CC BY
12
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.60.044 Яблоков А.А.1, Колосова Ю.С.2, Смирнов Н.Н.3
1ORCID: 0000-0002-0211-375X, Кандидат технических наук, 2ORCID: 0000-0002-2849-8299, Аспирант, 3ORCID: 0000-0002-4660-5502, Соискатель, Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕПЛООТРАЖАЮЩИХ ЭКРАНОВ В ОКНАХ
Аннотация
Разработана математическая модель теплоснабжения здания с регулируемым сопротивлением теплопередаче окон, состоящая из модели помещения, модели окна (теплопередачи через центральную часть стеклопакета с металлическими экранами) и теплогенерирующего оборудования.
Также была разработана автоматизированная система регулирования теплоснабжением зданий с применением теплоотражающих экранов. Определена энергетическая эффективность использования теплоотражающих экранов в окнах и дополнительного снижения температуры воздуха в нерабочее время для систем по поддержанию параметров динамического микроклимата производственных помещений.
Ключевые слова: математическая модель, окна с регулируемым сопротивлением, теплоотражающие экраны, тепловые трансмиссионные потери, автоматизированная система регулирования теплоснабжения.
Yablokov A.A.1, Kolosova Yu.S.2, Smirnov N.N.3
1ORCID: 0000-0002-0211-375X, PhD in Engineering, 2ORCID: 0000-0002-2849-8299, Postgraduate Student, 3ORCID: 0000-0002-4660-5502, External Postgraduate Student, Ivanovo State University of Power Engineering named
after V. I. Lenin
DEVELOPMENT OF AUTOMATED SYSTEMS OF HEAT REGULATION SUPPLY AT INDUSTRIAL PREMISES WITH THE USE OF HEAT-REFLECTING SCREENS IN WINDOWS
Abstract
We developed a mathematical model of the heat supply of the premise with adjustable resistance in the heat transfer of windows, consisting of a room model, a window model (heat transfer through the central part of a glass unit with metal screens), and heat generating equipment.
An automated system for regulating the heat supply of premises with the use of heat-reflecting screens was also developed. The energy efficiency of the use of heat-reflecting screens in the windows and the additional reduction of the air temperature during non-working hours are determined for the systems for maintaining the parameters of the dynamic microclimate of the production premises.
Keywords: mathematical model, windows with adjustable resistance, heat-reflecting screens, thermal transmission losses, automated heat regulation system.
Входе разработки систем управления теплоснабжением здания с целью ее стендовой отладки возникает потребность имитационного моделирования. При разработке математической модели обогреваемого помещения предлагается применить известный метод конечных элементов. Для упрощения модели перейдем от трехмерной постановки задачи к двумерной. Общая ячеистая структура 2D-объекта представлена на рисунке 1.
X
N1,1 1 Ni, 1
f Nn,m
n
N1.i -f- Ni.i
У
Рис. 1 - Общая ячеистая структура 2Б-объекта, где Му - позиция ячейки, стрелками обозначено общее правило
движения потоков от ячеек (сверху вниз и слева направо)
Модель ячейки относим к классу сосредоточенных и используем для описания свойств обыкновенные дифференциальные уравнения. Принципиально важным является учёт в коэффициентах уравнений а текущих значений теплофизических параметров процесса 9 (расходов, температур, давлений и т.п.):
а(1)=ф[е(1)].
Для иллюстрации на рис. 2 показан физический пример задачи моделирования процессов тепломассообмена в замкнутом помещении, ограниченном стенами, допускающими естественный или искусственный обмен потоками воздуха в и теплоты р.
Опот. ок._ ^
Ц Опот. ст._/
с
\л/пот. -к
Рвозд._(]'-1) Гвозд._(1-1)
Оинф._0-1П Отп_(1-1)-1
Qom.npu6._j
Рвозд._ Твозд._
□
оЖ1О
0 -
Рвозд_к Оинфи-к
1 возд. к
инфи-0+1)
Отп_]-(}+1)
Рвозд._(}+1) Твозд._0+1)
Отп_]-к
Рис. 2 - Схема физической модели ячейки общей модели системы обогрева помещений
Внутренними теплофизическими параметрами являются давление Р и температура воздуха Т. Направленность потоков на рисунке носит условный характер. Потоки могут быть как положительными (соответствующими рисунку), так и отрицательными (направлены в обратную сторону). Это определяется знаками разностей давлений и температур в смежных участках модели объекта.
