probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2019-21-3-73-85probener-1059Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGМатематическое моделирование режимов прогнозного и дежурного отопленияMathematical modeling of the forecast and standby heating modesТарасовВ. А.TarasovV. A.

Vladimir A. Tarasov – PhD in Engineering sciences, Associate Professor

Cheboksary

vladimir_tarasov@inbox.ruТарасоваВ. В.TarasovaV. V.

Valentina V. Tarasova – software engineer

Cheboksary

charming_cerl@rambler.ruАфанасьевВ. В.AfanasyevV. V.

Vladimir V. Afanasyev – Grand PhD in Engineering sciences, Associate Professor

Cheboksary

avvteo@mail.ruКовалевВ. Г.KovalevV. G.

Vladimir G. Kovalev – PhD in Engineering sciences, Associate Professor

Cheboksary

espp21@mail.ruОрловВ. Н.OrlovV. N.

Viktor N. Orlov – PhD in Physico-mathematical sciences, Professor

Cheboksary

orlov.vick@yandex.ruЧувашский государственный университет им. И.Н.УльяноваРоссияChuvash State UniversityRussian FederationООО «Инженерно-технический центр ГОРИСС»РоссияLLC Engineering and Technical Center GORISSRussian Federation2019281120192137385Copyright © Тарасов В.А., Тарасова В.В., Афанасьев В.В., Ковалев В.Г., Орлов В.Н., 20192019Тарасов В.А., Тарасова В.В., Афанасьев В.В., Ковалев В.Г., Орлов В.Н.Tarasov V.A., Tarasova V.V., Afanasyev V.V., Kovalev V.G., Orlov V.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/1059

Целью работы является разработка и исследование методов снижения затрат тепловой энергии на отопление зданий и сооружений за счет применения систем автоматизированного управления

Методы

Методы: Методом математического моделирования нестационарных тепловых процессов в системах отопления создана методика расчета режимов прогнозного и дежурного отопления и алгоритма даптивного управления системой отопления, который реализован на программируемом логическом контроллере. В отличие от известных методов предложенная математическая модель нестационарных процессов в теплоемких ограждениях позволяет осуществлять по алгоритму адаптивного управления прогнозное и дежурное отопление с учетом изменения во времени температуры наружного воздуха. 

Результаты

Результаты: Алгоритм обеспечивает равенство мощности системы отопления и мощности тепловых потерь, позволяет поддерживать заданную температуру внутреннего воздуха в помещении при изменении температуры наружного воздуха. Выход на режим компенсации тепловых потерь достигается без использования параметров температурного графика сетевой воды и параметров пропорционально-интегрально- дифференциальных законов регулирования, которые необходимы для настройки широко распространенных систем автоматического управления отоплением. При расчете режимов прогнозного и дежурного отопления математическая модель позволяет при заданных начальных и конечных температурах внутреннего воздуха определить значения мощности системы отопления, обеспечивающие желаемую температуру в конце заданного промежутка времени. Алгоритм адаптивного управления позволяет в любой момент времени задат ьзначения расчетной температуры наружного воздуха и требуемой температуры внутреннего воздуха.При прогнозном управлении математическая модель позволяет определить значения мощности системы,при которых температура внутреннего воздуха будет оставаться практически постоянной при изменении температуры наружного воздуха.

Выводы

Выводы: Разработанный алгоритм адаптивного управления позволяет создать энергоэффективную систему отопления, обеспечивающую при минимальном расходе тепловой энергии заданную температуру в помещениях здания с учетом всех параметров, влияющих на мощность тепловых потерь и мощность системы отопления.

The aim of the work is the development and study of methods for reducing the cost of heat energy for heating buildings and constructions by means of usage of automated control systems based on a programmable logic controller. 

Methods

Methods: In contrast to the known methods, the proposed mathematical model of non-stationary processes in heat-intensive enclosures makes it possible, according to the adaptive control algorithm, to perform forecast and standby heating taking into account the time dependence of the outdoor air temperature. 

Results

Results: The algorithm ensures the equality of the heating system power and the heat losses power, allows one to maintain the desired indoor air temperature in the room when the outdoor air temperature changes. The heat loss compensation mode is achieved without using the temperature chart parameters of the network water and the parameters of proportional-integral-differential control laws that are necessary to set up at common automatic heating control systems. When calculating the forecast and standby heating modes, the mathematical model allows, at given initial and final temperatures of the internal air, determining the heating system power, which provide the desired temperature at the end of a specified period of time. The adaptive control algorithm allows setting the calculated outdoor temperature and the desired internal air temperature at any time. Under the forecast control, the mathematical model allows determining the system power at which the internal air temperature will remain almost constant when the outdoor air temperature changes. 

