Аннотация
Контроллер для систем отопления, как правило, оснащен множеством средств, чтобы сделать его более гибким, а система отопления - более рентабельной. Это приводит к тому, что пользователь вводит ряд входных параметров. Не очевидно, как выбрать подходящие значения для этих параметров, если пользователь не имеет большого опыта в этой области. Целью данной работы является сокращение количества параметров, при этом сохраняются тепловой комфорт и энергопотребление. Этот документ покажет преимущества с обратной связью от комнатной температуры. Сначала будет показано, что обратная связь по комнатной температуре снизит потребление энергии и улучшит тепловой комфорт по сравнению с другими стратегиями с ночной сменой. После использования датчика температуры в помещении измерение можно использовать для расчета модели системы, а также температуры наружного воздуха и температуры подаваемой воды с помощью идентификации системы. Затем модель используется для уменьшения количества входных параметров. В этой статье используются как измерения, так и симуляции. Это позволяет сравнивать различные аспекты для разных решений в одинаковых условиях.
Вступление
Система отопления состоит из тепловыделяющего устройства, например котел или теплообменник централизованного теплоснабжения, который подает горячую воду на радиаторы внутри помещения. Обычно контроллер отопления измеряет и контролирует температуру подаваемой воды в радиаторы. Опорный сигнал для контроллера рассчитывается по температуре наружного воздуха с использованием калибровочной кривой, которая описывает соотношение между температурой наружного воздуха и заданным значением температуры воды в радиаторе. Этот принцип управления называется компенсацией прямой связи. Кривая основана на опыте и должна описываться в контроллере некоторыми входными параметрами. Часто нет обратной связи от комнатной температуры
Рисунок 1 – Блок–схема управления системой отопления.
Рисунок 2 – Соотношение между температурой наружного воздуха и уставкой температуры воды в радиаторе.
В ночное время опорный сигнал можно уменьшить на несколько градусов для экономии энергии, а затем утром восстановить нормальный уровень. Чтобы сократить время нагрева утром, опорный сигнал может быть увеличен в течение периода нагрева. Это называется буст.
Рисунок 3 – Ночное время, установленное для контрольного значения температуры приточной воды.
Требуемое время для сброса температуры в помещении утром (период отопления) зависит от тепловой инерции здания и размера наддува. Оба значения должны быть заданы в качестве входных параметров для контроллера.
Помимо обычных параметров управления, таких как усиление и время интегрирования, общий контроллер для систем отопления обычно имеет следующие параметры, выбираемые пользователем:
- Параметры для кривой прямой связи;
- Тепловая инерция для здания (или эквивалентная);
- Размер ночной задержки;
- Увеличение размера и продолжительности.
Не очевидно, как выбрать соответствующие значения для этих параметров выше, если пользователь не имеет большого опыта в этой области.
Целью данной работы является уменьшение и ⁄ или упрощение выбора параметров. Один из способов сделать это - использовать методы идентификации системы для получения математической модели системы, основанной на измерении температуры в помещении, температуры наружного воздуха и температуры подаваемой воды. Параметры для кривой прямой связи и тепловой инерции здания могут быть затем рассчитаны по модели.
Что касается ночной неудачи, сравниваются различные стратегии, чтобы дать рекомендации для подходящего выбора стратегии.
Моделирование
Трудно практически оценить различные стратегии управления в реальных зданиях. Нарушения нагрузки меняются от одного дня к другому. Изменения климата затрудняют сравнение двух разных методов в одних и тех же условиях, в то время как моделирование не имеет этих ошибок.
Мощный инструмент моделирования должен содержать библиотеку с компонентами, которые можно связать вместе в полную модель. Здесь используется программа IDA [Sahlin 1996]. Основная область применения IDA – моделирование зданий и энергетических систем, но технология достаточно общая, чтобы ее можно было применять во многих других областях.
IDA–модели описываются дифференциально–алгебраическими системами уравнений, т.е. свободной смесью дифференциальных и алгебраических уравнений первого порядка. Модель состоит из физических компонентов, таких как стены, окна, клапаны и контроллеры (см. Рисунок 4).
Результаты моделирования подтверждаются измеренными значениями из эталонного здания. Два измеренных значения, температура наружного воздуха и температура приточной воды от производителя централизованного теплоснабжения, сохраняются во входном файле программы моделирования.
Рисунок 4 – Компоненты в модели. Комната с естественной вентиляцией, с одной наружной стеной, окном, радиатором и теплообменником.
Наиболее важным значением является температура в помещении. Как видно из рисунка 5, результат моделирования удовлетворительный. Разница температур невелика, а динамическое поведение совпадает.
Рисунок 5 – Комнатная температура в период с 8 по 10 марта 1996 года. Пунктирная линия – это смоделированное значение, а сплошное – измеренное.
Анализ
Цель состоит в том, чтобы найти оптимальное решение для повышения температуры подачи воды для достижения желаемой комнатной температуры утром после ночного перерыва; оптимальный в смысле энергосбережения и теплового комфорта. Первоначально температура подачи может быть увеличена выше нормальной дневной температуры, пока не будет достигнута желаемая температура в помещении. Эта стратегия известна как «утренний импульс».
Четыре различных решения были смоделированы и оценены.
- Нет ночной задержки.
- Ночное время без повышения.
- Ночное время с повышением.
- Отдельный контроллер для комнатной температуры.
Дневное время определяется как 06.00–22.00. Чтобы оправдать сравнение между различными решениями, средняя комнатная температура в дневное время поддерживается одинаковой для всех случаев. Это делается путем добавления смещения к заданному значению температуры воды в радиаторе.
Используются четыре критерия для сравнения различных решений:
- Энергопотребление.
