Автоматизированная система мониторинга энергоэффективности муниципальных объектов г. Донецка

Организация системы энергоменеджмента включает в себя семь этапов:

– создание базы данных удельных показателей энерго- и ресурсопотребления;

– составление энергетических паспортов объектов;

– построение стандартизированных графиков ресурсопотребления, определение среднего уровня и выявление отклонений;

– анализ причин отклонений в потреблении энергоресурсов от оптимального уровня;

– проведение энергоаудита на объектах с завышенным энергопотреблением;

– разработка проектов энергосбережения;

– непрерывное поддержание системы энергоменеджмента в работоспособном состоянии и обновление данных.

Информационная структура системы предполагает логическую схему, представленную на рисунке 2.

Автоматизированные рабочие места, созданные при районных учреждениях образования, здравоохранения и подобных ведомствах, позволяют обрабатывать поступающую информацию о состоянии энергопотребления и температурного режима объектов. Введенная и обработанная информация поступает через сеть Internet на сервер системы мониторинга энергоменеджмента, который находится в Донецком городском совете. Так же на сервер в автоматическом режиме поступает информация с автоматических постов, расположенных на объектах, а так же с метеостанций. В случае, если на объекте имеется выход в сеть Internet, то персонал может самостоятельно передавать информацию на сервер, который обслуживает отдел энергоменеджмента, анализируя информацию для принятия решений вышестоящими управлениями городского совета. Сервер, посредством web-портала, предоставляет информацию о состоянии энергопотребления управлениям городского совета.

Проработанная структура базы данных, хранимой на сервере, представлена на рисунке 3.

Техническое обеспечение данной системы предполагает наличие следующих средств: температурных датчиков и расходомеров энергоресурсов, по беспроводной сети передающих информацию на промышленные средства сбора данных, мини-ЭВМ, которые собирают данную информацию, телефонных проводных модемов, которые передают данную информацию на сервер, где происходит хранение и анализ полученных результатов.

Данная автоматизированная система предназначена для создания информационной основы эффективного энергоменеджмента города. Анализ собираемых данных служит для проведения оценки, в результате которой определяются объекты с наименее эффективным расходованием энергоресурсов. Нет необходимости проводить замеры потребления энергии в реальном времени по всему городу, однако необходимо иметь возможность создавать модели, позволяющие проводить оценку потребления энергии на основе использования системных методов. Поэтому предлагаемая автоматизированная система должна иметь математическое обеспечение для моделирования энергопотребления, основанное на использовании:

- имитационных моделей теплообмена в зданиях;- балансовых уравнений потребления энергии по территориальному или ведомственному признакам; - модулей обобщения полученных данных на основе средств графического представления информации.

Математическая модель формирования теплового режима здания, в общем случае, сводится к составлению уравнений теплового баланса, описывающих перенос тепла воздухообменом, внешние климатические воздействия, теплопотери через наружные ограждения за счет теплопроводности и фильтрации, теплопоступления от технологического оборудования и т. д.

Для моделирования теплового режима необходимо проведение натурного эксперимента, в результате которого определяются:

- фактические теплозащитные характеристики наружных ограждений;

- особенности распределения температуры внутреннего воздуха в помещениях зданий;

- теплоаккумулирующие характеристики здания;

- инерционность систем отопления;

- мощность внутренних тепловыделений.

Во время наблюдений измеряются:

- температура, влажность, скорость и направление ветра атмосферного воздуха;

- интенсивность солнечной радиации;

- температура и влажность внутреннего воздуха в помещениях здания;

- температура внутренней, наружной поверхностей здания и оборудования.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При мониторинге системы отопления здания измеряются параметры, перечисленные ниже.

1) По данным теплового счетчика определяются: мгновенная тепловая нагрузка здания , (кВт); потребленная тепловая энергия , ; мгновенный массовый расход воды в сети отопления m_в, т/ч, (кг/с); мгновенный объемный расход воды в сети отопления V, м³/ч, (м³/с); количество протекающей воды M_в, т или V, м³; температура воды в подающей линии , ⁰С; температура воды в обратной линии , ⁰С; время наработки счетчика на момент замера.

