Способ определения оптимального времени разогрева объекта
Владельцы патента RU 2643945:
Панфилов Степан Александрович (RU)
Хрёмкин Андрей Сергеевич (RU)
Кабанов Олег Владимирович (RU)
Язовцева Ольга Сергеевна (RU)
Кабанова Лидия Петровна (RU)
Изобретение относится к способам определения оптимального времени разогрева объекта с минимально допустимой температуры до оптимально комфортной для заданного объекта к нужному моменту. Способ определения оптимального времени разогрева объекта включает определение необходимых теплофизических характеристик объекта для нахождения постоянной времени разогрева и остывания объекта методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных, полученных в ходе разогрева объекта. Затем определяют зависимость окружающей температуры от коэффициента активной работы системы теплоснабжения. Коэффициент активной работы системы теплоснабжения определяют по следующей формуле: Ka=tpaб/tпод=Рзатр/Руст, где tpaб - время активной работы системы теплоснабжения за время tпод, Рзатр - средняя потребляемая мощность, Руст - номинальная мощность источника теплоснабжения. Далее определяют зависимость времени разогрева объекта от окружающей температуры и с помощью полученных данных находят зависимость времени разогрева объекта к определенному моменту времени от коэффициента активной работы системы теплоснабжения, при этом если коэффициент активной работы системы теплоснабжения отсутствует, то определение оптимального времени разогрева объекта находят с помощью зависимости времени остывания объекта от окружающей температуры, затем получают оптимальное время разогрева объекта в зависимости от окружающей температуры. Способ позволяет определить оптимальное время разогрева объекта без использования внешнего климатического оборудования и повысить эффективность режима энергосбережения и управляемость системы автономного теплоснабжения, за счет более точного определения момента включения системы теплоснабжения в активную работу. 6 ил., 1 табл.
Изобретение относится к способам определения оптимального времени разогрева объекта с минимально допустимой температуры до оптимально комфортной для заданного объекта к нужному моменту времени и может быть использовано для зданий, помещений и т.п.
Известен способ определения оптимального времени разогрева помещения, в котором описано решение задачи параметрической идентификации математической модели теплового режима здания, которая учитывает тепло-инерционные свойства ограждения (в частности, постоянную времени Т). Разработана структура математической модели, позволяющая показывать изменения наружной температуры от времени. С помощью данной модели происходит определение зависимости внутренней температуры от внешних климатических условий, характеристик здания и параметров системы теплоснабжения. Разработан оптимальный алгоритм управления режимом прерывистого отопления, который заключается в снижении мощности системы теплоснабжения до минимального значения в первый интервал времени и поддержания тепловой мощности на максимальном уровне во втором периоде (Анисимова Е.Ю. Оптимизация температурных режимов общественно-административных и производственных зданий: дисс. … канд. тех. наук / Е.Ю. Анисимова; Южно-Уральский государственный университет, 2008, с. 34-56).
Недостатком известного способа является то, что для определения оптимального времени разогрева с минимально допустимой температуры к нужному моменту времени используется датчик наружной температуры и не учитываются дополнительные факторы, влияющие на определение времени разогрева.
Известен способ определения коэффициента тепловой аккумуляции здания на основе теплового баланса с использованием коэффициентов, описывающих теплофизические свойства объекта (Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов. - 7-е изд. - М.: Издательство МЭИ, 2001. - 472 с.: глава 8).
Недостатком известного способа является то, коэффициент тепловой аккумуляции здания находят путем определения коэффициентов, характеризующих теплофизические свойства объекта по нормативным документам, что на практике не всегда совпадает с реальными теплофизическими свойствами объекта.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ, заключающийся в определении времени разогрева объекта исходя из построенной математической модели, которая представляет собой дифференциальное уравнение с начальными условиями. Для данного уравнения численным методом решена задача Коши. Постоянная времени разогрева определяется аналитическим методом (Нагорная А.Н. Математическое моделирование и исследование нестационарного теплового режима зданий: дисс. … кан. тех. наук / А.Н. Нагорная; Южно-Уральский государственный университет, 2008, с. 25-63).
Недостатком известного способа является то, что использование климатического оборудования усложняет систему управления временем разогрева объекта.
Технический результат предлагаемого способа заключается в определении оптимального времени разогрева объекта без использования внешнего климатического оборудования и повышении эффективности режима энергосбережения и управляемости системы автономного теплоснабжения, за счет более точного определения момента включения системы теплоснабжения в активную работу.
