Оптимизация теплопотребления зданий с помощью систем автоматического регулирования

л.

В России к началу 90-х гг. XX века имелось около 5 млрд. м отапливаемых площадей [1]. Из них 2,7 млрд. м2 — жильё- 1,7 млрд. м2 — промышленные объЛ екты- 0,6 млрд. м — общественные здания. Климат всей территории России определяет жизненную необходимость отопления и жилых, в первую очередь, и общественных, и производственных зданий. Потребление тепловой энергии в жилищно-коммунальном секторе России составляет более 50% суммарного те-плопотребления в стране. На отопление жилых и общественных зданий от централизованных теплоисточников в России расходуется 0,36 Гкал/год на м2 [2]. Эти цифры относятся к 80% зданий, подключенных к централизованным системам теплоснабжения. Расход тепла на отопление в России в 2,5 раза выше, чем в небольшом ряде относительно холодных западных странах, поэтому одна из главных проблем жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ) России — теплоснабжение [3].

ЖКХ нашей страны находится в тяжелом положении, на что указывает большой износ коммунальной инфраструктуры (и зданий, и систем теплоснабжения), составляющий в среднем 60% [3]. Почти таков же износ оборудования в системах производства электрической и тепловой энергии. Прирост объемов строительства элитного жилья в последние 15 лет привел к значительному приросту расходов тепла на его теплоснабжение, однако без существенного прироста располагаемых теплопроизводящих мощностей в теплоэлектростанциях (ТЭЦ) и отопительных котельных. Резервы тепловых мощностей, возникшие в период упадка промышленности, уже исчерпаны, потому что большинство освободившихся производственных зданий уже активно используются новыми владельцами или арендаторами в рабочих режимах, требующих отопления.

Вместе с тем в существующем жилом фонде имеются огромные резервы экономии тепла, расходуемого на теплообеспечение зданийпотери тепла и теплоносителя в магистральных тепловых сетях, непроизводительные тепловые потери тепла, уже доставленного основному потребителю, (при распределении сетевого теплоносителя по тепловым пунктам и внутридомовым инженерным системам) составляют по разным экспертным данным от 30 до 40% [4].

В Национальном докладе «Теплоснабжение Российской Федерации» [5] отмечалась неизбежность оплаты населением 100% коммунальных услуг. В то же время, как сформулировано в докладе президента РФ В. В. Путина: «Решать проблемы ЖКХ за счет ухудшения условий жизни людей — невозможно, мы не имеем на это права. Следовательно, перед энергетиками стоит задача: снижать расходы топлива на выработку товарной теплоты, а перед работниками коммунальной энергетики — экономить ее».

При большом расходе и относительно больших потерях поступающей теплоты весьма актуальными являются проблемы совершенствования технологий регулирования систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения зданий, установка приборов коммерческого учета теплоты и теплоносителя. Имеющиеся примеры решения этих проблем приводит к значительной экономии топливно-энергетических ресурсов при небольших сроках окупаемости энергосберегающих мероприятий [6].

В мероприятиях по реальному энергосбережению выделяются две большие группы. Одну из них можно называть группой мероприятий пассивного тепло-сбережения, а другую — активного [7].

В первую относят мероприятия по сокращению ухода теплоты через ограждающие конструкции, то-есть — утепление зданий, а именно — увеличение те-плосопротивления стен и перекрытий, установка оконных и дверных конструкций с повышенными теплоизоляционными и инфильтрационными свойствами и др. Надо отметить при этом, что реализация первой группы мероприятий неизбежно потребует реализации второй.

Законодательные и организационные меры, принимавшиеся для практической реализации энергосберегающей политики, в ряде случаев имеют мало общего с действительным энергосбережением. Новый СНиП «Тепловая защита зданий» [8] и «Территориальные строительные нормы (ТСН) по энергосбережению и теплозащите зданий» [9] сделали определенный шаг вперед по сравнению с действовавшими ранее федеральными нормами [10], за счет применения так называемого потребительского подхода к нормированию энергообеспечения. В отношении теплоснабжения этот подход заключается в установлении предельного уровня суммарного теплопотребления здания Qw, в пределах которого можно варьировать соотношение между различными составляющими энергозатрат.

