Способ мониторинга объектов теплоснабжения и способ контроля системы отопления зданий

 

Изобретение относится к контролю систем водяного отопления, систем автоматического регулирования автономных отопительных блоков. Способ мониторинга объектов теплоснабжения заключается в установке телеметрических температурных датчиков в выбранных точках объекта измерения, измерении изменения температур порождающего и производных процессов в течение выбранного представительного периода времени, обработке и объективизации записанной информации с помощью компьютера. В качестве телеметрических температурных датчиков используют электронные термохронные датчики-накопители, программируют их на синхронный старт, единый для всех датчиков временной интервал между соседними замерами и фиксированный период длительности наблюдений, равный представительному периоду времени с привязкой к реальному времени, посредством компьютерной обработки накопленных измерений, кратных целой степени двойки, записывают температурно-временные зависимости, с помощью быстрого преобразования Фурье представляют указанные температурно-временные зависимости как функции частоты, оценивают отношения спектральных мощностей порождающего и выбранных производных температурных процессов, выбирают действенное число гармоник порождающего температурного процесса, в которых сосредоточена большая часть мощности температурных колебаний, например 90%, с учетом коэффициента корреляции определяют соответствие спектральных составов порождающего и производного температурных процессов, об эффективности температурных процессов судят по величине отношений интегральных мощностей колебаний температур в спектрах двух попарно выбранных связанных температурных процессов. Способ контроля системы отопления зданий заключается в измерении в течение представительного периода времени изменения температуры наружного воздуха в качестве порождающего параметра процесса регулирования, измерении заданных температур, производных от изменения температуры наружного воздуха, необходимых для обеспечения оптимального функционирования системы и оценке ее отрегулированности, осуществляют распределенный синхронный мониторинг системы, для чего размещают электронные термохронные датчики-накопители для измерения температуры наружного воздуха и заданных температур в составе температуры подающей трубы, температуры радиаторов отопления и воздуха в помещениях соответствующих этажей, температуры обратной трубы, об эффективности системы отопления судят по величине числового параметра, определяемого как отношение интегральной мощности спектра колебаний температуры подающей трубы к интегральной мощности спектра колебаний температуры наружного воздуха, показывающего необходимую величину повышения температуры теплоносителя на каждый 1°С снижения температуры наружного воздуха, об эффективности отопления конкретного помещения судят по величине числового параметра, определяемого как отношение интегральной мощности спектра колебаний температуры радиаторов отопления в указанном помещении к интегральной мощности колебаний температуры спектра подающей трубы, при этом в хорошо отрегулированной системе отопления действенное число гармоник в спектре колебаний температуры воздуха в конкретном помещении не должно превышать такового в спектре колебаний температуры наружного воздуха. Техническим результатом является повышение точности, объективизация температурных измерений за счет введения количественных параметров оценки реальных систем отопления, учитывающих влияние тепловой инерции ограждающих конструкций здания. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Область техники.

Изобретение относится с способам автоматизированного контроля температурных процессов в объектах теплоснабжения с использованием персональных компьютеров и способам контроля систем отопления промышленных, гражданских и жилых зданий, в частности, к методам тестирования работоспособности систем водяного отопления зданий, подключенных к индивидуальным, центральным или централизованным источникам тепла.

Уровень техники.

Известно, что в бывшем СССР для целей теплоснабжения расходовалось более 1/4 всего добывавшегося в стране топлива, 1/3 которого тратилась на теплоснабжение жилых и общественных зданий. С целью снижения материальных и энергетических ресурсов еще в конце 80-х годов, помимо централизации источников теплоснабжения, рассматривались, в частности, такие магистральные направления научно-технического прогресса в отопительной технике, как снижение материалоемкости отопительного оборудования за счет применения высококачественных материалов, снижение энергоемкости систем отопления за счет повышения теплотехнических показателей ограждающих конструкций зданий, автоматизации процессов регулирования систем отопления, использования автономных малогабаритных теплогенераторов и др. (А.Я. Ткачук Проектирование систем водяного отопления. - Киев: Вища школа, 1989).

Ограждающие конструкции жилых и общественных зданий проектируют в зависимости от физических свойств выбранных материалов, архитектурно-конструктивных решений, температурно-влажностного режима воздуха в здании и климатических характеристик района строительства в соответствии с нормами сопротивления теплопередаче, паровоздухопроницанию. Ограждающие конструкции рассчитывают в соответствии с требованиями санитарных норм и правил (СНиП) по разделам “Строительная теплотехника” и “Строительная климатология и геофизика”. При расчете с целью выбора ограждающих конструкций по их теплоизолирующим свойствам следует иметь в виду, что ограждающие конструкции обладают способностью в большей или меньшей степени компенсировать кратковременные колебания температуры наружного воздуха. С учетом этого расчетную зимнюю температуру наружного воздуха принимают в зависимости от безразмерной величины Д тепловой инерции ограждения: при Д≤1,5 - практически безынерционная ограждающая конструкция; при 1,5<Д≤4 - малая инерционность, при 4<Д<7 - средняя и при Д>7 - большая.

