г. Челябинск, пр. Ленина 2к, оф. 800
тел.: (351) 7-555-040
Публикации
Энергоэффективное управление теплоснабжением зданий на основе ПТК ПолиТЭР: методы, алгоритмы, опыт внедрения
1 Октября 2015
Абдуллин Вильдан Вильданович
  начальник отдела автоматизации коммерческого учета энергоресурсов
ООО НПП "Политех-Автоматика"
Шнайдер Дмитрий Александрович
д.т.н., профессор кафедры "АиУ" НИУ ЮУрГУ


Презентация к статье
Скачать в формате PDF (0,395 МБ)

Введение

Повышение эффективности систем отопления зданий является одной из важных задач энерго- и ресурсосбережения для жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации. Так, доля тепловой энергии в общем энергопотреблении основного комплекса зданий Южно-Уральского государственного университета, составляет около 36% [1]. Доля тепловой энергии в структуре энергоресурсов, потребляемых многоквартирными домами еще выше – от 2/3 до 3/4 [2].

Базовым принципом регулирования отопления является управление по температуре наружного воздуха как основному возмущающему фактору систем отопления. Данный подход оправдан, т.к. позволяет получить приемлемое качество, при этом реализует простейшие алгоритмы управления и использует легко измеряемые данные. Однако основной фактор, определяющий качество работы системы отопления – это температура воздуха в помещениях. По этой причине важным является создание систем управления, учитывающих фактические значения температуры воздуха в помещениях здания. Управление отоплением по температуре воздуха в помещениях описано в литературе и предлагается производителями оборудования, однако существует ряд проблем, затрудняющих реализацию данного подхода на практике:
– в различных помещениях многоэтажного здания температура воздуха различается;
– система отопления здания обладает большой инерционностью и проявляет свойства нелинейного распределенного объекта, что затрудняет управление по температуре воздуха в помещении с использованием известных инженерных методов;
– на температуру воздуха в здании влияет множество возмущающих факторов, влияние которых затруднительно измерить или оценить на практике (солнечная радиация, ветер, внутренние бытовые теплопоступления и др.) По этой причине в большинстве существующих на рынке и массово реализуемых на практике систем управления отоплением многоэтажных зданий значение температуры воздуха в помещениях либо не учитывается вовсе, либо используется лишь для контроля качества управления без непосредственного влияния на формирование управляющего воздействия.

Управление отоплением по упреждающей оценке температуры воздуха в помещении

Авторами предложен новый подход [3] к управлению отоплением многоэтажного здания на основе упреждающей оценки температуры воздуха в помещении, рассчитываемой с использованием модели обратной динамики теплового режима здания.

Предложенный подход сочетает базовое управление подачей тепла на отопление здания с дополнительной коррекцией по температуре воздуха в помещениях. Базовое управление осуществляется при помощи регулятора автоматизированного теплового пункта здания в зависимости от основного возмущающего воздействия – температуры наружного воздуха. Дополнительно вводимый контур упреждающего управления осуществляет коррекцию подачи тепла на отопление здания в зависимости от упреждающей (прогнозной) оценки температуры воздуха в помещениях здания. Обобщенная структура предложенной системы упреждающего управления приведена на рис. 1. На рисунке: Тind – температура воздуха в помещении, Т’ind – прогнозная оценка температуры воздуха в помещении, Tout – температура наружного воздуха, Qhb – базовое управляющее воздействие (тепловая мощность), ΔQhcorr. – величина коррекции базового управляющего воздействия, формируемого контуром упреждающего управления, Qhcorr. – откорректированное управляющее воздействие.

В работе [4] предложен подход, использующий концепцию обобщенного температурного возмущения Tz для учета неизмеряемых факторов, влияющих на температуру воздуха в помещении. Под неизмеряемыми факторами в предлагаемом подходе понимаются указанные выше факторы, воздействие которых на систему отопления существенно, однако труднооценимо в реальных условиях. Предложенная концепция позволяет записать уравнение теплового баланса в следующем виде:

formula1

В уравнении (1) величины Tout и Qh измеряются средствами АИТП, Тind определяется как среднее значение температуры, измеряемой в ключевых помещениях здания. Сбор данных осуществляется с использованием современных технологий: интеллектуальных датчиков, объединенных в сеть Microlan или посредством беспроводных сенсорных сетей (ZigBee, WirelessHART). Значения удельных теплопотерь здания qh и обобщенного температурного возмущения Tz могут быть рассчитаны в реальном времени по следующим формулам:

formula2

где Mt {•} – оператор усреднения во времени, F0–1 {•} – оператор обратной динамики теплового режима здания, использующий прогнозирующие свойства экспоненциального сглаживания. [4]

Control system structure

Рис. 1. Обобщенная структура системы управления отоплением здания с контуром упреждающего управления