Сущность изобретения заключается в том, что способ определения оптимального времени разогрева объекта заключается в определении необходимых теплофизических характеристик объекта для нахождения постоянной времени разогрева и остывания объекта методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных полученных в ходе разогрева объекта. Определяют зависимость окружающей температуры от коэффициента активной работы системы теплоснабжения. Коэффициент активной работы системы теплоснабжения определяют по следующей формуле:
Ka=tраб/tпод=Pзатр/Pуст,
где tраб - время активной работы системы теплоснабжения за время tпод, Рзатр - средняя потребляемая мощность, Руст - номинальная мощность источника теплоснабжения.
Далее определяют зависимость времени разогрева объекта от окружающей температуры и с помощью полученных данных находят зависимость времени разогрева объекта к определенному моменту времени от коэффициента активной работы системы теплоснабжения, при этом если коэффициент активной работы системы теплоснабжения отсутствует, то определение оптимального времени разогрева объекта находят с помощью зависимости времени остывания объекта от окружающей температуры, затем получают оптимальное время разогрева объекта в зависимости от окружающей температуры.
На фиг. 1 представлен график коэффициента активной работы от температуры окружающей среды; на фиг. 2 - экспериментальная кривая в ходе разогрева исследуемого объекта; на фиг. 3 - зависимость времени разогрева объекта от температуры окружающей среды; на фиг. 4 - зависимость времени разогрева объекта от коэффициента активной работы; на фиг. 5 - график изменения температуры внутри исследуемого объекта при отключении системы теплоснабжения; на фиг. 6 - экспериментальная и расчетная кривые остывания объекта; в табл. 1 представлены значения остывания температуры внутри отапливаемого объекта при отключенной системе теплоснабжения в зависимости от окружающей температуры.
Способ заключается в следующем. Для получения зависимости времени разогрева от коэффициента активной работы выявляют зависимости Ka=f(Tокр.) (фиг. 1) и tвр.р=f(Tокр.) (фиг. 2) с помощью известных установок для определения теплофизических свойств.
Задают температуру поддержания внутри объекта - Тв.
Определяют среднюю окружающую температуру за время проведения исследования, °С:
где - Токрi температура окружающей среды в i момент времени; n - количество снятых показаний.
Определяют общую площадь Sобщ. и объем V объекта по наружному обмеру.
Определяют среднюю потребляемую мощность на поддержание заданной температуры, Вт:
где Рзатр - средняя потребляемая мощность, Руст - номинальная мощность источника теплоснабжения, tpaб - время активной работы системы теплоснабжения за время tпод.
Определяют коэффициент теплопередачи, Вт/(м2⋅°С)
Определяют удельную тепловую характеристику объекта q0, Вт/(м3⋅°С):
Среднюю потребляемую мощность, затрачиваемую на поддержание требуемой температуры внутри исследуемого объекта в зависимости от температуры окружающего воздуха, определяют по формуле с использованием коэффициента теплопередачи и с учетом общей площади исследуемого объекта по наружному обмеру, Вт:
Среднюю потребляемую мощность, затрачиваемую на поддержание требуемой температуры внутри исследуемого объекта в зависимости от температуры окружающего воздуха, определяют по формуле с использованием удельной тепловой характеристики и объема помещения по наружному обмеру, Вт:
Коэффициент активной работы системы теплоснабжения находят по следующей формуле:
На фиг. 1 представлен график Ka=f(Tокр.). Расчетная кривая строится по полученным теплофизическим характеристикам объекта и с помощью формул (5) или (6).
Для того чтобы найти время разогрева объекта в зависимости от окружающей температуры tвр.р=f(Tокр.) необходимо знать уравнение теплового режима объекта.
Тепловой режим отапливаемого объекта может быть описан следующим дифференциальным уравнением:
где - Tв(tвр.р)-Токр - разница между окружающей и внутренней температурами в каждый момент времени tвр.р, Тр - постоянная времени разогрева; k0 - коэффициент передачи по каналу «мощность системы отопления - температура внутреннего воздуха».