Одна из главных проблем 2-й группы мероприятий теплосбережения — оборудование тепловых пунктов, центральных и, особенно, индивидуальных. Существующие системы отопления гражданских зданий работают, в большинстве, в неуправляемом режиме, точнее — управляются только по графику качественного регулирования от ТЭЦ: температуры подаваемого теплоносителя Т1 в зависимости от температуры наружного воздуха tn {т.н график Tl (tn)}. Громоздкие мембранные регуляторы поступления сетевого теплоносителя Gi (Q" tH), входной температуры системы отопления /ico и раздаточной температуры горячего водоснабжения trBC, которыми должны были оборудоваться тепловые пункты, функционировали непосредственно от давления Pi и температуры t| входящего в здание сетевого теплоносителя. В результате прямого контакта с ним импульсные трубки и мембраны регуляторов загрязнялись в первые два сезона эксплуатации и выходили из строя [6]. Поэтому в настоящее время такие регуляторы мало где работают, большей частью — демонтированы, а работа систем отопления регулируется только примитивными элеваторными устройствами и «шайбами» на вводах. Таким образом, предстоит решать задачи массовой реконструкции тепловых пунктов.

Интенсивный вариант реализации всех мероприятий предполагает минимизацию затрат при максимально возможном эффекте. В таком случае представление об очерёдности путей решения задач первой и второй групп не вызывает сомнения: на первом этапе — установка активных систем управления теп-лопотреблениемна втором этапе — осуществление мероприятий утепления зданий с устаревшими ограждениями. Объясняется это прежде всего тем, что современные активные, автоматизированные системы по финансовым затратам заметно дешевле мероприятий пассивной группы [7, 11]. В то же время обе группы способны уменьшить теплопотребление на 20%.50% [12].

Проведенный в представляемой диссертации анализ практических и литературных данных показывает следующее. Наиболее эффективным средством повышения качества теплоснабжения отдельных зданий одновременно с решением задач энергосбережения является внедрение современных автоматизированных систем управления тепловым режимом систем отопления и систем горячего водоснабжения жилых и других жизнеобеспечивающих зданий, а также — систем вентиляции общественных и производственных зданий. Всё это обеспечивает динамичное развитие современной техники отопления за счет применения новейших датчиков расхода теплоносителя Gзд и теплоты Qi3a, исполнительных устройств управления потоками теплоносителя, компьютерных приборов и систем автоматического регулирования параметров теплоснабжения, цифрового программного обеспечения [13]. Однако, компьютерные технологии пока еще не нашли достойного описания принципов встраивания в системы отопления жилых зданий, которые занимают основную долю в числе массовых потребителей теплоты. Это затрудняет решение проблем энергосбережения в ЖКХ, так как пока что нет достаточно полных описаний таких систем в учебных пособиях и учебниках для вузов и техникумов. Поэтому существенно не хватает специалистов по проектированию и эксплуатации компьютеризированных систем управления теплопотреблением в зданиях. Соответственно ограничено пока применение компьютеризированных систем управления, которые могут быть основой решения ряда государственных задач: повышения надежности систем теплоснабжения, экономии тепловой энергии в них и экономии материально-технических и эксплуатационных затрат.

В связи с этим определены преимущественные цели и обозначены задачи исследований диссертации.

Цели работы:

• теоретическое и экспериментальное изучение и совершенствование теплового режима помещений и зданий в целом;

• экспериментальное исследование параметров наружной среды и тепловых режимов зданий с применением компьютерных средств и участие в разработках компьютерных систем автоматического регулирования теплообеспе-чения зданий и помещений;

• создание совершенных способов управления системами отопления в условиях их эксплуатации.

Задачи исследований.

1. Анализ схем и состояния систем отопления жилых зданий старой застройки, которые определяют основные объемы проектных, строительно-монтажных и наладочных работ по энергосбережению и автоматизации.

2. Анализ схем и состояния центральных и индивидуальных тепловых пунктов для определения масштабов их необходимой реконструкции.

3. Совершенствование моделей и параметров теплового режима зданий, необходимых для встраивания в компьютерные программы управления системами отопленияпроведение экспериментов по измерениям параметров температурных режимов зданий и окружающей среды в натуре;

4. Описание результатов разработки алгоритмов и баз данных для наладки отдельных компьютерных систем управления системами отопления и вентиляции (в которых участвовал автор диссертации);

5. Разработка новых схем отопления для вновь вводимых зданий, обладающих тепловой и гидравлической устойчивостью при регулировании тепловой нагрузки;

6. Оценка ожидаемых энергетических и экономических эффектов от внедрения компьютерных средств обеспечения систем оптимального теплопотребления.

Научная новизна:

1. Разработана схема двухуровневой системы автоматического регулирования с алгоритмами управления, повышающая динамическую устойчивость и точность регулирования систем отопления.

2. Разработана физико-математическая модель для двухуровнего регулирования, связывающая быстро меняющиеся во времени возмущающие факторы (ветер, солнечная радиация, бытовые теплопоступления), теплоаккумуляцию здания и параметры температур теплоносителя, внутреннего и наружного воздуха.

3. Разработан алгоритм вычисления условной температуры наружного воздуха, учитывающий энергетические особенности окружающей среды и внутренних тепловыделений, используемый в модели регулирования системы отопления.

