излучения Е с использованием экспериментального материала, собранного непосредственно на действующем объекте, разработана регрессионная модель распределения изменяющихся климатических параметров (9), особенность которой заключается в оптимизации степени полиномов регрессии минимизацией комбинированной функции цели на основе среднеквадратического отклонения (СКО) и квадратичной оценки.

ШИ'

О, О < т < т°т

¡=о

Гнвт(т) = 2, ЬГ*1; ЕтМ = { > аГг' ,СП < т < т«5,; (9)

0т < т < 24,

1тах

где ш - порядковый номер месяца, п„ - степень аппроксимационного полинома месяца /и; а-", Ь™ - коэффициенты аппроксимационного полинома месяца т; т^Сп и Ттах соответственно наименьшее и наибольшее значение времени, при котором интенсивность солнечного излучения не равняется нулю.

В третьей главе решены задачи статической и динамической оптимизации управления ГУ ГВС, на основе решения которых, разработана структурная модель оптимальной адаптивной АСУ ГУ ГВС. Задача статической оптимизации решена в рамках теории систем экстремального управления синтезом адаптивного регулятора с шагово-поисковым алгоритмом вычисления максимума статической характеристики объекта управления. Задача динамической оптимизации решена с применением принципа максимума Понтрягина, особенность применения которого заключается в аналитическом расчете величины управляющего воздействия для его последующей адаптации к условиям функционирования объекта.

По данным анализа подходов оптимизации управления ГУ ГВС произведен

/(u) = f

Jt

T*+1

z(u,r)dr -»max

выбор и обоснование критерия оптимизации. Так как эффективность управления процессом зарядки бака-аккумулятора определяет эффективность работы ГУ в целом, функционал качества на основе энергетического критерия сформулирован в виде (10).

Umin ^ и(т) < Umax

z> О СЮ)

z( Tfc) = zi0

Для решения задачи динамической оптимизации определены управляющие переменные и технологические параметры объекта управления, модель (6) которого, можно представить в виде дифференциального уравнения (11)

dz

т0 — + г = ки, (11)

dr

где выражение, находящееся в правой части равенства является нелинейной управляющей функцией нескольких параметров и = -ШТм ~ +

+(А(7м - гнв) + £м°{Тм* - Т.ш4) - умноженной на постоянный

коэффициент к = —.

срт

Поскольку задача динамической оптимизации формулируется с помощью энергетического критерия (10) при физических ограничениях на управляющее воздействие umin < и < Umax и начальном условии z(t;) = zl0,z G [zmin; zmax], для нахождения оптимального процесса применен принцип максимума Понтрягина. С учетом начальных условий, найденное оптимальное управление й(т):

tumax.Zio > 0.

Нелинейная управляющая функция (12) зависит от нескольких параметров: окружающей среды, носящих стохастический характер, температуры стенки солнечного коллектора и скорости движения теплоносителя, которая задается изменением напряжения на электродвигателе циркуляционного насоса. Поскольку оптимальное управление принимает граничные значения области допустимых управлений umin и итах, оптимальное значение скорости v^ для достижения предельного значения й(г) = итах найдено дифференцированием и по v^: _ g~/?i(7M- ТИВ) - Ема(Т^ - Гнв4) Vm~ 2/?2(7^-Г„в) ' 1 J

и(т) = umin обеспечивается при скорости v^ = 0. Действительно, для исключения разрядки бака-аккумулятора в случае, когда z < 0, т.е. Гв" < ТВ1Х (например, при отсутствии солнечного излучения и низкой температуры окружающей среды) необходимо приостанавливать циркуляцию теплоносителя.

Статическая характеристика модели (6) имеет условный экстремум, т.к. разность температур z в установившемся режиме пропорциональна квадрату скорости Причем, согласно (13) наблюдается дрейф экстремума в зависимости от внешних условий. Аналитическое вычисление рассматриваемой точки с использованием данных разработанной модели мониторинга изменяющихся параметров окружающей среды (9) дает приближенные результаты, а определение значений Е и Гнв при помощи технических средств измерений составляет

определенные сложности в плане реализации системы управления и является достаточно дорогостоящим и экономически нецелесообразным мероприятием. | Поэтому, формирование оптимального значения скорости, обеспечивающей максимальную эффективность теплообмена в процессе зарядки бака-аккумулятора ! гелиоустановки, осуществляется поисковым оптимизатором.