Основу математической модели составляют два типа дифференциальных уравнений законов физики - закона сохранения вещества, закона сохранения энергии. Эти дифференциальные уравнения должны быть дополнены алгебраическими уравнениями термодинамического состояния вещества, Фурье и т.д. Количество уравнений должно быть равно количеству переменных величин. Для модели специфично сохранение всех нелинейных коэффициентов. Таким образом, совокупность всех уравнений моделируемого объема образует универсальный макромодуль (рис. 2).
С учетом всего вышесказанного можно записать обобщенную математическую модель ячейки (макромодуля) общей модели системы обогрева помещений:
'воды j ~ Я°воды/вх /вых)'рводы j'Qon j'l)
\оды j - Р(Тв°ды j' Рводы j J <2>
T воды j FI/ воды j' Рводы jJ (35
рвозд j F\Gвозд j -\' возд j' tJ (45
1возд j ~ F(Q0n ]'^инф ]'^инф j-\'Qmn j'Qmn j-\&тпк^огр.к: 0возд j'*1 (55
Твозд j F\'возд j 1 (65
Рвозд j F\\Твозд j' овозд j I (75
Gвозд j Fу возд j' овозд j + \'Рвозд j'Рвозд j + \J (88
Qинф j возд j''возд j'1возд j + \J (95
Q .= FI T , .,Т , . Л I (\0} ^тп j ( возд j возд j + \ J 1 7
Qогр.к. j F\Tвозд j' Тнар.возд_) ^^ Q0n j = НТвозд j'T воды j ) (\2)
Здесь приняты следующие обозначения:
Т P о Л i Л - температура, давление, плотность и энтальпия воздуха в помещении
возд j возд j ^возд j возд j
соответственно;
Т „ , P „ , о л, i , - температура, давление, плотность и энтальпия воздуха в
возд j + \ возд j + \ возд j + 1 возд j + 1
соседнем справа помещении соответственно;
i , i , i , Т , p , P , - входная, выходная и средняя энтальпия, средняя
вх j вых j воды j воды j воды j воды j
температура, плотность и давление воды (теплоносителя) в отопительном приборе;
G . Q . - расход воздуха и тепловой поток, уходящие в соседнее справа помещение (учитывая возд j ^инф j
условную направленность потоков);
G , , Q , , - расход воздуха и тепловой поток, приходящие из соседнего слева помещения
возд j ^инф j
(учитывая условную направленность потоков);
Q . - потери теплоты через ограждающие конструкции;
Q - теплопередача в соседнее справа помещение; ^ тп j
- количество теплоты, выделяемое отопительным прибором.
^ ОП j
В данной системе уравнений:
- (1), (5) - это закон сохранения энергии для теплоносителя и воздуха в помещении;
- (4) -закон сохранения вещества;
- остальные уравнения являются вспомогательными и позволяют раскрыть содержание тех или иных величин, входящих в основные уравнения.
Каждое уравнение системы необходимо дополнить рядом характерных конструктивных параметров. Таким образом, уравнение 1 включает в себя объем теплоносителя в отопительном приборе Von j, 4,5-объем воздуха в помещении Vвозд j, 8 - площадь проходного сечения канала (щели в стене) f коэффициент гидравлического сопротивления £, 9 - площадь стены FonieH, коэффициент теплопередачи стены кстен, 10 - площадь ограждающих конструкций (окна, наружные стены) Еогрк,, приведенное сопротивление теплопередаче R, 11 - площадь поверхности отопительного прибора Fon, коэффициент теплопередачи металла отопительного прибора кмет-возд
С целью повышения теплозащиты зданий разработано энергосберегающее окно с теплоотражающими экранами [1, С.5-7], имеющее высокое сопротивление теплопередаче. Математическая модель, описывающая процесс теплопередачи через центральную часть стеклопакета с металлическими экранами [2, C.22] включена общую модель помещения.
На рис. 3 представлен фрагмент модели, отражающий схему взаимодействия переменных на трёх сопряжённых участках объекта. Каждый элемент (ячейка) представлен двумя векторами входных переменных (X и 2), а также двумя векторами выходных переменных (У и V).
