Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблемы оптимизации теплопотребления. цель и задачи исследования 8
1.1. Отечественный и зарубежный опыт в сфере сбережения тепловой энергии 8
1.2. Учет тепловой энергии 10
1.3. Регулирование теплопотребления 24
1.4. Опыт внедрения систем учета и регулирования теплопотребления и проблемы получения оптимального экономического эффекта от их использования 29
1.5. Вопросы создания математических моделей теплового состояния здания. Цель и задачи исследования 32
ГЛАВА 2. Математическая модель теплового состояния здания учебного заведения 35
2.1. Тепловой баланс помещения 35
2.2. Расчет тепловой мощности системы отопления и массового расхода теплоносителя 39
2.3. Расчет массового расхода инфильтрирующегося воздуха 41
2.4. Расчет массового расхода воздуха, требуемого для вентиляции помещения 44
2.5. Расчет коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций 44
2.5.1. Теплоотдача внутренних поверхностей при свободной конвекции 44
2.5.2. Теплоотдача внешних (наружных) поверхностей 46
2.5.3. Расчет коэффициента теплопередачи остекленных проемов 47
Выводы 48
ГЛАВА 3. Программа расчета и численное исследование теплового состояния учебного корпуса 49
3.1. Программа расчета 49
3.2. Оценка точности численного исследования 53
3.3. Численное исследование теплового режима здания технического университета 55
3.4. Выбор "контрольных" помещений системы автоматизированного регулирования теплопотребления 79
Выводы 80
ГЛАВА 4. Исследование работы системы оптимального теплопотребления 81
4.1. Система автоматизированного регулирования теплопотребления главного корпуса УлГТУ 81
4.2. Оценка эффективности работы автоматизированной системы регулирования теплопотребления главного корпуса УлГТУ 85
4.3. Исследование работы системы оптимального теплопотребления 87
4.4. Экономическая целесообразность использования системы автоматизированного регулирования теплопотребления 96
Выводы 98
Заключение и выводы 99
Список литературы
- Опыт внедрения систем учета и регулирования теплопотребления и проблемы получения оптимального экономического эффекта от их использования
- Расчет массового расхода инфильтрирующегося воздуха
- Численное исследование теплового режима здания технического университета
- Оценка эффективности работы автоматизированной системы регулирования теплопотребления главного корпуса УлГТУ
Введение к работе
На сегодняшний день остро стоит вопрос об энергосбережении. Особенно это касается тепловой энергии, так как среди существующих статей коммунальных расходов самой затратной является статья расходов на отопление зданий. Высокие тарифы на тепловую энергию побуждают потребителей искать пути более экономного ее использования.
Учитывая многие проблемы топливно-энергетического комплекса, актуальными являются задачи повышения эффективности работы существующих систем отопления зданий. Одним из перспективных решений является установка приборов учета и внедрение автоматизированных систем регулирования, которые осуществляют местное регулирование теплопотребления. Их использование исключает необоснованный перерасход энергии. Актуальным при этом является использование систем пофасадного регулирования, способных регулировать теплопотребление тепловых ветвей (стояков) для оптимального распределения тепла внутри здания.
В целях энергосбережения Ульяновский государственный технический университет (УлГТУ) в 2002 г. приступил к внедрению проекта оптимизации теплопотребления главного ученого корпуса, который был поддержан министерством образования и в соответствии с приказом № 474 от 11.02.2003 открыто его бюджетное финансирование.
Здания учебных заведений - это особый класс зданий, который имеет ряд особенностей по сравнению со всеми другими зданиями, например, с жилыми, производственными и т. д. Особенности выражены в том, что эти здания имеют очень большие по площади помещения (учебные аудитории) и окна. Учебные корпуса, как правило, плохо утеплены, в них практически нет бытовых нагревательных приборов, а рассчитаны они на достаточно большое количество людей. В качестве осветительных приборов используются люминесцентные лампы. Нормативной температурой внутреннего воздуха для них считается температура 16С - 18С, тогда как для жилых зданий температура внутреннего воздуха должна быть в пределах от 18С до 22С. Следует отметить, что во время зимних каникул, выходные и праздничные дни, а также в ночное время суток, в учебных зданиях практически нет людей, что может создать условия для экономии тепловой энергии, если снижать температуру воздуха внутри помещений в это время, что является актуальным в свете последних тенденций в энергосбережении.
