Методика расчета энергетических показателей объекта термостатирования при

нагрузок
 
А.К. Савин, студент 4 курса
Н.С. Семёнов, студент 4 курса
И.В. Швецов,

научный руководитель, д.т.н. профессор, заведующий кафедрой энергетики и транспорта, E-mail: Igor.Shvetsov@novsu.ru
 
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
 
Energy performance analysis of the temperature control system of an object with a random principle of thermal perturbations
 
A.K. Savin, 4th year student
N.S. Semenov, 4th year student
I.V. Shvetsov, research supervisor, doctor of technical Sciences, Professor, head of the Department of energy and transport
 
Yaroslav-the-Wise Novgorod State University

объекта со случайным характером тепловых возмущений. Исследуемый объект представляет собой

помещение с ограждающими конструкциями из стеклопластика, внутри которого находится теплогенерирующее оборудование. Теплогенерирующее оборудование, расположенное внутри обслуживаемых помещений, не работает непрерывно. Включение этого оборудования происходит в произвольное время, продолжительность работы и объем тепловыделения также различны. Сделаны выводы о целесообразности использования метода имитационного моделирования при проектировании и разработке таких систем, о возможном повышении их энергоэффективности, а также о снижении капитальных и эксплуатационных затрат.
Ключевые слова: энергетические показатели, тепловая нагрузка, стеклопластик, оборудование


 
Abstract. The application of simulation modeling to the development of a temperature control system for an object with a random nature of thermal perturbations is considered. The object under study is a room with enclosing structures made of fiberglass, inside of which there is heat-generating equipment. Heat-generating equipment located inside the serviced premises does not operate continuously. The inclusion of this equipment occurs at random times, the duration of work and the amount of heat release are also different. Conclusions are drawn about the feasibility of using the simulation method in the design and development of such systems, on the possible increase in their energy efficiency, as well as on the reduction of capital and operating costs.
Keyword: energy indicators, heat load, fiberglass, equipment

атмосферы компоненты, обычно должно работать в определенном диапазоне параметров окружающей

среды, от правильного выбора и реализации которого зависит как возможность нормального функционирования оборудования с обеспечением его проектных рабочих характеристик, так и длительность срока безотказной эксплуатации [1]. Среди таких требований можно выделить требования качества окружающего воздуха, его влажности, температуре, подвижности и прочим параметрам. В ряде случаев для обеспечения требуемых параметров окружающего воздуха необходима разработка сложной и насыщенной оборудованием системы термостатирования, которая должна функционировать круглогодично, оперативно реагируя не только на изменения температуры окружающей среды, солнечного излучения, но и на колебания внутренних тепловыделения от самого оборудования. Немаловажным фактором при этом является обеспечение максимальной энергоэффективности системы термостатирования, эксплуатация которой часто является весьма затратной.
2. Объекты и методы исследования
Разработка и расчет подобной системы – трудоемкий процесс, требующий учета значительного количества факторов, влияющих на ее поведение, а так же учета их взаимного влияния [2, 3], так как именно суммирование и наложение друг на друга пиковых нагрузок чаще всего принимается за основной расчетный режим работы системы термостатирования. Для исследования сложных систем с большим количеством переменных целесообразно использовать имитационное моделирование. Далее на примере имитационной модели системы термостатирования объекта с большим количеством нестационарных внешних и внутренних параметров, созданной в программе AnyLogic, будет рассмотрен наиболее близкий к реальности годовой цикл ее работы. В рамках данной модели система рассматривается как система с сосредоточенными параметрами. Совместное действие различного рода факторов, влияющих на работу системы термостатирования, иногда ставит перед ней достаточно неожиданные задачи, которые не всегда могут быть учтены при традиционных методах проектирования, однако именно их учет позволяет получить наиболее сбалансированную и стабильно работающую систему.
Рассматриваемый объект представляет замкнутый объем, внутри которого расположено периодически включаемое оборудование, выделяющее при работе значительное количество теплоты (20-30 кВт). Оболочка объекта состоит из стекловолокна толщиной около 30 мм. Объект находится на открытом воздухе в городе Санкт-Петербург. Допустимые параметры окружающей среды внутри оболочки для нормального функционирования оборудования: температура воздуха от +5 до +45 ºС, относительная влажность не более 70%, полное отсутствие капельной влаги, что вызывает необходимость термостатирования. Воздушная система термостатирования внутреннего объема объекта организована по принципу 100% рециркуляции. Система подготовки воздуха, обрабатывающая его перед подачей в обслуживаемый объем, позволяет сначала осушить его до точки росы около + 5 °С и далее нагреть до необходимой температуры. Принципиальная схема рассматриваемого объекта приведена на рис. 1

