Энергоэффективная система управления горячим водоснабжением (ГВС) учебного корпуса с использованием солнечных коллекторов в составе интерактивных учебных лабораторий.

На базе реализованной областной межвузовской распределенной демонстрационной зоны по энергосбережению БГТУ им. В.Г.Шухова, адаптированной для использования в учебном процессе, создается энергоэффективная система управления горячим водоснабжением (ГВС) учебного корпуса с использованием солнечных коллекторов в составе интерактивных учебных лабораторий. Концепция виртуальной лабораторной установки заключается в возможности удаленного доступа к параметрам и технологическим величинам системы управления, в том числе к их изменению и регулированию, доступ к архивам данных параметров.

Поступающая в систему холодная вода (рисунок 1) перед попаданием в теплообменники традиционной системы подготовки ГВС проходит предварительный нагрев в гелиоустановке, которая представлена двумя бойлерами (Бойлер 1 и Бойлер 2) и солнечными коллекторами (рисунок 1). Объем воды, проходящий через гелиоустановку, определяется положением заслонки электромеханического клапана «Летний/Зимний режим» в зависимости от количества тепла, генерируемого коллекторами. Использование гелиоустановки в составе системы управления горячим водоснабжением позволяет повысить эффективность системы ГВС в целом за счет снижения энергии, затрачиваемой на нагрев теплоносителя.

 
Рис. 1 Схема гелиоустановки в составе АСУ ГВС

Использование на «нижнем уровне» ПЛК Segnetics SMH-2G с Ethernet-модулем позволяет обеспечить обмен данными с «верхним уровнем» системы управления посредством локальной сети университета по протоколу MODBUS TCP/IP.

«Верхний уровень» лабораторной установки представлен выделенным сервером с рядом приложений, обеспечивающих удаленный доступ через WEB (рисунок 2).

Взаимодействие с лабораторной установкой происходит посредством WEB-браузера пользователя (рис.2), что значительно позволяет снизить требования к удаленной рабочей станции.

 

Рис. 2. Виртуальный лабораторный практикум

Таким образом, в веб-браузере клиента реализуются следующие пользовательские функции:
1) управление установкой с помощью соответствующих кнопок пользовательского интерфейса;
2) отображение входных и выходных сигналов с помощью графиков с трендами температур и всплывающими подсказками о текущем состоянии датчиков и исполнительных механизмов.

Применение изложенной концепции позволяет построить мощную базу виртуальных лабораторий с удаленным доступом. Такой подход значительно снизит расходы образовательных учреждений на приобретение и обслуживание весьма дорогого лабораторного оборудования и позволит построить крупномасштабный комплекс для получения практических навыков по различным направлениям науки и отраслям.

Использование солнечной энергии для теплоснабжения является одним из наиболее перспективных направлений использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Солнечные водонагревательные установки имеют наименьшие сроки окупаемости из всех видов ВИЭ. Они технически несложны и обеспечивают хорошие экологические показатели. В условиях дефицита энергоносителей и их постоянно растущей цены возрастает роль систем, использующих альтернативные источники энергии.

По карте усредненных данных поступления солнечной энергии на рисунке 3 видно, что Белгородская область располагается в районе, в котором на 1 квадратный метр поступает от 3 до 4 кВт·час солнечной энергии в день; продолжительность солнечного сияния также относительно высока по сравнению с другими регионами (рисунок 4).


Рис. 3. Карта усредненных данных поступления солнечной энергии

 


Рис. 4. Солнечные энергоресурсы России

По результатам анализа функционирования гелиоустановки в составе системы управления ГВС (рисунок 4) можно сделать вывод, что использование целесообразно в период с середины апреля по середину октября, когда среднесуточная температура воздуха не падает ниже отметки в 14ºС (температуры холодной воды). Анализируя изменение мощности нагрева (рисунок 6), можно сделать вывод, что наибольшая эффективность достигается в летний период года.

Следует более детально рассмотреть изменения технологических величин во время эффективного функционирования солнечных коллекторов, т.е. в летнее время года.


Рис.6. График изменения мощности гелиоустановки

Наибольший интерес, с точки зрения технологических параметров, представляет период наиболее эффективного функционирования гелиоколлекторов, который детально изображен на графике (рисунок 7).

По статистическим данным, полученным в процессе эксплуатации гелиоустановки, были построены графики, отображающие эффективность работы системы в целом.


