Климатические условия на территории Российской Федерации определяют продолжительный холодный сезон, что требует применения систем теплоснабжения и отопления жилых зданий, предприятий и других объектов инфраструктуры городской застройки. Проектирование, монтаж, наладка и эксплуатация систем как централизованного, так и автономного теплоснабжения должны проводиться технически грамотными специалистами. В связи с этим в учебных заведениях страны реализуются программы подготовки кадров по направлению «Строительство» и профилю «Теплогазоснабжение». Для успешного освоения образовательной программы студентами необходимо применение в учебном процессе наглядных учебных материалов, стендов и прочего оборудования, поясняющих структуру, функциональные возможности, принципы работы и особенности эксплуатации отопительных приборов и систем. При этом особое внимание должно уделяться вопросам автоматизации их работы, контроля и оперативного управления с применением современных аппаратно-программных средств, и возможностей, предоставляемых инфокоммуникационными системами, сетями мобильной связи, а также сетью Интернет.
Стенд системы автономного отопления с дистанционным управлением
Автономная (децентрализованная) система отопления предназначена для обеспечения требуемых параметров микроклимата в жилых и производственных зданиях, установленных в нормативных документах [1–3]. Проектирование систем отопления должно проводиться в соответствии с Постановлением правительства РФ № 154 [4], Федеральным законом № 190-ФЗ «О теплоснабжении» [5], действующими документами системы проектной документации строительства (СПДС) ГОСТ Р 21.1101-2013 [6], правилами выполнения рабочей документации отопления, вентиляции и кондиционирования по ГОСТ 21.602-2003 [7], а также требованиями, определенными в СП 60.13330.2016 [8] и СП 41-104-2000 [9].
Внедрение средств автоматизации инженерных систем зданий и сооружений регламентируется ГОСТ 21.208-2013, ГОСТ 21.408-2013 и СП 77.13330.2016 [10, 11].
Структурная схема стенда системы автономного отопления с дистанционным управлением показана на рис. 1.
В состав системы входят: теплогенератор (электрический котел ЭВАН ЭПО 4); контроллер дистанционного управления отопительным оборудованием ZONT H-1; насос циркуляционный Unipump CP25-60 180; нагревательные приборы Р1 и Р2; датчики температуры DS18В20 (T1 – T7); блок «теплый пол»; не показанные на схеме элементы запорной аппаратуры, расширительный бак и группа безопасности котла.
Выбор электрического котла в качестве теплогенератора для стенда обусловлен: целевым назначением; наличием в здании по месту установки инженерных систем энергоснабжения; возможностями управления режимом работы котла; требованиями безопасности; стоимостью. Котел ЭПО-4 имеет раздельный пульт управления ЭПО-М1 [12] и управляется только в релейном режиме. Управление температурой нагрева теплоносителя в ручном режиме задается ручкой регулировки на пульте котла.
В качестве нагревательных приборов в стенде выбраны два алюминиевых радиатора отопления ECO AL350-80-4, имеющих диагональное (Р1) и боковое подключение (Р2) и соответствующих ГОСТ 31311-2005 [13].
Для автоматического управления работой стенда в дистанционном режиме в конструкции применен контроллер – автономный GSM термостат ZONT H–1 [14], который регулирует работу котла в режиме нагрева на поддержание либо целевой температуры воздуха в помещении, либо заданной температура теплоносителя, считывая показания термодатчиков. Для мониторинга уличной температуры дополнительно снаружи помещения устанавливается датчик T6, либо термостат может получить информацию о температуре воздуха на улице с погодного сервера (Gismeteo).
Кроме того, термостат позволяет контролировать техническое состояние котла и оповещать оператора при возникновении аварии котла, отключении напряжения питания, неисправности температурных датчиков или срабатывании дополнительных датчиков сигнализации посредством SMS сообщений на заданный номер мобильной связи.
Принцип дистанционного управления системой состоит в том, что с помощью ZONT по GSM каналу связи пользователь-оператор может задавать режим работы системы отопления, дистанционно включать и выключать систему и оперативно отслеживать показания термодатчиков посредством веб-сервиса в личном кабинете на сайте https://zont-online.ru/, на котором также проводится настройка работы термостата. Дистанционное управление работой системы отопления возможно как с мобильных устройств (смартфонов и планшетов) с установленным приложением ZONT, так и с любого компьютера, подключенного к сети Интернет.
Рис. 1. Схема стенда системы автономного отопления
Режимы управления котлом
Для автоматического управления работой котла, в настройках термостата необходимо назначить датчик температуры по которому будет контролироваться текущая температура. Термостат сравнивает текущую температуру с заданной и дает команду на включение или выключение котла. Назначение датчика для регулирования выполняется в веб-сервисе, настройка «Датчики температуры».