Применяемые до настоящего времени расчеты системы водяного отопления зданий также носят приближенный характер, а для выявления реальных данных необходимы масштабные контрольные температурные и теплотехнические измерения по каждой конкретной системе отопления и ее системе регулирования в условиях эксплуатации. Это обусловлено тем, что применяемые в строительстве методы оценки тепловой эффективности зданий основаны преимущественно на эмпирических зависимостях. В частности, применяется такой расчетный параметр, как удельный расход тепла на отопление 1 м² жилой площади при заданных расчетных температурах наружного воздуха. Он является обобщенным показателем тепловой эффективности зданий в зависимости от этажности и температуры наружного воздуха для определенных географических широт, например, от -5°С до -40°С. Укрупненными показателями теплопотерь руководствуются при определении тепловой нагрузки на системы теплоснабжения, а также при теплотехнической оценке зданий путем сравнения практических теплопотерь с нормативными (см., например, А.Я. Ткачук. Проектирование систем водяного отопления. - Киев: Вища школа, 1989).

В соблюдении заданных санитарно-гигиенических условий среды помещений наряду с системами отопления значительную роль играют наружные ограждения зданий и солнцезащитные устройства, поскольку они ослабляют влияние изменчивой погоды на среду помещений. Для жарких районов со среднемесячной температурой +21°С и выше рассчитывается также тепловая устойчивость ограждений к солнечной радиации. Для зданий жилых, больничных учреждений и т.п. ограждающие конструкции с тепловой инерцией наружных стен менее 4 и покрытий менее 5 должны иметь такую теплоустойчивость, при которой амплитуда колебания их внутренней поверхности не превышает допустимую.

Следовательно, с учетом большого числа эмпирических данных здания проектируют, согласно требованиям СНиП, с таким расчетом, чтобы обеспечивалась минимизация приведенных затрат, учитывающих как затраты на строительство, так и затраты на отопление помещений в зимний период. (Г.В. Русланов, М.Я. Розкин, Э.Л. Ямпольский. Отопление и вентиляция жилых и гражданских зданий. Проектирование. Справочник. - Киев, Будiвельник, 1983, стр. 3-37).

При обследовании состояния тепловых сетей и ограждающих конструкций зданий проводятся как дистанционные тепловизионные, так и контактные теплометрические измерения (см. например, В.В. Исаев, Н.Н. Шаповалов. Системы теплоснабжения - оперативный контроль. - Жилищно-коммунальное хозяйство, 1998, №4. С.29-31; Ю.I.Чайка. Удосконалення методики розрахунку нестацiонарного тепловологicного стану огороджуючих конструкцiй будiвель. Автореферат кандидатськоi дисертацii. Харкiвський державний технiчний унiверситет будiвництва та архiтектури. Харкiв, 1997). Однако для осуществления масштабного теплового мониторинга теплосетей и зданий еще не хватает достаточно дешевого приборного обеспечения, к тому же методики проведения таких обследований детально не разработаны.

Современные автоматизированные системы контроля и управления технологическими процессами (АСУТП) для нужд теплоснабжения по выполняемым задачам можно разделить на три группы: системы, осуществляющие учет и контроль (измерительные системы); системы, осуществляющие автоматическое управление; комбинированные системы, выполняющие обе эти функции.

Для проведения постоянного или хотя бы контрольного мониторинга зданий и сооружений в первую очередь нужны дешевые и надежные первичные преобразователи (датчики); накапливающие и обрабатывающие системы - в лице персональных компьютеров - уже есть, и они доказали свою надежность.

Слабой стороной систем сбора и обработки данных до настоящего времени являются датчики и каналы связи. Существенно, чтобы датчик имел возможность преобразовать измеренную им аналоговую величину в цифровой код и по каналам связи передать этот код накапливающему и обрабатывающему устройству, т.е. измерительный преобразователь должен быть телеметрическим.

Недавно авторами была предложена однопроводная технология и система распределенного температурного мониторинга на основе компьютерной системы сбора и обработки информации с использованием набора специальных датчиков американской фирмы Dallas Semiconductor, когда осуществляется контроль температуры во многих точках протяженного объекта или большого числа объектов, расположенных на удалении друг от друга (А.С. Карначев, В.А. Белошенко, В.И. Титиевский. Микролокальные сети. Донецк: Изд. Норд Компьютер, 2000.). В главе 6 (стр. 147-164) указанной книги приведены примеры использования проводной технологии для температурного мониторинга объектов коммунального хозяйства, что позволяет облегчить задачу оперативного контроля изменения температуры в нестационарном режиме. Однако именно наличие провода для связи с датчиком накладывает известные ограничения на применение предложенной технологии, например, для осуществления одновременного контроля систем отопления в ряде районов большого города перед началом отопительного сезона.

