Комбинированная система регулирования отопления здания сложной конфигурации



Данная статья посвящена разработке математической модели комбинированной системы регулирования отопления с упреждающим управлением и управлением по отклонению на примере здания филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Волжском. Здания сложной конфигурации, имеющие многокорпусную конструкцию, зачастую оснащены системами регулирования отопления, которые не способны поддерживать необходимые значения температуры воздуха. Усовершенствование алгоритма функционирования существующих регуляторов отопления совместно с использованием дополнительных принципов регулирования позволят получить требуемую температуру в зданиях данного типа. В статье описан принцип работы устройства коррекции подачи тепла на отопление здания с учетом возмущающих воздействий со стороны наружного климата на различные корпусы здания. Показано, что применение предлагаемой системы позволяет обеспечить требуемое качество переходных процессов в системе отопления здания.

Ключевые слова: отопление, упреждающее воздействие, регулятор, корректирующее устройство, здание, контрольное помещение, солнечное излучение, математическая модель.

Температура в помещениях должна находиться в заданных диапазонах согласно существующей нормативной документации, однако большинство зданий, спроектированных в прошлом веке и имеющих многокорпусную конструкцию с разветвленной системой отопления, оснащены системами регулирования подачи теплоносителя на отопление, которые не способны поддерживать необходимую температуру воздуха. В первую очередь, это связано с тем, что все корпусы такого здания получают различные возмущающие воздействия со стороны окружающей среды, которые в разной степени влияют на температуру внутри помещений. Хотя регулирование подачи тепла на отопление главным образом определяется температурой наружного воздуха, вклад таких составляющих, как солнечная радиация и скорость ветра составляет 10–30 %, что косвенно отражается на температуре внутри помещений [1, с. 263]. К тому же, при модернизации систем возникает ряд трудностей, связанных с выбором автоматических регуляторов, так как современные регуляторы не имеют достаточного функционала для поддержания требуемой температуры воздуха в таких помещениях. Отсюда же вытекает проблема перегревов в начале и конце отопительного периода, так как влияние солнечного излучения в эти периоды наиболее велико. Для решения описанных проблем было разработано и смоделировано такое корректирующее устройство, которое способно вносить изменения в график подачи теплоносителя в системе отопления в зависимости от возмущающих воздействий.

СтРУктура Системы регулирования

Структурная схема модели системы регулирования

Здание филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Волжском представляет собой малоэтажное строительное сооружение (3 этажа), состоящее из нескольких корпусов, имеющих разное пространственное расположение и различные характеристики ограждающих конструкций. В связи с этим, для каждого корпуса здания необходимо индивидуальное регулирование с учетом этих особенностей.

В результате анализа существующей системе отопления здания была разработана предлагаемая структурная схема модели системы регулирования отопления, которая представлена на рисунке 1.

Наиболее эффективной из существующих систем управления является комбинированная система управления, сочетающая принцип регулирования по возмущению и принцип регулирования по отклонению [2, с. 53]. Температура теплоносителя в подаче Т1 определяется согласно графику в зависимости от температуры наружного воздуха Тнв. Для возможности реализации данной системы на основе простых контроллеров систем отопления с помощью вспомогательных устройств корректирующее воздействие вносится в значение температуры наружного воздуха, и, следовательно, в график подачи теплоносителя. Учитывая неизбежное запаздывание регулирования по отношению к изменению интенсивности солнечного излучения, необходимым действием является внесение упреждающего воздействия для компенсации отклонений температуры Твп. Таким образом, система реагирует не только на уже свершившиеся отклонения температуры внутри помещений, но и на те, которые только имеют тенденцию к осуществлению [2, с.54].