Коэффициент передачи k0 находят по следующей формуле:
Для нахождения оптимального времени разогрева объекта используют уравнение, принятое в теории автоматического управления:
Для аналитического решения уравнения (10) методом разделения переменных приводят его к виду:
Общим решением уравнения (10) будет функция:
Для заданной окружающей температуры и заданного начального значения внутренней температуры находят значение С:
Решение уравнения (10) примет вид:
Находят постоянную Tр методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных, полученных в ходе разогрева помещения при фиксированной мощности системы теплоснабжения. На фиг. 2 представлен график разогрева объекта.
Пусть 
,
где α=Токр+k0Руст, β=Токр-Тв(0)+k0Руст.
Необходимо найти х. Поскольку х входит в степень экспоненты, то находят его, если составить функционал для метода наименьших квадратов, как квадрат разницы натуральных логарифмов:
Для нахождения минимума этого функционала, находят его производную по х и приравняем к 0:
Решают полученное уравнение относительно х:
Постоянную времени разогрева определяют по формуле
По полученным данным для Токр строят график зависимости tвp.p от Токр по формуле
На фиг. 3 представлен график зависимости времени разогрева tвp.p. от Токр.
Объединение функциональных зависимостей, приведенных на фиг. 1 и 3 позволяет получить зависимость tвp.p=f(Ka) по результатам эксперимента по определению теплофизических свойств объекта представленную на фиг. 4.
В случае, если коэффициент активной работы равен Kа=0 (температура в помещении выше заданной), зависимость времени разогрева определяют исходя из табличной зависимости времени остывания температуры внутри объекта на 1°С от наружной температуры, полученной экспериментальным путем, для каждого помещения.
Формула зависимости Тв от tост:
Так как Т - постоянная времени при остывании отличается от Тр при разогреве, находят ее методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных полученных в ходе остывания помещения при отключении подачи тепла.
На фиг. 5 представлен график изменения температуры внутри исследуемого объекта при отключении теплоснабжения.
Пусть 
,
где α=Токр+k0Руст, β=-(Токр-Тв(0)+k0Руст).
Необходимо найти х. Поскольку x входит в степень экспоненты, то находят его, если составить функционал для метода наименьших квадратов, как квадрат разницы натуральных логарифмов:
Для нахождения минимума этого функционала, находят его производную по х и приравняем к 0:
Решают полученное уравнение относительно х:
Постоянную времени остывания определяют по формуле
Формула определения времени остывания внутри отапливаемого помещения, при отключении системы теплоснабжения:
На фиг. 6 представлен график с расчетной и экспериментальной кривой остывания.
Исходя из данных метеонаблюдений, производят построение графиков окружающей температуры. В табл. 1 представлены значения изменения температуры внутри отапливаемого объекта при отключении системы теплоснабжения при различных температурах окружающего воздуха.
Затем производят сравнение времени остывания объекта от Тв1 до Тв2 и по полученному значению определяют окружающую температуру вне отапливаемого помещения. Далее по зависимости tвp.p=f(Tокр) определяют оптимальное время разогрева объекта к нужному моменту времени (фиг. 3).
По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет повысить эффективность режима энергосбережения и управляемость систем автономного теплоснабжения, за счет более точного определения момента включения системы теплоснабжения в активную работу и учета всех влияющих факторов.
Способ определения оптимального времени разогрева объекта, включающий определение необходимых теплофизических характеристик объекта для нахождения постоянной времени разогрева и остывания объекта методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных полученных в ходе разогрева объекта и получения зависимости времени разогрева объекта к нужному моменту времени, используя математическую модель теплового режима объекта, отличающийся тем, что после нахождения постоянной времени разогрева и остывания объекта, определяют зависимость окружающей температуры от коэффициента активной работы системы теплоснабжения по формуле
Kа=tраб/tпод=Pзатр/Pуст,
где Ка - коэффициент активной работы системы теплоснабжения, tpaб - время активной работы системы теплоснабжения за время tпод, Рзатр - средняя потребляемая мощность, Руст - номинальная мощность источника теплоснабжения,
после чего определяют зависимость времени разогрева объекта от окружающей температуры и с помощью полученных данных находят зависимость времени разогрева объекта к определенному моменту времени от коэффициента активной работы системы теплоснабжения, при этом если коэффициент активной работы системы теплоснабжения отсутствует, то определение оптимального времени разогрева объекта находят с помощью зависимости времени остывания объекта от окружающей температуры, затем получают оптимальное время разогрева объекта в зависимости от окружающей температуры.
