Бесплатная библиотека стандартов и нормативов www.docload.ru

Все документы, размещенные на этом сайте, не являются их официальным изданием и предназначены исключительно для ознакомительных целей.
Электронные копии этих документов могут распространяться без всяких ограничений. Вы можете размещать информацию с этого сайта на любом другом сайте.
Это некоммерческий сайт и здесь не продаются документы. Вы можете скачать их абсолютно бесплатно!
Содержимое сайта не нарушает чьих-либо авторских прав! Человек имеет право на информацию!

 

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬНОЙ ФИЗИКИ
(НИИСФ) ГОССТРОЯ СССР

ПОСОБИЕ
ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
МИКРОКЛИМАТОМ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ

(к СНиП 2.04.05-86)

Утверждено приказом НИИСФ Госстроя СССР
31 от 24 марта 1986 г.

Москва Стройиздат 1989

Рекомендованы к изданию решением секции строительной теплофизики Научно-технического совета НИИСФ Госстроя СССР.

Содержит основные принципы разработки и проектирования автоматизированных систем управления микроклиматом производственных зданий. Приведены основные задачи системы, даны рекомендации по анализу теплового режима здания как объекта управления. Разработаны общие, методы расчета, положенные в основу создания математической модели теплового режима здания. Даны рекомендации по разработке программного, информационного и технического обеспечения, а также по анализу технико-экономической эффективности.

Для инженерно-технических работников научно-исследовательских и проектных институтов.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Важнейшим источником экономии топливно-энергетических ресурсов, затрачиваемых на теплоснабжение крупных производственных зданий со значительным потреблением тепловой и электрической энергии, является повышение эффективности работы системы отопления и вентиляции на основе использования современных достижений вычислительной и управляющей техники. Обычно для управления системами отопления и вентиляции служат средства локальной автоматики. Основным недостатком такого регулирования является то, что оно не учитывает фактический воздушный и тепловой баланс здания и реальные погодные условия: температуру и влажность наружного воздуха, скорость и направление ветра, атмосферное давление, солнечную радиацию. Поэтому под воздействием средств локальной автоматики система теплоснабжения работает, как правило, не в оптимальном режиме.

Эффективность работы системы отопления и вентиляции можно значительно увеличить, если, используя математическое моделирование теплового поведения здания, осуществить оптимальное управление системами, основанное на использовании ЭВМ и комплекса соответствующих технических и программных средств.

Формирование теплового режима можно представить как взаимодействие возмущающих и регулирующих факторов.

Для определения управляющего воздействия нужна информация о свойствах и количестве входных и выходных параметров и условия протекания процесса передачи тепла. Так как целью управления отопительно-вентиляционным оборудованием является обеспечение требуемых условий воздушной среды в рабочей зоне помещений зданий при минимальных энергетических и материальных затратах, то с помощью ЭВМ будет найден оптимальный вариант и выработаны соответствующие управляющие воздействия на эту систему. В результате ЭВМ с соответствующим комплексом технических и программных средств образует автоматизированную систему управления тепловым режимом помещений зданий (АСУ ТРП).

Разработка АСУ ТРП должна производиться в соответствии со следующими нормативными документами: ГОСТ 12.0.003-74* (СТ СЭВ 790-77); ГОСТ 12.1.005-88; ГОСТ 12.1.007-76*; ГОСТ 12.2.003-74* (СТ СЭВ 1085-78); ГОСТ 12.2.032-78; ГОСТ 12.3.002-75* (СТ СЭВ 1728-79); Стандартами групп 19…, 24…, 26…; ГОСТ 14255-69*; ГОСТ 20397-82*Е; ГОСТ 20886-85*; ГОСТ 23678-79; ОСТ 4-071.010-78; ОСТ 4-071.011-78; ОСТ 4-071.020-78; ОСТ 4-071.022-79; ОСТ 4-091.078-78; ОСТ 25.780-77; ОСТ 25.888-79; СН 245-71; СН 512-78; СНиП II-3-79**, СНиП 2.01.01-82; «Общеотраслевыми руководящими методическими материалами по созданию автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП)» [ОРММ-2 АСУ ТП], а также другими нормативными документами.

Разработано НИИСФ Госстроя СССР (д-р техн. наук Ю.А. Табунщиков, канд. техн. наук Ю.А. Матросов, Ф.В. Клюшников, инженеры В.Д. Патокин, В.М. Простаков и А.Н. Лазаренко); ЦНИИПромзданий Госстроя СССР (канд. техн. наук В.А. Дмитриев и инж. А.А. Духин), ЛТИХП (д-р техн. наук А.А. Рымкевич и канд. техн. наук В.М. Черепанов).

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Пособие предназначено для проектирования и эксплуатации автоматизированной системы управления тепловым режимом производственных зданий (АСУ ТРП) с учетом оперативной информации изменения наружной среды.

1.2. Автоматизированную систему управления тепловым режимом производственных зданий можно проектировать как для вновь строящихся, так и для существующих производственных зданий во всех строительно-климатических районах.

1.3. Автоматизированную систему управления тепловым режимом рекомендуется проектировать комплексно для всего здания на основе анализа процессов обработки воздуха для зимнего, летнего и переходного периода с учетом графиков температур теплоносителей и тепловоздушных балансов в помещениях.

1.4. При проектировании системы необходимо обязательно учитывать конкретные условия и объемно-планировочные решения производственных зданий, технологию производства, тип и взаимное расположение станочного оборудования.

1.5. Систему рекомендуется проектировать для крупных производственных зданий, оснащенных системами:

приточной вентиляции производительностью 10 тыс. м3/ч и более;

приточной вентиляции, работающей с переменным количеством наружного и рециркуляционного воздуха;

приточной вентиляции, совмещенной с воздушным отоплением;

вытяжной общеобменной вентиляции при необходимости количественного регулирования;

кондиционирования воздуха;

воздушного отопления и душирования;

если регулирование требуется по условиям производства.

1.6. Настоящие рекомендации могут быть распространены на другие типы зданий (кинотеатры, спортивные комплексы, торговые залы, административные здания и т.д.).

1.7. Эффективность и надежность работы систем зависит от успешного решения следующих вопросов:

определения основной задачи управления, главной цели и критериев оптимизации;

разработки алгоритма управления, т.е. последовательности операций обработки вводимой в ЭВМ измерительной информации для определения величин управляющих воздействий, обеспечивающих выполнение задачи системы;

выявления тепловых особенностей здания и зон установки датчиков физических величин, характеризующих микроклимат помещения;

разработки математического описания теплового режима здания;

выбора управляющего электронно-вычислительного комплекса и математического обеспечения;

выбора устройств связи ЭВМ с объектом управления;

разработки программного и информационного обеспечения системы;

установления особенностей отопления и вентиляции здания и привязки системы к существующим устройствам отопления и вентиляции.

1.8. Эффективность работы системы следует устанавливать на основании технико-экономических расчетов. При этом необходимо учитывать, что для каждого периода времени, соответствующего уровню развития электронно-вычислительной техники и суммарному объему решаемых задач, существует оптимальный уровень, соответствующий минимальным затратам на приобретение, монтаж, эксплуатацию и развитие системы.

По опыту эксплуатации подобной системы в нашей стране и за рубежом экономия энергии по сравнению с системами на местных регуляторах может составлять 20 - 30 % и более.

1.9. Разработка, создание и ввод в эксплуатацию АСУ ТРП является принципиально новым делом. Поэтому при проектировании системы значительное место занимают научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. При вводе системы в эксплуатацию требуются также научно-исследовательские работы, так как фактическое тепловое поведение здания во время эксплуатации обычно отличается от расчетного.

2. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ЗДАНИЯ

2.1. Проектируемая автоматизированная система управления тепловым режимом производственного здания должна обеспечивать: требуемый температурный, влажностный и воздушный режим в зоне расположения технологического оборудования, необходимый для нормального выполнения технологических процессов; заданные значения температуры, влажности и подвижности внутреннего воздуха в рабочей зоне, определенные санитарно-гигиеническими требованиями; экономию затрат топливно-энергетических ресурсов на эксплуатацию здания; сокращение численности обслуживающего персонала.

2.2. Рабочей зоной считается пространство высотой до 2 м от уровня пола или площадки, на которой находятся рабочие места.

Параметры микроклимата в рабочей зоне устанавливают по СНиП 2.04.05-86.

2.3. Температура tв, относительная влажность jв и скорость движения воздуха v в различных помещениях зданий должны соответствовать их допустимым значениям в зависимости от характеристики помещений (их назначения и удельных избытков явного тепла), категорий работ, приведенных для холодного и переходного периода года в табл. 1, для теплого периода - в табл. 2.

Таблица 1

Категория работы

Температура воздуха tв, °С

Относительная влажность воздуха jв, %, не более

Скорость движения воздуха v, м/с, не более

Легкая

17 - 22

75

0,3

Средней тяжести

15 - 20

75

0,5

Тяжелая

13 - 18

75

0,5

Таблица 2

Категория работы

Температура воздуха tв, °С

Относительная влажность воздуха jв, %, не более, при температуре воздуха tв, °С

Скорость движения воздуха v, м

28

27

26

25

24

Легкая

Не более чем на 3 °С выше tм, но не выше 28 °С

55

60

65

70

75

0,3 - 0,5

Средней тяжести

То же

55

60

65

70

75

0,3 - 0,7

Тяжелая

То же, но не выше 26 °С

-

-

65

70

75

0,5 - 1

Примечание. Если в табл. 1 и 2 приведены пределы скорости движения воздуха, то следует считать большую скорость с более высокой температурой, а меньшую с более низкой.

2.4. Категория работы принимается по Санитарным нормам проектирования промышленных предприятий (СН 245-71) в зависимости от затрат энергии, которые устанавливают по ведомственным документам исходя из категории работ, выполняемых 50 % и более работающих в помещении.

2.5. В производственных помещениях, где площадь пола на одного работающего превышает 100 м2, а поддержание допустимых значений температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха по всей площади рабочей зоны невозможно по техническим причинам или нецелесообразно по экономическим соображениям, требуемые параметры воздушной среды следует обеспечивать только на постоянных рабочих местах. Вне постоянных рабочих мест допускаются в холодный и переходный периоды года более низкие температуры воздуха: до 12 °С при легкой работе, до 10 °С при работе средней тяжести и до 8 °С при тяжелой работе.

2.6. Для соблюдения комфортных условий в помещениях следует поддерживать оптимальные параметры воздуха, приведенные в табл. 3.

Таблица 3

Категория работы

Температура воздуха tв, °С

Относительная влажность jв, %

Скорость движения воздуха v, м

Легкая

20 - 22

22 - 25

60 - 30

0,2

0,2 - 0,5

Средней тяжести

17 - 19

20 - 23

60 - 30

0,3

0,2 - 0,5

Тяжелая

16 - 18

18 - 21

60 - 30

0,3

0,3 - 0,7

Примечание. Над чертой даны значения параметров для холодного и переходного периодов года, под чертой - для теплого.

Поддержание оптимальных параметров воздушной среды, соответствующих легкой работе, обязательно в комнатах отдыха и местах вблизи рабочего места, предназначенных для отдыха. Применение оптимальных или близких к ним параметров воздуха рекомендуется, если поддержание их не вызывает дополнительных затрат или научно-экспериментального обоснования технико-экономической целесообразности капитальных затрат и эксплуатационных расходов, связанных с обеспечением таких параметров в помещениях.

2.7. Проектирование производственного здания, оборудованного автоматизированной системой управления тепловым режимом помещений, должно производиться комплексно, с увязкой проектных решений строительной, отопительной и технологической частей проекта с требованиями, предъявляемыми к ним автоматизированной системой управления тепловым режимом здания.

2.8. При выборе проектных решений строительной части необходимо выявить оптимальные места расположения датчиков температуры, относительной влажности и подвижности воздуха. В помещении предусмотреть необходимые мероприятия по их рациональному размещению, креплению и эффективному контролю во время эксплуатации.

2.9. Схему расположения контрольно-измерительных датчиков температуры, относительной влажности и подвижности воздуха следует выбирать из условия минимизации общей протяженности линий связи с центральным пультом управления и получения надежной, достоверной информации о состоянии параметров микроклимата в нормируемых зонах помещений здания.

2.10. Строительная, вентиляционная, отопительная и технологическая части проекта производственного здания с автоматизированной системой управления его тепловым режимом должны предусматривать возможность функционирования автоматизированной системы управления, начиная с возможно малой степени автоматизации и упрощенного математического обеспечения, с последующим ее наращиванием и усложнением как по степени автоматизации, так и по пути уточнения математической модели тепловых процессов здания.

2.11. Для экономии тепловой энергии в холодный и переходный периоды года целесообразно предусмотреть в проекте возможность снижения температуры воздуха в рабочей зоне в не рабочее время, если это не противоречит требованиям технологического процесса.

2.12. Изменить теплопроизводительность калориферов в системах приточной вентиляции рекомендуется посредством регулирующего клапана, устанавливаемого на обратной линии теплоносителя при теплоносителе воде, а также сдвоенного распределительного воздушного клапана (заслонки), располагаемого перед калорифером при теплоносителе паре.

2.13. Для смешения наружного и рециркуляционного воздуха в системах приточной вентиляции служат проходные воздушные клапаны (заслонки), установленные в каналах наружного и рециркуляционного воздуха, или сдвоенный смесительный воздушный клапан в месте слияния этих двух каналов.

2.14. Для помещений, обслуживаемых системами кондиционирования воздуха, при отсутствии специальных технологических условий в соответствии со СНиП 2.04.05-86 следует принимать точность поддержания температуры воздуха Dtдоп = ± 1 °С, а при использовании местных кондиционеров - доводчиков или смесителей с индивидуальными регуляторами температуры прямого действия - Dtдоп = ± 2 °С установки датчика. Технологические условия в некоторых случаях могут предъявлять повышенные требования к точности поддержания температуры, например Dtдоп = ± 0,1 °С.

2.15. Для повышения надежности работы установок, формирующих тепловой режим производственных зданий, следует предусматривать их автоматическую защиту и блокировку. Автоматическая защита калориферов от замерзания необходима для случаев, когда при выключенной системе возможно проникание в калорифер воздуха с отрицательной температурой, а также если при работающей системе возможно падение давления или температуры сетевой воды при отрицательной температуре воздуха, поступающего в калорифер. Автоматическую защиту калориферов от замерзания необходимо проектировать для районов с расчетными наружными температурами холодного периода года минус 5 °С и ниже.

Для систем кондиционирования воздуха и приточной вентиляции, работающих с переменным расходом наружного и рециркуляционного воздуха, рекомендуется установка блокировочных устройств, обеспечивающих минимальный расход наружного воздуха в холодный период года, а для систем кондиционирования - в теплый период года.

Электродвигатель вентилятора, создающего воздушную или воздушно-тепловую завесу, следует блокировать с механизмом открывания ворот, дверей, технологических проемов, обслуживаемых завесами. Кроме того, необходимо предусмотреть отключение вентилятора воздушно-тепловой завесы и сокращение до минимума подачи теплоносителя в калориферы после закрытия ворот, дверей и технологических проемов на период времени, достаточный для восстановления нормируемой температуры воздуха в помещении.

2.16. В помещениях, в которых могут выделяться аварийные количества взрывоопасных газов и паров, образующих взрывоопасные смеси, необходимо устанавливать газоанализаторы, сблокированные с устройствами световой сигнализации, оповещающей о наличии в воздухе помещения веществ концентрации, достигающей 20 % нижнего предела взрываемости, или автоматические газоанализаторы, сблокированные с устройством для пуска систем аварийной вентиляции при наличии такой концентрации.

2.17. Содержание в воздухе рабочей зоны помещений вредных газов, паров и пыли не должно превышать предельно допустимых концентраций, приведенных в Санитарных нормах проектирования промышленных предприятий (СН 245-71) и Дополнениях к перечню вредных веществ, периодически публикуемых Министерством здравоохранения СССР и Госстроем СССР.

