Способ оптимального управления тепловым режимом в помещениях зданий и сооружений

Изобретение относится к теплотехнике и касается способа оптимального регулирования температуры в помещении, обеспечивающего заданную температуру воздуха при минимальных затратах на потребляемую энергию. В условиях эксплуатации современных зданий и сооружений, характеризующейся одновременным использованием широкого спектра различных систем отопления, вентиляции и кондиционирования, технический результат изобретения заключается в экономии совокупных затрат на терморегулирование за счет снижения энергопотребления и выбора более дешевого источника. Технический результат достигается тем, что сформированное на основе решения задачи синтеза оптимального управления с обратной связью по интегральному квадратичному критерию, включающему как величину отклонения реальной температуры в помещении от установочной, так и энергозатраты на поддержание заданного температурного режима, управляющее воздействие на исполнительные системы распределяют между исполнительными системами из условия получения необходимой мощности при минимуме затрат на потребление энергии этими системами с учетом стоимости энергии для каждой из них. 1 ил.

 

Изобретение относится к теплотехнике и касается способа оптимального регулирования температуры в помещении, обеспечивающего заданную температуру воздуха при минимальных затратах на потребляемую энергию.

Эксплуатация современных зданий и сооружений характеризуется одновременным использованием широкого спектра различных автономных систем отопления, вентиляции и кондиционирования. Как правило, каждая из установленных систем имеет свою систему управления. Например, в помещении установлены радиаторы водяного отопления, приточно-вытяжная вентиляция и сплит-система кондиционирования. Радиаторы управляются механическим терморегулятором, имеющим свою заданную температуру и гистерезис. Система вентиляции имеет постоянную производительность и может быть либо включена, либо выключена. Сплит-система кондиционирования имеет свой терморегулятор со своей заданной температурой и гистерезисом. Механический терморегулятор, терморегулятор кондиционера и устройство управления вентиляцией не имеют связи и управление этими системами осуществляется независимо друг от друга. Так как заданная температура механического терморегулятора и заданная температура терморегулятора кондиционера независимы, то в случае превышения заданной температуры механического терморегулятора над заданной температурой терморегулятора кондиционера отопление и кондиционирование будут работать друг против друга. При этом менее мощное устройство будет работать постоянно, а более мощное либо постоянно, либо прерывисто. Подобное терморегулирование крайне неэффективно, так как необходимые затраты энергии складываются из энергии, необходимой для обогрева или охлаждения помещения, и энергии, необходимой для противодействия систем отопления и кондиционирования.

Описанная выше ситуация характерна также для многих других сочетаний систем отопления, вентиляции и кондиционирования, таких как теплые полы, воздушное отопление, прямое электрическое отопление, фэнкойлы, кондиционеры с тепловыми насосами и т.д. Причина - неэффективное управление при совместной работе этих систем.

Кроме того, различные системы, отапливающие или охлаждающие помещение, имеют различную производительность и удельную стоимость тепловой энергии, зависящие от внешних факторов. Так, например, при определенных соотношениях между температурой в помещении и температурой наружного воздуха вентиляция оказывается энергетически более выгодной, чем кондиционирование.

Таким образом, с целью экономии затрат на энергопотребление в рамках концепции интеллектуального здания возникает необходимость интегрированного подхода к управлению температурным режимом в помещении.

Известен способ энергосберегающего управления тепловым режимом помещений, заключающийся в том что осуществляют замер температуры воздуха в помещении, сравнивают ее с установочной температурой для данного помещения и по наличию разницы между температурами воздуха в помещении и установочной температурой осуществляют изменение параметров работы расположенных в помещении агрегатов формирования микроклимата до исключения разницы между установочной температурой и температурой воздуха в помещении, а при отсутствии разницы между установочной температурой и температурой воздуха в помещении осуществляют отключение агрегатов формирования микроклимата с последующим их включением при появлении указанной разницы (US, пат. №4700887, F 24 F 7/00, опубл. 20.10.1987). Известна также энергосберегающая система терморегулирования, содержащая в качестве одной из составных частей блок синтеза оптимального управления (RU, патент №2128357, G 05 B 13/00, опубл. 27.03.1999).

Недостатком указанных изобретений является то, что в процессе терморегулирования не учитывается различие в стоимости энергии для различных исполнительных систем.

В рамках настоящего изобретения рассматривается способ управления тепловым режимом объекта, представляющего собой помещение, содержащее стационарные и/или нестационарные источники тепла и оснащенное рядом исполнительных систем терморегулирования - системами отопления в количестве и системами охлаждения в количестве .

Изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению заданной температуры воздуха в помещении при минимальных затратах на потребляемую энергию.

Достигаемый при этом технический результат заключается в экономии общего энергопотребления и, как следствие, снижении нагрузки на окружающую среду; экономии совокупных затрат на отопление, вентиляцию и кондиционирование помещений за счет снижения энергопотребления, выбора более дешевого источника.

Указанный технический результат достигается тем, что периодически через заданный интервал времени τ_u осуществляется замер температуры воздуха внутри помещения и в текущий момент времени выработки управляющего воздействия t_cur на основе информации о температуре в помещении в данный момент T(t_cur) и о величине установочной температуры в помещении Т_set рассчитывается текущее отклонение температуры от установочной

X(t_cur)=T(t_cur)-T_set; (1)

по величинам текущего отклонения температуры от установочной X(t_cur), отклонения температуры от установочно в предыдущий момент выработки управляющего воздействия X(t_prev) (где t_prev=t_cur-τ_u) и величине управляющего воздействия в предыдущий момент выработки управляющего воздействия U(t_prev) идентифицируется приведенная величина возмущающей тепловой нагрузки в помещении:

(где a=-A/(C_V·V), b=1/(C_v·V),C_V - объемная теплоемкость воздуха, V - объем помещения, А - приведенный коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции), и на основе решения задачи синтеза оптимального управления с обратной связью по интегральному квадратичному критерию, включающему как величину отклонения реальной температуры в помещении от установочной, так и энергозатраты на поддержание заданного температурного режима, рассчитывается величина суммарного управляющего воздействия U, которое необходимо обеспечить на временном интервале (t_cur, t_cur+τ_u), распределив его оптимальным образом между соответствующими устройствами:

(где , , r, q - задаваемые пользователем коэффициенты, характеризующие качество управления и энергопотребление соответственно).

Оптимальное распределение подачи тепла (если U>0) или отвода тепла (подачи холода) (если U<0) между исполнительными системами осуществляется из условия минимизации затрат на потребляемую энергию с учетом того, что затраты на потребление энергии различными системами не постоянны, а могут зависеть от различных факторов (время суток, температура окружающей среды и др.). В случае U>0 (требуется обогрев помещения) в рассмотрение принимаются только нагревательные системы , в то время как управляющие воздействия, подаваемые на охлаждающие системы, полагаются равными нулю . В случае U<0 (требуется охлаждение помещения) в рассмотрение принимаются только охлаждающие системы в то время как управляющие воздействия, подаваемые на нагревательные системы, полагаются равными нулю . Таким образом исключается возможность противодействия систем отопления и охлаждения.

С целью оптимального распределения вклада различных исполнительных систем в суммарное управляющее воздействие в текущий момент выработки управляющего воздействия на основе информации о стоимости единицы управления (тепловой энергии) w_i для каждой из систем производится упорядочивание исполнительных систем по возрастанию w_i, так что в результате w₁≤w₂≤...≤w_N. Далее полагается i=1 и проверяется выполнение неравенства (где Р₁ - максимальная выходная мощность 1-ой системы). Если неравенство выполнено (т.е. мощности первой системы достаточно для формирования суммарного управляющего воздействия), то полагается U₁=U, U_j=0, , т.е. управляющее воздействие на все системы, кроме первой, равны нулю. При этом в случае дискретного управляющего воздействия для 1-й системы (система может быть или включена или выключена) производится расчет времени ее включения на временном интервале (t_cur,t_cur+τ_u) по формуле . В случае непрерывного управляющего воздействия управляющий орган данной системы в текущий момент времени t_cur переводится в положение, обеспечивающее выходную мощность системы, равную U₁, и удерживается в этом положении в течение временного интервала (t_cur,t_cur+τ_u). Если неравенство не выполнено (т.е. мощности первой системы недостаточно для формирования суммарного управляющего воздействия), то при i<N полагается i=i+1 и процесс повторяется. При этом для текущего значения i производится следующая последовательность операций. Проверяется выполнение неравенства (где Р_j - максимальная выходная мощность j-й системы). Если неравенство выполнено (т.е. суммарной мощности первых i систем достаточно для формирования суммарного управляющего воздействия), то полагается , , , , т.е. системы, стоимость единицы производимой энергии которых ниже w₁, работают на полную мощность, а управляющие воздействия на все системы, стоимость единицы производимой энергии которых выше w_i, равны нулю. При этом в случае дискретного управляющего воздействия для i-й системы (система может быть или включена или выключена) производится расчет времени ее включения на временном интервале (t_cur,t_cur+τ_u) по формуле . В случае непрерывного управляющего воздействия управляющий орган данной системы в текущий момент времени t_cur переводится в положение, обеспечивающее выходную мощность системы, равную U₁, и удерживается в этом положении в течение временного интервала (t_cur,t_cur+τ_u). Если неравенство не выполнено (т.е. общей мощности первых i систем недостаточно для формирования суммарного управляющего воздействия), то в случае i=N полагается (т.е. все системы работают на полную мощность), а в случае i<N полагается i=i+1 и процесс повторяется.

