Возможности повышения эффективности процесса отопления зданий в автоматизированных ИТП Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

АСУ, ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ

УДК 681.51:664.1(04)

ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЙ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИТП

А.Н. ПОТАПЕНКО, Е.А. ПОТАПЕНКО

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Рассмотрены особенности автоматизации индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) с целью внедрения современных энергоэффективных технологий для центральных систем отопления зданий. В представленном техническом решении не используются независимые подсистемы авторегулирования температур для каждого фасада здания, что существенно снижает затраты на систему автоматизации ИТП в сравнении с пофасадным авторегулированием, но при этом учтено внешнее воздействие окружающей среды на различные фасады здания.

Как показала практика, значительная доля коммунальных расходов в учебных заведениях приходится на тепловую энергию, причем существующие системы теплоснабжения характеризуются низкой эффективностью и высокой изношенностью. В связи с этим одно из основных направлений решения проблем энергосбережения в существующих системах теплоснабжения зданий связано с реконструкцией водоструйных элеваторных узлов, модернизацией систем горячего водоснабжения (ГВС), приточно-вентиляционных установок (ПВУ) и других инженерных систем зданий с созданием локальных систем автоматического регулирования (САР) и учета тепловой энергии на базе современного энергосберегающего оборудования [1]. В условиях рынка и роста стоимости теплоносителя актуальной задачей является создание современных систем диспетчерского управления для организаций и учреждений бюджетной сферы с целью повышения эффективности управления распределенными энергосистемами зданий и снижения расходов на тепловую энергию.

Основная часть проводимых энергосберегающих мероприятий в БГТУ им. В.Г. Шухова, связанная с созданием демонстрационной зоны и применением современных энергоэффективных технологий на основе автоматизации распределенных энергосистем зданий, заключалась в следующем [2].

Первый этап был связан с оценкой и учетом фактического теплопотребления зданий. При этом был определен высокий процент изношенности инженерных систем зданий. В учебных корпусах вуза из 27 калориферов ПВУ и кондиционеров только 3 находились в рабочем состоянии, остальные в основном были разморожены, имели многочисленные сквозные

© А.Н. Потапенко, Е.А. Потапенко Проблемы энергетики, 2005, № 5-6

повреждения от коррозии и были забиты различными отложениями солей. При анализе соотношений между статьями расходов на энергоресурсы было установлено, что более 56% приходится на тепловую энергию, причем баланс потребляемого тепла следующий: 60% - отопление, 33% - горячее водоснабжение и 7% - остальные системы централизованного теплоснабжения. Следует отметить, что приведенные соотношения сложились в результате выхода из строя около 90% калориферов ПВУ и кондиционеров на момент энергетического обследования зданий. Например, максимальная тепловая нагрузка лабораторного корпуса вуза за счет этого уменьшилась в 3,6 раза с учетом того, что исходная составляла 1,958 Гкал/ч.

Второй этап заключался в автоматизации централизованных систем теплоснабжения зданий вуза с созданием автоматизированных индивидуальных тепловых пунктов (ИТП), ПВУ, тепловых завес и других инженерных систем зданий на основе современных энергоэффективных технологий.

Третий этап был связан с созданием автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) комплексом зданий БГТУ им. В.Г. Шухова для повышения эффективности управления распределенными энергосистемами зданий [3].

Заключительный этап начался со второй половины 2004 г. с монтажа первой блочной котельной установки ТКУ-1,2 с двумя котлами типа «Вулкан» для 3 зданий вуза, имеющих минимальные перепады давления на вводах в ИТП. Всего по плану предусмотрено строительство 4 блочных котельных установок. Необходимость перехода на децентрализованное теплоснабжение вызвана тем, что здания вуза - это концевые потребители тепловой энергии с протяженностью тепловых сетей вуза более 5 км (в однотрубном исполнении), находящиеся в пределах 11 км от городской котельной.

