Введение
В настоящее время в зарубежных [1-5] и отечественных [6-9] исследованиях все большая роль отводится экологической составляющей строительного производства. В условиях перехода к низкоуглеродной экономике и ужесточения нормативных требований к энергоэффективности жилого фонда, воздушные тепловые насосы (ВТН) рассматриваются как один из наиболее перспективных инструментов декарбонизации систем теплоснабжения. При этом ВТН обладает целым рядом проблем, отрицательно сказывающихся на его производительности. Решение сложившихся проблем тепловых насосов зачастую лежит за пределами реализации одного конкретного инструмента, будь то технический компонент или программное обеспечение. Необходим комплексный подход, рациональное формирование которого должно интегрироваться в жизненный цикл объекта строительства и обеспечивать возможность управления.
В отношении к малоэтажному жилому строительству концепция управления жизненным циклом взаимосвязана с реализацией цифрового двойника. Реализация системы теплоснабжения на базе воздушных тепловых насосов в единую информационно-цифровую среду здания позволяет рационализировать капитальные затраты на стадии проектирования за счет точного подбора оборудования и снизить потребление электроэнергии и углеродный след на протяжении всего срока эксплуатации здания. Устранение деградации оборудования в виду обмерзания непосредственно влияет на этап эксплуатации и сдвигает потребность в капитальном ремонте или замене инженерных систем.
Одной из самых острых проблем рационального управления производительностью ВТН является образование ледяного покрова на поверхности испарителя [10]. Это явление снижает эффективность теплопередачи, тем сильнее, чем больше увеличивается слой льда. Как итог тепловой насос значительно снижает производительность, а пользователь вынужден в ручном режиме останавливать работу устройства и осуществлять процесс оттайки поверхности испарителя.
Целью исследования является разработка аппаратно-программного комплекса предотвращения и управления образованием наледи на поверхности испарителя теплового насоса с возможностью интеграции в цифровую систему управления жизненным циклом малоэтажного объекта строительства. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: математическое моделирование сопряжённого тепло- и массообмена в испарителе теплового насоса; разработка рациональной аппаратной конструкции усовершенствования теплового насоса, реализация алгоритма технологии управления образованием наледи на поверхности испарителя на основе прогнозирования физико-математической моделью и реализацией процесса оттайки технической доработкой смесительной камеры.
Материалы и методы
Фундаментом настоящего исследования является ранее реализованная физико-математическая модель прогнозирования образования льдистой шубы [10]. Разработанная физико-математическая модель учитывает специфику фазовых переходов внутреннего контура ВТН. При формировании итоговой модели учитывался успешный опыт описания аналогичных задач в работах [11, 12] и зависимость теплопередачи от температуры наружного воздуха, что критично при расположении ВТН снаружи малоэтажного объекта строительства.
Для достижения практического эффекта от реализованной ранее физико-математической модели было необходимо проработать две основные составляющие: разработать аппаратное техническое решение по усовершенствованию ВТН [13], которое функционально обеспечит эффективное устранение наледи на поверхности испарителя, и аналого-цифровое программное обеспечение [14] для управления процессом устранения наледи.
Методология авторов основана на комплексном применении технической, конструктивной доработки камеры смешения воздуха ВТН, обеспечивающей функцию растопки льда, и программного обеспечения, осуществляющего прогнозирование нарастания льда на поверхности испарителя теплового насоса. Концептуальное изображение компоновки ВТН с авторской конструктивной доработкой представлено на рисунке 1.
Рис. 1. Универсальная модель воздушного теплового насоса с камерой смешения, обеспечивающей равновесный воздушный напор на испаритель и удаление образования инея на поверхности оребрённых трубках испарителя
Технология авторского подхода включает средство устранения наледи и инструмент для автоматизации его контроля. Средством в данном случае является техническая, конструктивная доработка смесительной камеры ВТН. Инструментом управления и контроля выступает программное обеспечение, которое получает исходные данные в виде значений температуры в буферной емкости системы теплоснабжения, производит прогнозные расчеты и, при необходимости, передает команду начала процесса оттайки на программируемый логический контроллер.