Общими признаками заявляемого изобретения на способ мониторинга объектов теплоснабжения и прототипа являются:

- установка телеметрических температурных датчиков в выбранных точках исследуемого объекта;

- измерение изменения температур в течение представительного периода времени;

- обработка и объективизация записанной информации с помощью компьютера.

С целью получения экономии тепла и энергии важной задачей является совершенствование способов контроля систем отопления зданий. В зависимости от индивидуального, центрального или централизованного способа подачи горячей воды для отопления известны многочисленные способы регулирования температуры воздуха в зданиях или способы регулирования систем отопления, в которых в качестве порождающего теплового процесса для подачи регулирующего воздействия, как правило, используют температуру наружного воздуха, а в качестве производного процесса измеряют одну или несколько температур, например, температуру трубы, подающей горячую воду, температуру радиаторов отопления в помещениях, температуру обратной трубы, температуру воздуха в помещениях и т.п. В силу выбора одного или даже нескольких из указанных выше температурных параметров в качестве управляющего регулирующего воздействия настройка системы регулирования не является гибкой, поэтому возможны как “перетоп”, так и “недотоп” здания. Все более широкое распространение получают автономные отопительные системы и так называемые крышные котельные с котлами на газовых модулях с тепловой мощностью от 0,1 до 4,5 МВт, имеющие высокий уровень автоматизации. При их использовании расход тепла на теплоснабжение зданий на 10-20% ниже по сравнению с централизованными системами, что прежде всего обусловлено повышенным КПД котлов и снижением потерь на транспортировку тепловой энергии. Система регулирования подачи газа работает по сигналам от датчика температуры наружного воздуха (см. С.Н. Булгаков и др. Централизованные или децентрализованные системы теплоснабжения: проблемы выбора. - Промышленное и гражданское строительство, 1998, №3, с.20-21).

Необходимо отметить, что обязательным этапом в работе систем отопления перед началом отопительного сезона является настройка системы регулирования температуры горячей воды, а также регулировка гидравлической сети для выбранных граничных режимов работы, проверка качества ремонта, контроль отсутствия в сети завоздушенных участков и т.п. Изучение по этой проблеме изобретений по авт. св. СССР за период с 70-х годов свидетельствует, что определяющей тенденцией для оптимального регулирования систем отопления является их усложнение и подбор соответствующих комплексных интегральных критериев. Так, например, известен способ регулирования отпуска тепла путем изменения температуры воды в зависимости только от температуры наружного воздуха, описанный в книге: Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. - М.: Энергия, 1975. Известен способ центрального регулирования отпуска тепла от источника теплоснабжения путем ступенчатого изменения расхода сетевой воды и ее температуры в подающей и обратной теплоцентралях в зависимости от температуры наружного воздуха (а.с. СССР №1105736, F 24 D 3/00, бюл. №28, 1984).

По а.с. СССР №503093, F 24 D 3/00, 1976 известен способ регулирования отопительной системы, основанный на поддержании заданной температуры в отапливаемом помещении. Основным фактором комфортности помещений является именно температура помещения. Это комплексный параметр, при котором наблюдается состояние комфорта для человека. Этот параметр обуславливает как температуру воздуха внутри помещения, так и температуру всех поверхностей, обращенных внутрь помещения, и в значительной мере зависит от относительной влажности воздуха, а также от его скорости. Недостатком является то, что указанный способ не может быть эффективно использован для многоэтажных зданий массового строительства.

По а.с. СССР №546760, F 24 D 3/00,1973 известен также не показавший высокой эффективности способ регулирования системы отопления на основе измерения температуры наружного воздуха и температуры обратной воды. В качестве его совершенствования по а.с. СССР №657221, F 24 D 3/00, 1976 было предложено вычислять регулирующий параметр в виде полусуммы температур наружного воздуха и обратной воды с последующей стабилизацией вычисленной полусуммы температур изменением расхода или температуры горячей воды.

По а.с. СССР №1241029, F 24 D 3/00, 3/02, 1986 предложен способ регулирования работы системы водяного отопления путем прокачивания теплоносителя циркуляционным насосом с отключением его на периодически повторяющиеся промежутки времени, длительность которых определяется соотношением фактической температуры отапливаемого помещения и заданной температуры. В этом случае для сокращения времени работы насоса используется теплоаккумулирующая способность ограждающих элементов и конструкций здания.