Указанные признаки являются существенными с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого результата.

Описанный выше процесс оптимального распределения суммарного управляющего воздействия между исполнительными системами, упорядоченными в порядке возрастания стоимости единицы тепловой энергии w₁<w₂≤...w_N, иллюстрируется прилагаемой блок-схемой 1.

Реализация предлагаемого способа осуществляется с использованием как минимум одного логического программируемого контроллера с устройством ввода информации о регулируемом объекте, исполнительных системах и величине установочной температуры, и, как минимум, одного датчика температуры. При этом возможно дистанционное автоматическое управление, а также мониторинг оборудования и состояния систем.

Одним из конкретных вариантов реализации предлагаемого способа является его применение к объекту, представляющему собой помещение, содержащее стационарные и/или нестационарные источники тепла и оснащенное следующими исполнительными системами терморегулирования - радиаторами водяного отопления, приточно-вытяжной вентиляцией и сплит-системой кондиционирования. Система вентиляции имеет постоянную производительность и может быть либо включена, либо выключена. Сплит-система может работать в режиме охлаждения и в режиме обогрева, имеет постоянную производительность в каждом из режимов и может находиться в одном из трех состояний (включена в режиме охлаждения, включена в режиме обогрева, выключена). Производительность радиаторов водяного отопления регулируется изменением расхода теплоносителя.

При этом после расчета оптимального управляющего воздействия по формулам (1)-(3) осуществляется оптимальное распределение подачи тепла (если U>0) или отвода тепла (подачи холода) (если U<0) между исполнительными системами из условия минимизации затрат на потребляемую энергию с учетом того, что затраты на потребление энергии различными системами не постоянны, а могут зависеть от различных факторов (время суток, температура окружающей среды и др.). В случае U>0 (требуется обогрев помещения) время работы приточной вентиляции устанавливается исходя из минимальных санитарных норм подачи свежего воздуха в данное помещение, т.е. время включения вентилятора на временном интервале (t_cur,t_cur+τ_u) определяется по формуле , где G_n - санитарная норма подачи воздуха, G_f - производительность вентилятора. При этом возможность работы сплит-системы в режиме охлаждения на временном интервале (t_cur,t_cur+τ_u) исключается. В рассмотрение принимаются только нагревательные системы (радиаторы водяного отопления и сплит-система в режиме обогрева).

С целью оптимального распределения вклада этих систем в суммарное управляющее воздействие в текущий момент выработки управляющего воздействия на основе информации о стоимости единицы управления (тепловой энергии) w_h для водяного отопления и w_c для сплит-системы производится упорядочивание систем по возрастанию w_i, так что в результате w₁≤w₂ (т.е. при w_h≥w_c полагается w₁=w_h, w₂=w_c, а при w_h>w_c полагается w₁,=w_c, w₂=w_h). Далее проверяется выполнение неравенства U≤Р₁, (где P₁ - максимальная выходная мощность 1-й системы). Если неравенство выполнено (т.е. мощности первой системы достаточно для формирования суммарного управляющего воздействия), то полагается U₁=U, U₂=0, т.е. управляющее воздействие на вторую систему равно нулю. При этом в случае дискретного управляющего воздействия для 1-й системы (в случае если первой системой является сплит-система) производится расчет времени ее включения на временном интервале (t_cur,t_cur+τ_u) по формуле. В случае непрерывного управляющего воздействия (в случае если первой системой является радиатор водяного отопления) управляющий орган данного устройства в текущий момент времени t_cur переводится в положение, обеспечивающее выходную мощность радиатора, равную U₁, и удерживается в этом положении в течение временного интервала (t_cur,t_cur+τ_u). Если неравенство U≤Р₁ не выполнено (т.е. мощности первой системы недостаточно для формирования суммарного управляющего воздействия), то проверяется выполнение неравенства U≤P₁+P₂ (где Р₂ - максимальная выходная мощность 2-ой системы). Если неравенство выполнено (т.е. суммарной мощности обеих систем достаточно для формирования суммарного управляющего воздействия), то полагается U₁=р₁, U₂=U-P₁. При этом в случае дискретного управляющего воздействия для соответствующей системы (если ею является сплит-система) производится расчет времени ее включения на временном интервале (t_cur,t_cur+τ_u) по формуле . В случае непрерывного управляющего воздействия (для радиатора водяного отопления) управляющий орган данной системы в текущий момент времени t_cur переводится в положение, обеспечивающее выходную мощность системы, равную U_i, и удерживается в этом положении в течение временного интервала (t_cur,t_cur+τ_u). Если неравенство U≤P₁+P₂ не выполнено (т.е. суммарной мощности обеих систем недостаточно для формирования суммарного управляющего воздействия), то полагается U₁=Р₁, U₂=Р₂ (т.е. обе системы работают на полную мощность).

