Оптимизация мощности и параметров управления систем кондиционирования микроклимата в условиях переменных нагрузок

Актуальность исследования вопросов автоматического регулирования и управления системами кондиционирования микроклимата (СКМ) и их взаимосвязи с нестационарными тепловыми процессами, происходящими в обслуживаемом помещении, вытекает из основной задачи специалистов по СКМ — обеспечения требуемой комфортности в обслуживаемой зоне помещения при минимальных затратах [15]. Поэтому разработка СКМ здания всегда предполагает ту или иную оптимизацию принимаемых инженерных решений. Однако особую важность эта проблема приобретает в последнее время в связи с резким повышением требований к материало-и энергоемкости СКМ и степени обеспеченности заданных параметров воздушной среды при переменных внешних и внутренних воздействиях. Кроме того, значительное расширение возможностей выбора оборудования для СКМ, приводящее в ряде случаев к затруднениям в поиске оптимального варианта, также требует новых подходов к расчету, проектированию и эксплуатации СКМ и систем их автоматического регулирования (САР).

Существующие методики расчета и анализа состояния воздушной среды в помещении имеют ряд недостатков, т. к. либо не учитывают некоторых существенных факторов, влияющих на тепловой режим помещения (таковы, например, методики, использующие стационарный режим и нашедшие наибольшее отражение в нормативной и справочной литературе для проектировщиков, а также приложения теории теплоустойчивости), либо громоздки и потому малопригодны для инженерной практики. Кроме того, и т. е. и другие пока не отражают связи динамических характеристик технических средств автоматики и аппаратов СКМ с процессами в помещении.

Расчет нестационарного теплового режима помещения при учете автоматического регулирования элементов СКМ осложняется взаимосвязью и взаимовлиянием переходных физических процессов как в самом помещении, так и в обслуживающих его элементах СКМ и средствах автоматики [153.

Поэтому необходима разработка таких приемов расчета теплового режима помещения, СКМ и САР, которые были бы относительно простыми при использовании и в то же время в достаточной степени учитывали взаимосвязь процессов, происходящих при регулировании СКМ. Данные методы должны быть аналитическими и приводить к инженерным формулам.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Разработка методов расчета установочной мощности и параметров управления СКМ в условиях переменных тепловых нагрузок, а также методов их оптимизации за счет надлежащего автоматического регулирования СКМ.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ: Анализ динамических процессов в помещении, СКМ и САР с учетом их взаимосвязи и взаимовлияния и получение функциональной связи между интенсивностью нагрузки, собственной теплоустойчивостью помещения, установочной мощностью СКМ и параметрами управляющего устройства САР, а также выявление влияния указанных факторов на энергопотребление СКМ.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ: Создание математической модели динамических процессов в помещении, СКМ и САР. описывающей аккумуляцию тепла в массиве ограждающих конструкций, во внутреннем и вентиляционном воздухе, а также условия теплообмена на внутренней поверхности ограждений. Учет связи между температурой внутреннего воздуха и теплоотдачей (теплоассимиляци-ей) СКМ в условиях автоматического регулирования. Решение и анализ полученной системы уравнений. Проверка результатов за счет составления расчетной схемы соединения элементов системы «помещение-СКМ-САР» и обработки ее методами теории передаточных функций.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА: Получение выражений для установочной мощности СКМ и параметров их автоматического управления в условиях решения общей задачи нестационарного теплового режима при одновременном учете собственной теплоустойчивости помещения и автоматического регулирования СКМ. При этом помещение и обслуживающие его СКМ и САР рассматриваются как единая система, в рамках которой осуществляется взаимосвязь и взаимовлияние динамических процессов во всех ее элементах, т. е. решается общая задача, в которую включены определение собственной теплоустойчивости помещения, мощности СКМ и параметров управляющего устройства .

ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ: Инженерные формулы для расчета установочной мощности СКМ, а также коэффициентов передачи управляющего устройства и рекомендации по выбору оптимального закона регулирования и снижению установочной мощности СКМ за счет одновременного учета собственной теплоустойчивости помещения и управляющего воздействия САР.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ: Математическая модель динамических процессов в помещении, СКМ и САР в форме системы дифференциальных и алгебраических уравнений. Графоаналитический метод решения данной системы с использованием векторных диаграмм. Инженерная методика выбора установочной мощности и параметров управления автоматизированных СКМ. Рекомендации по выбору оптимального закона регулирования и учету дополнительных факторов, влияющих на динамические процессы в системе «помещение-СКМ-САР в т. ч.негармоничности возмущений, несовпадения температур воздуха и ограждений и др. Правила выбора допустимого отклонения температур из условий комфортности.

ОСВЕЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ: По результатам работы опубликован ряд научных и методических трудов, важнейшие из которых указаны ниже (см. также список литературы в конце работы):

1. Самарин 0.Д.О рациональном режиме начального прогрева помещения. // Известия вузов. Строительство., * 1997, N3, с. 83 — 85.

2. Самарин О. Д. Расчет нестационарного теплового режима помещения в условиях автоматического регулирования систем кондиционирования микроклимата. (Сб. докл. конф. НИИСФ, 1997, т. 1. — с.67 — 71).

3. Самарин О. Д. Нестационарный тепловой режим помещения в условиях автоматического регулирования систем кондиционирования микроклимата. // Известия вузов. Строительство., 1997, N11, с. 82 — 87.

4. Отчет по теме 6.16.2 «Технология оптимизации расхода энергии вновь возводимых и реконструируемых зданий» (промежуточный)/Самарин О. Д. Разделы IV и V.5. — М., НИИСФ, 1997. с. 81 — 86. 122 — 123.

5. Самарин О. Д. Оптимизация мощности и параметров управления систем кондиционирования микроклимата в условиях нестационарного режима. (Сб.докл. конф. НИИСФ, 1998. с. 37 — 41).

6. Самарин О. Д. К вопросу о влиянии организации теплоотдачи элементов систем кондиционирования микроклимата на тепловой режим помещения. // Известия вузов.Строительство.. 1998, N8, с. 79 — 84.

7. N. Parfentjeva, 0. Samarin, S. Paulauskaite. Optimization of the power and control parameters of HVAC systems in condition of the unsteady duties.//Sta-tyba. 1998. IV t., N 3. p.202 — 205.

8. Отчет по теме 6.16.2 (заключительный)/Самарин О. Д. Разделы V.4−5,VI.1. -М., НИИСФ. 1998, с.25−27,128−139.

9. Титов В. П., Рымаров А. Г., Самарин 0. Д. Методические указания к курсовой работе по основам 0 В и КВ. 2-е изд., перераб. и доп. -М. МГСУ, 1999.

10. Самарин О. Д. Оценка комфортности внутреннего микроклимата. Инженерная методика. (Сб. докл.конф. НИИСФ, 1999, с.102−106).

Кроме того, результаты работы докладывались на ежегодных конференциях НИИСФ, семинарах АВОК и кафедры ОиВ МГСУ, а также использовались в отчетах по хозяйственным договорам, предусматривавшим анализ воздушно-теплового режима помещений Гостиного двора и стадиона «Лужники» (совм.с В. П. Титовым, А. Г. Ры-маровым и А.А.Плотниковым) .

Работа содержит 110 страниц основного текста, два приложения (12 стр.), 22 иллюстрации. Общий объем работы 129 стр.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1)Основной спецификой работы является введение уравнения обратной связи (т.е. зависимости 0сКМ и, косвенно, tnр от tB) в общую систему уравнений теплообмена в помещении и СКМт. е. объединение элементов теории теплоустойчивости и теории автоматического регулирования, причем существенно, что регулирование СКМ производится именно по значению tB, поскольку при поддержании tnp=const (как это обычно производилось ранее), предлагаемое решение сводится к существующим (т.к.в этом случае QCKM=const, a значит, Kp=ACKM/AtB=0).

