ДонНТУ   Портал магистров

Звенигородский Иван Иванович

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра автоматики и телекоммуникации

Специальность «Компьютеризованные системы управления»

Автоматизированная система управления подачей тепла

Научный руководитель: к.т.н. доц. Шушура Алексей Николаевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования
• 3. Методы снижения расходов теплоты в системах отопления
• 4. Формирование температуры теплоносителя
• 5. Разработка многоуровневой системы управления теплоснабжением
• Выводы
• Список источников

Введение

Состояние системы жилищно-коммунального хозяйства в его нынешнем виде непосильно ни для потребителей жилищно-коммунальных услуг, ни для бюджетной системы. До 50 процентов бюджета некоторых городов расходуется на теплоснабжение в первую очередь жилищного фонда. Тепловые сети в Украине одни из самых дорогих в мире. По оценкам специалистов на отопление и горячее водоснабжение домов массовой застройки в Украину расходуется вдвое больше энергоресурсов, чем в развитых странах мира с подобными климатическими условиями [5].

1. Актуальность темы

Данная проблема актуальна в связи с дефицитом топливно-энергетических ресурсов, в частности, природного газа, который в данный момент страна покупает по достаточно высоким ценам. Следовательно, нужно максимально оптимизировать функционирование системы теплоснабжения.

2. Цель и задачи исследования

Целью данной работы является максимальное снижение расхода газа, потребляемого системой отопления, поддерживая приемлемый уровень комфорта потребителя.

Основные задачи исследования:

1. Обзор методов снижения расхода тепла, используемого системой отопления.
2. Формирование температуры теплоносителя, достаточной для отопления здания-потребителя тепла.
3. Разработка многоуровневой системы управления теплоснабжением.

3. Методы снижения расходов теплоты в системах отопления

Величина нагрузки на системы отопления прежде всего обусловлена потерями тепла через наружные ограждающие конструкции (трансмиссионные теплопотери). Поэтому в качестве первого способа обеспечения энергосбережения при функционировании зданий реализуется задача значительного повышения термического сопротивления наружных ограждающих конструкций путем применения тепловой изоляции, усовершенствованных конструкций и технологий [2].

В настоящее время в строительстве широко применяются трехслойные панели, в которых средним слоем служит тепловая изоляция толщиной листа от 100 до 150 мм. Это позволило значительно, практически в десять раз, сократить трансмиссионные теплопотери по сравнению с железобетонными панелями без тепловой изоляции, широко применявшимися в строительстве до 1996 г. При строительстве промышленных и общественных зданий широко применяются панели типа «сэндвич», где между двумя оцинкованными стальными листами заливается пенополеуретановый слой тепловой изолинии. Толщина слоя изоляции может быть принята от 30 до 150 мм в зависимости от назначения объекта строительства [7].

Вторым источником тепловой нагрузки на системы отопления является поступление в помещения приточного наружного воздуха. В прежних конструкциях окон со значительными щелями неорганизованное поступление в помещения наружного воздуха (инфильтрация) превышало санитарные нормы (особенно на нижних этажах многоэтажных зданий), что существенно увеличивало расход теплоты на нагрев его. Сейчас широко применяются герметичные окна с установкой в оконные проемы двух стеклоблоков и более, что практически устранило неорганизованные притоки (инфильтрацию) воздуха, но поставило задачу организации требуемого по санитарным нормам воздухообмена в помещениях. Вытяжка из кухни, санузлов и других помещений, где выделяются вредные газы, не будет работать, если вытяжной воздух не будет компенсироваться тем же количеством приточного наружного воздуха. Применение герметичных окон не позволяет осуществлять компенсацию вытяжки неорганизованным притоком наружного воздуха. Это создает повышенную влажность в ванных и санузлах, загазованность на кухнях, накопление вредных газов в помещениях постоянного нахождения людей. Для устранения этого негатива люди прибегают к открытию форточек и фрамуг. При наличии в здании наружных ограждений с повышенной тепловой изоляцией требуемая теплота на нагрев приточного воздуха составляет до 80 % тепловой нагрузки на системы отопления [8].

