Разработка автоматизированной системы регулирования теплоснабжения производственных помещений с применением теплоотражающих экранов в окнах

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина

Разработка автоматизированной системы регулирования теплоснабжения производственных помещений с применением теплоотражающих экранов в окнах

Яблоков А.А.

Кандидат технических наук

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.

теплоотражающий экран теплоснабжение автоматизированный

Abstract

Yablokov A.A.

PhD in Engineering,  vanovo 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

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 и(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 VОП j, 4,5-объем воздуха в помещении Vвозд j, 8 - площадь проходного сечения канала (щели в стене) f, коэффициент гидравлического сопротивления о, 9 - площадь стены Fстен, коэффициент теплопередачи стены kстен, 10 - площадь ограждающих конструкций (окна, наружные стены) Fогр.к., приведенное сопротивление теплопередаче R, 11 - площадь поверхности отопительного прибора FОП, коэффициент теплопередачи металла отопительного прибора kмет-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;

См, Tм - теплоемкость и температура металла;

Fвн, Fн - внутренняя и наружная поверхности теплообмена;

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

Q2 - теплота, полученная теплоносителем от металла труб;

Gг, Tг ,iг, сг - расход, температура, энтальпия и плотность дымовых газов;

Qтв - тепловыделение в камере сгорания, Дж/с;

В, Qнр - расход природного газа, низшая теплота сгорания природного газа;

Gв, iв - 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 Мм, 5 - коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к металлу поверхности нагрева б1г, степень черноты топки бт, постоянную Больцмана у0; 6 - коэффициент теплоотдачи при течении воды в прямых гладких трубах б2; 7 - объем дымовых газов Vг.

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, м2.0С /Вт;

  - коэффициент теплоотдачи от внутреннего воздуха к стеклу, принимаем 8,7 Вт /м2.0С.

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

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.

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.

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.

Размещено на Allbest.ru