2598

«цена/качество» делают их незаменимыми компонентами приборного учета для любого потребителя электроэнергии.

В качестве заключения можно сказать, что применение современных учетно-распределительных приборов сегодня уже говорит об уровне жизни человека. И человек, который сегодня сталкивается с выбором жилого или производственного объекта, будет руководствоваться в первую очередь не ценой, а предпочтет перейти на следующий уровень – конкуренции ценностей, причастности к некоему образу жизни. Поэтому Концерн «Энергомера» сегодня нацелен на разработку всей производимой им продукции с учетом комфорта, безопасности и эстетики и ежедневно претворяет эту политику в жизнь, обеспечивая частичку нового уровня жизни.

4.2.5.Тиристорный регулятор как средство экономии

внагревательных системах

Оборудование, напрямую преобразующее электрическую энергию в тепло, имеется практически во всех отраслях народного хозяйства – электропечи пищевых предприятий, электрокотлы в жилищно-коммуналь- ном хозяйстве, электротермические установки в различных отраслях промышленности. Несмотря на повышение стоимости энергии, эффективность использования энергоресурсов в России до сих пор остается недопустимо низкой. Поэтому ограничение мощности, потребляемой электрооборудованием, – первостепенная задача практического энергосбережения.

Невозможно качественно решить задачу управления мощностью, применяя так называемое релейное регулирование, имеющее на предприятиях определенное распространение. Релейный принцип регулирования нагрузки содержит известные «издержки», это невысокая точность установки уровня напряжения, переходные процессы в электрических цепях и колебания напряжения, высокие эксплуатационные затраты на обслуживание релейно-контакторных схем. Кроме того, современные технологические процессы на предприятиях требуют высокой точности регулирования в привязке к параметрам технологических процессов в реальном масштабе времени. Любое электрооборудование имеет максимальный ресурс (срок эксплуатации) только при условии ограничения отклонений (колебаний) напряжения питающей сети в допустимых пределах. Таким образом, для эффективного управления электрической нагрузкой следует применять непрерывные законы регулирования, воплощенные в бесконтактных устройствах – тиристорных регуляторах напряжения (ТРН). Эксплуатационные затраты на такие системы минимизируются за счет надежности основного элемента

1010

– тиристора с токовым управлением или оптотиристора. Следует отметить, что оптотиристор уступает тиристору только в диапазоне токов до 160 А, а по показателям безопасности в эксплуатации, стабильности и дешевизны схемы управления оптотиристор имеет лучшие характеристики. Реальная экономия средств в электроустановках напряжением 0,4 кВ может быть получена при использовании ТРН на базе оптотиристорных модулей с цифровой системой управления и стабилизации. [92]

Опыт внедрения этих устройств пришелся на период становления в России новой экономики, в конце 90-х годов XX века. В 1997 г. кировское предприятие «Энергис» приступило к выпуску ТРН с применением модульных оптотиристоров и цифровой системой управления на импортных компонентах. Основными требованиями при разработке оборудования стали необходимость иметь гибкую конфигурацию, применимость для решения различных задач регулирования и ограничения электрической нагрузки питающей сети.

Разработанный ТРН предназначен для плавного регулирования действующего напряжения на активной, активно-индуктивной нагрузке вручную или дистанционно в стандартной сети напряжением 220/380 В с частотой 50 Гц. Область применения – управление нагревательными установками различного назначения, а также осветительными установками с лампами накаливания. Функции, реализованные в ТРН: регулирование напряжения в каждой фазе раздельно (или совместно) в % от номинального входного напряжения. Эта функция реализуется вручную кнопками (регулятором) на панели управления ТРН или дистанционно внешним токовым сигналом.

Принцип работы регулятора ТРН основан на изменении угла отпирания силовых тиристоров α, величина которого определяется в зависимости от величины внешнего управляющего сигнала, подаваемого на вход ТРН.

Преимущества применения ТРН основаны на конструктивных особенностях изделия:

1)блочно-модульная схема ТРН доступна при наладке и обслуживании и, более того, допускает замену блоков без дополнительной регулировки;

2)защита настроек ТРН исключает последствия вмешательства или несанкционированного отключения сети;

3)дистанционное управление ТРН допускает раздельное регулирование в фазах (группы нагревателей, линии освещения и т.д.);

4)пусконаладочные работы с ТРН доступны электромонтеру средней квалификации, выполняющему требования Правил техники безопасности в электроустановках до 1000 В.