Рис. 1. Структурная схема регулирования отопления: 1 — корректирующее устройство; 2₁, 2₂, 2₃ — блок задания графика подачи контроллера первого, второго и третьего корпуса соответственно; 3₁, 3₂, 3₃ — ПИД-регулятор контроллера первого, второго и третьего корпуса соответственно; 4₁, 4₂, 4₃ — исполнительный механизм (регулирующий клапан) первого, второго и третьего корпуса соответственно; 5₁, 5₂, 5₃ — контрольное помещение (объект управления) первого, второго и третьего корпуса соответственно; Тнв — температура наружного воздуха, ^оС; Iси — интенсивность солнечного излучения, Вт/м²; Sв — скорость ветра, м/с; Т1₁, Т1₂, Т1₃ — температура теплоносителя в подающем трубопроводе первого, второго и третьего корпуса соответственно, ^оС; Т2₁, Т2₂, Т2₃ — температура теплоносителя в обратном трубопроводе первого, второго и третьего корпуса соответственно, ^оС; Твп₁, Твп₂, Твп₃ — температура воздуха в контрольном помещении первого, второго и третьего корпуса соответственно, ^оС; e₁, e₂, e₃ — сигнал рассогласования первого, второго и третьего контроллера, соответственно, ^оС; I — корпус 1 (1-й контур); II — корпус 2 (2-й контур); III — корпус 3 (3-й контур).

Согласно структурной схеме, представленной на рисунке 1, на вход корректирующего устройства 1 поступают сигналы: текущая температура воздуха в контрольных помещениях здания, интенсивность солнечного излучения и температура наружного воздуха. Скорректированный сигнал поступает на регулятор в блок формирования задания графика подачи в систему отопления 2, после чего, сигнал сравнивается с текущим значением температуры теплоносителя в подаче и формируется сигнал рассогласования, который попадает в пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор 3, который, в свою очередь, формирует сигнал для исполнительного механизма 4. Таким образом, формируется необходимая температура в линии подачи теплоносителя системы отопления. Блок 5 представляет собой объект управления, на входы которого поступает значение температуры в подаче, а также ряд возмущающих воздействий, таких как температура наружного воздуха, интенсивность солнечного излучения и скорость ветра. На выходе блока 5 формируются значения температуры теплоносителя в обратном трубопроводе и температуры воздуха внутри помещения, который замыкается обратной связью и формирует, тем самым, отдельный контур регулирования.

Компенсатор солнечного воздействия

Для компенсации воздействия солнечного излучения на каждый корпус были получены данные о влиянии интенсивности солнечного излучения на величину изменения температуры внутри помещений в течение суток для всего отопительного сезона. Для этого был проведен ряд экспериментов, в ходе которых необходимым условием являлось соблюдение следующих требований для определения наиболее точных значений этих данных:

1) Отсутствие ветра;

2) Отсутствие облачности (максимально возможная интенсивность солнца для данного дня);

3) Постоянная температура в подаче систему отопления или отсутствие отопления (перед началом или после отопительного периода).

Также требуется установка пары датчиков температуры в каждом корпусе в разных помещениях. Данное действие необходимо для того, чтобы определить ту составляющую изменения температуры воздуха в помещениях, которая вызвана солнечным излучением. Для этого один датчик устанавливается в контрольном помещении, а другой в таком помещении, в котором влияние солнечного излучения на температуру воздуха минимально или отсутствует («темное» помещение). В каждом случае на температуру воздуха в помещениях будет оказано влияние изменения температуры наружного воздуха, а значит, разница этих значений позволит выделить величину воздействия максимальной интенсивности солнечного излучения на температуру в контрольном помещении.

На рисунке 2 представлен результат такого эксперимента для одного из корпусов в начале отопительного периода. Из графика температуры в контрольном помещении можно заметить, что влияние солнечного излучения для данного корпуса наиболее сильно в первой половине дня до 13 часов, однако, повышение температуры в «темном» помещении, говорит о том, что температура наружного воздуха продолжает возрастать еще в течение нескольких часов.

На основе экспериментальных данных, полученных в ходе серии подобных экспериментов в течение отопительного периода, с помощью интерполяции получен массив коэффициентов интенсивности воздействия солнечной радиации на температуру воздуха внутри помещений (см. рисунок 3).

Рис. 2. Экспериментальные данные температуры воздуха в контрольном и «темном» помещении

Используя полученные значения, корректирующее устройство способно спрогнозировать повышение температуры воздуха в помещениях, вызванное солнечной радиацией и скомпенсировать его.

