Russian Federation
Lack of energy can be a significant factor holding back the country's economic growth. At the level of objects of energy consumption, this problem can be solved by developing systems for energy efficient management of the consumption of energy resources, taking into account the peculiarities of the functioning of specific objects. There is considered a heating system of the building of the OSTROVskiy shopping center (SC) (Astrakhan). There has been made engineering evaluation analysis of energy saving and energy efficiency measures of the building. Engineering evaluation analysis of the building and the heating system of the SC as a control object was carried out, the main regulated, regulating and disturbing quantities were identified. A functional model of a SC as a thermal facility has been developed. To calculate the air temperature inside the building, a thermal model of the object was built based on the thermal characteristics of the building envelope. The correspondence of the model to the real thermal characteristics of the building is shown. A control system for the heating point of SC was developed using the Totally Integrated Automation Portal software. The interface of the control and management system for the heating point of SC has been developed. An algorithm for the heating system functioning in an energy-efficient mode is proposed, taking into account the cyclical mode of operation of SC. A comparative evaluation of the effectiveness of the proposed control system for a thermal substation in the modes of constant performance, variable performance with manual control, variable performance with automatic energy-efficient control has been carried out. It is shown that the use of the proposed method of energy efficient control makes it possible to reduce the consumption of thermal energy by 21.7% compared to the constant performance option used.
energy efficient control, heating system, thermal energy, heat point, cyclic operation, heating system control algorithm, heat point control system
Введение
Существует два пути решения возникшей проблемы, различающихся по применяемым методам:
– крайне капиталоемкий путь наращивания добычи нефти и газа и строительства новых объектов электрической и тепловой генерации;
– существенно менее затратный, связанный
с обеспечением экономического роста за счет энергоэффективного использования имеющихся топливно-энергетических ресурсов.
На практике в масштабах государства необходим симбиоз первого и второго вариантов с несомненным приоритетом энергоэффективности. При этом на уровне объектов энергопотребления эта задача может решаться путем разработки систем энергоэффективного управления потреблением энергетических ресурсов с учетом особенностей конкретных объектов [3].
Анализ объекта
В качестве объекта исследования рассматривается здание ТЦ «ОСТРОВский» (г. Астрахань). Здание построено в 2001 г. и представляет собой трехэтажное каркасное сооружение. Фундамент свайно-ростверковый, сборно-монолитный. Каркас стальной, сборно-сварной. Перекрытия первого и второго этажа железобетонные, монолитные. Перекрытие третьего этажа арочное по металлическому каркасу из сотового поликарбоната и вспененного полистирола. Ограждения стен выполнены из сэндвич-панелей промышленного производства с утеплителем из вспененного полистирола. Часть конструкции (боковые стаканы здания) выполнена из керамзитобетонных блоков с отделкой системой вентилируемого фасада. Режим работы здания циклический,с 08:00 до 20:00 ежедневно. В промежуток времени с 20:00 до 08:00 в основном объеме здания люди отсутствуют.
В «Методических рекомендациях по разработке программ в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности организаций», разработанных в соответствии со статьей 25 Федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» [4], приведена дорожная карта программных мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности, с помощью которой можно оценить степень соответствия организации нормативным требованиям.
Анализ здания торгового центра (ТЦ) «ОСТРОВский» в части выполнения мероприятий по эффективному расходованию тепловой энергии показал, что:
– автоматизация системы теплоснабжения здания посредством установки индивидуального теплового пункта (экономия 20–30 % от потребления тепловой энергии) выполнена частично, тепловой пункт имеется, управление ручное;
– оснащение системы отопления тепловым счетчиком (экономия до 50 % от потребления тепловой энергии) выполнено, счетчик имеется;
– улучшение тепловой изоляции стен, полов и чердаков (экономия 15–25 % от потребления тепловой энергии) выполнено, тепловая изоляция соответствует проектной документации;
– снятие декоративных ограждений с радиаторов отопления и установка тепловых отражателей за радиаторами (экономия до 15 % от потребления тепловой энергии) выполнены частично, декоративные ограждения отсутствуют, тепловых отражателей нет;
– снижение потребления за счет оптимизации расходов и регулирования температуры (экономия 10–20 % от потребления тепловой энергии) – выполнено частично, система отопления работает в режиме постоянной производительности, регулирование проводится в ручном режиме при значительных отклонениях температуры воздуха внутри здания от требуемого значения.