математическая модельмощность системы отопленияпрогнозная температуранаружный воздухпрогнозное отоплениедежурное отоплениеалгоритм адаптивного управленияпрограммируемый логический контроллерmathematical modelpower of the heating systemforecast temperatureoutside airforecast controlstandby heatingadaptive control algorithmprogrammable logic controllerReferencesOldewurtel F., Sturzenеgger D., Morari M. Importance of occupancy information for building climate control // Applied energy. 2013. 101(1). pp.521–532.Oldewurtel F, Sturzenеgger D, Morari M. Importance of building climate control. Applied energy. 2013; 101 (1):521-532.ЛивчакВ.И. Выбор приоритета в авторегулировании и теплоотдачи систем отопления жилых зданий // Инженерные системы. 2016 АВОК Северо-Запад. 2016. № 1. С.38–45.Livchak VI. The choice of priority in the automatic regulation of heat transfer from heating systems of residential buildings. Engineering systems. 2016 AVOK North-West. 2016;. (1):38–45.Панферов В.И., Тренин Н.А., Панферов С.В. К оценке резервов экономии теплоты при автоматизации систем отопления зданий // Новости теплоснабжения. 2017. №9. С.46–49.Panferov VI, Trenin NA, Panferov SV. On the assessment of heat saving reserves in the automation of building heating systems. News of heat supply. 2017; (9):46–49. (In Russ)..Адаптивное управление режимом теплоснабжения здания с помощью автоматизированного теплового пункта/ В.В. Тарасова, В.В. Афанасьев, В.Г. Ковалев, В.А. Тарасов, А.Г. Калинин // Вестник Чувашского университета. 2016. № 3. С.117–123.Tarasova VV, Afanasyev VV, Kovalev VG, Tarasov VA, Kalinin AG. Adaptive control of the mode of heat supply of a building with the help of an automated heat supply station. Vestnik chuvashskogo universiteta. 2016; (3):117–123. (In Russ).Черкасова О.А., Малкин В.В., Сабищанский И.А., Меркулов П.Н. Автоматическое управление оптимальными гидравлическими режимами систем теплоснабжения // Новости теплоснабжения. 2019. №1.С.21–25.Cherkasova ОА, Malkin VV, Sabischansky IA, Merkulov PN. Automatic control of optimal hydraulic modes of heating systems. News of heat supply. 2019; (1):21–25. (In Russ).Пухкал В.А. Анализ режимов теплопотребления на отопление эксплуатируемых жилых зданий // Фундаментальные исследования. 2017. № 1. С. 106–111. Доступно по URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41323. Ссылка активна на: 31марта 2019.Puhkal VA. Analysis of heat consumption for heating residential buildings in operation. Fundamental research. 2017; (1):106–111. Available at the journal.URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41323 Accessed to: 31 March 2019.Shaikh P.H., Nor N.M., Nallagownden P., Elamvazuthi I., Ibrahim T. A Review on Optimized Control Systems for Building Energy and Comfort Management of Smart Sustainable Buildings. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014. Vol. 34. pp. 409–429.Shaikh PH, Nor NM, Nallagownden P, Elamvazuthi I., Ibrahim T. of Smart Sustainable Buildings. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014;34:409-429. doi: 10.1016/j.rser.2014.03.027Захаров А.А., Захарова И.Г., Ромазанов А.Р., Широких А.В. Моделирование теплового режима и управление теплоснабжением помещений умного здания // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2018. Т4. № 2. С. 105-119.Zakharov AA, Zakharova IG, Romazanov AR, Shirokikh AV. Thermal mode modeling and heat supply management of the premises of a smart building. Bulletin of Tyumen State University. Physical and mathematical modeling. Oil, gas, energy. 2018; 4(2):105-119. doi: 10.21684/2411-7978-2018-4-2-105-119.Anvari-Moghaddam A, Monsef H, Rahimi-Kian A. Cost-Effective and Comfort-Aware Residential Energy Management under Different Pricing Schemes and Weather Conditions // Energy and Buildings. 2015. Vol. 86. pp. 782-793.Anvari-Moghaddam A, Monsef H, Rahimi-Kian Cost-Effective and Comfort-Aware Residential Energy Management under Different Pricing Schemes and Weather Conditions. Energy and Buildings. 2015. (86): 782-793. doi: 10.1016/j.enbuild.2014.10.017.Ascione F. Simulation-Based Model Predictive Control by the Multi-Objective Optimization of Building Energy Performance and Thermal Comfort / F. Ascione, N. Bianco, C. De Stasio, G. M. Mauro, G. P. Vanoli // Energy and Buildings. 