Рис. 1. Структурная схема системы управления
Рис. 2. Аппроксимация экспериментальных данных
Рис. 3. Изменение температуры теплоносителя
Рис. 4. Изменение расхода теплоносителя
Рис. 5. Структура адаптивной системы управления
Следует признать, что подлинное решение проблемы энергосбережения в жилищно-коммунальной сфере заключается в разработке и внедрении высококачественных систем автоматического управления отоплением и теплоснабжением зданий в целом. Объясняется это тем, что автоматическое управление позволяет экономить теплоту за счет учета (обычно опосредованного) тех факторов, учет которых проектно-расчетными методами либо невозможен, либо достаточно проблематичен: влияние солнечной радиации; тепловыделений от оборудования и людей; избыточной мощности системы отопления при данной температуре наружного воздуха; оперативного учета колебаний температуры наружного воздуха, скорости и направления ветра и других возмущений со стороны наружной среды; хаотичности режима работы систем вентиляции и т.п.
Одним из наиболее эффективных способов решения данной проблемы является построение адаптивных систем управления тепловым режимом зданий, программное обеспечение которых учитывает как реальные теплозащитные свойства зданий, так и действительные теплотехнические характеристики их отопительных установок (рис. 1).
Наиболее разумным принципом управления тепловым режимом зданий является комбинированный принцип, когда в структуру системы управления вводится канал компенсации основного возмущения (температуры наружного воздуха) и одновременно при этом в системе используется сигнал обратной связи о температуре воздуха внутри так называемых «представительных помещений» (в представительных точках) здания [1] (рис. 1).
За счет обратной связи будут отрабатываться такие возмущения теплового режима, как теплопоступления от людей, от работающего оборудования, за счет солнечной радиации, увеличение потерь теплоты из-за ветра, а также и все погрешности реализации канала компенсации основного возмущения — температуры наружного воздуха, однако известно, что быстродействие контура обратной связи заметно ниже, чем канала компенсации [2 и др.].
Известно, что эффективность применения принципа компенсации во многом зависит от точности модели, отражающей влияние возмущения на выходную величину объекта управления, то есть от характеристик канала «температура наружного воздуха–регулируемая температура». Также хорошо известно, что эти характеристики заметно меняются, например, из-за старения здания и его системы отопления, при накоплении влаги в ограждающих конструкциях и т.п.
Поэтому вполне понятно, что для построения высококачественной системы управления необходимо своевременно отслеживать изменение этих характеристик, то есть решать задачу идентификации модели канала. Подчеркнем, что в настоящее время на практике применяются системы управления, осуществляющие только компенсацию основного возмущения — температуры наружного воздуха, это так называемые погодные регуляторы температуры (погодные компенсаторы).
Обратная связь по температуре внутреннего воздуха здесь не реализуется, во многом это обуславливается некоторыми проблемами, связанными с измерением данной величины [3, 4]. В связи с этим были предложены системы управления по температуре физической модели здания [3, 4], которая якобы позволяет получить информацию о температуре внутреннего воздуха простейшим способом [4].
При этом задание погодным регуляторам температуры теплоносителя, подаваемого на вход системы отопления, вычисляется либо по известной кривой Е. Я. Соколова, либо по указанной заказчиком кривой, в зависимости от температуры наружного воздуха, для измерения которой могут применяться и специальные инерционные датчики [3, 4]. Пользовательский интерфейс современных контроллеров позволяет корректировать кривую качественного регулирования, например, меняя ее коэффициент наклона (причем рассматриваемая кривая вообще-то достаточно близка к прямой) или за счет параллельного переноса, однако все это выполняется эвристическим способом, используя накопленный опыт эксплуатации (см., например, [5, 6 и др.]), никаких формализованных процедур, как правило, нет.
Представляя теплопотери здания уравнением Н. С. Ермолаева [7], а мощность системы отопления известной моделью [7], и используя уравнение теплового баланса, можно показать, что алгоритм компенсации основного возмущения температурного режима зданий (температуры наружного воздуха) будет иметь следующий вид:
где tco и Gco — температура и массовый расход воды на входе системы отопления, соответственно; (kF)co — параметр, подлежащий определению при идентификации модели системы отопления и представляющий собой произведение коэффициента теплопередачи k на площадь поверхности теплообмена F для всей системы отопления (всю систему представляем эквивалентным отопительным прибором); c — удельная теплоемкость теплоносителя; qВ — удельная тепловая характеристика здания; V — его объем.
Выбор tco в качестве управляемой переменной обусловлен тем, что алгоритм компенсации, представленный в таком виде, может быть применен как при наличии автономной системы теплоснабжения здания, так и при централизованном теплоснабжении. В последнем случае на индивидуальном тепловом пункте (ИТП) здания должен быть установлен регулируемый узел смешения, позволяющий добиваться требуемого значения tco, либо должна быть применена независимая схема подключения к тепловым сетям с соответствующей системой управления.
