EFFECTIVE MANAGEMENT OF SYSTEM HEATOSCILLATIONS IN INDEPENDENT PRODUCTION ROOMS

Федосеев В.Н.¹, Зайцева И.А.²,Острякова Ю.Е.³, Целовальникова Н.В.⁴, Емелин В.Н.⁵, Воронов В.Н.⁶

¹ORCID: 0000-0002-2225-0962, Доктор технических наук, Ивановский государственный политехнический университет

²ORCID: 0000-0002-1416-3666, Кандидат экономических наук, Ивановский государственный политехнический университет

³ORCID: 0000-0002-8863-6059, Кандидат экономических наук, Ивановский государственный политехнический университет

⁴Кандидат технических наук, Ивановский государственный политехнический университет,

^5,6Аспирант, Ивановский государственный политехнический университет

ЭФФЕКТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМОЙ ТЕПЛОГЕНЕРАЦИИ В АВТОНОМНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ

Аннотация

В статье рассмотрены теоретические аспекты работы эффективного современного отопления с использованием оборудования, обеспечивающего управляемость системы и теплогенерирующей установки, погодозависимое регулирование, возможность программировать изменение температурных режимов (управляемое термостатирование), реализовывать их независимо для разных помещений, дистанционное управление, минимизацию тепловой инерционности системы. Реализация такого способа управления как программируемое термостатирование для теплоснабжения помещений, заключающееся в изменении установки температуры отапливаемых помещений согласно заданной программы, позволяет устанавливать температуру помещений в соответствии с потребностями в нагреве в текущий момент времени, что даёт возможность существенно снижать затраты потребляемой энергии на отопление.

Ключевые слова: воздушный тепловой насос, теплогенерация, электроснабжение, эквитермическое регулирование, эквитермальный режим

Fedoseev V.N.¹, Zaitseva I.A², Ostryakova Yu.E.³, Tselovalnikova N.V.⁴, Emelin V.N.⁵, Voronov V.N.⁶

¹ORCID: 0000-0002-1416-3666, PhD in Engineering, Ivanovo State Polytechnical University

²ORCID: 0000-0002-1416-3666, PhD in Economics, Ivanovo State Polytechnical University

³ORCID: 0000-0002-8863-6059, PhD in Economics, Ivanovo State Polytechnical University

⁴PhD in Engineering, Ivanovo State Polytechnical University

^5,6 Postgraduate student, Ivanovo State Polytechnical University

EFFECTIVE MANAGEMENT OF SYSTEM HEATOSCILLATIONS IN INDEPENDENT PRODUCTION ROOMS

Аbstract

The article considers the theoretical aspects of modern and efficient heating using equipment, to ensure controllability of the system and the heat generating unit, a modulating regulation, the ability to program the change in temperature regimes (temperature control), and implement them independently for different areas, remote control, minimizing the thermal inertia of the system. The implementation of such a control method as programmable temperature control for heating of premises, which consists in changing the temperature of the heated space according to a given program, allows you to set the temperature of rooms in accordance with the requirements of heating in current time that makes it possible to significantly reduce the cost of energy consumed for heating.

Keywords: air heat pump, heat generation, electricity supply, equithermal regulation, equithermal mode

 

В настоящее время небольшие автономные производственные помещения испытывают недостаток в энергосберегающих технологиях благодаря усиливающейся тарифной политики в энерго- и теплосистемах.

Значительные расходы на тепловую и электроэнергию в текстиле особенно сказываются на прядильном и ткацком производстве, что становится соизмеримым с себестоимостью выпускаемой продукции [3, С. 6]. Такое состояние в целом заставляет инициировать поиск путей эффективной теплогенерации и электроснабжения.

Эффективность современного отопления и энергопотребления обеспечивает управляемость систем теплогенерации и электроснабжения, то есть возможность программирования температурных режимов (управляемое термостатирование), автоматизированное регулирование и дистанционное управление. В данной работе предложены базовые принципы и условия создания эффективного отопления, с использованием оборудования предлагаемого современным рынком.

Известно, что для создания условий автоматизированной системы теплогенерации и энергосбережения текстильных помещений они должны быть обеспечены требованиями эффективного расхода энергии в условиях совместной работы источников и потребителей тепловой энергии [1, С. 112]. В нашем случае:

• к источникам тепла относим: электрические, твёрдотопливные котлы, тепловые насосы, гелиоустановки;
• к потребителям тепла: радиаторы, теплый пол, плинтусные теплообменники, системы горячего водоснабжения, фанкойлы и т.д.

Для этого в современных автоматизированных системах теплообеспечения используют широкий набор контроллеров, электронных термостатов, где в качестве штатной функции или за счет использования дополнительных модулей расширения происходит управление системой отопления.

В настоящее время существующий ряд современных контроллеров позволяет поддерживать удалённый мониторинг состояния отапливаемого объекта. Однако используя различные источники теплогенерации, условия их режима требуют специальных технологических подходов.

Основное условие энергоэффективного отопления и потребления электрической энергии – это возможность регулирования температуры теплоносителя в помещении.