Таким образом, здания учебных заведений представляют особый интерес для изучения их теплового режима с целью оптимизации процесса теплопотребления. Поэтому в качестве объекта исследования был выбран именно этот класс зданий (на примере здания главного корпуса УлГТУ).
Как известно, для оптимизации каких-либо процессов, в данном случае процесса теплопотребления, необходимо обладать адекватными математическими моделями, позволяющими исследовать влияние различных факторов на процесс и обеспечить высокую эффективность его реализации.
В рамках диссертационной работы разработана математическая модель теплового состояния здания учебного заведения, учитывающая неоднородность температурного поля объекта (здания), а также специфику зданий учебных заведений. На основе предложенной модели разработана программа, с помощью которой проведено численное исследование теплового состояния здания главного корпуса УлГТУ. Полученные результаты численного исследования, наглядно показали возможности эффективного использования системы регулирования теплопотребления.
Также разработана методика оценки эффективности работы автоматизированной системы управления теплопотреблением и на основе этой методики проведен анализ эффективности системы автоматизированного регулирования главного корпуса УлГТУ, подсчитан годовой экономический эффект от ее использования.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Математическая модель и программа расчета теплового состояния здания высшего учебного заведения учитывают неоднородность температурного поля и специфику анализируемого класса зданий.
Результаты численного исследования тепловых режимов здания главного корпуса УлГТУ, полученные с помощью разработанной программы, отражают влияние внешних факторов (температуры наружного воздуха, скорости и направления ветра, параметров теплоносителя и т. д.) на температуру внутреннего воздуха.
Оригинальная методика анализа эффективности автоматизированной системы регулирования теплопотребления, позволяет провести адекватную оперативную оценку эффективности использования этой системы.
Результаты исследования эффективности работы системы автоматизированного регулирования технического университета подтверждают рекомендации, полученные на основе численного исследования и экономическую целесообразность внедрения подобных систем.
Диссертация имеет следующую структуру.
В первой главе приведен обзор научно-технической информации о современных методах учета и регулирования теплопотребления зданий. Рассмотрены основные приборы учета и регулирования, проанализированы принципиально
возможные схемы регулирования теплопотребления. Приведен отечественный и зарубежный опыт разработки и использования таких приборов. Показано, что в настоящее время регулирование теплопотребления осуществляется на основе осредненных данных, получаемых с датчиков температуры, установленных в "контрольных" помещениях, выбор которых ничем не обоснован, что не может в полном объеме учесть всех возможностей оптимального регулирования. Установлено, что правильно выбрать схему регулирования, "контрольные" помещения и обеспечить оптимальную работу систем автоматизированного регулирования теплопотребления возможно при наличии математических моделей теплового состояния здания, реализованных в компьютерных программах.
Во второй главе представлена математическая модель теплового состояния здания учебного заведения, которая учитывает неоднородность температурного поля, а также специфику зданий учебных заведений. Модель стационарная и позволяет вычислить средние температуры внутреннего воздуха всех помещений. Она также учитывает особенности теплообмена ограждающих конструкций с внутренним и наружным воздухом и основные возможные теплопотери и теплопоступления.
В третьей главе представлена программа расчета теплового состояния здания учебного заведения, применительно к главному учебному корпусу УлГТУ. Программа рассчитывает среднюю температуру в каждом помещении здания при заданном графике центрального качественного регулирования и параметрах наружного воздуха. Также в третьей главе приведены результаты численного исследования тепловых режимов здания главного корпуса УлГТУ, которые показали влияние внешних факторов (температуры наружного воздуха, скорости и направления ветра) на температуру внутри помещений здания. Обоснован выбор "контрольных" помещений для установки датчиков температуры внутреннего воздуха автоматизированной системы регулирования и выбор схемы регулирования теплопотребления для обеспечения оптимальной работы этой системы.
В четвертой главе приведена методика оперативной оценки эффективности работы автоматизированной системы регулирования теплопотребления, а также результаты исследования эффективности системы автоматизированного регулирования главного корпуса УлГТУ и экономия тепловой энергии и денежных средств за год после ее внедрения.