2.18. В основу разработки системы АСУ ТРП должны быть положены следующие принципы:

возможность стадийного создания системы и поэтапного ввода ее в эксплуатацию;

термодинамический подход к созданию математической модели и ее идентификации по данным натурных исследований;

выявление необходимых параметров и особенностей теплового поведения эксплуатируемого здания и системы отопления с помощью экспериментальных натурных исследований и настройка (идентификации) математической модели;

возможность обычного функционирования системы отопления при выходе АСУ ТРП из строя;

открытость системы к дальнейшему усовершенствованию и развитию.

2.19. Разработка системы может быть выполнена в несколько этапов.

На первом этапе расчетным путем выявляют: основные особенности здания и системы отопления и вентиляции с теплотехнической точки зрения и ожидаемую эффективность от внедрения системы; формулируют основные положения АСУ ТРП, ее структуру, номенклатуру технических и программных средств; составляют техническое задание на проектирование. На этом этапе могут отсутствовать детальные рабочие чертежи проекта здания и системы отопления.

На втором этапе разрабатывают проект АСУ ТРП: определяют технические средства, составляют математическую модель, алгоритмы, прикладное программное обеспечение, разрабатывают дополнительные средства управления системы отопления и вентиляции. Компоненты программного обеспечения отлаживают на имитационных моделях. На этом этапе необходимо выполнение значительных научно-исследовательских работ.

На третьем этапе в эксплуатируемом здании с действующим технологическим оборудованием проводят натурные исследования с целью выявления наиболее значимых параметров, необходимых для составления математической модели.

На четвертом этапе монтируют необходимые технические средства АСУ ТРП, датчики, исполнительные механизмы, актуаторы; выполняют пусконаладочные работы. Предполагается, что измерения будут выполняться автоматически, но ЭВМ будет работать в режиме наблюдения и советчика. На этом этапе завершается отладка основных программ и осуществляется настройка математической модели. Часть программ АСУ ТРП на этом этапе может еще не функционировать.

На завершающем пятом этапе заканчивается создание всей системы АСУ ТРП для работы ее в автоматизированном режиме. Следует отметить, что по времени четвертый и пятый этапы могут быть совмещены.

2.20. Работа автоматики управления отопительно-вентиляционными системами может быть основана либо на термодинамическом принципе, т.е. на использовании данных о физических процессах тепло- и массообмена, происходящих в здании, либо на кибернетическом, принципе, когда здание рассматривается как «черный ящик» и изучается взаимосвязь входных и выходных величин. Был избран термодинамический подход, так как он позволяет рассматривать систему «отопительная установка - объект» как взаимосвязанную нелинейную с переменной структурой и решать задачу оптимизации. Математическая модель формирования теплового режима здания (рис. 1) сводится к составлению уравнений теплового баланса, описывающих воздухообмен, технологические теплопоступления, наружные климатические воздействия, теплопотери через наружные ограждения за счет теплопроводности и фильтрации, теплосодержание технологического оборудования и внутренних ограждающих конструкций.

Рис. 1. Схема математической модели

2.21. Экспериментальные исследования проводят с целью определения особенностей распределения температуры внутреннего воздуха в плане и по высоте помещений; теплоаккумуляционных характеристик внутреннего оборудования и продукции, а также здания в целом; фактических теплозащитных показателей наружных ограждений; оценки инерционности систем отопления; выявления характерных участков в зонах действия приточных камер для выбора мест установки датчиков температуры; определения технологических теплопоступлений. Натурные исследования проводят при стационарных и нестационарных условиях теплообмена в зимний и переходный периоды года. Нестационарные условия изучаются в период снижения подачи тепла перед выходными и праздничными днями, в периоды натопа, понижения и повышения температуры наружного воздуха. Во время наблюдений измеряют: температуру, влажность, скорость и направление движения наружного воздуха, интенсивность солнечной радиации, перепад давлений воздуха с обеих сторон различно ориентированных ограждений, температуру и расход воздуха приточных камер, температуру и влажность внутреннего воздуха в плане и по высоте здания, температуру внутренних и наружных поверхностей и оборудования.

2.22. Основным ядром АСУ ТРП является управляющий вычислительный комплекс (УВК), на базе которого можно построить систему.

2.23. Централизованные управляющие вычислительные системы на базе мини-ЭВМ легко перенастраиваются с одной функции на другую путем замены программ в памяти ЭВМ. Возможно применение двухуровневых систем управления, в которых нижние уровни выполняются на традиционных средствах локального регулирования. Однако эти системы обладают следующими недостатками:

малая живучесть, так как при отказе единственной ЭВМ система прекращает функционирование;

сложность программного обеспечения, а также процедур обмена данными по каналам ввода - вывода;

значительное число проводов и их длина в линии связи, подключенной к каналам ввода - вывода;

сложное управление в реальном времени из-за большого времени реакции центральной системы.

На рис. 2 приведен пример централизованной системы.

Рис. 2. Блок-схема информационно-управляющего комплекса

2.24. Применение децентрализованной управляюще-вычислительной системы обеспечивает: более низкую стоимость системы; более высокую живучесть; более низкие затраты на монтаж, эксплуатацию и обучение персонала, общий канал связи, что резко сокращает затраты на линию связи, возможность передачи часта функции локальных приборов в автономные микропроцессоры. Микропроцессоры в этих системах следует устанавливать близко от датчиков и исполнительных устройств с тем, чтобы минимизировать суммарную длину кабеля связи. К недостаткам децентрализованных систем следует отнести:

сложность в создании эффективной передачи сообщений между микропроцессорами и организации системного взаимодействия;

трудности создания дистанционной диагностики и восстановления после сбоя;

затруднения по синхронизации задач, а также разделения сложных процессов управления на подпроцессы.

На рис. 3 показан пример трехуровневой децентрализованной системы. Логические функции в этой системе распределены по трем уровням. Нижний (I) уровень имеет фиксированное число ввода - вывода и производит сбор и передачу аналоговых и цифровых данных. Средний (II) уровень локально автономен и содержит микропроцессоры, связанные как с уровнем I, так и с уровнем III. Верхний уровень (III) содержит мини-ЭВМ, осуществляющую оптимизацию в целом, прием, обработку и передачу информации, поступающей с нижних уровней.

Рис. 3. Структура трехуровневой распределенной информационной управляющей системы объектами больших зданий

2.25. Выбор соответствующего типа системы следует производить на основании технического и технико-экономического анализа, учитывая наличие соответствующих технических средств серийного выпуска и затрат на разработку программного обеспечения.

3. АНАЛИЗ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ, ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

3.1. Формирование теплового режима можно представить как взаимодействие возмущающих и регулирующих факторов. К возмущающим факторам относятся теплопоступления через ограждающие конструкции, тепловая энергия, выделяющаяся при работе технологического оборудования, бытовые теплопоступления. К регулирующим факторам относится тепловое воздействие отопительных и вентиляционных систем. Представим отопительно-вентиляционные системы в виде многомерного объекта, описываемого тремя группами переменных.

Первую группу переменных представляют параметры, характеризующие свойства и количество входных элементов. К ним относятся характеристики наружного воздуха, параметры теплоносителя.

Во вторую группу переменных входят параметры, характеризующие свойства выходных элементов. Это, в первую очередь, условия воздушной среды в помещениях, теплоотдача отопительно-вентиляционных систем, а также параметры воды из обратной линии сети теплоснабжения.

Третья группа включает параметры, характеризующие условия протекания процесса передачи тепловой энергии.

3.2. В общем случае состояние отопительно-вентиляционных систем характеризуется всеми переменными. Для целей управления из всей совокупности переменных можно использовать лишь часть. Эти переменные можно разбить на две группы. В первую группу включим те переменные, которые можно целенаправленно изменять в процессе управления. Вторую группу составят переменные, которые можно измерить и использовать при формировании управляющего воздействия, но сами они при этом целенаправленно изменяться не могут. Их необходимо учитывать при управлении, но активно влиять на них невозможно.

Из управляемых переменных выбирают в качестве управляющих те, целенаправленное изменение которых технически возможно и существенно влияет на показатели управления.

3.3. Критерием оптимальности управления отопительно-вентиляционными системами является минимум приведенных затрат по поддержанию требуемых условий воздушной среды.

3.4. Для отопительно-вентиляционных систем наилучший технологический режим не может быть задан заранее, так как его выбор зависит от факторов, информация о которых изменяется в течение времени. К таким факторам относятся температура наружного воздуха, скорость и направление ветра, солнечная радиация, температура и давление теплоносителя в теплопроводе, идущем от источника тепла, изменение режима работы оборудования, находящегося в помещениях, и др.

3.5. Для рационального управления необходимо, во-первых, найти оптимальную программу управления работой отопительно-вентиляционных систем, во-вторых, регулировать тепловой режим, используя работу отопительно-вентиляционных систем как задающее воздействие.

3.6. Конструктивно системы отопления и вентиляции могут быть решены по-разному, но в помещениях промышленных зданий, требующих обогрева и устройства приточной вентиляции, в основном применяется воздушное отопление, совмещенное с вентиляцией. Важной особенностью этой системы отопления является отсутствие большого числа громоздких и металлоемких отопительных приборов, так как горячий воздух передает аккумулированное им тепло непосредственно отапливаемому помещению, смешиваясь с внутренним воздухом. Для воздушного отопления характерно также повышение санитарно-гигиенических показателей воздушной среды помещений. Могут быть обеспечены подвижность воздуха, благоприятная для нормального самочувствия людей, равномерность температуры помещения, а также смена, очистка и увлажнение воздуха.

Максимальная температура воздуха при подаче его в помещение на высоту более 3,5 м от пола составляет 70 °С, на высоту 3,5 м от пола и на расстояние более 2 м от рабочего места - 45 °С.

3.7. Системы воздушного отопления, совмещенные с приточной вентиляцией, бывают центральными, вентиляторными и канальными. По качеству приточного воздуха они могут быть подразделены на рециркуляционные (с полной и частичной рециркуляцией), прямоточные и рекуперативные (рис. 4). Рециркуляционные системы действуют в различных режимах: полная и частичная смена воздуха, полная рециркуляция воздуха. Эти системы могут работать как чисто вентиляционные, отопительно-вентиляционные и чисто отопительные в зависимости от количества забираемого воздуха снаружи и температуры нагрева воздуха в калорифере. Прямоточные системы осуществляют полную смену воздуха в помещении, так как весь воздух, подаваемый системами, забирается снаружи. Эти системы применяют в тех случаях, когда требуется вентиляция в объеме, не меньшем, чем объем воздуха, необходимый для создания должного отопительного эффекта. Рекуперативные системы используют тепло уходящего воздуха, что дает возможность экономить тепловую энергию.

3.8. Воздушное отопление, совмещенное с вентиляцией, применяемое в производственных помещениях, состоит из системы подачи теплоносителя, приточных камер и системы воздухораздачи. Тепловую энергию в виде воды или пара от источника тепла (ТЭЦ, районная тепловая станция, котельная предприятия) передают к отопительно-вентиляционным системам по тепловой сети. Гораздо реже используют электроэнергию в качестве теплоносителя вследствие ее большой стоимости. Системы отопления и вентиляции присоединяют к источникам тепла, как правило, через тепловые пункты. Не рекомендуется непосредственное присоединение из-за больших колебаний тепловой нагрузки источника.

Рис. 4. Принципиальные схемы воздушного отопления, совмещенного с приточной вентиляцией

а - рециркуляционная; б - прямоточная; в - рекуперативная; 1 - калорифер; 2 - воздухо-воздушный рекуператор; 3 - канал горячего воздуха; 4 - канал внутреннего воздуха; 5 - канал наружного воздуха

3.9. По организации движения теплоносителя системы теплоснабжения подразделяются на разомкнутые, полузакрытые и замкнутые. В разомкнутых системах тепло, переносимое теплоносителем, и сам теплоноситель полностью используются потребителем. В полузакрытых системах используется лишь часть тепла и теплоносителя, оставшаяся часть возвращается к источнику тепла. В замкнутых системах потребителем расходуется только часть тепловой энергии теплоносителя, сам теплоноситель полностью возвращается к источнику тепла. В зависимости от передачи потоков теплоносителя, отличающихся тепловыми потенциалами, применяют многотрубные системы теплоснабжения.

3.10. Систему теплоснабжения можно разделить на три уровня: источник тепла, тепловые сети с тепловыми пунктами, распределительные тепловые сети с абонентскими вводами. При централизованном теплоснабжении регулирование отпуска тепла может быть осуществлено количественно и качественным изменением температуры или расхода подаваемой воды или давления пара. Присоединение потребителей к тепловой сети осуществляют без понижения или с понижением потенциала теплоносителя. Потенциал теплоносителя снижается поверхностными и смесительными теплообменниками.

3.11. Различают независимое и зависимое присоединение к тепловым сетям. Независимое присоединение характерно для систем теплоснабжения с поверхностными теплообменами; зависимое присоединение осуществляется с помощью смесительных насосных и элеваторных узлов, а также при использовании подпиточных перемычек между тепловой сетью и потребителями. Потенциал теплоносителя снижается в тепловых пунктах. Входные переменные для теплового пункта - температура, давление и расход теплоносителя. Основные выходные переменные, определяющие функционирование теплового пункта как объекта управления, - расход и температура теплоносителя, направляемого в системы отопления и вентиляции. Выходные переменные, в соответствии с требованиями системы управления, изменяются с заменой управляющих воздействий. В качестве управляющих воздействий в узлах насосного смешения можно использовать изменения положений регулирующих клапанов, определяющие соотношения расходов теплоносителя, поступающего из тепловой сети, и воды из обратной линии сети теплоснабжения отопительно-вентиляционных систем. В перспективе, в качестве управляющего воздействия, можно использовать изменение производительности смесительных насосов.

К измеряемым переменным теплового пункта с насосным смесительным узлом относятся: температура и давление теплоносителя в прямом и обратном трубопроводе тепловой сети, температура и давление воды, подаваемой в отопительно-вентиляционные системы, расходы теплоносителя в тепловой сети и сети теплоснабжения систем отопления и вентиляции.

3.12. Приточные вентиляционные камеры по основным режимам работы и схемам движения воздуха разделяют: на прямоточные и рециркуляционные, как переключаемые в режим дежурного отопления, так и без переключения. Для обработки, перемещения и управления потоками воздуха в состав приточной камеры входят следующие элементы: воздухозаборное устройство, приемный воздушный клапан, фильтр, калорифер, обводной клапан с регулирующим воздушным клапаном, приточный вентилятор, воздушный клапан в рециркуляционном канале, клапаны регулирования расхода теплоносителя через калорифер. При необходимости в состав приточной камеры входит камера орошения. Набор элементов, входящих в состав приточной камеры, и их компоновка меняются в зависимости от функций, возложенных на отопительно-вентиляционную систему, и климатических условий. Воздухозаборное устройство выполняют в виде камеры с защитными наружными решетками в проеме наружных ограждений или в виде ответвления от общего воздуховода забора наружного воздуха. Применяемый воздушный клапан снабжен электронагревательными элементами для предпускового прогрева лопаток клапанов в холодный период года. При управлении приточной камерой необходимо учитывать длительность прогрева.

3.13. Калориферы, с целью защиты от замерзания и удобства регулирования теплопроизводительности, часто выполняют в виде двух отдельных секций с независимым регулированием расхода теплоносителя по секциям с помощью регулирующих клапанов. Это необходимо учитывать при формировании управляющих воздействий. В качестве приточных вентиляторов используют центробежные вентиляторы одно- и двухстороннего всасывания. Производительность вентиляторов регулируется осевыми направляющими аппаратами. В перспективе регулирование можно осуществлять изменением частоты вращения колеса вентилятора. В приточных камерах, работающих в режиме рециркуляции, устанавливают один или два рециркуляционных клапана. Обобщенная функциональная технологическая схема приточной камеры (рис. 5) производительностью по воздуху свыше 50000 м3/ч может работать с использованием рециркуляционного воздуха.