Поскольку у каждого отапливаемого здания проблемные параметры qВ и (kF)co имеют свои собственные значения и меняются они тоже только индивидуальным образом, то алгоритм может и должен быть реализован только на ИТП объекта управления, причем для его настройки на «реальный процесс» необходима разработка процедур оценки qВ и (kF)co по экспериментальным данным.
Авторами разработан и апробирован по экспериментальным данным алгоритм совместной оценки параметров (kF)co и qВ, при этом при разработке последнего алгоритма уравнение (1) представлялось в виде общеизвестного линейного соотношения y = a + bx, в котором использовались следующие обозначения:
Адаптивный и неадаптивный алгоритмы идентификации параметров такой зависимости достаточно хорошо известны специалистам и их реализации не вызывает каких-либо затруднений. После того, как значения a и b установлены, значения искомых параметров определяются по соотношениям
Качество аппроксимации экспериментальных данных для y и x из работы [8] зависимостью y = a + bx иллюстрируется рис. 2. Как видно, качество аппроксимации вполне удовлетворительное. Средняя квадратическая погрешность аппроксимации экспериментальных данных для y в данном случае равнялась 0,0225 отн. ед., а коэффициент корреляции Ryx, оценивающий тесноту линейной связи между y и x, составил Ryx = 0,727. Настроенное по экспериментальным данным указанным способом конкретное выражение алгоритма (1) для одного из пятиэтажных домов серии 1-464Д-105 (город Челябинск) имеет вид:
В данное выражение расход теплоносителя следует подставлять в [т/ч]. С помощью данного выражения вычислили, какой должна быть температура теплоносителя на входе системы отопления для того, чтобы температура воздуха внутри контрольных помещений при имевшем место в реальных условиях расходе Gco равнялась 21 °C. Графики рассчитанной кривой и той кривой, какая имела место в реальных условиях, приведены на рис. 3.
На рис. 3 кривая 1 указывает фактическую температуру теплоносителя на входе системы отопления, а кривая 2 — температуру теплоносителя, достаточную для выполнения условия tв.з = 21 °C при том его расходе, который имел место в реальных условиях. В реальных условиях температура внутреннего воздуха контрольных помещений данного здания (система отопления данного здания не автоматизирована) изменялась в диапазоне от 23 до 25 °C.
Из рис. 3 видно, что требуемая по условию tв.з = 21 °C температура tco заметно ниже фактической. На рис. 4 приведены график фактического расхода воды на систему отопления Gco (кривая 1) и график такого расхода теплоносителя (кривая 2), при котором при фактическом значении tco обеспечивается температура tв.з = 21 °C. Как видно из рис. 4, требуемый по условию tв.з = 21 °C расход воды Gco также заметно ниже фактического, следовательно, применение данного способа управления ТРЗ позволит существенно сократить расход теплоты на отопление.
Разработана также структурная схема адаптивной системы управления тепловым режимом зданий, реализующая комбинированный принцип управления с настройкой погодного компенсатора по эксплуатационным данным. Схема системы представлена на рис. 5. В блоке идентификации БИ определяются реальные числовые значения настраиваемых параметров погодного компенсатора, а в блоке компенсации БК по текущей температуре наружного воздуха tн и заданному значению температуры внутреннего воздуха tв.з формируется сигнал компенсации в соответствии с формулой (1) — вычисляется заданное значение температуры воды на входе системы отопления tco.з.
Данное значение отрабатывается регулятором tco, кроме того, задание этому регулятору корректируется также и регулятором температуры внутреннего воздуха, получающим сигнал обратной связи о фактическом значении tВ. На схеме, представленной на рис. 5, предусматривается регулируемый узел смешения. Регулятор tco управляет этим узлом так, чтобы фактическая температура воды на входе системы отопления равнялась заданному значению, вычисляемому БК.
Нетрудно видеть, все вышеизложенное пригодно и для независимой схемы присоединения систем отопления к тепловым сетям. В этом случае регулятор tco поддерживает на заданном БК уровне температуру воды на входе системы отопления, изменяя расход сетевой воды через первичный контур теплообменника узла присоединения. Итак, разработана процедура настройки алгоритма компенсации основного возмущения для температурного режима зданий (температуры наружного воздуха) на реальные теплотехнические характеристики зданий и их систем отопления.
Показана эффективность применения этого алгоритма для целей энергосбережения. Разработана структурная схема адаптивной системы управления, реализующей комбинированный принцип управления, и включающий, в частности, указанный алгоритм и процедуру его настройки на реальные теплотехнические характеристики зданий и их систем отопления.