Следует отметить, что автоматизированные ИТП, ПВУ, тепловые завесы и другие инженерные системы зданий - нижний уровень АСДУ, обеспечивающий основную часть энергосбережения, создавались на втором этапе. Особенность этого этапа заключалась в том, что при реконструкциях значительного количества водоструйных элеваторных узлов и других инженерных систем здания, с одной стороны, и при ограниченных финансовых возможностях, с другой стороны, требовался тщательный подход к выбору применяемых технических решений на базе современного энергосберегающего оборудования, поэтому за основу были выбраны следующие:

1. Автоматизированные ИТП на базе САР и учета тепловой энергии, содержащие теплосчетчик, локальный контроллер, погружной датчик температуры теплоносителя, датчики температуры наружного и внутреннего воздуха, расположенные соответственно на северном фасаде здания и в помещении этого фасада, подключенные к входам локального контроллера, при этом на трубопроводах в ИТП установлены регулирующий клапан, связанный с наружными тепловыми сетями, узел, регулирующий температуру (УРТ) в системе отопления (теплообменник или перемычка с обратным клапаном в зависимости от схемы присоединения к внешним тепловым сетям), погружной датчик температуры теплоносителя на подающем трубопроводе, циркуляционный насос, причем исполнительный механизм регулирующего клапана и электропривод циркуляционного насоса подключены к выходам локального контроллера.

2. Автоматизированные ИТП с использованием термостатов на отопительных приборах.

3. Пофасадное авторегулирование на базе САР для каждого из 2-х фасадов здания (северного и южного) с общим теплосчетчиком на вводе в ИТП.

Схема и особенности пофасадного авторегулирования протяженных в плане зданий приведены в работе [4]. Опыт эксплуатации такой системы показал, что при наружной температуре в пределах - 5 - 7 °С система отопления южного фасада при дополнительном обогреве солнечным излучением выключается полностью не только в период освещения этого фасада солнцем, но, как минимум, на такое же время и после - за счет отдачи тепла, аккумулированного предметами внутри помещений и внутренними ограждениями здания [5]. В каждой из двух независимых подсистем для авторегулирования температур системы отопления, с учетом протяженного в плане здания, применяется программное управление графиком изменения температуры теплоносителя в системе отопления каждого фасада в зависимости от наружной температуры и с коррекцией этого графика при отклонении внутренней температуры помещений от заданной. Однако такое техническое решение [4] невозможно применять для зданий типа «башня» и других типов с относительно сложной планировкой, например в виде О-образного в плане здания с 4 внешними и 4 внутренними фасадами. Для этих зданий применение пофасадного авторегулирования приведет к многократному увеличению затрат на приборы и оборудование, так как на каждый фасад здания необходимо устанавливать независимые подсистемы для авторегулирования температур в целом для системы отопления здания, т.е. 8 подсистем, причем каждая из них включает контроллеры, датчики, регулирующие клапаны, циркуляционные насосы и др. При этом стоимость системы авторегулирования может приблизиться или даже превысить стоимость автоматизированного ИТП с учетом использования термостатов на отопительных приборах. При таких условиях предпочтение будет отдаваться системам автоматизации отопления с термостатами на отопительных приборах как в работе [6], так как эти системы обеспечивают возможность создания оптимальной температуры в каждом помещении здания, в отличие от пофасадного авторегулирования.

Использование автоматизированных ИТП с термостатами на отопительных приборах связано со значительными затратами (порядка 650 руб./м2 от общей площади помещений) и, как правило, при этом требуется установка перемычек на отопительных приборах. При пофасадном авторегулировании температурного режима зданий требуются существенно меньшие затраты (около 90 руб./м2) [7]. Однако это решение не всегда может быть применено, поскольку имеются особенности относительно расположения здания на местности, и система отопления должна быть разделена по фасадам. В связи с этим для комплекса зданий БГТУ им. В.Г. Шухова при реконструкциях водоструйных элеваторных узлов за основу были приняты автоматизированные ИТП и к концу 2004 г. в состав АСДУ вошли 20 автоматизированных ИТП и 5 ПВУ. При этом не решена была задача пофасадного авторегулирования для О-образных учебных корпусов.