Работа выполнена в рамках госбюджетной программы при финансовой поддержке министерства образования во исполнение решений президиума научно-технического совета по программе "Энергосбережение Минобразования России" от 23.12.2002 г. и от 31.10.2003 г. на кафедре "Теплоэнергетика" Ульяновского государственного технического университета.
Опыт внедрения систем учета и регулирования теплопотребления и проблемы получения оптимального экономического эффекта от их использования
По оценкам специалистов [65 - 67] для систем теплопотребления первоочередными могут быть следующие энергосберегающие мероприятия. Улучшение теплоизоляции зданий, особенно оконных проемов. Обеспечение плотности системы, то есть борьба с протечками и непроизводительными (по халатности) утечками. Наладка системы в целом, то есть оптимизация теплопотребления по нагрузкам, по зданиям, по фасадам зданий, по нагревательным приборам и т.п. Эти приемы хорошо известны и, после проведения каждого из них, можно получить весомый экономический эффект. Но эффект абонент ощутит только при наличии инструментального учета теплопотребления.
Существенный вклад в энергосбережение может дать внедрение программного (по времени) и погодного регулирования теплопотребления. Специалисты отмечают, что системы автоматизировашюго регулирования не ухудшают, а наоборот, способствует улучшению комфортных условий в зданиях. Даже при не глубоком регулировании и по самым скромным оценкам, можно снизить потребление тепла и, следовательно, платежи за него, по данным специалистов НПФ "Теплоком" Лачкова В. И. и Недзвецкого [65, 66], на 20 -30%.
В самом деле, зачем нужна температура 16 - 18С в учебных помещениях во внеучебное время? Доля этого времени достаточно велика. Это ночное время в будни, выходные и праздничные дни, каникулы. Здесь вполне допустимо поддерживать температуру примерно 10С, но так чтобы гарантированно не разморозить систему. А за 2 - 3 часа до начала занятий протопить помещения, увеличив циркуляцию теплоносителя в системе.
Не менее эффективно и погодное регулирование теплопотребления.
Всем известно, что в межсезонье, когда подача тепла уже начата (еще продолжается), но погода не устойчива (холода сменяются оттепелью) очень часто наблюдаются перетопы. И приходится, в отсутствии системы регулирования теплопотребления, создавать приемлемые условия в помещении открытием форточки, то есть выбрасывать тепло, а, следовательно, деньги на ветер [65, 66, 82].
Также проблемой крупных строений (учебных корпусов вузов), является то, что часть здания может быть больше подвержена влиянию холодных ветров, а как известно, что при сильном ветре теплоотдача становится в несколько раз более интенсивной. Поэтому в одной части здания может быть очень тепло, тогда как люди, находящиеся в другой части здания могут чувствовать дискомфорт.
С таким положением дел согласны ведущие специалисты НПО "Лайф", АО "DASU", НПФ "Теплоком", фирма "АРД-спецмонтаж" и многие другие [3, 34, 82].
Конечно, "ручное" регулирование весьма грубо, да и возможны накладки, вызванные так называемым "человеческим фактором". Конечно же, гораздо перспективней применение автоматического регулирования теплопотребления [82, 105, 106].
К устройствам, применяемым для регулирования теплопотребления относятся: электронные регуляторы, датчики температуры, регулирующие клапаны с электроприводом, а также могут быть использованы регуляторы температуры и регуляторы перепада давления. И, конечно, любая система регулирования не обойдется без различных пультов управления или компьютера с соответствующим программным обеспечением [19, 82].
Электронные регуляторы предназначены для автоматического регулирования температуры и расхода теплоносителя в системах отопления и горячего водоснабжения (ГВС).
Электронный регулятор осуществляет управление системами отопления и ГВС согласно установкам пользователя, используя информацию от датчиков температуры наружного и внутреннего воздуха, поступающую на его входы, и воздействуя на объект регулирования через тиристорные и релейные выходы для управления насосом и приводом регулирующего клапана. Для суточного (день/ночь) и недельного (рабочие/выходные дни) регулирования электронный регулятор снабжен таймером, который может быть встроенным или отдельным [19, 82].
Возможности электронного регулятора зависят от числа входов для подключения температурных датчиков и выходов для управления приводами насосов и регулирующих клапанов, а также от числа каналов регулирования.