Разработанный регулятор состоит из синтезированного в соответствии с (13) вычислителя оптимальной скорости, структура которого представлена на рисунке 2, поискового оптимизатора, реализующего шагово-поисковый алгоритм адаптации рассчитанного по полученным моделям оптимального значения и позиционного исполнительного элемента, обеспечивающего формирование граничных значений управляющей функции в соответствии с (12).

Иллюстрация функционирования разработанного шагово-поискового адаптивного алгоритма

оптимального управления процессом зарядки бака-аккумулятора тепловой энергии ГУ ГВС по энергетической функции цели (10) с использованием принципа максимума представлена на рисунке 3. На рисунке 3 сплошная и пунктирная линии представляют графики рассчитанной и реальной статических характеристик объекта соответственно.

Исходя из аналитического расчета определенного вычислителем по (13), происходит пошаговая адаптация у^ с запоминанием г1 на каждом ¿-м интервале, и на основании сравнения с предыдущим значением делается вывод о

правильности направления движения к экстремуму. Разработанная структурная модель автоматизированной системы управления, включающая оптимальный адаптивный регулятор, состоящий из вычислителя скорости теплоносителя, поискового оптимизатора и позиционного исполнительного элемента, обеспечивающего оптимальный режим зарядки бака-аккумулятора тепловой энергией и систему диспетчерского управления, представлена на рисунке 4.

Система диспетчерского управления способна осуществлять

Рисунок 2 - Структурная схема вычислителя

11

т

I

параметрическую настройку регулятора и управление ГУ в нештатных и аварийных режимах, что повышает уровень энергоэффективности за счет сокращения времени оперативного реагирования, способствует повышению срока службы оборудования и снижает эксплуатационные издержки при высоком уровне энергобезопасности.

Четвертая глава посвящена разработке технических решений и структур энергоэффективной АСУ ГУ ГВС. На основе структурной модели оптимальной адаптивной системы (рисунок 4) разработана функциональная схема автоматизации (ФСА) ГУ ГВС, которая изображена на рисунке 56. Разработаны рекомендации по установке датчиков температур контура

теплоносителя на входе и выходе бака-аккумулятора, а также непосредственно на СК. Для эффективного управления и оперативного мониторинга в режиме

Объект управления

Г" I

снстгмл днсиегчьгского УИГЛЛПЕШШ

Рисунок 4 - Структурная модель оптимальной адаптивной системы

реального времени разработана трехуровневая иерархическая структура АСУ ГВС с \уеЬ-базированным доступом к переменным оборудования, изображенная на рисунке 5а.

УЦАЛЫНЫЙ ПОЛЬЗОВАТЕЛИ К «ОБИЛЬНЫЕ клиенты Я<ХАЛьНЬ1БЖ№>ГГЫ д : '{!---7 Т--7 Г~

а ПН^ЯЙфмМм «*К н в 1 гач а&хх1** «а

I ,

•х| I 1 | $

а б

Рисунок 5 - Структура АСДУ ГВС (а) и ФСА (б) системы ГВС с ВИЭ

Нижний функциональный уровень представлен первичными измерительными преобразователями и исполнительными механизмами. Средний функциональный уровень системы управления состоит из программируемого

логического контроллера (ПЛК) и преобразователя частоты (ПЧ). ПЛК осуществляет преобразование информации первичных измерительных преобразователей и формирует на её основе сигналы на ПЧ в соответствии с разработанным алгоритмом, реализующим оптимальное адаптивное управления ГУ ГВС. Верхний функциональный уровень состоит из серверного аппаратного (ЭСАПА-сервер, сервер баз данных (БД), \veb-cepBep) и программного обеспечения (ОРС-сервер, БСАВА-система, шеЬ-сервер, система управления БД и др.). Избыточность оборудования в техническом решении верхнего функционального уровня обуславливается универсальностью разработанной системы, которая предусматривает интеграцию в состав автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) распределенными энергоресурсами, а также её применение для построения распределенных интерактивных лабораторий с удаленным доступом на базе реального технологического оборудования.