В качестве примера тенденции развития усложненных систем регулирования следует привести а.с. СССР №974044, F 24 D 3/00, 1980, согласно которому для плавной автоматической регулировки отопительной нагрузки при централизованном теплоснабжении здания с подающим и обратным трубопроводом введен усовершенствованный блок контроля в виде модели здания, которая получает тепло в количестве, пропорциональном расходу тепла на отопление здания, до тех пор, пока внутри модели и соответственно внутри отапливаемого здания не установится заданная внутренняя температура. Это в некоторой мере позволяет уменьшить расход тепла за счет уменьшения “перетопов”, имеющих место в современных системах теплоснабжения. Однако способ не лишен целого ряда недостатков, в первую очередь, из-за несовершенства модели конструкции здания.

Из приведенного анализа уровня техники следует, что система отопления здания, управляемая системой регулирования в зависимости от изменения температуры наружного воздуха, на практике является сложной для оптимального регулирования системой, поскольку значительную роль играет тепловая составляющая ограждения и целый ряд других переменных факторов. Поэтому продолжает оставаться актуальной задача выбора комплексных критериев для оценки отрегулированности реальной системы отопления.

В качестве наиболее близкого аналога - прототипа принят один из методов расчета теплопередачи в нестационарном режиме - аналитический метод расчета путем расчленения на синусоидальные режимы (А.М. Педько. Метод теплотехнической оценки помещений и конструкций. - Киев: Изд-во при Киевском госуниверситете, Изд-во Объед. Вища школа, 1980, с. 3-37). Известна теория синусоидальных колебаний, предложенная французским ученым Фурье и названная как ряды Фурье, нашедшая широкое применение в электротехнике (переменный ток, высокие частоты, радиотелеграфия и т.п.), в анализе речевых сигналов, в тепловых задачах. Кривые периодического теплового воздействия, как и всякая кривая, могут быть по способу Фурье представлены в виде суммы ряда гармонических кривых, т.е. изменяющихся по закону синуса или косинуса, совершающих колебания с различными периодами около горизонтальной прямой, соответствующей средней температуре за данный отрезок времени. Фурье-анализ в строительной теплотехнике применяется для расчета функций влияния для ограждающих конструкций. Сначала находится функция от времени g(z) при нагреве ограждения на 1°С внутри помещения, а затем функция е(z) в случае нагрева ограждения на 1°С снаружи. При стационарном режиме, по истечении необходимого времени значения функций g(z) и е(z) совпадают и становятся равным коэффициенту теплопередачи.

Этот пример показывает, что обычно внутренние и наружные температуры можно привести к форме, развертываемой в ряд Фурье, а каждый член ряда, отвечающий синусоидальному режиму, трактовать отдельно. Для каждой гармоники получают кривые изменения температуры и теплового потока во всех точках, в частности, температуры воздуха и поверхностей, поскольку их изменения имеют одинаковый период с исходной температурой, но ослаблены и сдвинуты по фазе.

В жилых домах тепловой режим обычно именно периодический: суточное изменение наружных температур и солнечного облучения, суточные колебания в подаче тепла в помещениях и т.п. В прототипе указывается, что достаточно использования 4-х гармоник для обеспечения приемлемой точности. Период в 8-12 суток также является представительным, в течение которого кривая теплопередачи многократно повторяется. Длительность указанного представительного отрезка времени выбирается в зависимости от теплоемкости ограждения.

К недостаткам этого метода можно отнести принятые допущения в исходных гипотезах: предполагают, что воздухообмен постоянный, т.е. не зависит от открывания окон и т.п.; коэффициенты теплообмена возле поверхностей постоянны, в то время как у горизонтальных ограждений они зависят от направления теплового потока. Кроме того, не выделены комплексные параметры для оценки отрегулированности системы.

Общими признаками прототипа и заявляемого изобретения применительно к задаче тестирования системы отопления здания являются следующие:

- измерение в течение представительного периода времени изменения температуры наружного воздуха в качестве порождающего параметра процесса регулирования;

- измерение заданных температур, производных от изменения температур наружного воздуха, необходимых для обеспечения оптимального функционирования системы;

- оценка ее отрегулированности.

В основу изобретения поставлена задача разработки такого усовершенствованного способа мониторинга и контроля системы отопления зданий, в котором за счет методологии температурных измерений и обработки результатов измерений обеспечивается повышение точности и объективизация измерений с получением ряда интегральных количественных характеристик эффективности системы, учитывающих влияние ограждающих конструкций здания и др. влияния, и за счет этого достигается возможность сертификации одновременно любого числа систем отопления и конкретных помещений в реальных условиях эксплуатации.

Поставленная задача решается двумя изобретениями, связанными единством решаемой задачи.

