СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ В ПОМЕЩЕНИЯХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ Российский патент 2005 года по МПК G05B21/00 F24D10/00 

Описание патента на изобретение RU2260201C2

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 τu осуществляется замер температуры воздуха внутри помещения и в текущий момент времени выработки управляющего воздействия tcur на основе информации о температуре в помещении в данный момент T(tcur) и о величине установочной температуры в помещении Тset рассчитывается текущее отклонение температуры от установочной

X(tcur)=T(tcur)-Tset; (1)

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

(где a=-A/(CV·V), b=1/(Cv·V),CV - 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 (tcur, tcuru), 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) wi для каждой из систем производится упорядочивание исполнительных систем по возрастанию wi, так что в результате w1≤w2≤...≤wN. 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, Uj=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 (tcur,tcuru) по формуле . В случае непрерывного управляющего воздействия управляющий орган данной системы в текущий момент времени tcur переводится в положение, обеспечивающее выходную мощность системы, равную U1, и удерживается в этом положении в течение временного интервала (tcur,tcuru). 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 Рj - 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 wi, 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 (tcur,tcuru) по формуле . В случае непрерывного управляющего воздействия управляющий орган данной системы в текущий момент времени tcur переводится в положение, обеспечивающее выходную мощность системы, равную U1, и удерживается в этом положении в течение временного интервала (tcur,tcuru). 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≤...wN, 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 (tcur,tcuru) определяется по формуле , где Gn - санитарная норма подачи воздуха, Gf - производительность вентилятора. При этом возможность работы сплит-системы в режиме охлаждения на временном интервале (tcur,tcuru) 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) wh для водяного отопления и wc для сплит-системы производится упорядочивание систем по возрастанию wi, так что в результате w1≤w2 (т.е. при wh≥wc полагается w1=wh, w2=wc, а при wh>wc полагается w1,=wc, w2=wh). 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 (tcur,tcuru) по формуле. В случае непрерывного управляющего воздействия (в случае если первой системой является радиатор водяного отопления) управляющий орган данного устройства в текущий момент времени tcur переводится в положение, обеспечивающее выходную мощность радиатора, равную U1, и удерживается в этом положении в течение временного интервала (tcur,tcuru). 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 U11, 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 (tcur,tcuru) по формуле . В случае непрерывного управляющего воздействия (для радиатора водяного отопления) управляющий орган данной системы в текущий момент времени tcur переводится в положение, обеспечивающее выходную мощность системы, равную Ui, и удерживается в этом положении в течение временного интервала (tcur,tcuru). Если неравенство U≤P1+P2 не выполнено (т.е. суммарной мощности обеих систем недостаточно для формирования суммарного управляющего воздействия), то полагается U11, U22 (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 Тe в зоне его забора вентиляционной установкой. Если температура наружного воздуха равна или превышает установочную температуру Te≥ Тset, то подача приточного воздуха определяется исходя из минимальных санитарных норм подачи свежего воздуха в данное помещение, т.е. время включения вентилятора на временном интервале (tcur,tcuru) 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 (tcur,tcuru) производится по формуле .

Если то полагается τcu.

Если температура наружного воздуха меньше установочной Te<Tset, то приоритет в охлаждении отдается приточной вентиляции. В случае, если (где С - теплоемкость воздуха), время работы сплит-системы в режиме охлаждения на временном интервале (tcur,t curu) полагается равным нулю, а время работы вентиляции

на этом интервале определяется по формуле: Если при этом , т.е. количество подаваемого за время τf 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 τf на временном интервале (tcur,t curu) полагается равным τu, а время работы сплит-системы в режиме охлаждения на этом интервале вычисляется по формуле . При этом если полученное значение τc оказывается большим τu (т.е. суммарной мощности обеих систем недостаточно для формирования управляющего воздействия), то полагается τcu.

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%.

Похожие патенты RU2260201C2

название год авторы номер документа
АККУМУЛИРУЮЩИЙ ТЕПЛО ИЛИ ХОЛОД СТРОИТЕЛЬНЫЙ БЛОК И СТЕНА ИЗ ЭТИХ БЛОКОВ 2005
  • Король Елена Анатольевна
  • Макаров Герман Вадимович
  • Слесарев Михаил Юрьевич
  • Теличенко Валерий Иванович
RU2303109C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБЕРЕЖЕНИЯ ТЕПЛА И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА В ЖИЛЫХ ЗДАНИЯХ 2011
  • Терентьев Николай Афанасьевич
RU2476777C2
ТЕРМОСТАТИРОВАННОЕ ПОМЕЩЕНИЕ ДЛЯ РАБОТЫ ВЫСОКОТОЧНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ 2011
  • Волынцев Анатолий Борисович
  • Ощепков Александр Юрьевич
  • Калинин Сергей Петрович
RU2478766C2
ПОКВАРТИРНАЯ СИСТЕМА ВЕНТИЛЯЦИИ, ОТОПЛЕНИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ В МНОГОЭТАЖНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЯХ 2005
  • Кокорин Олег Янович
  • Балмазов Михаил Валентинович
RU2282108C1
Способ и устройство отопления и кондиционирования здания 2019
  • Харитонов Владислав Петрович
RU2725127C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА 2015
  • Бертолотти Умберто
RU2617757C2
СПОСОБ И СИСТЕМА НОРМАЛИЗАЦИИ МИКРОКЛИМАТА 2006
  • Сайкин Сергей Андреевич
  • Сайкин Андрей Михайлович
RU2345909C2
ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ ПОМЕЩЕНИЙ 2020
  • Чванов Михаил Николаевич
RU2738527C1
МНОЖЕСТВО ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ СИСТЕМ НА ОБЪЕКТЕ 2015
  • Шривастава Дхайрия
  • Браун Стефен С.
  • Кадет Рональд Ф.
RU2711515C2
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫМИ СИСТЕМАМИ ЗДАНИЯ 2000
  • Гинзбург В.В.
RU2178909C1

Реферат патента 2005 года 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.

Формула изобретения RU 2 260 201 C2

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2005 года RU2260201C2

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 1996
  • Муромцев Ю.Л.
  • Орлова Л.П.
  • Потапов В.М.
  • Майникова Н.Ф.
RU2128357C1
US 4700887 A, 20.10.1987
СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ ПОМЕЩЕНИЙ 1997
  • Данилов В.В.
  • Славин В.С.
  • Елистратов Ю.П.
RU2121114C1
СТРУКТУРИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ ОБЪЕКТА 1998
  • Гинзбург В.В.
  • Бурмистров В.А.
  • Фабричнев А.В.
  • Ершов В.В.
RU2133490C1
СПРЕССОВАННЫЕ ПРОДУКТЫ ИЗ НЕСЛЕЖИВАЮЩЕЙСЯ СОЛИ 2000
  • Сетз Герхардус Йоханнес Альфонсус Мария
  • Прис Виллем
RU2247072C2
ЕР 0431491 А1, 12.06.1991.

RU 2 260 201 C2

Авторы

Гинзбург В.В.

Даты

2005-09-10Публикация

2003-09-23Подача