RU2260201C2 - Способ оптимального управления тепловым режимом в помещениях зданий и сооружений - Google Patents

Способ оптимального управления тепловым режимом в помещениях зданий и сооружений Download PDF

Info

Publication number
RU2260201C2
RU2260201C2 RU2003128401/09A RU2003128401A RU2260201C2 RU 2260201 C2 RU2260201 C2 RU 2260201C2 RU 2003128401/09 A RU2003128401/09 A RU 2003128401/09A RU 2003128401 A RU2003128401 A RU 2003128401A RU 2260201 C2 RU2260201 C2 RU 2260201C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
systems
temperature
cur
control action
control
Prior art date
Application number
RU2003128401/09A
Other languages
English (en)
Inventor
В.В. Гинзбург (RU)
В.В. Гинзбург
Original Assignee
Гинзбург Виталий Вениаминович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Гинзбург Виталий Вениаминович filed Critical Гинзбург Виталий Вениаминович
Priority to RU2003128401/09A priority Critical patent/RU2260201C2/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2260201C2 publication Critical patent/RU2260201C2/ru

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/17—District heating

Landscapes

  • Air Conditioning Control Device (AREA)

Abstract

Изобретение относится к теплотехнике и касается способа оптимального регулирования температуры в помещении, обеспечивающего заданную температуру воздуха при минимальных затратах на потребляемую энергию. В условиях эксплуатации современных зданий и сооружений, характеризующейся одновременным использованием широкого спектра различных систем отопления, вентиляции и кондиционирования, технический результат изобретения заключается в экономии совокупных затрат на терморегулирование за счет снижения энергопотребления и выбора более дешевого источника. Технический результат достигается тем, что сформированное на основе решения задачи синтеза оптимального управления с обратной связью по интегральному квадратичному критерию, включающему как величину отклонения реальной температуры в помещении от установочной, так и энергозатраты на поддержание заданного температурного режима, управляющее воздействие на исполнительные системы распределяют между исполнительными системами из условия получения необходимой мощности при минимуме затрат на потребление энергии этими системами с учетом стоимости энергии для каждой из них. 1 ил.