Электронные регуляторы, в основном, производятся западными фирмами. Среди них особой популярностью пользуются электронные регуляторы фирмы "Danfoss". Часто сами фирмы, выполняющие проекты по регулированию теплопотребления производят и соответствующее оборудование. Внешний вид одного из таких регуляторов приведен на рис. 1.13. Это регулятор, который использует НПО "Лайф" при монтаже своих систем оптимизации теплопотребления [31, 82].
Клапаны вместе с электроприводом, пожалуй, являются самыми дорогостоящими элементами всей системы регулирования теплопотребления. Среди западных фирм, производящих регулирующие клапаны можно выделить фирму "Grundfos". Также на российском рынке широко представлены регулирующие клапаны "Ballorex ", "Danfoss" [31]. В частности, регулирующие клапаны "Ballorex " использует в своих проектах регулирования теплопотребления КБ "Теплоэнерго".
Регуляторы температуры по данным [19] делятся на несколько видов: регуляторы температуры прямого действия, клапан-ограничитель температуры возвращаемого теплоносителя и регулятор температуры с коррекцией по расходу.
Регулятор температуры прямого действия применяется для регулирования температуры воды в системах оптимального теплопотребления, а также в водо-подогревателях систем ГВС и др.
Регулирование осуществляется путем закрытия клапана при повышении температуры регулируемой среды, температура закрытия клапана устанавливается пользователем с помощью регулировочной рукоятки на корпусе терморегулятора. Комплект регулятора состоит из регулирующей рукоятки, корпуса клапана, сильфонного узла с капиллярной трубкой и термобаллоном. Регулятор может устанавливаться в любом месте на подающем и обратном трубопроводе.
Термостатный клапан - ограничитель температуры возвращаемого теплоносителя предназначен для автоматического регулирования температуры возвращаемого теплоносителя. Клапан обеспечивает охлаждение теплоносителя до требуемой температуры. Регулирование осуществляется путем закрытия клапана при повышении температуры, температура закрытия клапана устанавливается пользователем.
Регулятор температуры с коррекцией по расходу предназначен для установки на водоподогревателях в системах ГВС зданий, поэтому его мы не будем рассматривать.
Регуляторы перепада давления могут также использоваться по данным [19] как ограничители расхода и регуляторы для поддержания постоянного расхода.
При использовании в качестве регулятора перепада давления регулятор поддерживает постоянный перепад давления между двумя точками, вне зависимости от колебаний давлений и изменяющегося расхода. При использовании в качестве ограничителя расхода регулятор предотвращает превышение требуемого максимального расхода. При использовании в качестве регулятора для поддержания постоянного расхода регулятор предотвращает понижение расхода ниже требуемого минимального значения.
Расчет массового расхода инфильтрирующегося воздуха
При разности давлений воздуха с одной стороны и с другой стороны ограждения через ограждение может проникать воздух в направлении от большего давления к меньшему. Это явление называется фильтрацией. Если фильтрация происходит в направлении от наружного воздуха в помещение, то она называется инфильтрацией [11,12,19,26,138]. Разность давлений, вызывающая инфильтрацию [138] рассчитывается как Др = Ар +Ар , (2.32) где тепловой напор ДР„, = 0,55Н8(р„ -рш). (2.33)
Тепловой напор вызван тем, что в зимнее время воздух в отапливаемых помещениях имеет температуру более высокую, чем наружный воздух. При этом наружный воздух имеет большую плотность, чем воздух в помещениях здания. Разность плотностей воздуха и создает разность его давлений. Плотность наружного воздуха [16,20,24,46, 80,150] Реар (2-34) " 287(/„+273) где реар - атмосферное давление, принятое равным 105 Па. Плотность воздуха в помещении [16,20,24,46, 80,150] (2.35) Рш = г бар 287( +273) Также в формулах (2.19) и (2.20) есть такие параметры, как Н - высота здания, принятая равной 37 м и g - ускорение свободного падения, принятое равным 9,8 м/с. Вторая часть формулы (2.19) представляет собой ветровой напор [138] и. = P fi\ АР, (2.36) st тр.напор
Ветровой напор - это давление, оказываемое ветром на плоскость наружного ограждения.
В формуле (2.36) р - это коэффициент, зависящий от формы здания и направления ветра. Он определяет ту часть полного давления ветра, которая оказывается на рассматриваемую наружную стену здания. Значения коэффициента Р приведены в таблице 2.1.