Отечественный и зарубежный опыт показал, что наиболее энергетически и экономически целесообразный методом снижения нагрузки на системы отопления на нагрев санитарной нормы приточного наружного воздуха является применение установки утилизации теплоты вытяжного воздуха. Убедительным свидетельством этому служит эксперимент, проведённый на многоэтажном здании. В нём был установлен утилизатор теплоты вытяжного воздуха. Он позволил экономить за 1 год около 200000 тыс. грн. Это позволяет сделать вывод, что применение установок утилизации теплоты вытяжного воздуха является эффективным и экономичным методом снижения расхода теплоты в системах отопления [5].

Принцип работы теплообменника наглядно продемонстрирован на рисунке 1.

Существуют различные типы теплообменников-утилизаторов, которые представлены на рисунке 2.

Рекуперативные пластинчатые теплообменники выполняются в виде пакета пластин, установленных таким образом, что они образуют два смежных канала, по одному из которых движется удаляемый, а по другому − приточный наружный воздух. При изготовлении пластинчатых теплообменников такой конструкции с большой производительностью по воздуху возникают значительные технологические трудности, поэтому разработаны конструкции кожухотрубных теплообменников-утилизаторов ТКТ, представляющих собой пучок труб, расположенных в шахматном порядке и заключенных в кожух. Удаляемый воздух движется в межтрубном пространстве, наружный – внутри трубок. Движение потоков перекрестное [6].

С целью предохранения от обледенения теплообменники снабжены дополнительной линией по ходу наружного воздуха, через которую при температуре стенок трубного пучка ниже критической (-20°С) перепускается часть холодного наружного воздуха [6].

Установки утилизации тепла вытяжного воздуха с промежуточным теплоносителем могут применяться в системах механической приточно-вытяжной вентиляции, а также в системах кондиционирования воздуха. Установка состоит из расположенного в приточном и вытяжном каналах воздухонагревателя, соединенного замкнутым циркуляционным контуром, заполненным промежуточным носителем. Циркуляция теплоносителя осуществляется посредством насосов. Удаляемый воздух, охлаждаясь в воздухонагревателе вытяжного канала, передает тепло промежуточному теплоносителю, нагревающему приточный воздух. При охлаждении вытяжного воздуха ниже температуры точки росы на части теплообменной поверхности воздухонагревателей вытяжного канала происходит конденсация водяного пара, что приводит к возможности образования наледи при отрицательных начальных температурах приточного воздуха [6].

Установки утилизации тепла с промежуточным теплоносителем могут работать либо в режиме, допускающем образование наледи на теплообменной поверхности вытяжного воздухонагревателя в течение суток при последующем отключении и оттаивании, либо, если отключение установки недопустимо, при применении одного из следующих мероприятий по защите воздухонагревателя вытяжного канала от образования наледи:

1. Предварительный нагрев приточного воздуха до положительной температуры.
2. Создание байпаса по теплоносителю или приточному воздуху.
3. Увеличение расхода теплоносителя в циркуляционном контуре.
4. Подогрев промежуточного теплоносителя [6].

Выбор типа регенеративного теплообменника производят в зависимости от расчетных параметров удаляемого и приточного воздуха и влаговыделений внутри помещения. Регенеративные теплообменники могут устанавливаться в зданиях различного назначения в системах механической приточно-вытяжной вентиляции, воздушного отопления и кондиционирования воздуха. Установка регенеративного теплообменника должна обеспечивать противоточное движение воздушных потоков [6].

Систему вентиляции и кондиционирования воздуха с регенеративным теплообменником необходимо оснастить средствами контроля и автоматического регулирования, которые должны обеспечивать режимы работы с периодическим оттаиванием инея или предотвращением инееобразования, а также поддерживать требуемые параметры приточного воздуха. Для предупреждения инееобразования по приточному воздуху: устраивают обводной канал; предварительно подогревают приточный воздух; изменяют частоту вращения насадки регенератора [6].

В системах с положительными начальными температурами приточного воздуха при утилизации тепла нет опасности замерзания конденсата на поверхности теплообменника в вытяжном канале. В системах с отрицательными начальными температурами приточного воздуха необходимо применять схемы утилизации, обеспечивающие защиту от обмерзания поверхности воздухонагревателей в вытяжном канале [6].