Рис. 5. Обобщенная функциональная технологическая схема приточной камеры

НВ - наружный воздух; ВВ - воздухозаборное устройство; К - клапан; М - исполнительный механизм; РУ - рециркуляция; Ф - фильтр; ВН - воздухонагреватель (калорифер); КО - камера орошения; НА - направляющий аппарат; Н - насос; ВП - приточный вентилятор; ВВ - вытяжная вентиляция; ОП - обслуживаемое помещение

3.14. Измеряемые переменные в приточной камере следующие: температура наружного, рециркуляционного, смешанного и приточного воздуха. Замеры температур производят до камеры смешения наружного и рециркуляционного воздуха, в рециркуляционном канале, после камеры смешения перед калорифером и после вентилятора в приточном воздуховоде, а также измеряют перепад давления на воздушном фильтре, давление воды, подаваемой к форсункам камеры орошения, в напорном трубопроводе, и температуру теплоносителя на выходе из калориферов.

3.15. Основными регулируемыми переменными являются температура приточного воздуха и состояние воздушной среды в производственном помещении. Имеющиеся решения систем управления приточных камер относятся к локальным системам управления с автоматическими регуляторами. Они не учитывают распределения технологического оборудования, неоднородности условий воздушной среды в производственных помещениях, взаимосвязанности процессов, происходящих при распределении воздуха по обслуживаемым помещениям от нескольких приточных камер.

3.16. Для управления формированием теплового режима производственного помещения в целом возможна структура управления, при которой отдельные параметры процесса формирования теплового режима регулируются соответствующими автоматическими регуляторами, а управляющая вычислительная машина, обрабатывая измерительную информацию, рассчитывает и оптимизирует уставки этих регуляторов, повышает надежность системы в целом, так как ее работоспособность сохраняется и при отказах управляющей вычислительной машины. Кроме того, при такой структуре управляющая вычислительная машина более проста, снижаются требования к ее быстродействию и другим характеристикам, появляется возможность практической реализации более эффективных алгоритмов оптимизации, требующих большого объема вычислений.

3.17. Оптимальное решение систем обменной вентиляции (СВ) и систем кондиционирования воздуха (СКВ) в зависимости от исходных условий может иметь от трех до четырнадцати режимов работы за годовой цикл эксплуатации. Метод оптимизации подсистем должен проводиться в комплексе со строительными решениями и, в частности, с выбором оптимальных теплотехнических характеристик ограждающих конструкций. Однако возникают определенные трудности выбора теплотехнических решений, при которых будут иметь место наименьшие материальные и энергетические затраты. Эти трудности могут быть преодолены при системном подходе и реализации следующих основных положений:

а) весь комплекс технических решений СВ и СКВ, обеспечивающий режимы потребления теплоты, выделяют в самостоятельную подсистему нагрева воздуха;

б) подсистема нагрева воздуха может быть решена без учета прямых и обратных связей с другими подсистемами, если ее режимы соответствуют требованиям термодинамической модели СВ (СКВ);

в) требования термодинамической модели должны соблюдаться в тех случаях, когда расходы теплоты воды на увлажнение воздуха соответствуют их минимально неизбежным значениям;

г) оценку подсистемы производят по одному и тому же комплексу технико-экономических показателей (ТЭП), что и для системы в целом; показатели подсистемы являются составляющей частью суммы одноименных показателей систем;

д) показатели подсистемы и системы в целом определяют с учетом всех режимов работы за годовой цикл эксплуатации системы;

е) из комплекса ТЭП один из них принимают в качестве критерия оптимизации, остальные - в виде показателей ограничений.

Исходное и решающее значение в методе оптимизации подсистемы или системы в целом имеет выбор комплекса ТЭП и их взаимосвязи. В качестве такого комплекса выбирают четыре группы показателей: функционально-технологические, конструктивно-компоновочные, эксплуатационно-энергетические, экономические.

Функциональные показатели выражают степень выполнения заданных параметров воздушной среды в помещении. Варианты систем могут сравниваться между собой по всему комплексу показателей лишь при условии, что функциональные показатели для них останутся в пределах нормируемых значений.

Технологические показатели для системы в целом характеризуют закономерности потребления теплоты, холода, воздуха и воды на увлажнение за годовой цикл эксплуатации систем и являются аргументом для выполнения заданной функции, т.е. параметров воздушной среды. Технологические показатели для одних и тех же исходных условий зависят от организации режимов работы систем (технологических схем и методов управления процессами обработки транспортирования и раздачи воздуха) и частично от функционально-технических характеристик основных элементов систем.

Конструктивно-компоновочные показатели определяют расход металла на системы, занимаемые строительные площади (объемы) и другие частные характеристики.

Эксплуатационно-энергетические показатели определяют реальное потребление тепловой и электрической энергии, время работы подсистем, а также условия, характеризующие особенности эксплуатации систем (в том числе надежность, которая в данном случае не анализируется).

Экономические показатели характеризуются значениями капитальных, эксплуатационных и приведенных затрат.

Все показатели взаимосвязаны между собой. В основу вычисления конструктивно-компоновочных, эксплуатационно-энергетических и экономических показателей принимаются технологические, показатели. Для подсистемы нагрева воздуха технологические показатели следующие: сведения о характере изменения неизбежного потребления теплоты, воды на увлажнение воздуха, расходе наружного и приточного воздуха, подаваемого в помещение.

3.18. Технико-экономические показатели определяют следующим расчетом:

по диаграммам технологических показателей (ТП), отображающим их изменение за годовой цикл эксплуатации, подбирают тип, типоразмер и компоновку оборудования; компоновка подобранного оборудования позволяет определить конструктивно-компоновочные показатели подсистем;

учет функционально-технических характеристик подобранного оборудования и выбор методов управления режимами их работы составляет основу для вычисления эксплуатационно-энергетических показателей подсистем;

информация по двум последним группам показателей с учетом прейскурантных цен на теплоту и электроэнергию обеспечивает расчет экономических показателей.

3.19. Для установившегося теплового состояния применительно к расчетной схеме, показанной на рис. 6, можно составить уравнение теплового баланса в следующем виде:

GнIн + GpIух + Qт + GпdIп + SQт вн + Qт - GудIу - GвытIв - Qогр - Qинф = 0.            (1)

Имея в виду что Gуд = Gн + Gp - Gвыт, уравнение (1) относительно Qт можно записать так:

Gуд = Gн + Gp - Gвыт

Qт = Gн(Iу - Iн) - SQт в + [(Qотр + Qинф) - Qот] + GвытdIв - [GпdIп + GpdIy],             (2)

где dIп = Iп* - Iп - разность энтальпий приточного воздуха после его нагрева в подсистеме и воздуха, подаваемого в помещение, например нагрев воздуха в приточном вентиляторе Be-п; dIу = Iу* - Iу - разность энтальпий рециркуляционного воздуха в местах его подмешивания к наружному и удаляемого из помещения; dIв = Iв - Iу - разность энтальпий воздуха в месте отсоса и удаляемого из помещения.

Уравнение (2) можно записать в виде

Qт = Gн(Iу - Iн) - Qтп - Qтдоп,                                                   (3)

где Qтп - остаточные тепловыделения, ассимилируемые приточным воздухом в помещении:

Qтп = SQт вн - (Qогр + Qинф - Qот) - GвытdIв,                                  (4)

где Qт доп - дополнительная теплота, поступающая к приточному (Qт доп.пр) или рециркуляционному (Qт доп.р) воздуху (или потери теплоты в указанных потоках воздуха):

Qтд.пр = Gп*dIп;

Qтд.р = GpdIy.

При этом расход приточного воздуха в помещении Gп (рис. 6) равен:

                                         (5)

Рис. 6. Расчетная балансовая схема вентиляции (СВ) обслуживаемого ею помещения

3.20. Общее количество теплоты, которое должно быть подведено от внешнего источника к системе вентиляции и к системе отопления, равно сумме Qт и Qот. Какая-то часть этой теплоты (в частных случаях вся теплота) может быть компенсирована за счет теплоты удаляемого из помещения воздуха, если используются средства утилизации (СУ). Применительно к расчетным схемам на рис. 6 удаляемая теплота может быть в виде

Qт(уд) = Gуд(н)Iy* + GвытIв*.

Энтальпия Iв* может быть больше Iв не только за счет нагрева воздуха в вентиляторе, но и за счет съема теплоты данным потоком воздуха, проходящим через технологическое оборудование и неучтенном при вычислении Qтп. Равным образом за счет обдува тепловыделяющего оборудования может нагреваться воздух в системе Be-У, например в вентилируемых плафонах.

Уравнение (3) показывает, что при прочих равных условиях потребление теплоты зависит только от расхода наружного воздуха, отсюда необходимость его снижения до минимально неизбежного значения (). Минимально неизбежное значение  определяют по наибольшей величине из расхода, определяемого по санитарно-гигиеническим соображениям, или суммы расходов для компенсации технологической (местной) вытяжки и поддержания подпора в помещении. С учетом этого минимально неизбежный расход теплоты  при заданных значениях Qтп и Qт доп будет равен:

                                         (6)

Аналогичным способом может быть получено уравнение для вычисления расхода воды на увлажнение воздуха:

                                       (7)

где GWп - остаточные влаговыделения в помещении, ассимилируемые приточным воздухом; GWдоп - дополнительные поступления влаги в систему вне рассматриваемых средств увлажнения.

3.21. Уравнения (6) и (7) дают представление о структуре факторов, влияющих на потребление теплоты и воды в СВ (СКВ), но не содержат полной информации об условиях, влияющих на выбор принципиальных решений систем. Кроме того, отсутствуют термодинамические условия работы теплообменного оборудования подсистем нагрева воздуха. По этой причине уравнения необходимо рассматривать совместно с технологическими процессами обработки воздуха, что нагляднее всего делается при использовании I-d-диаграммы влажного воздуха. Диаграмма I-d позволяет также обобщить исходные условия в так называемые классы нагрузок. Класс нагрузок определяется исходными схемами термодинамической модели. Исходные схемы, на которых показаны границы зон наружного климата с различными режимами, называют также расчетными схемами термодинамической модели СКВ (СВ).

3.22. Исходные схемы с указанием зон на I-d-диаграмме, для которых неизбежны режимы потребления теплоты, показаны на рис. 7. Исходная схема содержит следующую информацию:

значения нормируемых параметров воздуха в помещении изображаются в виде точки, линии или области;

положение границы наружного климата Кл для данного района [имеется в виду, что для различных точек (площадок) в пределах указанных границ известна продолжительность стояния этих параметров или продолжительность стояния энтальпий];

линия eп характеризующая угловой коэффициент процесса в помещении

положение точек  и  на линии eп, энтальпию которых вычисляют по уравнениям:

                                    (8)

Рис. 7. I-d диаграмма с указанием зон, для которых необходимо потребление теплоты

                                    (9)

где  - максимально допустимый расход наружного воздуха (определяют расчетом).

Для определения зон с режимами потребления теплоты определяющее значение имеют координаты точки . Естественно, что при переменных значениях  

или при изменяющемся расходе  положение точки  будет изменяться. Отсюда следует, что в любой момент времени при конкретных исходных данных точки  и  могут занимать на I-d-диаграмме различные положения.

3.23. Анализ показал, что подавляющему большинству практических случаев соответствуют четыре характерных комбинации расположения этих точек относительно линии стопроцентной относительной влажности и изотермы ty:

точки  и  расположены выше линии j = 1, но ниже линии УаУв (I класса нагрузки);

точки  - ниже, а точки  - выше линии j = 1 (II класс нагрузки);

точки  и  - ниже линии j = 1 (III класс нагрузки);

точки  и  - выше линий j = 1 и изотормы tу (IV класс нагрузки при дефиците теплоты в помещении).

3.24. В зависимости от особенностей объекта в течении годового цикла эксплуатации систем класс нагрузок может оставаться постоянным или изменяться. Встречающиеся комбинации можно сгруппировать следующим образом:

класс нагрузок не изменяется: внутренние нагрузки постоянны; внешние воздействия наружного климата отсутствуют;

класс нагрузок не изменяется, но границы зон изменяются в пределах данного класса: внутренние нагрузки постоянные или переменные, внешнее воздействие наружного климата проявляется слабо;

класс нагрузок изменяется от второго или третьего до первого или четвертого: внутренние нагрузки постоянные или переменные, определяющее значение имеет внешнее воздействие наружного климата.

Класс нагрузок - это обобщение и классификация определяющих факторов; они полностью предопределяют условия получения минимально неизбежных значений ТП, технологические процессы обработки воздуха и соответствующие им технологические схемы.

3.25. В самом общем виде можно представить два типа технологических процессов и схем подсистем, показанных на рис. 8; они основаны на известных традиционных процессах обработки воздуха (не используются процессы увлажнения паром и осушка сорбентами).

В первой из них используются поверхностные воздухонагреватели, во второй - контактные (смесительные) аппараты для одновременного нагрева и увлажнения воздуха.

Принципиально обе схемы при полном составе указанных элементов могут обеспечить заданные параметры воздушной среды в помещении при надлежащих методах управления.

3.26. При оптимизации решений осуществляется организация таких режимов, которые обеспечивают минимально неизбежные значения ТП, а также их управление. С этой точки зрения каждая из схем имеет свои особенности, которые целесообразно уточнить для разных классов нагрузок. При этом главное внимание будет сосредоточено на двух режимах:  и  режимы одновременного потребления холода и теплоты, имеющие место только в СКВ, существенного интереса в данном случае не представляют. При анализе основных особенностей режимов для упрощения построений на I-d-диаграмме некоторые исходные условия идеализированы (идеальная модель), в частности принято: Qтдоп = 0, Q = 0; параметры воздуха в помещении равномерно распределенные. В схеме на рис. 8, а предусматривается нагрев воздуха в поверхностных теплообменниках (калориферах, утилизаторах) и адиабатное увлажнение в контактных аппаратах.

Рис. 8. Обобщенные технологические схемы систем вентиляции и кондиционирования воздуха

а - схемы с использованием нагрева воздуха в поверхностных теплообменниках; б - схемы с использованием нагрева воздуха в контактных аппаратах или орошаемых теплообменниках

3.27. Если для I класса нагрузок (рис. 9) параметры воздуха, нормируемые в помещении, заданы линией, (или областью) с ограниченной относительной влажностью, то будет два режима с потреблением теплоты:  и .

В режиме  неизбежны следующие процессы:

нагрев наружного воздуха от состояния в точке Н1 до точки П1;

адиабатное увлажнение от состояния в точке  до точки  характеризующей параметры приточного воздуха.

Если параметры воздуха на притоке характеризуются точкой Па, необходима совокупность следующих процессов:

смешивание минимального количества наружного воздуха с параметрами в точке Н1 с рециркуляционным воздухом состояния в точке Уа; при этом параметры смеси в точке определяются из уравнения

                                                 (10)

где Gп1 - зависит от принятых параметров приточного воздуха, так как Gп1 = Qтп/(Iyа - Iпа1) - нагрев смеси от состояния в точке С1 до точки

адиабатное увлажнение смеси от состояния в точке C1 до точки Па1.

Рис. 9. Процессы обработки воздуха в режимах потребления теплоты для I класса нагрузок

а, б - на I-d-диаграмме процессы в режиме  в, г - то же, в режиме

Как в первом, так и во втором случае потребляемое количество теплоты и воды на увлажнение воздуха будут соответствовать минимально неизбежным их значениям:

                                                   (11)

                                                  (12)

Отсюда следует, что использование рециркуляционного воздуха при неизменном расходе  не влияет на расходы теплоты и воды; естественно, что при этом увеличивается расход приточного воздуха, следовательно, «ухудшаются» технологические показатели.

3.38. В тех случаях, когда по условиям воздухораспределения температура приточного воздуха не должна превышать tп1 и в то же время рециркуляция не допускается по каким-то обоснованным причинам, приходится увеличивать расход наружного воздуха до общего воздухообмена ( Gн = Gпа) и тогда расходы теплоты и воды увеличиваются:

                                                    (13)

                                                  (14)

Отсюда перерасходы теплоты и воды будут равны:

                              (15)

                              (16)

где  - расход рециркуляционного воздуха.

3.29. В тех случаях, когда только вторая рециркуляция может использоваться, обеспечение параметров приточного воздуха в точке Па1 происходит за счет второй рециркуляции, при этом расход наружного воздуха остается равным  и перерасходов теплоты и воды не будет.

