ДонНТУ   Портал магистрв

Звенигородський Іван Іванович

Факультет комп'ютерних інформаційних технологій і автоматики

Кафедра автоматики і телекомунікації

Спеціальність «Компьютеризовані системи управління»

Автоматизована система управління подачею тепла

Науковий керівник: к.т.н. доц. Шушура Олексій Миколаєвич

Реферат Біографія Резюме

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження
• 3.  Засоби зниження витрат тепла в системах опалення
• 4. Формування температури теплоносія
• 5. Розробка багаторівневої системи управління теплопостачанням
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Стан системи житлово-комунального господарства в його нинішньому вигляді непосильно ні для споживачів житлово-комунальних послуг, ні для бюджетної системи. До 50 відсотків бюджету деяких міст витрачається на теплопостачання в першу чергу житлового фонду. Теплові мережі в Україні одні з найдорожчих у світі. За оцінками фахівців на опалення та гаряче водопостачання будинків масової забудови в Україну витрачається вдвічі більше енергоресурсів, ніж у розвинених країнах світу з подібними кліматичними умовами [5].

1. Актуальність теми

Дана проблема актуальна у зв'язку з дефіцитом паливно-енергетичних ресурсів, зокрема, природного газу, який на даний момент країна купує за досить високими цінами. Отже, потрібно максимально оптимізувати функціонування системи теплопостачання.

2. Мета і задачі дослідження

Метою даної роботи є максимальне зниження витрат газу, споживаного системою опалення, підтримуючи прийнятний рівень комфорту споживача.

Основні задачі дослідження:

1. Огляд засобів зниження витрат тепла, використовуваного системою опалення.
2. Формування температури теплоносія, достатньої для опалення будівлі-споживача тепла.
3. Розробка багаторівневої системи управління теплопостачанням.

3. Методи зниження витрат тепла в системах опалення

Навантаження на системи опалення перш за все зумовлене витратами тепла через зовнішні огороджувальні конструкції (трансмісійні тепловитрати). Тому в якості першого засобу забезпечення енергозбереження при функціонуванні будівль реалізується завдання значного підвищення термічного опору зовнішніх огороджувальних конструкцій шляхом застосування теплової ізоляції, удосконалених конструкцій і технологій [2].

На даний час в будівництві широко застосовуються тришарові панелі, в яких середнім шаром служить теплова ізоляція товщиною листа від 100 до 150 мм. Це дозволило значно, практично в десять разів, зкоротити трансмісійні тепловитрати в порівнянні з залізобетонними панелями без теплової ізоляції, які широко застосовувалися а будівництві до 1996 р. При будівництві промислових і громадських будівель широко застосовуються панелі типу «сендвіч», де між двома оцинкованими сталевими листами заливається пенополеуретановий шар теплової ізолінії. Товщина шару ізоляції може бути прийнята від 30 до 150 мм залежно від призначення об'єкта будівництва [7].

Другим джерелом теплового навантаження на системи опалення є надходження до приміщення припливного зовнішнього повітря. У колишніх конструкціях вікон із значними щілинами неорганізоване надходження в приміщення зовнішнього повітря (інфільтрація) перевищувало санітарні норми (особливо на нижніх поверхах багатоповерхових будівель), що істотно збільшувало витрату теплоти на нагрів його. Зараз широко застосовуються герметичні вікна з установкою у віконні прорізи двох склоблоків і більше, що практично усунуло неорганізовані притоки (інфільтрацію) повітря, але поставило завдання організації необхідного за санітарними нормами повітрообміну в приміщеннях. Витяжка з кухні, санвузлів та інших приміщень, де виділяються шкідливі гази, не працюватиме, якщо витяжне повітря не буде компенсуватися тією ж кількістю припливного зовнішнього повітря. Застосування герметичних вікон не дозволяє здійснювати компенсацію витяжки неорганізованим припливом зовнішнього повітря. Це створює підвищену вологість у ванних і санвузлах, загазованість на кухнях, накопичення шкідливих газів в приміщеннях постійного перебування людей. Для усунення цього негативу люди вдаються до відкриття кватирок і фрамуг. За наявності в будинку зовнішніх огороджень з підвищеною тепловою ізоляцією необхідне тепло на нагрівання припливного повітря становить до 80% теплового навантаження на системи опалення [8].

