К оценке резервов экономии теплоты при автоматизации систем отопления зданий

Д.т.н. В.И. Панфёров, профессор, кафедра «Информационно-аналитическое обеспечение управления в социальных и экономических системах», ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)»;

к.в.н. Н.А. Тренин, начальник кафедры авиационных комплексов и конструкции летательных аппаратов;
к.т.н. С.В. Панфёров, доцент; ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», филиал в г. Челябинске

Введение

Известно, что в нашей стране на теплоснабжение зданий расходуется более 1/3 всего добываемого топлива, причём основными при этом являются затраты теплоты на отопление. Поэтому, вполне естественно, возникает задача разработки современных подходов и решений по рациональному использованию расходуемых на отопление энергетических ресурсов.

Как известно, одним из основных способов решения этой проблемы является автоматизация систем отопления и их совершенствование. К месту заметим, что решению этой задачи посвящено достаточно много работ, например, 8, получены довольно интересные и важные результаты.

В частности, в [4, 8] разработана адаптивная система управления, обеспечивающая высокое качество поддержания заданного теплового режима здания (ТРЗ). Система реализует комбинированный принцип управления с настройкой погодного компенсатора по эксплуатационным данным, при этом в системе за счёт обратной связи отрабатываются такие возмущения теплового режима, как теплопоступления от людей, работающего оборудования и солнечной радиации, увеличение потерь теплоты из-за ветра, а также и все погрешности реализации канала компенсации основного возмущения – температуры наружного воздуха.

Следует заметить, что данная структура системы управления позволяет достичь предельно высокого качества поддержания заданного ТРЗ, необходимо лишь должное решение задачи её параметрической настройки.

При решении задач автоматизации, как правило, всегда значимым и важным является вопрос: каковы резервы экономии, как оценить величину экономии теплоты, получаемую за счёт автоматизации систем отопления? Приводимые в литературе данные достаточно противоречивы, сообщаются как вполне реальные 11, так и достаточно невообразимые числа экономии [12]. Утверждается, что есть решения, приносящие баснословный экономический эффект. Вместе с тем при детальном рассмотрении, как правило, выясняется, что всё это не так, и эффект, в общем-то, ничем не подтверждается.

В настоящей работе обсуждаются такие утверждения и предлагается достаточно простой вариант теоретической оценки экономии теплоты при автоматизации систем отопления. Использование такого метода может быть полезным как на этапе предварительной проработки проектных решений, так и при выборе нового ТРЗ и настройке на него системы автоматизации.

Предлагаемый метод оценки эффективности автоматизации отопления

Если ТРЗ задан, то, при прочих равных условиях, теплопотери здания – одни и те же, независимо от того, как конкретно и с помощью какой системы отопления реализуется этот режим. Эти теплопотери должны быть в точности скомпенсированы доставкой теплоты в здание системой отопления. Если же это не так, то ТРЗ поменяется и будет уже другим. Поэтому расход теплоты на реализацию заданного ТРЗ можно оценить по теплопотерям здания. Потери теплоты зданием можно оценить по хорошо известной формуле Н.С. Ермолаева:

где Q, Вт – потери теплоты зданием объёмом V, м 3 при температурах t_В и t_Н, о С соответственно внутреннего и наружного воздуха, q_V, Вт/м 3 ∙ о С – удельная тепловая характеристика.

Рассмотрим два режима отопления: старый режим (неудовлетворительный режим, возможно и с автоматикой, но не работающей, либо плохо настроенной) и улучшенный режим, реализуемый с помощью высококачественной системы автоматического управления отоплением здания; при этом будем считать, что воздухообмен одинаков при обоих режимах.

Теплопотери здания при старом режиме отопления обозначим как
Q ДО = q_V ⋅V ⋅(t_В ДО − t_Н), где t_В ДО – температура внутреннего воздуха при старом режиме отопления (до улучшения режима).