Description

Изобретение относится к теплотехнике и касается способа оптимального регулирования температуры в помещении, обеспечивающего заданную температуру воздуха при минимальных затратах на потребляемую энергию.
Эксплуатация современных зданий и сооружений характеризуется одновременным использованием широкого спектра различных автономных систем отопления, вентиляции и кондиционирования. Как правило, каждая из установленных систем имеет свою систему управления. Например, в помещении установлены радиаторы водяного отопления, приточно-вытяжная вентиляция и сплит-система кондиционирования. Радиаторы управляются механическим терморегулятором, имеющим свою заданную температуру и гистерезис. Система вентиляции имеет постоянную производительность и может быть либо включена, либо выключена. Сплит-система кондиционирования имеет свой терморегулятор со своей заданной температурой и гистерезисом. Механический терморегулятор, терморегулятор кондиционера и устройство управления вентиляцией не имеют связи и управление этими системами осуществляется независимо друг от друга. Так как заданная температура механического терморегулятора и заданная температура терморегулятора кондиционера независимы, то в случае превышения заданной температуры механического терморегулятора над заданной температурой терморегулятора кондиционера отопление и кондиционирование будут работать друг против друга. При этом менее мощное устройство будет работать постоянно, а более мощное либо постоянно, либо прерывисто. Подобное терморегулирование крайне неэффективно, так как необходимые затраты энергии складываются из энергии, необходимой для обогрева или охлаждения помещения, и энергии, необходимой для противодействия систем отопления и кондиционирования.
Описанная выше ситуация характерна также для многих других сочетаний систем отопления, вентиляции и кондиционирования, таких как теплые полы, воздушное отопление, прямое электрическое отопление, фэнкойлы, кондиционеры с тепловыми насосами и т.д. Причина - неэффективное управление при совместной работе этих систем.
Кроме того, различные системы, отапливающие или охлаждающие помещение, имеют различную производительность и удельную стоимость тепловой энергии, зависящие от внешних факторов. Так, например, при определенных соотношениях между температурой в помещении и температурой наружного воздуха вентиляция оказывается энергетически более выгодной, чем кондиционирование.
Таким образом, с целью экономии затрат на энергопотребление в рамках концепции интеллектуального здания возникает необходимость интегрированного подхода к управлению температурным режимом в помещении.
Известен способ энергосберегающего управления тепловым режимом помещений, заключающийся в том что осуществляют замер температуры воздуха в помещении, сравнивают ее с установочной температурой для данного помещения и по наличию разницы между температурами воздуха в помещении и установочной температурой осуществляют изменение параметров работы расположенных в помещении агрегатов формирования микроклимата до исключения разницы между установочной температурой и температурой воздуха в помещении, а при отсутствии разницы между установочной температурой и температурой воздуха в помещении осуществляют отключение агрегатов формирования микроклимата с последующим их включением при появлении указанной разницы (US, пат. №4700887, F 24 F 7/00, опубл. 20.10.1987). Известна также энергосберегающая система терморегулирования, содержащая в качестве одной из составных частей блок синтеза оптимального управления (RU, патент №2128357, G 05 B 13/00, опубл. 27.03.1999).
Недостатком указанных изобретений является то, что в процессе терморегулирования не учитывается различие в стоимости энергии для различных исполнительных систем.
В рамках настоящего изобретения рассматривается способ управления тепловым режимом объекта, представляющего собой помещение, содержащее стационарные и/или нестационарные источники тепла и оснащенное рядом исполнительных систем терморегулирования - системами отопления в количестве
Figure 00000002
и системами охлаждения в количестве
Figure 00000003
.
Изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению заданной температуры воздуха в помещении при минимальных затратах на потребляемую энергию.
Достигаемый при этом технический результат заключается в экономии общего энергопотребления и, как следствие, снижении нагрузки на окружающую среду; экономии совокупных затрат на отопление, вентиляцию и кондиционирование помещений за счет снижения энергопотребления, выбора более дешевого источника.
Указанный технический результат достигается тем, что периодически через заданный интервал времени τu осуществляется замер температуры воздуха внутри помещения и в текущий момент времени выработки управляющего воздействия tcur на основе информации о температуре в помещении в данный момент T(tcur) и о величине установочной температуры в помещении Тset рассчитывается текущее отклонение температуры от установочной
X(tcur)=T(tcur)-Tset; (1)
по величинам текущего отклонения температуры от установочной X(tcur), отклонения температуры от установочно в предыдущий момент выработки управляющего воздействия X(tprev) (где tprev=tcur-τu) и величине управляющего воздействия в предыдущий момент выработки управляющего воздействия U(tprev) идентифицируется приведенная величина возмущающей тепловой нагрузки в помещении:
Figure 00000004
(где a=-A/(CV·V), b=1/(Cv·V),CV - объемная теплоемкость воздуха, V - объем помещения, А - приведенный коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции), и на основе решения задачи синтеза оптимального управления с обратной связью по интегральному квадратичному критерию, включающему как величину отклонения реальной температуры в помещении от установочной, так и энергозатраты на поддержание заданного температурного режима, рассчитывается величина суммарного управляющего воздействия U, которое необходимо обеспечить на временном интервале (tcur, tcur+τu), распределив его оптимальным образом между соответствующими устройствами:
Figure 00000005
(где
Figure 00000006
,
Figure 00000007
, r, q - задаваемые пользователем коэффициенты, характеризующие качество управления и энергопотребление соответственно).
Оптимальное распределение подачи тепла (если U>0) или отвода тепла (подачи холода) (если U<0) между исполнительными системами осуществляется из условия минимизации затрат на потребляемую энергию с учетом того, что затраты на потребление энергии различными системами не постоянны, а могут зависеть от различных факторов (время суток, температура окружающей среды и др.). В случае U>0 (требуется обогрев помещения) в рассмотрение принимаются только нагревательные системы
Figure 00000008
, в то время как управляющие воздействия, подаваемые на охлаждающие системы, полагаются равными нулю
Figure 00000009
. В случае U<0 (требуется охлаждение помещения) в рассмотрение принимаются только охлаждающие системы
Figure 00000010
в то время как управляющие воздействия, подаваемые на нагревательные системы, полагаются равными нулю
Figure 00000011
. Таким образом исключается возможность противодействия систем отопления и охлаждения.
С целью оптимального распределения вклада различных исполнительных систем в суммарное управляющее воздействие в текущий момент выработки управляющего воздействия на основе информации о стоимости единицы управления (тепловой энергии) wi для каждой из систем
Figure 00000012
производится упорядочивание исполнительных систем по возрастанию wi, так что в результате w1≤w2≤...≤wN. Далее полагается i=1 и проверяется выполнение неравенства
Figure 00000013
(где Р1 - максимальная выходная мощность 1-ой системы). Если неравенство выполнено (т.е. мощности первой системы достаточно для формирования суммарного управляющего воздействия), то полагается U1=U, Uj=0,
Figure 00000014
, т.е. управляющее воздействие на все системы, кроме первой, равны нулю. При этом в случае дискретного управляющего воздействия для 1-й системы (система может быть или включена или выключена) производится расчет времени ее включения на временном интервале (tcur,tcur+τu) по формуле
Figure 00000015
. В случае непрерывного управляющего воздействия управляющий орган данной системы в текущий момент времени tcur переводится в положение, обеспечивающее выходную мощность системы, равную U1, и удерживается в этом положении в течение временного интервала (tcur,tcur+τu). Если неравенство
Figure 00000016
не выполнено (т.е. мощности первой системы недостаточно для формирования суммарного управляющего воздействия), то при i<N полагается i=i+1 и процесс повторяется. При этом для текущего значения i производится следующая последовательность операций. Проверяется выполнение неравенства
Figure 00000017
(где Рj - максимальная выходная мощность j-й системы). Если неравенство выполнено (т.е. суммарной мощности первых i систем достаточно для формирования суммарного управляющего воздействия), то полагается
Figure 00000018
,
Figure 00000019
,
Figure 00000020
,
Figure 00000021
, т.е. системы, стоимость единицы производимой энергии которых ниже w1, работают на полную мощность, а управляющие воздействия на все системы, стоимость единицы производимой энергии которых выше wi, равны нулю. При этом в случае дискретного управляющего воздействия для i-й системы (система может быть или включена или выключена) производится расчет времени ее включения на временном интервале (tcur,tcur+τu) по формуле
Figure 00000022
. В случае непрерывного управляющего воздействия управляющий орган данной системы в текущий момент времени tcur переводится в положение, обеспечивающее выходную мощность системы, равную U1, и удерживается в этом положении в течение временного интервала (tcur,tcur+τu). Если неравенство
Figure 00000017
не выполнено (т.е. общей мощности первых i систем недостаточно для формирования суммарного управляющего воздействия), то в случае i=N полагается
Figure 00000023
(т.е. все системы работают на полную мощность), а в случае i<N полагается i=i+1 и процесс повторяется.
Указанные признаки являются существенными с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого результата.
Описанный выше процесс оптимального распределения суммарного управляющего воздействия между исполнительными системами, упорядоченными в порядке возрастания стоимости единицы тепловой энергии w1<w2≤...wN, иллюстрируется прилагаемой блок-схемой 1.
Реализация предлагаемого способа осуществляется с использованием как минимум одного логического программируемого контроллера с устройством ввода информации о регулируемом объекте, исполнительных системах и величине установочной температуры, и, как минимум, одного датчика температуры. При этом возможно дистанционное автоматическое управление, а также мониторинг оборудования и состояния систем.
Одним из конкретных вариантов реализации предлагаемого способа является его применение к объекту, представляющему собой помещение, содержащее стационарные и/или нестационарные источники тепла и оснащенное следующими исполнительными системами терморегулирования - радиаторами водяного отопления, приточно-вытяжной вентиляцией и сплит-системой кондиционирования. Система вентиляции имеет постоянную производительность и может быть либо включена, либо выключена. Сплит-система может работать в режиме охлаждения и в режиме обогрева, имеет постоянную производительность в каждом из режимов и может находиться в одном из трех состояний (включена в режиме охлаждения, включена в режиме обогрева, выключена). Производительность радиаторов водяного отопления регулируется изменением расхода теплоносителя.
