Введение
Системы водяного отопления являются одним из важных классов систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. В зимний период, в холодных климатических условиях, таких как в Казахстане, приблизительно 30% расхода энергии в зданиях приходится на системы отопления. Разработка улучшенных методов регулирования с целью снижения большого расхода энергии в высотных зданиях очень важна, так как они являются крупнейшими потребителями энергии. По этой причине очень важно разработать эксплуатационные методы энергосбережения для систем водяного отопления. В данной научной публикации рассмотрена многоэтажная многозональная система водяного отопления для высотного здания. В верхней части десятиэтажного здания, находится машиннокотельное помещение. Система водяного отопления связана вертикальными трубами на каждом этаже. Трубопроводная сеть спроектирована как замкнутая циркуляционная система водяного отопления, притом, что вторичная сеть трубопроводов на каждом этаже является двухтрубной системой с попутным движением воды в подающей и обратной линиях. Расход топлива отопительного котла контролируется пропорционально-интегральным (ПИ) регулятором с целью регулирования температуры воды в системе.
Главной задачей данного документа является разработка общей развернутой динамической модели систем водяного отопления для высотных зданий. Будет проведено исследование, как динамических характеристик температуры, так и водных масс систем водяного отопления. Помимо этого, будет проведено исследование метода установки значений температуры отопительного котла, с использованием системы нечеткого вывода, с целью проверки эффективности регулирования и потребления энергии.
Динамическая модель многоэтажного здания с системой водяного отопления
Для разработки динамической модели многоэтажного здания с системой водяного отопления был использован трехуровневый метод. Для начала была разработана однозональная (одна комната) модель. Затем данная модель была расширена до одноэтажной многозональной модели. В результате был применен метод суммирования характеристик для разработки общей модели многоэтажного здания с системой водяного отопления.
Модель воспроизводит динамические характеристики температуры, расхода водных масс и частоты вращения мотора системы. Путем применения принципов топливно-энергетического баланса, уравнение, описывающее динамические характеристики температуры воздуха в помещении, воды и наружной стены, выражены следующим образом. Воздух помещения
Уравнения (3) и (4) описывают топливно-энергетический баланс на наружной стене, внешнего и внутреннего пристенных слоев соответственно. Всего использовано шесть уравнений для описания динамических параметров системы отопления одной комнаты. Таким же образом были сформулированы динамические уравнения для всех зон здания.
Водные массы в системе труб
Водные массы в системе труб были смоделированы при помощи следующих трех принципов: (1) поддержание целостности всех независимых цепей и всех соединений сети, (2) соотношение импульсов должно соответствовать для всех отрезков труб в, и (3) циклический интеграл падения давления во всех независимых цепях должен равняться нулю. Необходимо принимать во внимание все компоненты каждой независимой цепи.
193
Падение давления отрезков труб, фитингов и оборудования
Не принимая во внимание эффект изменения плотности и при условии течения несжимаемой жидкости, соотношение импульсов контрольного объема [1] в отрезке трубы может быть сформулировано как
В данном уравнении равновесия сил контрольного объема, ускорение равняется статическому давлению и силе трения, действующих на контрольный объем. Cf - числовая функция Рейнольдса и геометрии трубы [2]. Допуская, что Cf постоянная величина, объединение Уравнения (6) от 0 до L образует
Уравнение (7) показывает, что изменение импульса в отрезке трубы равняется силе, вызванной разностью давлений, минус сила трения. Применяя уравнение (7) для каждого отрезка трубы в системе, был разработан комплект уравнений, описывающих скорость изменения расхода водных масс во всей системе. Применяя вышеизложенные принципы к гидравлическим системам, был разработан комплект из 37 динамических уравнений расхода водных масс для всех независимых трубопроводов замкнутого контура. Данные уравнения приведены в матричной форме (8).
где матрица М1 включает все члены L/А и матрица М2 включает члены, состоящие из высоты нагнетания насоса и потери на трение в трубах, оборудовании (отопительного котла и регулирующие клапаны), и фитингах. Насосная установка Основные уравнения для модели насосной установки были заимствованы из [1].
Условные обозначения:
A -Участок (м2),ſŵ -Коэффициент коррекции расхода водных масс, P - Давление воды (Па/м2), ACH -Изменение воздуха за час (no./ч), HV - Теплотворная способность (Дж/кг), q -Скорость теплопередачи на единицу площади (В/м2), Ad -Периметр участка трубы (м), kp -Пропорциональный приток, R -Коэффициент, c -Удельная теплоемкость (Дж/кгº C), ki - Коэффициент передачи интегрального регулятора, t -Время (с), C - Тепловая мощность (Дж/º C), L -Длина обогревателя или трубы (м), T - Температура (º C), Cf -Коэффициент Трения, т -Расход водных масс (к/с), и
194
-Переменный параметр регулирования, dx -Длина трубы (м), m -Масса на единицу длины (кг/м), U -Потери тепла на корпус (В/м2º C), f -Сила трения (Па), M –Матрица, V -Объем помещения (м3), α1~α3 -Коэффициент сглаживания, ρ -Плотность (кг/м3), Ω -Коэффициент теплопередачи обогревателя плинтусного типа
Индексы:
a –Воздух, max –Максимальный, sf –Поверхность, b –отопительный котел, n -Фактор (верхний индекс), sol -Солнечное излучение, e –Восток, n -Серер (субиндекс), sp -Заданное значение, f –Топливо, o –Наружный, w -Вода или запад, htr -Обогреватель плинтусного типа, out –Выход, win –Окно, i – Внутренний, r –Обратный, wl –Стена, in –Ввод, s -Вода в подающей линии или юг, z –Зона, int -Внутренний тепловой источник, seg -Отрезок трубы.