Они вычислены как синус угла между направлением ветра и соответствующей стеной здания (рис. 2.2), который наиболее подвержен влиянию этого ветра. Массовый расход инфильтрирующегося воздуха через неплотности ограждающих конструкций (наружных стен и окон) для помещения можно определить как [19] где GH - нормативная воздухопроницаемость ограждающих конструкций. Для наружных стен согласно [19] GH = 1 кг/(м2-ч), для окон и наружных дверей G„ = 5 кг/(м -ч).
В формуле (2.37) не учитывается расход инфильтрирующегося воздуха через стыки стеновых панелей, так как здание не жилое, а тшсже через щели, так как их учет дал бы незначительный вклад в суммарный расход.
Для удобства расчета и получения результата Отф в кг/с формулу (2.37) для обычного помещения здания (учебная аудитория), где нет наружных дверей, можно представить в виде ( L- G +F G Xoyspf (2.38) /-» \ паруж.стен ниаруж.стгя ІКОН HOKOH)\ J /
Для внутренних помещений, т. е. для помещений, не имеющих стен, контактирующих с окружающей средой, G„„ = 0.
Массовый расход нагреваемого воздуха, требуемого на вентиляцию отдельного помещения расчитывается по формуле [14,111,128]: Овтп=КрРшУш, (2.39) где Кр - кратность воздухообмена; р - плотность воздуха в помещении, вычисляемая по формуле (2.35); ViJtk- объем рассматриваемого помещения.
Коэффициент теплоотдачи для внутренних вертикальных поверхностей (стен) можно представить стандартной формулой [15, 16, 42, 76, 77, 80, 149 -151]: аеерт = Num Ят (2.40) внутр стен » » где Num— число Нуссельта, характеризующее интенсивность теплообмена в пограничном слое между жидкостью (воздухом) и поверхностью омываемого тела; Лт - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м-К); h - высота помещения (характерный размер), м. Средняя высота помещений здания главного корпуса УлГТУ составляет 2,94 м.
Индекс т в (2.43) и всех последующих выражениях п.2.5.1 свидетельствует о том, что параметры взяты при температуре 7-.=- - + 273, где twe - температура внутренней поверхности; t - температура внутреннего воздуха.
Для определения значения коэффициента теплоотдачи при свободном движении жидкости используют следующее уравнение подобия [15, 16, 42, 76, 77,80,148-150]: Nu =cRa", (2.42) где Ram- число Рэлея; сип- коэффициенты, определяемые по таблице 2.2. Число Рэлея рассчитывается по формуле: D gfih At (2.43) va где g - ускорение свободного падения; v- коэффициент кинематической вязкости; /?- коэффициент объемного расширения; h - характерный размер (высота помещения); а - коэффициент температуропроводности; At - температурный напор (разность температур воздуха и поверхности).
Расчет коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции для внутренних горизонтальных поверхностей (потолков) аналогичен предыдущему расчету для внутренних вертикальных поверхностей (стен). Отличия будут в том, что в качестве характерного размера необходимо взять Ь - длину (ширину) помещения, а не Л- высоту помещения [15,16,42,76,77, 80,148 - 150].
Также, чтобы учесть отличия теплоотдачи внутренних стен от теплоотдачи потолков, не изменяя основных уравнений, необходимо ввести коэффициент щ, тогда выражение для коэффициента теплоотдачи потолков примет вид „_ = w AM. (2-44) внутр f I г »
Если температура жидкости (воздуха) в рассматриваемом помещении выше, чем температура воздуха в смежном помещении, тогда щ = 1,3, если наоборот температура жидкости (воздуха) в рассматриваемом помещении ниже, чем температура воздуха в смежном помещении, тогда щ - 0,7.
Расчет коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции для внутренних горизонтальных поверхностей (полов) аналогичен расчету для внутренних вертикальных поверхностей (стен). При этом в качестве характерного размера необходимо взять Ъ - длину (ширину) помещения, а не Л - высоту помещения [15,16, 42, 76, 77, 80, 148 - 150].
Численное исследование теплового режима здания технического университета
Проведенное исследование показало, что помещение № 621, имеющее две стены, граничащих с наружным воздухом, более подвержено влиянию восточного и северо-восточного ветров (рис. 3.20 а). При этом особо интенсивное снижение температуры внутреннего воздуха начинается при скорости ветра 3 -4 м/с.
