Энергосберегающая автоматизированная система управления тепловыми режимами в закрытых тепловых сетях зданий в условиях неопределенности

Проблема управления качеством теплового режима зданий при минимальных затратах тепловой энергии является одной из важных проблем в области систем теплопотербления. Это связано, в первую очередь, с усложнением алгоритма управления вследствие применения системного подхода в отличие от традиционного, при котором объекты управления рассматривались как автономные.

Среди множества задач, возникающих при решении проблемы управления качеством теплового режима, значительный интерес представляют задачи, связанные с исследованием влияния переменных внешней среды, а также режимных параметров на их выходную характеристику — показатель качества (внутренняя температура). Поэтому актуальна задача разработки методов и систем управления, позволяющих оценивать влияние параметров внешней среды и систем отопления на показатель качества теплового режима здания.

Результаты исследований, содержащиеся в работе, позволяют ответить на вопрос: когда и как надо воздействовать на систему отопления, чтобы обеспечить при минимальных затратах тепловой энергии требуемые показатели качества теплового режима в условиях изменяющихся случайным образом компонентах вектора контролируемых возмущений.

В работе предложен подход к решению задачи управления тепловой энергией, основанный на аппроксимации области функционирования подсистем «внешней среды» и теплового режима совокупностью подмножеств, образованных номиналами режимных параметров и являющихся областями качественного управления независимо от состояния текущих компонент вектора контролируемых возмущений. Используя для характеристики области допустимого качества управления номиналы параметров функции отклика, в работе даются рекомендации по управлению показателем качества теплового режима в пространстве состояний подсистем «внешней среды» и отопления.

В условиях рыночной экономики и значительного повышения цен на энергоресурсы особую важность приобретает задача эффективного использования тепловой энергии в системах теплоснабжения и отопления. Современное развитие систем теплоснабжения и отопления направлено на повышение эффективности их функционирования, разработку и внедрение систем автоматического управления ими с привлечением для решения задач идентификации и управления процессами теплопотребления новейших результатов теоретических и прикладных исследований. Настоящая работа освещает вопросы, связанные с построением многофакторных математических моделей, отражающих статистическую взаимосвязь контролируемых, неконтролируемых и управляющих параметров с показателем качества теплового режима здания, применением при синтезе и управлении энергосберегающих систем автоматического регулирования тепловой энергии статистических методов оптимизации, методов назначения допусков, теории игр и построения областей допустимого качества. Внимание также уделяется разработке метода управления тепловым режимом здания в условиях неопределенности при минимальных затратах тепловой энергии.

Большинство существующих систем отопления жилых и общественных зданий работают в неуправляемом режиме [76] и нагревательные приборы в течение длительного времени имеют завышенную мощность, что ведет к массовому перегреву воздуха в помещениях, перерасходу тепловой энергии и снижению теплового комфорта.

Задача регулирования отпуска теплоты на отопление является весьма сложной, поскольку регулируемый параметр — температура отапливаемых помещений зависит от большого числа как внешних, так и внутренних факторов, важнейшими из которых являются [81]: температура наружного воздуха, скорость и направление ветра, солнечная радиация, т. е. факторы, имеющие вероятностный характертеплоаккумулирующая способность зданий, внутренние тепловыделениягидравлический и температурный режимы системы теплоснабжениясхемы присоединения потребителей к тепловой сети.

Неизбежные ошибки предсказания по статистическим моделям заставляют назначать уровни регулируемых параметров с определенным запасом, который гарантирует получение заданного качества теплового режима здания. Смысл же корректировки параметров регулирования заключается в том, чтобы этот запас был минимальным, а расход тепловой энергии на отопление и горячее водоснабжение находился в зоне оптимума для каждого вектора контролируемых возмущений или совокупности таких векторов, образующих подмножества, в пределах которых настроечные регулируемые параметры малочувствительны к изменению вектора контролируемых возмущений.

Реальные параметры на входе объекта теплопотребления под действием различных дестабилизирующих факторов отклоняются от расчетных значений в широких пределах, что заставляет рассматривать подсистему теплопотребления как усредненную и в определенном смысле как стохастическую.

Существуют следующие подходы к автоматическому регулированию расхода теплоты на абонентских тепловых пунктах: по отклонению регулируемого параметра (по температуре воздуха в контролируемых помещениях), по возмущению (изменению наружных климатических условий), комбинированные методы (по возмущению и отклонению) [81].