При этом после расчета оптимального управляющего воздействия по формулам (1)-(3) осуществляется оптимальное распределение подачи тепла (если U>0) или отвода тепла (подачи холода) (если U<0) между исполнительными системами из условия минимизации затрат на потребляемую энергию с учетом того, что затраты на потребление энергии различными системами не постоянны, а могут зависеть от различных факторов (время суток, температура окружающей среды и др.). В случае U>0 (требуется обогрев помещения) время работы приточной вентиляции устанавливается исходя из минимальных санитарных норм подачи свежего воздуха в данное помещение, т.е. время включения вентилятора на временном интервале (tcur,tcur+τu) определяется по формуле
Figure 00000024
, где Gn - санитарная норма подачи воздуха, Gf - производительность вентилятора. При этом возможность работы сплит-системы в режиме охлаждения на временном интервале (tcur,tcur+τu) исключается. В рассмотрение принимаются только нагревательные системы (радиаторы водяного отопления и сплит-система в режиме обогрева).
С целью оптимального распределения вклада этих систем в суммарное управляющее воздействие в текущий момент выработки управляющего воздействия на основе информации о стоимости единицы управления (тепловой энергии) wh для водяного отопления и wc для сплит-системы производится упорядочивание систем по возрастанию wi, так что в результате w1≤w2 (т.е. при wh≥wc полагается w1=wh, w2=wc, а при wh>wc полагается w1,=wc, w2=wh). Далее проверяется выполнение неравенства U≤Р1, (где P1 - максимальная выходная мощность 1-й системы). Если неравенство выполнено (т.е. мощности первой системы достаточно для формирования суммарного управляющего воздействия), то полагается U1=U, U2=0, т.е. управляющее воздействие на вторую систему равно нулю. При этом в случае дискретного управляющего воздействия для 1-й системы (в случае если первой системой является сплит-система) производится расчет времени ее включения на временном интервале (tcur,tcur+τu) по формуле
Figure 00000025
. В случае непрерывного управляющего воздействия (в случае если первой системой является радиатор водяного отопления) управляющий орган данного устройства в текущий момент времени tcur переводится в положение, обеспечивающее выходную мощность радиатора, равную U1, и удерживается в этом положении в течение временного интервала (tcur,tcur+τu). Если неравенство U≤Р1 не выполнено (т.е. мощности первой системы недостаточно для формирования суммарного управляющего воздействия), то проверяется выполнение неравенства U≤P1+P2 (где Р2 - максимальная выходная мощность 2-ой системы). Если неравенство выполнено (т.е. суммарной мощности обеих систем достаточно для формирования суммарного управляющего воздействия), то полагается U1=р1, U2=U-P1. При этом в случае дискретного управляющего воздействия для соответствующей системы (если ею является сплит-система) производится расчет времени ее включения на временном интервале (tcur,tcur+τu) по формуле
Figure 00000026
. В случае непрерывного управляющего воздействия (для радиатора водяного отопления) управляющий орган данной системы в текущий момент времени tcur переводится в положение, обеспечивающее выходную мощность системы, равную Ui, и удерживается в этом положении в течение временного интервала (tcur,tcur+τu). Если неравенство U≤P1+P2 не выполнено (т.е. суммарной мощности обеих систем недостаточно для формирования суммарного управляющего воздействия), то полагается U1=Р1, U2=Р2 (т.е. обе системы работают на полную мощность).
В случае U<0 (требуется охлаждение помещения) управляющие воздействия, подаваемые на нагревательные системы (радиатор водяного отопления и сплит-система в режиме обогрева), полагаются равными нулю.
Производится измерение температуры наружного воздуха Тe в зоне его забора вентиляционной установкой. Если температура наружного воздуха равна или превышает установочную температуру Te≥ Тset, то подача приточного воздуха определяется исходя из минимальных санитарных норм подачи свежего воздуха в данное помещение, т.е. время включения вентилятора на временном интервале (tcur,tcur+τu) определяется по формуле
Figure 00000024
. Охлаждение помещения осуществляется сплит-системой кондиционирования. При этом если
Figure 00000027
(где Р - максимальная выходная мощность сплит-системы кондиционирования в режиме охлаждения), расчет времени включения
устройства на временном интервале (tcur,tcur+τu) производится по формуле
Figure 00000028
.
Если
Figure 00000029
то полагается τc=τu.
Если температура наружного воздуха меньше установочной Te<Tset, то приоритет в охлаждении отдается приточной вентиляции. В случае, если
Figure 00000030
(где С - теплоемкость воздуха), время работы сплит-системы в режиме охлаждения на временном интервале (tcur,t cur +τu) полагается равным нулю, а время работы вентиляции
на этом интервале определяется по формуле:
Figure 00000031
Если при этом
Figure 00000024
, т.е. количество подаваемого за время τf свежего воздуха ниже определенного санитарными нормами для данного помещения, то полагается
Figure 00000024
. В случае, если
Figure 00000032
(т.е. мощности вентиляционной установки недостаточно для формирования управляющего воздействия), время работы вентилятора τf на временном интервале (tcur,t cur+τu) полагается равным τu, а время работы сплит-системы в режиме охлаждения на этом интервале вычисляется по формуле
Figure 00000033
. При этом если полученное значение τc оказывается большим τu (т.е. суммарной мощности обеих систем недостаточно для формирования управляющего воздействия), то полагается τc=τu.
Эффективность предлагаемого способа терморегулирования была подтверждена экспериментально. Оптимальный регулятор сравнивался с комплексом индивидуальных терморегуляторов для систем отопления, вентиляции и кондиционирования при различных климатических условиях в летний, переходный и отопительный периоды. Эффективность оптимального регулятора в зависимости от сезона составляла от 4% до 60% по сравнению с комплексом индивидуальных терморегуляторов для систем отопления, вентиляции и кондиционирования. Среднегодовая эффективность предлагаемого способа терморегулирования составила 15-25%.

