В нашей стране на теплоснабжение зданий расходуется более одной третьей всего добываемого топлива, причем основными при этом являются затраты на отопление. В связи с этим даже относительно небольшой успех в решении проблемы энергосбережения при отоплении зданий в силу масштабности энергозатрат приводит к ощутимым эффектам в абсолютном выражении. Известно, что наибольшая экономия тепловой энергии в системах теплоснабжения достигается за счет их автоматизации. Поэтому вопросов, связанные с автоматизацией систем отопления и их совершенствованием, — вполне актуальная проблема.
Установлено, что наиболее разумным принципом управления тепловым режимом зданий является комбинированный принцип, когда в структуру системы управления вводится канал компенсации основного возмущения — температуры наружного воздуха. Одновременно при этом в системе используется сигнал обратной связи о температуре воздуха внутри так называемых «представительных помещений» (в представительных точках) здания.
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, 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, причем лучше всего это делать с помощью адаптивного алгоритма, отличающегося достаточной оперативностью. Однако при этом следует иметь в виду, что нецелесообразно и даже нереально [2, с. 24 и др.], чтобы система управления мгновенно реагировала на изменение температуры наружного воздуха. По данным [2, с. 8] подача теплоты по текущей наружной температуре может приводить к большим амплитудам колебания температуры внутреннего воздуха. Как установлено [3 и др.], достаточно отслеживать изменение средней за сутки (или средней дневной и средней ночной) температуры наружного воздуха, следовательно, допустимо воспроизводить лишь статическую модель канала, что удовлетворительно может быть реализовано и с помощью неадаптивного алгоритма. Вместе с тем заметим, что за счет обратной связи в рассматриваемой системе управления будут отрабатываться такие возмущения теплового режима как: теплопоступления от людей и работающего оборудования, за счет солнечной радиации, увеличение потерь теплоты из-за ветра, а также все погрешности реализации канала компенсации основного возмущения — температуры наружного воздуха. Однако быстродействие контура обратной связи заметно ниже, чем канала компенсации [1 и др.].
Известно, что наибольшая экономия теплоэнергии в системах теплоснабжения достигается за счет их автоматизации
Компенсация основного возмущения — температуры наружного воздуха осуществляется с помощью так называемых погодных регуляторов температуры (погодных компенсаторов). Представляя теплопотери здания уравнением Н.С. Ермолаева, а мощность системы отопления хорошо известной в литературе моделью (система отопления здания представляется эквивалентным отопительным прибором), и, используя уравнение теплового баланса, можно показать, что погодные регуляторы должны работать по следующему соотношению:
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; с — удельная теплоемкость теплоносителя; qV — удельная тепловая характеристика здания; V — его объем; tв и tн — температура внутреннего и наружного воздуха, соответственно.
Здесь qV также является параметром, подлежащим определению по экспериментальным данным. Таким образом, для адаптации алгоритма (1) к реальным характеристикам зданий и их систем отопления необходима процедура оценки параметров (kF)co и qV по реальным эксплуатационным данным.
Заметим, что формула (1) может быть получена и из известных алгоритмов регулирования отопительной нагрузки [7], если в эти алгоритмы подставить некоторые соотношения для расчетного режима [4].
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 qV и (kF)со 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 qV и (kF)со по экспериментальным данным.
Установлено, что, если ввести следующие обозначения:
то алгоритм (1) будет представляться в виде общеизвестного линейного соотношения у = a + bx. Адаптивный и неадаптивный алгоритмы идентификации параметров такой зависимости достаточно хорошо известны специалистам и их реализации не вызывает каких-либо затруднений [5 и др.].
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 тоннах в час [т/ч]. Коэффициент корреляции Ryx составил в данном случае Ryx = 0,962, что указывает на высокую степень соответствия используемых теоретических представлений экспериментальным данным. Значимость коэффициента корреляции Ryx оценивалась с помощью критерия Стьюдента.
Используя данное выражение, 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. 1.
Заметим, что графики регулирования рассчитываются для (tв = 18 °С [6]. Из рис. 1 видно, что требуемая даже по условию tв = 21 °С температура tco заметно ниже фактической. Следовательно, при расчете применяемых на практике графиков регулирования допущена большая погрешность в определении теплозащитных свойств зданий и характеристик их систем отопления.
На рис. 2 приведены график фактического расхода воды на систему отопления Gco и кривая такого расхода теплоносителя, при котором при фактическом значении tco обеспечивается температура tв = 21 °С. Как видно из рис. 2, требуемый по условию tв = 21 °С расход воды Gco также заметно ниже фактического, следовательно, применение настроенного по реальным эксплуатационным данным алгоритма управления температурным режимом зданий (1) позволит существенно сократить расход теплоты на отопление.
Подставляя в (2) заданное значение температуры внутреннего воздуха tв и расчетное значение расхода теплоносителя, которое должно поддерживаться в системе отопления при ее эксплуатации, нетрудно получить график погодного регулирования — зависимость требуемого значения температуры теплоносителя на входе системы отопления tco от температуры наружного воздуха tн.
