Приведены исследования характерных режимов работы теплообменной системы горячего водоснабжения зданий; даны рекомендации по экономия тепловой энергии.
Ключевые слова: горячее водоснабжение, теплообменник, клапан с электрическим приводом, тепловая энергия
Введение. Наиболее производительной передачей тепла в системах горячего водоснабжения (ГВС) на сегодняшний день является применение пластинчатого теплообменника. Как правило, такой теплообменник имеет объем 10–12 литров. Его теплообменные свойства способны обеспечить горячей водой восьмидесяти квартирный дом. Однако, накопленная емкость горячей воды для восьмидесяти квартирного дома очень маленькая, т. е. теплообмен осуществляется, но емкости теплообменника не достаточно при активном потреблении горячей воды. Это связано с переходом положения клапана в открытое состояние, которое достигает 40 секунд. Таким образом, клапан не способен перестроится на новый режим работы теплообменника [1].
Основную проблему можно отметить следующим образом: теплообменник может обеспечить, но большая инерционность клапана, не позволяет перестроиться в нужный режим в течении 2–3 секунд. Следовательно, этих 40 секунд достаточно много, в силу того, что опустошение 10–12 литров теплообменника происходит за несколько секунд. В качестве решения таких проблем используют накопительный бак 200–300 литров, для увеличения накопленной горячей воды. Также, благодаря применению накопительного бака можно обеспечить распределение воды между ночными и дневными часами, поддерживать и с легкостью контролировать температуру воды. Недостатком накопительного бака является периодическое обслуживание, промывание внутренней поверхности, габариты, затраты на покупку и установку [2, 3].
Актуальность работы заключается в что наибольший теоретический интерес представляет исследование характерных режимов работы теплообменной системы ГВС [4, 5]. В системе ГВС характерен режим непредсказуемого изменения потребления теплоносителя в связи с появлением эффективных пластинчатых теплообменников, где приобретает актуальность задача быстродействия, которая ранее в таких системах не рассматривалась. Помимо этого, при отсутствии потребления необходимо стабилизировать температуру обратного теплоносителя.
Цель исследований — повышение качества управления системы ГВС, путем обеспечения максимального быстродействия.
Объектами исследования являются автоматизированные системы управления ГВС зданий и сооружений с эффективным пластинчатым теплообменником.
На рисунке 1 приведена закрытая схема системы ГВС. Основным элементом управления используется задвижка 1 с управляемым положением штока. Также используется высокоэффективный теплообменник 2, циркуляционные насосы 3, 4 и клапан с электрическим приводом 5 [6, 7, 8].
Рис. 1. Структурная схема автоматизированной системы ГВС6
Для таких систем осуществляется индивидуальная настройка клапана, где управление клапаном производится широтно-импульсным способом по независимым пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) законам регулирования. Этот элемент придает системе большую инерционность, а именно количество воды, необходимое для нагрева внутреннего контура системы ГВС ограничено в рамках времени полного открытия и закрытия клапана. При активном потреблении клапан не успевает перейти в нужное положение либо открыться полностью для заполнения системы водой, а теплоноситель внутреннего контура системы не может быть нагретым до необходимой температуры. Это приводит к появлению холодной воды из крана горячей у потребителя.
При мгновенном потреблении горячей воды, емкость этого теплообменника заметно снизится. Для активного теплообмена, регулирующему клапану (рисунок 2) необходимо перейти в нужный режим работы, переход которого достигает до 40 секунд. Но даже оптимально настроенный ПИД-регулятор, не позволяет выйти за рамки быстродействия привода постоянной скорости, который стоит на клапане, когда время самого быстродействующего клапана может составлять 20–30 секунд. Следовательно, такой теплообменник не может обеспечить необходимый теплообмен без накопительного бака. Сама идея заключается в том, чтобы выбрать другую структуру системы ГВС.
Рис. 2. Регулирующий клапан с электрическим приводом: 1 — электропривод регулирующего клапана; 2 — регулирующий клапан
Устойчивое регулирование клапана в критической области, вблизи от закрытого положения, обеспечивается за счет небольшой крутизны комбинированной характеристики на этом участке рабочего хода клапана. С другой стороны, часть характеристики с большей крутизной обеспечивает быстрое и стабильное регулирование при увеличении расхода.