Особенностью разработанной АСУ является использование удаленной диспетчеризации с помощью глобальных и локальных сетей. Это позволяет вывести информацию о работе системы автоматизации в открытое информационное

пространство и решать вопросы удаленного доступа к технологическим переменным объекта, повышая оперативность управления с использованием мобильных устройств с функцией доступа к сети интернет. АСУ предполагает формирование управляющих воздействий диспетчером с верхнего уровня только в случае изменения программного задания, изменения настроек регулятора, нештатной или аварийной ситуации (рисунок 6).

Произведена оценка энергоэффективности (рисунок 7), на основании которой сделан вывод, что период эффективной эксплуатации разработанной системы в условиях умеренно-континентального климата начинается с середины апреля по середину октября. В период времени с июля по август до 100 % тепловой нагрузки в системах ГВС обеспечивает ВИЭ (рисунок 7а), что сокращает расходы энергии на подачу теплоносителя по достаточно протяженным трубопроводам к зданиям. Применение разработанной АСУ ГУ ГВС в составе систем энергоснабжения и жизнеобеспечения зданий позволило повысить их энергоэффективность на 25 - 30 %, благодаря сокращению расходов энергии на горячее водоснабжение. На основании распределения средней мгновенной мощности во времени (рисунок 76) можно сделать вывод, что годовая экономия энергии при соответствующей замене электронагревателей (используемых в качестве пиковых теплоисточников для подогрева воды в неотапливаемые сезоны) составляет 70 - 100 тыс. руб., и при стоимости внедрения системы порядка 500тыс. руб. сроки окупаемости сократятся с12-15до7-10 лет.

Рисунок 6 - Экранная форма АРМ оператора

а) б)

Рисунок 7 - Эффективность системы управления ГУ (а) и распределение мгновенной мощности (б) В приложениях к диссертации приведены акты опытно-промышленных испытаний и внедрений системы, акт внедрения результатов исследований в учебный процесс, копии свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ, а также фрагменты листингов программ и технических спецификаций.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ современного состояния разработок в области создания систем управления ГУ ГВС, на основании которого сделан вывод, что с точки зрения автоматизации, оптимизация управления тепло- массообменными процессами в ГУ ГВС является одним из наиболее перспективных подходов к повышению их энергоэффективности. Кроме того, в условиях умеренно-континентального климата существующие на данный момент модели, структуры и технические решения систем управления гелиоустановками не позволяют добиться высоких показателей энергоэффективности, а вопросы их разработки, внедрения и эксплуатации не достаточно хорошо проработаны и изучены.

2. Разработана динамическая математическая модель ГУ ГВС. Установлено, что разность температур теплоносителя на входе и выходе бака-аккумулятора пропорциональна квадрату скорости теплоносителя и зависит от температуры окружающей среды и интенсивности солнечного излучения.

3. С использованием методов пассивного эксперимента разработана математическая модель распределения изменяющихся климатических параметров с минимизацией комбинированной функции цели на основе среднеквадратического отклонения и квадратичной оценки. Полученная модель позволяет минимизировать максимальные отклонения расчетных значений температуры и интенсивности солнечного излучения от экспериментальных данных до 1,036°С (не более 4% при СКО 0,046 °С) и 12,177 Вт/м2 (не более 5% при СКО 0,939 Вт/м2) соответственно.

4. Проведен анализ современных подходов оптимизации систем управления ГУ ГВС, который показал, что основные методики базируются на технико-экономической оптимизации, статической оптимизации технологических параметров систем, а также оптимизации управления тепло- массообменными процессами в ГУ. В результате произведен выбор и обоснован энергетический функционал качества для решения задач статической и динамической оптимизации.

5. Решена задача динамической оптимизации системы управления гелиоустановкой ГВС на основе выбранного энергетического критерия с

применением принципа максимума Понтрягина, использование которого позволило определить оптимальное управление объектом, описываемым дифференциальным уравнением с нелинейной управляющей функцией нескольких параметров, зависящей от стохастических возмущений и детерминированного управляющего воздействия.