В этих условиях применяя средства автоматизации для данного технологического процесса используем электронный контроллер, обеспечивающий взаимосвязь с датчиками температуры теплоносителя в подающей и обратной магистралях теплогенератора. Релейная система управления режимом работы теплогенератора учитывает соотношение заданной и текущей температуры. Таким образом, исполнительную функцию включения – отключения выполняет сам контроллер, реализуя программный режим отопления. В условиях комплексной автоматизации технологического управления при уровнях желаемого теплового комфорта применяется схема эквипотенциального регулирования. Это не что иное, как способ управления системой теплогенерации, когда температура окружающего воздуха (ОВ) в помещении регулируется в зависимости от наружной температуры. Наружный (внешний) датчик температуры должен постоянно следить за погодными изменениями, а прибор (регулятор), настроенный на эти изменения приспосабливает (адаптирует) температуру в объекте (в помещении), обеспечивая комфортный тепловой режим. Другими словами, эквипотенциальное (погодозависимое) регулирование заключается в адаптации текущих параметров (мощности, температуры теплоносителя) отопительной системы или ее отдельных контуров к погодным условиям [4].

Особое преимущество эквипотенциального регулирования проявляется в переходный период года, когда этот способ регулирования является более гибким по сравнению с использованием классического комнатного регулятора. При резких изменениях погоды система теплогенерации с эквипотенциальным тепловым регулятором реагирует быстрее, чем система теплогенерации, управляемая только комнатным термостатом.

Для более удобного обслуживания регулятора (контроллер - термостат) в его памяти имеется необходимое количество программно-предварительно настроенных (экспериментально снятых в конкретных климатических условиях) отопительных кривых согласно которым каждой величине внешней температуры будет соответствовать желаемая температура теплоносителя. Потребитель может предварительно зафиксировать некоторую из этих кривых с помощью кнопок, обозначив кривую в табличной форме.

Эквипотенциальное тепловое регулирование описывается с помощью функции близкой к линейной (возможна аппроксимация) в зависимости температуры теплоносителя от температуры окружающей среды. Однако здесь следует учитывать ряд факторов, оказывающих влияние на построение функции: влажность воздуха, освещенность солнцем, теплопроводность стен, площадь и объем помещения, теплоемкость, теплоотдачу, количество находящихся там одновременно людей и всевозможных установок, в результате работы которых вырабатывается тепло. Но основными факторами всё же являются региональные климатические условия [5, С. 243].

Для построения графической и математической моделей, которые адекватно описывали бы функцию эквипотенциального регулирования, необходимо предварительно провести экспериментальные исследования.

Например, выбираем по графику рис. 1 (где t_{теплонос.(раб.тело)},⁰С;  t_{наружн.улица,}⁰С) нужную нам эквипотенциальную кривую (полученную экспериментальным путём) с коэффициентом 1,5 (обозначение коэффициента соответствует полученной кривой). Тогда при температуре наружного воздуха +10 ⁰С, температура воды (теплоносителя) будет соответствовать по оси ординат примерно 41⁰С÷42⁰С. А скажем при температуре 0⁰С на улице (t_наруж.) будет соответствовать +55⁰С и т.д. Для упрощения обслуживания данные графика рис. 1 (даже нескольких графиков согласно которым каждому значению наружной температуры соответствует конкретная температура теплоносителя), отображаются в форме таблицы и заранее вводятся в электронную систему регулирования (термостат).

Рис. 1 - Эквипотенциальные кривые отопления, зависимость температуры теплоносителя (помещения) от наружной температуры на улице

Например, для кривой с коэффициентом 1,5 соотношение индекса будет 6.

Таблица 1 - Коэффициенты эквитермических кривых

Кривая отопления	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5
Индекс	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10

Таким образом, в данном режиме котёл (теплогенератор) будет поддерживать установленную температуру отопления. Работа котла прерывается (включен/выключен) в зависимости от внутренней температуры в помещении, в которой находится комнатный регулятор [2, С. 213].

Для того чтобы перейти к системе настройки желаемой температуры воздуха в помещении, строим в этих же осях эквипотенциальную кривую с коэффициентом 1,5 и в начале координат определяем ось «Д» (рис. 2) под углом 23^° к оси «А», (граф на рис. 2). Таким образом, в данном случае угол 23^° оси «Д» получается, подбирая желаемую температуру окружающего воздуха в помещении в диапазоне от +15 до+25 (рис. 2) с коэффициентом 1,5.

Например, выбрали температуру в помещении +22⁰С, тогда по табл. 2 находим также соответствующее значение этой температуре индекс «7».

Таблица 2 - Температурные (эквитермальные) режимы

Индекс	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Температура воздуха в помещении по оси «Д», 0C.	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25

После этого, полученные таблично значения так же вводим программно в прибор «контроллер-термостат», обеспечивая режим работы теплогенератора. В этом случае при выборе желаемой температуры отапливаемого помещения, скажем отличной от существующей +20 ⁰С, например +22 ⁰С, работает эквипотенциальная тепловая характеристика на рис. 2. При наружной температуре, например 0⁰С, ей будет соответствовать точка с t=55 ⁰C и всё это будет исполнять автоматически настроенный «контроллер-термостат».