Первый способ позволяет использовать наиболее простые регуляторы и наиболее целесообразен для систем отопления с пофасадным разделением, но, вместе с тем, возникают определенные трудности с выбором представительных помещений, контроля состояния линий связи и датчиков [76]. По мнению ряда организаций, данный принцип не стимулирует потребителей тепловой энергии к ее экономии. [75]. Второй метод регулирования (по возмущению) на абонентских тепловых пунктах реализуется путем поддержания заданного температурного графика в системе отопления в зависимости от наружных метеоусловий. К недостаткам этого метода относят сложность наладки системы регулирования и трудности правильного учета внешних регулирования и трудности правильного учета внешних метеорологических факторов [80].

Уменьшение массы стеновых конструкций и повышение процента остекления в современных полносборных зданиях привело к снижению их тепловой устойчивости и усилению влияния колебаний погоды (возмущающих воздействий) на регулируемый параметр (температуру воздуха) в отапливаемых помещениях.

На региональной информационно-практической конференции «Средства водо и теплоучета, используемые в Уральском регионе. Проблемы учета» и на Международной выставке «Энергосбережение в наше время», проведенными в г. Челябинске в 1994;1995 г. г. отмечено, что идет процесс автоматизированного учета тепловой энергии в связи с ее резким удорожанием. Это позволяет в ряде случаев только лишь переложить деньги из кармана производителя тепловой энергии в карман потребителя, т. е. исключить необоснованные затраты на тепловую энергию по нагрузке. При этом экономии тепловой энергии не создается, а материальные затраты на установку приборов коммерческого учета тепловой энергии возрастают повсеместно.

Изложенное позволяет сформулировать цель работы: разработка энергосберегающей автоматизированной системы и метода оптимизации управления теплопотреблением здания в условиях неопределенности.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1) анализ существующих методов и систем автоматизированного управления и автоматического регулирования расхода теплоты на абонентских тепловых пунктах;

2) разработка математической модели, отражающей взаимосвязь параметров внешней среды и системы теплопотребления с показателем качества теплового режима в виде эффективности управления;

3) построение областей качества, являющихся областями энергосберегающего управления в системах отопления зданий в условиях неопределенности;

4) разработка алгоритмической структуры функционирования энергосберегающей системы управления тепловыми режимами здания в условиях неопределенности, обеспечивающей реализацию режимных параметров, минимизирующих расход тепловой энергии;

5) анализ динамических свойств группы индивидуальных тепловых пунктов, объединенных коллектором со стороны источника питания или со стороны нагрузки, как объекта управления;

6) практическая реализация полученных результатов на объектах, являющихся потребителями тепловой энергии.

В первой главе приводится анализ существующей структуры и иерархии ступеней автоматического управления в системе централизованного теплоснабжения как объекта управлениясравниваются способы присоединения абонентских теплопотребляющих установок к тепловым сетям. При рассмотрении факторов теплового режима здания внимание уделяется регулируемым, управляющим и возмущающим параметрам, классификации их на вероятностные и детерминированные. Показаны, также, достоинства и недостатки различных методов автоматического управления отпуска теплоты на абонентских тепловых пунктах.

Во второй главе на основе анализа методов построения математических моделей управления режимами работы систем теплоснабжения выбирается и рассматривается вероятностно-статистический подход для идентификации теплового режима здания, отличительной особенностью которого является учет стохастического характера процессов, влияющих на тепловой режим. Здесь рассматриваются регрессионные модели, отражающие взаимосвязь параметров подсистем «внешняя среда» и «теплопотребления» с показателем качества теплового режима в виде эффективности управления.

Третья глава посвящена оптимизации управления тепловым режимом здания в условиях неопределенности. Рассматриваются следующие задачи: синтез структуры системы автоматического управления тепловым режимом, обеспечивающей заданную эффективность управления при достижении требуемых значений номиналов настроечных параметров, разработка структурной схемы оптимальной системы и алгоритма оптимального управления тепловым режимом здания. В силу случайного изменения параметров «внешней среды» системы автоматического управления тепловым режимом практически никогда не работают при оптимальных номинальных настроечных параметрах [76]. В результате действия контролируемых и неконтролируемых переменных на входе подсистемы теплопотребления вектор режимных настроечных параметров перемещается в некоторой области. Задача синтеза оптимального управления и состоит в том, чтобы выбрать такую структуру АСУ и такие номиналы настроечных параметров, при которых вектор этих параметров с большей вероятностью не вышел бы за пределы этой области.