3.30. Потребление теплоты за счет использования рециркуляционного воздуха уменьшается лишь в том случае, когда к рециркуляционному воздуху поступает теплота от какого-либо источника Qдоп.р, например нагрев воздуха в вентиляторе. Снижение температуры рециркуляционного воздуха за счет теплопотерь вне помещения приводит к увеличению потребления теплоты. Перерасход воды и теплоты будет также иметь место, если параметры воздуха в помещении в режиме  поддерживаются не в точке Уа, а в любой другой точке, например У*, хотя и в пределах допустимых значений на линии УаУв. Поскольку Iу* > Iyа, расход теплоты согласно уравнению (15) будет увеличиваться, а также увеличится расход воды, зона потребления теплоты, так как границы пройдут не через точку  а через точку

3.31. Требования оптимальных режимов потребления теплоты нарушаются либо в связи с невозможностью обеспечить требуемые процессы, либо с необоснованным решением автоматизации. Так, если для процессов адиабатного увлажнения воздуха отсутствует возможность «остановки» процесса увлажнения до состояния в точке  и конечное состояние после контактного аппарата характеризуется точкой К, возникает необходимость второго подогрева от точки K до точки  что связано с перерасходом теплоты, чтобы обеспечить в помещении параметры в точке У*.

«Остановка» процессов адиабатного увлажнения неизбежна и для процессов с использованием первой рециркуляции, поскольку относительная влажность точки Пa меньше тех значений, которые получаются после обработки в контактном аппарате. В настоящее время «остановка» процессов осуществляется управляемым байпасом или изменением расхода распыливаемой воды.

3.32. Выход в точку Уа без «остановки» процесса адиабатного увлажнения можно обеспечить при использовании второго подогрева с соблюдением следующих процессов:

нагрева минимального расхода наружного воздуха от состояния в точке H1 до точки

адиабатного увлажнения от состояния в точке  до точки Кa;

второго подогрева от точки Ка до точки

Аналогично построение процессов и при использовании первой рециркуляции: для первого и четвертого класса нагрузок, когда второй подогрев неизбежен в СКВ из-за наличия режимов одновременного потребления холода и теплоты. Однако и при таком решении технологической схемы обязательным требованием для САУ является обеспечение параметров воздуха в помещении без отклонения от точки Уа.

Требования обязательного поддержания параметров в точке Уа снимаются лишь в одном случае, когда линия eп* и влагосодержание точки  меньше влагосодержания наружного воздуха. В примере, показанном на рис. 9, а, такому случаю соответствует положение точки  В частном примере  вышла за пределы I-d-диаграммы. Для осуществления реальных процессов с минимально-неизбежным потреблением теплоты необходимо осуществить подогрев от состояния точки Н1 до точки  но для этого параметры в помещении должны поддерживаться в точке Ув. Если параметры поддерживаются в точке Уа, необходимо увеличить расход наружного воздуха и нагревать его от точки Н1 до точки

3.33. В технологической схеме на рис. 9, а для систем первого класса нагрузок, в которых неизбежны режимы XTGн необязательно использование управления «остановкой» процессов в контактном аппарате, так же как и необязательна первая рециркуляция. Если режимы XTGн в системе отсутствуют, вместе второго подогрева могут быть регулируемые процессы в контактном аппарате. Наличие или отсутствие средств утилизации (СУ) принципиальных требований, к организации режимов потребления теплоты не вносит. Целесообразность их использования определяется технико-экономическими расчетами. Однако для этих расчетов необходимы сведения об условиях работы СУ в принятой технологической схеме.

3.34. На рис. 9, б показан характер процессов нагрева при использовании рекуперативных и энтальпийных СУ для расчетных значений параметров наружного воздуха в точке H1.

Рекуперативные СУ имеют следующие процессы:

нагрев наружного воздуха в СУ от точки Н1 до точки H1(t);

догрев в калорифере от точки H1(t) до точки  догрев в данном случае неизбежен, поскольку

адиабатное увлажнение от точки до точки

Положение точки H1(t) зависит не только от КПД СУ, но и от ограничений по возможному пределу охлаждения удаляемого воздуха из-за соображений замерзания выпавшего конденсата (см. точку У(t), так как ее температура ty(t) близка к нулю).

Использование энтальпийного теплообменника приводит к образованию следующих процессов:

нагрева воздуха в СУ с изменением влагосодержания и энтальпии от точки H1 до точки H1(J);

возможного подогрева воздуха от состояния точки H1(J) до точки

адиабатного увлажнения от точки  до точки

Следует заметить, что использование энтальпийного СУ может привести к тому, что калорифер не потребуется. Полного обеспечения требуемой теплоты за счет использования СУ, даже когда это возможно, не означает, что такое решение всегда выгодно по комплексу ТЭП. Поэтому при анализе конкурирующих вариантов необходимо изучать технологическую схему, показанную на рис. 9, но при разных соотношениях тепловых нагрузок на СУ и калориферы. В отдельных случаях возникает потребность частичного нагрева воздуха перед СУ.

3.35. Кроме рассмотренных режимов  для I класса нагрузок существуют режимы потребления только теплоты без адиабатного увлажнения (рис. 9, в). Этот режим обеспечивается при условии, если система автоматического управления для данного влагосодержания наружного воздуха будет поддерживать параметры воздуха в помещении в строго определенной точке У. Так для состояния в точке H1 поддержание параметров в точке  обеспечивается нагревом минимально необходимого количества наружного воздуха до точки  Если при этих же параметрах в точке H1 состояние воздуха в помещении поддерживается в точке У1* неизбежно потребление холода и перерасход теплоты, так как произойдут следующие процессы:

охлаждение и сушка воздуха от точки H1 до точки K1;

нагрев воздуха от точки K1 до точки  При поддержании в помещении параметров в точке У2* будет иметь место неоправданное потребление воды и перерасход теплоты из-за необходимости процессов;

Рис. 10. Процессы обработки воздуха в режимах потребления теплоты при III классе нагрузок

а - минимальная относительная влажность воздуха в помещении ограничена; б - то же не ограничена; в - изменение класса нагрузок при переменных значениях Qтп

нагрева воздуха от точки H1 до точки

адиабатного увлажнения от точки  до точки  Для данного режима так же, как и для предыдущего, могут быть использованы СУ, но главным образом неэнтальпийного типа. В тех случаях, когда для I класса нагрузок параметры воздуха в помещении не ограничиваются минимальным значением относительной влажности, что характерно для систем вентиляции, режим  практически исчезает и основным становится режим  (см. рис, 9, г).

3.36. Сказанное для I класса нагрузок остается в силе и для IV класса, так как достаточно сопоставить расчетные зоны этих классов с потреблением теплоты на рис. 7. Для IV класса нагрузок появляется дополнительная зона  - режим с переменным расходом наружного воздуха, при котором параметры воздуха в помещении поддерживаются в точке Ув.

Главный отличительный признак для IV класса нагрузок заключается в том, что температура, до которой необходимо нагревать обрабатываемый воздух, всегда выше температуры воздуха помещения. Это значит, что при любой эффективности СУ всегда потребуется догрев воздуха в калорифере. Принципиальное отличие режимов потребления теплоты для III класса нагрузок по сравнению с I и IV классом заключается в том, что для III класса неизбежна первая рециркуляция, нет необходимости во втором подогреве, не требуется «остановка» процесса при адиабатном увлажнении воздуха. В связи с этим из технологической схемы (рис 8, а) выпадают соответствующие элементы. При параметрах воздуха, заданных в помещении точкой или линией с ограничением относительной влажности (рис. 10, а), неизбежным является режим  следующими процессами:

смешение минимально неизбежного расхода наружного воздуха с параметрами в точке Н с рециркуляционным в точке Уа; при минимальном расходе приточного воздуха  параметры смеси в точке С определяют по уравнению (10);

нагрев воздуха от точки С до точки

адиабатное увлажнение воздуха от точки  до точки Па.

Или могут быть процессы с первой рециркуляцией после подогрева:

нагрев воздуха от состояния точки Н до точки

смешение минимально неизбежного расхода наружного воздуха с параметрами в точке  с рециркуляционным в точке для получения параметров смеси в точке

адиабатное увлажнение смеси от точки  до точки Па.

Несмотря на отличие процессов и технологических схем для III класса нагрузок причины, вызывающие отклонения ТП от их минимально неизбежных значений те же, а именно:

запрещение первой рециркуляции, если она приводит к увеличению минимального расхода наружного воздуха;

отклонение параметров воздуха в помещении от заданной точки;

использование взаимоисключающих процессов (охлаждение - нагрев).

3.37. Для систем вентиляции, когда не ограничивается минимальная относительная влажность, линия УаУв растянута (рис. 10, б), имеет место только режим потребления теплоты при обязательном условии переменного положения точки

В ряде случаев для III класса нагрузок все требуемое количество теплоты может быть обеспечено за счет использования СУ.

3.38. Управление режимом работы систем усложняется, так как каждому состоянию наружного воздуха соответствует свое местоположение точки  В случае изменения величины Qтп из-за теплопотерь через внешнее ограждение каждому значению температуры наружного воздуха будет соответствовать определенное состояние, т.е. положение точки  например, как это показано на рис. 10.

Температуре  соответствует точка   -   -

При температуре  если теплопотери близки нулю и точка М совпадает с точкой  точка  соответствует остаточным тепловыделениям Qтп, равным SQт(вн). Естественно, что при одинаковой температуре наружного воздуха, но разном влагосодержании расход теплоты будет различным, так как он при прочих равных условиях зависит от энтальпии наружного воздуха (см. уравнение (11). Отсюда также следует, что при одной и той же температуре, но при различном влагосодержании (энтальпии) вместо режима потребления теплоты может стать неизбежным другой режим. Так, на рис. 10, а показано, что при температуре  точке H будет соответствовать режим  а точке H - режим

3.39. Организация процессов в технологических схемах, в которых нагрев и увлажнение совмещены в контактных аппаратах (рис 8, б), имеет ряд отличительных сторон по сравнению с ранее рассмотренными. В таких схемах снижены материальные затраты на теплообменное оборудование и средства увлажнения. В данных схемах можно снизить температурный уровень используемой нагретой воды, что способствует в ряде случаев уменьшению эксплуатационных затрат. Препятствием для широкого внедрения схем служит опасность обмерзания контактного аппарата при низких температурах обрабатываемого наружного воздуха и возникновения запахов, идущих от воды к воздуху. Представляется, что эти чисто технические ограничения преодолимы.

В первую очередь необходимо выяснить, в какой степени в анализируемых технологических схемах возможно обеспечить режимы с минимально неизбежными значениями ТП. Независимо от используемых технических средств следует принимать режимы термодинамической модели.

3.40. На рис. 11 показаны расчетные зоны модели для двух основных режимов  и .Так для I и IV класса нагрузок (рис 11 а, б) параметры воздуха заданы линией УаУв с ограничением по относительной влажности воздуха в помещении, процессы при наружном воздухе в точке H1 записываются следующим образом:

нагрев и увлажнение воздуха в контактном аппарате от точки H1 до точки К;

нагрев воздуха в поверхностном теплообменнике от точки К1 до точки

Из этих данных следует, что обойтись только контактным аппаратом не удается, требуется второй подогрев в поверхностном теплообменнике. При параметрах наружного воздуха в точке Н2 для этого же режима  могут возникнуть несколько иные процессы, а именно:

нагрев и увлажнение от точки Н2 до точки  ( и т.д.);

подогрев воздуха от точки  ( и т.д.) до точки  В частном случае возможен нагрев воздуха от точки Н2 до точки  и тогда второй подогрев не требуется, но при любом из них необходим управляемый процесс в контактном аппарате в целях получения обрабатываемого воздуха с малыми значениями относительной влажности. При параметрах в точке К1 доля теплоты, обеспечиваемая в контактном аппарате, может оказаться равной нулю; при параметрах в точках К2, К3 доля тепла, отданной в контактном аппарате, увеличивается, но увеличивается также общее потребление теплоты по причине смещения точки У от точки Уа.

Для режима  который существует при I и IV классе нагрузок, обработка воздуха в контактном аппарате не используется, так как требуется процесс только сухого подогрева, например, от точки Н3 до точки  (рис. 11, а).

Если учесть, что режим  является наиболее характерным для систем вентиляции, можно предположить наличие для таких технологических схем существующих ограничений. Действительно, пусть параметры наружного воздуха заданы линией, как показано на рис. 11, в. Для наружного воздуха в точке Н4 требуемое минимально неизбежное потребление теплоты соответствует процессу нагрева от точки Н4 до точки

Рис. 11. Процессы обработки воздуха в режимах потребления теплоты при использовании технологических схем с нагревом воздуха в контактных аппаратах

а - для I класса нагрузок; б - для IV класса нагрузок; в - для систем вентиляции при I (IV) классе нагрузок; г - то же для III класса нагрузок

3.41. При использовании контактного аппарата может быть осуществлен любой процесс, но с увеличением влагосодержания от dн4 до dк4, dк5, dк6 и т.д. В любом из этих случаев потребуется не только второй подогрев, но и увеличение расхода теплоты. Так, например, при адиабатном увлажнении воздуха будет наблюдаться перерасход теплоты, равный

                                                       (17)

3.42. Процессы одновременного нагрева и увлажнения в контактных аппаратах с меньшими ограничениями могут быть использованы для III класса нагрузок. Так, на рис. 11, г показано, что при параметрах наружного воздуха в точке Н можно осуществить процессы:

смешения воздуха состояний точки Н и точки Уа для получения параметров смеси в точке С;

нагрева и увлажнения воздуха от точки С до точки Па.

Первая рециркуляция после контактного аппарата без последующего адиабатного увлажнения практически невозможна.

3.43. Технологические схемы с использованием контактных аппаратов для одновременного нагрева и увлажнения воздуха до III класса нагрузок в большей степени удовлетворяют всем требованиям термодинамической модели. Они должны рассматриваться в качестве конкурирующих вариантов, если есть источники воды с температурой, которая приводит к значительным увеличениям теплообменной поверхности воздухонагревателей, или удается снизить стоимость расходов теплоты за счет более эффективного графика обратной воды по сравнению с графиком для поверхностных теплообменников и т.д.

3.44. Окончательное решение по технологической схеме, когда нет ярко выраженных достоинств и недостатков, может быть принято только при оценке по комплексу ТЭП. Однако для всесторонней оценки схем с контактными аппаратами отсутствуют надежные сведения о функционально-технологических характеристиках этих аппаратов.

3.45. Для вычисления ТП в встроенных цехах или зонах, на которые не распространяются воздействия внешних составляющих нагрузок, соответствующие уравнения приобретают следующий вид (см рис. 6):

                      (18)

                                   (19)

                 (20)

В зависимости от функциональных особенностей помещения (цеха) могут изменяться величины Qт(вн), Gw(вн),  Gвыт. Для расчета подсистем необходимо знать три их значения: максимальные - Qт(вн)max, Gw(вн)max, Gвытmax,  средние - (Qт(вн)mid, Gw(вн)mid, Gвытmid, ); минимальные - Qт(вн)min, Gw(вн)min, Gвытmin,

3.46. По экстремальным значениям переменных величин строится фрагмент расчетной схемы термодинамической модели, как это показано на рис. 12, а. Здесь точки  и , ,  определяются по уравнениям:

                                   (21)

                                   (22)

Положение точки  позволяет построить границы Imin, tmin, dmin, которым соответствуют режимы наибольшего потребления теплоты. Граница по энтальпии Imах соответствует режимам наименьшего потребления теплоты. Истинная граница в любой момент времени может находиться между ними. Среднее ее положение соответствует точке  вычисленной по уравнениям (21) и (22) при средних значениях переменных величин. Построенная таким образом расчетная схема модели для подсистемы позволяет:

по предельным положениям границ выбрать технологические схемы, обосновать требования к автоматическому управлению, рассчитать основные элементы подсистем (оборудования), их установочную производительность, экстремальные условия работы;

определить ТП за годовой цикл эксплуатации систем для вычисления энергетических и эксплуатационных затрат.

