Разработка метода индивидуального контроля количества тепловой энергии, отдаваемой отопительным прибором помещению

Энергетическая стратегия России, утвержденная распоряжением
Правительства РФ от 13 ноября 2009 г. № 1715-р на период до 2030 года,
определяет курс на максимально эффективное использование энергетических
ресурсов и повышение качества жизни населения [59]. Без организации
контроля ресурсов невозможно представить себе эффективное их
использование. Если говорить о таком ресурсе как тепловая энергия (т/э), то
современный подход к контролю количества потребленной т/э в 95% случаев
ограничивается отдельным строением (объектом, цехом, зданием). При этом
50% потребления производимого тепла идет на обеспечение комфортных
условий для жизнедеятельности человека (коммунальное хозяйство, обогрев
офисных и производственных помещений) [67]. Таким образом, существует
социальное и экономическое противоречие между способами коммерческого
контроля количества и формами эффективного использования
энергетических ресурсов [7, 21, 49], когда контроль количества тепла в
жилищно-коммунальном секторе экономики носит коллективный характер, а
усилия по экономии ресурсов возлагаются на индивидуальных пользователей
(владельцев недвижимости, квартир, офисов). Возникает необходимость
организации контроля в отдельно взятом помещении. Реализуемые сегодня
способы решения данной проблемы малоэффективны и основываются на
перераспределении начисления за потребленное тепло по показаниям
предустановленных приборов – распределителей т/э [74]. Однако, методы
измерения т/э, предлагаемые подобными устройствами, отражают
физические процессы в искаженном виде [56, 54]. Так, например, измерения
потребленной т/э производятся в условных единицах; температура воздуха в
любом помещении принимается равной 20 ºC; для вычислений используются
коэффициенты теплоотдачи, теплопередачи, теплопроводности и т.п.,
полученные в лаборатории для конкретного образца данного типа ОП, тем
самым уравнивая условия эксплуатации в изначально разных помещениях.
В результате говорить об индивидуальном контроле потребления ресурса
преждевременно, по факту происходит усреднено обобщенный,
коллективный учет. Нарушается процесс детализации потребления ресурсов,
отсутствует возможность корректного разделения потребностей разных
технологических помещений.
Разработки и эксперименты, являющиеся основанием данной
диссертационной работы, позволяют говорить о новом шаге в области
контроля количества потребляемой т/э в отдельно взятом помещении
практически любого назначения (жилое, производственное, офисное).
В настоящей работе рассматривается метод динамического измерения т/э,
предложена математическая модель на базе дифференциальных балансных
уравнений.
Учитывая географическое расположение страны, снижение доли затрат
на энергоносители в совокупном доходе семьи до (8–10)% является
серьезной технической проблемой. При продолжительности отопительного
периода в условиях Западной Сибири около 7248 час/год и его
интенсивности, достигающей 12800 ºК*сутки, основная составляющая затрат
приходится на отопление [67]. По различным оценкам их доля в семейном
бюджете достигает (30–50)% [69]. Однако для обеспечения и поддержания
требуемых климатических условий необходимо выполнение целого ряда
мероприятий (технологических процессов) [28, 31] которые плохо
совместимы с экономией энергоресурсов. Таким образом, существую не
только политически предпосылки для научных изысканий в описываемой
области, но и утилитарные интересы большой части урбанистического
населения.
Анализ проблемы показывает, что ее решение может быть проведено по
двум направлениям: разработка средств измерения потребляемой т/э для
отдельного помещения и разработка и проведение мероприятий по
улучшению теплового контура объекта. Несмотря на скрытый антагонизм,
подходы не исключают друг друга, и исторической ретроспективе
чередуются во времени [20].
В первом случае проблемой учета т/э, потребляемой локальными
потребителями в многоквартирном доме, занимаются многие организации,
такие как НП «АВОК», ООО «Энергетический сервис «Витерра», группа
компаний «ИВК Саяны», НПО «ВЭСТ», ЗАО «Данфосс», предприятие
«Теплообмен», и специалисты различных областей знаний. Среди них и
В.А. Медведев, В.Н. Карпов, М.И. Низовцев, В.Я. Черепанов, В.И. Сасин,
Ю.Н. Осипов, В.П. Вавилов, И.В. Кузник, А.Н. Колесников, Т.И. Садовская,
С.В. Никитина, С.Н. Руденко, В.А. Фафурин, и многие другие. Решение
данной задачи автоматически снимет проблему экономии энергоресурсов за
счет вовлечения в процесс конечного потребителя.
