Оптимизация системы требует определения критериев оптимизации и моделирования режимов работы систем различного конструктивного исполнения в различных условиях работы.
Обоснование параметров комбинированной системы тепло- и холодоснабжения и их конструктивного исполнения может быть проведено при помощи детального многоуровневого математического моделирования, позволяющего осуществлять проектирование оптимальных конструкций систем различного назначения и соответствующих заданным техническим условиям.
Математическая модель теплоэнергетических параметров системы комбинированного солнечного тепло- и холодоснабжения является основой для построения алгоритма выбора оптимальных параметров энергоэффективной системы. Требования к построению такой модели и её функционированию должны обеспечивать обобщённое применение разрабатываемой математической модели для систем, применяющихся в различных зданиях и сооружениях, а так же разных климатических условиях [1-3].
Рассмотрим структурную схему комбинированной системы солнечного тепло- и холодоснабжения (рис. 1), включающую в себя скважину-теплообменник для отбора низкопотенциального тепла горных пород, солнечный коллектор, тепловой насос, тепловой аккумулятор, состоящий из корпуса с изоляцией, и соединённые между собой трубопроводы, образующие семь контуров циркуляции. Для более интенсивной циркуляции теплоносителя в трубопроводе перед скважиной установлен циркуляционный насос. Разделение на контуры в системе происходит путём переключения трёхходовых кранов [4].
Электронный блок управления при помощи датчиков температуры непрерывно измеряет температуру в баке аккумуляторе, скважине-теплообменнике и солнечном коллекторе и выполняет переключение кранов в зависимости от режима работы для создания необходимых контуров циркуляции.
Обоснование параметров комбинированной системы тепло- и холодоснабжения и их конструктивного исполнения может быть проведено при помощи детального многоуровневого математического моделирования, позволяющего осуществлять проектирование оптимальных конструкций систем различного назначения и соответствующих заданным техническим условиям
В зимний период, при низком поступлении солнечной радиации, при температуре теплоносителя в солнечном коллекторе ниже заданной температуры грунта, электронный блок управления переключает систему на второй циркуляционный контур, включающий скважину теплообменник, теплообменник источника и циркуляционный насос. Теплоноситель, нагретый низкопотенциальным теплом грунта в скважине, по трубопроводу поступает в тепловой аккумулятор. Отработанный теплоноситель по трубопроводу поступает обратно в скважину.
В летний период, при низком потреблении тепла, когда температурные датчики показывают температуру теплоносителя в солнечном коллекторе и баке аккумуляторе выше требуемой потребителем электронный блок управления переключает систему на третий циркуляционный контур, включающий скважину-теплообменник, солнечный коллектор и циркуляционный насос. Теплоноситель, нагретый низкопотенциальным теплом грунта в скважине, по трубопроводу поступает в солнечный коллектор, в котором догревается энергией солнца, после чего теплоноситель по трубопроводу возвращается обратно в скважину, где восстанавливает температурное поле вокруг скважины.
При нормальных условиях работы, когда температура в тепловом аккумуляторе соответствует требуемым параметрам, электронный блок управления переключает трубопровод на четвёртый циркуляционный контур, включающий теплообменник потребителя и трубопроводы. Теплоноситель, нагретый теплообменником в тепловом аккумуляторе, поступает к потребителю, а далее отработанный теплоноситель возвращается обратно в теплообменник.
При других условиях, когда температура в тепловом аккумуляторе ниже требуемых параметров, электронный блок управления переключает трубопровод на пятый циркуляционный контур, включающий теплообменник потребителя, тепловой насос и трубопроводы. Теплоноситель, нагретый теплообменником в тепловом аккумуляторе, поступает в тепловой насос, где догревается до требуемых параметров, а отработанный теплоноситель от потребителя возвращается обратно в теплообменник.
Для построения математической модели данной системы необходимо использовать методы системного анализа. Иерархическая структура математической модели включает в себя общую математическую модель и набор независимых или связанных друг с другом моделей и подмоделей, которые должны функционировать также совместно или независимо друг от друга [5].
Кроме того, подмодели различных иерархических уровней должны иметь способность адекватно описывать работу элементов системы без использования структуры более высоких иерархических уровней [2, 6].
Анализ математической модели, взаимодействия её подмоделей и модулей может быть проведён с помощью функциональной структуры данной математической модели.
Разработка такой структуры позволяет детализировать требования, предъявляемые к математической модели, установить взаимосвязи элементов модели, в случае необходимости легко варьировать составом моделей и модулей математической модели. Функциональная структура также позволяет создавать различные уровни математической модели для комбинированных систем тепло- и холодоснабжения.
С помощью функциональной структуры математической модели можно построить процедуру оптимизации системы, в том числе с учётом экономической эффективности.
Предлагаемая структура математической модели представлена на рис. 2.
Функциональная структура математической модели состоит из трёх основных блоков: блок входной информации; расчётный блок, включающий: базы данных с информационным обеспечением математической модели, комплекс расчёта математической модели статической системы, комплекс расчёта математической модели вычисления динамических поправок, расчётный комплекс математической модели для оценки эффективности системы; блок выходной информации.
Математическая модель теплоэнергетических процессов (теплоэнергетическая модель) в комбинированной системе солнечного тепло- и холодоснабжения представляет собой многоуровневую инвариантную систему, учитывающую большое количество протекающих в системе процессов и факторов, определяющих характер теплоэнергетического состояния рассматриваемой системы.
Результаты математического моделирования используются для разработки и программирования автоматического блока управления, алгоритм работы которого представлен на рис. 3.
При работе электронный блок управления получает сигнал от датчиков температуры, установленных на входах и выходах теплоносителя в баке-аккумуляторе, на входе и выходе скважины теплообменника, солнечного коллектора, а так же датчика температуры окружающей среды. После сбора данных производится анализ возможных аварийных ситуаций (перегрев теплоносителя в солнечном коллекторе, замерзание теплоносителя, выхолаживание системы и т.д.). Если режим работы системы штатный, производится определение необходимости нагрева бака-аккумулятора, если нагрев не требуется — производится определение
возможности произвести регенерацию температурного поля вокруг скважины-теплообменника. Если нагрев требуется, то производится определение режима работы. После чего электронный блок управления посылает сигнал на переключение трёхходовых кранов на выбранный режим работы.
Таким образом, комбинированная система солнечного тепло- и холодоснабжения потребителя автоматически подстраивается под параметры окружающей среды и потребности потребителя.
Выводы
При проектировании комбинированных систем солнечного тепло- и холодоснабжения важно найти оптимальные структурные параметры и схему функционирования, для чего необходима разработка математической модели, которая позволяет ответить на поставленные задачи.