Рис. 12. Расчетная схема термодинамической модели и базовый график

3.47. На рис. 12, а показан случай, когда класс нагрузок изменяется от III до I, соответственно могут иметь место как режим  так и  Это значит, что для состояния наружного воздуха в точке H всегда будет одинаковый режим, но с разным количеством потребляемой теплоты и различными условиями работы теплообменного оборудования. При параметрах в точке Н2 вместо режима  может быть другой - без потребления теплоты и т.д. Следовательно, технологическая схема и САУ должны удовлетворять более общим требованиям, которые соответствуют I и IV классу нагрузок. При известном положении границ для средних нагрузок вычисление ТП производят по уравнениям (18); (19), (20), но с соблюдением некоторых особенностей для режима  и Результаты вычисления целесообразно представить в виде базовых графиков. На рис. 12, в приведены базовые графики, соответствующие расчетной схеме на рис. 12, б. Базовый график строится в двух квадрантах. На оси абсцисс откладывается энтальпия наружного воздуха в пределах значений от Iнmin до  т.е. до значения энтальпии наружного воздуха, при которой потребление теплоты равно нулю. Ось ординат в верхнем квадранте соответствует показателям Qт,  Gп, в нижнем - продолжительности стояния параметров наружного воздуха t при данном значении энтальпии. В рассматриваемом случае для двух расчетных зон расход приточного воздуха Gп равен  (на графике линия Gп не показана). Потребление теплоты для зоны  выражается линией  построенной по уравнению (18) по двум точкам: при Iн = Iнmin и  Для зоны  потребление теплоты зависит от двух координат состояния наружного воздуха. Например, для одной и той же энтальпии Iн2 величины Qт для точек Н2 и Н будут различными. Их необходимо вычислять по уравнению (18) при различных значениях энтальпии для каждого значения dн в пределах от  до  И тогда появится семейство линий Qт(dн3) при dн3,  при  и т.д.

3.48. При вычислении суммарных за год расходов теплоты для режима  реализуется весьма простой способ: на графике выделяются элементарные участки (например, участок при Iн = Iнj на рис. 12), для каждого участка известна величина Qтj и продолжительность стояния этой энтальпии tj. Сумма произведений (Qт ´ t) для всех элементарных участков соответствует годовому потреблению теплоты для данного режима. Эта идея может быть реализована и другими способами в зависимости от метода представления информации о параметрах наружного воздуха. Аналогичный способ может быть использован и для зоны  но для этого необходимо иметь сведения о продолжительности стояния параметров наружного воздуха в каждой точке на I-d-диаграмме, характеризующейся значениями Iн, dн (например, точка Н на рис. 12, б, для которой величина Qт соответствует значению в точке 2, а на рис. 12, в). Отсюда следует, что в самом общем случае сведения о наружном климате должны представляться двухпараметрическим распределением. Каким бы способом не определялись ТП, в конечном счете целесообразно иметь диаграмму (рис. 12, г), на которой по оси абсцисс откладывается время Dtj, соответствующее данному значению величины потребляемой теплоты Qтi. Для расчета элементов систем при каждом значении Qт диаграммы должны содержать следующие дополнительные сведения:

класс нагрузки;

параметры наружного воздуха tн, Iн;

параметры приточного воздуха, параметры на входе и выходе теплообменника (сведения получаются при выборе конкурирующих вариантов технологических схем);

температура горячей и обратной воды по графику источника теплоснабжения желательную температуру обратной воды, при которой не оплачивается теплота;

расход воздуха через теплообменник.

Аналогичным образом строятся диаграммы для расхода воды на увлажнение воздуха.

3.49. Для случая теплового режима помещения, зависящего от параметров наружного воздуха, также представляют практический интерес две задачи:

определение характера изменения границ расчетных зон при экстремальных нагрузках;

определение годовых значений ТП.

Цели получения этой информации те же, что при тепловом режиме помещения, независимом от параметров наружного воздуха. Некоторое различие в методах решения этих задач заключается в том, что учет внешних воздействий требует сведений о двух параметрах наружного воздуха для режимов  Технологические показатели с учетом внешних воздействий определяются по уравнениям (см. рис. 6 при отсутствии систем отопления):

  (23)

                        (24)

                                 (25)

где SQт(вн);  Gвыт - принимаются по средним значениям. Так как теплопотери через ограждения выражаются через разность температур, величина Qт зависит от двух параметров воздуха. Отсюда необходимость вычисления ТП для каждой площадки наружного климата. Действительно (см. 13, а), при температуре наружного воздуха tн1 значения теплопотерь (при прочих равных условиях) будут равны какой-то величине Qогр.1, но положение точки  и величина будут различными для точек А, 1, 2, являющихся центрами расчетных площадок t-j. Или, что то же самое, при одной и той же энтальпии наружного воздуха Iнi значение Qт(л), соответствующее температуре крайней левой точке Л на этой энтальпии, будет отличаться от Qт(п), которое имеет место при температуре для крайней правой точки П на этой же энтальпии.

3.50. Суммарные годовые значения теплоты определяют сложением количества потребляемой теплоты на всех площадках. Базовый график для таких случаев может быть построен следующим образом (рис. 13, б):

вычисляется значение Qт при различных энтальпиях и температурах на линии «левых» точек; строится линия Qт(л);

Рис. 13. Расчетная схема термодинамической модели

аналогично вычисляется Qт для температуры на линиях «правых» точек строится линия Qт(п). Для приближенного вычисления суммарных годовых расходов теплоты на базовом графике достаточно провести среднюю линию Qт(cp), приняв ее в качестве расчетной при однопараметрическом распределении (задача сводится к ранее рассмотренной для зоны  при постоянных нагрузках). Наконец, определенную степень приближения можно достигнуть, если на расчетной схеме (рис. 13, а) вместо «левой» и «правой» линии принять среднюю, соответствующую j = 0,6 - 0,7 и для каждого значения энтальпии теплопотери рассчитывать при температуре в точке пересечения с этой кривой. Аналогично вычисляются другие ТП. Выбор метода вычисления ТП зависит от точности располагаемой информации о наружном климате и характере решаемых задач. Конечная информация представляется в виде диаграмм ТП в полном соответствии с рекомендациями (см. рис. 12, г).

3.51. Для определения координат точки  на I-d-диаграмме известные уравнения для вычисления eп и  конкретизируются в следующем виде:

                                 (26)

                               (27)

Поскольку Qoгp зависит от разности температур, то приближенно можно принять, что Qинф зависит не от разности энтальпий, а от разности температур. Нетрудно сделать вывод, что для каждого значения tн будет свое положение точки  Для вычисления пределов изменения границ расчетных зон модели необходимо (см. рис. 12, в):

принять Qогр, Qинф при минимальной (расчетной) температуре наружного воздуха tнmin, минимальные значения SQт(вн) и  и другие величины такими, чтобы линия  заняла верхнее предельное положение ();

вычислить координаты точек  при температуре, близкой tу, и таких значениях остальных величин, входящих в уравнения (26), (27), при которых искомые точки займут нижнее предельное состояние (аналогично точкам  для случая без учета внешних воздействий).

3.52. При учете внешних воздействий важно знать те параметры наружного воздуха, при которых исчезает режим потребления теплоты. В этих целях достаточно в уравнении (21) принять Qт равное нулю, энтальпия Iнгр по смыслу приобретает значение энтальпии  и находится по выражению

                       (28)

принимая

                          (29)

                                                (30)

уравнение (28) можно переписать в виде

           (31)

Решение уравнения (31) можно упростить, допуская определенную погрешность при замене разности  и тогда

                                        (32)

Все изложенные особенности расчета при учете внешних воздействий значительно упрощаются для СВ, когда в помещении не ограничивается минимальное значение относительной влажности и  Любой изотерме tнi, например tн1 на рис. 13, г, различному положению точек Н1(1), H1(2) и т.д. будет соответствовать одна и та же линия  потребление теплоты одинаковое; следовательно, достаточно знать распределение во времени только температуры или энтальпии.

3.53. Для учета количества теплоты Qот от систем отопления при вычислении ТП на подсистемы нагрева из правой части уравнения (23) необходимо вычесть Qот, а в числитель уравнения (26) прибавить Qот. При определении характера изменения границ расчетных зон Qот прибавляется к числителям уравнений (26), (27). Уравнение (32) примет другой вид, если учесть, что нагрузка на систему отопления может быть записана в виде

                                                    (33)

где Qот - количество теплоты, отдаваемое системой отопления при текущем значении температуры tн и температуре в помещении tот, которая должна ею обеспечиваться.

Решая совместно с уравнением (32), получаем

                      (34)

В определенном смысле учет влияния отопления на все рассмотренные ранее вопросы можно отождествить с новыми значениями суммарных внутренних тепловыделений SQ(вн). Граница режима потребления теплоты без каких-либо погрешностей принимается по изотерме tнгр.

3.54. Приведенный в пп. 3.18 - 3.53 метод оптимизации связан со значительным объемом вычислительных работ и требует использования ЭВМ. При использовании ЭВМ требуется определенная структура алгоритма выполнения основных групп операций, приведенных на рис. 14.

3.55. В первой группе операций решаются вопросы, которые позволяют получить обобщенную информацию в виде сведений об изменении класса нагрузок за годовой цикл эксплуатации систем при отсутствии систем отопления. Затем рассматриваются возможные изменения класса нагрузок при различной тепловой нагрузке на систему отопления. Здесь, при отсутствии четкого представления о целесообразной нагрузке на систему отопления, выдвигаются конкурирующие варианты по соотношению нагрузок на систему отопления и подсистему нагрева воздуха.

Для выдвинутых вариантов на основе базовых графиков строятся диаграммы годовых значений технологических показателей (ТП).

Рис. 14. Структура алгоритма выполнения основных групп операций при оптимизации подсистем нагрева воздуха

3.56. Диаграммы ТП являются основной информацией на входе во вторую группу операций.

Поскольку значение комплекса технико-экономических показателей (ТЭП) зависит от выбранного типа технологической схемы (см. рис. 8), от возлагаемой тепловой нагрузки на средства утилизации (СУ), от схемы организации потоков воздуха (см. рис. 32), от принципа компоновки теплообменников и контактных аппаратов, от типов используемых теплообменников и т.д., может возникнуть бесконечное число конкурирующих вариантов. Сокращение количества вариантов во многом зависит от опыта исполнителя. Однако в любом случае целесообразно руководствоваться следующими соображениями:

в основе расчета так называемый опорный вариант технологической схемы, базирующийся на использовании поверхностных теплообменников и контактных аппаратов для адиабатного увлажнения воздуха (см. рис. 8). Технологическая схема выбирается в соответствии с характером изменения класса нагрузок. В опорном варианте СУ не используются, воздухонагреватели устанавливаются по схеме рис. 32;

опорному варианту противопоставляются решения с различными схемами организации потоков воздуха.

Рассмотренным вариантом можно противопоставить технологические схемы, в которых используются СУ при максимально возможной для них нагрузке и пятидесятипроцентной от нее.

Результаты сравнения этих вариантов показывают тенденцию изменения ТЭП и необходимость дальнейшей детализации вариантов. Выходной информацией второй группы операций являются диаграммы годовых изменений комплекса KF.

3.57. Третья группа операций касается расчета основных элементов систем: поверхностных воздухонагревателей и СУ. Для каждого варианта выбирают тип и типоразмер теплообменников, определяют расходные и термодинамические характеристики. Сведения этой группы операций являются исходными для вычисления конструктивно-компоновочных, энергетических и экономических показателей.

3.58. На последнем этапе по ТЭП для рассмотренных вариантов принимается решение о выборе наилучшего из них.

4. НАЗНАЧЕНИЕ, СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ И СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

4.1. Система предназначена для управления средствами обеспечения теплового и воздушного режима помещений производственных зданий в соответствии с выбранным критерием оптимизации управления, например минимизация затрат, тепловой и электрической энергии.

4.2. Автоматизированные системы управления тепловым режимом помещений (АСУ ТРП) являются разновидностью автоматизированных систем управления технологическими процессами, в связи с чем при их разработке могут быть использованы результаты разработок автоматизированных систем управления процессами в других областях.

4.3. Автоматизированная система управления технологическими процессами представляет систему управления для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления в соответствии с принятым критерием управления. Технологический объект управления (ТОУ) представляет совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим технологическим инструкциям или регламентам технологического процесса производства. Поэтому технологическое оборудование теплоснабжения, обработки перемещения воздуха отопительно-вентиляционных систем, а также обслуживаемые этими системами помещения можно рассматривать как технологический объект управления.

4.4. Совокупность совместно работающих автоматизированной системы управления теплового режима помещений и технологического объекта управления совместно с узлом централизованной подготовки теплоносителя для систем отопления - вентиляции, приточных камер, устройств воздухораспределения, обслуживаемых помещений и т.п. - рассматривается как автоматизированный технологический комплекс.

4.5. Автоматизированная система управления тепловым режимом зданий представляет человеко-машинную систему управления, обеспечивающую автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления. В соответствии с этим в составе АСУ ТРП должны быть автоматические средства сбора и переработки информации об управляемом объекте (в первую очередь средства вычислительной техники), а цель функционирования должна заключаться в оптимизации работы технологического объекта управления в соответствии с принятыми критериями управления путем формирования управленческих воздействий. В выработке решений по управлению должен принимать участие человек.

Таким образом, система управления ТОУ является автоматизированной системой управления ТРП, если обладает следующими признаками: а) осуществляет управление всеми подсистемами ТОУ в целом; б) осуществляет формирование управляющих воздействий в темпе протекания управляемых технологических процессов (в реальном масштабе времени); в) наличии средств вычислительной техники, других технических средств; г) участие человека-оператора, участвующего в выработке решений по управлению.

4.6. В системах обеспечения ТРП к управляемым относятся следующие процессы:

управления температурой теплоносителя путем смешения подаваемого и обратного теплоносителя в узлах централизованной подготовки;

управления расходом теплоносителя через воздухонагреватели приточных камер;

управления расходами приточного и рециркуляционного воздуха через приточные камеры;

поддержания заданных значений параметров теплового режима обслуживаемых помещений путем осуществления указанных выше взаимосвязанных процессов.

Область заданных значений параметров теплового режима определяет выбор технологического оборудования и влияет на алгоритм функционирования.

4.7. Целью создания АСУ ТРП является обеспечение требуемых значений параметров теплового режима обслуживаемых помещений при минимальных энергетических затратах, рациональном использовании технологического оборудования систем обеспечения ТРП и трудовых ресурсов (оперативного и обслуживающего персонала).

4.8. Критерием управления АСУ ТРП является соотношение, характеризующее качество работы ТОУ в целом и принимающее числовые значения в зависимости от используемых управляющих воздействий. В качестве критерия управления (критерия качества функционирования) в рассматриваемых системах могут быть приняты приведенные затраты по поддержанию требуемых значений параметров теплового режима помещений. Частными критериями управления могут являться затраты энергии на функционирование управляемых подсистем, надежность функционирования ТОУ или автоматизированный технологический комплекс в целом и т.п.

4.9. В соответствии с основным определением функции АСУ ТРП как «круга действий АСУ ТРП, направляемых на достижение частной цели управления», АСУ ТРП выполняет следующие функции: информационные, управляющие, вспомогательные.

4.10. Информационная функция. Ее содержанием являются: сбор, преобразование, хранение информации о состоянии ТОУ, представление этой информации оперативному персоналу или передача ее для последующей обработки.

Информационные функции АСУ ТРП подразделяются на: централизованный контроль состояния ТОУ, вычислительные и логические операции информационного характера.

4.11. Функций централизованного контроля заключаются в следующем:

непрерывное, периодическое и (или) по вызову измерение, оперативное отображение и регистрация значений технологических параметров и показателей состояния оборудования;

обнаружение, оперативное отображение, регистрация и сигнализация отклонений значений технологических параметров и показателей состояния оборудования от установленных пределов;

контроль, оперативное отображение, регистрация и сигнализация срабатываний блокировок и защит;

оперативное отображение и регистрация результатов математических и логических операций, выполняемых технологическими средствами системы.

