Автоматизація систем забезпечення заданої температури з альтернативними джерелами енергії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський національний політехнічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів

Автоматизація систем забезпечення заданої температури з альтернативними джерелами енергії

Максименко Ірина Миколаївна

Одеса - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі автоматизації теплоенергетичних процесів Одеського національного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Тодорцев Юрій Костянтинович Одеський національний політехнічний університет, завідувач кафедри автоматизації теплоенергетичних процесів

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Тонконогий Володимир Михайлович Одеський національний політехнічний університет, директор Інституту промислових технологій, дизайну та менеджменту

кандидат технічних наук, доцент Воінова Світлана Олександрівна Одеська національна академія харчових технологій, доцент кафедри автоматизації виробничих процесів

Провідна установа - Національний університет харчових технологій кафедра автоматизації та комп'ютерно-інтегрованих технологій, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Ямпольський Ю.С.

Анотація

альтернативний енергоресурс теплоносій

Максименко І.М. Автоматизація систем забезпечення заданої температури з альтернативними джерелами енергії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів - Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2007.

У дисертаційній роботі запропоновано нове рішення науково-прикладної задачі, що полягає у розробленні автоматичної системи забезпечення заданої температури в приміщеннях, яка дозволяє ефективно використовувати альтернативні джерела енергії та мінімально витрачувати первинні енергоресурси в процесі постачання теплоносіїв споживачу за рахунок управління структурою системи. Здійснено формалізацію задачі управління структурою системи забезпечення заданої температури з альтернативними джерелами енергії на основі критерію, який відображає ефективність системи.

Синтезована методика аналізу задачі розроблення автоматичної системи забезпечення заданої температури зі змінюваною структурою та альтернативними джерелами енергії на основі об'єктно-орієнтованого аналізу. За допомогою імітаційного моделювання показано ефективність використання розробленої системи.

Ключові слова: автоматична система забезпечення заданої температури, альтернативні джерела енергії, змінювана структура, об'єктно-орієнтовані моделі.

Annotation

Maksymenko I.N. Automation of systems with alternative sources of energy for maintenance a comfortable temperature. - Manuscript.

The dissertation on reception of scientific degree of the candidate of engineering science behind a specialty 05.13.07 - Automation of technological processes - Odessa national polytechnic university, Odessa, 2007.

The new decision was suggested for scientific and energy saving task in the dissertation. It consists in creation of automated system for maintenance a comfortable temperature in the consumer's premises. The system permits to use alternative sources of energy economically and to spend primary resources minimally in the process of heat supply at the expense of control by structure of the system. The formalization of task of management of structure of the system was executed on the basis of application of criterion. The criterion reflects an efficiency of system. The method was synthesized for analysis of task of creation of automated system with alternative sources of energy and changeable structure for maintenance a comfortable temperature on the basis of object-oriented approach. An efficiency of system was shown with the help of imitation model.

Key words: automated system for maintenance a comfortable temperature, alternative sources of energy, changeable structure, object-oriented models.

Аннотация

Максименко И.Н. Автоматизация систем обеспечения заданной температуры с альтернативными источниками энергии. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов - Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2007.

Тенденция удорожания топлива, повышенное внимание к охране окружающей природной среды, необходимость обеспечивать заданную температуру внутри жилых, офисных и промышленных помещений при минимальных денежных затратах объясняют интерес к задаче эффективного использования альтернативных источников энергии и минимизации расхода первичных энергоресурсов в процессе снабжения теплоносителями потребителя.

Во всем мире используются системы с альтернативными источниками тепловой энергии. Сегодня существует много фирм, которые занимаются установкой теплотехнического оборудования, систем обеспечения заданной температуры с альтернативными источниками тепловой энергии (Viessmann, Chromogen, НПФ “Новые технологии”, “Донбастермострой” и др.) и соответствующих систем управления (Fisher-Rosemount, Honeywell, Yokogawa и др.). По данной тематике известны работы Е.В. Сарнацкого, Р.Р. Авезова, Р.В. Жесан, С.П. Плешкова. Анализ существующих систем показал, что они преследуют цель экономии первичных энергоресурсов, но делают это недостаточно эффективно. Не выявлены примеры автоматических систем обеспечения заданной температуры, которые бы использовали несколько источников энергии, в том числе альтернативных, и имели структуру, которая изменяется в зависимости от условий работы системы, обеспечивая тем самым экономию первичных энергоресурсов.

Таким образом, исследования в области минимизации расхода первичных энергоресурсов и эффективного использования альтернативных источников энергии в процессе снабжения теплоносителями потребителя путем разработки новых автоматических систем обеспечения заданной температуры, которые имеют изменяемую структуру, необходимы и своевременны.