Теплопотери здания при новом (улучшенном) режиме отопления обозначим как Q ПОСЛЕ = q_V⋅(t_В ПОСЛЕ − t_Н )⋅V, где t_В ПОСЛ Е – температура внутреннего воздуха при улучшенном режиме отопления.

Если за базовый режим взять улучшенный режим отопления, то при 80% экономии, как это сообщается в [12], должно быть, что

(Q ДО – Q ПОСЛЕ ) / Q ПОСЛЕ = 0,8 (2)

Оценим, какой при такой экономии должна быть температура внутреннего воздуха при старом режиме отопления. Из вышеприведённого уравнения следует, что

Полагаем, что в новом улучшенном режиме температура внутреннего воздуха соответствует нормативным значениям и, соответственно, равна t_В ПОСЛЕ = 20 °С. Тогда при t_Н = −20 °С температура внутреннего воздуха в прежнем режиме должна быть равна t_В ДО = 52 °С, а при t_Н = −10 °С «всего лишь» 42 °С.

Понятно, что такой «перетоп» совершенно нереален (и, вследствие этого, нереальна и такая экономия теплоты) и его никак не «снять» открытием форточек.

Если такой экономии теплоты (в 80%) добиваться снижением t_В (например, в ночное время в общественных и административных зданиях), то новая пониженная температура должна вычисляться по той же формуле (3), но только разрешённой относительно t_В ПОСЛЕ :

Здесь при t_В ДО = 20 °С и t_Н = −20 °С должно быть, что t_В ПОСЛЕ ≈ 2 °С, если же t_Н = −10 °С, то t_В ПОСЛЕ ≈ 6 °С, только в этом случае будет достигаться 80% экономия теплоты. Однако, заметим, что ниже 12 °С t_В снижать нельзя [13], так как на внутренних поверхностях стен будет выпадать конденсат, поэтому и в этом случае такой экономии теплоты достичь тоже невозможно.

Если за базовый режим брать, как это обычно и принято, старый (прежний) режим, т.е. если считать, что (Q ДО – Q ПОСЛЕ ) / Q ПОСЛЕ = 0,8, то в этом случае получаются совсем абсурдные значения t_В ДО . Такие же неправдоподобные результаты получаются и для значений t_B ПОСЛЕ , если реализуется режим прерывистого отопления. В самом деле,

(Q ДО – Q ПОСЛЕ ) / Q ДО = (t_В ДО − t_В ПОСЛЕ ) / (t_В ДО − t_Н) = 0,8 (6)

t ПОСЛЕ = 0,2 · t_В ДО + 0,8 · t_Н. (7)

Поэтому при t_В ДО = 20 °С (нормативный режим отопления) и t_Н = –20 °С должно быть, что t_В ПОСЛЕ = –12 °С, если же t_Н = –10 °С, то t_В ПОСЛЕ = –4 °С.

Оценим теперь, какими должны быть реальные числа экономии теплоты при автоматизации отопления зданий.

В реальных условиях при обычном (нормативном) воздухообмене имеют место случаи, когда температура внутреннего воздуха в отапливаемых помещениях достигает 29-30 °С. Если полагать, что после квалифицированного решения задачи автоматизации системы отопления температура внутреннего воздуха станет равной t_В ПОСЛЕ = 20 °С, то экономия теплоты при этом составит:

(Q ДО – Q ПОСЛЕ ) / Q ДО = (t_В ДО − t_В ПОСЛЕ ) / (t_В ДО − t_Н) = (30 – 20) / (30 – t_Н). (8)

При t_Н = −20 °С это будет всего лишь 20%, а при t_Н = −10 °С это – 25%.

Если рассматривать режим прерывистого отопления, то, применяя для этого случая ту же формулу (8), получим, что при t_В ДО = 20 °С, t_В ПОСЛЕ = 12 °С и t_Н = −10 °С будет всего лишь 26,6%, а при t_Н = −20 °С это только 20%.

