Link Building
Школа автоматчиков » Уроки

«Уроки»

УРОК №19. Часть 2. Энергосбережение

21-09-2014

Здравствуйте, уважаемые коллеги!

Итак, продолжим тему энергосбережения.
В предыдущем уроке мы с Вами выстроили поэтапный процесс снижения энергозатрат в системах отопления жилищно-коммунальной сферы:
- утепление зданий старой жилищной застройки;
- новый расчет теплопотребления утепленных зданий;
- технологическая реконструкция тепловых пунктов на основе этих расчетов, включающая изменение технологической схемы и установку современного эффективно работающего оборудования.
Это привело нас к выводу, что, только выполнив весь этот комплекс работ, мы создадим предпосылки для организации систем автоматического управления, которые позволят не только правильно управлять теплоиспользующими системами, а и обеспечат реальную экономию тепловой энергии при поддержании необходимых комфортных условий в помещениях.

Теперь будем разбираться с системами автоматического управления.
Какие режимы необходимо автоматически поддерживать в тепловых пунктах?
В первой части нашего урока мы говорили о том, что это температурный и гидравлический режимы.
Почему эти режимы важны для систем отопления? Как они между собой связаны?
Посмотрим на формулу расчета тепловой энергии
Q = G • ΔT • k
Где G – объемный расход теплоносителя
ΔT – разность температур в подающем и обратном трубопроводе системы
k – тепловой коэффициент.

Из формулы видно, что количество тепловой энергии зависит от температур и количества (расхода) подаваемого теплоносителя.
Оба режима постоянно изменяются.
Изменения температурного режима вызваны:
- погодными условиями (регулирование температуры теплоносителя по температуре наружного воздуха);
- потребностями людей, находящихся в помещении (управление температурой в помещении с помощью терморегулирующих вентилей на отопительных приборах).
Оба эти изменения в температурном режиме неразрывно связаны с гидравлическими режимами.
Открывая/закрывая регулирующий клапан на трубопроводе подающего теплоносителя в зависимой или независимой системе отопления мы изменяем расход теплоносителя, подаваемого из тепловой сети. Управляя терморегулирующим вентилем на своем отопительном приборе, мы изменяем сопротивление системы. В обоих случаях это влияет на гидравлику.
Для поддержания стабильного гидравлического режима в системе устанавливаются, как уже говорилось в 1-й части урока, различные регуляторы «прямого действия», балансировочные вентили, насосы с частотными преобразователями. Все эти устройства электрическими сигналами и командами не связаны с системой автоматического управления, которая регулирует температурные режимы системы, но, разбирая алгоритмы управления температурой теплоносителя, мы будем обращаться к вопросам гидравлики.

В первой части урока и начале этого урока мы говорим о погодном регулировании температуры теплоносителя, но какого? В зависимой системе отопления таких теплоносителей три:
- подающий теплоноситель тепловой сети;
- подающий теплоноситель системы отопления (результат смешения подающего теплоносителя сети и обратного теплоносителя);
- обратный теплоноситель (для зависимой системы обратный теплоноситель сети и обратный теплоноситель системы это одно и то же).
В независимой системе теплоносителей четыре:
- подающий теплоноситель тепловой сети;
- подающий теплоноситель системы отопления;
- обратный теплоноситель сети;
- обратный теплоноситель системы.
Далее мы еще имеем температуру воздуха в самих помещениях, ради которых и работает система отопления.
Вот и встает вопрос, какую температуру необходимо регулировать?
Понятно, что температура подающего теплоносителя сети регулируется на источнике и нам ее отрегулировать нечем, т.е. мы исключаем ее из списка претендентов.
Оставшиеся варианты это:
- одноконтурное регулирование температуры подающего теплоносителя на входе в систему
- каскадное регулирование температуры воздуха в помещении
- каскадное регулирование температуры обратного теплоносителя.
Какой из вариантов эффективнее работает?

Регулировать температуру подающего теплоносителя на входе в систему отопления возможно, но при этом система автоматического управления никак не отслеживает реальное теплопотребление в здании и никак его не учитывает.