Рис. 2 - Эквипотенциальная тепловая кривая зависимости температура теплоносителя от наружной температуры на улице

Необходимо отметить, что наклон кривых и, соответственно, ось «Д» вдоль оси ординат зависит от величины потерь, получаемых вычислением в реальном времени аппаратным методом. Наиболее эффективным в этом случае является тепловизионный метод определения тепловых потерь, при котором, получая тепловизором температурное поле, можно качественно характеризовать распределение потерь, интегрировать их, получая количественную оценку величины теплопотерь. Эффективность работы системы и экономия энергии всегда будет зависеть от точности вычисления теплопотерь и характера кривой отопления. Неправильно установленная кривая, снижает качество процесса отопления. Поэтому важно быть внимательным к алгоритмам управления отопления на процессуальном и диспетчерском уровне управления, которые позволяют автоматически изменять параметры эквипотенциальной кривой.

Делая выводы можно сказать, что программируемое эквипотенциальное тепловое регулирование (термостатирование) теплоснабжения помещений заключается в изменении установки температуры отапливаемых помещений согласно заданной программы. Реализация такого способа управления позволяет устанавливать температуру помещений в соответствии с потребностями в нагреве в текущий момент времени, что даёт возможность существенно снижать затраты потребляемой энергии на отопление.

Список литературы / References

1. Алоян Р. М., Красильников И. В., Матвеева Н. Ю. Инженерный и экономический анализ энергосберегающих мероприятий. Тамбов, 2014.
2. Алоян Р. М., Федосеев В. Н., Виноградова Н. В., Иродова М. Р., Зайцева И. А. Экономически эффективный воздухообмен в системе теплоснабжения тепловым насосом малоэтажных текстильных помещений // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2016. № 5 (365). С. 210-215.
3. Алоян Р. М., Федосеев В. Н., Петрухин А. Б., Зайцева И. А., Воронов В. А., Емелин В. А. Анализ энергоэффективности воздушного теплового насоса и электрокотла в условиях текстильного и швейного производства / Р. М.Алоян, В. Н.Федосеев, А. Б. Петрухин, И. А. Зайцева, В. А. Воронов, В. А. Емелин // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2016. № 4 (364). С. 5-12.
4. Бумагин А. Принципы построения эффективной системы автономного отопления / A.Бумагин // Журнал "Аква-Терм" №6(58) // http://aqua-therm.ru/articles/articles_169.html
5. Воронов В. А., Емелин В. А., Федосеев В. Н., Зайцева И. А. Климатические условия и факторы, влияющие на производительность воздушного теплового насоса // Теория и практика технических, организационно-технологических и экономических решений. Сборник научных трудов. 2015. С. 241-251.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Alojan R.M., Krasil'nikov I.V., Matveeva N.Ju. Inzhenernyj i jekonomicheskij analiz jenergosberegajushhih meroprijatij. [Engineering and economic analysis of energy saving actions.] Tambov, 2014. [in Russian]
2. Alojan R. M., Fedoseev V. N., Vinogradova N. V., Irodova M. R., Zajceva I. A. Jekonomicheski jeffektivnyj vozduhoobmen v sisteme teplosnabzhenija teplovym nasosom malojetazhnyh tekstil'nyh pomeshhenij [Economically efficient air exchange in system of heat supply a heat pump of low textile rooms ]// Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Tehnologija tekstil'noj promyshlennosti. [News of higher educational institutions. Technology of the textile industry] 2016. № 5 (365). P. 210-215. [in Russian]
3. Alojan R.M., Fedoseev V.N., Petruhin A.B., Zajceva I.A., Voronov V.A., Emelin V.A. Analiz jenergojeffektivnosti vozdushnogo teplovogo nasosa i jelektrokotla v uslovijah tekstil'nogo i shvejnogo proizvodstva [The analysis of energy efficiency of an air heat pump and the electric boiler in the conditions of textile and sewing production] / R.M. Alojan., V. N.Fedoseev, A. B.Petruhin, I. A. Zajceva, V. A.Voronov, V. A. Emelin // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Tehnologija tekstil'noj promyshlennosti. [News of higher educational institutions. Technology of the textile industry]. 2016. № 4 (364). P. 5-12 [in Russian]
4. Bumagin A. Principy postroenija jeffektivnoj sistemy avtonom-nogo otoplenija [Principles of creation of efficient system of independent heating ] / A.Bumagin // Zhurnal "Akva-Term" [Akwa Term magazine] №6(58) // http://aqua-therm.ru/articles/articles_169.html [in Russian]
5. Voronov V. A., Emelin V. A., Fedoseev V. N., Zajceva I. A. Klima-ticheskie uslovija i faktory, vlijajushhie na proizvoditel'nost' vozdushnogo teplovogo nasosa [The climatic conditions and factors influencing efficiency of an air heat pump] // Teorija i praktika tehnicheskih, organizacionno-tehnologicheskih i jekonomicheskih reshenij [Theory and practice of technical, organizational and technological and economic solutions]. Sbornik nauchnyh trudov. 2015. P. 241-251. [in Russian]