В диссертационной работе предложено новое решение научно-прикладной задачи, которая состоит в разработке автоматической системы обеспечения заданной температуры в помещениях, которая имеет изменяемую структуру, обеспечивает эффективное использование альтернативных источников энергии и минимальный расход первичных энергоресурсов в процессе снабжения теплоносителями потребителя.

В работе выполнена формализация задачи управления структурой системы обеспечения заданной температуры с альтернативными источниками энергии на основе критерия, который отображает эффективность системы.

Разработана автоматическая система обеспечения заданной температуры с альтернативными источниками энергии, которая позволяет минимально расходовать первичные энергоресурсы, делать альтернативный и традиционный источники энергии равнозначными за счет управления структурой системы.

Синтезирована методика анализа задачи разработки автоматической системы обеспечения заданной температуры с изменяемой структурой и альтернативными источниками энергии на основе объектно-ориентированного анализа, которая позволяет проводить анализ не только разрабатываемые системы указанного класса, но и любые другие сложные системы обеспечения заданной температуры, в том числе и такие, которые имеют изменяемую структуру и используют для описания одновременно дискретные, аналоговые и вероятностные величины.

Предложен критерий оценки эффективности автоматической системы обеспечения заданной температуры с альтернативными источниками энергии. Критерий выражает эффективность системы в интегральной форме, которая может быть отнесена к суточным, недельным, сезонным и годовым показателям и предполагает минимальное использование источников тепловой энергии на органическом топливе.

Ключевые слова: автоматическая система обеспечения заданной температуры, альтернативные источники энергии, изменяемая структура, объектно-ориентированные модели.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Тенденція подорожчання палива, підвищена увага до охорони навколишнього природного середовища, необхідність забезпечувати задану комфортну температуру усередині житлових, офісних та промислових приміщень при мінімальних грошових витратах пояснюють інтерес до задачі ефективного використання альтернативних джерел енергії та мінімізації витрат первинних енергоресурсів в процесі постачання теплоносіїв споживачу.

В усьому світі використовуються системи з альтернативними джерелами теплової енергії. Сьогодні існує багато фірм, які займаються встановленням різноманітного теплотехнічного обладнання, систем забезпечення заданої температури (СЗЗТ) з альтернативними джерелами теплової енергії (Viessmann, Chromogen, НПФ “Нові технології”, “Донбастермострой” та інші) та відповідних систем управління (Fisher-Rosemount, Honeywell, Yokogawa та інші). За даною тематикою відомі роботи Е.В. Сарнацького, Р.Р. Авезова, Р.В. Жесан, С.П. Плєшкова. Аналіз існуючих систем показав, що вони переслідують ціль економії первинних енергоресурсів, але роблять це недостатньо ефективно. Не виявлені приклади автоматичних систем забезпечення заданої температури (АСЗЗТ), які б використовували декілька джерел енергії, у тому числі альтернативних, і мали структуру, що змінюється залежно від умов роботи системи, забезпечуючи тим самим економію первинних енергоресурсів.

Таким чином, дослідження в сфері мінімізації витрат первинних енергоресурсів та ефективного використання альтернативних джерел енергії в процесі постачання теплоносіїв споживачу шляхом розробки нових АСЗЗТ, які мають змінювану структуру, необхідні і своєчасні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Основні наукові дослідження дисертації виконані відповідно до проекту “Енергетична стратегія України до 2030 року” та комплексних програм “Програма енергозбереження Одеської області на 1999-2010 роки”, НДР ОНПУ “Удосконалювання автоматизованих систем управління технологічними процесами з ядерними та нетрадиційними джерелами енергії”, № 544-47 (номер державної реєстрації 0105U002897).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності використання альтернативних джерел енергії та мінімізація витрат первинних енергоресурсів в процесі постачання теплоносіїв споживачу за рахунок розроблення автоматичної системи забезпечення заданої температури в приміщеннях, яка використовує альтернативні джерела теплової енергії і має змінювану структуру.

Для досягнення цієї мети в роботі вирішені такі основні задачі:

-- проаналізовані існуючі системи забезпечення заданої температури з альтернативними джерелами енергії, та відповідні системи автоматизації;

-- вибрано прототип системи забезпечення заданої температури з альтернативними джерелами енергії;

-- виконана формалізація задачі управління структурою системи забезпечення заданої температури з альтернативними джерелами енергії;

-- синтезована методика аналізу задачі розроблення автоматичної системи забезпечення заданої температури зі змінюваною структурою та альтернативними джерелами енергії;

-- обрано критерій оцінки ефективності автоматичної системи забезпечення заданої температури зі змінюваною структурою та альтернативними джерелами енергії;

-- синтезовані об'єктно-орієнтовані моделі автоматичної системи забезпечення заданої температури, математичні моделі її елементів та навколишнього природного середовища, що дозволяє розглянути систему забезпечення заданої температури, як об'єкт управління;

-- обрані та обґрунтовані можливі структури системи забезпечення заданої температури з альтернативними джерелами енергії;

-- синтезована автоматична система забезпечення заданої температури зі змінюваною структурою та альтернативними джерелами енергії;

-- проаналізована ефективність розробленої системи шляхом її імітаційного моделювання.