Рис.7. Временные температурные диаграммы работы гелиоустановки (где Тхвс – температура холодного водоснабжения, Тгу – температура на выходе гелиоустановки, Та – температура антифриза, Тб – температура бойлера, Тнв – температура наружного воздуха)

Цветные области на графиках являются условным обозначением промежутков времени в течение суток: обед, вечер, ночь, утро. При анализе вышеприведенных статистических данных выявлены следующие особенности работы системы в целом: 

  1. При работе в ночное время объемный расход является постоянным. Поскольку солнечное излучение отсутствует, температура гелиоколлекторов стремится по своему значению к температуре наружного воздуха, т.е. происходит остывание теплоносителя гелиосистемы. Вследствие непрерывной рециркуляции остывающего антифриза в системе, температура воды в бойлерах гелиосистемы уменьшается;
  2. В утреннее время при возобновлении потребления воды в системе (т.е., начало ее эксплуатации потребителями) температура ГВС падает, одновременно с этим повышается температура теплоносителя вследствие нагрева солнечных коллекторов с постепенным увеличением интенсивности солнечного излучения.
  3. Наблюдается максимальная солнечная активность. Температура гелиоколлекторов максимальна. Происходит постепенный нагрев воды в бойлерах гелиоустановки, который в связи с инерционностью процесса достигает своего максимального значения около 17:00 часов.

Пример работы системы солнечных коллекторов 6 сентября 2011 года в 16:00 показан на рисунке 8 в виде экранной формы автоматизированного рабочего места диспетчера. На форме показаны основные параметры системы горячего водоснабжения, поступающие к оператору в режиме реального времени.

Температура холодной воды, поступающая от горводоканала 17.82°С, тепло от солнечных коллекторов позволяет нагреть воду до 36°С, подняв температуру на 18°С, так как в данном случае, для комфортного обеспечения горячей водой требуется температура 50-52°С, вода нагревается дополнительно 14° и подается потребителям.

Таким образом, на данный момент 56% тепловой энергии на подготовку горячей воды поступает от гелиосистемы.

За текущий день потреблено 5,08 куб. метров воды, соответственно экономия 90 000 килокалорий или 100 КВтч электрической энергии при использовании электрических бойлеров. За 5 месяцев с достаточным уровнем солнечного облучения коллекторов и достаточной температурой воздуха (май, июнь, июль, август, сентябрь), соответственно, возможна эффективная работа в течение 150 дней, с результатом в 13,5 ГКал тепловой энергии или 15 000 кВт·ч электрической энергии. Таким образом обосновывается целесообразность применения солнечных коллекторов общей площадью 24 кв.метра в составе гелиоустановки с суммарным объемом баков-аккумуляторов 4000 л, при среднесуточном потреблении горячей воды 5-8 куб. м.

Рис.8. Экранная форма АРМ диспетчера

Применение гелио коллекторов в составе системы энергоснабжения БГТУ им. В.Г.Шухова позволяет не только следовать современной концепции энергоэффективности, но и построить мощную демонстрационную зону для получения практических навыков по техническим дисциплинам. Гелиоустановка входит в состав комплекса виртуальных лабораторий БГТУ им. В.Г.Шухова.

Авторы проекта:

  • Белоусов А.В. – к.т.н., доцент кафедры Технической кибернетики, Начальник Управления информатизации и коммуникаций.
  • Кошлич Ю.А. – аспирант кафедры Технической кибернетики, инженер Управления информатизации и коммуникаций.
  • Московченко С.И. - инженер Управления информатизации и коммуникаций.

Подробная информация: http://ntk.intbel.ru 

 

 

 

 

 

 

Если Вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите всё предложение с ошибкой и нажмите Ctrl+Enter.
Затем укажите, какое слово или цифру нужно исправить.

Запущена новая версия личного кабинета
Личный кабинет
Опечатка
Отправитель
Размер шрифта:
А
А
А
Цвета сайта:
А
А
А
А
Изображения:
Вкл
Выкл
Расширенные настройки
Настройки шрифта:
Выберите шрифт:
Arial
Times New Roman
Интервал между буквами (Кернинг):
Стандартный
Средний
Большой
Выбор цветовой схемы:
Стандартная
Черным по белому
Белым по черному
Темно-синим по голубому
Коричневым по бежевому
Зеленым по темно-коричневому
Вернуть стандартные настройки
Свернуть расширенные настройки