РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕПЛООТРАЖАЮЩИХ ЭКРАНОВ В ОКНАХ

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.

В ходе 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.

Рис. 1 − Общая ячеистая структура 2D-объекта, где Ni,j – 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 a текущих значений теплофизических параметров процесса θ (расходов, температур, давлений и т.п.):

.

Для иллюстрации на рис. 2 показан физический пример задачи моделирования процессов тепломассообмена в замкнутом помещении, ограниченном стенами, допускающими естественный или искусственный обмен потоками воздуха G и теплоты Q.

Рис. 2 − Схема физической модели ячейки общей модели системы обогрева помещений

 

Внутренними теплофизическими параметрами являются давление P и температура воздуха T. 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:

Здесь приняты следующие обозначения:

  - температура, давление, плотность и энтальпия воздуха в помещении соответственно;

 - температура, давление, плотность и энтальпия воздуха в соседнем справа помещении соответственно;

 - входная, выходная и средняя энтальпия, средняя температура, плотность и давление воды (теплоносителя) в отопительном приборе;

- расход воздуха и тепловой поток, уходящие в соседнее справа помещение (учитывая условную направленность потоков);

- расход воздуха и тепловой поток, приходящие из соседнего слева помещения (учитывая условную направленность потоков);

 - потери теплоты через ограждающие конструкции;

 - теплопередача в соседнее справа помещение;

 - количество теплоты, выделяемое отопительным прибором.

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 V_{ОП j}, 4,5-объем воздуха в помещении V_{возд j}, 8 – площадь проходного сечения канала (щели в стене) f, коэффициент гидравлического сопротивления ξ, 9 – площадь стены F_стен, коэффициент теплопередачи стены k_стен, 10 – площадь ограждающих конструкций (окна, наружные стены) F_огр.к., приведенное сопротивление теплопередаче R, 11 – площадь поверхности отопительного прибора F_ОП, коэффициент теплопередачи металла отопительного прибора k_{мет-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 Z), а также двумя векторами выходных переменных (Y 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

Здесь приняты следующие обозначения:

 - входная, выходная и средняя энтальпия, средняя температура, плотность и давление воды (теплоносителя) в котле;

С_м, T_м  – теплоемкость и температура металла;

F_вн, F_н – внутренняя и наружная поверхности теплообмена;

Q_{1 -} теплота, отданная дымовыми газами металлу труб, Q₁ = Q_1(р)+ Q_1(к) для поверхностей нагрева со смешанным теплообменом;

Q₂ – теплота, полученная теплоносителем от металла труб;

 G_г, T_г ,i_г, ρ_г – расход, температура, энтальпия и плотность дымовых газов;

Qтв – тепловыделение в камере сгорания, Дж/с;

В, Q^н_р – расход природного газа, низшая теплота сгорания природного газа;

G_в, i_в – 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 М_м, 5 – коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к металлу поверхности нагрева α₁^г, степень черноты топки α_т,  постоянную Больцмана σ₀; 6 - коэффициент теплоотдачи при течении воды в прямых гладких трубах α₂; 7 – объем дымовых газов V_г.

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].

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:

где  - температура точки росы при параметрах воздуха в рабочее время,  ⁰С;

 - температурный запас по недопущению конденсации (принимаем в 1 ⁰С);

 - приведенное сопротивление теплопередаче светопрозрачной зоны окна, м^2.0С /Вт;

 - коэффициент теплоотдачи от внутреннего воздуха к стеклу, принимаем 8,7 Вт /м^2.0С.

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.

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]