Об'єктом дослідження є автоматична система управління процесом постачання теплоносіїв споживачу за допомогою зміни структури системи забезпечення заданої температури в приміщеннях, яка використовує альтернативні джерела енергії.

Предметом дослідження є моделі, алгоритми, властивості, як об'єкта управління, так і автоматичної системи управління структурою системи для забезпечення заданої температури в приміщеннях споживача.

Методи дослідження базуються на: об'єктно-орієнтованому аналізі (синтез методики аналізу задачі розроблення АСЗЗТ зі змінюваною структурою та альтернативними джерелами енергії, синтез відповідних до методики моделей); методах побудови і рішення лінійних диференційних рівнянь енергетичних балансів (синтез математичних моделей елементів СЗЗТ з альтернативними джерелами енергії); теорії автоматичного управління (побудова алгоритмів зміни структури СЗЗТ з альтернативними джерелами енергії); імітаційному моделюванні (перевірка адекватності та дослідження ефективності розробленої системи).

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна дисертаційної роботи полягає у наступному:

-- вперше виконана формалізація задачі управління структурою системи забезпечення заданої температури з альтернативними джерелами енергії на основі критерію, який відображає ефективність системи;

-- вперше синтезована методика аналізу задачі розроблення автоматичної системи забезпечення заданої температури зі змінюваною структурою та альтернативними джерелами енергії на основі об'єктно-орієнтованого аналізу;

-- вперше запропоновані об'єктно-орієнтовані моделі автоматичної системи забезпечення заданої температури зі змінюваною структурою та альтернативними джерелами енергії;

-- удосконалена структура прототипу системи забезпечення заданої температури з альтернативними джерелами енергії, яка полягає в застосуванні декількох конфігурацій технічних пристроїв з альтернативними або традиційними джерелами енергії за допомогою системи управління залежно від потреб споживача, умов навколишнього природного середовища та критерію оцінки ефективності системи.

Практичне значення отриманих результатів. Синтезована методика аналізу задачі розроблення АСЗЗТ зі змінюваною структурою та альтернативними джерелами енергії дозволяє виявити властивості, параметри, характеристики та розглянути поведінку у часі об'єкта управління, системи управління і їх складових, а також розроблювати та аналізувати не тільки указаний клас систем, але й будь-які інші СЗЗТ різного ступеня складності. Розроблені об'єктно-орієнтовані, математичні, імітаційні моделі виявили властивості СЗЗТ, як об'єкта управління, її структуру, а також властивості всієї системи в цілому з урахуванням автоматизації. Побудована експериментальна модель навколишнього природного середовища враховує зміни температури повітря, інтенсивності інсоляції, є основою визначення ефективності системи в ході імітаційного моделювання та дозволяє проводити аналіз задачі розроблення АСЗЗТ іншого типу. Отримані залежності дозволяють при різних габаритах концентратора-перетворювача енергії від альтернативного джерела оцінювати витрати на органічне паливо, а також необхідну ємність накопичувача теплової енергії. Економічний ефект від упровадження результатів досліджень виникає за рахунок зміни структури АСЗЗТ з альтернативними джерелами енергії залежно від потреб споживача, умов навколишнього природного середовища та коефіцієнту оцінки ефективності системи таким чином, щоб мінімально використовувалися первинні енергоресурси, тобто здійснювалося максимальне заміщення джерела енергії на органічному паливі альтернативним джерелом енергії.

Результати досліджень використані в звіті по державній бюджетній роботі № 544-47 “Удосконалювання автоматизованих систем управління технологічними процесами з ядерними та нетрадиційними джерелами енергії”. Запропоновані методика аналізу, моделі, алгоритми впровадженні в навчальний процес Одеського національного політехнічного університету і використовуються в дисциплінах, пов'язаних з автоматизацією технологічних процесів, а також при керівництві дипломним і курсовим проектуванням.

Особистий внесок здобувача. Автором запропоновані об'єктно-орієнтовані моделі АСЗЗТ зі змінюваною структурою та альтернативними джерелами енергії, алгоритми зміни структури системи [1-4]. Наведено математичні моделі основних елементів СЗЗТ з альтернативними джерелами енергії [5, 6] і навколишнього природного середовища [7].