По второму направлению в развитии основных положений ФЦП
«Энергосбережение России» правительством РФ принят ряд
законодательных актов по паспортизации производственных объектов,
общественного жилого фонда, административных зданий федеральной и
муниципальной принадлежности [76, 78, 95]. А также о необходимости
проведения энергетического аудита, уровню и степени оснащенности
средствами КИП, комплексу материалов по инструментальному контролю
всех видов вводимых в эксплуатацию зданий [78].
Повышение требований, предъявляемых к строительным конструкциям
зданий и микроклимату внутри помещений [39, 52, 59, 111, 126], а так же
разработка рациональных методов их реализации остается одной из важных
проблем строительной теплотехники. Основы этого направления заложены
еще советскими учеными в XX веке. Исследованием процессов
тепломассопереноса, оптимизации режимов теплоснабжения отдельных
помещений в разные годы занимались такие видные ученые, как А.В. Дьяков,
Ю.А. Табунщиков, Васильев Г.П., В.Н. Богословский, В.И. Ильинский,
Г.В. Кузнецов, Н.А. Цветков, С.А. Карауш, Б.А. Семенов и многие другие,
вклад которых в науку трудно переоценить.
На этапе становления коммерческого учета т/э ее распределение между
локальными потребителями производилось пропорционально занимаемой
площади [16]. Что сопряжено с большими погрешностями [18, 22].
Корректный подход к экономии т/э не осуществим без автоматизации
процессов теплоснабжения [108]. Автоматизация подразумевает наличие
датчиков температуры, каналов передачи данных, устройств сбора данных и
сервера обработки полученных результатов измерения. Дальнейшее развитие
системы предполагает включение каналов обратной связи, необходимых для
управления теплопотреблением [57, 58], но, чтобы автоматизировать
процессы регулирования, необходимо сначала измерить потребления энергии
в действующих физических величинах [134]. Поскольку в реальных условиях
работы системы количество точек учета велико, данная задача попадает в
класс автоматизированных систем, связанных с обработкой большого
массива данных, т.е. в так называемую область технологических решений
«Big Data» [79].
Существующие сегодня технические решения завязаны на
субъективную оценку пользователя (тепло, холодно) и не применимы в
технологии производства [106]. При создании технологических карт,
динамической оценке теплового состояния среды помещений используются
обобщенные методы [110, 112, 113]. Фактическое усреднение результатов
измерения не всегда отражает актуальную ситуацию во всех зонах
помещения [136, 137]. Это опять же ведет к излишнему укрупнению,
условной нормализации температурных условий, нарушает детализацию
технологических процессов. Автоматика получает неверные исходные
данные для регулирования [137].
Предлагаемый в работе подход может в дальнейшем быть
распространен на технологию оценки срока работы оборудования. Так, на
производствах с использованием станков и стационарного оборудования с
движущимися механическими элементами (роторами электродвигателей,
редукторами, быстровращающимися элементами) после проведения
необходимых исследований возможно размещение в характерных точках
датчиков, позволяющих снимать температурный напор в окружающую
среду. Это позволит, во-первых, определить реальные потребности всего
помещения в дополнительном отоплении в разные периоды
производственного цикла и принесет экономию ресурсов на вентиляцию и
отопление при сохранении заданных (комфортных, производственных)
условий. Во-вторых, при анализе и сравнении накопленной в процессе
работы устройства информации позволит указать нарастание изменений
отдаваемой в окружающую среду теплоты. Что является косвенным
признаком близкой поломки оборудования и может сигнализировать о
неполадках. Это серьезно сократит количество аварийных ситуаций,
увеличит сроки безаварийной работы, уменьшит время простоя и ремонта
оборудования, позволит внести изменения в плановость обслуживания и
производить его не по установленному средне-нормативному сроку
эксплуатации, а по фактической оценке износа трущихся частей.
Решение сформированных задач выполнимо только при условии
вовлечения в процесс экономии конечного индивидуального потребителя.