Уменьшение температуры наружного воздуха на 5 С сопровождается практически равномерным уменьшением температуры внутреннего воздуха на 1,2- 1,5С при малых скоростях ветра (1-3 м/с) и на 1,8 -2,0 С при скоростях ветра (12- 15 м/с).
Менее интенсивное снижение температуры внутреннего воздуха наблюдается при северном, южном и юго-восточном направлениях ветра (рис. 3.20 б, в).
При этом уменьшение температуры наружного воздуха на 5 С сопровождается практически равномерным уменьшением температуры внутреннего воздуха на 1,2— 1,7С.
При северо-западном, западном и юго-западном направлениях ветра снижение температуры внутреннего воздуха с увеличением скорости не происходит, при этом график зависимости внутреннего воздуха от скорости ветра аналогичен графику на рис. 3.18 в. б 9 скорость ветра, м/с а 9 скорость ветра, м/с б О 3 6 9 12 15 скорость ветра, м/с в Рис. 3.20. Зависимость температуры внутреннего воздуха помещешш № 621 от скорости ветра: при восточном и северо-восточном направлеїтях ветра, а, при юго-восточном направлении ветра, б; при северном и южном направлениях ветра, в
Таким образом, для выбранного помещения экономический эффект при регулировании теплопотребления можно ощутить при температурах наружного воздуха выше -15С при безветрии, северном, северо-западном, западном, юго-западном и южном ветрах, при остальных направлениях ветра экономиче 63 ский эффект будет наблюдаться при температурах наружного воздуха выше -10С--5 С. На рис. 3.21 показано местоположение помещения № 102, которое находится на первом этаже. Результаты исследования теплового состояния этого помещения представлены нарис. 3.22. 1 — 1 ;1 1 Г Рис. 3.21. Местоположение кабинета № 102 Проведенное исследование показало, что помещение № 102, имеющее одну стену, граничащую с наружным воздухом, более подвержено влиянию западного и юго-западного ветров (рис. 3.22 а). При этом особо интенсивное снижение температуры внутреннего воздуха начинается при скорости ветра 3 4 м/с. Уменьшение температуры наружного воздуха на 5 С сопровождается практически равномерным уменьшением температуры внутреннего воздуха на 1,0 - 1,2С при малых скоростях ветра (1-3 м/с) и на 1,5 - 1,7С при скоростях ветра (12-15 м/с).
Менее интенсивное снижение температуры внутреннего воздуха наблюдается при северо-западном и южном направлениях ветра (рис. 3.22 о). При этом уменьшение температуры наружного воздуха на 5 С сопровождается практически равномерным уменьшением температуры внутреннего воздуха на 1,0 -1,5Г С.
При северном, юго-восточном, восточном и северо-восточном направлениях ветра снижение температуры внутреннего воздуха с увеличением скорости не происходит (рис. 3.22 в). Уменьшение температуры наружного воздуха на
С сопровождается практически равномерным уменьшением температуры внутреннего воздуха на 1,0 - 1,1С.
Таким образом, для выбранного помещения экономический эффект при регулировании теплопотребления можно ощутить при температурах наружного воздуха выше -25 С при безветрии, северном, северо-западном, южном, юго-восточном, восточном и северо-восточном ветрах, при остальных направлениях ветра экономический эффект будет наблюдаться при температурах наружного воздуха выше -15С--10С. 6 9 скорость ветра, м/с а 6 9 скорость ветра, м/с б 15 25 О в / У V _z. Є- 15 G 0 3 б 9 12 15 скорость ветра, м/с в Рис. 3.22. Зависимость температуры внутреннего воздуха помещения № 102 от скорости ветра: при западном и юго-западном, а; при северо-западпом и южном направлениях ветра, б; при северном, юго-восточном, восточном и северо-восточном направлениях ветра, в На рис. 3.23 показано местоположение помещения № 100, которое находится на первом этаже. Результаты исследования теплового состояния этого помещения представлены на рис. 3.24. 1 f =" w ru г Рис. 3.23. Местоположение лаборатории № 100 скорость ветра, м/с В 10 S 8 / 1 / V У SHEF 4 У5 б скорость ветра, м/с і 8 -Z i = 6 7 скорость ветоа.м/с
Рис. 3.24. Зависимость температуры внутреннего воздуха помещения № 100 от скорости ветра; при западном и юго-западном направлениях ветра а; при северо-западном направлении ветра, б; при северном и южном направлениях ветра, в Проведенное исследование показало, что помещение № 100, имеющее две стены, граничащих с наружным воздухом, более подвержено влиянию западного и юго-западного ветров (рис. 3.24 а). При этом особо интенсивное снижение температуры внутреннего воздуха начинается при скорости ветра 3-4 м/с. Уменьшение температуры наружного воздуха на 5"С сопровождается практически равномерным уменьшением температуры внутреннего воздуха на 1,3 -1,6 С при малых скоростях ветра (1-3 м/с) и на 1,8 - 2,0 С при скоростях ветра (12 -15 м/с).