2) Температура воздуха внутри помещений t_вн, ⁰С;

3) Температура наружного воздуха t_нар, ⁰С.

Дополнительно могут учитываться погодные условия по данным метеорологической станции:

- скорость ветраW, м/с;

- наличие осадков, мм;

- освещенность.

4) Минимальная информация, которая предоставляется о здании:

- объем здания V_зд, м³;

- год постройки, назначение.

- расчетный температурный график системы отопления (,).

Температура воды в подающей и обратной линии тепловой сети относятся к характеристике потребляемой нагрузки во время замера, поэтому для того, чтобы эти значения были информативными, необходимо измерять мгновенную тепловую нагрузку и мгновенный расход сетевой воды.

Модель строится на основании теплового баланса здания, который выражается следующими уравнениями:

, (1)

где - тепловой поток, который теряется зданием в окружающую среду, кВт (Мкал/ч); - удельная отопительная характеристика здания, Вт/(м³•К); V_зд - объем здания по наружному обмеру, м³.

Компенсация этих потерь, осуществляется за счет подачи тепловой энергии из тепловой сети:

, (2)

где - расход воды в сети отопления, т/ч (кг/с), с - теплоемкость воды, кДж/кг•К (в рабочем интервале температур изменяется незначительно и может приниматься равной 4,19 кДж/кг•К).

Для передачи тепла непосредственно в помещениях здания используются отопительные приборы (радиаторы, конвекторы). Тепло, передаваемое отопительными приборами, определяется выражением:

, (3)

где - средний коэффициент теплопередачи от воды, циркулирующей в отопительных приборах к воздуху в помещениях, Вт/(м²•К) или ккал/(ч•м²•К); F - площадь теплообменной поверхности отопительных приборов, установленных в здании, м²; - среднелогарифмический температурный напор между отопительными приборами и воздухом помещений.

В стационарном режиме, при отсутствии дополнительных внутренних источников тепловыделения, прогрева помещений за счет солнечной инсоляции и т.д.:

.(4)

Поскольку тепловой счетчик фактически фиксирует тепло, отдаваемое отопительными приборами с учетом передачи тепла от труб внутреннего отопительного контура (а оно также может быть учтено в формуле (4)), то в любом режиме:

.(5)

Таким образом, определив экспериментально среднюю температуру внутри здания при отсутствии внутренних тепловыделений (лучше всего подходит ночное время при отсутствии осадков и сильного ветра), находится температурный напор от отопительной системы здания и с учетом (5) вычисляется значение комплекса:

.(6)

Действительный параметр отопительной системы, (который определяет теплоотдачу отопительной системы ) определяется в расчетных условиях [2 ]:

.(7)

При этом внутренний отопительный контур должен быть в нормальном состоянии (промыт, отремонтирован, отопительные приборы не должны быть загромождены и т.п., то есть быть в состоянии нормальной эксплуатации). В таком случае будет постоянной величиной в любом режиме и при любых температурных условиях. Снижение данной характеристики в дальнейшем будет свидетельствовать о засорении отопительных приборов и необходимости их промывки или ревизии.

Внутренние тепловыделения в здании с определенной степенью точности могут быть определены по следующей формуле:

,(8)

где - средняя температура в здании, которую создает система отопления без учета внутренних источников тепла.

Произведение является отопительной характеристикой здания. Данная характеристика, определенная как:

,(9)

должна оставаться в стационарном режиме отопления постоянной величиной. Изменение данного показателя будет свидетельствовать об изменении термического сопротивления конструкции здания, что может быть следствием сильного ветра, намокания ограждений и т.п. Однако, отопительная характеристика здания, рассчитанная только на основании данных теплового счетчика, обычно дает значительный разброс значений. В связи с этим, действительная характеристика определяется как средняя за весь отопительный период.