На этапе внедрения современных технологий автоматизации при реконструкциях систем централизованного теплоснабжения необходимо учитывать особенности распределенных объектов управления. Для этого необходимо определять динамические характеристики этих объектов. На рис. 1 представлена схема для исследования системы отопления (СО) с зависимым присоединением к внешним тепловым сетям, т.е. УРТ в СО - это перемычка с обратным клапаном КО1, при этом обозначения следующие: М1 и К1 -исполнительный механизм с регулирующим клапаном; М2 и Н - электропривод с

циркуляционным насосом; впт и Тпт - расход и температура теплоносителя из подающего трубопровода; Ссо и Тсо - расход и температура теплоносителя СО здания; вок и То - расход и температура обратного трубопровода на участке смешивания; - расход по г-ой ветви; Т0г - температура г-ой обратной ветви

СО.

Рис. 1. Схема системы отопления с зависимым теплоснабжением

При решениях задач нестационарной теплопроводности необходимо найти зависимость изменения температуры и количества переданной теплоты во времени для любой точки исследуемого объекта. Такие зависимости могут быть получены путем решения дифференциального уравнения теплопроводности, которое в цилиндрической системе координат и с учетом вынужденной конвекции имеет вид, например, как в [7]:

соРо

дТ

dt

дТ

АТ- — = Vr— + V — + ,

дг z dz r дф

Ф дТ

(1)

где А - оператор Лапласа в цилиндрической системе координат; Т - температура теплоносителя, °С; ^ - время, с; X 0 - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С); С0 и р 0 - соответственно теплоемкость и плотность теплоносителя, Дж/(кг-°С) и кг/м3; г, г и ф - координаты в цилиндрической системе; Уг, Уг, Vф - проекции

вектора скорости теплоносителя, м/с.

Анализ уравнения (1) с учетом начальных и граничных условий для исследования переходных процессов в системе отопления с учетом отопительных приборов показал, что необходимо знать коэффициенты теплоотдачи а г, входящие в граничные условия. Однако в отличие от X0 коэффициенты теплоотдачи аг не являются теплофизическими параметрами контактирующих сред, в связи с этим их значения в справочной литературе отсутствуют и поэтому их необходимо определять экспериментальным путем.

Для распределенных объектов в виде системы отопления здания уравнение (1) удобнее представлять в одномерной постановке с учетом градиента температур и скорости теплоносителя в трубопроводах только вдоль одной координаты, в связи с относительно большой длиной трубопроводов и их малым диаметром. В этом случае уравнение (1) примет вид

X0 д2T дТ жг дТ

2 Я, = Vz ЦТ • (2)

С0Р0 дт д дТ

Уравнение (2) позволяет исследовать главные особенности поведения распределенного объекта управления. Однако в одномерной постановке это уравнение лучше свести к неоднородному обыкновенному дифференциальному уравнению, а параметры системы определять из эксперимента.

Для анализа динамических процессов в системе отопления зданий были проведены экспериментальные исследования на базе учебных корпусов БГТУ им.

В.Г. Шухова. На рис. 2 приведены типовые переходные характеристики для СО учебного корпуса с 5 ветвями на подающем и обратном трубопроводах. Зависимости Tco (t), To (t) (рис. 2, а) и Toi (t) (рис. 2, б) получены путем

скачкообразного изменения расхода Спт на входе УРТ системы отопления. При

изменении расхода G4 (t) в 4-й ветви получены зависимости Toi (t) (рис. 2, в).