Поставленная задача решается тем, что в способе мониторинга объектов теплоснабжения, заключающемся в установке телеметрических температурных датчиков в выбранных точках объекта измерения, измерении изменения температур порождающего и производных процессов в течение выбранного представительного периода времени, обработке и объективизации записанной информации с помощью компьютера, согласно изобретению в качестве телеметрических температурных датчиков используют электронные термохронные датчики-накопители, программируют их на синхронный старт, единый для всех датчиков временной интервал между соседними замерами и фиксированный период длительности наблюдений, равный представительному периоду времени с привязкой к реальному времени, посредством компьютерной обработки накопленных измерений, кратных целой степени двойки, записывают температурно-временные зависимости, с помощью быстрого преобразования Фурье представляют указанные температурно-временные зависимости как функции частоты, оценивают отношения спектральных мощностей порождающего и выбранных производных температурных процессов, выбирают действенное число гармоник порождающего температурного процесса, в которых сосредоточена большая часть мощности температурных колебаний, например 90%, и с учетом коэффициента корреляции определяют соответствие спектральных составов порождающего и производного температурных процессов, об эффективности температурных процессов судят по величине отношений интегральных мощностей колебаний температур в спектрах двух попарно выбранных связанных температурных процессов.

Перечисленные признаки составляют сущность изобретения, т.к. являются необходимыми в любых вариантах реализации изобретения и достаточными для достижения поставленной задачи.

Поставленная задача также решается тем, что в способе контроля системы отопления зданий, заключающемся в измерении в течение представительного периода времени изменения температуры наружного воздуха в качестве порождающего параметра процесса регулирования, измерении заданных температур, производных от изменения температуры наружного воздуха, необходимых для обеспечения оптимального функционирования системы и оценке ее отрегулированности, согласно изобретению осуществляют распределенный синхронный мониторинг системы, для чего размещают электронные термохронные датчики-накопители для измерения температуры наружного воздуха и заданных температур в составе температуры подающей трубы, температуры радиаторов отопления и воздуха в помещениях соответствующих этажей, температуры обратной трубы, об эффективности системы отопления судят по величине числового параметра, определяемого как отношение интегральной мощности спектра колебаний температуры подающей трубы к интегральной мощности спектра колебаний температуры наружного воздуха, показывающего необходимую величину повышения температуры теплоносителя на каждый 1°С снижения температуры наружного воздуха, об эффективности отопления конкретного помещения судят по величине числового параметра, определяемого как отношение интегральной мощности спектра колебаний температуры радиаторов отопления в указанном помещении к интегральной мощности колебаний температуры спектра подающей трубы, при этом в хорошо отрегулированной системе отопления действенное число гармоник в спектре колебаний температуры воздуха в конкретном помещении не должно превышать такового в спектре колебаний температуры наружного воздуха.

Конкретным отличием является то, что об инерционности системы отопления судят по результатам дифференцирования температурно-временных зависимостей по времени и по полученным пикам первых производных определяют временное запаздывание регулирующего воздействия в различных точках системы отопления по отношению к моменту его возникновения на подающей трубе.

Конкретным отличием также является то, что для оценки инерционности и восприимчивости системы отопления к активным регулирующим воздействиям температуру подающей трубы скачком переводят в режим минимальной мощности, выдерживают в этом режиме, например, 12 часов, затем вновь скачком повышают температуру подающей трубы на 10°С с последующей выдержкой в течение 12 часов, повторяют серию указанных скачков до выхода на температуру подающей трубы при нормальном режиме эксплуатации, а о степени отрегулированности системы отопления судят по сохранению корреляции спектров колебаний температуры радиаторов отопления и спектра колебаний температуры подающей трубы при указанном активном воздействии с таковым при пассивном воздействии при регулировании в пределах 5°С.

Указанные особенности реализации не являются обязательными, а наиболее предпочтительны с точки зрения заявителя.

Причинно-следственная связь отличительных признаков и достигаемого технического результата заключается в следующем.

Экспериментальное определение эффективности работы отопительной системы здания или комплекса зданий, например, в условиях города в начале отопительного сезона представляет сложную и трудоемкую задачу. Для достижения приемлемой точности измерений необходимо это делать в течение сравнительно длительного времени, близкого к представительному периоду, учитывающему естественные колебания температуры наружного воздуха. Использование электронных термохронных датчиков-накопителей, не требующих специального обслуживания и способных по заданной программе измерять и запоминать температуры, позволяет осуществлять так называемый синхронный распределенный мониторинг систем отопления. Существенным преимуществом указанной системы температурного мониторинга является то, что мониторинг отопительной системы проводится в реальных условиях эксплуатации, благодаря чему можно обеспечить объективизацию измерений путем документирования температурных режимов вплоть до любого заданного помещения с выявлением его особенностей, определяемых архитектурой, теплотехническими свойствами ограждающих конструкций, условиями эксплуатации, а также свойствами непосредственно самой системы отопления. Обработка полученных данных показывает, что для обеспечения точности измерений в пределах ошибки 20% интервал наблюдений естественных колебаний температуры наружного воздуха может быть сокращен в 3-4 раза по сравнению с длительностью представительного периода в 14 суток, типичного для определенного времени года и выбранного региона. В зависимости от решаемой задачи по экспресс-мониторингу длительность периода измерений можно выбирать равной 3,5-4 суткам.

