СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ РАЗОГРЕВА ОБЪЕКТА

Изобретение относится к способам определения оптимального времени разогрева объекта с минимально допустимой температуры до оптимально комфортной для заданного объекта к нужному моменту времени и может быть использовано для зданий, помещений и т.п.

Известен способ определения оптимального времени разогрева помещения, в котором описано решение задачи параметрической идентификации математической модели теплового режима здания, которая учитывает тепло-инерционные свойства ограждения (в частности, постоянную времени Т). Разработана структура математической модели, позволяющая показывать изменения наружной температуры от времени. С помощью данной модели происходит определение зависимости внутренней температуры от внешних климатических условий, характеристик здания и параметров системы теплоснабжения. Разработан оптимальный алгоритм управления режимом прерывистого отопления, который заключается в снижении мощности системы теплоснабжения до минимального значения в первый интервал времени и поддержания тепловой мощности на максимальном уровне во втором периоде (Анисимова Е.Ю. Оптимизация температурных режимов общественно-административных и производственных зданий: дисс. … канд. тех. наук / Е.Ю. Анисимова; Южно-Уральский государственный университет, 2008, с. 34-56).

Недостатком известного способа является то, что для определения оптимального времени разогрева с минимально допустимой температуры к нужному моменту времени используется датчик наружной температуры и не учитываются дополнительные факторы, влияющие на определение времени разогрева.

Известен способ определения коэффициента тепловой аккумуляции здания на основе теплового баланса с использованием коэффициентов, описывающих теплофизические свойства объекта (Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов. - 7-е изд. - М.: Издательство МЭИ, 2001. - 472 с.: глава 8).

Недостатком известного способа является то, коэффициент тепловой аккумуляции здания находят путем определения коэффициентов, характеризующих теплофизические свойства объекта по нормативным документам, что на практике не всегда совпадает с реальными теплофизическими свойствами объекта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ, заключающийся в определении времени разогрева объекта исходя из построенной математической модели, которая представляет собой дифференциальное уравнение с начальными условиями. Для данного уравнения численным методом решена задача Коши. Постоянная времени разогрева определяется аналитическим методом (Нагорная А.Н. Математическое моделирование и исследование нестационарного теплового режима зданий: дисс. … кан. тех. наук / А.Н. Нагорная; Южно-Уральский государственный университет, 2008, с. 25-63).

Недостатком известного способа является то, что использование климатического оборудования усложняет систему управления временем разогрева объекта.

Технический результат предлагаемого способа заключается в определении оптимального времени разогрева объекта без использования внешнего климатического оборудования и повышении эффективности режима энергосбережения и управляемости системы автономного теплоснабжения, за счет более точного определения момента включения системы теплоснабжения в активную работу.

Сущность изобретения заключается в том, что способ определения оптимального времени разогрева объекта заключается в определении необходимых теплофизических характеристик объекта для нахождения постоянной времени разогрева и остывания объекта методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных полученных в ходе разогрева объекта. Определяют зависимость окружающей температуры от коэффициента активной работы системы теплоснабжения. Коэффициент активной работы системы теплоснабжения определяют по следующей формуле:

K_a=t_раб/t_под=P_затр/P_уст,

где t_раб - время активной работы системы теплоснабжения за время t_под, Р_затр - средняя потребляемая мощность, Р_уст - номинальная мощность источника теплоснабжения.

Далее определяют зависимость времени разогрева объекта от окружающей температуры и с помощью полученных данных находят зависимость времени разогрева объекта к определенному моменту времени от коэффициента активной работы системы теплоснабжения, при этом если коэффициент активной работы системы теплоснабжения отсутствует, то определение оптимального времени разогрева объекта находят с помощью зависимости времени остывания объекта от окружающей температуры, затем получают оптимальное время разогрева объекта в зависимости от окружающей температуры.

На фиг. 1 представлен график коэффициента активной работы от температуры окружающей среды; на фиг. 2 - экспериментальная кривая в ходе разогрева исследуемого объекта; на фиг. 3 - зависимость времени разогрева объекта от температуры окружающей среды; на фиг. 4 - зависимость времени разогрева объекта от коэффициента активной работы; на фиг. 5 - график изменения температуры внутри исследуемого объекта при отключении системы теплоснабжения; на фиг. 6 - экспериментальная и расчетная кривые остывания объекта; в табл. 1 представлены значения остывания температуры внутри отапливаемого объекта при отключенной системе теплоснабжения в зависимости от окружающей температуры.

Способ заключается в следующем. Для получения зависимости времени разогрева от коэффициента активной работы выявляют зависимости K_a=f(T_окр.) (фиг. 1) и t_вр.р=f(T_окр.) (фиг. 2) с помощью известных установок для определения теплофизических свойств.

Задают температуру поддержания внутри объекта - Т_в.

Определяют среднюю окружающую температуру за время проведения исследования, °С:

где - Т_окрi температура окружающей среды в i момент времени; n - количество снятых показаний.

Определяют общую площадь S_общ. и объем V объекта по наружному обмеру.