На рисунке приведены кривые, показывающие величину относительной экономии теплоты, вычисленную по формуле

(Q ДО – Q ПОСЛЕ ) / Q ДО = (t_В ДО − t_В ПОСЛЕ ) / (t_В ДО − t_Н) = (30 – t_В ПОСЛЕ ) / (30 – t_Н). (9)

Как видно из рисунка, максимальная экономия теплоты при «перетопе» в 30 °С не может превысить 55% и это возможно только в конце отопительного сезона, если считать нормативной температуру внутреннего воздуха t_В ПОСЛЕ = 18 °С.

Рисунок. Зависимость экономии теплоты от температуры наружного воздуха: верхняя кривая:
t_В ПОСЛЕ = 18 °С, средняя кривая: t_В ПОСЛЕ = 20 °С, нижняя кривая: t_В ПОСЛЕ = 22 °С.

Понятно, что вышеприведённые оценки относятся к стационарным режимам отопления, кроме того, при рассмотрении режима прерывистого отопления, полагалось, что скорость «натопа» помещений перед началом рабочего дня одна и та же, что определяется обычно установленной мощностью систем отопления.

Отметим также, что расход теплоты на вентиляцию приводится к виду, аналогичному уравнению (1). Поэтому в формуле (1) под q_V следует, вообще-то, подразумевать сумму собственно удельной тепловой характеристики здания и удельного расхода теплоты на вентиляцию [14]. Но поскольку во всех последующих формулах эта величина сокращается, то все полученные оценки для относительной эффективности останутся прежними.

Замечания по поводу эффективности комбинированных систем отопления

Относительно комбинированных систем отопления [12] можно отметить следующее. Как это нам представляется, в [12] задача совершенствования теплового (температурного) режима зданий (ТРЗ) не решается, а делается попытка доказать, что, управляя комбинированной системой отопления, можно добиться существенной экономии теплоты при реализации известного ТРЗ, что совершенно невозможно.

Действительно, как уже отмечалось выше, тепловые потери конкретного здания определяются его ТРЗ и температурой наружного воздуха, эти теплопотери одни и те же, независимо от того, с помощью какой системы отопления реализуется данный ТРЗ.

Эти теплопотери в точности нужно компенсировать доставкой теплоты в здание системой отопления, причём совершенно неважно какой – водяной, электрической, комбинированной или нет. Если это не так, то ТРЗ поменяется и будет уже другим. Поэтому по теплоте при реализации заданного ТРЗ экономии быть не может в принципе. Выгода здесь может быть только в денежном выражении, если тарифы на «водяную» и «электрическую» или ещё какую-либо Гкал разные, причём, например, так, что «ночная электрическая» Гкал намного дешевле «водяной». Однако и здесь это не так: на данный момент времени в Челябинске «водяная» Гкал стоит 1170,57 руб., «ночная электрическая» – 1336 руб.

Следует также отметить, что при реализации, например, режима прерывистого отопления, температуру внутреннего воздуха можно достаточно быстро поднять до заданной величины воздушной системой отопления, из-за этого может возникнуть иллюзия, что в таком случае есть экономия теплоты. Но и это некорректно, так как при таком способе температура внутренних поверхностей ограждающих конструкций будет низкой, что является явным дискомфортом, а заявлять об экономии теплоты за счёт ухудшения микроклимата нельзя.

Поэтому комбинированная система отопления при реализации заданного ТРЗ по затратам теплоты не имеет никаких преимуществ перед любой другой системой отопления, если, конечно, качество решения задачи автоматизации обеих систем одинаково. Если же при этом учесть повышенные капитальные затраты на её создание, то вопрос о практической ценности таких систем отопления можно считать вполне закрытым на данный момент времени. Теоретические величины получаемых эффектов, конечно, следует уточнять по данным реальных измерений.

Литература

1. Зингер Н.М., Бестолченко В.Г., Жидков А.А. Повышение эффективности работы тепловых пунктов. М.: Стройиздат, 1990. 188 с.

2. Калмаков А.А., Кувшинов Ю.Я., Романова С.С., Щелкунов С.А. Автоматика и автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции: учеб. для вузов. М.: Стройиздат, 1986. 479 с.