Регулирование температуры в помещении с коррекцией заданной температуры подающего теплоносителя учитывает реальное теплопотребление в здании, но в жилых домах такая система неосуществима, т.к. в многоквартирном доме просто невозможно найти так называемую «характерную точку», где требуется установить датчик температуры в помещении.
Введенный в действие ДБН В.2.5-67:2013 «Опалення, вентиляція та кондиціонування» рекомендует такую систему регулирования в зданиях со сменным тепловым режимом (офисные или общественные здания, где в отсутствие людей снижается температура в системе отопления). При этом в качестве температуры воздуха можно взять некую усредненную расчетную температуру и не устанавливать датчик или температуру реальную с установкой датчика в характерном помещении. В ДБН рекомендуется 2-й способ. Найти характерное помещение в здании иногда просто невозможно, т.е. установленный где-то датчик не будет характеризовать ситуацию в других помещениях, а усредненная температура тем более.

Наиболее эффективным является каскадное регулирование температуры обратного теплоносителя (в независимой системе - обратный теплоноситель сети) с коррекцией заданной температуры подающего теплоносителя. Температура обратного теплоносителя – результат фактического теплообмена в здании.

С регулируемым параметром мы определились. Теперь перейдем к вопросу температурного графика, по которому мы этот параметр будем регулировать.

В предыдущей части урока уже говорилось о том, что тепловые сети не придерживаются расчетных температурных графиков, т.е. температура регулируется по графикам, которые можно назвать «реальными». При наличии реальных графиков в тепловой сети ориентировка в системах отопления на расчетные является неправильной.
Прежде всего, надо сказать, что подача теплоносителя на объект ограничена лимитирующей шайбой. Шайба рассчитана на пропуск определенного количества теплоносителя с температурами в соответствии с температурным графиком. Если реальная температура ниже расчетной, а расход теплоносителя ограничен, то в результате тепловой энергии может просто не хватить. В переходные периоды, когда теплосеть подает теплоноситель с завышенной температурой, то тепловой энергии избыток.
Давайте сначала посмотрим, что происходит при этом в зависимых системах отопления.

В зависимой системе для получения нужной температуры смешиваются в требуемых пропорциях теплоноситель из сети и обратный теплоноситель системы. При этом расход смешанного теплоносителя, циркулирующий в системе отопления, должен быть постоянным, а изменяется только его температура. Т.е. выполняется качественное регулирование температуры.
При соблюдении теплосетью своего температурного графика, которому соответствуют температуры по графику во внутреннем контуре, соотношение расходов подающего теплоносителя сети и подмешиваемого к нему обратного теплоносителя должно быть относительно постоянным, равным так называемому «расчетному коэффициенту смешения». Как только температура сетевого теплоносителя становится более низкой по сравнению с расчетной, для поддержания нужной температуры во внутреннем контуре нам требуется в смешиваемом потоке большее количество теплоносителя из сети. Регулирующий клапан начинает смешивать «подачу» и «обратку» в других пропорциях, всё увеличивая долю «подачи». Но тепловой пункт, запроектированный по расчетному температурному графику тепловой сети, рассчитан на пропуск через лимитирующую шайбу определенного максимального количества подающего сетевого теплоносителя.
Таким образом, в определенный момент, система автоматического регулирования температуры во внутреннем контуре, перекрывая обратный теплоноситель, открывая на пропуск через клапан подающий теплоноситель и не получая его в нужном количестве, перестает подавать в систему необходимое количество смешанного теплоносителя. Т.е. мы берем максимально возможное количество подающего теплоносителя и не можем им нагреть систему, т.к. в этом случае не хватает расхода смешанного теплоносителя. Поэтому, увеличивать долю сетевого теплоносителя в смеси можно только до тех пор, пока сумма количеств подающего и обратного теплоносителя составляет 100%. Как только количество теплоносителя внутреннего контура начинает уменьшаться (˂ 100%), дальнейшее открытие клапана для получения большего количества тепла, не только не дает желаемого результата, но и приводит к обратному результату для системы отопления.
Таким образом, зависимая система отопления работает плохо при занижении температуры в тепловой сети по сравнению с расчетным графиком. При завышении температуры в тепловой сети по сравнению с расчетным, зависимая система берет из сети его необходимое количество и функционирует нормально.
В этой ситуации будет эффективно работать регулятор с функцией адаптивного перехода между расчетным и реальным сетевыми графиками. При соблюдении тепловой сетью расчетного температурного графика или при завышении температуры в тепловой сети в переходные периоды регулирование может производиться по расчетному температурному графику. Когда же температура в тепловой сети занижена, контроллер должен включить функцию адаптивного перехода и начать регулировать температуру по реальному графику.
При регулировании температуры по расчетному графику контроллер рассчитывает задание (уставку по температуре) регулятору, ориентируясь на температуру наружного воздуха и соответствующую ей температуру теплоносителя по сетевому графику.
При регулировании температуры по реальному графику контроллер рассчитывает задание (уставку по температуре) регулятору, ориентируясь на измеренную температуру в подающем трубопроводе сети и соответствующую ей по сетевому графику температуру обратного теплоносителя.