В соответствии с дорожной картой для здания ТЦ в качестве мероприятия, дающего в текущих условиях максимальный экономический эффект, выбрано автоматическое энергоэффективное управление системой отопления для поддержания заданной температуры воздуха в здании с учетом изменения температуры окружающего воздуха.
Для построения тепловой модели объекта подходит метод непосредственного анализа функционирования с оценкой адекватности по ретроспективным данным потребления тепловой энергии. С точки зрения математического моделирования здание ТЦ можно рассматривать как стационарный объект управления с сосредоточенными параметрами.
Основной регулируемой величиной является температура воздуха внутри помещения Tвн. Другие параметры воздушной среды внутри помещения (влажность, скорость движения воздуха и т. п.) не регулируются и не контролируются.
Основной регулирующей величиной F является расход теплоносителя через радиаторы отопления, расположенные в помещениях ТЦ.
Основные возмущающие величины:
– температура окружающего воздуха Tокр (влияние сильное, может контролироваться);
– температура теплоносителя в системе отопления Tтепл (влияние сильное, может контролироваться);
– тепловыделение электрических обогревающих приборов Pэл (влияние сильное, может контролироваться).
Формально модель ТЦ как теплового объекта может быть представлена в виде функционала:
Ф(Tвн, F, Tокр, Tтепл, Pэл) = 0.
Графическая модель ТЦ как теплового объекта представлена на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная модель торгового центра как теплового объекта
Fig. 1. Functional model of a shopping center as a thermal facility
Тепловая модель объекта
В качестве исходных данных для расчета тепловых потерь здания ТЦ приняты следующие:
– здание рассматривается как полый однообъемный параллелепипед размерами 84 × 24 × 13 м;
– стены выполнены из промышленных сэндвич-панелей (сталь толщиной 1 мм, листовой вспененный полистирол толщиной 150 мм), с облицовкой алюминиевыми плитами системы вентилируемого фасада;
– площадь остекления фасада 200 м2 (стеклопакеты однокамерные);
– крыша здания трехслойная (сотовый поликарбонат толщиной 20 мм, листовой вспененный полистирол толщиной 50 мм, сотовый поликарбонат толщиной 20 мм);
– тепловые потери через мостики холода (несущий стальной каркас здания) составляют 50 %;
– тепловые потери на вентиляцию составляют 30 %;
– тепловые потери через дверные проемы и неплотности конструкции составляют 20 %.
Общая площадь остекления фасада S1 составляет 200 м2. Общая площадь стеновых ограждающих конструкций составляет S2 = (84 + 84 + 24 + 24) × 13 = 2 808 м2. Общая площадь крыши с учетом сложной коньковой конструкции составляет S3 = 2 416 м2.
При расчете теплового сопротивления ограждающих конструкций учитывается:
– для стен – тепловое сопротивление вспененного полистирола без учета стального листа, системы вентилируемого фасада и внутренней отделки;
– для остекления – тепловое сопротивление стеклопакетов без учета структурной арматуры;
– для крыши – тепловое сопротивление сотового поликарбоната и вспененного полистирола без учета структурной арматуры.
В качестве справочных данных используются коэффициент теплопроводности вспененного полистирола плотностью 50 кг/м3 k1 = 0,05 Вт/(м·К), коэффициент теплопередачи сотового поликарбоната толщиной 20 мм λ1 = 2,61 Вт/(м2·К), стеклопакетов (стекло 4 мм, межстекольное расстояние 14 мм) – λ2 = 3,14 Вт/(м2·К).