4.12. Содержание вычислительных и логических операций следующее:

косвенное измерение технологических параметров показателей состояния оборудования системы;

вычисление и анализ обобщенных показателей оценки текущего состояния ТОУ и его составляющих;

анализ срабатывания блокировок и защит;

диагностика протекания ТРП и состояния оборудования;

прогнозирование хода ТРП и состояния оборудования;

расчет технико-экономических и эксплуатационных показателей функционирования ТОУ;

подготовка информации и выполнение процедур обмена информацией со смежными и вышестоящими системами управления.

4.13. Содержание управляющей функции является выработка решений и реализация управляющих воздействий на ТОУ.

К управляющим функциям АСУ ТРП относятся следующие:

определение рационального режима проведения ТРП;

формирование и передача на входы исполнительных устройств управляющих воздействий, обеспечивающих реализацию выбранного режима;

выдача оператору рекомендаций по управлению ТРП.

4.14. Основной особенностью управляющих и информационных функций, выполняемых АСУ любым технологическим процессом, является их направленность на конкретного потребителя (объект управления, оперативный персонал, смежные или вышестоящие системы управления).

4.15. К вспомогательным функциям относятся такие, которые обеспечивают решение внутрисистемных задач. Вспомогательные функции не имеют потребителя вне системы и предназначены для обеспечения ее собственного функционирования (обеспечение заданного алгоритма функционирования технологических средств системы, контроль их состояния и т.п.).

4.16. Используют два режима реализации функций системы: автоматизированный и автоматический.

4.17. Для информационных функций автоматизированный режим реализации предусматривает участие оперативного персонала в операциях по получению и переработке информации. В автоматическом режиме все необходимые процедуры переработки информации реализуются без участия человека.

4.18. Для управляющих функций автоматизированный режим характеризуется участием человека в выработке (принятии) решений и их реализации. При этом различаются следующие варианты:

«ручной» режим, при котором оперативному персоналу представляется контрольно-измерительная информация о состоянии ТОУ, а выбор и осуществление управляющих воздействий производит оператор;

режим «советчика», при котором техническими средствами системы вырабатываются рекомендации по управлению, а решение об их использовании принимается и реализуется оперативным персоналом;

«диалоговый» режим, при котором оперативный персонал имеет возможность корректировать постановку и условия задачи, решаемой техническими средствами системы при выработке рекомендаций по управлению объектом.

4.19. Автоматический режим реализации управляющих функций предусматривает автоматическую выработку и реализацию управляющих воздействий. При этом различают:

режим косвенного («супервизорного») управления, когда средства вычислительной техники автоматически изменяют уставки и (или) параметры настройки локальных систем автоматического управления (регулирования);

режим прямого (непосредственного) цифрового (или аналого-цифрового) управления, когда управляющее вычислительное устройство формирует воздействия, подаваемые к исполнительным механизмам.

4.20. Функциональной структурой системы называют структуру, элементами которой являются функции АСУ, а связи между элементами отражают порядок их взаимодействия. На рис. 15 приведено схематическое изображение функциональной структуры АСУ ТРП.

Рис. 15. Функциональная структурная схема

1 - датчик температуры воздуха в помещении; 2 - регулирующий клапан; 3 - приемный воздушный клапан; 4 - насос регулирования температуры прямой воды

4.21. В соответствии с определенными выше функциями в АСУ ТРП решаются следующие задачи: 1) сбор, обработка, хранение и регистрация информации; 2) контроль переменных, описывающих состояние технологического, объекта управления (ТОУ); 3) формирование управляющих воздействий; 4) организация связи оператора с управляющей частью системы; 5) общесистемные задачи.

К первой группе относятся: задачи ввода в систему сигналов различных видов (естественных - непосредственно от первичных измерительных преобразователей и унифицированных - токовых сигналов или сигналов в виде напряжения; дискретных и аналоговых; число - импульсных и частотных), линейных и нелинейных преобразователей, в том числе, фильтрации сигналов от наложенных помех, компенсации систематических и случайных погрешностей, статистической обработки информации, хранения ее в различных запоминающих устройствах, регистрации (записи) информации на различных носителях (магнитных дисках магнитной ленте, перфоленте, бумаге).

Задачи второй группы сводятся к проверке выхода непосредственно измеряемых или полученных в результате обработки входной информации расчетных переменных за допустимые или аварийные пределы. Процесс контроля может сопровождаться формированием предупредительных и аварийных сигналов или сообщений.

Задачи третьей группы включают: формирование управляющих воздействий в контурах непосредственного цифрового управления (НЦУ), в контурах формирования корректирующих или задающих воздействий (например, при реализации режима косвенного управления, при реализации каскадного регулирования), в контурах программного и комбинационного логического управления, в контурах многосвязных систем регулирования, а также оптимальных управлений при решении локальных (относящихся к отдельным управляемым подсистемам) задач оптимизации.

К задачам четвертой группы относятся: индикация текущего состояния ТОУ, сигнализация переходов состояний управляемых подсистем, в том числе в недопустимые (аварийные) режимы, представленные текущей или хранимой в памяти системы информации в визуальной форме (в виде печатных сообщений или на экране видеотерминала), возможность регистрации по инициативе оператора необходимой информации, формирование управляющих воздействий в результате действий оператора с органами управления.

К задачам пятой группы относятся: организация связи между отдельными уровнями управления и, возможно, между ТОУ и управляющей частью системы (если эта задача не решается только локальными средствами сбора данных), задачи общесистемной («глобальной») оптимизации, диагностика состояния управляемого технологического оборудования и технических средств управляющей части системы, формирование системных диагностических сообщений, в том числе оперативных при отказах оборудования или технических средств, а также задачи оперативного управления системой в целом.

4.22. Решение этих функциональных задач позволяет не только автоматизировать управление тепловым режимом производственного здания, но и оптимизировать режим работы системы отопления и вентиляции и тем самым экономить тепловую и электрическую энергию. Средства, при помощи которых решаются эти задачи, разделяются по функциональному признаку на три взаимосвязанные части:

сеть измерительно-опознавательных устройств, включающую в себя датчики для измерения нерегулируемых параметров (температура и влажность наружного воздуха, атмосферное давление, направление и скорость ветра, интенсивность солнечной радиации, температуру теплофикационной воды, поступающей с ТЭЦ); регулируемых параметров, характеризующих микроклимат (температура, относительная влажность и влажность воздуха в рабочей зоне); регулируемых параметров процесса формирования микроклимата (температура приточного воздуха, температура и расход прямой воды, расход теплофикационной воды, поступающей с ТЭЦ, температура и расход обратной воды); сигнализаторы предельных значений этих параметров);

управляющая вычислительная машина с периферийными устройствами, включающими в себя линии связи, коммутаторы, согласующие устройства, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, терминалы и т.д., служащая для сбора и обработки данных измерений, формирования и подачи команд и установок на исполнительные устройства;

комплекс исполнительных устройств, управляющий работой агрегатов отопления - вентиляцией.

4.23. Выполнение описанных выше функций АСУ ТРП обеспечивается следующими составляющими частями ее:

техническим обеспечением (ТО);

программным обеспечением (ПО);

информационным обеспечением (ИО);

организационным обеспечением (ОО);

оперативным персоналом (ОП).

4.24. Техническое обеспечение АСУ ТРП представляет совокупность вычислительных и управляющих устройств, средств преобразования, передачи, обработки отображения и регистрации сигналов и данных, исполнительных устройств, достаточную для обеспечения функционирования АСУ ТРП и реализации системой всех функциональных задач.

Техническое обеспечение включает следующие средства: полученную информацию (сигналов) о состоянии ТОУ (о значениях параметров ТРП и состояния технологического оборудования обеспечения теплового режима);

формирования и передачи информации (сигналов) в системе;

преобразования и хранения информации;

локального регулирования и управления; централизованного контроля, регулирования и управления; представления информации оперативному персоналу системы; обмена информацией со сменными и вышестоящими уровнями АСУ (при необходимости);

исполнительные устройства.

4.25. Технические средства, на которых реализуется любая автоматизированная система управления технологическим процессом (распределенные по управляемым агрегатам, установкам, по обслуживаемым помещениям первичные преобразователи - датчики и измерительные преобразователи, средства локального управления и регулирования, средства централизованного сбора, обработки, регистрации и хранения информации, средства централизованного контроля и управления, средства связи с оператором, средства воздействия на управляемые процессы), образуют комплекс технических средств (КТС) автоматизированной системы управления.

4.26. В соответствии с основными выполняемыми функциями и распределением по управляемому объекту технические средства КТС могут быть подразделены на следующие части: а) информационно-измерительную часть (датчики и измерительные преобразователи); б) средства локального контроля и управления; в) средства централизованного контроля, управления, регистрации и хранения информации; г) исполнительную часть (совокупность исполнительных устройств с регулируемыми органами).

4.27. В зависимости от распределения между частями (б) и (в) функций сбора, обработки, хранения информации, выработки и реализации управляющих воздействий техническая реализация автоматизированной системы управления по структуре может быть отнесена к централизованной или распределенной по управляемому объекту (децентрализованной) (см. пп. 2.22 - 2.24).

4.28. В централизованных системах функции сбора и обработки информации (сигналов о состоянии ТОУ и КТС), формирования управляющих воздействий выполняются одним или несколькими общими центральными устройствами, а в распределенных - большая часть функций сбора и обработки информации, формирования управляющих воздействий локальными устройствами. В то же время для систем обоих типов характерна централизация функций регистрации информации и представления ее оператору.

4.29. По подчиненности устройств управления рассматриваемые системы могут быть подразделены на одно- и многоуровневые (иерархические), в которых могут быть выделены два и более уровней.

4.30. Программное обеспечение АСУ ТРП представляет совокупность программ, необходимых для реализации функций автоматизированной системы управления ТРП, заданного функционирования технических средств АСУ ТРП и предполагаемого развития системы (рис. 16).

Программное обеспечение ПО системы подразделяется на общее ПО и специальное ПО.

4.30. Базовое [основными составляющими которого являются одна или несколько операционных систем (ОС), система автоматизации программирования, система функционального контроля] - часть ПО, поставляемая со средствами вычислительной техники. К базовому ПО относятся необходимые в процессе функционирования и развития системы программы, программы для автоматизации разработки программ, компоновки ПО, организации функционирования комплекса вычислительных средств и другие служебные и стандартные программы (организующие и диспетчерские программы, транслирующие программы, библиотеки стандартных программ и др.).

Рис. 16. Программное обеспечение системы

4.31. Специальное ПО - часть ПО, разрабатываемая или заимствованная из соответствующих фондов при создании конкретной системы и включающая программы реализации основных (управляющих и информационных) и вспомогательных (сервисных дистанционных) функций.

4.32. Информационное обеспечение включает системы классификации и кодирования используемой в АСУ ТРП информации, нормативно-справочную и текущую информацию, характеризующую состояние ТОУ и КТС системы и образующую массивы данных и документов.

4.33. Организационное обеспечение представляет совокупность технических документов с описаниями функциональной, технической и организационной структур системы, а также инструкций, определяющих функционирование оперативного персонала в системе.

4.34. Оперативный персонал автоматизированной системы управления подразделяется на: группу (в частном случае одного) технологов-операторов, осуществляющих оперативный контроль состояния и функционирования ТОУ и КТС, а также управление ТОУ с использованием текущей информации о ТОУ и КТС и рекомендаций по рациональному управлению, выработанных КТС;

эксплуатационный персонал, обеспечивающий правильность функционирования КТС.

4.35. Из основных классификационных признаков, обеспечивающих выбор систем-аналогов на ранних этапах разработки системы, оценку необходимых ресурсов при планировании разработки, оценку качества (научно-технического уровня) и относительных капиталовложений на создание системы, обычно рассматривают следующие:

уровень, занимаемый рассматриваемым ТОУ и его автоматизированной системой управления в организационно-производственной структуре предприятия (АСУ нижнего уровня, верхнего уровня, многоуровневые);

характер протекания управляемых технологических процессов во времени (непрерывный, непрерывно-дискретный, дискретный);

условную информационную мощность, определяемая числом измеряемых или контролируемых технологических переменных (наименьшая - от 10 до 40 переменных; малая - от 41 до 160; средняя - от 161 до 650; повышенная - от 651 до 2500; большая - от 2501 (верхнее значение числа переменных не ограничивается));

функциональную надежность (уровень минимальный, средний, высший);

тип функционирования, характеризуемый совокупностью автоматически выполняемых информационных и управляющих функций системы (информационный, локально-автоматический, советующий, автоматический).

4.36. В соответствии с перечисленными классификационными признаками рассматриваемые автоматизированные системы управления тепловым режимом помещений производственных зданий могут представлять либо автономные АСУ (одноуровневые или многоуровневые с выделением подсистем по функциональному или структурному признаку), либо являться подсистемами АСУ более высоких уровней (например, подсистемой АСУЭ - энергетическим хозяйством предприятия).

Рис. 17. Общий вид алгоритма функционирования системы

4.37. По характеру протекания управляемых процессов во времени эти АСУ относятся к непрерывным (при наличии специальных требований или условий, например, при циклическом характере основного технологического процесса, проводимого в обслуживаемых помещениях, они могут относиться к дискретно-непрерывным).

4.38. По условиям информационной мощности эти АСУ могут быть отнесены к малым или средним и в исключительных случаях - к «повышенным».

4.39. Функциональная надежность этих систем должна быть, по крайней мере, средней, а при повышенных требованиях к качеству функционирования систем обеспечения микроклимата (прецизионное производство, метрологические лаборатории) - «высокой».

4.40. По типу функционирования эти АСУ могут относиться как к локально-автоматическим, так и к советующим и полностью автоматическим. Желательно, чтобы КТС и ПО системы предусматривали возможность перехода от низких по уровню типов функционирования к более высоким, например, от системы, работающей в советующем режиме, к полностью автоматической системе, осуществляемом в процессе развития системы.

5. ОБЩИЙ АЛГОРИТМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ

5.1. Общий алгоритм функционирования системы управления должен представлять собой логическую схему включения в работу в той или иной ситуации, определенной последовательности частных алгоритмов, выполняющих следующие основные операции:

получение информации о входных воздействиях на объект управления и о результатах управления;

анализ и обработка полученной информации;

принятие решения;

выдача управляющего воздействия в канал управления.

Блок-схема общего алгоритма функционирования системы управления представлена на рис. 17.

5.2. Общий алгоритм функционирования АСУ ТРП предполагает циклический характер его работы. В начале каждого цикла управления должен происходить опрос датчиков: измеряемых нерегулируемых параметров - температуры и влажности наружного воздуха, скорости и направления ветра, атмосферного давления, солнечной радиации, температуры и давления пара в тепловой сети; измеряемых выходных параметров, характеризующих тепловой режим, - температуры воздуха, относительной влажности воздуха, скорости движения воздуха в рабочих зонах; измеряемых выходных параметров, по которым непосредственно или расчетом можно определить эффективность управления, - температуры и давления воды в обратных трубопроводах, расхода теплофикационной воды, расхода электроэнергии; регулируемых параметров, которые могут изменяться соответствующими исполнительными механизмами, - температуры приточного воздуха, температуры воды после подмешивающих насосов, Количество приточного воздуха.

Эта информация через преобразователи в цифровой форме поступает в запоминающее устройство управляющей вычислительной машины.

Полученную информацию обрабатывают в управляющей вычислительной машине специальными программами, моделирующими тепловое поведение здания и оптимизирующими требуемое поступление тепла от системы отопления и вентиляции для поддержания заданного теплового режима. При необходимости изменения теплового режима, установленного в предыдущем цикле, вырабатываются необходимые сигналы, которые через концентратор, подстанции и преобразователи поступают на управляющие органы исполнительных механизмов регулирования.