Рис.2. Экспериментальные характеристики: 1...5 - ветви СО: а) Gni=var; б) Gi = const, Tco=var; в) G4 = var, Tco=const

Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что возможно изменять величины теплопотреблений по фасадам здания и обеспечивать стабилизацию температуры по его помещениям. Для этого необходимо учитывать внешние воздействия на различные фасады здания и управлять расходом теплоносителя по ветвям системы отопления. Важно отметить, что при этом не требуется применения независимых подсистем для авторегулирования температур в г-ых ветвях системы отопления, как при пофасадном регулировании. В этом случае на основе автоматизированного ИТП и с учетом установки на ветвях системы отопления дополнительных регулирующих клапанов имеется возможность компенсировать воздействия окружающей среды на фасады здания, например: в виде солнечного излучения, обеспечивающего дополнительный нагрев помещений; воздушного потока, охлаждающего некоторый фасад здания и др. Анализ данных (рис. 2, в) показывает, что изменение расхода в г-ой ветви в заданных пределах, для регулирования температуры этой ветви, в тоже время приводит к незначительному изменению температур в других ветвях, которое можно компенсировать при регулировании Тсо в ИТП. В количественном выражении, например, изменение Ог более чем на 50% приводит к изменению То менее чем на 5%. Такое незначительное влияние на величину То при изменении Ог обусловлено смешиванием теплоносителей из разных ветвей и усреднением температуры в обратном трубопроводе. Таким образом, регулируя соотношения расходов по ветвям СО возможно управлять теплопотреблением без применения независимых подсистем авторегулирования температур для каждого фасада.

На рис. 3 приведена схема здания О-образного типа, в котором имеется 4 внешних и 4 внутренних фасада, со схемой разводки подающих ветвей системы отопления здания от В1 до В8, связанных с гидравлическим распределителем ГР1 (под ними проходят ветви обратных трубопроводов от Т1 до Т8, связанные с ГР2,

но на рисунке они не показаны), причем сплошной линией (_______) показаны ветви

на каждом фасаде, к которым присоединены стояки с отопительными приборами, а пунктирной линией (___)- трубопроводы, соединяющие эти ветви с гидравлическим распределителем в ИТП.

Ф2 В2

Ф4 В4

Рис.3. Схема О-образного в плане здания © Проблемы энергетики, 2005, № 5-6

На рис. 4 приведена функциональная схема САР отопления здания О-образного типа, включающая элементы автоматизации ИТП и дополнительной подсистемы, позволяющей учитывать воздействия окружающей среды на фасады здания: 1 и 2 - подающий и обратный трубопроводы, связанные с наружными тепловыми сетями, 3 - теплосчетчик, 4 - регулятор давления с клапаном 5 на обратном трубопроводе, 6 - регулирующий клапан, 7 -исполнительный механизм, 8 - обратный клапан, 9 - погружной датчик температуры теплоносителя, 10 -циркуляционный насос, 11 - электропривод, 12 - локальный контроллер. Автоматизированный ИТП на базе САР и учета тепловой энергии содержит локальный контроллер 12, к входу которого подключены: 9 - погружной датчик температуры теплоносителя (Вх1), 13 - датчик температуры наружного воздуха (Вх2), расположенный на северном фасаде здания (рис. 3, фасад Ф1), 14 - датчик внутреннего воздуха (Вх3), расположенный в помещении этого фасада. К выходам локального контроллера 12 подключены, соответственно, 7 - исполнительный механизм (Вд1) и 11 - электропривод (Вд2). Кроме того, САР содержит 15 и 16 -гидравлические распределители (ГР1 и ГР2) с ветвями системы отопления с 17 до 24 - подающие ветви и с 25 до 32 — обратные ветви.