Третьим способом снижения расходов теплоты в системах отопления является автоматизация работы оборудования, обеспечивающая рациональные режимы отопления зданий. В индивидуальном тепловом пункте здания необходимо автоматизировать процесс приготовления горячей воды с учетом изменения наружных климатических условий, а в отапливаемых помещениях необходимо иметь у отопительных приборов терморегуляторы, обеспечивающие изменение расходов теплоты в зависимости от суточных колебаний теплового режима в отапливаемых помещениях [3].

4. Формирование температуры теплоносителя

Исходя из обзора методов снижения теплопотерь было принято решение о повышении эффективности работы автоматизированной системы теплоснабжения.

Для решения данной задачи, в первую очередь, необходимо определить способы формирования температуры теплоносителя, достаточной для отопления здания Q_{т.от.зд.} Для этого определяются теплопотери внутри здания. Тепловой поток Q_{т.пот.тр} через наружные ограждения площадью S_н, термическим сопротивлением R₀, при температуре в помещении t_в и снаружи здания t_нх вычисляются по формуле 1:

Q_{т.от.зд.}=S_н*(t_в-t_нх)/R₀                                        (1) [3]

Далее рассчитываются нагрузки на систему отопления, которые связаны с нагревом поступающего в помещение холодного наружного воздуха, необходимого для вентиляции. Тепловой поток на нагрев приточного наружного воздуха Q_т.пн вычисляется по формуле 2:

Q_т.пн=L_п.н*p_п.н*c_p*(t_в-t_нх)/3.6                                    (2)

где p_п.н – средняя массовая плотность нагреваемого воздуха, кг/м3; c_p =1 кДж/(кг*°С) – теплоемкость воздуха; 3,6 – переводной коэффициент кДж в Вт/ч. L_п.н – объем инфильтруемого наружного воздуха, м3/ч  [3].

По выражению (2) вычисляется расход теплоты на нагрев приточного наружного воздуха до комнатной температуры. Эти затраты теплоты Q_т.пн. также входят в расчет требуемой тепловой мощности систем отопления. По результатам проведенных расчетов определяется требуемая тепловая мощность системы отопления здания по формуле 3:

Q_т.от.зд=Q_{т.пот.тр}+Q_т.пн                                              (3)

Далее при помощи таблицы зависимости от затрат тепла и диаметра трубопровода определяем температуру теплоносителя в подающем трубопроводе. При промежуточных значениях затрат тепла температуру находим методом интерполяции [3].

Таблица 1 – Нормы затрат тепла трубопроводами всередине помещения с расчётнной температурой 20 гр. Цельсия [1].

5. Разработка многоуровневой системы управления теплоснабжением

Далее следует доработать структуру системы теплоснабжения, включив в неё новые элементы. Для этого всю систему теплоснабжения представим условно как 3 взаимосвязанных подсистемы: подсистема химической водоочистки (ХВО) и подогрева теплоносителя, подсистема передачи и распределения тепла потребителю и подсистема диспетчерского контроля и управления параметрами работы системы [4].

Подсистема ХВО и подогрева теплоносителя состоит из таких подсистем:

подсистема подачи газа (элементы: газопровод и задвижки, газовые счётчики);

подсистема подачи электроэнергии (элементы: линии электропередач, переключатели, электросчётчики);

котлы (элементы: топка, горелка, вентиляция);

подсистема автоматического регулирования (элементы: контрольно-измерительные приборы, регуляторы, реле, пусковые установки);

подсистема утилизации уходящих газов (элементы: утилизатор, трубопроводы);

подсистема подачи воды (элементы: трубопроводы, задвижки, насосы водомеры, резервный бак);

подсистема смягчения воды (элементы: трубопроводы, задвижки, солевая яма, насосы);

подсистема фильтрации воды (элементы: трубопроводы, задвижки, фильтры, насосы);

подсистема ликвидации кислорода из воды (элементы: трубопроводы, задвижки, диаратор, насосы)  [4].