Измерения фактического потребления каждым ОП. Это особенно важно для
мелкого и среднего бизнеса. При среднем объеме отпуска т/э, достигающей
1410 млн Гкал/год, доля энергии, приходящейся на общественный сектор
составляет около (41–49)% [139]. Это неограниченное поле деятельности для
внедрения ресурсосберегающих технологий. Однако реализация принципа:
«Берем столько тепловой энергии, сколько нужно, а не столько, сколько
хотят продать ее производители», выдвинутым автором работы [53],
неизбежно сталкивается с необходимостью количественной оценки
потребления т/э.
В этой связи разработка и исследование индивидуальных средств учета
измерения, интегрируемых в эксплуатируемые коммерческие системы учета
тепла всего объекта (здания, сооружения), на сегодняшний день является
актуальной задачей [77, 130, 103]. В настоящей работе поднят вопрос о
степени влияния смежных помещений, элементов систем отопления,
конвективных и радиационных потоков на тепловой режим в отдельно
взятом помещении многоэтажного здания. В рассматриваемой ситуации
работа приобретает особую актуальность в связи с возможностью
интегральной оценки состояния тепловых контуров помещений, особенно в
зданиях старой застройки [73]. При этом результаты внедрение
ресурсосберегающих технологий и проведенных мероприятий в таких
зданиях можно оценить с достаточной инженерной точностью [100]. Как
показывают эксперименты, для ряда случаев, точность измерения и скорость
расчетов соответствует существующим требованиям, предъявляемым к
коммерческим расчетам [54].
Разработанная в настоящей работе математическая модель на этапе
тестирования предполагает обследование помещений на знакопеременных
направлениях тепловых потоков в реальных условиях эксплуатации.
Предложенный в работе метод тестирования состояния системы отопления
содержит элементы технической новизны и является одним из основных
условий достоверности результатов измерения. Полученные результаты
исследования математической модели с учетом управляющих (внутренних) и
возмущающих (внешних) воздействий, как со стороны потребителя, так и со
стороны источника, с целью создания оптимальных климатических условий в
помещении, доведены до практического применения, которое позволяет
конкретному потребителю оценить степень его влияния на температурный
режим в помещении.
Исходя из вышесказанного, расчет теплопотребления локальным
помещением в условиях нестационарного теплопереноса через ограждающие
конструкции является на текущий момент актуальной задачей при
проведении энергосберегающих мероприятий и технологий.
В работе ставились следующие задачи:
1) разработать математическую модель теплообмена ОП в
многоэтажном жилом доме с окружающей средой в нестационарных
условиях;
2) разработать и провести экспериментальную проверку способа
измерения коэффициента теплоотдачи ОП с учетом их индивидуальных
особенностей в реальных условиях эксплуатации;
3) разработать метод вычисления тепловой мощности и т/э, ОП с
учетом его индивидуальных особенностей в реальных условиях
эксплуатации;
4) разработать методику измерений теплоотдачи ОП по коэффициенту
теплоотдачи ОП;
5) обосновать выбор предлагаемых для применения технологий и
способов передачи и обработки сигнала;
6) разработать алгоритм сбора и обработки показаний, структуру
программного обеспечения автоматизированной системы сбора данных для
контроля количества т/э на базе разработанной методики измерений
теплоотдачи ОП.
Объектом исследования выступает ОП (радиатор, конвектор), как
источник привносимой т/э в отапливаемое помещение являющееся частью
здания, которое состоит из совокупности локальных помещений с разными
условиями эксплуатации. Предметом исследования является системы
АСКУТЭ локальных помещений и зданий в целом.
В работе использованы численные, экспериментальные и
статистические методы математического и физического моделирования, а
также экспериментальный измерительный комплекс, содержащий разные
радио- и электро- средства измерения и системы коммерческого учёта т/э.
Достоверность результатов обеспечивается использованием
сертифицированного измерительного оборудования и корректным
применением современных методов проведения экспериментальных
исследований; сравнением экспериментальных результатов
разрабатываемого метода, с результатами измерений произведенных другими
методами; подтверждается результатами проверки разработанной
математической модели на адекватность сопоставлением полученных
результатов с результатами теоретических и экспериментальных
исследований других авторов.
Научная новизна
1. На основе нелинейных дифференциальных балансных уравнений
разработана математическая модель теплообмена ОП с помещением в
нестационарных условиях, позволяющая контролировать количество т/э
отдаваемой ОП помещению с погрешностью не хуже ~6 % (патент РФ
№ 2566641 от 29.07.2013).