1011

Практическое применение разработанные терморегуляторы напряжения ТРН нашли на разных предприятиях России. На предприятии «Аврора-ЭЛМА» (г.Волгоград) для производства пьезокерамических элементов применяются электропечи с особыми характеристиками. Особенность этих печей состоит в применяемых нагревательных элементах полупроводникового типа. Для управления температурой при запуске необходимо глубокое регулирование напряжения на нагревательном элементе. Для этих целей было применено 15 регуляторов ТРН с максимальным током 160 А, управляемых дистанционно от ШИМ регулятора. Применение данной системы позволило исключить сверхвысокие пусковые токи электропечи и обеспечить следящий режим регулирования температуры рабочей зоны.

Вхимическом производстве, производстве полимеров ТРН обычно применяются для точного регулирования тепловых характеристик компонентов и готовой продукции, как это реализовано на предприятии «КОМИНТЭКС» при производстве полимерных строительных материалов

илинолеумов.

4.3.Технология комплексного теплового неразрушающего контроля зданий и строительных

сооружений. Опыт и современная теория

Всентябре 2003 г. Правительство России утвердило «Энергетическую стратегию России на период до 2020 г.». Одной из основных целей государства в данной сфере является достижение намеченных стратегических ориентиров роста энергоэффективности путем ужесточения требований к энергосбережению, контроля энергопотребления, установления стандартов энергопотребления и предельных норм энергопотерь, обязательной сертификации энергопотребляющих объектов.

Важным направлением государственной политики становится поддержка специализированного бизнеса в области энергосбережения, пока слабо развитого в России. Это позволит сформировать экономических агентов (энергосервисные и энергосберегающие компании), реализующих оптимальные научные, проектно-технологические и производственные решения, направленные на снижение энергоемкости продукции и услуг.

Одним их важнейших направлений энергосбережения является обеспечение высокого качества тепловой изоляции наружных ограждающих конструкций и соблюдение норм энергопотерь и энергоэффективности при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий. Как показывают исследования, по этой причине сверхнормативно теряется до 40% энергии, расходуемой на отопление зданий [78].

1012

Определяющими теплотехническими характеристиками качества строительства являются: в первую очередь величина приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции здания

(например, для стен здания норматив фактического приведенного сопротивления в зависимости от требуемого удельного расхода тепловой энергии установлен в пределах 2,3–3,7 м2 °С/Вт), положение точки росы и плоскости промерзания, а также промежуток времени, в течение которого возможно функционирование здания при аварийном отключении теплоснабжения и др.

В настоящее время эти характеристики определяются, как правило, на стадии проектирования объекта расчетным путем. Однако эти результаты имеют весьма большую погрешность и не отражают фактические эксплуатационные характеристики строительной конструкции, так как не учитывают наиболее важный этап между проектированием и эксплуатацией – этап строительства, на котором проектные характеристики конструкции могут быть существенно искажены как в лучшую, так и в худшую сторону. Многолетний опыт практической работы

Технологического института энергетических обследований, диагностики и неразрушающего контроля «ВЕМО» по тепловизионному обследованию зданий и строительных конструкций показывает, что, по крайней мере, треть сдаваемых в эксплуатацию зданий и строительных сооружений не соответствует существующим нормам по энергопотерям и энергосбережению. При этом проекты всех сооружений прошли все необходимые обязательные экспертизы и соответствуют строительным нормам. Это происходит по той причине, что в процессе строительства, как показывает опыт обследований, часто происходят отступления от проектной документации и технологий строительства, замены стройматериалов и др.

Для определения фактического состояния характеристик строительных объектов, Технологическим институтом «ВЕМО» разработана и внедрена в практику технология комплексного теплового (тепловизионного) обследования зданий и строительных сооружений в реальных условиях их эксплуатации (в летний и зимний периоды), включающая в себя:

энергетические обследования строительных конструкций с определением приведенного сопротивления теплопередаче по стенам и окнам, выявлением и локализацией зон и участков сверхнормативных тепловых потерь;

определение положения точки росы и плоскости промерзания;

время охлаждения внутреннего воздуха здания при отключениях, отказах и авариях системы теплоснабжения (с определением максимально возможного времени остывания);

1013

определение необходимой толщины утеплителя на участках сверхнормативных теплопотерь.

На рис. 4.22 в качестве примера приведены усредненные зависимости влияния величины сопротивления теплопередаче наружной ограждающей конструкции на ее теплопотери и энергоэффективность.