Формула, по которой производится формирование компенсирующего воздействия, выглядит следующим образом:

,(1)

где - текущее корректирующее воздействие по интенсивности солнечного излучения, ^оС; — текущая интенсивность солнечного излучения, Вт/м²; - максимальная текущая интенсивность солнечного излучения, Вт/м²; - текущий коэффициент интенсивности солнечного излучения со смещением на величину запаздывания регулирования ; — запаздывание регулирования, ^оС, — текущее время, с; — коэффициент усиления величины компенсации.

Рис. 3. Поле коэффициентов интенсивности воздействия солнечной радиации на температуру воздуха в контрольном помещении 1-го корпуса

Учет температуры в контрольных помещениях

Осуществление принципа регулирования по отклонению подразумевает сбор данных о температуре в контрольных помещениях. Полученные данные позволяют дополнительно внести корректирующие воздействия для компенсации отклонения температуры воздуха в корпусах, вызванных неучтенными возмущениями, такими как скорость и направление ветра и внутренние источники тепла. Таким образом, объект управления замыкается обратной связью по текущему значению его выхода, который сравнивается с заданным значением.

При этом для получения корректных значений температуры воздуха необходим правильный выбор мест установки датчиков. В качестве контрольных, следует выбирать наиболее характерные помещения здания.

Формула, по которой производится формирование компенсирующего воздействия:

,(2)

где - текущее корректирующее воздействие по отклонению температуры Твп, ^оС; - уставка температуры воздуха в контрольном помещении, ^оС; - текущая температура воздуха в контрольном помещении, ^оС; - коэффициент усиления величины компенсации.

проверка работоспособности разработанной модели

С целью проверки работоспособности разработанной модели было произведено имитационное моделирование предлагаемой модели системы регулирования отопления в среде визуального моделирования «VisSim».

Полученные результаты позволяют сравнить предложенную модель с существующей системе отопления здания.

Согласно ГОСТ 30494–2011 большинство помещений здания филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Волжском относится к категории 2 и категории 3а. К помещениям категории 2 относятся те помещения, в которых люди заняты умственным трудом или учебой, а к помещениям категории 3а относятся помещения с массовым пребыванием людей, в которых люди находятся преимущественно в положении сидя без уличной одежды [3, с. 3]. Следовательно, допустимая температура для данных типов помещений лежит в диапазоне от 19 до 23 ^оС.

На рисунке 4 представлены графики зависимости температуры воздуха в контрольных помещениях для существующей и предложенной системы автоматического регулирования.

Анализ данных графиков позволяет сделать вывод о том, что действующая система не позволяет должным образом обеспечить требуемый температурный режим помещений. Температура в контрольных помещениях во время максимальной солнечной интенсивности превышает верхнюю границу допустимой температуры. Также, когда скорости ветра достигает наибольших значений, температура в помещениях снижается и выходит за нижнюю границу. Предлагаемая комбинированная система устраняет воздействия окружающей среды и поддерживает Твп в требуемом диапазоне.

Таким образом, на основе результатов моделирования предложенной комбинированной системы регулирования отопления здания филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Волжском, можно сделать вывод о том, что подобная система способна обеспечить необходимый температурный режим здания. Также система позволяет снизить перерасход тепла на отопление, особенно в начале и конце отопительного периода, когда влияние солнечного излучения на температуру воздуха в здании наиболее высока.

Рис. 4. Графики зависимости температуры воздуха в контрольных помещениях для существующей и предлагаемой системы автоматического регулирования: а) 1-й корпус; б) 2-й корпус; в) 3-й корпус.

Литература:

1. А. В. Щегольков, М. А. Мишин: Проблемы потребления и экономии тепловой энергии в жилом фонде. Ползуновский вестник № 1, 2011.
2. С. А. Добротин, Е. Л. Прокопчук: Синтез системы упреждающего управления процессом подачи тепла на отопление здания. PROBLEMELE ENERGETICII REGIONALE 2(16), 2011.
3. ГОСТ 30494–2011: Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях, 2011.