6. Решена задача статической оптимизации управления процессом зарядки бака-аккумулятора тепловой энергии ГУ синтезом оптимального адаптивного регулятора с шагово-поисковым алгоритмом адаптации. Использование предварительного вычисления оптимальной скорости теплоносителя по разработанным моделям позволило сократить время адаптации управляющего воздействия к текущим условиям не менее чем в 2 раза.

7. На основе решения задач оптимизации разработана структурная модель АСУ ГУ ГВС с оптимальным адаптивным регулятором, обеспечивающим оптимальный режим зарядки бака-аккумулятора тепловой энергией.

8. На основе структурной модели АСУ ГУ ГВС разработаны технические решения и структуры, алгоритмическое и функциональное программное обеспечение энергоэффективной АСУ ГУ ГВС (Свидетельство №2014619351). Преимущество разработанных алгоритмов и программного обеспечения заключается в обеспечении эффективного режима работы систем ГВС, использующих ГУ. Система внедрена в БГТУ им. В.Г. Шухова и осуществляет горячее водоснабжение кафедры физического воспитания и спорта БГТУ им. В.Г. Шухова и бассейна университета.

9. Разработана технология угеЬ-базированного доступа к переменным системы управления в режиме реального времени, позволяющая с любого, в том числе мобильного устройства, оснащенного функцией доступа к сети интернет, осуществлять мониторинг и оперативное управление инженерным оборудованием (Свидетельство №2012615269) и обеспечивать раздельный доступ к технологическому оборудованию при высоком уровне информационной безопасности (Свидетельство №2013612522). Разработанная информационная технология позволила расширить область применения и использовать инженерное оборудование для научных исследований и в учебном процессе в качестве лабораторной установки с удаленным доступом.

10. Осуществлена интеграция разработанного программно-аппаратного комплекса АСУ ГУ ГВС в структуру АСДУ распределенными энергоресурсами БГТУ им. В.Г. Шухова. На базе АСДУ создана межвузовская демонстрационная зона по энергосбережению, особенностью которой является возможность удаленного доступа к реальному инженерному оборудованию географически распределенных систем энергоснабжения и жизнеобеспечения зданий.

11. Произведена оценка энергоэффективности внедренной системы в условиях умеренно-континентального климата. Установлено, что применение разработанной АСУ ГУ ГВС позволило в среднем повысить энергоэффективность системы ГВС на 25 - 30 %, причем в летний период разработанная система обеспечивает до 100 % потребности в горячей воде, что сокращает расходы энергии на подачу теплоносителя по достаточно протяженным трубопроводам к зданиям. Годовая экономия составляет 70 - 100 тыс. руб., что при стоимости внедрения

системы порядка 500 тыс. руб. позволяет сократить сроки окупаемости с 12 - 15 до 7-10 лет.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях из списка ВАК РФ

1. Белоусов, A.B. Система визуализации и мониторинга технологических параметров распределенных объектов энергопотребления на основе web-базированного доступа / А. В. Белоусов, С.Н. Глаголев, Ю.А. Кошлич, А.Б. Быстрое // Информационные системы и технологии.-2012. -№6.-С. 108-114. (степеньучастия 30%)

2. Белоусов, А. В. Программно-технические аспекты информационного обеспечения эксплуатации гелиоустановки в составе демонстрационной зоны по энергосбережению / А. В. Белоусов, С. Н. Глаголев, Ю. А. Кошлич, А. Б. Быстров // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия История, экономика, политология, информатика. - 2012. -№ 19(138).-С. 180-184. (степеньучастия 30%)

3. Белоусов, A.B. Математическое моделирование системы горячего водоснабжения зданий с пиковым теплоисточником на основе гелиоустановки / A.B. Белоусов, С.Н. Глаголев, Ю.А. Кошлич // Информационные системы и технологии. - 2013. - № 6. - С. 16-23. (степень участия 50%)