Несколько иная ситуация в схемах с независимым присоединением. Внутренний контур, т.е. система отопления, никак гидравлически не связан с внешним контуром, т.е. тепловой сетью. Таким образом, ситуации аналогичной ситуации в зависимой системе, когда изменяется количество смешанного теплоносителя (теплоносителя во внутреннем контуре), при независимом присоединении быть не может. Но лимитирующая шайба в таких системах тоже присутствует.
Давайте посмотрим, как работает независимая система.
Внутренний контур системы отопления, прежде всего, должен быть гидравлически настроен. Тогда, о результате теплообмена в помещениях, свидетельствует только разность температур между подающим и обратным теплоносителями внутреннего контура. А результатом теплообмена в системе отопления является температура обратного теплоносителя внешнего контура, т.к. она учитывает еще и КПД теплообменника. Поэтому в независимой системе необходимо регулировать температуру обратного теплоносителя внешнего контура.
Температура обратного теплоносителя внутреннего контура должна быть максимально близкой к температуре подающего теплоносителя внутреннего контура. Такая ситуация свидетельствует о том, что помещения прогреты и нет отбора тепла с отопительных приборов. Таким образом, исходя из уравнения количества тепловой энергии для внутреннего контура
Q2 = G2 • ΔT2 • k,
при ΔT → 0, соответственно и количество потребляемой тепловой энергии Q2 → 0 при постоянном расходе теплоносителя в системе G2.
Тепловая энергия, расходуемая во внутреннем контуре, отбирается из внешнего контура. Следовательно
Q2 • ɳ = Q1,
где ɳ - КПД теплообменника
Q1 – количество тепловой энергии внешнего контура.
Расчет тепловой энергии внешнего контура производится по аналогичной формуле
Q1 = G1 • ΔT1 • k.
При соблюдении температурного графика или при завышении реальной температуры сетевого теплоносителя независимая система берет из сети его необходимое количество и функционирует нормально. В этом случае регулирование ведется по расчетному графику. Если же реальная температура занижена, то необходимо переходить на реальный температурный график, поскольку меньшее ΔT1 нам необходимо компенсировать большим количеством теплоносителя.
Необходимо также понимать, что поскольку в системе установлена лимитирующая шайба, то, даже открыв полностью регулирующий клапан, мы можем не взять нужное количество тепла.
Таким образом, в независимых системах отопления также необходимо применять регулятор с функцией адаптивного перехода с расчетного на реальный температурный график и осуществлять переход при занижении температуры подающего теплоносителя сети.

Надо обратить внимание на еще один существенный момент в контурах регулирования температуры теплоносителя в системах отопления.
Из приведенного выше описания видно, что системы отопления это инерционные объекты с характеристиками, которые могут изменяться в широком диапазоне из-за изменений гидравлических режимов системы (влияние теплопотребляющих систем соседних зданий, влияние других систем теплопотребления, подключенных к этому же тепловому пункту, влияние потребителей самой системы отопления при использовании терморегулирующих вентилей).
Если вернуться к уроку №5, где рассматривались основы систем регулирования, то мы говорили о том, что для таких систем, как системы отопления, наиболее подходящим регулятором является ПИ-регулятор, который дает возможность с минимальным временем и хорошей точность выводить систему на новое заданное значение или возвращать ее после возмущения в исходное состояние.
В уроке №7 был сделан вывод, что очень инерционные системы, коими и являются системы отопления, необходимо регулировать с использованием каскадной схемы регулирования. Это дает возможность уменьшить время выхода объекта на режим и уменьшить амплитуду автоколебаний.
Применение ПИ-регулятора и каскадной схемы регулирования позволят нам нивелировать влияние инерционности объекта на качество процесса регулирования, но не смогут убрать влияние на это качество изменяющихся характеристик объекта из-за возмущений в гидравлических режимах системы.
В таких случаях для улучшения качества регулирования применяются так называемые «самонастраивающиеся» регуляторы или регуляторы с адаптивной настройкой.
Адаптивная настройка предполагает, что, при активации функции адаптации пользователем или автоматически через заданные промежутки времени, контроллер сам вычисляет оптимальные настройки регулятора по величине испытательного (пробного) сигнала, который зависит от интенсивности внешнего возмущения. А это в свою очередь приведет к минимизации переходных процессов по времени и по величине перерегулирования, что позволит экономить тепловую энергию при прохождении переходных процессов.