Менее интенсивное снижение температуры внутреннего воздуха наблюдается при северном, северо-западном и южном направлениях ветра (рис. 3.24 б, в). При этом уменьшение температуры наружного воздуха на 5С сопровождается практически равномерным уменьшением температуры внутреннего воздуха на 1,3-1,8С.
При юго-восточном, восточном и северо-восточном направлениях ветра снижение температуры внутреннего воздуха с увеличением скорости не происходит, При этом график зависимости температуры внутреннего воздуха от скорости ветра аналогичен графику на рис. 3.22 е.
Таким образом, для выбранного помещения экономический эффект при регулировании тешюпотребления можно ощутить при температурах наружного воздуха выше -10С при безветрии, северном, южном, юго-восточном, восточном и северо-восточном ветрах, при остальных направлениях ветра экономический эффект практически не будет наблюдаться.
На рис. 3.25 показано местоположение помещения № 7016, которое находится на седьмом этаже. Результаты исследования теплового состояния этого помещения представлены нарис. 3.26.
Оценка эффективности работы автоматизированной системы регулирования теплопотребления главного корпуса УлГТУ
Оценка эффективности использования автоматизированной системы управления теплопотреблением предполагает сравнение количества потребленной объектом тепловой энергии за определенный промежуток времеїш при ее наличии и отсутствии. Напрямую (путем сопоставления теплопотребления в настоящее время при наличии системы регулирования и в соответствующий период, предшествующий монтажу системы, например, за декабрь 2003 и 2004 годов) такую оценку провести невозможно, поскольку метеорологические условия в сравниваемые периоды будут неодинаковы. Поэтому была разработана адекватная методика оценки использования автоматизированной системы регулирования теплопотребления.
Как отмечалось в первой главе, при отсутствии автоматизированной системы, регулирование теплопотребления осуществляется в элеваторных узлах, где путем смешивания в определенной (неизменной во времени) пропорции теплоносителей из подающей и обратной магистралей готовится теплоноситель, поступающий в нагревательные приборы. Температуру смеси (теплоносителя, поступающего в нагревательные приборы) определяют из формулы (2.30). Очевидно, что в этом случае будут существовать периоды, в течение которых температура воздуха в помещениях окажется выше нормативного значения, тепло-потребление будет выше необходимого и произойдет перерасход тепловой энергии.
В настоящее время в условиях постоянного дефицита топлива нередко поставщик тепловой энергии не обеспечивает расчетных параметров теплоносителя в подающей магистрали. В этом случае потребители тепловой энергии вынуждены работать при максимально возможном значеіши коэффициента g = 1, чтобы поддерживать температуру в помещениях на максимально возможном уровне, (хотя иногда и меньшем того, которое определяется санитарными нормами). Практически это означает, что теплоноситель из подающей магистрали напрямую (минуя элеваторный узел) подается в нагревательные приборы. Именно такая схема подачи теплоносителя имела место при отоплении главного корпуса УлГТУ до его оснащения системой автоматического регулирования.
При наличии автоматизированной системы, коэффициент подмешивания g автоматически изменяется таким образом, чтобы температура теплоносителя, поступающего в нагревательные приборы ц принимала значение, обеспечивающее заданную температуру внутреннего воздуха в помещениях. Таким образом, относительная экономия тепловой энергии TJ в рассматриваемых услови Л ях за промежуток времени А г, обусловленная наличием системы автоматического регулирования, может быть определена выражением: гЛ 1 Y (4.1) \ з h J dr где т - текущее время; /3 значение температуры смеси (теплоносителя, поступающего в нагревательные приборы) при отсутствии системы автоматизированного регулирования; Ц - значение температуры смеси при наличии системы автоматизированного регулирования; t2 - температура теплоносителя в обратной магистрали.