В случае U<0 (требуется охлаждение помещения) управляющие воздействия, подаваемые на нагревательные системы (радиатор водяного отопления и сплит-система в режиме обогрева), полагаются равными нулю.

Производится измерение температуры наружного воздуха Т_e в зоне его забора вентиляционной установкой. Если температура наружного воздуха равна или превышает установочную температуру T_e≥ Т_set, то подача приточного воздуха определяется исходя из минимальных санитарных норм подачи свежего воздуха в данное помещение, т.е. время включения вентилятора на временном интервале (t_cur,t_cur+τ_u) определяется по формуле . Охлаждение помещения осуществляется сплит-системой кондиционирования. При этом если (где Р - максимальная выходная мощность сплит-системы кондиционирования в режиме охлаждения), расчет времени включения

устройства на временном интервале (t_cur,t_cur+τ_u) производится по формуле .

Если то полагается τ_c=τ_u.

Если температура наружного воздуха меньше установочной T_e<T_set, то приоритет в охлаждении отдается приточной вентиляции. В случае, если (где С - теплоемкость воздуха), время работы сплит-системы в режиме охлаждения на временном интервале (t_cur,t _cur +τ_u) полагается равным нулю, а время работы вентиляции

на этом интервале определяется по формуле: Если при этом , т.е. количество подаваемого за время τ_f свежего воздуха ниже определенного санитарными нормами для данного помещения, то полагается . В случае, если (т.е. мощности вентиляционной установки недостаточно для формирования управляющего воздействия), время работы вентилятора τ_f на временном интервале (t_cur,t _cur+τ_u) полагается равным τ_u, а время работы сплит-системы в режиме охлаждения на этом интервале вычисляется по формуле . При этом если полученное значение τ_c оказывается большим τ_u (т.е. суммарной мощности обеих систем недостаточно для формирования управляющего воздействия), то полагается τ_c=τ_u.

Эффективность предлагаемого способа терморегулирования была подтверждена экспериментально. Оптимальный регулятор сравнивался с комплексом индивидуальных терморегуляторов для систем отопления, вентиляции и кондиционирования при различных климатических условиях в летний, переходный и отопительный периоды. Эффективность оптимального регулятора в зависимости от сезона составляла от 4% до 60% по сравнению с комплексом индивидуальных терморегуляторов для систем отопления, вентиляции и кондиционирования. Среднегодовая эффективность предлагаемого способа терморегулирования составила 15-25%.

Способ оптимального управления тепловым режимом в помещениях зданий и сооружений, содержащих стационарные и/или нестационарные источники тепла и снабженных несколькими исполнительными системами терморегулирования, характеризующийся тем, что формируют периодически через заданный интервал времени управляющее воздействие на исполнительные системы в соответствии с величиной отклонения температуры в помещении от установочной в текущий момент времени, а также с величиной возмущающей тепловой нагрузки, которую вычисляют на основе величин отклонений температур в помещении в текущий и предшествующий моменты времени от установочной и на основе величины управляющего воздействия, сформированного в предшествующий момент времени, распределяют управляющее воздействие между исполнительными системами из условия получения необходимой мощности при минимуме затрат на потребление энергии этими системами с учетом стоимости энергии для каждой исполнительной системы в текущий момент времени.