В четвертой главе приведены результаты разработки и внедрения энергосберегающих систем автоматического регулирования тепловой энергии в закрытых тепловых сетях зданий. Энергосберегающие системы, реализующие метод оптимального управления в областях качества по экономическому критерию, отражающему функцию цены, и состоящие из подсистемы прогноза теплового режима и подсистемы автоматического регулирования теплового режима в зданиях с коммерческим учетом тепловой энергии, внедрены на различных объектах г. Челябинска.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

1) создана многофакторная математическая модель, отражающая взаимосвязь параметров подсистем «внешней среды» и «теплопотребления» с показателем качества теплового режима в виде эффективности управления;

2) разработан метод энергосберегающего управления тепловыми режимами здания, позволяющий осуществлять коррекцию уставок режимных параметров регуляторов, обеспечивающих минимизацию энергопотребления;

3) разработана алгоритмическая структура функционирования энергосберегающей системы управления теплопотреблением здания в условиях неопределенности, обеспечивающая реализацию режимных параметров, минимизирующих расход тепловой энергии;

4) получено решение задачи оптимизации настроечных параметров и автоматизированного управления процессом потребления тепловой энергии в условиях неопределенности в виде совокупностей стратегий подсистем внешней среды и теплопотребления, являющихся седловой точкой средней эффективности управления и оценки управления, представляющей значение этой функции в седловой точке;

5) разработаны матричные структурные схемы системы отопления здания, состоящей из нескольких индивидуальных тепловых пунктов, на основе матричных уравнений, описывающих динамику системы отопления при действии возмущений как со стороны источника теплоснабжения, так и со стороны нагрузки, которые упрощают анализ динамических свойств системы отопления как объекта автоматического регулирования.

Практическая ценность результатов работы:

1) разработана методика синтеза энергосберегающей автоматизированной системы управления тепловыми режимами в закрытых тепловых сетях зданий в условиях неопределенности, предусматривающая учет взаимосвязи между подсистемами — «внешняя среда» — «теплопотребление» — «система коммерческого учета тепловой энергии» — ЛПР — САР;

2) разработана методика назначения тепловых режимов в зданиях на базе теории игр, обеспечивающих существенную экономию тепловой энергии на стадии отделочных работ внутри здания при отсутствии САР при наличии теплосчетчика;

3) разработаны и внедрены на объектах г. Челябинска энергосберегающие системы автоматического регулирования тепловой энергией, позволяющие получать до 30% ее экономии.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ЮУрГУ (г. Челябинск, 19 982 000 гг.), специализированной выставке «Приборостроение-2002» (г. Екатеринбург).

Диссертационное исследование проводилось в рамках целевой Программы «Энергосбережение» Минобразования РФ и научно-исследовательской работы по гранту 103 Гр-98 «Создание методов оптимального управления и энергосберегающих систем автоматического регулирования тепловых режимов в закрытых тепловых сетях зданий», № гос. регистрации 01.980 006 958.

Основные положения и результаты работы отражены в 7 печатных работах и одном отчете «Создание методов оптимального управления и энергосберегающих систем автоматического регулирования тепловых режимов в закрытых тепловых сетях зданий» по научно-исследовательской работе в рамках гранта в области энергетики.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из предисловия, введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 102 наименований, 3 приложений. Работа изложена на 162 страницах печатного текста, содержит 37 рисунков, 9 таблиц.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель, отражающая взаимосвязь параметров внешней среды и системы теплопотребления с показателем качества в виде эффективности управления.

2. Предложен метод энергосберегающего управления тепловым режимом здания в условиях неопределенности, позволяющий находить оптимальные номинальные значения режимных параметров системы теплопотребления, обеспечивающих энергосберегающий режим ее работы.

3. Разработана структура энергосберегающей автоматизированной системы управления тепловыми режимами зданий в условиях неопределенности.

4. Решена задача оптимизации настроечных параметров и автоматизированного управления теплопотреблением в условиях неопределенности в виде чистой стратегии подсистемы теплопотребления, позволяющей минимизировать расход тепловой энергии в системах отопления зданий, оснащенных теплосчетчиками, но не имеющих САР.

5. Рассматривая систему отопления здания, состоящую из нескольких ИТП, как совокупность одинаковых параллельных подсистем с перекрестными связями между ними, которые объединены общим коллектором как со стороны источника теплоснабжения, так и со стороны нагрузки, показано, что вместо громоздкой полной структурной схемы системы можно ограничиться изображением звеньев и связей, соответствующих только одной сепаратной эквивалентной системе, что позволяет упростить анализ динамических свойств системы отопления как объекта автоматического регулирования.

6. На базе отечественных и импортных средств автоматизации разработаны и внедрены на объектах г. Челябинска энергосберегающие системы автоматического регулирования тепловых режимов зданий, обеспечивающие до 30% экономии тепловой энергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.