использованы статистические климатические данные для Великого Новгорода, которые были зафиксированы

в течение 2016 года ежесуточно с шагом 3 часа. Из всего массива метеорологических данных для разработки имитационной модели были использованы следующие параметры наружного воздуха, оказывающие наибольшее влияние на систему термостатирования:
температура наружного воздуха – для расчета теплопритоков из окружающей среды;
скорость ветра – для расчета коэффициента теплоотдачи от ограждений к наружному воздуху;
облачность – для расчета солнечной радиации на стенку объекта.
Дополнительно к этим данным для расчета теплопоступлений в объект от солнечной радиации был добавлен параметр суммарной (прямой и рассеянной) среднесуточной плотности потока солнечного излучения для каждого месяца года с учетом длительности светового дня [4].
В соответствии с распределением Симпсона изменялись следующие параметры:
периодичность включения оборудования: принято, что оборудование включается от 1 до 2 раз в месяц, наиболее вероятно 1 раз в месяц;
длительность работы оборудования: в случае его включения она составляет от 24 до 48 часов, наиболее вероятно 24 часа;
тепловыделения от оборудования составляют от 20 до 30 кВт, наиболее вероятно 25 кВт.
Алгоритм работы системы термостатирования предполагает четыре режима ее функционирования: два для теплого времени года (при температуре наружного воздуха более +15 ºС) и два для холодного времени года (температура наружного воздуха менее +15 ºС). Из двух режимов, возможных в определенный период года, один реализуется, когда оборудование внутри объекта выключено, другой – когда оно включено. Укрупненный вариант алгоритма представлен на рис. 2.

в рамках данной статьи годовых графиков изменения температур и энергетических

характеристик системы (из-за их большого размера и насыщенности), для демонстрации работы имитационной модели приведены графики для трех дней теплого и трех дней холодного периода года.
Моделирование работы системы в холодный период года. Двумя основными задачами, которые должен был решить разрабатываемый алгоритм работы системы термостатирования в холодный период года, являлись обеспечение полного отсутствия капельной влаги во внутреннем объеме объекта и повышение ее энергоэффективности. Так как система подготовки воздуха для объекта (в данной статье не рассматривается) предполагает его осушение до точки росы +5 ºС с последующим нагревом до необходимой температуры, то для реализации условия полного отсутствия конденсации влаги в объекте необходимо поддерживать температуру всех его поверхностей на уровне выше +5 ºС. Самой холодной поверхностью объекта, на которой может образовываться капельная влага из воздуха, является внутренняя поверхность его оболочки, поэтому в холодный период года необходимо поддерживать температуру данной поверхности выше температуры точки росы обдувающего ее воздуха. Подача воздуха на внутреннюю поверхность оболочки объекта не всегда может быть обеспечена с достаточной равномерностью [5], поэтому для гарантированного предотвращения конденсации влаги температура внутренней поверхности оболочки объекта была задана равной +15 ºС, то есть выше точки росы приточного воздуха на 10 ºС. Кроме неравномерности обдува внутренней поверхности оболочки приточным воздухом, это позволяло нивелировать влияние таких факторов как неравномерность ветровой нагрузки, действующей на объект снаружи и неизотермичность струи приточного воздуха, распространяющейся вдоль внутренней стенки объекта.

