Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления

Раздел: Отопление

Основные задачи качественного экономичного теплоснабжения, требующие для своего решения знания динамических свойств, по своему характеру могут быть подразделены на две группы.

К первой группе относятся задачи, связанные с автоматизацией процессов отпуска теплоты (центральное, групповое местное позонное, индивидуальное регулирование, регулирование температуры воды на горячее водоснабжение и др.).

Ко второй группе относятся задачи, связанные с режимными расчетами:

температурный режим помещений при аварийных ситуациях в системе теплоснабжения;

программный отпуск теплоты;

возможность участия ТЭЦ в покрытии пиковых электрических нагрузок;

режимы отпуска теплоты от ТЭЦ и районных котельных;

влияние работы установок горячего водоснабжения и вентиляции на температурный режим в отапливаемых помещениях и др.

Нужно отметить, что все перечисленные задачи являются составной частью наиболее общей задачи — создание автоматизированной системы управления теплоснабжением.

Независимо от характера решаемой задачи исследованию подвергается в первую очередь вопрос о влиянии тех или иных мероприятий по системе теплоснабжения на температурный режим в отапливаемых помещениях.

Анализ структурной схемы (см.  5.2) показал, что практически все возмущения, действующие на систему теплоснабжения, оказывают влияние на закон изменения теплопотерь (тепло- поступлений). Степень этого влияния зависит от возмущающего фактора, места приложения возмущения и схемного решения того или иного участка системы.

Основными узловыми точками системы теплоснабжения, в которых при возмущающих воздействиях происходит, а при управляющих воздействиях может и должно происходить изменение параметров теплоносителя, являются: трубопровод перед отопительным прибором, абонентский ввод, тепловой пункт, ТЭЦ или котельная.

Таким образом, для решения поставленных выше задач необходимо знание динамических свойств изменения температуры воздуха в помещении по различным каналам возмущающих и управляющих воздействий системы теплоснабжения.

Целью настоящего параграфа является выявление влияния теплоинерционных свойств различных элементов системы теплоснабжения на температурный режим в отапливаемых помещениях. Количественную оценку этого влияния рассмотрим на примере трех различных помещений: трехкомнатных квартир рядовой и торцевой секции среднего этажа здания П-49П, помещения здания II-49-A2.

Динамические характеристики совокупностей элементов системы теплоснабжения определяются для скачкообразного изменения во времени возмущающего сигнала (температуры наружного воздуха, скорости ветра, интенсивности солнечного облучения бытовых тепловыделений, температуры и расхода теплоносителя в различных точках системы теплоснабжения). Это позволяет сравнивать динамические параметры разгонных кривых между собой.

Динамические свойства совокупности элементов помещение — отопительный прибор рассмотрим на примере перечисленных выше помещений и конвектора, чугунного радиатора, бетонной отопительной панели в различных сочетаниях. Сравнение разгонных характеристик ( 5.11) температуры воздуха в различных помещениях при возмущениях по скорости ветра v, бытовым тепловыделением Qght, температуре tT и расходе тепло

носителя D при применении малоинерционных отопительных приборов показывает, что они отличаются только коэффициентами передачи, а значения постоянной времени одинаково и равно постоянной времени кривой разгона собственно помещения (кривые 1).

Это совпадение можно объяснить тем, что доля теплопотерь через теплоемкие ограждения при возмущении скоростью ветра несоизмеримо мала по сравнению с долей теплопотерь через нетеплоемкие ограждения, а теплоинерционные свойства чугунного радиатора и конвектора несоизмеримо малы по сравнению с теплоинерционными свойствами рассматриваемых помещений.

Различие в переходных характеристиках наблюдается при возмущении по температуре наружного воздуха tn (кривые 4), интенсивности солнечного облучения / (кривые 3), температуре и расходе теплоносителя при применении инерционных отопи

тельных приборов (кривые 2). Это различие объясняется теп- лоинерционными свойствами наружных, а для возмущения по интенсивности солнечного облучения и внутренних теплоемких ограждений, отопительных приборов и увеличивается с увеличением отношения площади наружных теплоемких ограждений к площади окон, с увеличением теплоинерционных свойств ограждающих конструкций и отопительных приборов и с уменьшением теплоинерционных свойств всего помещения. Так, постоянная времени кривой разгона температуры воздуха в помещении здания II-49-A2 при возмущении по температуре наружного воздуха увеличивается на 30%, при возмущении по интенсивности солнечного облучения — на 22%, а при возмущении но температуре и скорости теплоносителя — на 12% по сравнению с постоянной времени кривой разгона собственно помещения.

В рассматриваемых примерах коэффициенты передаточных функций рассчитаны для значения температуры наружного воздуха —f— 10°С. Как уже отмечалось, динамические параметры помещения по различным каналам воздействий изменяются в течение отопительного сезона. В  5.15 в качестве примера приведены значения динамических параметров по различным каналам воздействий при различных начальных метеорологических условиях для трехкомнатной квартиры восьмого этажа рядовой секции здания серии П-49П. Нужно отметить, что статическая характеристика по регулирующему воздействию расходом теплоносителя через отопительный прибор линеаризована в зоне расчетного расхода при отклонениях ±0,3DpaC4..