Если котел должен поддерживать заданную температуру воздуха в помещении (показания датчика Т5), то в назначении датчиков нужно указать этот датчик в настройке «По воздуху». Если котел должен поддерживать заданную температуру теплоносителя (показания датчика Т1), то в назначении датчиков нужно указать этот датчик в настройке «По теплоносителю».
При неисправности датчика температуры, назначенного для регулирования, управление на датчик, назначенный «резервным». Если резервный датчик не назначен, то термостат переходит в аварийный режим работы и включает нагрев котла через равные промежутки времени: 15 мин нагрев включен, 15 мин – котел остывает.
Алгоритм управления котлом в режиме регулирования по теплоносителю (ПИД) состоит в том, что термостат ZONT анализирует скорость изменения текущей температуры в помещении относительно заданной и вычисляет расчетную температуру теплоносителя, необходимую для ее плавного поддержания. Таким образом, включение и выключение котла осуществляется по показаниям датчика температуры теплоносителя и расчётной температуре воздуха в помещении.
Режим погодозависимой автоматики (ПЗА) предназначен для управления работой котла с учетом данных об изменении температуры на улице. В основе алгоритма ПЗА лежит использование определенных, заранее вычисленных зависимостей уличных температур и температуры теплоносителя, достаточных для поддержания в помещении целевой температуры равной 20 °С (рис. 2).
Для правильной работы режима ПЗА необходимо экспериментальным путём подобрать номер кривой, который зависит от самой системы отопления, от теплопотерь здания и от некоторых других факторов. Для управления работой котла в режиме ПЗА используются показания трех датчиков: температуры теплоносителя, температуры на улице и температуры воздуха в помещении.
Режим «Расписание» управления котлом предназначен для поддержания целевой температуры в соответствии с заданным расписанием. В настройках расписания задаются временные участки, на которых будут поддерживаться заданные температуры или будет включаться выбранный режим работы термостата «Эконом», «Комфорт», «Пользовательский».
Результаты экспериментов
Эксперимент со стендом проводился в лабораторных условиях при следующих условиях: уличная и комнатная температуры +22 °С; целевая температура в помещении +25 °С. В ходе эксперимента необходимо оценить температуру нагрева теплоносителя, теплоотдачу радиаторов отопления, время выхода системы в стационарный режим (поддержания целевой температуры).
Рис. 2. Кривые настройки режима погодозависимой автоматики
Рис. 3. Кривые разгона котла
Рис. 4. Кривая разгона теплого пола
На рис. 3 представлены кривые температур теплоносителя на выходе из котла (подача, T1) и в обратном трубопроводе (обратка, T7). Разница между указанными температурами составляет 2 °С, что характеризует незначительные тепловые потери до 8 кВт в радиаторах отопления в силу их малых размеров, компактности стенда и малое отклонение начальной температуры от заданной. Максимальная теплоотдача радиатора отопления может быть при разности температур T1 – T7 = 80 °С. Время нагрева теплоносителя от комнатной до заданной температуры (35 °С) составило около 10 мин. При этом следует отметить нелинейный ступенчатый характер кривой разгона котла – динамической характеристики, отражающей алгоритм работы автоматики.
Блок теплого пола обладает большой инерцией. На его прогрев и остывание после отключения питания требуется время до четырех часов (рис. 4).
Сравнение кривых разгона радиаторов отопления (рис. 5) позволяет сделать вывод, что радиатор 1 с диагональной схемой подключения прогревается немного быстрее и имеет бoльшую теплоотдачу, чем радиатор 2 с боковым подключением.
Рис. 5. Кривые разгона радиаторов отопления
Заключение
В работе представлена конструкция стенда системы автономного отопления с дистанционным управлением, предназначенной для учебных целей. Стенд оснащен средствами автоматизации, позволяющими осуществлять дистанционный контроль ее состояния и управлять режимом работы посредством мобильных устройств (смартфонов и планшетов), подключенных к сети сотовой связи GSM, или любого компьютера с доступом в интернет. Рассмотрены различные режимы автоматического управления работой системы отопления: ПИД-регулирование, режим расписания, режим погодозависимой автоматики.
Приведены результаты экспериментов по исследованию динамики компонентов системы, кривых разгона теплогенератора, отопительных приборов и блока «теплый пол», динамическая характеристика которого, полученная экспериментальным путем, показывает его большую инерционность.
Из приведенных результатов эксперимента по управлению стендом в дистанционном режиме работы выявлены особенности адаптивного управления стендом в режиме поддержания целевой температуры воздуха в помещении. Приведено сравнение эффективности работы радиаторов отопления с различными схемами включения.
Библиографическая ссылка
Середа С.Н. ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМОЙ АВТОНОМНОГО ОТОПЛЕНИЯ // Современные наукоемкие технологии. – 2020. – № 6-2. – С. 283-287;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=38102 (дата обращения: 20.04.2024).