Эксплуатационные методы
Было разработано два метода установки температуры отопительного котла для исследования и воздействия на расход энергии.
Данные методы были применены на контуре регулирования котельного топлива с использованием ПИ регулятора.
Исследуемые методы включают:
Вариант 1, установка значения температуры отопительного котла на основе ежедневной средней величины температуры наружного воздуха; и Вариант 2, установка значения температуры отопительного котла на основе использования интеллектуальной системы нечеткого вывода.
Вариант 1: установка значения температуры отопительного котла на основе ежедневной средней величины температуры наружного воздуха.
В Варианте 1 (консервативный вариант), температура горячей воды в отопительном котле системы отопления была установлена на основе температуры наружного воздуха, зафиксированной в течение предыдущих 24 часов. ПИ регулятор был использован для отслеживания этой выбранной установки. Причиной также является то, что температура наружного воздуха постоянно меняется, тепловая нагрузка быстро не изменяется.
Вариант 2: установка температуры отопительного котла, основанная на системе нечеткого вывода.
Интерес к использованию интеллектуальной системе регулирования, такой как методы регулирования нечеткой логики, для систем отопления, растет. Данная теория основана на принципе нечетких множеств, которые могут получать значения с интервалом [0, 1] и используются для представления степени принадлежности. Нечеткие переменные выражаются в лингвистической форме так, что ввод и вывод могут быть экстраполированы в пересчете на лингвистические переменные, которые не являются точными математическими функциями. Окончательный вывод данных из системы нечетких выводов достигается в пять этапов: введение нечеткости, нечеткая логическая операция (мин.), импликация (мин.), агрегирование (макс.) и получение результата методом нечеткой логики (центр оперативной устойчивости).
В данной научной публикации установленное значение температуры горячей воды в подающей линии определяется с использованием интеллектуальной системы нечетких выводов, основанной на лингвистических переменных, описывающих температуру наружного воздуха и внутреннее увеличение тепла. Всего было выбрано 3×7 функциональных принадлежностей для трех лингвистических переменных таких как температура наружного воздуха, норма дополнительного притока тепла и заданные значения температуры воды в подающей линии в системы нечетких выводов. Условные обозначения функциональных принадлежностей приведены на рисунке 1. База правил для системы нечетких выводов приведена в таблице 1.
196 Условные обозначения (c): VLW = очень низкий, LW = низкий, LMD = немного средний, MID = средний, LH = немного высокий, HIGH = высокий, VH = очень высокий
В базе правил, заданные значения температуры воды в подающей линии могут быть выведены на основе лингвистического отношения между переменными ввода (температура наружного воздуха и норма дополнительного притока тепла) и переменными вывода (заданные значения температуры воды в подающей линии). Например, температура наружного воздуха CD (холодная) и норма дополнительного притока тепла HIGH (высокая), тогда температура воды в подающей линии должна быть LH (немного высокой).
Вывод ПИ Регулятора был определен с использованием уравнения (9): где uf означает сигнал управления расходом топлива, который основан на системе нечеткого вывода заданных значений температуры воды в подающей линии.
В соответствии с системой нечетких выводов, используемой в системе регулирования, при получении сигнала ввода температуры наружного воздуха и солнечного излучения, машина нечеткого логического вывода устанавливает заданные значения температуры воды в подающей линии. После чего, заданные значения температуры воды в подающей линии сравниваются с измеренной на отопительном котле температурой воды в подающей линии.
Расширенный ПИ регулятор с нечетким алгоритмом приводится в действие отклонением заданного значения температуры воды в подающей линии измеренной величины (сигнал ошибки).
В заключение применяется контрольный сигнал расхода топлива (uf) для регулирования температуры воды в подаваемой линии отопительного котла с целью отслеживания заданных значений.
197
Заключение
Модель системы водяного отопления для высотных зданий разработана на основе принципов баланса масс, импульсов и энергии. Разработанная модель использована для получения свойств системы, моделирования методов регулирования и расчета расхода энергии. Был высчитан расход энергии, возникающий в результате использования двух методов, описанных в данной научной публикации. Ежедневный расход энергии при использовании метода Варианта 1, в котором заданное значение температуры воды отопительного котла было определено на основе средней ежедневной температуры наружного воздуха, составила 16.7 ГДж, по сравнению с 15.0 ГДж в Варианте 2, при котором заданное значение температуры воды отопительного котла было определено при помощи интеллектуальной системы с нечетким выводом.
Из экспериментального прогона моделирующей программы видно, что экономия энергии до 10% может быть достигнуто при использовании интеллектуального метода нечеткой логики.
Литература
- Zheng, G.R., 1997, Dynamic modeling and global optimal operation of multizone variable air volume HVAC system, Ph.D. thesis, Concordia University, Montreal, Canada.
- McQuiston, F.C., and Parker, J.D., 2005. Heating, Ventilating, and Air Conditioning Analysis and Design (6th ed.), John Wiley & Sons, Inc., New York.