3. Чистович С.А., Аверьянов В.К., Темпель Ю.Я., Быков С.И. Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления. – Л.: Стройиздат, 1987. 249 с.

4. Панферов С.В. Структурно-параметрический синтез адаптивной системы управления температурным режимом отапливаемых зданий: автореферат дис. канд. техн. наук. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2011. 20 с.

5. Панферов С В., Панферов В.И. Автоматическое управление системами отопления с элеваторным присоединением // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». 2013. Том 13. № 1. С. 42-47.

6. Панферов В.И. Об одном подходе к решению задачи выбора и настройки автоматических регуляторов // Известия Челябинского научного центра. 2004. Вып. 4 (26). С. 139-144.

7. Панферов С.В., Панферов В.И. Погодный компенсатор для систем отопления с элеваторным присоединением // Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции: сб. докл. V Международной научно-технической конференции. – М.: Изд-во МГСУ, 2013. С. 140-144.

8. Панферов С.В., Панферов В И. Адаптивное управление отоплением зданий // С.О.К. (Сантехника. Отопление. Кондиционирование). № 5. 2014. С. 66-69.

9. Семенов Б.А., Гордеев А.Г. Оценка резервов экономии теплоты от автоматизации теплопотребления зданий // Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности: материалы IV Российской научно-технической конференции. – Ул.: Изд-во УлГТУ, 2003. С. 235-238.

10. Куценко А.С., Коваленко С.В., Товажнянский В.И. Анализ энергоэффективности прерывистого режима отопления здания // Ползуновский Вестник. 2014. Том 2. № 4. С. 215-221.

11. Анисимова Е.Ю., Панферов В.И. Эффективность управления микроклиматом здания в нерабочее время // С.О.К. (Сантехника. Отопление. Кондиционирование). № 2. 2014. С. 72-78.

12. Румянцев Д.В., Тверской М.М. Экспериментальное исследование оптимальной стратегии управления тепловыми процессами здания при комбинированной системе отопления // Фундаментальные исследования. № 9-1. 2015. С. 63-70.

13. Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление. – М.: АВМ, 2008. 562 с.

14. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: учебник для вузов / 7-е изд., стереот. – М.: Изд-во МЭИ, 2001. 472 с.

Системы автоматического регулирования

Даже в достаточно «теплых» регионах нашей страны отопительный сезон составляет не менее семи месяцев, а где и все девять, и залог комфортного проживания в квартире или доме — эффективная система отопления. И в это понятие входит не только надежность оборудования и его достаточная мощность, но и экономичность, а этот параметр в большой степени зависит от управления отоплением. Сравнительно недавно не было альтернативы ручному управлению и регулированию, сегодня же активно применяются системы автоматического регулирования, что гораздо удобнее и выгоднее. В этой части курса Академии FORUMHOUSE при помощи специалиста компании REHAU, рассмотрим:

• Преимущества автоматического управления отопительными системами
• Функционал и компоновка автоматических систем управления
• Особенности систем управляющей автоматики

Преимущества автоматического управления отопительными системами

Современные отопительные системы преимущественно панельного, либо панельно-лучистого типа. Это радиаторы, комбинация теплого водяного пола с радиаторами или только теплый пол. Настроить и поддерживать желаемые параметры отопления можно вручную – с помощью встроенных насосно-смесительных узлов. Особенно, если напольный подогрев частичный. Ручная регулировка по собственным ощущениям температуры в помещениях и степени нагрева отопительных элементов обеспечивает нормальную работу системы. Но полностью раскрыть ее потенциал такой способ управления не способен. Необходимо учитывать и высокую тепловую инерционность теплого пола, из-за которой выход на заданный режим происходит медленнее, чем в радиаторных системах, что дополнительно снижает удобство ручной балансировки.

Тогда как автоматическая настройка и управление обладает рядом преимуществ.