Итак, повторим еще раз.
Применив, при регулировании температурных режимов систем отопления, выше перечисленные функции регулятора можно добиться реального энергосберегающего эффекта – экономии тепловой энергии до 25-30%.

УРОК №19. Часть 1. Энергосбережение.

14-09-2014

Здравствуйте, уважаемые коллеги!

Предыдущий год мы с Вами очень много уроков посвятили теме общеобменной вентиляции. Думаю, что она была освещена достаточно подробно, хотя, наверное, можно найти еще «кучу» интересных неосвещенных моментов.
Но, не за горами зима. В стране энергетический кризис, своих энергоресурсов не хватает, глобальная ориентация на российский газ привела к катастрофическим последствиям. Поэтому актуальнее темы, чем энергосбережение, на сегодняшний день нет.
Читать полностью »

УРОК №18. Автоматизация вентиляционных систем. Часть 7.

3-03-2014

Автоматизация установок с рекуператорами.

Здравствуйте, уважаемые коллеги!

Очень давно не встречались. Извините. Продолжим.
Читать полностью »

Урок №17. Автоматизация вентиляционных систем. Часть 6

11-01-2013

Здравствуйте, уважаемые коллеги!

Извините за затянувшуюся паузу в нашем общении. Думаю, что Вы уже соскучились по моим уроками. Итак, продолжим.
Позади у нас уже пять уроков по автоматизации вентиляционных установок, но еще есть о чем поговорить.
В уроке №16 мы начали разбираться с влажностью в помещениях. Но остановились только на одном аспекте этой темы, т.е. на увлажнении. А ведь для поддержания необходимой влажности в помещениях также может потребоваться и осушение воздуха. Читать полностью »

Урок №16. Автоматизация вентиляционных систем. Часть 5

3-03-2011

Здравствуйте, уважаемые коллеги!

Итак, мы уже пятый урок посвящаем вентиляционным системам. До сих пор мы разбирались с секциями вентиляционных установок, которыми можно поддерживать температурные режимы в помещениях. Чаще всего задачи, возлагаемые на системы вентиляции, на этом и заканчиваются. Однако, комфортные условия в помещении это не только свежий воздух нужной температуры, но и воздух, имеющий необходимую влажность (комфортную для человека или заданную условиями протекания технологического процесса, если речь идет о климате в производственных помещениях). Читать полностью »

Урок №15. Автоматизация вентиляционных систем. Часть 4

11-01-2011

Здравствуйте, уважаемые коллеги!

С Новым годом Вас! Наш новый урок в новом году – это подарок всем ученикам нашей школы! Читать полностью »

Урок №14. Автоматизация вентиляционных систем.Часть 3

29-10-2010

Здравствуйте, уважаемые коллеги!

Давно мы с Вами не встречались. Все как-то было некогда, а ведь в области автоматизации вентиляционных установок еще есть о чем поговорить.
На прошлом уроке мы разобрались с работой одного из основных блоков в составе вентиляционных установок – воздухонагревателя с водяным теплоносителем. Но не всегда в качестве теплоносителя может быть использована вода. Альтернативным источником тепла может быть электроэнергия. Читать полностью »

Урок №13. Автоматизация вентиляционных систем.Часть 2

10-11-2009

Здравствуйте коллеги!

На прошлом уроке мы начали рассматривать вопросы автоматизации приточно-вытяжных систем и дошли до нагревательных секций. Рассмотрим сначала секцию, где в качестве теплоносителя используется вода. Читать полностью »

Урок №12. Автоматизация вентиляционных систем.Часть 1

5-09-2009

Здравствуйте, коллеги!
Мы с Вами повторили пройденный материал и можем переходить к основному нашему разделу:
Автоматизация инженерных систем.
Начнем с автоматизации вентиляционных систем. Читать полностью »

Урок №11. Повторяем пройденый материал.

21-08-2009

Здравствуйте ,коллеги!
Прошли летние каникулы. Кто смог – немного отдохнул. У кого не получилось –придется без отдыха окунаться в новый учебный год. Я понимаю, что за лето многое, что мы учили подзабылось, поэтому вспомним вкратце то, что было в прошлом году. Читать полностью »