CC BY
84
ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ
УДК 681.513.6
А. Ю. Вольвач, О. В. Толстель
ПЕРСПЕКТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕМ ЗДАНИЙ ОТ НЕСКОЛЬКИХ ПАРАМЕТРОВ
Описана перспективная концепция управления работой теплопункта, осуществляющего подачу теплоносителя микрорайону из нескольких домов. Рассматривается возможность адаптивного оптимального управления от нескольких параметров — температуры окружающего воздуха, динамики ее изменения, направления и скорости ветра, засветки солнцем фасада здания.
A promising concept for managing the work of heat-paragraph shall ated microdistrict from several houses is described. The possibility of an adaptive optimal control of several parameters — temperature, ambient air, the dynamics of change, direction and speed of wind, sun exposure facade
Ключевые слова: теплопотери, конвективный теплообмен, тепловая модель здания, нечеткий контроллер, датчики, мнемосхема, шкаф управления.
Key words: heat loss, convective heat transfer, thermal model of the building, the fuzzy controller, sensors, mimic, control cabinet.
1. Модернизация тепловых пунктов
Термин «погодозависимое управление системой теплообеспечения здания» на сегодня, как правило, подразумевает учет контроллером управления подачи теплоносителя с температурой окружающего воздуха. В некоторых моделях контроллеров, управляющих отоплением в индивидуальных домах, предусмотрен ввод циклограммы солнечного освещения. В [1] обосновывается возможность адаптивного управления теплоснабжением жилого здания, учитывающего не только температуру окружающего воздуха, но и ее производную, разброс температур по зданию, засветку здания солнцем, унос тепла ветром. Так как полная теплоемкость здания не равна нулю, а изменение параметров окружающей среды достаточно хорошо прогнозируется, имеется возможность получать дополнительную экономию теплоресурсов при таком «интеллектуальном управлении».
Для этого необходимо [1]:
1) дополнительное спецоборудование (типа регуляторов потребления тепловой энергии МР-01) и программно-аппаратные средства учета теплопотребления и управления спецоборудованием;
2) точные тепловые модели жилых домов;
3) программно или аппаратно реализованные нечеткие контроллеры управления, подстраиваемые по результатам экспериментальных данных эксплуатации каждого объекта.
© Вольвач А. Ю., Толстель О. В., 2013
Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2013. Вып. 10. С. 69 — 76.
В ходе реализации проекта по модернизации 16 теплопунктов (ТП) Калининграда, проводившейся в 2012—2013 гг., наряду с заменой теплообменников на современные модели, фирмой «ПроСофт» был разработан и внедрен комплекс программно-аппаратных средств, установленных в каждом ТП. В итоге стало возможно отслеживать и управлять ситуацией в ТП удаленно, из центральной диспетчерской предприятия «Калининградтеплосеть».
Программное обеспечение работы ТП позволяет:
1) управлять ТП посредством компьютера или панели оператора;
2) отображать на экране монитора показания датчиков ТП и состояния его устройств;
3) протоколировать работу ТП.
Оператор может управлять ТП в командном и ручном режимах. Программное обеспечение логически разбито на три уровня:
1) ПО контроллера — обеспечивает текущую работу;
2) серверная часть — обеспечивает прием параметров и запись их в базу данных, передачу текущей информации клиентам;
3) клиентская часть — обеспечивает по каждому ТП отображение текущей информации, архивных данных и формирование отчетов.
Общая схема и взаимосвязь всех уровней представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Общая схема взаимодействия программно-аппаратных средств
Контур подачи теплосети обеспечивает тепловой энергией контуры горячего водоснабжения и отопления. Контур организует подачу теплоносителя в ТП, передачу тепловой энергии потребителю. Его активные элементы — различные задвижки трубопровода, фильтры, расходомеры, авторегуляторы температуры и подачи теплоносителя, группы автоматических насосов — даны на мнемосхеме ТП (рис. 2).
В центральной диспетчерской теплосети доступна информация по всем объектам из экранной формы, представленной на рисунке 3. Она содержит основную информацию о каждом ТП, список всех доступных
привязанных к системе ТП. Пункты со 2 по 10 содержат информацию о температурах и давлении, 11, 12 и 13 соответственно — «Ошибки», «Наличие связи и время после последнего ее исчезновения» и «Всплывающие окна».
Полученный уровень оснащения ТП, шкафы управления, контроллеры, встроенные компьютеры, сенсорные панели управления, увязка всех сигналов от датчиков и актуаторов делает возможным реализацию «интеллектуального управления». Нужны уточненные тепловые модели зданий.
71
Рис. 2. Фрагмент мнемосхемы теплопункта
1. Список всех доступных привязанных к системе ТП.