Коэффициент теплопередачи вспененного полистирола в сэндвич-панелях рассчитывается по формуле
λ3 = k1 / δ1,
где δ1 – толщина вспененного полистирола в сэндвич-панелях 150 мм = 0,15 м, таким образом, λ3, Вт/(м2·К), составляет
λ3 = 0,05 / 0,15 = 0,33.
Коэффициент теплопередачи вспененного полистирола в ограждающей конструкции крыши рассчитывается по формуле
λ4 = k1 / δ2,
где δ2 – толщина вспененного полистирола в ограждающей конструкции 50 мм = 0,05 м, таким образом, λ4, Вт/(м2·К), составляет
λ4 = 0,05 / 0,05 = 1.
Общий коэффициент теплопередачи λ5 ограждающей конструкции крыши с учетом двух слоев сотового поликарбоната толщиной 20 мм, между которыми расположен вспененный полистирол толщиной 50 мм, рассчитывается по формуле
1 / λ5 = 1 / λ1 + 1 / λ4 + 1 / λ1;
1 / λ5 = 1 / 2,61 + 1 / 1 + 1 / 2,61 = 1,77 (м2·К)/Вт;
λ5 = 1 / 1,77 = 0,57 Вт/(м2·К).
Общий тепловой поток через ограждающие стеновые конструкции W1, Вт/К, составляет
W1 = λ3 · S2 = 0,33 · 2 808 = 927.
Общий тепловой поток через фасадное остекление W2, Вт/К, составляет:
W2 = λ2 · S1 = 3,14 · 200 = 628.
Общий тепловой поток через ограждающие конструкции крыши W3, Вт/К, составляет
W3 = λ5 · S3 = 0,57 · 2 416 = 1 377.
Общий тепловой поток утечек (тепловые потери через мостики холода, тепловые потери на вентиляцию, тепловые потери через дверные проемы и неплотности) W4, Вт/К, составляет:
W4 = (0,5 + 0,3 + 0,2) (W1 + W2 + W3) =
= 1∙(927 + 628 + 1 377) = 2 932.
Общий тепловой поток W5, Вт/К, составляет:
W5 = W1 + W2 + W3 + W4 = 5 864.
Температура воздуха внутри помещения Tвн
с учетом мощности системы отопления P и температуры окружающего воздуха Tокр рассчитывается как
Tвн = P / W5 + Tокр.
С учетом технических характеристик теплового пункта [5] и системы отопления ТЦ «ОСТРОВский» мгновенная действующая мощность отопительных приборов рассчитывается как
P = 1,7592 · 106 · F.
Тогда при условно неизменной температуре теплоносителя в системе отопления Tтепл и тепловыделении электрических обогревающих приборов Pэл температура воздуха внутри помещения Tвн в зависимости от расхода теплоносителя F рассчитывается как
Tвн = 1,7592 · 106 · F / W5 + Tокр.
При температуре окружающего воздуха –10 °С для поддержания температуры внутри помещения +20 °С потребуются суммарные затраты тепловой энергии, Гкал:
Q = 0,239 · 5 864 · 3 600 · 24 · 30,6 / 109 = 111,16,
что близко к реальным среднемесячным данным в зимний период (106,391 Гкал, по данным отопительного сезона 2021/2022 гг.). Тепловая модель отражает поведение объекта с достаточной точностью.
Система управления тепловым пунктом
Для разработки программы автоматического управления тепловым пунктом было использовано программное обеспечение Totally Integrated Automa-
tion Portal, которое представляет собой единую программную платформу для разработки проектов PLC и HMI в составе SIMATIC STEP 7 V11 и SIMATIC WinCC V11. Графический интерфейс диспетчерского контроля и управления тепловым пунктом ТЦ показан на рис. 2.