Учитывая, что информационная емкость датчика составляет 2048 измерений, например, за время наблюдения 14 суток, можно зафиксировать изменения температуры с минимальным периодом колебаний в 20 минут, т.к. время между соседними замерами в этом случае составляет 10 минут. Поскольку каждый период наблюдений стандартизован по длительности и количеству равноотстоящих во времени измерений температуры, а каждый замер привязан к реальному времени и все установленные датчики стартуют по программе одновременно, то при указанной метрологической системе возможно сравнивать температурные зависимости разных объектов между собой. Тот факт, что количество измерений в миссии из 2048 измерений представляет собой целую степень двойки (2¹¹), позволяет при проведении спектрального анализа температурно-временных зависимостей применить алгоритм быстрого преобразования Фурье.

Зависимость температуры объекта от времени можно представить как некую непериодическую функцию времени, заданную в интервале наблюдения, а за пределами этого интервала тождественно равную нулю. Известно также, что такую функцию можно представить не только как функцию времени, но и как функцию частоты (прямое преобразование Фурье). Например, в результате мониторинга получены зависимости от времени температуры наружного воздуха и температуры воздуха в помещении. Проведя преобразование Фурье, можно получить спектры указанных зависимостей. При идеальной тепловой инерции здания в спектре температуры воздуха в помещении должны отсутствовать составляющие спектра колебаний температуры наружного воздуха. На этом основывается предлагаемая в изобретении количественная оценка параметров помещения и здания. Если же здание не идеально, в его спектре будут присутствовать составляющие, характерные для спектра колебаний температуры наружного воздуха. При наличии в сравниваемых спектрах порождающего и производного температурных процессов одинаковых частотных гармоник отношения амплитуд этих гармоник в помещениях к амплитуде соответствующей гармоники в спектре наружного воздуха может служить параметром для количественной оценки тепловой инерции.

Для оценки того, в какой мере спектр колебаний производного температурного процесса связан или повторяет соответствующий спектр температуры наружного воздуха, используют коэффициент корреляции. Применительно к системе отопления, если она хорошо отрегулирована, все управляющие воздействия без искажений передаются в отопительные приборы и спектр колебаний с точностью до масштаба должен быть одинаков во всех точках отопительной системы. Если же в системе отопления имеются воздушные пробки, имеют место несанкционированные отборы теплоносителя, если отдельные ее участки выходят из строя, то спектры различных точек этой системы будут отличаться не только от спектра подающей трубы, но и между собой.

Таким образом, более полную информацию о системе отопления дает изучение индивидуальных частотных компонентов записываемых температурно-временных рядов, в том числе попарное сравнение таких связанных процессов, как отношение амплитуд колебаний температур воздуха внутри помещений к амплитудам колебаний температуры наружного воздуха; отношение амплитуд колебаний температуры радиаторов отопления в конкретном помещении к амплитудам колебаний температуры подающей трубы; отношения амплитуд колебаний температуры подающей трубы к амплитуде колебаний температуры наружного воздуха. Поэтому для повышения точности оценки количественных параметров возникает задача определения спектров мощности отдельных временных рядов, а также связи между спектрами мощности двух временных рядов. Помимо указанного отношения амплитуд колебаний температуры одной выбранной гармоники, можно оценить число гармоник, в которых сосредоточен выбранный процент мощности температурных колебаний, например 90%, которые можно назвать действенными гармониками.

Таким образом, использование методов спектрального и статистического (корреляционного) анализов позволяет получать прямую информацию о температурных режимах объектов в реальных условиях их эксплуатации, не привлекая никаких дополнительных методик и поправочных коэффициентов.

Применительно к системе отопления необходимо знать, какая доля тепловой энергии, затраченной на подогрев воды, доходит, например, до конкретного радиатора в конкретном помещении. При рассмотрении связи колебаний температур наружного воздуха и подающей трубы существенным является параметр, характеризующий эффективность отопительной системы и определяющий, например, на сколько градусов нужно повысить в данной системе температуру теплоносителя при понижении температуры наружного воздуха на 1°С. Такой параметр определяет отношение интегральных мощностей колебаний температур двух связанных процессов.

Величина указанного отношения, меньшая единицы, характеризует систему отопления в комбинации с тепловой инерцией ограждающих конструкций как эффективную. Причем в дальнейшем, при накоплении статистических данных по мониторингу указанного класса объектов - систем отопления, представляется возможным использовать данный параметр в системе регулирования отопления.

Сведения, которые подтверждают возможность осуществления изобретения.