4. Белоусов, A.B. Информационно-технологическое обеспечение виртуальных лабораторий с удаленным доступом / A.B. Белоусов, С.Н. Глаголев, А.И. Рыбакова, Ю.А. Кошлич // Дистанционное и виртуальное обучение. -2013.-№ 12. - С. 49-57. (степеньучастия 25%)

5. Белоусов, А. В. WEB-ориентированный доступ к технологической информации в системах мониторинга энергопотребления / А. В. Белоусов, С. Н. Глаголев, Ю. А. Кошлич, А. Б. Быстров // Системы управления и информационные технологии. - 2013. - № 2(52). - С. 70-73. (степень участия 30%)

6. Белоусов, А. В. Оптимизация управления низкотемпературной гелиоустановкой / А. В. Белоусов, Ю. А. Кошлич // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2014. -№11.-С. 1-7. (степеньучастия 50%)

В индексируемых Thomson Reuters, ISI Web Of Knowledge и SCOPUS изданиях

7. Koshlich Yu. Optimal adaptive control of solar hot water supply system / Yu. Koshlich, A. Belousov, S. Glagolev, A. Grebenik / SGEM Conference Proceeding 2015 BOOK 4 - ENERGY AND CLEAN TECHNOLOGIES. - 2015. - V.l. - ISBN 978-619-7105-41-4. - ISSN 1314-2704. - DOI: 10.5593/sgem2015B41. -pp. 361-368. (степеньучастия 40%)

В изданиях из списка ВАК Украины

8. Белоусов, A.B. Демонстрационная зона по энергосбережению БГТУ им. В.Г.Шухова -база для развития энергоэффективных проектов в регионе / А. В. Белоусов, С. Н. Глаголев, Ю. А. Кошлич, А. Б. Быстров // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. - 2013. - №10(116). -С. 10-17.

В других изданиях

9. Белоусов, А. В. Технологические аспекты эксплуатации солнечных коллекторов в составе систем теплоснабжения зданий / А. В. Белоусов, Ю. А. Кошлич, С. И. Московченко // Сб. докл. Междунар. науч. - практ. конф. «Инновационные материалы и технологии» , 11-12 окт. 2011 г. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. - Ч. 1. - С. 52-56.

10. Белоусов, А. В. Механизм ВЕБ-базируемого доступа к технологическим параметрам системы управления ГВС на солнечных коллекторах в составе виртуальных лабораторий / А. В. Белоусов, С. Н. Глаголев, Ю. А. Кошлич // Сб. тр. XIII Всерос. науч.-метод. конф. «Телематика 2011».-Санкт-Петербург: Изд-во С-ПГИТМО, 2011. - Т. 1. - С. 16-19.

11. Белоусов, А. В. Технологические аспекты использования лабораторных установок с удаленным доступом в образовательном процессе / А. В. Белоусов, Ю. А. Кошлич // Сб. докл. третьей Междунар. науч.- практ. конф. «Электронная Казань 2011». - Казань: Изд-во "ЮНИВЕРСУМ", 2011. - С. 161-165.

12. Белоусов, А. В. Web-базированный доступ к технологическим параметрам распределенных объектов энергоснабжения и энергораспределения зданий / А. В. Белоусов, Ю. А. Кошлич, А. Б. Быстров // Сб. докл. Междунар. науч. - практ. конф. «Инновационные материалы и технологии», 11-12 окт. 2011 г. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. - Ч. I.-С. 45-51.

13. Белоусов, А. В. Решение вопросов энергетической безопасности в АСДУ технологическими объектами бюджетной сферы / А. В. Белоусов, С. Н. Глаголев, Ю. А. Кошлич // Сб. докл. Всерос. науч. - практ. конф. «Перспективные системы и задачи управления». - Таганрог: Изд-во ТТИЮФУ, 2011.-С. 176-181.

14. Белоусов, А. В. Использование технологии «СОМЕТ AJAX» для реализации верхнего

функционального уровня систем мониторинга энергопотребления / А. В. Белоусов, Ю. А. Кошлич, Д. Ю. Доценко // Сб. тр. XIX Всерос. науч.-метод. конф. «Телематика 2012». - Санкт-Петербург: Изд-во С-ПГИТМО, 2012. - Т. 1. - С. 226-228.