Определяют среднюю потребляемую мощность на поддержание заданной температуры, Вт:

где Р_затр - средняя потребляемая мощность, Р_уст - номинальная мощность источника теплоснабжения, t_paб - время активной работы системы теплоснабжения за время t_под.

Определяют коэффициент теплопередачи, Вт/(м²⋅°С)

Определяют удельную тепловую характеристику объекта q₀, Вт/(м³⋅°С):

Среднюю потребляемую мощность, затрачиваемую на поддержание требуемой температуры внутри исследуемого объекта в зависимости от температуры окружающего воздуха, определяют по формуле с использованием коэффициента теплопередачи и с учетом общей площади исследуемого объекта по наружному обмеру, Вт:

Среднюю потребляемую мощность, затрачиваемую на поддержание требуемой температуры внутри исследуемого объекта в зависимости от температуры окружающего воздуха, определяют по формуле с использованием удельной тепловой характеристики и объема помещения по наружному обмеру, Вт:

Коэффициент активной работы системы теплоснабжения находят по следующей формуле:

На фиг. 1 представлен график K_a=f(T_окр.). Расчетная кривая строится по полученным теплофизическим характеристикам объекта и с помощью формул (5) или (6).

Для того чтобы найти время разогрева объекта в зависимости от окружающей температуры t_вр.р=f(T_окр.) необходимо знать уравнение теплового режима объекта.

Тепловой режим отапливаемого объекта может быть описан следующим дифференциальным уравнением:

где - T_в(t_вр.р)-Т_окр - разница между окружающей и внутренней температурами в каждый момент времени t_вр.р, Т_р - постоянная времени разогрева; k₀ - коэффициент передачи по каналу «мощность системы отопления - температура внутреннего воздуха».

Коэффициент передачи k₀ находят по следующей формуле:

Для нахождения оптимального времени разогрева объекта используют уравнение, принятое в теории автоматического управления:

Для аналитического решения уравнения (10) методом разделения переменных приводят его к виду:

Общим решением уравнения (10) будет функция:

Для заданной окружающей температуры и заданного начального значения внутренней температуры находят значение С:

Решение уравнения (10) примет вид:

Находят постоянную T_р методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных, полученных в ходе разогрева помещения при фиксированной мощности системы теплоснабжения. На фиг. 2 представлен график разогрева объекта.

Пусть ,

где α=Т_окр+k₀Р_уст, β=Т_окр-Т_в(0)+k₀Р_уст.

Необходимо найти х. Поскольку х входит в степень экспоненты, то находят его, если составить функционал для метода наименьших квадратов, как квадрат разницы натуральных логарифмов:

Для нахождения минимума этого функционала, находят его производную по х и приравняем к 0:

Решают полученное уравнение относительно х:

Постоянную времени разогрева определяют по формуле

По полученным данным для Т_окр строят график зависимости t_вp.p от Т_окр по формуле

На фиг. 3 представлен график зависимости времени разогрева t_вp.p. от Т_окр.

Объединение функциональных зависимостей, приведенных на фиг. 1 и 3 позволяет получить зависимость t_вp.p=f(K_a) по результатам эксперимента по определению теплофизических свойств объекта представленную на фиг. 4.

В случае, если коэффициент активной работы равен K_а=0 (температура в помещении выше заданной), зависимость времени разогрева определяют исходя из табличной зависимости времени остывания температуры внутри объекта на 1°С от наружной температуры, полученной экспериментальным путем, для каждого помещения.

Формула зависимости Т_в от t_ост:

Так как Т - постоянная времени при остывании отличается от Т_р при разогреве, находят ее методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных полученных в ходе остывания помещения при отключении подачи тепла.

На фиг. 5 представлен график изменения температуры внутри исследуемого объекта при отключении теплоснабжения.

Пусть ,

где α=Т_окр+k₀Р_уст, β=-(Т_окр-Т_в(0)+k₀Р_уст).

Необходимо найти х. Поскольку x входит в степень экспоненты, то находят его, если составить функционал для метода наименьших квадратов, как квадрат разницы натуральных логарифмов:

Для нахождения минимума этого функционала, находят его производную по х и приравняем к 0:

Решают полученное уравнение относительно х:

Постоянную времени остывания определяют по формуле

Формула определения времени остывания внутри отапливаемого помещения, при отключении системы теплоснабжения:

На фиг. 6 представлен график с расчетной и экспериментальной кривой остывания.

Исходя из данных метеонаблюдений, производят построение графиков окружающей температуры. В табл. 1 представлены значения изменения температуры внутри отапливаемого объекта при отключении системы теплоснабжения при различных температурах окружающего воздуха.

Затем производят сравнение времени остывания объекта от Т_в1 до Т_в2 и по полученному значению определяют окружающую температуру вне отапливаемого помещения. Далее по зависимости t_вp.p=f(T_окр) определяют оптимальное время разогрева объекта к нужному моменту времени (фиг. 3).

По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет повысить эффективность режима энергосбережения и управляемость систем автономного теплоснабжения, за счет более точного определения момента включения системы теплоснабжения в активную работу и учета всех влияющих факторов.