Предложенная система автоматического температурного мониторинга базируется на автономных датчиках-накопителях фирмы Dallas Semiconductor с функцией памяти, часами реального времени и календарем. Эти термометры представляют собой программируемые электронные блокноты, прикрепляемые к объекту, температуру которого нужно отследить и запротоколировать в течение длительного промежутка времени. Датчики крепятся к объекту с помощью специальных гнезд, защелок или “липучек”. Перед установкой на объект (стационарный или подвижный) они программируются на определенный режим работы, время начала фиксации температуры, частоту последовательных замеров, построение гистограммы температуры объекта, нижнюю и верхнюю пороговые температуры и т.п. Будучи установленными на объект, они автоматически включаются в запрограммированный момент времени и измеряют температуру через заданные программой интервалы. Датчики способны запоминать до 2048 последовательных температурных значений. Программируемый временной интервал между последовательными измерениями составляет от 1 минуты до 255 минут с шагом в 1 минуту. Таким образом, заполнение памяти при наиболее частых замерах (через 1 минуту) произойдет через 34 часа, а при наиболее редких замерах (каждые 255 минут) - через 362 суток. В случае заполнения всей памяти программируются два алгоритма дальнейшего поведения датчика: либо он прекращает дальнейшую регистрацию и хранит полученные данные, либо продолжает дальнейшую регистрацию, перезаписывая уже занятые ячейки памяти, начиная с самых старых записей. Доступ к записанным значениям температуры запрещен по записи, т.е. они доступны только для чтения. Это исключает внесение изменений в хранимый протокол (например, с целью подтасовки данных). Датчики сохраняют работоспособность и сохранность данных в течение 10 лет. Они способны регистрировать время выхода температуры за пороговое значение и длительность пребывания температуры за пределами этого порогового значения. Может быть зафиксировано до 24 таких событий (по 12 на каждый из двух порогов). Кроме того, датчики содержат 512 байт памяти общего назначения, в которую пользователем может быть записана любая информация (например, сведения об объекте, к которому прикреплен датчик). Датчики выполнены в корпусах из нержавеющей стали (цилиндры диаметром 17 мм и высотой 6 мм) и выдерживают значительные механические нагрузки (ускорение до 500g). Они способны работать на высотах до 3000 метров и при влажности до 90%. Запись информации в датчик при его программировании и чтение информации из него производится простым прикосновением к нему специального пробника, соединенного либо с компьютером, либо с портативным электронным блокнотом-накопителем. Датчики имеют уникальные идентификационные коды, по которым их можно отличить среди множества подобных устройств.

Технические характеристики приведены в таблице.

Возможности указанного мониторинга исследовались в реальных условиях эксплуатации пяти систем отопления, оборудованных автономными тепловыми пунктами. Системы отопления всех объектов работали по замкнутой схеме. Автоматика регулирования по датчику температуры наружного воздуха работала только на одном объекте - жилом доме по ул. Розы Люксембург, г. Донецк. Регулирование температуры воды в остальных системах производилось вручную каскадным методом.

Для лучшего понимания сущности изобретения ниже приводятся примеры записанных температурно-временных зависимостей.

Фиг.1 Температурный режим хорошо отрегулированной отопительной системы и отдельных помещений производственно-эксплуатационной базы газового хозяйства, г. Шахтерск.

Фиг.2 Эксперимент по определению реакции отопительной системы (см. Фиг.1) на динамическое регулирующее воздействие.

Фиг.3 Спектр колебаний (по оси ординат - спектральная мощность, относительные единицы; по оси абсцисс - частота, Гц) температуры подающей трубы (темные столбцы) и радиаторов отопления (светлые столбцы): А - для отрегулированной системы отопления; Б - для разрегулированной системы отопления).

Фиг.4 Отношение амплитуды колебаний температуры воздуха для разных помещений к амплитуде колебаний температуры наружного воздуха (гармоника 14,22 суток) - (см. Фиг.1: Шахтерск, горгаз 1.02.2001 - 15.02.2001): 1 - столовая; 2 - диспетчерская; 3 - плановый отдел; 4 - кабинет главного инженера; 5 - актовый зал; 6 - материальный склад; 7 - производственный корпус

Фиг.5 Отношения амплитуды колебаний температуры подающей трубы к амплитуде колебаний температуры наружного воздуха для разных котельных (гармоника 14,22 суток). 1 - котельная производственно-эксплуатационной базы газового хозяйства, г. Шахтерск (см. Фиг.1); 2 - котельная жилого дома по ул. Розы Люксембург, г. Донецк.

Приведенные выше данные свидетельствуют, что описанный выше метод мониторинга и оценки качества автономных котельных и тепловой устойчивости отапливаемых помещений имеет ряд несомненных достоинств.

1. Измеряя температуру с точностью ±0,5°С и имея временную стабильность 2,3·10^-5 (уход часов реального времени не более 1 минуты в месяц), он позволяет надежно зафиксировать изменения температуры любого числа объектов во времени и связать события, происходящие на разных объектах, между собой.