Апробація результатів роботи. Апробація результатів дисертаційної роботи проводилася на 11-й, 12-й і 13-й міжнародних конференціях з автоматичного керування “Автоматика-2004” (м. Київ, 2004), “Автоматика-2005” (м. Харків, 2005) і “Автоматика-2006” (м. Вінниця, 2006), а також на Х Міжнародному Форумі Енергетиків GRE'2006 “Енергетичне господарство й устаткування” (м. Бєльсько-Бяла - Ополе, Польща) і науково-практичних конференціях викладачів, аспірантів, студентів і співробітників Одеського національного політехнічного університету (2000 - 2004 рр.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 9 статей, у тому числі 7 - у спеціалізованих виданнях за списком ВАК України, тези доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку літератури, що містить 105 найменувань. Робота містить 73 рисунка і 36 таблиць. Загальний обсяг роботи складає 150 сторінок.

2. Основний зміст роботи

У вступі розглянуто актуальність теми, визначено об'єкт і предмет дослідження, сформульовані мета, задачі дослідження, методи їхнього досягнення. Визначено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, наведені відомості про апробацію, публікації і впровадження.

У першому розділі на основі проведеного аналізу існуючих СЗЗТ з альтернативними джерелами енергії виконано класифікацію систем та їх основних елементів, синтезовано узагальнений прототип систем. На основі аналізу прототипу та умов Одеської області обрані джерела теплової енергії, відокремлено типовий набір основних елементів і обрані режими роботи системи для забезпечення бажаного її функціонування (отримання, накопичення, споживання теплової енергії, підвищення потенціалу теплоносія). Запропоновано синтезувати АСЗЗТ зі змінюваною структурою та альтернативними джерелами енергії шляхом вдосконалення прототипу. Суть вдосконалення у наступному. Задана температура в системі забезпечується за рахунок управління тепловими потоками від різних джерел енергії (сонячний колектор, ґрунтовий теплообмінник-акумулятор, газовий котел). Дефіцит енергії альтернативних джерел енергії компенсується традиційним джерелом. Тепловий насос дозволяє використовувати енергію альтернативних джерел за рахунок підвищення потенціалу теплоносія та зменшує кількість обладнання для опалення та охолодження приміщень споживача, тим самим зменшуючи витрати грошей і електроенергії на обладнання. Крім цього, залишок теплової енергії використовується для отримання гарячої води, що забезпечує додаткову економію первинних енергоресурсів. Автоматична система дозволяє уникнути деградації та повної втрати малих теплових потоків при їх акумулюванні та концентрації, робити альтернативні та традиційні джерела енергії рівнозначними, мінімізував споживання первинних енергоресурсів. Це здійснюється за рахунок забезпечення відповідності структури системи умовам її роботи, тобто за рахунок управління структурою та регулювання параметрів теплоносіїв. Кожна структура системи визначається режимом роботи системи, конфігурацією її основних елементів і джерелом теплової енергії. Умови роботи системи визначаються потребами споживача та станом (параметрами) навколишнього природного середовища.

Сформульовано запит практики, визначені напрямки і задачі дослідження, розв'язання яких дозволяє досягти мети дисертаційної роботи.

В другому розділі синтезована методика аналізу задачі розроблення АСЗЗТ зі змінюваною структурою та альтернативними джерелами енергії, формалізована задача управління структурою системи, обрано критерій оцінки її ефективності.

За основу методики аналізу задачі розроблення АСЗЗТ зі змінюваною структурою та альтернативними джерелами енергії обрано об'єктно-орієнтований аналіз, що дозволяє проводити простий аналіз складної АСЗЗТ, фізичних та інформаційні понять, що складають предметну область задачі. Також це дозволяє забезпечити простий перехід до програмного коду, вносити зміни в налагоджений програмний продукт, а також аналізувати інші СЗЗТ різного ступеню складності. Методика аналізу задачі розроблення АСЗЗТ зі змінюваною структурою та альтернативними джерелами енергії описується в три етапи.

1. На першому етапі аналізу здійснюється декомпозиція на підсистеми. Синтезуються інформаційні моделі, що описують зв'язки та атрибути концептуально важливих об'єктів, які складають підсистеми.

2. На другому етапі синтезуються моделі станів, що формалізують життєві цикли об'єктів. Ці моделі представляються у вигляді діаграм, які містять стани об'єктів, переходи в стани та події, які обумовлюють ці переходи.

3. Третій етап присвячений розробці технологічних алгоритмів, що враховують специфіку технологічного процесу, який підлягає автоматизації.

Результати аналізу за запропонованою методикою дозволяють: визначити та обґрунтувати структуру системи, можливі режими роботи та конфігурації, необхідні для забезпечення потреб споживача; розглянути властивості елементів системи та їх поведінку у часі; визначити алгоритми функціонування контролера, враховуючи вибір доцільної конфігурації залежно від потреб споживача, можливостей системи або на основі критерію, який враховує сумарні витрати різних видів енергетичних ресурсів.