- Комнатная температура утром (6.00).
- Стандартное отклонение комнатной температуры в дневное время.
- Превышение комнатной температуры, если есть.
На рисунках ниже показаны результаты моделирования четырех разных стратегий. Результаты суммированы в Таблице 1. Отдельный контроллер для температуры в помещении обеспечивает самое низкое энергопотребление и максимальный комфорт, но комбинация ночного спада и утреннего повышения также достаточно хороша.
| 1 случай | 2 случай | 3 случай | 4 случай | |
|---|---|---|---|---|
| Потребление энергии [%] | 100 | 95,7 | 95,4 | 95,2 |
| Стандартное отклонение [C] | 0,047 | 0,202 | 0,096 | 0,059 |
| Утренняя температура [C] | 20,75 | 20,32 | 20,96 | 20,63 |
| Превышение [%] | 0 | 0 | 0 | 12 |
Рисунок 6 – Нет ночной задержки. Комнатная температура (сплошная линия), дневная средняя температура (пунктирная линия) и стандартное отклонение (пунктирная линия) в течение двух дней.
Рисунок 7 – Ночное время без повышения. Комнатная температура (сплошная линия), дневная средняя температура (пунктирная линия) и стандартное отклонение (пунктирная линия) в течение двух дней.
Рисунок 8 – Ночное время с повышением. Комнатная температура (сплошная линия), дневная средняя температура (пунктирная линия) и стандартное отклонение (пунктирная линия) в течение двух дней.
Рисунок 9 – Отдельный контроллер для комнатной температуры. Комнатная температура (сплошная линия), дневная средняя температура (пунктирная линия) и стандартное отклонение (пунктирная линия) в течение двух дней.
Более ранние исследования [см., Например, Дженсен 1983] сфокусировался на потенциале энергосбережения и показывает аналогичные результаты. В этом документе также рассматриваются аспекты внутреннего теплового комфорта, запуска и ввода в эксплуатацию. Кроме того, все аспекты сравниваются при одинаковых обстоятельствах. Датчик температуры в помещении открывает новые возможности для автоматического выбора подходящих значений для некоторых параметров, которые обычно приходится использовать. Это сократит время запуска и ввода в эксплуатацию. Контроллер может быть настроен на плавный сигнал управления, чтобы минимизировать износ клапана.
Один важный вопрос, который нужно задать: когда нам нужно начинать отопление, чтобы утром восстановить температуру в помещении до желаемого уровня? Период нагрева зависит от тепловой инерции и размера форсирования. Если можно найти математическую модель системы, эффект тепловой инерции будет включен в модель. Такая модель может быть найдена путем идентификации системы.
Эксперемент
Результаты моделирования сравниваются с измеренными значениями из эталонного здания. Основными целями измерений являются:
- Проверка имитационной модели;
- Входные данные для моделирования;
- Входные данные для идентификации системы.
Эталонное здание расположено в центре Евле, Швеция, и содержит 24 квартиры. Одна из квартир является нашей ссылкой. Эта квартира находится на втором этаже, и имеет одну внешнюю стену с окном, выходящим на север. Квартира с естественной вентиляцией. Под окном и над радиатором находится регулируемое отверстие для свежего воздуха. Система отопления здания – центральное отопление.
Мы выбрали три разных помещения для измерения температуры в помещении. Причина заключается в том, чтобы минимизировать последствия помех. Пока квартиры используются, количество возможных нарушений довольно мало. Два из самых простых измеримых помех, солнечное излучение и температура наружного воздуха, регистрируются компьютером.
16 измерительных сигналов измеряются и регистрируются каждые 30 секунд.
- Комнатная температура в трех разных комнатах с разным местоположением, два с видом на север и один с юга;
- Температура наружного воздуха;
- Солнечная радиация;
- Температура подаваемой воды от производителя центрального отопления;
- Температура обратной воды для производителя централизованного теплоснабжения;
- Температура подаваемой воды к нагревателям;
- Температура обратной воды от нагревателей;
- Расход воды централизованного теплоснабжения;
- Расход воды на нагреватель;
- Контрольный сигнал от контроллера;
- Потребление энергии (центральное отопление);
- Сигнал управления от контроллера горячей воды бытового потребления;
- Температура горячей воды для бытового потребления.
Выводы
Моделирование показывает, что контроллер для системы отопления с обратной связью от комнатной температуры улучшает тепловой климат в помещении и снижает стоимость энергии. Датчик температуры в помещении также может использоваться для уменьшения количества входных параметров, выбираемых пользователем.
Температуру в помещении можно использовать для расчета модели системы, а также температуры наружного воздуха и температуры приточной воды. Затем модель используется для расчета параметров контроллера, компенсации прямой связи и продолжительности периода нагрева.
Остальные параметры выбираются пользователем, например, различные заданные значения температуры в помещении в течение дня и ночи и размер усиления, для которого можно предварительно установить значение по умолчанию. Это даст лучше настроенный контроллер, уменьшит износ клапанов, сократит время ввода в эксплуатацию и снизит общую стоимость.
Список литературы
1. Astrom K.J., Wittenmark B. [1997], ”Computer controlled systems”, Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey 1997.
2. Jensen L. [1983], ”Nattsankning av temperatur i flerbostadshus”. Byggforskningsradet Rapport R64:1983. Stockholm 1983.
3. Sahlin, P [1996], ”Modeling and Simulation Methods for Modular Continuous Systems in Buildings”, Doctoral Dissertation Dept. of Building Sciences Royal Institute of Technology. Stockholm 1996.
4. Soderstrom, T., Stoica, P. [1989], ”System Identification”, Prentice Hall International, Hemel Hempstead, UK, 1989.