Рис. 2. Интерфейс системы контроля и управления тепловым пунктом торгового центра
Fig. 2. Interface of the control and management system of the heating point of the shopping center
Система управления тепловым пунктом позволяет выполнять следующие задачи:
– оперативное получение информации о состоянии теплового пункта в режиме реального времени;
– автоматическое управление клапаном теплоносителя в соответствии с заданным алгоритмом;
– расчет теплотехнических параметров системы отопления;
– контроль состояния технологического оборудования;
– оперативное выявление аварийных ситуаций;
– удаленная диспетчеризация (SMS-оповещение).
Оценка эффективности системы
Для расчета эффективности применения системы оптимизации энергопотребления для ТЦ проведен сравнительный анализ в следующих режимах функционирования системы отопления [5, 6]:
– постоянная производительность без учета суточного изменения температуры;
– постоянная производительность с учетом суточного изменения температуры;
– переменная производительность с учетом суточного изменения температуры в режиме ручного управления;
– переменная производительность с учетом суточного изменения температуры в режиме энергоэффективного управления.
При работе системы отопления с постоянной производительностью без учета суточного изменения температуры изменение температуры внутри помещения отсутствует, поддерживается оптимальная температура +21 °С. При этом затраты тепловой энергии составляют 0,143 Гкал/ч, или 3,432 Гкал в сутки.
При работе системы отопления с постоянной производительностью c учетом суточного изменения температуры окружающего воздуха температура внутри помещения не остается постоянной. Пример изменения температуры окружающего воздуха в течение суток приведен в таблице.
Изменение температуры окружающего воздуха в течение суток
Change in ambient temperature during the day
|
Время, ч |
00:00 |
02:00 |
04:00 |
06:00 |
08:00 |
10:00 |
12:00 |
14:00 |
16:00 |
18:00 |
20:00 |
22:00 |
|
T, °С |
–10,8 |
–13,1 |
–15,8 |
–16,7 |
–15,1 |
–9,3 |
–6,5 |
–6,4 |
–7,3 |
–8,6 |
–9,2 |
–10,1 |
График изменения температуры внутри помещения и график изменения температуры окружающего воздуха в режиме постоянной производительности системы отопления c учетом суточного изменения температуры окружающего воздуха приведен на рис. 3.
Рис. 3. Графики изменения температуры внутри помещения (1) и температуры окружающего воздуха (2)
в режиме постоянной производительности системы отопления c учетом суточного изменения температуры
окружающего воздуха
Fig. 3. Graphs of changing the indoor temperature (1) and ambient temperature (2)
in the mode of constant performance of the heating system, taking into account the daily change in ambient temperature
Изменение температуры внутри помещения повторяет изменение температуры окружающего воздуха со сдвигом около 1,5 ч, обусловленным постоянной времени объекта. Затраты тепла не изменились и составляют 0,143 Гкал/ч, или 3,432 Гкал
в сутки при явно определяемых недотопах в утренние и перетопах в дневные и вечерние часы.
Экономически целесообразным для здания ТЦ с циклическим режимом работы является уменьшение производительности системы отопления в ночные часы и увеличение в дневные. Управление в ручном режиме может происходить в моменты прихода технического персонала ТЦ на работу (08:00) и ухода домой (20:00). График изменения производительности системы отопления приведен на рис. 4, график изменения температуры внутри помещения и график изменения температуры окружающего воздуха – на рис. 5.
Рис. 4. График изменения производительности системы отопления в режиме ручного управления
производительностью системы отопления
Fig. 4. Graph of changing the performance of the heating system in manual mode of heating system performance
Рис. 5. Графики изменения температуры внутри помещения (1) и температуры окружающего воздуха (2)
в режиме ручного управления производительностью системы отопления
Fig. 5. Graphs of changing indoor temperature (1) and outdoor temperature (2)
in manual mode of the heating system performance
Видно, что график изменения температуры воздуха в помещении повторяет график изменения температуры окружающего воздуха с большей амплитудой по сравнению с функционированием системы отопления с постоянной мощностью. Среднечасовой расход энергии на отопление составляет 0,13 Гкал/ч, или 3,120 Гкал в сутки. Экономия энергии, по сравнению с исходным вариантом, составляет 9,1 %.