Система зі змінюваною структурою та альтернативними джерелами енергії для забезпечення заданої температури в процесі постачання теплоносіями споживача, як кортеж S, має вигляд

S = {М_ДТЕ , М_ТП , М_С}, (1)

де М_ДТЕ - множина джерел теплової енергії; М_ТП - множина технічних пристроїв; М_С - множина структур.

Для об'єкта управління, що представлений у такому вигляді, необхідна система управління, яка дозволяє обрати найкращий варіант із можливих запропонованих залежно від потреб споживача, параметрів теплоносіїв системи та умов навколишнього природного середовища. Тобто дозволяє раціонально забезпечити з представлених множин вибір джерел енергії, технічних пристроїв та структури об'єкта.

Для оцінки ефективності СЗЗТ, яка використовує альтернативні джерела енергії та має змінювану структуру, запропоновано критерій k, який є відношенням сумарних витрат енергії (електроенергії та енергії органічного палива) для роботи системи до поточної потреби споживача в енергії для забезпечення заданої температури в приміщеннях:

, (2)

де E_i - первинні енергетичні ресурси, що використовуються системою для забезпечення заданої температури, Дж; Q(t) - поточна нормована потреба в енергії для забезпечення заданої температури, Дж; t - кінцевий часовий інтервал, на якому проходить обмін та споживання енергоресурсів, c; n - кількість різних видів енергетичних ресурсів системи.

При розрахунку критерію різні варіанти структур приводяться до однакового корисного ефекту.

В третьому розділі синтезовані об'єктно-орієнтовані моделі АСЗЗТ, математичні моделі елементів СЗЗТ і навколишнього природного середовища.



Рис. 1. Інформаційна модель підсистеми “Об'єкт управління”

За запропонованою методикою в АСЗЗТ виділені шляхом декомпозиції дві підсистеми аналізу “Об'єкт управління” та “Система управління”.

Інформаційні моделі підсистем відображають статику системи та інформацію про елементи системи, їх властивості та відношення між ними. Для підсистеми “Об'єкт управління” ідентифіковані об'єкти “теплоносій” і “енергія”, а також об'єкти, які дозволяють виконувати перетворення, трансформацію, акумулювання, споживання теплової енергії: “сонячний колектор”, “ґрунтовий теплообмінник-акумулятор”, “акумулятор-бак”, “тепловий насос”, “резервне джерело теплової енергії”, “теплообмінники опалення, охолодження та гарячого водопостачання”, “насос”. Загальні властивості ідентифікованих об'єктів винесені в узагальнені об'єкти: “технічний прилад”, “акумулятор”, “споживач”. Наприклад, для об'єктів “сонячний колектор”, “акумулятор”, “тепловий насос”, “резервне джерело теплової енергії”, “споживач” узагальненим об'єктом являється “технічний прилад” (рис. 1). Об'єкти підсистеми “Система управління” дозволяють реалізувати управління в системі, а також вимірювання, перетворення, регулювання параметрів: “датчик”, “вимірювальний перетворювач”, “регулятор”, “контролер”, “арматура”, “засувка” та “регулювальний орган” (рис. 2). Зв'язки між об'єктами означаються ідентифікаторами “R”. Літера “У” вказує на умовність зв'язку. У випадку “умовності” можуть існувати екземпляри об'єктів, яки не приймають участі у зв'язку. На кінцях ліній зв'язку розміщені їх назви. Зв'язок з рисочкою поперек лінії визначається як “супертип - підтип” та виникає при наявності загальних об'єктів.

Рис. 2. Інформаційна модель підсистеми “Система управління”

Для обох підсистем виділено 21 об'єкт, 54 атрибути, 12 зв'язків.

Рис. 3. Діаграма станів контролера

Рис. 4. Технологічний алгоритм зміни структури системи залежно від потреб споживача та умов навколишнього природного середовища

Моделі станів об'єктів підсистем відображають їх поведінку у часі, як правило, виражаються через стани “увімкнено - вимкнено - несправність” або “відкриття - закриття - несправність” та відповідні переходи. Життєвий цикл контролера формалізовано у вісім станів, які відображають перевірку працездатності системи, обробку прийнятих сигналів, аналіз змін, вибір конфігурації системи, задавання параметрів регуляторів. Переходи в стани визначаються одинадцятими подіями, які означаються мітками А1…А11 (рис. 3). В станах очікування, що відмічені символом “W”, контролер знаходиться, поки не будуть отримані зовнішні, відносно до цього об'єкту, сигнали, наприклад, команда активації системи, сигнал від датчика системи або сигнал включення гарячої води. Технологічні алгоритми дозволяють змінити структуру системи залежно від потреб споживача та умов навколишнього природного середовища (евристичний) (рис. 4) та на основі критерію оцінки ефективності системи (рис. 5).