15. Belousov, А. V. Web-based access to technological information in monitoring systems of energy consumption objects / A. V. Belousov, S. N. Glagolev, A. B. Bystrov, Yu. A. Koshlich // Proceedings of the XVllI-th Internationa] Open Science Conference « Modem informatization problems in the technological and telecommunication systems analysis and synthesis» / Editor in Chief Dr. Sci., Prof. O. Ya. Kravets. - Lorman, MS, USA: Science Book Publishing House, 2013. - pp. 373-377.

16. Белоусов, А. В. Методические аспекты применения интерактивных обучающих систем для удаленного мониторинга уникальных лабораторных установок / А. В. Белоусов, С. Н. Глаголев, А. Б. Быстрое, Ю. А. Кошлич // Сб. материалов Международной научно-практической конференции«И2Т». Т.1 / Гл. ред. С. У. Увайсов.-М.:МИЭМНИУ ВШЭ, 2013.-С. 46-51.

17. Белоусов, А. В. Решение вопроса информационной безопасности в интерактивных обучающих системах с удаленным доступом / А. В. Белоусов, С. Н. Глаголев, А. Б. Быстрое Ю. А. Кошлич // Ученые записки ИСГЗ. -2013. -№ 1-1.-С. 60-66.

18. Белоусов, А. В. Анализ работы тепловой гелиоустановки в условиях умеренно-континентального климата / А. В. Белоусов, Ю. А. Кошлич // Международный научно-исследовательский журнал. - 2013. - № 12 (19) ч. 1. - С.99-101.

19. Belousov, А. V. The analysis of exploitation possibility of thermal solar plants depending on specific of climate conditions of territory / A. V. Belousov, S.N. Glagolev, Y. A. Koshlich, A.G. Grebenik // Life Sci J. -2014. - 11 (12s). - pp. 1018-1023.

20. Белоусов, A B. Web-диспетчеризация автоматизированных систем диспетчерского управления распределенными объектами / А. В. Белоусов, Ю. А. Кошлич, А. Г. Гребенник // Сб. докл. Междунар. науч.-практич. конф. «Фундаментальная информатика, информационные технологии и системы управления: реалии и перспективы. FIITM-2014». - Красноярск: СФУ 2014 -С. 26-30.

21. Белоусов, А. В. Системы диспетчеризации в решении вопросов повышения энергоэффективности распределенных объектов энергоснабжения и жизнеобеспечения зданий / А. В. Белоусов, С. Н. Глаголев, Ю. А. Кошлич, А. Г. Гребенник // Вестник энергоэффективности -2014.-№5(05).-С. 23-31.

22. Белоусов, А. В. Демозона по энергосбережению БГТУ им. В.Г. Шухова - база для развития качественного образования в области энергоэффективности / А. В. Белоусов, С. Н. Глаголев, Ю. А. Кошлич, А. Г. Гребенник // Сб. материалов Всероссийской конференции «Энергоэффективность. Наука и образование». - Якутск, 2014 - С. 54-55.

23. Белоусов, А.В. Использование вычислительных платформ Arduino и Linux-маршрутизаторов для удаленной диспетчеризации распределенных объектов / А В. Белоусов, С. Н. Глаголев, Ю. А. Кошлич, А. Г. Гребеник // Сб. материалов Международной научно-практической конференции «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» / под общ. ред. С.У. Увайсова. - Москва: НИУ ВШЭ, 2014. - С. 392-394.

24. Белоусов, А. В. WEB-диспетчеризация распределенных лабораторных платформ / А. В. Белоусов, Ю. А. Кошлич, А. Г. Гребеник // Сб. тр. XXI Всерос. науч.-метод. конф. «Телематика 2014». - Санкт-Петербург: Изд-во С-ПГИТМО, 2014. - Т. 2. - С. 108-109.

25. Belousov, А. V. Information and technologic provision of the automated supervisory control system for distributed housing and public utilities / A. V. Belousov, S. N. Glagolev, Yu. A. Koshlich,

A. A. Shevkunov // Materials of the III International scientific - practical conference « Innovation Information Technologies (I2T-20I4)»: Part-3 / Ed. Uvaysov S. U. - M.:HSE, 2014. - pp. 188-192.