Определяемая выражением (4.1) экономия отнесена к фактически потребленной тепловой энергии при наличии автоматизированной системы. Экономия тепловой энергии т/, отнесенная к энергии, которая была бы потреблена при отсутствии автоматического регулирования, определяется соотношением: 3 dr, г) (4.2) На практике, как было отмечено ранее, нередко выполняется условие g = 1, что соответствует равенству з = 1 где tj— температура теплоносителя в подающей магистрали. Поскольку до оснащения главного корпуса УлГТУ системой автоматического регулирования были справедливы соотношения g = 1; /3 = t\, то для оценки эффективности ее использования можно применить выражения, полученные из соотношений (4.1), (4.2): LA. (4-3) dr, 1 Y Kh hj (4.4) дг . \ /7 = i fc/r. Аг о Л l2 ) При этом снижение теплового потока при наличии системы регулирования теплопотребления можно рассчитать по формуле: Q = JQ, (4.5) где Q - тепловой поток, потребляемый при отсутствии системы регулирования. Тепловой поток Q рассчитывается по формуле: Q = Gc{tx2), (4.6) где G - массовый расход теплоносителя, а с - удельная теплоемкость теплоносителя.
В условиях несоблюдения поставщиком тепловой энергии установленных параметров теплоносителя существенно повышается роль приборов учета тепловой энергии. Степень снижения потребляемой тепловой энергии р при не 87 контролируемом уменьшении параметров теплоносителя в подающей магистрали определяется выражением: ft) (4.7) 1 2 (ІТ, Чр 2р ; где расчетные температуры теплоносителя в подающей t]p и обратной t2p магистралях определяются соотношениями (2.24), (2.25).
Параметр q представляет собой долю фактически поставленной тепловой энергии от той энергии, которая поступила бы при расчетных параметрах теплоносителя в подающей магистрали.
Теплоизоляционные свойства здания можно охарактеризовать интегральным коэффициентом теплопередачи к (Вт/(м2К)), представляющим собой рассеиваемый единицей поверхности здания тепловой поток, отнесенный к температурному напору (разности температуры внутреннего и наружного воздуха) =е/И .-01- (4-8) В формуле (4.8) F- площадь поверхности главного учебного корпуса, со-ставляющая примерно 17074 м . Тепловой поток Q (Вт) определяется теплопо-треблением в единицу времени.
Анализ работы системы оптимального теплопотребления выполнен за один год для декабря 2004 г., января, марта, апреля, октября и ноября 2005 г.
На рис. 3.9 приведены данные о температуре наружного воздуха за декабрь 2004 г., полученные в результате метеорологических наблюдений в г. Ульяновске и измеренных с помощью датчиков. Из рис. 3.9 видно удовлетворительное согласование результатов с датчиков температуры и метеоданных. Расхождение данных с официального сайта службы метеорологии vvww.gismeteo.ru с данными, полученных с датчиков составляет в среднем 2С.
На рис. 3.10, 3.11 приведены данные метеонаблюдений за скоростью и направлением ветра Преобладающей скоростью ветра (наивероятнейшей) за декабрь 2004 г., является ив = 3 м/с, при этом средняя скорость ветра была равна ив = 4 м/с. Преобладающими направлениями ветра при этом были юго-западное и южное направления.
Таким образом, опираясь на результаты численного исследования, представленные в третьей главе можно сделать вывод, что наиболее подверженным влиянию ветра в декабре 2004 г. окажется правое крыло западного фасада здания, где и будут самые большие теплопотери. Именно в эту зону обслуживания система регулирования будет подавать теплоноситель с наиболее высокой тем перагурой, чем в остальные. Это подтверждают экспериментальные графики температур теплоносителя поступающего в нагревательные приборы (рис. 4.4) и коэффициента подмешивания g (рис. 4.5). При этом средний коэффициент подмешивания для правого крыла западного фасада за декабрь 2004 г. составил g - 0,93, а средний коэффициент подмешивания по всему зданию составил g = 0,68. Погрешность определения коэффициента g составляет не более 20%.