Вітчизняний і зарубіжний досвід показав, що найбільш енергетично та економічно доцільний методом зниження навантаження на системи опалення на нагрівання санітарної норми приточного зовнішнього повітря є застосування установки утилізації теплоти витяжного повітря. Переконливим свідченням цьому служить експеримент, проведений на багатоповерховій будівлі. У ньому був встановлений утилізатор теплоти витяжного повітря. Він дозволив економити за 1 рік близько 200000 тис. грн. Це дозволяє зробити висновок, що застосування установок утилізації теплоти витяжного повітря є ефективним і економічним методом зниження витрат теплоти в системах опалення [5].

Принцип роботи теплообмінника наочно продемонстрований на рисунку 1.

Існують різні типи теплообмінників-утилізаторів, які представлені на рисунку 2

Рекуперативні пластинчаті теплообмінники виконуються у вигляді пакету пластин, встановлених таким чином, що вони утворюють два суміжних канали, по одному з яких рухається видалене, а по іншому – припливне зовнішнє повітря. При виготовленні пластинчастих теплообмінників такої конструкції з великою продуктивністю по повітрю виникають значні технологічні труднощі, тому розроблені конструкції кожухотрубних теплообмінників-утилізаторів, що представляють собою пучок труб, розташованих у шаховому порядку. Видалене повітря рухається в міжтрубному просторі, зовнішнє – всередині трубок. Рух потоків перехресний [6].

З метою запобігання від обмерзання теплообмінники забезпечені додатковою лінією по ходу зовнішнього повітря, через яку при температурі стінок трубного пучка нижче критичної (-20°С) перепускається частина холодного зовнішнього повітря [6].

Установки утилізації тепла витяжного повітря з проміжним теплоносієм можуть застосовуватися в системах механічної припливно-витяжної вентиляції, а також в системах кондиціонування повітря. Установка складається з розташованого в припливному і витяжному каналах повітронагрівача, з'єднаного замкнутим циркуляційним контуром, заповненим проміжним носієм. Циркуляція теплоносія здійснюється за допомогою насосів. Повітря, що видаляється, охолоджуючись в повітронагрівачі витяжного каналу, передає тепло проміжного теплоносія, нагріває припливне повітря. При охолодженні витяжного повітря нижче температури точки роси на частині теплообмінної поверхні повітронагрівачів витяжного каналу відбувається конденсація водяної пари, що призводить до можливості утворення полою при негативних початкових температурах припливного повітря [6].

Установки утилізації тепла з проміжним теплоносієм можуть працювати або в режимі, який дозволяє утворення криги на теплообмінній поверхні витяжного повітронагрівача протягом доби при подальшому відключенні і відтаванні, або, якщо відключення установки неприпустимо, при застосуванні одного з слідуючих заходів щодо захисту повітронагрівача витяжного каналу від утворення полою:

1. Попередній нагрів припливного повітря до плюсової температури.
2. Створення байпасу по теплоносію або припливному повітрю.
3. збільшення витрат теплоносія в циркуляційному контурі.
4. Підігрів проміжного теплоносія [6].

Вибір типу регенеративного теплообмінника виконують залежно від розрахункових параметрів видаленого і припливного повітря і волого виділень всередині приміщення. Регенеративні теплообмінники можуть встановлюватися в будинках різного призначення в системах механічної припливно-витяжної вентиляції, повітряного опалення та кондиціонування повітря. Установка регенеративного теплообмінника повинна забезпечувати протитечійний рух повітряних потоків [6].