Автоматические системы управления отоплением (охлаждением) обеспечивают точную настройку рабочих параметров с учетом потребностей владельцев и поддержание заданного режима в течение всего периода использования. Они позволяют полностью задействовать функционал оборудования, повысить уровень комфорта и значительно сократить затраты на отопление. По сравнению с ручной настройкой экономия составит до 20%.

Еще одним достоинством автоматики является защита напольных покрытий – система не допустит повышения температуры теплоносителя выше ограничения. Превышение рекомендованной температуры на поверхности пола может вызвать порчу напольного покрытия. Контролируя работу системы напольного обогрева можно не только создать комфортные условия, но и надолго сохранить отличное состояние отделочных материалов.

Функционал и компоновка автоматических систем управления

Автоматическая регулировка в контурах осуществляется посредством повышения или снижения интенсивности работы отопительного оборудования, что позволяет оптимизировать энергопотребление. Помимо повышения энергоэффективности подобные системы предоставляют повышенный комфорт для пользователей.

Базовая система компонуется всего несколькими элементами.

• Комнатный терморегулятор – контроль и поддержание температуры.
• Клеммная колодка – коммутация системы.
• Сервопривод – управление регулирующими клапанами.

Подключение к терморегулятору выносного датчика температуры позволяет контролировать температуру пола или строительной конструкции. Также выносной датчик температуры может использоваться в качестве замены встроенного датчика температуры воздуха.

Внутри большинства терморегуляторов установлен датчик температуры. При отклонении от заданного значения температуры, терморегулятор формирует сигнал на исполнительный механизм (сервопривод). Исходя из пожеланий, пользователь может выбрать терморегулятор не только с базовыми функциями (управление обогревом), но и с расширенными: управление также и охлаждением, переключение режимов работы по таймеру. По желанию в разных помещениях могут быть установлены разные модификации терморегуляторов. При необходимости систему можно дополнительно упростить – соединить терморегуляторы с сервоприводами (до пяти) напрямую, без использования клеммной колодки.

Базовая система оптимальна для применения в квартирах или частных домах. Она эффективно контролирует отопление (охлаждение) и адаптирует режим под запросы домочадцев.

Если же речь идет не только об отоплении, но и о другом климатическом оборудовании (кондиционирование, вентиляция, осушение/увлажнение), для комплексного контроля выпускается специализированная система автоматики.

Элементы системы климатического контроля в помещении взаимодействуют по тому же принципу, что и в системе автоматического управления отоплением (охлаждением). С той разницей, что вычислительные процессы, позволяющие оптимизировать работу подключенного оборудования, происходят не в терморегуляторе, а в базовой станции. А компоновка системы помимо стандартного оборудования включает также модули расширения.

Для большинства частных домов и коттеджей достаточно системы с одной базовой станцией, которая рассчитана на управление температурно-влажностным режимом в восьми помещениях. Но при необходимости управления климатом в большем количестве комнат можно объединить до пяти базовых станций.

Особенности систем управляющей автоматики

Наряду с проводными системами управляющей автоматики, элементы которых соединяются кабелем, также существуют системы с беспроводными соединениями. Их установка не требует штрабления стен, что особенно актуально, если монтаж выполняется в доме с уже готовой чистовой отделкой. Независимо от вида систем, все оборудование характеризуется привлекательным дизайном, а интерфейс терморегуляторов интуитивно понятен.

Удаленный доступ осуществляется посредством подключения системы к сети «Интернет», с использованием браузеров или мобильного приложения, что значительно расширяет возможности пользователей. Контролировать температурный режим или климат в помещении в целом, можно из любой точки мира и в любое время. Мониторинг в режиме реального времени позволяет поддерживать оптимальные параметры инженерных систем в отсутствие владельцев и подготавливать дом к их возвращению.

Системы автоматического управления отоплением и охлаждением удобны, практичны и экономичны. Круглый год в доме будет поддерживаться оптимальный микроклимат, не требующий постоянной ручной регулировки. С управляющей автоматикой даже резкое похолодание в отсутствии хозяев не влечет последствий в виде выстывшего дома или повреждений систем отопления.