Оценка эффективности предлагаемого подхода

Для оценки эффективности предлагаемого подхода была разработана математическая модель, позволяющая осуществлять моделирование температурных и теплогидравлических режимов здания, работу оборудования теплового пункта и распределенных элементов системы отопления (трубопроводов, радиаторов). Результаты моделирования показали, что использование предложенного подхода обеспечивает положительный эффект как с точки зрения качества отопления, так и с точки зрения энергосбережения. На рис. 2 представлены результаты моделирования колебаний средней температуры воздуха в помещениях здания при общепринятом регулировании по температуре наружного воздуха (тонкая линия) и с использованием упреждающего управления по прогнозной оценке (жирная линия). Внедрение предлагаемого подхода существенно стабилизирует температуру воздуха в помещениях здания, уменьшая амплитуду суточных колебаний до ±1,2°С и полностью компенсируя статическую ошибку управления, вызванную действием более «медленных» факторов (несовершенство температурного графика, проведение энергосберегающих мероприятий, естественное старение здания и т.д.).

trend

Рис. 2. Результаты моделирования колебаний средней температуры воздуха в помещениях здания

Элементы разрабатываемой системы внедрены в учебно-лабораторном корпусе 3БВ Южно- Уральского государственного университета. В рамках АИТП корпуса реализован алгоритм базового управления, построена сеть Microlan из 25 датчиков для сбора данных о температуре в здании. В настоящее время осуществляется отработка на практике алгоритмов упреждающего управления. Экспериментальные исследования, проведенные на модели и на реальном объекте, показали, что потенциал дополнительного энергосбережения от внедрения предложенного алгоритма в рамках АИТП составляет 10,9%. [4]

Техническая реализация на базе ПТК «ПолиТЭР»

Реализация предложенного подхода производилась с использованием программно- технического комплекса «ПолиТЭР». На рис. 3 представлена экранная форма программного обеспечения АСДУ «ПолиТЭР».

PolyTER

Рис. 3. Экранная форма внедренной системы управления mна базе ПТК «ПолиТЭР»

Сферой применения ПТК «ПолиТЭР» являются объекты ЖКХ, топливно-энергетического комплекса и промышленных предприятий, включая инженерные сети тепло-, водо-, электро-, газо- и пароснабжения. ПТК «ПолиТЭР» соответствует требованиям ГОСТ Р 8.596-2002, ГОСТ Р 8.654-2009 и внесен в государственный реестр средств измерений (регистрационный №53530-13), что позволяет использовать ПТК «ПолиТЭР» в системах коммерческого учета энергоресурсов.

Отличительной особенностью ПТК «ПолиТЭР» является объединение функций коммерческого учета и диспетчерского управления потреблением энергоресурсов в режиме реального времени в рамках единой автоматизированной системы (АСДУ и АИИКУЭ). В ПТК «ПолиТЭР» поддерживаются все наиболее распространенные типы и марки приборов учета и контроллеров, перечень которых постоянно расширяется. Использование единой системы для комплексного контроля над всеми потребляемыми энергоресурсами не только снижает капитальные затраты на внедрение системы диспетчеризации, но также сокращает количество обслуживающего персонала и уменьшает стоимость эксплуатации системы.

На базе ПТК «ПолиТЭР» возможно создание многоуровневых вертикально интегрированных систем, что дает возможность создания как систем индивидуального, так и группового учета и управления. Предусмотрено взаимодействие со смежными автоматизированными системами (расчетные, платежные, бухгалтерские программы), экспорт и импорт данных с использованием стандартных механизмов: SQL-запросов, OPC-серверов, XML (например, в формате 80020).

Встроенные средства онлайн-анализа энергоэффективности и качества энергоснабжения позволяют осуществлять оперативное выявление отклонений фактических значений параметров от установленных норм с учетом допусков, предоставляют функции диагностики исправности приборов учета и контроллеров.

Литература:

[1] По данным энергетического аудита ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ), проведенного в 2012 году.

[2] Эффективное сбережение энергоресурсов – одно из ключевых звеньев реформирования ЖКХ в России / Н. А. Калентьева // Экономическая наука и практика: материалы междунар. науч. конф. (г. Чита, февраль 2012 г.). – C. 198–201.

[3] Building Heating Feed-forward Control Based on Indoor Air Temperature Inverse Dynamics Model / V. V. Abdullin, D. A. Shnayder, A. A. Basalaev // Lecture Notes in Engineering and Computer Science: Proceedings of The World Congress on Engineering and Computer Science 2014, WCECS 2014, 22-24 October, 2014, San Francisco, USA, pp. 886–892.

[4] Method of Building Thermal Performance Identification Based on Exponential Filtration / V. V. Abdullin, D. A. Shnayder, L. S. Kazarinov // Lecture Notes in Engineering and Computer Science: Proceedings of The World Congress on Engineering 2013, Volume III, WCE 2013, 3-5 July, 2013, London, U.K., pp. 2226-2230.

© ООО НПП «Политех-Автоматика», 2008–2017
Разработка сайта: ООО «ГиперСеть»