Рис. 5. Технологічний алгоритм зміни структури системи на основі критерію оцінки ефективності системи

В евристичному алгоритмі температура в приміщенні t_п порівнюється з заданою температурою t_з, яка визначена як комфортна для споживача. Ці порівняння дозволяють обрати режим роботи системи і відповідну структуру системи (конфігурацію її основних елементів). Режим опалення приміщення забезпечується конфігураціями № 1…5: споживач отримує енергію від сонячного колектора безпосередньо (№ 1), через тепловий насос від сонячного колектора (№ 2), акумулятора (№ 3), ґрунтового теплообмінника-акумулятора (№ 4), та від резервного джерела енергії безпосередньо (№ 5). В режимі акумулювання енергії здійснюється її накопичення в акумуляторі-баку (№ 6) та ґрунтовому теплообміннику-акумуляторі (№ 7). При конфігураціях № 8 і № 9 збирається у вказаних акумуляторах теплова енергія, відібрана від споживача через тепловий насос (система функціонує в режимі охолодження приміщення). Раціональність використання основних елементів системи обмежується граничними значеннями температур та інсоляції (t_г, І_г1, І_г1), з якими порівнюються значення температур в акумуляторі t_а, ґрунтовому теплообміннику-акумуляторі t_гта та потоку інсоляції І_ск, який приходиться на сонячний колектор.

Алгоритм на основі критерію оцінки ефективності системи k має перевагу над евристичним алгоритмом, тому що дозволяє обрати структуру системи, в якій мінімально використовуються первинні енергоресурси на момент виконання розрахунку. Тривалість розрахунків N конфігурацій елементів системи за цим алгоритмом істотно менше часу перехідних процесів системи.

Математична модель навколишнього природного середовища враховує зміни інтенсивності сумарної інсоляції та температуру повітря та описує збурюючі впливи, що поступають в систему.

Для визначення температури повітря T?(t,m) в заданий день року початковими даними є значення часу t та місяця m. Для заданого дня визначається максимальна T_р^max(m) та мінімальна T_р^min(m) річна температура. Для t = 4 та 15 годин заданого дня відповідно визначається максимальна T_д^max (m) та мінімальна T_д^min(m) добова температура. Визначається масштабний коефіцієнт Scale_Т(m), з урахуванням якого визначається температура повітря для заданих значень.

, (3)

(4)

, t = 4, , t = 15, (5)

, (6)

, (7)

, (8)

де T_c(t) - залежність середньої температури від часу доби t для кожного місяця m по початковим даним розподілення температури повітря протягом року.

Для визначення сумарної інсоляції I?(t,m) в заданий день року також задаються значеннями часу t та місяця m. Для заданого дня визначається максимальна річна сумарна інсоляція I_р^max(m). Для t = 12 годин заданого дня визначається максимальна добова сумарна інсоляція I_д^max(m). Визначається масштабний коефіцієнт Scale_I(m), з урахуванням якого визначається сумарна інсоляція для заданих значень.

, (9)

, t = 12, (10)

, (11)

, (12)

, (13)

де I(t) - вираз для сумарної інсоляції без урахування довжини світлового дня, I*(t,m) - функція, яка задає довжину світлового дня.

Для збору початкової інформації розроблені математичні моделі основних елементів системи, які враховують їх теплофізичні властивості та розглянуті в лінійному наближенні як об'єкти з зосередженими параметрами. Енергетичні баланси для об'єктів узагальненого об'єкту “технічний прилад” підсистеми “об'єкт управління” у вигляді диференційних рівнянь першого порядку дозволили побудувати наступні математичні моделі за температурою.

Для сонячного колектора:

, (14)

, (15)

для акумулятора-бака теплової енергії:

, (16)

для ґрунтового теплообмінника-акумулятора:

, (17)

, (18)

для резервного джерела енергії:

, (19)

, (20)

для теплового насоса:

, (21)

, (22)

, (23)

, (24)

, (25)

для споживача при опалені:

, (26)

, (27)

, (28)

де q - удільний тепловий потік інсоляції, який поступає на поверхню сонячного колектора, Вт/м²; G_г - витрата органічного палива резервного джерела енергії, кг/с; Q ^н_р - теплотворна здатність палива, Дж/кг; t_х4, t_х2, t_х - вхідні температури робочої речовини через випарник, конденсатор теплового насоса та допоміжна температура, К; h_х1, h_х4, h_х3, h_х - ентальпії робочої речовини на виході, вході випарника, виході конденсатора теплового насоса та допоміжна ентальпія, Дж/кг; G_х1, G_х2 - витрати робочої речовини через випарник та після ресивера теплового насоса, кг/с; р_р - тиск у ресивері теплового насоса, Па; N_к - потужність компресора теплового насоса, Вт; v_р - об'ємна витрата робочої речовини через ресивер теплового насоса, м³/с; V_р - об'єм ресивера теплового насоса, м³; t_п - температура повітря в приміщенні, К; t_зов - температура повітря навколишнього природного середовища, К; m_п - маса повітря в приміщенні, кг.

