При пуске в эксплуатацию новых систем отопления на базе автономных котельных, а также при возобновлении их работы в начале нового отопительного сезона возникает потребность оперативно проверить их работоспособность и установить оптимальный режим эксплуатации. Предлагаемые способы позволяют сделать это быстро и дешево.
Способы базируются на современных технологиях сбора, переноса и хранения информации - однопроводной MicroLAN и беспроводной iButton - и позволяют за счет синхронного измерения температуры одновременно в большом числе точек изучаемых объектов применить для обработки данных совокупность средств регрессионного, корреляционного и спектрального анализов, гарантирующую наиболее достоверное определение температурных характеристик помещений и эффективности работы отопительных систем на основе автономных котельных.
При осуществлении мониторинга автономные термохронные датчики-накопители (iButtons) размещаются на подающей и обратной трубах котельной, радиаторах отопления и внутренних перегородках обследуемых помещений, а также снаружи здания на его северном фасаде. Мониторинг проводится в течение периода времени, определяемого условиями эксплуатации отопительной системы и местными климатическими особенностями (обычно не более 14 суток). Таким образом достигается возможность установления характера связи между температурами подающей трубы и других элементов системы отопления, а также между температурами наружного воздуха и подающей трубы, наружного воздуха и воздуха в помещениях. При этом постулируются несколько принципов:
- В период наблюдения привычные режимы эксплуатации отопительной системы и отапливаемых помещений не подвергаются каким-либо корректировкам. Мониторинг осуществляет лишь регистрацию температур в заданных точках в нормальном режиме эксплуатации (аналог неразрушающего контроля). Исключение составляют режимы определения устойчивости и оптимальной функции регулирования (см. ниже).
- Температурный комфорт помещения оценивается только по температуре воздуха в рабочей (обслуживаемой) зоне, а температура различных участков отопительной системы - по температуре внешних поверхностей трубопроводов этих участков.
- Рассматриваются три пары связанных тепловых процессов (три пары температурно-временных зависимостей): "подающая труба котельной - радиатор отопления", "наружный воздух - воздух в рабочей зоне помещения", наружный воздух - подающая труба котельной". В каждой из этих пар один из процессов полагается порождающим, а второй - зависимым, дочерним. Определяется степень коррелированности этих процессов.
- Вводится понятие идеальной отопительной системы, т. е. системы, в которой корреляция температурно-временной зависимости и спектра температурных колебаний подающей трубы с таковыми для каждого из радиаторов - полная, т. е. коэффициент корреляции равен +1.
- Вводится понятие помещения с идеальной теплоустойчивостью, т. е. помещения, температура воздуха в рабочей (обслуживаемой) зоне которого постоянна и, следовательно, корреляция этой температуры и температуры наружного воздуха, а также спектров их колебаний при работающей системе отопления полностью отсутствует, т. е. коэффициент корреляции равен 0.
- Вводится понятие числа действенных гармоник спектра температурных колебаний, представляющего собой количество гармоник, в котором сосредоточено 90% мощности спектра.
- Отопительная система считается отрегулированной в тепловом и гидравлическом смыслах, если число действенных гармоник в спектрах температурных колебаний любого из ее участков не превосходит числа действенных гармоник в спектре колебаний наружной температуры.
- Качество отопительной системы определяется как числом действенных гармоник, так и степенью скоррелированности температурно-временных зависимостей и их спектров для подающей трубы и любого из периферийных участков системы. Чем ближе коэффициенты корреляции к +1, тем лучше отлажена система.
- Теплоустойчивость отапливаемого помещения при включенной системе отопления оценивается как по величине относительного изменения температтуры воздуха в рабочей (обслуживаемой) зоне за период наблюдения, так и по степени скоррелированности температурно-временных зависимостей и их спектров для воздуха в рабочей зоне и наружного воздуха. Чем ближе оба этих показателя к 0, тем выше теплоустойчивость.
В результате мониторинга удается получить полную картину циркуляции теплоносителя в системе, определить величины запаздывания регулирующих воздействий на любом из ее участков, устойчивость системы к глубоким регулирующим воздействиям, а также определить оптимальную функцию регулирования.
Для выяснения устойчивости отопительной системы к глубоким регулирующим воздействиям последняя переводится в режим нулевой мощности и выдерживается в этом режиме до стабилизации температуры во всех точках системы. Затем мощность скачком поднимается настолько, чтобы повысить температуру теплоносителя на 10 градусов, и опять выдерживается в течение времени стабилизации. Так продолжается до выхода отопительной системы на штатный режим эксплуатации. При этом контролируется запаздывание регулирующих воздействий в различных точках системы и спектральный состав, т. е. склонность к выходу из синхронизма с подающей трубой.
Оптимальная функция регулирования определяется следующим образом. В течение периода наблюдения последовательно в течение промежутков времени, определяемых инерционными свойствами ограждающих конструкций, применяются разные функции регулирования из числа предусмотренных автоматикой котельной. Для каждого из промежутков стандартным образом вычисляются значения коэффициентов корреляции и линейной регрессии, характеризующие степень связи температуры внутри помещений с наружной температурой. В качестве оптимальной выбирается та функция регулирования, при которой корреляция температур помещений с наружной температурой минимальна.
На рисунке приведены примеры спектров температурных колебаний в отрегулированной (слева) и разрегулированной системах отопления. В первом случае число действенных гармоник спектра температурных колебаний отопительной системы равно 6, во втором - 26. Число действенных гармоник спектра колебаний наружной температуры в обоих случаях равно 14. Коэффициенты корреляции спектров температурных колебаний подающей трубы и радиаторов составляли в первом случае ~0.998, а во втором - ~0.388.
Донецкий физико-технический институт НАН Украины,
83114, Донецк, ул. Р.Люксембург, 72.
Тел.: (0622)55-14-33, 99-27-91
Факс: (062)337-90-18
E-mail: karna@dpms.fti.ac.donetsk.ua
Карначёв Александр Сергеевич