2016. Vol. 111. pp. 131-144.Ascione F, Bianco N, Stasio CDe, Mauro GM, Vanoli GP. Simulation-Based Model of the Predictive Control of Energy and Thermal Comfort. Energy and Buildings. 2016; (111):131- 144. doi: 10.1016/j.enbuild.2015.11.033.Ock J. Smart building energy management systems (BEMS) simulation conceptual framework / J. Ock, R. R. A. Issa, I. Flood // Proceedings of the 2016 Winter Simulation Conference. IEEE Press, 2016. pp. 3237- 3245. doi: 10.1109/WSC.2016.7822355.Ock J, Issa RRA, Flood I. Smart building energy management systems (BEMS) simulation conceptual framework. Proceedings of the 2016 Winter Simulation Conference. IEEE Press, 2016. pp. 3237-3245. doi: 10.1109/WSC.2016.7822355.Senave M. A Simulation exercise to improve building energy performance characterization via on- board monitoring / M. Senave, G. Reynders, S. Verbeke, D. Saelens // Energy Procedia. 2017. Vol. 132. pp. 969-974.Senave MA. Reynders G, Verbeke S, Saelens D. Simulation exercise to improve building energy performance characterization via on-board monitoring. Energy Procedia. 2017; 132:969-974. doi: 10.1016/j.egypro.2017.09.687.Тарасова В.В., Тарасов В.А., Калинин А.Г., Афанасьев В.В., Ковалев В.Г. Исследование динамических характеристик системы автоматического регулирования отопления здания. Вестник Чувашского университета. Естественные и технические науки 2015. № 3, С.122-128Tarasova VV, Tarasov VA, Kalinin AG, Afanasyev VV, Kovalev VG. Study of the dynamic characteristics of the automatic heating control system of a building. Bulletin of the Chuvash University.Natural and Technical Sciences. 2015; 3:122-128. (In Russ).Панферов В.И., Анисимова Е.Ю., Нагорная А.Н. К теории математического моделирования теплового режима зданий // Вестник Южно- Уральского государственного университета. Челябинск. 2006. №14. С.128-133.Panferov VI, Anisimova EYu, Nagornaya AN. To the theory of mathematical modeling of the thermal regime of buildings. Bulletin of the South Ural State University. Chelyabinsk. 2006. 14:128-133. (In Russ).Abdullin V.V., Shnayder D.A., Basalaev A.A. Building Heating Feed-Forward Control Based on Indoor Air Temperature Inverse Dynamics Model. Lecture Notes in Engineering and Computer Science: Proceedings of The World Congress on Engineering and Computer Science 2014, WCECS 2014, 22–24 October, 2014, San Francisco, CA, USA, pp. 886–892.Abdullin VV, Shnayder DA, Basalaev AA. Building Heating Feed-Forward Control Based on Indoor Air Temperature Inverse Dynamics Model. Lecture Notes in Engineering and Computer Science: Proceedings of The World Congress on Engineering and Computer Science 2014, WCECS 2014, 22–24 October, 2014, San Francisco, CA, USA, pp. 886–892.Ахметов Э.Р. Анализ модели работы дежурного отопления как энергосберегающего мероприятия // Энергоресурсосбережение и энергоэффективность. 2014. № 5 (59). C.25–28.Akhmetov ER. Analysis of the model of duty heating as an energy-saving measure. Energy saving and energy efficiency. 2014. 5(59): 25–28. (In Russ)..Добротин С. А. , Прокопчук Е. Л. Синтез системы упреждающего управления процессом подачи тепла на отопление здания // Проблемы региональной энергетики. 2011. №2. С. 53-65 Издательство: Институт энергетики Академии наук Молдовы (Кишинев).Dobrotin SA, Prokopchuk EL. Synthesis of a system of anticipatory control of the process of supplying heat to a building's heating. Problems of Regional Publisher: Institute of Energy of the Academy of Sciences of Moldova Energy (Kishinev). 2011. N2 .pp. 53-65. (In Russ)..Румянцев Д.В., Тверской М.М. Алгоритм упреждающего управления тепловыми процессами здания при комбинированной системе отопления // Фундаментальные исследования. 2015. № 2-24. С. 5371–5376. Доступен по URL: http://fundamental-research.ru/article/view?id=38352 .Ссылка активна на: 27 марта 2019Rumyantsev D.V., Tverskoy M.M. Algorithm of proactive control of thermal processes of a building with a combined heating system. Basic Research. 2015.2(24):5371–5376. Available at: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38352.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.