имитационное моделирование, выделяемое тепло вызывает значительный нагрев внутреннего объема. Данное

обстоятельство позволяет использовать избыток теплоты для его отопления и не тратить дополнительную энергию на нагрев приточного воздуха. При этом целесообразно перевести систему термостатирования из режима поддержания температуры стенки на уровне +15 ºС в режим поддержания максимально допустимой температуры воздуха во внутреннем объеме объекта, которая по условиям технического задания должна быть не выше +45 ºС. Ввиду неравномерности температурного поля внутри обрасчетную принята температура воздуха +40 ºС. Вышеописанный алгоритм работы системы задействован при температуре наружного воздуха ниже +15 ºС.
Моделирование работы системы в теплый период года. При безусловной необходимости удержания температуры внутреннего объема в заданных пределах, управление работой системы термостатирования объекта в теплый период года ориентировано, в том числе, на минимизацию энергетических затрат на поддержание требуемых параметров. Поддержание температуры стенки оболочки, на котором был сделан акцент в алгоритме работы системы в холодный период года, в данном случае не имеет никакого значения, так как включение алгоритма функционирования системы для теплого периода года происходит лишь при условии достижения температурой окружающей среды значения +15 ºС и более.
В обычном режиме при выключенном тепловыделяющем оборудовании температура приточного воздуха принимается равной температуре воздуха окружающей среды. Данное условие позволяет значительно сократить теплообмен внутреннего объема объекта с окружающей средой, и минимизировать количество искусственно получаемого холода, необходимого для охлаждения приточного воздуха перед последующей его подачей в обслуживаемый объем (система принята полностью рециркуляционной).
При включенном тепловыделяющем оборудовании система термостатирования в любой период года поддерживает во внутреннем объеме объекта температуру на уровне +40 ºС. Данное обстоятельство позволяет увеличить отток избыточного тепла в окружающую среду за счет поддержания максимально возможной разности температур снаружи и внутри объекта, а так же минимизировать мощность, затрачиваемую на охлаждение рециркуляционного воздуха перед последующей его подачей в обслуживаемый объем при сохранении требуемых исходными данными температур.

что моделируемая система во всем диапазоне температур наружного воздуха, находясь

под действием солнечной радиации, а также внутренних тепловых нагрузок, возникновение которых носит случайный характер, обеспечивает требуемый тепловой режим внутри объекта, сохраняя при этом высокий уровень энергоэффективности.
В холодный период года при выключенном тепловыделяющем оборудовании минимизация затрат на нагрев приточного воздуха достигается за счет поддержания его температуры на минимально допустимом уровне, позволяющем предотвратить конденсацию влаги на внутренней поверхности оболочки.
В случае внезапного включения тепловыделяющего оборудования в холодный период года необходимость в подогреве приточного воздуха системой термостатирования полностью отпадает, и, наоборот, появляется потребность в его охлаждении, что сравнительно просто реализуется за использования низкотемпературного потенциала наружного воздуха.

Литературные источники
1. Быков В.Я., Ильин Г.Н. Многоканальная цифровая система термостатирования элементов радиометрического блока. Труды Института прикладной астрономии РАН. / Труды Института прикладной астрономии РАН. – 2010. №. 21, 288-293.
2. Марьясин О. Ю., Огарков А. А. Имитационное моделирование и оптимизация энергопотребления офисного здания. Теория и практика имитационного моделирования. Теория и практика. – 2017. - С. 480-484.
3. Шон Д. и др. CFD-моделирование снижения температуры воздуха и воздушного потока, вызванного использованием охлажденных стеновых панелей, основанных на биологических принципах полос зебры //Архитектурное научное обозрение. – 2017. – Т. 60. – №. 6. – С. 507-515.
4. Свод правил СП131.13330.2012. Строительная климатология. Актуализированная редакция. СНиП 23-01-99* / / Москва.: НИИСФ РААСН. – 2012.
5. Лепеш Г.В., Спроге Г.А., Однодворец Ю.В. Имитационное моделирование дифференцированного обогрева вентилируемого помещения комплексом современных отопительных приборов. ТТПС. 2015. №1 (31).
 
Рецензент: Швецов Игорь Васильевич, научный руководитель, д.т.н. профессор, заведующий кафедрой энергетики и транспорта, E-mail: Igor.Shvetsov@novsu.ru