Основные положения диссертации опубликованы в статьях [7,13, 30, 31, 35,43,46, 51,60−62, 74−78, 87, 92, 96, 97].

Практическая ценность работы.

Разработанная новая поквартирная бифилярная система отопления с применением отопительных приборов радиаторного типа в горизонтальных системах отопления, позволяет индивидуально регулировать каждый прибор, сохраняя гидравлическую и тепловую устойчивость отопления.

Результаты работ, представленных в диссертации, и полученный опыт могут быть использованы в строительно-проектных и строительно-монтажных организациях для разработки и наладки современных систем отопления с учетом запуска систем компьютерного регулирования, а также в организациях, эксплуатирующих системы отопления, для эффективного использования тепловой энергии и, соответственно, экономии денежных средств т.п.

Материалы диссертации могут быть использованы для подготовки учебного пособия по современным системам компьютеризованного регулирования систем отопления зданий.

Представляемая диссертационная работа выполнена на кафедре «Тепло-газоснабжение и вентиляция» Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета («Сибстрин»).

Экспериментальные исследования и разработки проводились на базе Новосибирского научно-производственного предприятия ЗАО НПО «Лайф-Новосибирск». Автор данной диссертации участвовал в разработках систем оптимального теплопотребления: сначала как студент на практике, по окончании вуза как инженер и ведущий инженер по теплоснабжению и вентиляции с отдельным фронтом задач теплотехнического характера при разработке схем контроллеров, принципов регулирования систем отопления и внедрения «СОТ» (раздел 1.8.4.З.).

Внедрение.

В ходе работы над диссертацией автор принимал участие в успешно реализованных разработках и внедрении проектов компьютерной автоматизации систем теплопотребления административных, общественных и промышленных зданий в Новосибирске, Ульяновске, Новокузнецке, Кемерово, Магнитогорске, в том числе:

• Административное здание КТИ НП, г. Новосибирск;

• Административное здание НИИ Систем, г. Новосибирск;

• ФГУП «Марс», г. Ульяновск;

• Учебный корпус Ульяновского государственного технического университета, г. Ульяновск;

• Здание заводоуправления ОАО «Азот», г. Кемерово;

• Педагогический лицей, г. Новокузнецк;

• Административные здания МУП Водоканал, г. Магнитогорск.

Автор выражает глубокую признательность.

• научному руководителю д.т.н., профессору кафедры ТГиВ НГАСУ А. С. Басину за постоянное внимание и руководство при постановке задач, их решении и обсуждении результатов;

• директору ЗАО НПО «Лайф Новосибирск» Н. М. Байтингеру и главному специалисту Б. С. Феденку за помощь при освоении «СОТ», в получении экспериментальных данных с объектов и предоставление оборудования для проведения исследований тепловых режимов зданий;

• руководителям и сотрудникам кафедры теплогазоснабжения и вентиляции НГАСУ (Сибстрин);

• к.э.н., доценту кафедры Менеджмента НГАСУ (Сибстрин) О.В. Бо-чарниковой, за активное участие в разработке главы 5.

Выводы.

1. Результаты внедрения САРТ показывают достаточно высокий уровень коммерческой эффективности наряду с существенной экономией тепловой энергии;

2. Удорожание тепловой энергии при относительном удешевлении средств автоматизации и компьютерной техники делает все более привлекательным использование автоматизированных систем управления отоплением зданий и оптимизации их теплопотребления;

3. Для существующих зданий в мероприятиях по реальному энергосбережению следует отдавать предпочтения оптимизации теплопотребления — установке автоматизированных систем управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработан и реализован метод компьютерного сбора и обработки информации о параметрах теплового режима зданий при измеряемых характеристиках окружающей среды и построение математических моделей переходных процессов для компьютеризованных систем теплообеспечения зданий.

2. Предложена, разработана и внедрена система двухуровнего компьютерного регулирования систем отопления жилых и административно-общественных зданий с использованием разработанного алгоритма вычисления условной температуры наружного воздуха, отражающей как энергетические особенности окружающей среды, так и внутренние тепловыделения и теплоак-кумуляцию в ограждающих конструкциях и оборудовании зданий.

3. Предложена, разработана и внедрена поквартирная горизонтальная бифилярная система отопления для систем автоматического и индивидуального регулирования тепловых режимов в многокомнатных квартирах многоэтажных зданий, позволяющая индивидуально регулировать каждый прибор, сохраняя гидравлическую и тепловую устойчивость.

4. Проведена оценка фактических эксплуатационных и ожидаемых энергетических, а также экономических эффектов от внедрения системы двухуровнего компьютерного регулирования систем отопления зданий, показавшая исключительные преимущества реализации автоматизации системы отопления в мероприятий по энергосбережению в ЖКХ.