Более выгодным является функционирование системы отопления в энергоэффективном режиме, задаваемом системой контроля и управления тепловым пунктом ТЦ. В ходе экспериментов определен следующий алгоритм работы системы отопления:
– в нерабочие часы температура в помещении поддерживается на уровне +15 °С;
– за 90 мин до начала рабочего дня мощность системы увеличивается на 50 %;
– через 35 мин система переходит в режим поддержания температуры на уровне +21 °С;
– за 30 мин до конца рабочего дня мощность системы уменьшается на 80 %;
– через 35 мин система переходит в режим поддержания температуры на уровне +15 °С.
График изменения производительности системы отопления приведен на рис. 6, график изменения температуры воздуха внутри помещения и график изменения температуры окружающего воздуха – на рис. 7.
Рис. 6. График изменения производительности системы отопления
в режиме энергоэффективного управления производительностью системы отопления
Fig. 6. Graph of changing the performance of the heating system
in the mode of energy-efficient control of the performance of the heating system
Рис. 7. Графики изменения температуры внутри помещения (1) и температуры окружающего воздуха (2)
в режиме энергоэффективного управления производительностью системы отопления
Fig. 7. Graphs of changing indoor temperature (1) and outdoor temperature (2)
in the mode of energy efficient control of the heating system performance
В нерабочие часы температура воздуха внутри помещения поддерживается на уровне +15 °С с последующим быстрым переходом к комфортной температуре +21 °С. Среднечасовой расход энергии на отопление составляет 0,112 Гкал/ч, или 2,688 Гкалв сутки. Экономия энергии, по сравнению с исходным вариантом, составляет 21,7 %.
Заключение
В результате проведенных исследований предложен способ энергоэффективного управления системой отопления для зданий с циклическим режимом работы на примере торгового центра «ОСТРОВский». При этом обеспечивается минимизация расходов на отопление и максимальный комфорт для людей, находящихся в помещениях торгового центра в рабочие часы. При среднемесячных расходах в зимний период на тепловую энергию около 120 тыс. руб. экономия от внедрения предложенной системы управления может составить более 26 тыс. руб. в месяц.
1. Sergeev N. N. Formirovanie sistemy energeticheskoy bezopasnosti Rossiyskoy Federacii // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Ekonomika. 2016. № 1. S. 14-20.
2. Andrizhievskiy A. A., Volodin V. I. Energosberezhenie i energeticheskiy menedzhment. Minsk: Vysheysh. shk., 2005. 294 s.
3. Abbasipayam S., Mokrova N. V. Nechetkaya logika i intellektual'noe upravlenie inzhenernymi sistemami zdaniy // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Upravlenie, vychislitel'naya tehnika i informatika. 2022. № 1. S. 22-32.
4. Ob energosberezhenii i o povyshenii energeticheskoy effektivnosti i o vnesenii izmeneniy v otdel'nye zakonodatel'nye akty Rossiyskoy Federacii: Federal'nyy zakon № 261-FZ ot 23 noyabrya 2009 g. // Konsul'tant Plyus. URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_93978 (data obrascheniya: 20.03.2023).
5. Algoritm upravleniya ITP. URL: https://ezhkov.pro/wp-content/uploads/2018/06/Opisanie_algoritma_Yuzhin.pdf (data obrascheniya: 20.03.2023).
6. Sabenov K. O., Baytasov T. M. Optimal'noe (energoeffektivnoe) teplosnabzhenie zdaniya v sisteme central'nogo otopleniya // Izv. Tom. politehn. un-ta. Inzhiniring georesursov. 2015. № 8 (326). S. 53-60.