2. Температура подачи теплосети. Т1 (°С).
3. Температура обратки теплосети. Т2 (°С).
4. Давление подачи ГВС. Ре4 (Ваг).
5. Температура подачи ГВС. Те4 (“С).
6. Давление подачи отопления. Ре13 (Ваг).
7. Температура подачи отопления Те8 (»С)
8. Давление обратки отопления Ре17 (Ваг).
9. Температура обратки отопления Те9 (°С).
10. Расход подпитки отопления WCЗ (т/час).
11. Ошибки (выводятся в последние события и записываются в историю).
А) Присутствуют. Б) Отсутствуют.
12. Наличие связи и время после последнего ее исчезновения.
А) Присутствует. Б) Отсутствует.
Рис. 3. Экранная форма со сводной информацией
2. Моделирование конвективного теплообмена жилого дома
Коэффициент конвективного теплообмена зависит от ориентации поверхностей в пространстве, их шероховатости, наличия ветра и ориентации здания относительно него. Следует учитывать теплоемкость здания и засветку солнцем, тепловой поток от которого по нормали составляет 1440 Вт-м2, время года и суток. Температуры наружного воздуха с наветренной и подветренной сторон дома зимой могут отличаться по наблюдениям авторов на 5° С, что также необходимо иметь в виду.
Интенсивность конвективного теплообмена характеризует число Нуссельта Ми [2] Ми = КЬ/X, где К — коэффициент конвективного теплообмена (Вт/м2К); Ь — характерный линейный размер поверхности (м); X — коэффициент теплопроводности воздуха (Вт/м-К).
Имеется обширный экспериментальный материал, дающий значения Ми при различных допущениях. В [2] приводится большой обзор работ, посвященных естественной конвекции, и подробное рассмотрение физических процессов в приближении Буссинеска.
Для инженерных расчетов Ми = ДСг, Рг), где Сг — число Грасгофа; Рг — число Прандтля, переписывают как Ми = ДИа, Рг), Иа = Сг-Рг — безразмерное число Релея, определяющее осуществимость конвективного движения под воздействием градиента температуры (если число Рэлея больше некоторого критического значения, равновесие среды неустойчиво и возникают конвективные потоки). Поскольку число Прандтля в этом случае слабо влияет на результаты, для расчетов нестационарного теплообмена конвекцией с учетом излучения оно вообще не учитывается и используется соотношение Ми = ДИа).
Так, для вертикальных поверхностей (стены дома)
Ми = 0,68 + (0,3454-Иа/5)0,25(1 + 1,6-10—8-0,3454-Ка)1/12.
Для горизонтальной поверхности, отдающей тепло вверх (крыша),
ІМи = 0,905 (0,4044 - Иа )2 при 2< Иа <2 -105,
[Ми = 0,2 (0,4044 - Иа )1/3 при Иа > 2 -105.
Уравнение баланса тепловых потоков через стену дома при конвективном теплообмене с учетом излучения:
О/Л = (Т1 - Т)/К = К(Т - Т2) + єст(Т4 - Т24), где Q — тепловой поток через стенку; А — площадь стенки; Т — температура на внутренней поверхности стены; Т — температура на наружной поверхности стены; Т2 — температура окружающего воздуха вдали от здания; К — коэффициент конвективного теплообмена; є — степень черноты; ст — постоянная Стефана — Больцмана (5,67-10-8 Вт/м2К4).
Так как уравнение нелинейное, решаем его методом Ньютона. В результате итерационного процесса при заданных Т и Т2 находится температура Т на поверхности и определяется тепловой поток через поверхность. В случае нестационарного теплообмена Т = С-Т10 - Q(t)dt, где С — полная теплоемкость тела (Дж/ кг); Т10 — его абсолютная начальная температура; Q(t) — тепловой поток, теряемый телом за секунду.
Процесс кондуктивного теплообмена по элементам конструкции здания (стенам, балкам, плитам перекрытия) описывается уравнением Фурье Q = KdT/dx, где Q — кондуктивный тепловой поток; K1 — коэффициент теплопроводности (Вт/ м-К); dT/dx — градиент температуры.
В данной предметной области К константа, что упрощает расчеты. Общий процесс сложного теплообмена моделируют в ряде CAE-программ методами конечных или изотермических элементов. Нами была построена модель фрагмента жилого здания в CAE-системе Ansys. На рисунке 4 (слева) представлены оконные меню, позволяющие в модулях Workbench и Fluent создать геометрическую модель одной комнаты с окном и радиатором (справа), описать все граничные условия и подобрать модели физических процессов, например тип конвекции.
73
Рис. 4. Создание модели комнаты в Лпэуэ
Далее создается сетка, на которой решаются системы уравнений, описывающие задачу. На рисунке 5 (справа) можно видеть эту сетку, а слева в экранной форме видны задающие ее параметры.