Коефіцієнти тепловіддачі, Вт/м²К:

a^с - від стінки сонячного колектора до теплоносія; a^г - від теплоносія до ґрунту теплообмінника-акумулятора; a^р - від внутрішніх труб резервного джерела енергії теплоносію; a^о, a^п - від теплоносія до стінки теплообмінника опалення та від стінки до повітря приміщення.

Теплоємності, Дж/кгК:

с_рm - теплоносія (через всі елементи проходить однаковий теплоносій); c_px - робочої речовини; с_рп - повітря.

Загальні змінні основних елементів системи:

t_m1, t_m2 - вхідна та вихідна температури теплоносія, К; t_м - температура матеріалу, К; G_m - витрата теплоносія, кг/с; F - поверхня тепловіддачі, м²; k - коефіцієнти теплопередачі, Вт/м²К; с_р - теплоємність матеріалу, Дж /кгК; m_m, m_м - маси теплоносія та матеріалу, кг; m_x - маса робочої речовини, кг.

Верхні індекси для загальних змінних визначають, до якого основного елемента системи (або його частини) вони відносяться:

с - сонячний колектор; а - акумулятор-бак; г - ґрунтовий теплообмінник акумулятор; в - випарник теплового насосу; к - конденсатор теплового насосу; о - теплообмінник опалення; ст - стіна споживача; вік - вікно споживача.

Для споживача при охолодженні та гарячому водопостачанні використовуються схожі рівняння.

Ці рівняння після перетворень за Лапласом дозволили побудувати передавальні функції по управлінню та збуренню та визначити параметри регуляторів температури теплоносіїв системи.

Отримані у цьому розділі моделі виявили властивості АСЗЗТ, дозволили розробити структуру АСЗЗТ та алгоритми її зміни.

Четвертий розділ включає синтез АСЗЗТ, вибір технічних засобів, розробку програмного забезпечення, проведення імітаційного моделювання для аналізу ефективності та адекватності синтезованої системи.

На основі результатів, отриманих за розробленою методикою, синтезована модель взаємодії об'єктів системи та структурна схема системи, яка дозволяє описати всі конфігурації з точки зору положення основних елементів, насосів, засувок, необхідних для функціонування системи. Розроблені принципова схема системи управління та принципова технологічна схема АСЗЗТ, які дозволяють враховувати перетворення в АСЗЗТ як енергетичних, так і інформаційних потоків. Розроблені таблиці вмикання комутаційного устаткування, датчиків і регуляторів і програмний код системи управління.

На основі розроблених схем синтезована узагальнена структурна схема комплексу програмно-технічних пристроїв макетного зразка АСЗЗТ (рис. 6).



Рис. 6. Узагальнена структурна схема комплексу програмно-технічних пристроїв макетного зразка АСЗЗТ

Для макетного зразка система управління забезпечує зміну структури об'єкта управління на основі алгоритму, який враховує потреби споживача і умови навколишнього природного середовища. Моделююча ЕОМ дозволяє змінювати структуру за допомогою алгоритму, який розраховує значення критерію оцінки ефективності АСЗЗТ для кожної конфігурації її елементів.

На основі результатів модельного експерименту роботи системи протягом року для чотирьох випадків початкової кількості теплової енергії в акумуляторі отримані діаграми перемикань резервного джерела теплової енергії і теплового насоса (рис. 7). Спільна структура результатів моделювання включає залежності від часу: середньодобової температури повітря (крива 1); середньодобової кількості теплової енергії, що отримано від сонячного колектора (крива 2); добової норми споживання теплової енергії (крива 3); добової норми відбору теплової енергії (крива 4); добової кількості теплової енергії, що вироблено резервним джерелом енергії (крива 5); величини заряду акумулятора (крива 6); критерію оцінки ефективності системи (крива 7); вмикання теплового насосу та резервного джерела теплової енергії (криві 8 та 9 відповідно).



Рис. 7. Результати модельного експерименту з вивчення основних характеристик АСЗЗТ для різних величин початкового заряду акумулятора: Qа = 0 % (а), Qа = 25 % (б), Qа =50 % (в), Qа = 100 % (г)

Аналіз результатів модельного експерименту показав, що максимальна ефективність системи досягається у випадку охолодження приміщення споживача, і коефіцієнт оцінки ефективності системи k дорівнює 0,1.

Це пояснюється тим, що в процесі охолодження залишок теплової енергії використовується для отримання гарячої води без додаткових витрат енергії. Досягнути значення k = 0 неможливо, тому що при будь-якому режимі роботи системи частина енергії витрачається на роботу насосів та компресорів. Також результати проведеного експерименту дозволили побачити, як змінюються кількості теплової енергії системи залежно від зміни площі сонячного колектора.