33

33

33

!\

ВхЗ

т

Вд1

с

13

Вх2

Вх1

12

<=>

т

Вд2

36 41 42 44

ЕШ , ~Ш6 В*7 ... Вх9

45

У1

"йгвд‘ 4 у 26 Т2

&^ВД2 у 27 ГЗ

&;ОгВд3 у 28 Т4

Я У 29 Т5

у 30 Тб

/ 31 Т7

^Орвдб у 32 Т8 «

Вд]

Вдб

Рис.4. Функциональная схема САР отопления здания с учетом климатических факторов

На обратных ветвях от 26 до 30 и на 32, охватывающих фасады здания, за исключением северных (рис. 3, фасад Ф1 и Ф7), установлены дополнительные регулирующие клапаны 34 с исполнительными механизмами 35. В помещениях фасадов здания, за исключением северных, охваченных ветвями с дополнительными регулирующими клапанами 34, расположены дополнительные датчики температуры внутреннего воздуха с 36 по 41. На внешних фасадах здания Ф2 - Ф3 установлены датчики наружного воздуха с 42 по 44. Дополнительная

подсистема автоматизации СО содержит контроллер 45, к входам которого подключены дополнительные датчики температуры внутреннего воздуха от 36 до 41 (Вх1- Вх6) и датчики температуры наружного воздуха от 42 до 44 (Вх7- Вх9). Исполнительные механизмы 35 подключены к выходам контроллера 45 (Вд1-Вд6). Кроме того, цифровой коммуникационный порт локального контроллера 12 связан со вторым цифровым коммуникационным портом контроллера 45. Следует отметить, что дополнительные датчики температуры могут быть подключены не только к соответствующим входам контроллера 45, но и через адаптер связи могут быть подключены к первому цифровому коммуникационному порту (У1) контроллера 45 с поддержкой шинного интерфейса MicroLAN, например, в случае применения датчиков температуры с цифровым выходом типа DS1820 [9].

Локальный контроллер 12 выполняет функции регулирования температуры теплоносителя в автоматизированном ИТП по известному алгоритму, например как в [4]. В дополнительной подсистеме автоматизации СО контроллер 45 позволяет изменять программные задания локальному контроллеру 12 с учетом климатических факторов и получать от него информацию за счет связи цифровых коммуникационных портов. Выбор ветви системы отопления для регулирования расхода теплоносителя зависит от климатических факторов, а именно: от температуры наружного воздуха,

интенсивности солнечного излучения, направления и скорости ветра, а также других внешних воздействий и осуществляется контроллером 45 на основе данных, полученных от дополнительных датчиков температуры наружного и внутреннего воздуха и с учетом информации от локального контроллера 12.

С помощью контроллера 45 по программе управления выполняются следующие основные операции. Во-первых, сравниваются данные Тнс от датчика температуры наружного воздуха, расположенного на северном фасаде здания, с данными Тнк дополнительных датчиков температуры наружного воздуха с других фасадов здания, затем определяется температура Тнх , меньшая чем Тнс , т.е. выявляется фасад здания, например Фкх, имеющий самую низкую

температуру вследствие дополнительного охлаждения фасада здания под действием внешних возмущений, например ветрового воздействия. Во-вторых, контроллером 45, на основе полученных результатов, выдается команда локальному контроллеру 12 о переходе его на алгоритм управления с учетом температуры наружного воздуха Тнх , соответствующей самому холодному фасаду здания. Это позволяет скорректировать авторегулирование температуры теплоносителя в системе отопления по самому холодному фасаду, т.е. с учетом внешних возмущающих воздействий на здание. В-третьих, сравниваются данные Твс1 от датчика температуры внутреннего воздуха в помещении со стороны северного фасада здания с данными Твк дополнительных датчиков температуры воздуха, расположенных в других помещениях здания, определяются величины максимального отклонения внутренних температур от температуры воздуха Твс1, и затем выявляются фасады здания Фк1 и Фк2, например южные фасады О-образного здания (Ф3 и Ф5, рис. 3), которые получают дополнительное тепло за счет их обогрева солнечным излучением. В-четвертых, контроллером 45 вырабатывается управляющая команда исполнительным механизмам, воздействующим на дополнительные регулирующие клапаны, для изменения

расходов теплоносителя в выбранных ветвях системы отопления, охватывающих фасады здания, в которых получено дополнительное тепло за счет солнечного излучения. В дальнейшем, при изменении положения солнца относительно здания выявляются другие фасады здания Фкз и Фк4, например западные фасады О-образного здания (Ф4 и Ф6, рис. 3), которые дополнительно обогреваются солнечным излучением. Затем снова вырабатывается контроллером 45 управляющая команда исполнительным механизмам, воздействующим на дополнительные регулирующие клапаны, для изменения расходов теплоносителя в других выбранных ветвях системы отопления и т.д., как представлено в [10].