Сопоставление данных  5.15 показывает, что соотношение между динамическими параметрами помещения по разным каналам воздействия при различных метеорологических условиях остается неизменным.

При изменении параметров теплоносителя на абонентском вводе, тепловом пункте, ТЭЦ или котельной в формировании закона теплопоступленин участвуют соответственно системы отопления, виутриквартальные и магистральные тепловые сети.

Как уже отмечалось в § 5.4, системы отопления могут увеличивать постоянную времени переходного процесса температуры воздуха в помещении при изменении температуры теплоносителя на абонентском вводе на 10 % и более в зависимости от типа системы отопления.

Теплоинерционные свойства трубопроводов систем теплоснабжения проявляются только при изменении температуры теплоносителя и зависят от длины и диаметра труб. На  5.12 приведены переходные процессы температуры воздуха в помещении при изменении температуры теплоносителя на центральном тепловом пункте и на ТЭЦ. Как видно, величины транспортного запаздывания и постоянной времени изменяются в значительных пределах под влиянием теплоинерционных свойств трубопроводов.

До настоящего времени рассматривались переходные процессы температуры воздуха в отапливаемых помещениях при однократном ступенчатом изменении возмущающего сигнала. Интерес представляют переходные процессы при реальных возмущающих воздействиях. В качестве примера рассмотрим влияние переменных режимов работы установок горячего водоснабжения на изменение температуры воздуха в отапливаемых помещениях.

Неравномерность расхода теплоты на отопление в течение суток, вызванная влиянием переменных режимов работы установок горячего водоснабжения, зависит от типа системы теплоснабжения (открытая, закрытая), характера тепловой нагрузки, схемы теплового ввода, его автоматизации, режима отпуска теплоты и наличия аккумуляторов. Все эти факторы учитываются при расчете параметров теплоносителя, подаваемого на тепловой пункт. Одним из основных требований, предъявляемых к этим расчетам, является равенство фактического количества теплоты на отопление за сутки расчетному. При этом допускается отклонение от расчетных расходов теплоты в отдельные периоды суток. Характер изменения теплопоступленин определяется суточной неравномерностью нагрузки горячего водоснабжения.

изменение температуры воздуха в трехкомнатной квартире торцевой секции верхнего этажа здания серии П-49П при двухступенчатой последовательной схеме присоединения системы горячего водоснабжения. При соответствии расчетного графика температур теплоносителя требуемому (в рассматриваемом примере принимался повышенный график температур, рассчитанный для р = 0,3) и высокой наружной температуре изменение температуры воздуха в помещении не превышает 0,35°С. При низких наружных температурах изменения температуры воздуха в отапливаемых помещениях увеличиваются и могут составлять значительную величину. В рассматриваемом примере максимальное изменение температуры воздуха составляет 2,3 °С. Нужно отметить, что средняя температура воздуха в помещении, рассчитанная по формулам статики (^вРР), отличается от действительной средней (среднеинтеграль- ной) температуры (^вР')- Это различие увеличивается с увеличением амплитуды колебаний температуры воздуха в помещении.

Результаты исследований показывают, что скорость изменения температуры воздуха в отапливаемых помещениях при изменении параметров теплоносителя определяется теплоинерционными свойствами как собственно помещения, так и элементов систем теплоснабжения, расположенных по тракту передачи теплоносителя от места приложения воздействия до рассматриваемого помещения. Наиболее безынерционным управляющим (возмущающим) воздействием является изменение расхода теплоносителя, так как при этом воздействии отсутствует транспортное запаздывание, а изолированные трубопроводы не участвуют в формировании закона теплопоступлений в помещения.

При решении практических задач степень влияния тепло- инерционных свойств элементов системы теплоснабжения на температурный режим в отапливаемых помещениях может приближенно оцениваться отношением суммы динамических параметров (постоянной времени и транспортного запаздывания) кривой разгона теплопоступлений к величине постоянной времени собственно помещения. Пренебрежение теплоинерцион- ными свойствами отдельных элементов системы пли их совокупностей по тракту передачи теплоносителя при величине отношения меньше 0,03 приводит к погрешности в определении величины постоянной времени, не превышающей 5 %.

Теплоинерционные свойства наружных нетеплоемких ограждений, водо-водяных и парожидкостных теплообменников, водогрейных котлов и узлов смешения несоизмеримо малы по сравнению с остальными элементами. Поэтому при расчете динамических параметров совокупностей элементов системы теплоснабжения они могут учитываться только своими коэффициентами передачи. Однако при решении вопросов автоматизации, когда эти элементы охватываются обратной связью или их передаточные функции закладываются в модель (для окон), необходимо учитывать все динамические параметры.

Как уже отмечалось, одной из основных задач, для решения которой необходимо располагать знанием динамических свойств объекта, является анализ и синтез систем автоматического регулирования. Процесс построения систем автоматического регулирования предполагает выбор информационной схемы системы, определение закона формирования регулятором регулирующих воздействий и расчет параметров настройки регулятора с целью обеспечения требуемого качества процесса регулирования (максимальное отклонение регулируемой величины, время регулирования, остаточное отклонение регулируемой величины, колебательность процесса).

Методы анализа и синтеза систем автоматического регулирования широко освещены в отечественной литературе. При этом наибольшее практическое применение получили частотные методы анализа динамических свойств систем регулирования [58].