2. На базе уравнения Ньютона – Рихмана предложен, разработан и
исследован метод контроля количества отдаваемой ОП т/э по
температурному напору. Предложено решение обратной задачи теплообмена
ОП – помещение, что позволяет получить значение коэффициента
теплоотдачи для каждого эксплуатируемого ОП индивидуально.
3. Предложен, разработан и доведен до опытной эксплуатации новый
экспресс-метод оценки реальных теплофизических характеристик ОП по
месту его эксплуатации (патент РФ № 2566640 от 15.08.2012). Применение
данного метода приводит к увеличению экономии до 40 % по сравнению с
классическим (общедомовом) и до 60% по сравнению с нормативным
способом измерения/вычисления количества т/э.
Практическая ценность работы заключается в том, что
 разработана и аттестована «Методика измерения тепловой энергии,
отдаваемой отопительным прибором», зарегистрированная Федеральным
агентством по техническому регулированию свидетельство № 01.00241-
2013/32-237-2017, внесена в федеральный информационный фонд по
обеспечению единства измерений под номером ФР.1.32.2017.27992;
 предложено и защищено устройство для измерения теплового
сопротивления отопительной системы отдельного помещения (патент РФ
п.м. № 115472);
 по материалам диссертационной работы разработан алгоритм и
программное обеспечение расчета количества т/э потребляемой локальным
потребителем (свидетельство о государственной регистрации программ для
ЭВМ № 2015610168);
 произведена опытная эксплуатации системы контроля из приборов
учета, изготовленных в соответствии с требованиями методик;
 разработана, изготовлена и внедрена система контроля количества
т/э на муниципальном предприятии ТГУ МП «Трамвайно-троллейбусного
управления»;
 результаты диссертационной работы используются при подготовке
магистров на кафедре ТОР РФ ТУСУРа и чтении лекций по дисциплинам
«Учёт тепловой энергии» в Академии ЖКХ г. Томска».
Предлагаемый метод на практике не требует больших экономических
затрат оставаясь единственным на сегодня предложением реализующим учет
индивидуальных особенностей ОП.
Описываемый метод позволяет реализовать непрерывный,
неразрушающий, инструментальный контроль теплотехнического
оборудования на протяжении всего отопительного сезона.
Метод получил экспериментальное подтверждение. Для проверки
результатов вычислений, по предлагаемой методике, была собрана
экспериментальная установка, позволяющая реализовать несколько способов
контроля количества т/э. Таким образом, одновременно с предлагаемым в
диссертации методом измерения производились еще двумя методами через
измерения вложенной электрической мощности и классическим методом с
помощью теплосчетчика. Все средства измерения на момент проведения
эксперимента были с действующей поверкой, эксплуатировались в
разрешенных паспортами диапазонах измерений и в пределах заявленных
условий эксплуатации.
Для уменьшения ошибки результатов измерения проводилась
статистическая обработка. Эксперименты производились многократно.
Тестировались разные образцы отопительных устройств (радиаторы
масляные и водяные, конвекторы, комбинированные ОП). Применялись
статистические методы обработки результатов измерения такие как: метод
скользящего статистического окна, квадратичное усреднение, метод
сглаживания и выравнивания математических рядов.
Положения, выносимые на защиту
1. Метод измерения коэффициента теплоотдачи ОП в нестационарных
режимах, на базе системы нелинейных дифференциальных уравнений и
натурных экспериментов, проводимых непосредственно на месте
эксплуатации прибора.
2. Результаты исследования ОП, как измерительного преобразователя,
в составе автоматизированной системы контроля потребляемой
помещением т/э.
3. Методика контроля локального теплопотребления, в которой
информативным параметром является температурный напор от ОП в
окружающую среду.
По тематике диссертационной работы опубликовано 8 научных работ из
них три статьи в изданиях, входящем в перечень ВАК и 1 статья в издании,
цитируемом в базе данных Scopus. Получено 3 патента на изобретения.
Основные результаты диссертационной работы представлены на II
Международной научно-практической конференции «Энергосбережение в
системах тепло- и газоснабжения. Повышение энергетической
эффективности», 2011 г. Санкт-Петербург; в Докладах ТУСУРа
«Информационные технологии», 2010 г. 2(22). – 2011 г. 2 (24) г. Томск
и на XIV Международном научно-практическом конгрессе «Вопросы
энергосбережения», 2012 г. Димитроград.