Необхідність у тепловій енергії від резервного джерела при зміні площі колектора від 50 до 90 м² різко знижується. Подальше збільшення площі колектора дає незначне зниження потреби в тепловій енергії від резервного джерела (рис. 8).

Рис. 8. Залежності кількості теплової енергії РДТЕ від площі колектора для різного значення початкової накопиченої енергії в акумуляторі

Рис. 9. Залежності від площі колектора балансового значення кількості енергії в акумуляторі (Q_баланс), що відповідає мінімальній необхідній ємності акумулятора (Q_min) і сумарній кількості енергії від резервного джерела енергії (Q_РДТЕ)

Знак річного балансу енергії в акумуляторі визначається кількостями теплової енергії в акумуляторі на початку і в кінці року. Цей баланс являється позитивним, коли в акумуляторі в кінці року теплової енергії більше ніж на початку, і спостерігається при площі колектора більше ніж 72 м² (рис. 9).

При нульовому річному балансі теплової енергії в акумуляторі максимальне накопичене значення енергії виявляється нижче прийнятого при розрахунках. З підвищенням площі сонячного колектора необхідна мінімальна ємність акумулятора і необхідність в енергії від резервного джерела зменшуються, що підтверджує адекватність розробленої системи.

Висновки

У дисертаційній роботі запропоновано нове рішення науково-прикладної задачі, що полягає у розробленні автоматичної системи забезпечення заданої температури в приміщеннях, яка має змінювану структуру, дозволяє ефективно використовувати альтернативні джерела енергії та мінімально витрачувати первинні енергоресурси в процесі постачання теплоносіїв споживачу.

1. Виконано формалізацію завдання управління складною системою зі змінюваною структурою та альтернативними джерелами енергії для забезпечення заданої температури в процесі постачання теплоносіями споживача.

2. Розроблена автоматична система забезпечення заданої температури з альтернативними джерелами енергії дозволяє мінімально використовувати первинні енергоресурси, робити альтернативний і традиційний джерела енергії рівнозначними за рахунок управління структурою системи.

3. Синтезована методика аналізу задачі розроблення автоматичної системи забезпечення заданої температури зі змінюваною структурою та альтернативними джерелами енергії на основі об'єктно-орієнтованого аналізу, яка дозволяє аналізувати не тільки зазначений клас систем, але і будь-які інші складні систем забезпечення заданої температури, у тому числі такі, що мають змінюваною структурою та використовують для описання одночасно дискретні, аналогові та імовірнісні величини.

4. Запропоновано критерій оцінки ефективності автоматичної системи забезпечення заданої температури з альтернативними джерелами енергії. Критерій виражає ефективність системи в інтегральній формі, що може бути віднесена до добових, тижневих, сезонних і річних показників і припускає мінімальне використання джерел енергії на органічному паливі.

5. Ефективність розробленої системи підтверджено імітаційним моделюванням:

а) встановлено граничне значення площі сонячного колектора 72 м², яке обмежує раціональність використання теплової енергії від сонячного колектора, коли потреба у резервному джерелі теплової енергії цілком відпадає;

б) установлено, що використання теплового насосу для охолодження приміщень споживача дозволяє досягти мінімального значення критерію оцінки ефективності, який дорівнює 0,1 (визначається витратою електроенергії на роботу насосів (компресорів) при всіх режимах роботи системи).

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Максименко И.Н., Тодорцев Ю.К. Объектно-ориентированная модель системы теплоснабжения. Информационные модели // Труды Одесского политехнического университета. - Вып. 2 (24). - 2005. - С. 160-164.

2. Максименко И.Н., Тодорцев Ю.К. Разработка принципов круглогодичного управления установкой теплоснабжения на основе методов объектно-ориентированного анализа // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. - Вип. 17. - 2005. - С. 251-253.

3. Максименко И.Н., Давыдов В.О. Информационное моделирование автоматизированных систем теплоснабжения // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - № 4. - 2005. - С. 206-209.

4. Максименко И.Н., Давыдов В.О. Объектно-ориентированные модели состояний и процессов системы теплоснабжения // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - № 1. - 2006. - С. 39-42.

5. Максименко И.Н., Денисова А.Е., Тодорцев Ю.К. К вопросу об автоматизации интегрированной установки теплоснабжения с возобновляемыми источниками энергии // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - № 2 (14). - 2004. - С. 227-231.

6. Максименко И.Н., Тодорцев Ю.К., Беглов К.В. Модели элементов установки теплоснабжения как объекта автоматизации // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - № 2 (16). - 2005. - С. 27-31.

7. Максименко И.Н., Давыдов В.О., Максимова О.Б. Анализ возмущающих воздействий для исследования автоматизированных систем управления теплоснабжением // Холодильна техніка і технологія. - № 1 (99). - 2006. - С. 89-92.

Размещено на Allbest.ru

...