Обслуживающий персонал может в любой момент времени получить на экране пульта управления данные по любой точке объекта и работе системы в целом и вмешаться в работу системы. Для этого существует второй контур системы, прерывающей при необходимости описанный выше замкнутый процесс по приказу оператора. В этом случае оператор берет управление на себя, но его действия контролируются системой. Если действия оператора приводят к возникновению аварийной ситуации, то система предупреждает об этом оператора. Данные об измерениях и вычислениях, проведенных на ЭВМ, по запросу оператора могут в любой момент времени выданы на печать. По этой выдаче анализируется работа отопительно-вентиляционной системы, эффективность использования оборудования, энерго- и теплопотребления, экономия оборудования и экономия энергии. При этом могут быть представлены данные за какой-либо отрезок времени как по группам избранных точек, так и по всем точкам.

Так как тепловые процессы в здании в целом изменяются медленно, то в системе выбран синхронный принцип связи УВК с объектом в реальном масштабе времени. Время, затрачиваемое на преобразование и ввод измерительной информации в УВК, значительно меньше периода колебаний в управляемом процессе, поэтому считается, что измерительная информация вводится как бы одновременно.

Процесс управления следует разбить на циклы по 10 - 15 мин. УВК постоянно находится в режиме ожидания, Запуск цикла осуществляется от электронных часов в УВК - через устройства прерывания.

5.3. Математическая модель и алгоритм расчета теплового режима помещения, предназначенные для использования в системах управления, по сравнению с моделью для проектирования, имеют определенные особенности. К моделям предъявляются два требования:

необходимость высокой точности численного моделирования теплового режима, так как только на этой основе возможно обеспечение качественного управления тепловым режимом;

ограничения на программу для УВК по объему и времени вычислений, так как УВК, на которой реализуется математическая модель, имеет определенные характеристики по быстродействию и памяти. Прежде всего это связано с экономической обоснованностью введения всей системы автоматизированного управления. Затраты на мощную УВК могут свести на нет эффект от экономии энергии за счет введения системы.

Необходимость одновременного выполнения этих требований заставляет отказаться от универсальной математической модели и перейти к специализированной модели. Такая модель позволяет при сокращении объема вычислений не только не потерять точность моделирования теплового режима, но и в результате использования экспериментальных данных повысить эту точность в сравнении с универсальной моделью.

5.4. Исходным материалом для разработки специализированной модели служит универсальная модель. Можно указать несколько направлений, по которым может быть осуществлено ее «сужение» (до специализированной модели):

сокращение числа независимых переменных (в задаче управления это входные параметры) путем перевода их в фиксированные параметры расчетной модели. В модели для управления выпадает группа данных, касающихся геометрических размеров помещений здания; группа данных, характеризующих размеры и теплофизические свойства ограждающих конструкций, и многие другие;

совершенствование алгоритма вычислений в направлении сокращения времени вычислений и повышения точности результатов на основе конкретизации постановки задачи. Большая определенность постановки задачи в случае специализированной модели во многих случаях дает возможность использовать более эффективные вычислительные методы;

повышение точности моделирования теплового режима за счет использования экспериментальных данных. Здесь очень много возможностей: от простого введения в расчет в качестве параметров характеристик, полученных при натурных измерениях в данном помещении, до уточнения в результате проведения измерений некоторых допущений в исходной модели. Большое значение имеет введение в расчетную модель уточненных данных, касающихся величины коэффициентов теплообмена на поверхности ограждений. По результатам измерений может быть в значительной мере повышена точность учета теплоаккумулирующей способности оборудования.

5.5. Разработка математической модели теплового режима помещений для управления состоит из следующих этапов: сбор и обработка исходных данных, включающая изучение проектной документации и особенностей технологических процессов, происходящих в помещении; разработка «точной» математической модели теплового режима помещения и метода ее реализации на основе использования ЭВМ; оценка методом численного эксперимента вклада отдельных составляющих теплового баланса помещения и различных теплотехнических параметров на величину целевой функции; разработка с учетом результатов выполненного численного эксперимента предварительной математической модели теплового режима помещения для управления; обоснование математической модели для управления на основе сопоставления результатов расчета по ней с результатами расчета по «точной» модели; идентификация математической модели по результатам натурных экспериментов; повышение адекватности математической модели в процессе ее функционирования.

5.6. Современное здание следует рассматривать как сложную энергопотребляющую систему с многообразием составляющих его элементов, в которых протекают различные по физической сущности процессы поглощения, превращения и переноса энергии. Для построения и реализации математических моделей сложных энергетических объектов используется методология системного подхода. В качестве основных элементов здания как единой теплоэнергетической системы принимаются: совокупность показателей наружного климата, лучистый теплообмен в помещении, конвективный теплообмен в помещении (в том числе с учетом источников тепла), тепло- и массоперенос через ограждающие конструкции, теплоинерционность оборудования, находящегося в помещении, тепловой режим помещения в целом.

5.7. Систему элементов и связей, моделирующую тепловой режим помещения, представляют в виде графа, в котором каждому элементу помещения как единой теплоэнергетической системы соответствует вершина графа, а связи между элементами помещения или с внешними элементами - дуга графа. На рис. 18 показана упрощенная схема теплового баланса помещения, а на рис. 19 - соответствующий ей граф. Не снижая дальнейшей общности рассуждений, граф на рис. 19 включает одну наружную стену, одну внутреннюю стену и одно заполнение светового проема. Соединение смежных вершин графа не одной, а двумя одинаково направленными дугами отражает наличие двух связей, осуществляемых при помощи разных способов передачи энергии.

Рис. 18. Схема теплового баланса производственного здания

1 - теплопотери через ограждающие конструкции (стены, покрытия, перекрытия); 2 - теплопоступления от системы воздушного отопления; 3 - теплопоступления от технологического оборудования; 4 - теплопотери через заполнение светового проема; 5 - теплопотери за счет воздухообмена

Рис. 19. Граф теплового баланса помещения

I - наружное ограждение; II - внутреннее ограждение; III - заполнение светового проема; IV - внутренний воздух; V - вентиляция; VI - внутреннее оборудование; 2, 4, 6, 18 - теплообмен конвекцией между внутренними поверхностями ограждения, а также между поверхностью оборудования и внутренним воздухом; 3, 5, 7 - потоки тепла за счет фильтрации через ограждения; 9, 10, 11, 12, 13, 14 - лучистый теплообмен внутренних поверхностей ограждений между собой, а также с оборудованием; 16 - конвективное тепло, непосредственно передаваемое воздуху помещения; 1, 8, 15, 17 - связи между элементами помещения и внешними элементами

5.8. Схема теплового баланса помещения задается в виде матрицы соединений вершин графа (рис. 20). Единицы в первом столбе матрицы на рис. 20 дают логический признак к-го элемента помещения как единой теплоэнергетической системы, из которого исходит (знак плюс) или в которой входит (знак минус) данная связь. При этом строка, соответствующая связи между элементами помещения (внутренняя связь), всегда имеет в правой части два ненулевых члена: +1 и -1, а строка, соответствующая связи элемента помещения с внешним элементом (климатическими воздействиями), имеет один ненулевой член: +1 для исходящих и -1 для входящих внешних связей. Матрица отображает топологическую структуру графа теплового баланса помещения.

НОМЕР СВЯЗИ

ПРИЗНАК НАЛИЧИЯ СВЯЗИ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПОМЕЩЕНИЯ

I

II

III

IV

V

VI

1

-1

 

 

 

 

 

2

± 1

 

 

± 1

 

 

3

± 1

 

 

± 1

 

 

4

 

± 1

 

± 1

 

 

5

 

± 1

 

± 1

 

 

6

 

 

± 1

± 1

 

 

7

 

 

± 1

± 1

 

 

8

 

 

-1

 

 

 

9

± 1

 

± 1

 

 

 

10

± 1

± 1

 

 

 

 

11

 

± 1

± 1

 

 

 

12

 

± 1

 

 

 

± 1

13

± 1

 

 

 

 

± 1

14

 

 

± 1

 

 

± 1

15

 

 

 

 

 

-1

16

 

 

 

-1

1

 

17

 

 

 

 

-1

 

18

 

 

 

± 1

 

± 1

Рис. 20. Структурная матрица соединений графа, изображенного на рис. 19

5.9. Учитывая неизбежное запаздывание регулирования по отношению к изменению параметров наружного климата на интервале времени Dt, регулирование следует вести по прогнозируемым с упреждением Dt значениям параметров наружного климата.

Модель прогнозирования разрабатывается на основании предположения, что значение температуры Уt+1 на момент времени (t + 1) будет определяться значением температуры Уt в предшествующий момент времени t и приращением DY = Yt - Yt-1, т.е. прогнозируемая температура будет определяться из соотношения

Yt+1 = Yt + DY.                                                               (35)

Интервал времени, на котором делается прогноз параметров наружного климата, может выбираться практически сколько угодно малым; при этом точность прогноза будет возрастать.

Максимальную величину интервала оценивают при рассмотрении нескольких циклов прогнозирования на временной оси (рис. 21).

Рис. 21. Циклы прогнозирования

t0 - заданная температура внутреннего воздуха; Dt - допустимое отклонение температуры внутреннего воздуха; tj+1 - момент времени, на который делается прогноз

По прогнозируемым значениям параметров наружного климата на момент tj+1 с интервалом прогнозирования, равным Dt = tj+1 - tj, и по расчету теплового режима помещения определяем величину отклонения температуры внутреннего воздуха от заданного значения t0. Если величина этого отклонения превышает значение Dt, то уменьшаем последовательно длину интервала прогнозирования до тех пор, пока величина отклонения не станет равной допустимой, т.е. величине Dt. Величина интервала прогнозирования, соответствующая этому случаю, будет являться максимальной и превышающей в Dt/Dtуст раз величину постоянной времени tп, являющейся динамической характеристикой помещения. Поскольку Dtуст является реакцией помещения на единичный скачок температуры, получим

Dtmax = Dttп/Dtуст.                                                      (36)

5.10. Модель лучистого теплообмена в помещении предполагает раздельный учет длинноволновой радиации, которую излучают слабонагретые внутренние поверхности ограждений, и коротковолновой радиации, поступающей в помещение через заполнения световых проемов, а также от источников искусственного освещения. Модель лучистого теплообмена описывается с учетом следующих упрощающих допущений: поверхности в помещении есть прямоугольные пластины, которые не затеняют одна другую, параллельны или расположены под прямым углом одна к другой; поверхности в целом изотермичны или могут быть разделены на несколько прямоугольных изотермичных частей, теплотехнические показатели поверхностей не зависят от температуры; лучистое тепло не поглощается воздухом помещения; поверхности являются серыми, и тепловое излучение их подчиняется закону Ламберта; многократным отражением лучистых потоков можно пренебречь. С учетом сделанных допущений для длинноволновой радиации радиационный баланс поверхности (или характерной ее части), имеющей номер i (i = 1, 2, 3, …, n), с учетом теплообмена с другими поверхностями, имеющими номер j (j = 1, 2, 3, …, n; j ¹ i описывается формулой

                       (37)

где  - количество тепла, Вт, излучаемого поверхностью, имеющей номер i; С0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,77 Вт/(м2×К4); ei-j - приведенный коэффициент излучения при теплообмене между серыми телами; ti - температура, К, поверхности (или характерной ее части), имеющей номер i; tj - температура, К, поверхности (или характерной ее части), имеющей номер j; ji-j - коэффициент облученности с поверхности (или характерной ее части), имеющей номер i, на поверхность (или характерную ее часть), имеющую номер j; Fi - площадь, м2, поверхности, имеющей номер i.

5.11. Средний коэффициент облученности между двумя поверхностями рассчитывают по формулам:

            (38)

где j1-2 - средний коэффициент облученности поверхности 2 поверхностью 1; j2-1 - средний коэффициент облученности поверхности 1 поверхностью 2; F1, F2 - площади поверхностей 1 и 2, м2; H1-2, H2-1 - средние площади поверхностей взаимооблучения, м2; R - расстояние между элементарными площадками dF1 и dF2, м; b1, b2 - углы к нормалям элементарных площадок dF1 и dF2, рад.

Формула расчета H1-2 двух поверхностей, расположенных в перпендикулярных плоскостях, имеет вид

  (39)

а двух поверхностей, расположенных в параллельных плоскостях,

(40)

где

В качестве координат вершин двух поверхностей, расположенных в перпендикулярных плоскостях в правой координатной системе ХУZ, приняты: для первой плоскости a1 и a2 - абсциссы, С1 и С2 - ординаты; для второй b1 и b2 - абсциссы, d1 и d2 - ординаты. Соответственно для двух поверхностей, расположенных в параллельных плоскостях: для первой плоскости C1 и С2 - абсциссы, a1 и а2 - ординаты; для второй d1 и d2 - абсциссы, b1 и b2 - ординаты.

5.12. Коротковолновое излучение на поверхность i (или характерную ее часть) рассчитывается как сумма потока коротковолновой радиации Ji, падающей на поверхность i непосредственно от источника, и потоков коротковолновой радиации Ei, отраженной от других поверхностей в помещении. Суммарная коротковолновая радиация, падающая на поверхность i, отраженная от других поверхностей:

                                             (41)

Значения Ei рассчитывают путем решения системы уравнений (41).

Расчет упрощается, если воспользоваться дельтой Кронекера. Перепишем формулу (41) так:

                                                       (42)

hij = dij - riji-j,

где dij - дельта Кронекера, равная 1, когда i = j, и равная 0, когда i ¹ j;

В матричной форме последнее уравнение записывается

[h][E] = [W].                                                          (43)

Отсюда Ei рассчитывают вычислением обратной матрицы:

[E] = [h]-1[W].                                                          (44)

В результате радиационный баланс поверхности i для коротковолновой радиации описывается формулой

                                             (45)

5.13. При определении математической модели теплопередачи через ограждающую конструкцию предполагается, что:

теплотехнические характеристики материалов слоев зависят от влажности и температуры материала;

влияние откосов оконного проема, стыков, наружных углов, теплопроводных включений на деформацию температурного поля ограждения корректируется с помощью введения эквивалентных теплотехнических показателей, так что температурное поле конструкции можно считать одномерным;

теплопередача через конструкцию происходит за счет теплопроводности и фильтрации воздуха;

имеют место потери (выделенная) тепла, связанные с замерзанием (таянием) влаги в материале.

С учетом принятых допущений уравнение теплопроводности для конструкции записывается в следующем виде:

                                    (46)

где

                                      (47),

t* - температура фазового перехода вода - лед, °С; L - льдистость материала, доли единицы; w - весовая влажность материала, доли единицы; rв - плотность воды, кг/м3; i - удельная теплота фазового перехода, Вт×ч/кг; d(x-t*) - дельта-функция Дирака; jф - расход воздуха через единицу поверхности ограждения, кг/м2×ч; Qист - удельная мощность тепла в ограждении, Вт/м3; св - удельная теплоемкость воздуха, Вт×ч(кг×°С); с, g - соответственно удельная теплоемкость в Вт×ч/(кг×°С) и плотность материалов слоев ограждения в кг/м3, при этом: cg = cт(y)gт(y) при t ³ t* и cg = cм(y)gм(у) при t < t*;

                             (48)

с1g1 - произведение удельной теплоемкости материала слоя, Вт×ч/(кг×°С), на его плотность, кг/м3, (i = 1, 2, …, n); li - коэффициент теплопроводности материала слоя ограждения, Вт/(м×°С), (i = 1, 2, …, п); d = dп - толщина ограждения, м; di - расстояние от наружной поверхности ограждения до конца i-го слоя, м (i = 1, 2, …, n).

При выводе уравнения (46) был использован метод математического описания задач Стефана, заключающийся в том, что границы раздела фаз (вода - лед) не выделяются в отдельное граничное условие, а включаются в уравнение теплопроводности.

Температурное поле многослойного ограждения, имеющего замкнутые воздушные прослойки, описываются также уравнением, эквивалентным (46). При этом сg - объемная теплоемкость воздуха, а значение коэффициента теплопроводности определяется по формуле lэк = d/r, где d - толщина прослойки, м; r - термическое сопротивление воздушной прослойки с учетом конвективного и лучистого теплообмена, м2×°С/Вт.