Claims (1)

  1. Способ оптимального управления тепловым режимом в помещениях зданий и сооружений, содержащих стационарные и/или нестационарные источники тепла и снабженных несколькими исполнительными системами терморегулирования, характеризующийся тем, что формируют периодически через заданный интервал времени управляющее воздействие на исполнительные системы в соответствии с величиной отклонения температуры в помещении от установочной в текущий момент времени, а также с величиной возмущающей тепловой нагрузки, которую вычисляют на основе величин отклонений температур в помещении в текущий и предшествующий моменты времени от установочной и на основе величины управляющего воздействия, сформированного в предшествующий момент времени, распределяют управляющее воздействие между исполнительными системами из условия получения необходимой мощности при минимуме затрат на потребление энергии этими системами с учетом стоимости энергии для каждой исполнительной системы в текущий момент времени.
RU2003128401/09A 2003-09-23 2003-09-23 Способ оптимального управления тепловым режимом в помещениях зданий и сооружений RU2260201C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003128401/09A RU2260201C2 (ru) 2003-09-23 2003-09-23 Способ оптимального управления тепловым режимом в помещениях зданий и сооружений

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003128401/09A RU2260201C2 (ru) 2003-09-23 2003-09-23 Способ оптимального управления тепловым режимом в помещениях зданий и сооружений

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2260201C2 true RU2260201C2 (ru) 2005-09-10

Family

ID=35847984

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003128401/09A RU2260201C2 (ru) 2003-09-23 2003-09-23 Способ оптимального управления тепловым режимом в помещениях зданий и сооружений

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2260201C2 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2651943C2 (ru) * 2015-12-11 2018-04-24 Сяоми Инк. Способ и устройство для управления интеллектуальным устройством

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2651943C2 (ru) * 2015-12-11 2018-04-24 Сяоми Инк. Способ и устройство для управления интеллектуальным устройством

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11662113B2 (en) Building cooling systems with energy optimization and model predictive control
EP1387988B1 (en) Air-conditioning system
Yang et al. Optimal control strategy for HVAC system in building energy management
US20080277488A1 (en) Method for Controlling HVAC Systems
AU2002310859A1 (en) Air-conditioning system
RU2655154C2 (ru) Способ регулирования заданного значения температуры теплопередающей среды
CN112747419B (zh) 中央空调风水联动控制方法、装置、设备及存储介质
JP2011043306A (ja) 省エネ空調制御システム
CN108613326B (zh) 空调系统及其智能调节控制方法、装置、计算机设备
US9816721B2 (en) System and method for optimizing energy consumption in an HVAC unit by minimizing chiller activity
CN112577088A (zh) 地热供暖控制方法及系统
KR101571806B1 (ko) 공기조화시스템의 무인 최적제어 방법
JP4178786B2 (ja) 空調・熱源設備最適抑制制御システム
Himpe et al. GEOTABS concept and design: state-of-the-art, challenges and solutions
Yang et al. Control strategy optimization for energy efficiency and comfort management in HVAC systems
JP4446244B2 (ja) マルチエアコンの省エネ制御システム
RU2260201C2 (ru) Способ оптимального управления тепловым режимом в помещениях зданий и сооружений
JP4181362B2 (ja) 空調システムの最適起動制御装置
CN103676812B (zh) 一种室内环境的控制方法和装置
JP5062555B2 (ja) 省エネ空調制御システム
WO2014148165A1 (ja) エネルギーネットワークの運転制御方法および装置
JPS6338855A (ja) 蓄熱槽の温度制御方法
CN114061112B (zh) 空调系统及其控制方法
EP4086724B1 (en) Control of cooling and/or of heating
EP0101118A2 (en) Method of heating buildings, houses or similar spaces to be heated

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20050924

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170924