26. Белоусов, А. В. Реализация лабораторных установок с удаленным доступом на примере системы управления ГВС с солнечными коллекторами / А. В. Белоусов, С. Н. Глаголев, Ю. А. Кошлич // Материалы междунар. науч.-практ.конф. «Новые информационные технологии в' образовании», 13-16 марта 2012 г. - Екатеринбург: ФГАОУ ВПО «Рос. гос. проф.-пед. ун-т», 2012 - С. 343-347.

Объекты интеллектуальной собственности

27. Свидетельство №2014619351 Российской Федерации о гос. регистрации программы для ЭВМ. HControl-программа оптимального управления низкотемпературными гелиоустановками активного типа / А. В. Белоусов, А. Г. Гребеник, Ю. А. Кошлич, Д. Ю. Доценко; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им

B.Г. Шухова». - №2014617117, заяв. 22.07.2014; опубл. 15.09.2014.

28- Свидетельство №2013612522 Российской Федерации о гос. регистрации программы для ЭВМ. Программа сбора и регистрации значений переменных распределенных технологических параметров / А. В. Белоусов, А. Б. Быстрое, Ю. А. Кошлич, Д. Ю. Доценко; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им.

В.Г. Шухова». -№2013610043, заявл. 09.01.2013; опубл. 04.03.2013.

29. Свидетельство №2012615269 Российской Федерации о гос. регистрации программы для ЭВМ. Программа мониторинга распределенных технологических параметров на основе WEB-базированного доступа / А. В. Белоусов, А. Б. Быстров, Д. Ю. Доценко, Ю. А. Кошлич; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова». -№2012612887,заяв. 16.04.2012; опубл. 09.06.2012.

Условные обозначения

fy — теплоемкость материала стенки коллектора, Дж /(кГ'К); с,„„ - теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг-К);

Е - интенсивность солнечного излучения, поступающего на поверхность СК, Вт/м2; F,,lt - массовый расход потребляемой горячей воды, кг/с;

Fm - массовый расход теплоносителя, создаваемый циркуляционным насосом, кг/с;

Fm - массовый расход нагретой воды через бак-аккумулятор, кг/с;

Fm„ - массовый расход теплоносителя, поступающего от котельной в теплоузел, кг/с;

¡'-коэффициент, связанный с геометрической конфигурацией системы;

т.т - масса теплоносителя (антифриза) в солнечном коллекторе, кг;

7П„ - масса воды, нагреваемой в баке аккумуляторе, кг;

7nff — масса материала стенки коллектора, кг;

Q - количество тепловой энергии, которую отдает нагретый антифриз в бойлере, Дж; q — удельный поток инсоляции, поглощаемый поверхностью солнечных коллекторов, Вт/м2;

5е - поверхность теплоотдачи, м2;

Т„х, Твых - входная и выходная температуры (верхние индексы с, a, m обозначают солнечный коллектор, бак-аккумулятор и теплообменник соответственно), К; Тж - температура ГВС, К;

Тм - температура материала стенки коллектора, К;

Тив - температура окружающей среды (наружного воздуха), К;

Тхвс - температура поступающей холодной воды, К;

Тгу - температура воды на выходе гелиоустановки, К;

Тт„ - температура теплоносителя, поступающая от котельной в теплоузел, К; Т„!С- температура горячей воды, поступающей непосредственно потребителю, К; U - напряжение питания электродвигателей насоса. В; Vm — скорость движения теплоносителя, м/с;

ас — коэффициент теплоотдачи от стенки солнечного коллектора к теплоносителю Вт/(м2-К);

а - коэффициент теплоотдачи;

р1и р2- постоянные коэффициенты, зависящие от типа и конфигурации СК; ем - степень черноты поверхности СК; а - постоянная Стефана-Больцмана, 5,67-Ю"8 Вт/(м2-К4);

ДГта(г) — разность температуры на входе и выходе бака-аккумулятора тепловой энергии, К;

т - время, с;

Подписано в печать 22.09.2015 Формат 60x84/16.

Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ №319 Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46