2. Метрологические характеристики метода (единовременный старт всех датчиков, единый для всех датчиков временной интервал между замерами, фиксированная длительность периода наблюдения) позволяют фиксировать как быстрые временные процессы в отопительной системе (с периодом опроса от 1 минуты), так и долговременные (сезонные) колебания температуры объектов (с периодом опроса до 255 минут).

3. Те же метрологические характеристики дают возможность проводить разносторонний статистический и спектральный анализы исходных данных и на их основе делать заключение о качестве отопительной системы и отапливаемых помещений.

4. Малые габариты и масса датчиков, а также отсутствие внешнего питания делают их использование легким и удобным.

5. Датчики легко программируются и перепрограммируются. По окончании одной миссии и снятия с них информации они могут быть перепрограммированы на выполнение следующей миссии, затем еще одной и т.д.

6. Температурные данные, записанные в датчик, не могут быть изменены, т.е. исключается возможность подтасовки данных. Изменить информацию можно только повторным программированием, когда датчик подготавливается к новой миссии. При этом стирается вся предыдущая информация, а какие-либо отдельные показания изменить нельзя.

7. Метод позволяет получать прямую экспериментальную информацию о температурных режимах объектов в реальных условиях их эксплуатации, без привлечения дополнительных методик и поправочных коэффициентов.

Формула изобретения

1. Способ мониторинга объектов теплоснабжения, заключающийся в установке телеметрических температурных датчиков в выбранных точках объекта, измерении изменения температур порождающего и производных процессов в течение представительного периода времени, обработке и объективизации записанной информации с помощью компьютера, отличающийся тем, что в качестве телеметрических температурных датчиков используют электронные термохронные датчики-накопители, программируют их на синхронный старт, единый для всех датчиков временной интервал между соседними замерами и фиксированный период длительности наблюдения, равный представительному периоду времени с привязкой к реальному времени, посредством компьютерной обработки накопленных измерений, кратных целой степени числа два, записывают температурно-временные зависимости, с помощью быстрого преобразования Фурье представляют указанные температурно-временные зависимости как функции частоты, оценивают отношения спектральных мощностей порождающего и производных температурных процессов, выбирают действенное число гармоник порождающего температурного процесса, в которых сосредоточена большая часть мощности температурных колебаний, например 90%, с учетом коэффициента корреляции определяют соответствие спектральных составов порождающего и производных температурных процессов, а об эффективности температурных процессов судят по величине отношений интегральных мощностей колебаний температур в спектрах двух попарно выбранных связанных температурных процессов.

2. Способ контроля системы отопления зданий, заключающийся в измерении в течение представительного периода времени изменений температуры наружного воздуха в качестве порождающего параметра процесса регулирования, измерении заданных температур, производных от изменения температуры наружного воздуха, необходимых для оптимального функционирования системы и оценке ее отрегулированности, отличающийся тем, что осуществляют синхронный распределенный мониторинг систем, для чего размещают электронные термохронные датчики-накопители для измерения температуры наружного воздуха и заданных температур в составе температуры подающей трубы, температуры обратной трубы, температур радиаторов отопления и воздуха в помещениях соответствующих этажей, об эффективности системы отопления судят по величине числового параметра, определяемого как отношение интегральной мощности спектра колебаний температуры подающей трубы к интегральной мощности спектра колебаний температуры наружного воздуха, показывающего необходимую величину повышения температуры теплоносителя на каждый 1°С снижения температуры наружного воздуха, об эффективности отопления конкретного помещения судят по величине числового параметра, определяемого как отношение интегральной мощности спектра колебаний температуры радиаторов отопления в указанном помещении к интегральной мощности спектра колебаний температуры подающей трубы, причем в хорошо отрегулированной системе отопления действенное число гармоник в спектре колебаний температуры воздуха в конкретном помещении не должно превышать такового в спектре колебаний температуры наружного воздуха.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что об инерционности системы отопления судят по результатам дифференцирования температурно-временных зависимостей по времени и по полученным пикам первых производных определяют временное запаздывание регулирующего воздействия в различных точках системы по отношению к моменту его возникновения на подающей трубе.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что для оценки инерционности и восприимчивости системы отопления к активным регулирующим воздействиям температуру подающей трубы скачком переводят в режим минимальной мощности, выдерживают в этом режиме, например, 12 ч, затем вновь скачком повышают температуру подающей трубы на 10°С с последующей выдержкой в течение 12 ч, повторяют серию указанных скачков до выхода на температуру подающей трубы при нормальном режиме эксплуатации, а о степени отрегулированности системы отопления судят по сохранению корреляции спектров колебаний температуры радиаторов отопления и спектра колебаний температуры подающей трубы при указанном активном воздействии с таковым при пассивном воздействии при регулировании в пределах 5°С.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5