Подсистема передачи и распределения тепла потребителю состоит из следующих элементов: задвижки, сеть трубопроводов, здания-потребители, датчики температуры, регуляторы, приводы электрические многооборотные. В данной системе нечёткий регулятор осуществляет регулирование задвижкой трубопровода здания. В зависимости от номера-идентификатора дома, содержащего в свою очередь информацию о доме, его термических характеристик, и разности фактической и заданной температур воды в обратном трубопроводе нечёткий регулятор формирует управляющее воздействие – угол поворота задвижки. Показания температуры воды в обратном трубопроводе здания поступают от датчика температуры, находящегося в цепи обратной связи [4].

Подсистема диспетчерского контроля и управления параметрами работы системы – это компьютер, включающий программное обеспечение для расчёта и установки требуемых параметров регулирования. Также в базу данных компьютера включается вся информация с датчиков для учёта и статистики [4].

Ниже наглядно представлено взаимодействие всех трёх подсистем (рис. 3).

На рисунке 3 продемонстрировано, как подсистема диспетчерского контроля и управления параметрами работы системы осуществляет управления остальными двумя подсистемами, она также осуществляет связь системы теплоснабжения с внешней средой. Стрелками показан обмен данными между подсистемами  [4].

Далее на рисунке 4 показана сеть теплотрасс в виде модели графа, вершины которого являются здания-потребители тепла, а дуги являют собой трубопроводы.

Граф, изображённый на рисунке 4, состоит из (n+1) вершин: Z={z} и А={а₁ … а_n}. Вершиной Z обозначена котельная. Данный граф наглядно демонстрирует взаимосвязи отапливающей котельной и зданий-потребителей тепла. Котельная Z обладает таким параметром как мощность g, от которого зависит количество обслуживаемых зданий. Здания-потребители тепла представлены множеством вершин А. Элементы а_i є А характеризуются следующими атрибутами:

S – суммарная площадь отапливаемой поверхности здания, кв.м;

R – термическое сопротивление ограждающих стен, К/Вт;

L_пн – объём инфильтруемого наружного воздуха, куб.м/ч;

q – средняя мощность теплового радиатора в здании, Вт/(м*К).

Множество дуг данного графа D={d₁ … d_n} обозначает трубопроводы, проложенные между зданиями-потребителями и котельной. Дуги d_i є D характеризуются такими атрибутами:

f – диаметр трубопровода, мм;

l – длина i-ого трубопровода, суммарная длина проложенных труб от котельной к зданию, м;

к – коэффициент потери тепла трубопроводом прямо зависит от материала трубы, вида теплотрассы, Вт/м [4].

Выводы

Выводы. В данной статье была разработана структура многоуровневой автоматизированной системы управления теплоснабжением жилых зданий, описан порядок её функционирования, обмен данными между её составляющими. Данная система может применяться в централизованных системах теплоснабжения. Система в отличие от аналогов построена на принципах нечёткой логики и позволяет регулировать подачу тепла в здание непосредственно перед поступлением в него теплоносителя, что исключает излишние затраты тепла и увеличивает скорость обнаружения утечки в теплотрассах. Использование подсистемы диспетчерского контроля и управления параметрами работы системы позволяет обеспечить автоматическое ведение учёта данных о подаче тепла.

Примечание: При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: январь 2014 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Либерман Н.Б., Нянковская М.Т. Справочник по проектированию котельных установок систем централизованного теплоснабжения – Москва: «Энергия», 2005. –228 с.
2. Варфоломеев Ю.М. Кокорин О.Я. Отопление и тепловые сети – Москва: «ИНФРА-М» 2008. –507 с.
3. Соловьев Ю.П. Проектирование крупных центральных котельных для комплекса тепловых потребителей – Москва: 1976. –451 с.
4. Многоуровневая система управления теплоснабжением жилых домов / Шушура А.Н., Звенигородский И.И..  // Информационные управляющие системы и компьютерный мониторинг (ИУС-2013) / Материалы II международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Донецк, ДонНТУ, том 1 с. 554−558.  – 2013.
5. Быстрицкий Г.Ф. Общая энергетика, 2005. –160с.
6. Тихомиров К.В. Теплотехника, теплоснабжение и вентиляция. – М.; «Стройиздат», 2001. –248с.
7. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.; «Высшая школа», 2008. –560с.
8. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.; «Энергия», 2007. –545с.