Рис. 3 - Пример схемы взаимосвязи моделей ячеек (макромодулей) распределённого объекта
Необходимость такого разделения переменных объясняется характером влияния их на смежные участки. Первым двум векторам соответствуют прямые связи, вторым - обратные.
Объединение таких макромодулей (рис.3) дает возможность создавать сложные многомерные модели с большим количеством зон с присущими им управляемыми параметрами.
Таким образом, предложена математическая модель обогреваемого помещения как совокупность универсальных макромодулей, учитывающая взаимовлияние параметров каждого из них.
Модель теплоснабжения здания состоит из модели теплогенерирующего оборудования (котла) и модели обогреваемого помещения. Универсальность модели состоит в том, что параметры здания могут быть настроены для конкретного объекта.
Можно записать обобщенную математическую модель котла
\1 = ^ (о,г Тра^л ) (1)
V ' вх' вых'н'' 1 7
р = ^(Т,Р) (2)
Т = ^Ь) (3)
Тм = ) (4)
• 01 = рТг>Тм>РЛ (5)
02 = РТТм'Рвн) (6) , т = ^(о , I,р , а,о ,/)(7)
г \ г г гг тв " 7
0 = ^(В, 0н ,0 ,1 1 (8) ^тв I ^р в в у 7
Здесь приняты следующие обозначения:
i , i , i, T, p , P - входная, выходная и средняя энтальпия, средняя температура, плотность и давление вх вых г
воды (теплоносителя) в котле;
См, Тм - теплоемкость и температура металла;
Рвн, Рн - внутренняя и наружная поверхности теплообмена;
Qi. теплота, отданная дымовыми газами металлу труб, Qi = Q^)+ Qi(K) для поверхностей нагрева со смешанным теплообменом;
Q2 - теплота, полученная теплоносителем от металла труб;
Ог, Тг, i, рг - расход, температура, энтальпия и плотность дымовых газов;
Qme - тепловыделение в камере сгорания, Дж/с;
В, Q"p - расход природного газа, низшая теплота сгорания природного газа;
G& ie - расход и энтальпия воздуха в топке.
В данной системе уравнений:
- (1), (4), (7) - это закон сохранения энергии для обогреваемого теплоносителя, металла поверхности нагрева и греющего теплоносителя (дымовых газов);
- остальные уравнения являются вспомогательными и позволяют раскрыть содержание тех или иных величин, входящих в основные уравнения.
Каждое уравнение системы необходимо дополнить рядом характерных конструктивных параметров. Таким образом, уравнение 1 включает в себя объем теплоносителя в котле V, 4 - массу металла поверхности нагрева Мм, 5 — коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к металлу поверхности нагрева а/, степень черноты топки ат, постоянную Больцмана а0; 6 - коэффициент теплоотдачи при течении воды в прямых гладких трубах а2; 7 -объем дымовых газов Уг.
Принимая во внимание последние инновации в области регулирования теплового режима здания с учётом быстрых и медленных тепловых потерь через наружные ограждающие конструкции, авторами была разработана
автоматизированная система регулирования теплоснабжения зданий с применением теплоотражающих экранов (рис. 4), которая поддерживает оптимальную (заданную или рассчитываемую) температуру в жилых или производственных помещениях [3, С.9].
9
г
зд
ен.еоздл
8 1 \/ 3 \/
/\ —* /\
Рис. 4 - Автоматизированная система регулирования теплоснабжения зданий с применением теплоотражающих экранов: 1 - регуляторы температуры воздуха в помещениях; 2 - регулирующие клапаны отопительных приборов; 3 -регулятор расхода топлива на котел; 4 - регулирующий орган подачи топлива на котел; 5 - объект управления; 6 -датчики температуры воздуха в помещениях; 7 - датчики влажности в помещениях; 8 - блоки расчета температуры воздуха дежурного отопления или блоки задатчиков; 9 - датчики наружной освещенности, расположенные пофасадно; 10 - регуляторы положения теплоотражающих экранов; 11 - электроприводы теплоотражающих экранов
В результате использования разработанной системы автоматизации теплоотражающие экраны в оконном блоке опускаются в темное время суток и во время отсутствия людей по заданному графику или по сигналу от датчика наружной освещенности в зависимости от выбранного алгоритма управления. В результате уменьшаются тепловые потери. Разработанная система позволяет поддерживать различную температуру воздуха во всех помещениях здания за счет регулирования расхода теплоносителя в отопительный прибор. Изменение же расхода топлива в котел влияет на изменение температуры воздуха во всех помещениях. Расход топлива соответствует максимально заданной температуре воздуха в здании.