5.14. Определение расхода воздуха через единицу поверхности ограждения производят на основе следующих предположений: при расчете давления на наружной поверхности ограждения считают, что к рассматриваемому явлению применим принцип независимости действия сил гравитационного ветрового давления; связь между давлением и температурой определяется уравнением состояния Клайперона; уравнение проводимости воздуха элементом конструкции имеет вид jф,i = kф,i(DP/DP0))1/n, где kф,i - коэффициент воздухопроницаемости элементом конструкции, равный расходу воздуха через единицу площади конструкции при разности давлений DP = DP0, кг/м2×ч; DР - разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающей конструкции, Па; п - показатель степени, устанавливаемый экспериментально. Запишем:

где Мi - расход воздуха через i-ую ограждающую конструкцию.

Подставляя соответствующие выражения в формулу расхода воздуха, получим:

             (49)

где rн - плотность наружного воздуха, кг/м3; vн - скорость ветра, м/с; A(z, у, a) - функция аэродинамических коэффициентов здания; Рп - давление на высоте h, м; Тв - температура воздуха в рабочей зоне помещения, К; В - газовая постоянная для воздуха, Дж/(кг×К); T - температура воздуха, К; g - ускорение свободного падения, м/с2; r - плотность воздуха, кг/м3.

5.15. Граничное условие на внутренней поверхности ограждения включает количество тепла, передаваемого к поверхности теплопроводностью, количества тепла, воспринимаемого поверхностью в результате лучистого и конвективного теплообмена, источники тепла, обусловленные фазовыми переходами, и имеет вид

                                                                                                                                               (50)

где aк - коэффициент конвективного теплообмена между внутренней поверхностью ограждения и омывающим ее воздухом, Вт/(м2×°С); qлуч - поверхностная мощность источников тепла, обусловленных воздействием лучистого теплообмена между внутренней поверхностью ограждения и источниками тепла в помещении, Вт/м2; qфазв - источники тепла на поверхности, обусловленные фазовыми переходами, Вт/м2.

Перепишем последнее уравнение так:

                                          (51)

                                          (52)

             (53)

5.16. Граничное условие на наружной поверхности ограждения включает количество тепла, передаваемого к поверхности теплопроводностью qт, количество тепла, воспринимаемое поверхностью в результате конвективного теплообмена с наружным воздухом qк, лучистого теплообмена с «окружением» qокр, а также источники тепла, обусловленные солнечной радиацией, поглощенной поверхностью qпог, и фазовыми переходами на поверхности qсол.рад.

Величину qк, Вт/м2, рассчитывают по формуле

qк = aк(tн - tн),                                                         (54)

где tн, tн - соответственно температуры наружного воздуха и наружной поверхности ограждения, °С; aк - коэффициент конвективного теплообмена между наружной поверхностью ограждения и омывающим ее потоком воздуха, Вт/(м2×°С).

Величину qк, Вт/м2, рассчитывают по формуле

qокр = C0Eог-зbог-з(tн - tз)jог-з + C0Eог-здbог-зд(tн - tзд)jог-зд + C0Eог-аbог-а(tн - tа)jог-а,      (55)

где Eог-з, Eог-зд, Eог-а - приведенные коэффициенты излучения соответственно между ограждением и поверхностью земли, между ограждением и близ расположенными зданиями и сооружениями, между ограждением и «небом»; jог-з, jог-зд, jог-а - коэффициенты облученности соответственно между ограждением и землей, между ограждением и расположенными вблизи зданиями и сооружениями, между ограждением и «небом»; tз, tзд, tа - температуры соответственно поверхности земли, близ расположенных зданий и сооружений, «неба», °С; bог-з, bог-зд, bог-а - корректирующие коэффициенты; tн - температура наружной поверхности ограждения, °С. При массовых расчетах с целью упрощения рекомендуется принимать:

для холодного периода года

tз = tзд = tа = tа; Eог-з = Eог-зд = Eог-а = 0,85;

jог-з + jог-зд + jог-а = 1; bог-з = bог-зд = bог-а = 0,6;

для теплого периода года

tп = tзд (лучистый теплообмен с близрасположенными зданиями не учитывается)

Eог-з = Eог-а = 0,85.

5.17. Анализ алгоритмов расчета нестационарного теплового режима помещений показывает, что наибольшие затраты машинного времени связаны с решением уравнения теплопроводности для ограждающих конструкций. В случае использования математической модели теплового режима помещения для целей управления граничные условия для ограждающих конструкций содержат параметры климата, изменяющиеся произвольным образом. Это обусловливает применение для решения уравнений теплопроводности ограждающих конструкций численных методов. При этом, несмотря на то, что в общем алгоритме задачи используется только значение температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции и теплового потока, проходящего через нее, происходит решение уравнения теплопроводности для каждого момента времени. В результате затраты машинного времени велики, а получаемая информация используется незначительно. Ниже дается развитие метода «респонс-фактора» для решения уравнения теплопроводности в задачах управления:

                      (56)

с граничными условиями:

                                           (57)

и начальным условием: t(y, 0) = 0 ищется в следующем виде:

                                             (58)

где  - решение уравнения (58) при f(t) = Dк и tн(t) = 0;  - то же, при f(t) = 0 и tн(t) = Dк; Dк - единичный треугольный импульс температуры на поверхности ограждения:

                                       (59)

т - число шагов по времени; b - шаг по времени.

Так как Uк(t, х) = U0(t - кb, х) и Vк(t, х) = V0(t - кb, х), то для построения (58) достаточно знать только решение задачи с треугольным импульсом в начале координат к = 0. Соотношения  и  дают приближенные значения, так как в узловых точках значения этих функций и сумм рядов совпадают, а между узлами имеет место линейная аппроксимация. Поэтому в силу линейности общей задачи ряд (58) есть приближенное решение уравнения (56) с граничными условиями (57). Так как решение непрерывно зависит от граничных условий, то с уменьшением шага по времени приближенное решение будет сколько угодно мало отличаться от точного решения.

Выше дано принципиальное описание метода. Решение задачи при граничных условиях первого рода на внутренней поверхности ограждающей конструкции не является обязательным условием. Аналогичным образом строится решение при других граничных условиях. Однако именно при таких граничных условиях решение наиболее удобно использовать при расчетах теплового режима помещения в задачах управления. Также не является существенным ограничением общности решения задание нулевого начального условия. Предполагается, что нестационарный процесс прослеживается достаточно долго, когда влиянием начальных условий можно пренебречь.

5.18. Величина теплового потока на внутренней поверхности ограждающей конструкции определяется выражением

             (60)

В силу численного характера общего алгоритма расчета используются только дискретные во времени значения теплового потока. Поэтому последнее уравнение представим так:

                                    (61)

где

                                               (62)

По мере роста t (или т) число членов в сумме правой части в (61) возрастает. Вместе с тем {хп} и {Yп} - бесконечно убывающие ряда. Поэтому, задавшись точностью e, с которой необходимо определять тепловой поток, можно с помощью условия

(max½f½)½xп½ + (max½tн½)½YN½= e                                        (63)

ограничить в (61) число членов до N. Одновременно удобно изменить индексацию l = т - к, тогда

                                                       (64)

Теперь первые члены - наиболее существенные в сумме; с ростом их величин сумма убывает.

С учетом последнего уравнения весь алгоритм расчета теплового режима помещения существенно упрощается: подставив (64) в (61) и приняв во внимание, что fк = (кb) и qк = tнb), получим:

       (65)

т.е. удалось избавиться от уравнений в частных производных.

При рассмотрении математической модели конкретного помещения известны теплотехнические показатели ограждений и поэтому ряды {xl} и {Yl} могут быть вычислены заранее. Рассмотрим решение этой задачи, причем в более широких пределах, чтобы им можно было воспользоваться при расчете не только наружных, но и внутренних ограждающих конструкций. Будем искать решение уравнения (56) при условиях:

                           (66)

Комбинируя решение уравнения (56) с граничными условиями (66), можно использовать решение для расчета различных ограждающих конструкций.

Определение функций Xl и Yl представляет интерес не только в отношении построения «быстрого» алгоритма расчета теплового режима помещения. Эти результаты могут быть полезны в экспериментальных исследованиях, когда необходимо измерять нестационарный тепловой поток через ограждающие конструкции. Заранее рассчитав Xl и Yl, можно, измерив температуры поверхностей, по уравнению (64) определить тепловой поток в любой момент времени (в экспериментальном отношении задача измерения температуры существенно более простая, чем измерение теплового потока).

Для решения уравнения (56) с граничными условиями (66) целесообразно воспользоваться интегро-интерполяционным методом. Необходимые для определения Xl и Yl производные от температуры на внутренней границе можно определить с помощью численного дифференцирования, например 2-го порядка точности:

                                               (67)

Для численного метода решения уравнения теплопроводности, исходя из условия точности конечно-разностной схемы, число разбиений i-го слоя ограждающей конструкции можно определять по формуле

                                          (68)

где М - общее число разбиений; N - число слоев конструкции.

Шаг по времени можно определить как

                                                       (69)

а затем его величину округлять, чтобы в половине длины треугольного импульса b улавливалось целое число шагов,

                                                  (70)

Для того чтобы ограничить время счета в случае, если Dt согласно (70) слишком мало, на него накладывается еще одно ограничение.

5.19. Математическая модель теплопередачи через заполнение светового проема включает:

теплопоступления в результате солнечной радиации, поглощаемой заполнением Qпог и непосредственно проникающей в помещение Qскв;

теплопотери вследствие разности температур внутреннего и наружного воздуха Qt;

теплопотери вследствие фильтрации воздуха через притворы и по контуру примыкания заполнения к стене, обусловленные разницей давления и температуры внутри и снаружи здания Qj,ок.

5.20. Сквозные теплопоступления Qскв, Вт, - это теплопоступления непосредственно проникающей через заполнение светового проема солнечной радиации; вычисляются по формуле

Qскв = (JSrоблk1S + JDk1D)(Fок - Fпритв),                                       (71)

где JS, JD - соответственно интенсивность потока прямой и рассеянной солнечной радиации, Вт/м2, падающей на световой проем; rобл - коэффициент облученности светопроема потоком солнечной радиации; k1S - коэффициент сквозных теплопоступлений от прямой солнечной радиации; k1D - коэффициент сквозных теплопоступлений от рассеянной солнечной радиации; Fпритв - площадь притворов, м2. В тепловом балансе помещения сквозные теплопоступления принято учитывать как источники тепла, равномерно распределенные по площади всех внутренних ограждений, мощность которых, Вт/м2, вычисляется по формуле

                                                           (72)

где SQскв - сумма сквозных теплопоступлений через заполнения световых проемов, Вт; SF - площадь поверхности всех внутренних ограждений, включая заполнения световых проемов, м2.

5.21. Поглощенные теплопоступления Qпог, Вт, - это теплопоступления, обусловленные поглощенной окном солнечной радиации и разностью температур наружного и внутреннего воздуха; вычисляются по формуле

Qпог = (JSrоблk2S + JDk2D)(Fок - Fпритв),                                      (73)

где k2S - коэффициент поглощенных теплопоступлений от прямой солнечной радиации; k2D - коэффициент поглощенных теплопоступлений от рассеянной солнечной радиации.

5.22. Теплопотери вследствие разницы температур внутреннего и наружного воздуха Qт, Вт,

                                               (74)

где R0 - сопротивление теплопередаче заполнения светового проема, м2×°С/Вт; tнусл - условная температура наружного воздуха, °С; Fок - площадь заполнения, м2.

В данном случае сопротивление теплопередаче окна R0 следует вычислять с учетом разделения на конвективный и лучистый коэффициенты теплообмена у поверхностей стекол, омываемых наружным и внутренним воздухом.

5.23. Теплопотери вследствие фильтрации воздуха Qj,ок, Вт:

Qj,ок = Свjф.окFок(tв - tн),                                                    (75)

где jф.ок - количество воздуха, проходящего через единицу площади окна, кг/(м2×ч).

Количество воздуха, проходящего через заполнение светового проема, вычисляют по формуле (49).

Если задано количество фильтрующегося воздуха по длине притворов и по периметру примыкания заполнения к стене, то к величине теплопотерь, вычисленных по формуле (75), следует добавить:

Qj,ок = Свjф.окlст(tв - tн),                                                     (76)

где jф.ок - количество воздуха, проходящего через один метр стыкового соединения, кг/(ч×м); lст - протяженность соединений, м.

5.24. По своему влиянию на формирование теплового режима здания оборудование может быть разделено на две группы: «активное» и «пассивное». К первой группе относится оборудование, выделяющее потоки тепла и вещества (например, гальванические ванны, станки, выделяющие тепло при превращении механической энергии в тепловую, промышленные печи и т.д.). «Пассивное» оборудование - это мебель, колонны, масса станков, продукция, например, собранные машины на автомобильных заводах, детали для проведения технологического процесса и т.д.

Как правило, для «активного» оборудования задано количество тепловыделений или оно может быть рассчитано из уравнения теплового баланса поверхности оборудования, представленного в виде

     (77)

где aоб.i - коэффициент конвективного теплообмена между поверхностью оборудования, имеющей номер i, и внутренним воздухом, Вт/(м2×°С); tоб, tв, tj - соответственно температура поверхности оборудования, внутреннего воздуха и «окружающих» поверхностей, °С; Fоб.i, Fоб.j - соответственно поверхности оборудования, которые участвуют в конвективном и лучистом теплообмене, м2; ji-j - коэффициент облученности.

Количество тепловыделений от «активного» оборудования может быть задано в общем виде как функция температуры поверхности оборудования tоб, внутреннего воздуха tв, времени τ и других факторов h:

Qоб = f(tоб, tв, t, h).                                                    (78)

На практике часто встречаются случаи, когда оборудование представляет собой однородные по материалу пластины, преимущественно металлические. Закономерность процесса теплопередачи в таких пластинах может быть приближенно определена из решения уравнения:

                               (79)

где Соб, Gоб - соответственно удельная теплоемкость оборудования Вт×ч/(кг×°С) и масса оборудования, отнесенная к единице площади пола в кг/м2; tоб, tв, tокр - соответственно температура оборудования, внутреннего воздуха и «окружения», °С; aк - коэффициент конвективной теплопередачи оборудования Вт/(м2×°С); aл - коэффициент лучистого теплообмена между оборудованием и «окружением», Вт/(м2×°С).

В этом случае оборудование представляет собой сосредоточенную теплоемкость, повышающую теплоаккумуляционную способность помещения.

Принимая, что tв и tокр на некотором интервале времени постоянны, получим:

                                                (80)

где tоб.нач - начальное значение температуры оборудования, °С; tусл = (aкtв + aлtокр)/(aк + aл); kоб = (aк + aл)/СобGоб - «постоянная времени» для оборудования, 1/ч.

Понятие «постоянной времени» для оборудования получило широкое применение в теории автоматического регулирования.

5.25. Математическая модель теплового режима помещения в наиболее частом случае представляет собой систему двух уравнений: уравнения теплового баланса внутреннего воздуха (81) и уравнения воздушного баланса помещения (82):

где Qк.i - конвективное тепло, передаваемое внутреннему воздуху от внутренних поверхностей ограждений и поверхностей оборудования, смываемых этим воздухом; Qв.j - конвективное тепло, непосредственно передаваемое воздуху помещения, например от калориферов; Мi - потоки воздуха через ограждающие конструкции (эксфильтрация и инфильтрация); Мl - потоки воздуха, непосредственно передаваемые в помещение или удаляемые из него.

5.26. Количество тепла Qотоп, которое необходимо подать в помещение, чтобы обеспечить в нем требуемый тепловой режим, определяется из уравнения теплового баланса:

Qотоп = Qогр + Qф - Qт.в = Q0 - Qт.вQф(m+1)/m - Qт.в,                          (83)

где Qогр - потери тепла через ограждающие конструкции за счет теплопроводности, Вт; Qф - потери тепла за счет инфильтрации, Вт; Qт.в - внутренние тепловыделения, Вт; Q0 - суммарные потери тепла, Вт; m = Qф/Qогр - коэффициент инфильтрации.

Внутренние тепловыделения включают в себя:

Qт.в = Qл + Qоб + Qэл + Qмат + Qс.р + Qтех,                                   (84)

где Q