Рис. 4.22. Графики зависимости теплопотерь от начального сопротивления теплоотдаче

Порядок контроля приведенного сопротивления теплопередаче определен в ГОСТ 26629-85. Однако изложенная в нем методика измерений по ряду объективных причин и в первую очередь вследствие нестационарного характера теплопередачи в ограждающей конструкции, трудно применима на практике. Причем погрешность измерений в некоторых случаях может достигать 400% и более.

Технологическим институтом «ВЕМО» разработаны методика и комплекс программно-аппаратных средств определения приведенного сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций строительных сооружений в реальных условиях их эксплуатации, исключающие вышеназванные недостатки. В основе методики лежит решение обратной задачи теплового неразрушающего контроля в многослойной пространственной области с подобластями, имитирующими дефекты, в условиях нестационарного процесса теплопередачи. Обратная задача теплового контроля сводится к задаче на поиск экстремума (минимума) следующего «функционала правдоподобия» [интегрирование ведется по некоторому интервалу времени (0, t)]:

1014

где – набор параметров.

Решение обратной задачи в общем виде опирается на решение прямой задачи в следующем смысле: необходимо так подобрать параметры исследуемого объекта, чтобы его рассчитанная «реакция» [некоторая функция времени U(τ))] оказалась по возможности более близка к измеренной «реакции» U0(τ). Близость понимается в смысле близости в функциональном пространстве (пространстве функций, удовлетворяющих некоторым условиям гладкости).

Полученное реальное значение приведенного сопротивления теплопередаче с соответствующими, определенными экспериментально путем измерений на исследуемом объекте, начальными и граничными условиями лежит в основе метода определения положения точки росы и плоскости промерзания, теплового состояния строительной конструкции при отказах и аварийном отключении системы теплоснабжения (с определением максимально допустимого интервала времени отключения).

Проблема анализа движения фронта промерзания (или оттаивания) влаги, содержащейся в наружных ограждениях здания, и координаты точки росы имеет большое практическое значение, так как непосредственно связана с вопросами ресурса и долговечности ограждающих конструкций, определения их эксплуатационного тепловлажностного режима и фактического сопротивления теплопередаче. Последний фактор определяет теплопотери и энергоэффективность здания. В зоне перемещения фронта промерзания создаются крайне неблагоприятные условия эксплуатации строительных материалов вследствие циклического процесса чередования замерзания и оттаивания влаги, что постепенно приводит к снижению прочности а в конечном счете и к возможному разрушению строительной конструкции.

Анализ процесса промерзания рассматривается как задача, в которой изменение агрегатного состояния внутриконструкционной влаги (фазовый переход «вода – лед») происходит при определенной температуре Тк (температуре замерзания), т.е. имеется четкая изотермическая граница, отделяющая области агрегатного состояния внутриконструкционной влаги в виде льда и жидкости.

Для определения координат границы раздела фаз «вода–лед» решается система из двух уравнений нестационарной теплопроводности, соответственно для областей жидкой и твердой фаз влаги, и, помимо граничных условий на поверхности тела, дополнительно задаются два условия на границе раздела фаз.

Например, в одномерной постановке:

1015

Первый член уравнения (4.2) выражает плотность теплового потока S1, который отводится от границы раздела фаз через область тела, с влагой в твердой фазе (лед); второй член – плотность теплового потока S2, поступающего к границе раздела фаз из области с влагой в жидкой фазе (вода).

Задача в такой формулировке называется задачей Стефана о перемещении границы раздела фаз. В качестве примера, иллюстрирующего возможности разработанного метода, на рис. 4.23 приведен график изменения положения фронта промерзания для двух типов однородных стен – кирпичной и из пенополистирола. Температура на внешней поверхности стены принимается равной Тп= –20 °С, температура внутренней поверхности Т0=20 °С, температура замерзания влаги Тк=0°С. Из графика видно, что кирпичная стена толщиной 0,2 м полностью промерзнет менее чем за 1,5 суток.

Рис. 4.23. Движение границы промерзания в однородной стене из кирпича и пенополистерола с учетом эффектов скачка теплоемкости на границе

Одной из крайне важных характеристик жилых зданий является время охлаждения внутреннего воздуха здания в различных

1016

метеорологических условиях (температура наружного воздуха, скорость ветра, влажность) при частичном ограничении либо отключении системы теплоснабжения вследствие ее отказа или аварии. В течение этого времени необходимо провести ремонтные работы и включить систему отопления либо обеспечить слив теплоносителя из системы отопления для исключения возможного ее размораживания.