Система регулирования для промышленных зданий дополнительно реализует дежурный режим отопления, при котором задаваемая температура воздуха внутри помещения рассчитывается по формуле:
Т • (У • — ^
с = р вн окна н + Мзап,
о п а зап >
( • г\ — 1
^вн окна
где
А*
Яок,
- температура точки росы при параметрах воздуха в рабочее время, С; температурный запас по недопущению конденсации (принимаем в 1 0С); ■ приведенное сопротивление теплопередаче светопрозрачной зоны окна, м20С /Вт;
- коэффициент теплоотдачи от внутреннего воздуха к стеклу, принимаем 8,7 Вт /м ' С.
Снижение тепловых трансмиссионных потерь за счет применения предложенных технологий позволяет значительно повысить энергетическую эффективность работы систем по поддержанию динамического микроклимата и на 30-40 % понизить годовые затраты теплоты и холода, что являются весьма актуальным для объектов ЖКХ, общественно-административных и производственных зданий.
Список литературы / References
1. Бомон C. Разработка и испытание автоматизированных окон с теплоотражающими экранами, отвечающих Российским и Европейским требованиям в области энергосбережения / С. Бомон, Э. Хольтсвейлер, В.М. Захаров и др. // Вестник ИГЭУ. - 2013. - № 5. - С. 13-24.
2. Захаров В.М. Разработка, программная реализация и проверка адекватности математической модели процесса теплопередачи через окно с теплоотражающими экранами / В.М. Захаров, Е.Г. Авдюнин, Н.Н. Смирнов и др.// Вестник ИГЭУ— 2016.— №3. - С.13 - 26.
3. Захаров В.М. Энергосберегающий потенциал от использования теплоотражающих экранов с солнечными батареями в окнах для систем энергоснабжения зданий/ В.М. Захаров , В.В. Тютиков , Н.Н. Смирнов и др.// Вестник ИГЭУ— 2015.— №2. - С.5 - 14.
2
4
г
Список литературы на английском языке / References in English
1. Beaumont C. Razrabotka i ispytanie avtomatizirovannykh okon s teplootrazhayushchimi ekranami, otvechayushchikh Rossiyskim i Evropeyskim trebovaniyam v oblasti energosberezheniya [Designing and testing of automated windows with heat-reflective shields meeting the Russian and European requirements in the field of energy saving] / C. Beaumont., E. Holtzweiler, V.M. Zakharov, N.N. Smirnov, A.A. Yablokov, D.A. Lapateev // Vestnik IGEU [Bulletin of the Ivanovo State Power Engineering University] - 2013. - № 5. - С. 13-24. [in Russian]
2. Zakharov V.M. Razrabotka, programmnaya realizatsiya i proverka adekvatnosti matematicheskoy modeli protsessa teploperedachi cherez okno s teplootrazhayushchimi ekranami [Development, software implementation and verification of mathematical model of heat transfer through a window with heat-reflecting screens] / V.M. Zakharov, E.G. Avdyunin, N.N. Smirnov and others // Vestnik IGEU [Bulletin of the Ivanovo State Power Engineering University] — 2016.— №3. - P.13 -26. [in Russian]
3. Zakharov V.M. Energosberegayushchiy potentsial ot ispol'zovaniya teplootrazhayushchikh ekranov s solnechnymi batareyami v oknakh dlya sistem energosnabzheniya zdaniy [Energy-saving potential of using heat-reflective screens with solar batteries in windows for power supply systems of buildings] / V.M. Zakharov, V.V. Tyutikov, N.N. Smirnov and others // Vestnik IGEU [Bulletin of the Ivanovo State Power Engineering University] — 2015. — №2. - P.5 - 14. [in Russian]
