Анализ систем отопления, вентиляции и кондиционирования как объекта управления

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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