Систему вентиляції та кондиціонування повітря з регенеративним теплообмінником необхідно оснастити засобами контролю та автоматичного регулювання, які повинні забезпечувати режими роботи з періодичним відтаюванням інею або запобіганням інеєтворенні, а також підтримувати необхідні параметри припливного повітря. Для попередження інеєтворення по повітрю приточування: влаштовують обвідний канал; попередньо підігрівають припливне повітря; змінюють частоту обертання насадки регенератора [6].

У системах з плюсовими початковими температурами припливного повітря при утилізації тепла немає небезпеки замерзання конденсату на поверхні теплообмінника у витяжному каналі. У системах з мінусовими початковими температурами припливного повітря необхідно застосовувати схеми утилізації, які забезпечують захист від обмерзання поверхні повітронагрівачів у витяжному каналі [6].

Третім засобом зниження витрат теплоти в системах опалення є автоматизація роботи обладнання, що забезпечує раціональні режими опалення будівель. В індивідуальному тепловому пункті будівлі необхідно автоматизувати процес приготування гарячої води з урахуванням зміни зовнішніх кліматичних умов, а в опалювальних приміщеннях необхідно мати в опалювальних приладів терморегулятори, що забезпечують зміни витрат теплоти залежно від добових коливань теплового режиму в опалюваних приміщеннях [3].

4. Формування температури теплоносія

Виходячи з огляду засобівів зниження тепловитрат було прийнято рішення про підвищення ефективності роботи автоматизованої системи теплопостачання.

Для вирішення даної задачі, в першу чергу, необхідно визначити засоби формування температури теплоносія, достатньої для опалення будівлі Q_{т.от.зд.} Для цього визначаються тепловтрати всередині будівлі. Тепловий потік Q_{т.пот.тр} через зовнішні огорожі площею S_н, термічним опором R₀, при температурі в приміщенні t_в і зовні будівлі t_нх обчислюються за формулою 1:

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

Далі розраховуються навантаження на систему опалення, які пов'язані з нагріванням надходячего в приміщення прохолодного зовнішнього повітря, необхідного для вентиляції. Тепловий потік на нагрівання припливного зовнішнього повітря Q_т.пн обчислюється за формулою 2:

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

де p_п.н – середня масова щільність повітря, що нагрівається, кг/м3; c_p =1 кДж/(кг*°С) – теплоемність повітря; 3,6 – перевідний коефіцієнт кДж в Вт/г. L_п.н – об'єм інфільтруємого зовнішнього повітря, м3/г  [3].

За формулою (2) обчислюється витрата теплоти на нагрів припливного зовнішнього повітря до кімнатної температури. Ці витрати теплоти Q_т.пн також входять у розрахунок необхідної теплової потужності систем опалення. За результатами проведених розрахунків визначається необхідна теплова потужність системи опалення будівлі за формулою 3:

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

Далі за допомогою таблиці залежності від витрат тепла і діаметра трубопроводу визначаємо температуру теплоносія в подає трубопроводі. При проміжних значеннях витрат тепла температуру знаходимо методом інтерполяції.

Таблиця 1 – Норми витрат тепла трубопроводами всередині приміщення з розрахунковою температурою 20 гр. Цельсія[1]

5. Розробка багаторівневої системи управління теплопостачанням

Далі слід доопрацювати структуру системи теплопостачання, включивши в неї нові елементи. Для цього всю систему теплопостачання представимо умовно як 3 взаємопов'язаних підсистеми: підсистема хімічного водоочищення (ХВО) і підігріву теплоносія, підсистема передачі та розподілу тепла споживачеві і підсистема диспетчерського контролю та управління параметрами роботи системи [4].