Зная объем здания, находится удельная отопительная характеристика здания и эта величина сравнивается с нормативным показателем. Однако следует учитывать условность такого сравнения, так как определяющим показателем для данной характеристики является не объем здания, а такие параметры как:

- площадь наружных ограждений здания;

- коэффициент остекления боковых поверхностей;

- характеристика крыши, подвала, стен и пр.

Следующим этапом является определение расчетной отопительной нагрузки здания:

, (10)

исходя из которой, далее находим параметр отопительной системы в расчетных условиях, который необходим для расчета отопительной нагрузки здания:

,(11)

где - температурный напор, который должна создать система отопления здания в расчетных условиях.

При сравнении действительного значения , определенного по формуле (7) с необходимым расчетным можно сделать некоторые выводы:

1) если, то существующей поверхности отопительных приборов недостаточно для полноценной отопительной нагрузки здания, даже если тепловая сеть будет строго выполнять проектный температурный график. При этом, отклонение уже на 10% является критическим, при котором увеличив расход теплоносителя в допустимых пределах невозможно добиться необходимого увеличения температурного напора. Частными случаями снижения могут быть: загрязнение, гидравлическая развертка отопительного контура, загромождение отопительных приборов и т. д.;

2) если , отопительная система здания имеет достаточную тепловую мощность для удовлетворения расчетной нагрузки и возможен переход на пониженный температурный график по отношению к проектному, или снижение расхода теплоносителя относительно проектного значения.

Делать вывод о том, что тепловая сеть недодает или дает с избытком тепловую энергию для отопления здания можно лишь на основании анализа температурного графика тепловой сети с учетом индивидуального расхода теплоносителя на заданный объект.

Однако, учитывая специфику работы тепловой сети, отклонение от проектного температурного графика нельзя заранее считать нарушением, и, соответственно, делать вывод о недогреве или перегреве отапливаемых зданий. Так, если действительные характеристики зданий и их отопительных систем отличаются от проектных значений, (а это чаще всего так и происходит, так как системы проектируются с определенным запасом), или они изменились в процессе эксплуатации, возникает необходимость корректировки температурного графика. Температура сетевой воды в подающей линии для всех потребителей примерно одинакова (для удаленных потребителей она снижается из-за тепловых потерь в сети). В то же время температура в обратной линии может существенно отличаться для разных потребителей в зависимости от индивидуальных характеристик их систем отопления. При наладке тепловой сети, нагрузки потребителей корректируются расходами теплоносителя.

На основании определенных выше параметров системы отопления и характеристики здания можно произвести расчет индивидуального температурного графика для каждого здания. Далее, сравнивая действительные значения параметров сетевой воды с полученным индивидуальным графиком, можно делать вывод о дефиците или избытке тепловой энергии, подаваемой из тепловой сети.

Индивидуальный температурный график определяется, согласно следующего алгоритма:

1) определяются характеристики здания и его отопительной системы: по формуле (9) и по формуле (11);

2) определяется текущее значение отопительной нагрузки при данной температуре наружного воздуха t_нар:

, (12)

где t_вн - нормативное значение средней температуры в здании;

3) определяется текущее значение комплекса k•F:

;(13)

4) определяется среднелогарифмический температурный напор:

.(14)

Далее необходимо учитывать, что необходимая температура сетевой воды в подающей линии и ее расход - величины взаимосвязанные. В таком случае задача сводится либо к определению необходимого расхода при заданном значении , либо к необходимому значению температуры теплоносителя на входе в здание при заданном расходе G_в.

5а) Если задан расход теплоносителя Gв, то, решая систему уравнений:

, (15)

получим:

.(16)

5б) Если задана температура теплоносителя на входе в здание , то из выражения теплового баланса получаем расход:

, (17)

где (с погрешностью не более 2,5%).

Реализация системы и анализ полученных результатов