Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения оптимального времени разогрева объекта теплоснабжения

Изобретение относится к способам определения оптимального времени разогрева объекта с минимально допустимой температуры до оптимально комфортной для заданного объекта к нужному моменту времени.

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 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.

Известен способ, который заключается 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.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ, состоящий из определения необходимых теплофизических характеристик объекта для нахождения постоянной времени разогрева и остывания объекта методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных полученных в ходе разогрева объекта и получения зависимости времени разогрева объекта к нужному моменту времени, используя математическую модель теплового режима объекта. После нахождения постоянной времени разогрева и остывания 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/_Pуст,

где К_а – коэффициент активной работы системы теплоснабжения, t_раб – время активной работы системы теплоснабжения за время t_под, P_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. патент на изобретение (RU № 2643945, МПК F24D 19/10, опубл. 06.02.2018).

Недостатком известного способа является, то что производится сравнение изменения температуры внутри объекта в момент остывания с Т_в1 до Т_в2 и по полученным значениям из табличной зависимости берется расчетное Т_окр, но из-за старения материалов и изменения их ТФС (теплофизических свойств) данные значения, представленные в таблицы, будут неинформативны, а, следовательно, через промежуток времени определение по ней Т_окр будет неинформативно.

Технический результат заключается в повышении эффективности режима энергосбережения и управляемости систем автономного теплоснабжения за счет более точного определения момента включения системы теплоснабжения в активную работу, с учетом возмущающих воздействий на объект теплоснабжения и отсутствия необходимости сравнения с табличными зависимостями.

Сущность изобретения заключается в том, что способ определения оптимального времени разогрева объекта теплоснабжения состоит из определения необходимых теплофизических характеристик объекта для нахождения постоянной времени разогрева и остывания объекта методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных полученных в ходе разогрева объекта и получения зависимости времени разогрева объекта к нужному моменту времени, используя математическую модель теплового режима объекта. После нахождения постоянной времени разогрева и остывания объекта, определяют зависимость окружающей температуры от коэффициента активной работы системы теплоснабжения. Коэффициент активной работы системы теплоснабжения определяют по формуле (1).

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.

Для определения момента включения системы теплоснабжения на разогрев объекта к нужному моменту времени, в момент когда коэффициент активной работы отсутствует, расчетное значение момента включения определяют по времени остывания температуры внутри помещения на 1°С.

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.

Способ заключается в следующем. Для получения зависимости времени разогрева от коэффициента активной работы требуется выявление зависимостей К_а=f(Т_окр.) (фиг. 1), t_вр.р= f(Т_игр.) (фиг. 2) с помощью переносной автоматизированной установки для определения теплофизических свойств.

Задают температуру поддержания внутри объекта - Т_в.

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

(2)

где температура окружающей среды в i момент времени, n – количество снятых показаний.

Определяют общую площадь и объем объекта по наружному обмеру.

Определют среднюю потребляемую мощность на поддержание заданной температуры, Вт:

. (3)

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

Определяют коэффициент теплопередачи, Вт/(м^2.ºC):

(4)

Определяют удельную тепловую характеристику объекта, Вт/(м³∙ºC):

(5)

Среднюю потребляемую мощность, затрачиваемую на поддержание требуемой температуры внутри исследуемого объекта, в зависимости от температуры окружающего воздуха определяют по формуле (6) с использованием коэффициента теплопередачи и с учетом общей площади исследуемого объекта по наружному обмеру, Вт:

(6)

Среднюю потребляемую мощность, затрачиваемую на поддержание требуемой температуры внутри исследуемого объекта в зависимости от температуры окружающего воздуха определяют по формуле (7) с использованием удельной тепловой характеристики и объема помещения по наружному обмеру, Вт:

(7)

Коэффициент активной работы системы теплоснабжения находят по следующей формуле (8):

K_a = t_раб/t_под = P_затр/_Pуст, (8)

На фиг. 1 представлен график К_а=f(Т_окр.). Расчетную кривую строят по полученным теплофизическим характеристикам объекта и с помощью формул (6) или (7).

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

Тепловой режим отапливаемого объекта может быть описан следующим дифференциальным уравнением (9):

(9)

где - разница между окружающей и внутренней температурами в каждый момент времени , Т_р - постоянная времени разогрева, - коэффициент передачи по каналу «мощность системы отопления - температура внутреннего воздуха» находится по следующей формуле (10):

(10)

Для нахождения оптимального времени разогрева объекта используют уравнение (11), принятое в теории автоматического управления:

(11)

Для аналитического решения уравнения (11) методом разделения переменных приводят его к виду:

(12)

Общим решением уравнения (12) является функция:

(13)

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

(14)

(15)

Решение уравнения (11) примет вид:

( 16)

Находят постоянную методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных полученных в ходе разогрева помещения при фиксированной мощности системы теплоснабжения.

Пусть ,

где , ,

необходимо найти х. Поскольку х входит в степень экспоненты, то его находят составив функционал для метода наименьших квадратов, как квадрат разницы натуральных логарифмов (17):

(17)

Для нахождения минимума этого функционала, находят его производную по х и приравнивают к 0 (18):

(18)

Решают полученное уравнение относительно х (19):

(19)

Постоянную времени разогрева определяют по формуле (20):

(20)

По полученным данным для Т_окр строят график зависимости t_вр.р от Т_окр по формуле (21):

(21)

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

В случае, если коэффициент активной работы равен K_a=0 (температура в помещении выше заданной, при переходе из режима поддержания оптимальной температуры в режим энергосбережения – когда температура внутри помещения начинает постепенно снижаться), зависимость времени разогрева определяется исходя из зависимости времени изменения температуры внутри отдельного помещения или объекта на 1 ^оС.

По полученному значению зависимости t_ост=f(∆T_в) времени остывания температуры в помещении на 1 ^оС, определяется расчетная окружающая температура по формуле:

(22)

где Т_вi - температура внутри объекта в i момент времени, Т_в(0) – начальное значение внутренней температуры = ∆T_в.

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

Пусть ,

где ,

Необходимо найти . Поскольку входит в степень экспоненты, то его находят, если составить функционал для метода наименьших квадратов, как квадрат разницы натуральных логарифмов (23).

(23)

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

(24)

Решают полученное уравнение относительно :

(25)

Постоянную времени остывания определяют по формуле:

(26)

Затем по полученному значению расчетной окружающей температуры, из формулы (27) производят определение расчетного времени разогрева объекта к нужному моменту времени:

(27)

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, с учетом всех возмущающих воздействий на объект теплоснабжения.