Підсистема ХВО та підігріва теплоносія зкладається з таких підсистем:

підсистема подачі газу (елементи: газопровід і засувки, газові лічильники);

підсистема подачі электроенергії ( елементи: лінії електропередач, перемикачі, электролічильники);

котел (елементи: топка, пальник, вентиляція);

підсистема автоматичного регулювання (елементи: контрольно-вимірювальні прилади, регулятори, реле, пускові установки);

підсистема утилізациї газів (елементи: утилізатор, трубопроводи);

підсистема подачі води (елементи: трубопроводы, задвижки, насосы водомеры, резервный бак);

підсистема пом'якшування води (елементи: трубопроводи, засувки, солева яма, насоси);

підсистема фільтрації води (елементи: трубопроводи, засувки, фільтри, насоси);

підсистема ліквідації кислороду з води (елементи: трубопроводи, засувки, діаратор, насоси)  [4].

Підсистема передачі та розподілу тепла споживачеві складається з наступних елементів: засувки, мережа трубопроводів, будівлі-споживачі, датчики температури, регулятори, приводи електричні багатооборотні. У даній системі нечіткий регулятор здійснює регулювання засувкою трубопроводу будівлі. Залежно від номера-ідентифікатора будинку, що містить у свою чергу інформацію про будинок, його термічних характеристик, і різниці фактичної і заданої температур води в зворотному трубопроводі нечіткий регулятор формує керуючий вплив – кут повороту засувки. Показання температури води в зворотному трубопроводі будівлі надходять від датчика температури, що знаходиться в ланцюзі зворотного зв'язку  [4].

Підсистема диспетчерського контролю та управління параметрами роботи системи – це комп'ютер, що включає програмне забезпечення для розрахунку та встановлення необхідних параметрів регулювання. Також в базу даних комп'ютера включається вся інформація з датчиків для обліку та статистики [4].

Нижче наглядно представлено взаємодію усіх трьох підсистем (рис. 3).

На рисунку 3 продемонстровано, як підсистема диспетчерського контролю та управління параметрами роботи системи здійснює управління іншими двома підсистемами, вона також здійснює зв'язок системи теплопостачання із зовнішнім середовищем. Стрілками показаний обмін даними між підсистемами [4].

Далі на рисунку 4 показана мережа теплотрас у вигляді моделі графа, вершини якого є будівлі-споживачі тепла, а дуги являють собою трубопроводи.

Граф, зображений на рисунку 4, складається з (n+1) вершин: Z={z} і А={а₁ … а_n}. Вершиною Z позначена котельня. Даний граф наочно демонструє взаємозв'язки опалюючої котельньої та будівель-споживачів тепла. Котельня Z володіє таким параметром як потужність g, від якого залежить кількість обслуговуваних будівель. Будинки-споживачі тепла представлені безліччю вершин А. Елементи а_i є А характеризуються такими атрибутами:

S – сумарна площа опалювальної поверхні будівлі, кв.м;

R – термічний опір огороджувальних стін, К/Вт;

L _пн  – обсяг інфільтруємого зовнішнього повітря, куб.м/год;

q – середня потужність теплового радіатора в будівлі, Вт/(м*К) [4].

Множина дуг даного графа D={d₁ ... d_n} позначає трубопроводи, прокладені між будівлями-споживачами та котельньою. Дуги d_i є D характеризуються такими атрибутами:

f – діаметр трубопроводу, мм;

l – довжина i-ого трубопроводу, сумарна довжина прокладених труб від котельній до будівлі, м;

k – коефіцієнт втрати тепла трубопроводом прямо залежить від матеріалу труби, виду теплотраси, Вт/м  [4].

Висновки

У даній статті було розроблено структуру багаторівневої автоматизованої системи управління теплопостачанням житлових будівель, описаний порядок її функціонування, обмін даними між її складовими. Дана система може застосовуватися в централізованих системах теплопостачання. Система на відміну від аналогів побудована на принципах нечіткої логіки і дозволяє регулювати подачу тепла в будівлю безпосередньо перед вступом до нього теплоносія, що виключає зайві витрати тепла і збільшує швидкість виявлення витоку в теплотрасах. Використання підсистеми диспетчерського контролю та управління параметрами роботи системи дозволяє забезпечити автоматичне ведення обліку даних про подачу тепла.

Примітка: При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення у січні 2014 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

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.