АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПРОДУКЦИИ КОНКУРЕНТОВ 8
1.1 Постановка задачи 8
1.2 Обзор методов сбережения тепловой энергии в Россиии и мире 8
1.3 Анализ существующих схем теплопотребления зданий 16
1.4 Обзор аналогов тепловых контроллеров 23
1.4.1 Danfoss ECL 210 23
1.4.2 ОВЕН ТРМ1032 25
1.4.3 МЗТА МО8 26
1.4.4 ТРИТОН-001 28
Выводы по главе 1 29
2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ
ОТОПЛЕНИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ 31
2.1 Постановка задачи 31
2.2 Разработка математической модели 32
2.2.1 Математическая модель регулирующего клапана 33
2.2.2 Математическая модель узла смешения 35
2.2.3 Математическая модель здания 36
2.2.4 Математическая модель температурного графика теплосети .. 44
2.3 Постановка задачи оптимизации 46
2.4 Моделирование в Simulink и оптимизация 48
Выводы по главе 2 55
3 РАЗРАБОТКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО КОНТРОЛЛЕРА
СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ 57
3.1 Постановка задачи 57
3.2 Выбор элементов 57
3.2.1 Микроконтроллер 57
3.2.2 Часы реального времени 59
3.2.3 Дисплей 61
3.2.4 Светодиоды 64
3.2.5 USB 65
3.2.6 RS-485 67
3.2.7 Аналого-цифровой преобразователь 68
3.2.8 Электромагнитное реле 69
3.2.9 Симистор 70
3.2.10 Гальваническая развязка 71
3.2.11 Питание 73
3.3 Разработка схемы устройства 75
3.4 Характеристики разработанного теплового контроллера 76
3.5 Разработка схемы беспроводного датчика температуры 77
3.5.1 Микроконтроллер 78
3.5.2 Датчик температуры 79
Выводы по главе 3 83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 84
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 86
ПРИЛОЖЕНИЕ А 95
Перспективным направлением развития технологий энергосбережения в рамках приоритетного направления государственной политики является автоматизация управления теплоснабжением зданий и сооружений [1].
Автоматизация управления теплоснабжением в свою очередь предполагает оборудование каждого здания, подключенного к системам отопления и горячего водоснабжения (ГВС), так называемым индивидуальным тепловым пунктом (ИТП). Регулирующие клапаны, насосы и различные датчики, входящие в состав ИТП, позволяют гибко регулировать отпуск тепла потребителям в зависимости от внешних условий, тем самым минимизируя перерасход тепла при сохранении комфортных условий микроклимата для потребителей.
Сегодня в России имеется огромный потенциал по достижению экономии тепловой энергии за счет установки ИТП. Например, по данным энергоснабжающей организации г. Челябинска на 2021 год только 8% домов города имеют автоматизированные индивидуальные тепловые пункты [2].
Сердцем каждого современного теплового пункта является электронное устройство - тепловой контроллер. Он реализует энергосберегающие алгоритмы, координируя работу исполнительных механизмов на основе показаний с датчиков.
Одной из важных с точки зрения энергопотребления функций теплового контроллера является функция энергосбережения. Она обеспечивает реализацию пониженного энергопотребления здания в ночное время и выходные дни за счет сокращения подачи в них тепловой энергии.
Более детальный анализ реализации данной функции в современных тепловых контроллерах показывает, что у нее имеется существенный потенциал для совершенствования. Переход из ночного режима в дневной (процесс натопа здания) зачастую начинается слишком рано. Это приводит к перерасходу энергии в то время, когда людей в помещении еще нет.
Цель работы: разработка теплового контроллера с функцией оптимизации времени натопа при регулировании температуры помещения по суточному графику.
Задачи работы:
- обзор литературы по программно-аппаратному обеспечению систем управления отопления зданий;
составление математической модели системы отопления;
минимизация энергопотребления процесса натопа системы отопления
при соблюдении качественных показателей микроклимата помещений при различном характере изменений температуры наружного воздуха;
разработка теплового контроллера системы отопления зданий.
Вначале был проведен обзор практик энергосбережения в мире и в России. Для этого были проанализированы нормативные документы, определяющие дальнейшее направление развития методов энергосбережения в мире. На основании анализа данных о потреблении энергии в России был сделан вывод о том, наша страна имеет наиболее высокий потенциал энергосбережения в области тепловой энергетики. Затем были рассмотрены существующие проблемы и возможности реализации потенциала энергосбережения с использованием методов автоматизации.
После этого были проанализированы существующие схемы теплопотребления зданий. При этом были рассмотрены особенности применимости каждого вида схем, их преимущества и недостатки.
Затем был проведен обзор аналогов тепловых контроллеров. Был проанализирован функционал каждого из них. При этом были рассмотрены особенности применимости каждого контроллера, их преимущества и недостатки.
Во второй главе была построена математическая модель системы, состоящая из следующих частей:
- математическая модель клапана;
- математическая модель узла смешения;
- математическая модель здания;
- математическая модель температурного графика теплосети.
На основе построенной математической модели было проведено компьютерное моделирование системы в среде Simulink. Было проанализировано время переходного процесса системы при разных вариантах ее изменения в течение времени натопа.
На основании компьютерного моделирования был разработан метод оптимизации энергопотребления системы отопления в переходном режиме на
основе учета особенностей математической модели системы отопления и внешних факторов.
На основании анализа литературы продукции конкурентов, а также на основе построения математической модели был разработан контроллер системы отопления, удовлетворяющий выдвинутым ранее требованиям к нему.
Кроме того, в дополнение к контроллеру был разработан беспроводной датчик температуры воздуха с энергоэффективным интерфейсом LoRa, который дает возможность реализовать управление по температуре воздуха в помещении.