Рис. 4.24. Комплексный тепловизионный контроль зданий и строительных конструкций

В основе методики определения времени охлаждения внутреннего воздуха здания лежит математическая модель, описывающая процесс нестационарной теплопередачи в наружных и внутренних ограждающих конструкциях, цокольном этаже и чердачном помещении здания с учетом граничных и начальных условий и внутренних источников энергии. В предлагаемой постановке тепловое состояние здания при отключении системы отопления в зимний период определяется расчетно-эксперименталь-

1017

ным методом. Методика включает совместное решение системы n дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности в частных производных и связывающей их системы (n–1) обыкновенных дифференциальных уравнений теплового баланса с учетом соответствующих граничных и начальных условий.

Одна из систем дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности описывает процесс теплопередачи в наружных ограждающих конструкциях здания, другие (n–1) системы дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности описывают процесс теплопередачи в наружных ограждающих конструкциях цокольной и чердачной частей, во внутренних конструкциях здания и т.д. Температура внутреннего воздуха в различных частях здания определяется решением системы обыкновенных дифференциальных уравнений текущего теплового баланса воздуха во внутреннем объеме дома с учетом внутренних источников энергии (внутреннее тепловыделение). Размерность системы – количество дифференциальных уравнений – определяется сложностью обследуемой строительной конструкции здания и требуемой точностью получения результатов.

Таким образом, произведя экспериментальные, в т.ч. тепловизионные, обследования и расчетно-теоретический анализ полученных данных по разработанным методикам, определяются основные теплотехнические характеристики наружных ограждающих конструкций в эксплуатационных условиях.

На рис. 4.24 приведена структурная схема технологии комплексного обследования зданий и строительных конструкций. Она включает три основных этапа:

Этап 1. Получение и регистрация первичной информации с контролируемого объекта в реальных условиях его эксплуатации: характеристики строительных конструкций, температурные «истории» конструкций контролируемого объекта и окружающей среды, термограммы объекта и его реперных зон, метеорологические данные и т.п. и ее предварительная компьютерная обработка.

Этап 2. Определение теплотехнических характеристик обследуемого объекта (приведенное сопротивление теплопередаче по стенам и окнам, положение точки

1018

росы и плоскости промерзания, тепловое состояние строительной конструкции при отключении системы теплоснабжения с определением максимально допустимого времени отключения).

Этап 3. Итоговый анализ материалов обследования, подготовка отчетных материалов и заключений с оформлением вкладыша к энергетическому паспорту здания.

Все методики теплового (тепловизионного) обследования зданий и строительных сооружений утверждены Департаментом государственного энергетического надзора Минэнерго РФ, Мосгосэнергонадзором и аттестованы Госстандартом РФ.

Достоверность и надежность методик подтверждена трехлетним опытом работы по ним более 10 специализированных энергоаудиторских организаций при обследовании почти 300 строительных объектов.

Выводы:

1. Впервые решена задача комплексного теплового (тепловизионного) неразрушающего контроля и диагностики технического состояния строительных сооружений с определением численных значений их теплотехнических характеристик в реальных условиях эксплуатации, а именно:

сопротивление теплопередаче в каждой точке и приведенное сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций;

приведенное сопротивление теплопередаче светопрозрачных конструкций – окон и светопрозрачных стен;

местоположение точки росы и плоскости промерзания в наружных ограждающих конструкциях;

тепловое состояние строительной конструкции при отключении системы отопления (с определением максимально возможного времени отключения).

2.Разработаны (не имеющие мировых аналогов) технологии и методики теплового неразрушающего контроля строительных конструкций, обеспечивающие определение их фактических теплотехнических характеристик в реальных условиях эксплуатации в различных климатических условиях, в т.ч. в зимний и летний периоды. Созданные методики обеспечивают определение численных значений теплотехнических характеристик с погрешностью не более 10 – 15%, имеют соответствующие сертификаты Госстандарта РФ и признаны Госэнергонадзором РФ и Минэнерго РФ как базовые для определения теплотехнического качества строительства и показателей энергоэффективности строительных конструкций.

3.Все методики реализованы в виде соответствующей технологической документации и программного обеспечения с использованием стандартных измерительных и вычислительных средств. Методики контроля разработаны во исполнение федеральной целевой программы

1019