2)В работе показано, что выбор установочной мощности элементов СКМ следует производить с учетом требований к амплитуде колебаний внутренней температуры, а также значений собственной теплоустойчивости помещений и амплитуды возможных тепловых воздействий с одновременным определением необходимости местного автоматического регулирования элементов СКМ «по отклонению», используя методику, изложенную в Разделе 3.1 и в Приложении 2. При оценке установочной мощности необходимо учитывать соотношение долей конвективной составляющей в тепловыделениях и теплоотдаче (теплоассимиляции) элементов СКМ. В качестве управляющих устройств рекомендовать регуляторы статические и статические с предварением, реализующие соответственно Пи ПД-закон регулирования. Разработана методика, позволяющая производить расчет начальных параметров настройки регуляторов и также изложенная в указанных разделах работы. Результаты расчета установочной мощности систем В и KB предложено использовать для определения требуемого воздухообмена из условия ассимиляции тепловыделений [126].

3)Установлено, что при выборе исходных данных для расчета установочной мощности СКМ амплитуду колебаний внутренней температуры следует принимать наибольшей из допустимых по условиям комфортности внутреннего микроклимата (Раздел 3.4), а амплитуду колебаний теплового воздействия — наименьшей из возможных, что позволяет минимизировать установочную мощность СКМ и коэффициенты передачи управляющего устройствам в пределе — исключить автоматическое регулирование «по отклонению» [126].

4)Показано, что необходимость специального рассмотрения вопроса о собственной теплоустойчивости помещения (и вычисления показателей Р0 г р, Рп 0 м) в условиях автоматического регулирования СКМ (Разделы 2.2,2.2а) связана с тем, что непосредственно не очевидно тождество вектора B+L, получаемого непосредственным решением системы уравнений теплового баланса и теплообмена в помещении и СКМ (Раздел 2.1), с обычным вектором Рпом, используемым в классической теории теплоустойчивости. Тождество (более строго, аналогия) обнаруживается предельным переходом Кр к 0, т. е.при устранении САР либо переходе к поддержанию постоянной температуры притока (см. п.1).Кроме того, не очевидно, что Рпом (или B+L) в условиях автоматического регулирования будет совпадать с таковым в отсутствие регулирования, и для решения данного вопроса приходится привлекать теорию передаточных функций (Раздел 2.2а).

5)Установлено, что из четырех показателей качества автоматического регулирования (динамическая ошибка Ади&bdquo-, остаточное отклонение 6СТ, время регулирования tpег, перерегулирование 6пер) при регулярном режиме имеет смысл только Адин, принимающая в этом случае форму амплитуды колебаний AtB (или At п о м)•Прочие не имеют физического смысла: остаточное отклонение равно нулю по теореме о среднем значении периодически изменяющейся величины, время регулирования стремится к бесконечности, а перерегулирование равно 1, т. к. рассматриваются незатухающие колебания.

6)Показано, что главными критериями подобия, определяющими процесс регулирования, являются RflHH = AtBPnoM/Aq (вместо AtB может быть AtnoM) — динамический коэффициент регулирования СКМ как комплексный параметр, учитывающий величину возмущения, динамические свойства системы и требования к САР, и В0=Р'0Гр/Р0Гр — показатель ассимиляции лучистых тепловыделений (или В2 = (В0+1)/2, если AaHH=AtnoM) — тоже комплексный параметр, учитывающий способ теплоотдачи и теплоассимиляции в помещении и системе и их теплофизические свойства. Закон регулирования (а значит, коэффициенты, А и В в формуле (3.2))считается заданным (если он задан, третьим определяющим критерием является величина Тдсо или Тисо — см. Раздел 2.1).Определяемый критерий во всех случаях один — величина Касс=Аскм/Aq, показывающая долю возмущения, компенсируемую принудительно за счет работы СКМ. Если закон регулирования не задан, то критерий Тдсо (Тисо) тоже становится определяемым.