Рис. 5. Параметры геометрической модели и расчетной сетки
Некоторые промежуточные результаты расчетов — распределение температуры по комнате при определенных граничных условиях — приведены на рисунке 6 слева. Они получаются для сборки из девяти комнат, представленной на рисунке 6 справа.
74
Итак, показана возможность построения тепловой модели здания. Экспериментально-полезный уровень точности модели требует больших временных затрат, поэтому приводится принципиальная возможность достижения конечной цели. Важно уточнение моделей домов по результатам экспериментов, появившимся в последнее время.
На teplo39.ru есть данные (текущие и архивные) по потреблению тепла зданиями. Также имеются архивы метеорологических данных: температуры, скорости и направления ветра. Построенная тепловая модель здания настраивается до тех пор, пока при всех вариантах граничных условий ее расчетное теплопотребление не начнет совпадать с экспериментом. На рисунке 7 даны графики изменения температуры, скорости ветра и теплопотребления для трех домов из пос. Чкаловск.
Рис. 6. Некоторые результаты расчетов
Рис. 7. Температура, скорость ветра и теплопотребление некоторых домов
3. Генерация системы управления
На рисунке 8 (слева) представлена схема связи ТП с микрорайоном. На ТП установлены датчики температуры и шкафы управления. На рисунке 8 (справа) — схема управления системой через контроллер ОВЕН-МВА8 в сети КБ-485, выполняющий вычисления по всем параметрам по сети тоЛш. На контроллер поступают данные с датчиков, затем по сети КБ-485 осуществляется связь с контроллером ОВЕН-154, который, в свою очередь, связан с частотным приводом, со счетчиками ТЭМ-104 по сети КБ-232 и с контроллером ОВЕН МДВВ по сети КБ-485.
75
Рис. 8. Схема связи теплопункта с микрорайоном и состав шкафа управления
Для «интеллектуального управления» при количестве параметров, близком к 10, и возможности описания законов предметной области правилами «если... то» удобно использовать систему нечеткого вывода. Она может быть реализована тремя способами.
1. В виде программного контроллера, для чего потребуется дополнительный встраиваемый одноплатный компьютер.
2. На плате типа BeagleBoаrd, содержащей мощный микроконтроллер и программируемой из системы Бітиііпк.
3. На штатном котроллере управления Овен 154 (рис. 8, правая часть), программируемом на языке СоОеБу8 v.2.3.6.1. Последний вариант самый дешевый, но потребует дополнительной проверки возможности реализации.
На текущий момент разработан программный нечеткий контроллер, реализованный в среде Бітиііпк, на котором ведутся исследования. На рисунке 9 в левой части сверху представлена схема подачи сигналов на нечеткий контроллер для одного дома, а справа — для нескольких домов микрорайона. В левой нижней части показаны графики входных переменных, в правой части — выходной переменной (потребляемой тепловой энергии). Исследуются зависимости параметров, количество правил сейчас превышает 100.
Таким образом, создана возможность внедрения перспективной схемы «интеллектуального управления» тепловым режимом зданий на базе разработанных и введенных в эксплуатацию программно-аппаратных комплексов ТП микрорайонов. Изучена возможность создания
подробных тепловых моделей зданий, уточняемых по результатам экспериментов. Исследованы варианты реализации нечетких контроллеров на различных аппаратных платформах. Реализован прототип нечеткого контроллера, управляющий подачей теплоносителя в дом в зависимости от температуры воздуха, ее производной по времени, значений 4 температур по зданию, скорости и направления ветра по отношению к фасаду здания, засветки солнцем фасада и стен здания.
Рис. 9. Схемы реализованных программных нечетких контроллеров, графики входных и выходных переменных
Список литературы
1. Вольвач А. Ю., Нестеров С. В., Толстель О. В. Нечеткое управление системой отопления многоквартирного дома. // Обозрение прикладной и промышленной математики. 2011. Т. 18, вып. 4. С. 575 — 580.
2. Толстель О. В., Счастливый С. Н., Старостович В. А. Программа для ПК, моделирующая нестационарный процесс теплообмена при естественной конвекции с учетом излучения.// ЦНТИ «Поиск», РКТ : научно-технический сборник. М., 1991. Вып. 2, сер. 4.
Об авторах
Алексей Юрьевич Вольвач — асп., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.
E-mail: [email protected]
Олег Владимирович Толстель — канд. техн. наук, доц., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.
E-mail: [email protected]
About the authors
Aleksey Volvatch — PhD student, I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.
E-mail: [email protected]
Dr Oleg Tolstel' — Ass. Prof., I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.
E-mail: [email protected]