Когда включается источник питания, электропривод автоматически подстраивается под конечные положения штока клапана. Направление перемещения и позиция штока четко отображаются на индикаторе, которым снабжен электропривод.
На рисунке 3 приведена техническая характеристика регулирующих седельных клапанов для систем централизованного теплоснабжения.
Параметры распределённого комплекса зданий задаются на основе экспериментальных исследований.
Рис. 3. Регулирующие седельные клапаны для систем централизованного теплоснабжения
Анализ полученных результатов показывает, что снижение температуры теплоносителя Т02 зданий автоматизированных ИТП (j = 1, 2, 3) связано с уменьшением расхода теплоносителя на их вводах. Однако в замкнутой гидросистеме уменьшение расхода у одних потребителей (здания с автоматизированными ИТП) приводит к увеличению расхода у других (здания с элеваторными узлами), что соответственно приводит к увеличению температуры теплоносителя, например, в обратных трубопроводах на выходах СО j-ых зданий (j = 4, 5). При переходе в режим пониженного теплопотребления в ночной период времени с целью экономии тепловой энергии установлено, что здания с элеваторными узлами, обладая существенно меньшей относительной тепловой нагрузкой, обеспечивают соизмеримое с автоматизированными ИТП ночное потребление тепловой энергии.
Выводы
Для распределённого комплекса зданий экономия тепловой энергии возможна только в том случае, если имеется в целом возможность регулирования динамических процессов в системе теплоснабжения.
Литература:
- Прокопьев, А. П. Идентификация нелинейной системы управления с ПИД-регулятором / А. П. Прокопьев, В. И. Иванчура, Р. Т. Емельянов [Электронный ресурс] // Труды X Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» (SICPRO‘15), 26 января-29 января 2015 г., г. Москва. ИПУ РАН. М.: Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, 2015. 1484 с. (С. 387–397). Электронные текстовые дан. (121 файл, 68,5 Мб). — Москва: ИПУ РАН, — 2015. Режим доступа: http://www.sicpro.org/sicpro15/ code/r15_08.htm.
- Аракелян, А. К. Коммуникационная сеть как динамический объект управления в системах регулируемого электропривода турбомеханизма / А. К. Аракелян, В. К. Тытюк // Межвузовский сборник научных трудов «Исследование систем автоматизированных электроприводов». — Чебоксары. — 1991. — С. 64–75.
- Цыганкова, А. В. Исследование автоматической системы управления с пропорционально-интегрально-дифференцированным регулированием. / А. В. Цыганкова, Р. Т. Емельянов, Е. С. Спирин, К. В. Кириллов. — Красноярск: Вестник КрасГАУ. — 2013.— № 10. — C. 243–247.
- Цыганкова, А. В. Потокораспределения трубопроводной системы отопления при независимом подключении циркуляционного насоса / А. В. Цыганкова, Р. Т. Емельянов, Ю. Л. Липовка, Н. А. Барабанщикова. — Красноярск: Вестник КрасГАУ. — 2014. — № 12. — C. 200–204.
- Цыганкова, А. В. Стабилизация температурного режима образовательных учреждений / А.В Цыганкова, А. М. Сташин // Материалы III Всероссийской конференции. Формирование человеческого капитала ресурсами системы образования. — Красноярск. — 2016. — C. 149–151.
- Хаванов, П. А. Автономная система теплоснабжения — альтернатива или шаг назад? // Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика (АВОК). 2004. № 1. С. 34–37.
- Мировски, А. Материалы для проектирования котельных и современных систем отопления / А. Мировски, Г. Ланге, И. Елень. — Польша: Виссманн, 2005. 293 с.
- Солдатенков, А. С. Исследование процессов перераспределения энергоносителя при частичной автоматизации распределенного комплекса зданий / А. С. Солдатенков, А. Н. Потапенко // Международный научно-технический журнал «Свiтлотехника та електроенергетика». 2009. № 2 (18). С. 4–8.
- Потапенко, А. Н. Автоматизированное управление процессом централизованного теплоснабжения распределенного комплекса зданий с учетом моделирования этих процессов / А. Н. Потапенко, Е. А. Потапенко, А. С. Солдатенков, А. О. Яковлев // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2007. № 7/8. С. 120–134.