Таким образом, предлагаемое решение направлено на повышение эффективности системы отопления зданий на базе автоматизированных ИТП путем введения дополнительной подсистемы регулирования с целью учета внешнего воздействия окружающей среды на различные фасады здания. В представленном техническом решении не используются независимые подсистемы авторегулирования температур для каждого фасада, что существенно снижает затраты на систему автоматизации в целом для зданий, в которых нецелесообразно применять, так называемое, пофасадное авторегулирование.

Summary

The article deals with the features of automating the individual heating units (IHU) with a purpose of employing modern energy-efficient technologies for the central systems of heating for the buildings. The presented technical solution does not use independent subsystems of automatic regulation of temperatures for every facade of the building, which significantly reduces the cost of the automation system for the IHU comparing to the every-fagade autoregulation, but still the effect of the outer environment for every facade is taken into account.

Литература

1. Балыхин Г.А. Сергеев С.К. Энергосбережение в системе Министерства образования РФ. Итоги и перспективы// Энергоэффективность: Опыт, проблемы, решения. - 2003. - №3. - С. 54-57.

2. Опыт внедрения современных энергоэффективных технологий на основе автоматизации распределенных энергосистем зданий вуза/ А.М. Гридчин, А.Н. Потапенко, В.С. Лесовик, А.В. Белоусов Е.А. Потапенко // Строительные материалы. Приложение «Строительные материалы: бизнес». № 4.- М.- 2005.-№2.- С. 2-5.

3. Потапенко А.Н., Белоусов А.В., Потапенко Е.А. Вопросы эффективности и особенности развития АСДУ распределенными энергосистемами зданий образовательного назначения// «Энергоэффективность: Опыт, проблемы, решения».- Вып. 3.- 2003.- С. 58-67.

4. Ливчак В.И. Энергосбережение в системах централизованного теплоснабжения на новом этапе развития// Энергосбережение.- 2000.- №2.- С. 4-9.

5. Ливчак В.И. Энергосбережение при строительстве и реконструкции жилых зданий в России // Энергосбережение. 2001.- №5.- С. 26-29.

6. Грановский В.Л. Прижижецкий С.И. Система отопления жилых зданий

массового строительства и реконструкции с комплексным автоматизированием теплопотребления// Вентиляция, отопление,

кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика (АВОК), 2002.- №5.- С. 66-69.

7. Ливчак В.И. За оптимальное сочетание автоматизации регулирования подачи и учета тепла// Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика (АВОК).- 1998. -№4.-С. 44-52.

8. Немцев З.Ф., Арсеньев Г.В. Теплоэнергетические установки и теплоснабжение. - М.:Энергоиздат, 1982.- С.402.

9. Потапенко Е.А., Воробьев Н.Д., Потапенко А.Н. Мониторинг систем отопления в составе автоматизированной системы диспетчерского управления// «Известия ВУЗов. Проблемы энергетики».- 2003.-№5-6.- С.120-123.

10. Пат. 2247422 Ии, МПК7 О 05 D 23/19. Система автоматического регулирования отопления здания с учетом климатических факторов/ А.Н. Потапенко, А.В. Белоусов, Е.А. Потапенко, С.В. Костриков.- Белгор. гос. технол. университет им. В.Г. Шухова. Заявл. 13.05.04; опубл. 27.02.05; приоритет 14.05.04.

Поступила 27.04.2005