Аксёнчиков Е.А., Турупалов В.В.

Донецкий национальный технический университет (Украина, г. Донецк)

Исследование и разработка системы управления хозяйственным тепловым агрегатом с минимизацией энергетических затрат

Целью работы является повышение эффективности использования электрической энергии и экономии затрат связанных с отоплением жилого помещения в зимний период. В статье решается задача построения модели регулятора, который отслеживал бы динамику нагрева и охлаждения жилого здания, и соответственно управлял системой отопления.

В современных условиях постоянного удорожания энергоресурсов все большую актуальность приобретает вопрос об энергоэффективности отопительной установки для жилых и производственных помещений. Исследования, проведенные за рубежом, показали, что затраты на энергоносители составляют до 80% всех расходов за жизненный цикл системы отопления. В российских условиях суровой зимы затраты на отопление цехов составляют значительную долю (не менее 10%) в себестоимости продукции машиностроения.

Задача построения энергосберегающей системы отопления комплексная: она включает выбор генератора тепла, выбор теплоносителя, выбор приборов отопления и трубопроводов, а также выбор системы управления. Разумеется, на энергетическую эффективность системы отопления влияет качество термоизоляции помещения, качество проектирования, теплотехнических и гидравлических расчетов, качество строительства и соблюдения всех действующих строительных норм и правил.

Однако, эта работа посвящена лишь аспектам энергосбережения, связанными с применением интеллектуальных систем управления отоплением.

Мировой энергетический кризис 70-х годов привел, в частности, к появлению нового научно-экспериментального направления в строительстве, связанного с понятием "здание с эффективным использованием энергии". Первое такое здание было построено в 1974 году в г. Манчестере (штат Нью-Хэмпшир, США). Цель строительства этого здания, как, впрочем, и всех, последовавших за ним в рамках нового направления, заключалась в выявлении суммарного эффекта энергосбережения от использования архитектурных и инженерных решений, направленных на экономию энергетических ресурсов. В последние годы значительно увеличился объем строительства зданий различного технологического назначения с эффективным использованием энергии, и получили развитие в международной практике стандарты.

С точки зрения современной науки, задача проектирования энергоэффективных зданий относится к так называемым задачам "системного анализа" или задачам "исследования операций", поиск решения которых связан с выбором альтернативы и требует анализа сложной информации различной физической природы. Цель методов системного анализа или исследования операций - предварительное количественное обоснование оптимальных решений. Оптимальными здесь называются решения, которые по тем или иным признакам предпочтительнее всех других.

Исследование операций включает в себя три главных направления:

• построение математической модели, то есть описание процесса на языке математики;
• выбор целевой функции. Это исследование включает в себя определение ограничивающих условий и формулирование оптимизационной задачи;
• решение поставленной оптимизационной задачи.

Данная работа основывается на том, что существуют счётчики электроэнергии скорость обращения диска в которых зависит от времени суток. С 7:00 до 9:00 - 200% скорости (утренний пик), 9:00 – 20:00 -100% скорости, 20:00 – 22:00 -200% скорости(вечерний пик), 22:00 – 7:00 -40% скорости. Суть данной работы состоит в том, что интеллектуальный регулятор запускает электрообогреватель в определённый момент когда скорость диска 40% и до 7:00 нагревает дом до определённой температуры и отключается, так чтобы до 9:00 температура в доме не упала ниже некоторого минимума. Для создания подобного рода регулятора необходимо решить задачу идентификации, создать математическую модель теплового баланса дома, тоесть учесть приход и расход теплоты. Имея такую модель можно узнать время нагрева дома, соответственно моменты включения обогревателя.

В соответствии с методологией системного анализа математическую модель теплового режима здания как единой теплоэнергетической системы целесообразно представить в виде трех взаимосвязанных моделей, более удобных для изучения.

• математической модели теплоэнергетического воздействия наружного климата на здание;
• математической модели теплоаккумуляционных характеристик оболочки здания;
• математической модели теплоэнергетического баланса помещений здания.

Оптимизационная задача для энергоэффективного здания имеет следующее содержание: определить показатели архитектурных и инженерных решений здания, обеспечивающих минимизацию расхода энергии на создание микроклимата в помещениях здания. В обобщенном математическом виде целевую функцию для энергоэффективного здания можно записать так:

Q_min = F (a_i)

где Q_min - минимальный расход энергии на создание микроклимата в помещениях здания; a_i - показатели архитектурных и инженерных решений здания, обеспечивающих минимизацию расхода энергии.

Специалисту, занимающемуся проектированием и расчетом систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, очевидно, что задачей проектирования и расчета является определение двух взаимосвязанных показателей: количества энергии и способа ее распределения (раздачи). По существу, речь идет о том, чтобы рассчитать и запроектировать такую систему управления расходом и распределением энергии, чтобы обеспечить при использовании ее минимальный расход. Таким образом, задача оптимизации теплоэнергетической нагрузки на систему обеспечения теплового режима здания будет относиться к так называемым задачам на оптимальное управление и получит следующее содержание: найти такое управление расходом энергии Q(t) на обогрев помещения, удовлетворяющее уравнению теплового баланса помещения и соответствующим начальным и конечным тепловым условиям, для которого расход энергии

I = Q(t)dt

имеет наименьшее возможное значение.

Управление Q(t), дающее решение поставленной задачи, называется оптимальным управлением, а соответствующая траектория изменения температуры внутреннего воздуха называется оптимальной траекторией.

Для решения поставленнойзадачи составлена и исследована модель теплопоступлений и теплозатрат помещения в системе Матлаб.

Цель настоящей статьи - продемонстрировать заинтересованным специалистам, что в настоящее время существуют основы научных методов проектирования энергоэффективных зданий. Авторы в полной мере отдают себе отчет, что ряд определений кому-то из коллег может показаться спорным и что отдельные положения нуждаются в дополнительном разъяснении. Поэтому мы с благодарностью примем пожелания и выслушаем все конструктивные замечания. Учитывая важность затронутых в статье вопросов для решения актуальных задач энергосбережения. Если статья вызвала у специалистов интерес и натолкнула кого-то из них на некоторые раздумья, авторы будут считать, что достигли поставленной цели.