Результаты
Целью предлагаемого технического решения является снижение энергозатрат на регенерацию поверхности испарителя за счёт интеграции нагревательного элемента в конструкцию смесительной камеры [13]. Техническая сущность метода заключается в направленном тепловом воздействии на оребрённые трубки испарителя, покрытые ледяным покровом. За счёт концентрации теплового потока в заданном направлении достигается повышение удельной мощности излучения [13]. При этом фазовый переход «лёд–вода» инициируется непосредственно в момент контакта излучения с поверхностью оребрения, после чего осуществляется последовательный дренаж и осушение теплообменных элементов. Ориентация теплового воздействия по вектору движения воздуха позволяет инициировать процесс оттайки в зоне максимального инееобразования (на входе воздушного потока в испаритель), что обеспечивает равномерную регенерацию всей рабочей поверхности.
Управление предлагаемым техническим решением реализуется посредством специализированного программного обеспечения [14]. На базе сформированной физико-математической модели [10] разработан алгоритм, обеспечивающий её цифровую имплементацию в расчётный программный комплекс управления жизненным циклом объектов строительства в части экологичности и энергоэффективности [15]. Блок-схема алгоритма приведена на рис. 2.
Рис. 2. Алгоритм реализации физико-математической модели в виде программного обеспечения
Алгоритм, представленный на рис. 2, реализован в специализированном программном модуле, прошедшем государственную регистрацию в Реестре программ для ЭВМ [14].
Разработанное авторское программное обеспечение позволяет осуществить сквозное управление инженерной системой на различных этапах жизненного цикла объекта строительства, в частности:
1. Этап проектирования. Первый сценарий работы программы предоставляет инженерам-проектировщикам функционал для реализации концептуальных расчетов обмерзания в рамках конкретных климатических условий, характерных для географического расположения объекта проектирования. Это позволяет уточнять входные данные и обоснованно подбирать мощность ВТН, толщину изоляции буферных емкостей и строительных материалов ограждающих конструкций, закладывая реалистичные параметры энергоэффективности еще до начала производства строительных работ.
2. Этап эксплуатации. Второй сценарий работы программы предполагает взаимоувязку с контроллерами ВТН и датчиками здания. Сформированная взаимосвязь позволит прогнозировать запуск оттайки. В свою очередь это позволяет избежать аварийных остановок, осуществляет поддержание заданного микроклимата в доме и снижает максимальные нагрузки на электросеть.
3. Этап реконструкции. Третий сценарий позволяет использовать накопленные за годы эксплуатации данные о количестве, фактическом времени и длительности циклов оттайки. Эти данные являются фундаментом для аналитики и последующего рационального принятия решений о модернизации или замене теплонасосной установки.
Обсуждение
Программный комплекс предназначен для расчёта нестационарного температурного поля по толщине стенки теплообменного аппарата с учётом динамического изменения граничных условий в процессе эксплуатации. В целях снижения вычислительной нагрузки и обеспечения оперативности инженерных расчётов трёхмерная геометрическая модель оребрённого испарителя аппроксимирована до одномерной модели плоской пластины. Данное упрощение математически обосновано соотношением характерных размеров: толщина стенки и формирующегося ледяного покрова на порядок меньше продольных и поперечных габаритов теплообменной поверхности, что позволяет пренебречь краевыми эффектами и рассматривать теплоперенос преимущественно в нормальном направлении без существенной потери точности.
Программная архитектура включает опциональный выбор ввода исходных данных: явное назначение материала теплообменной поверхности (алюминий или медь из встроенной библиотеки с верифицированными справочными данными) либо ручной ввод индивидуальных теплофизических характеристик (коэффициент теплопроводности λ, удельная теплоёмкость с, плотность ρ), включая их температурную зависимость в рабочем диапазоне от –30 до +50 °С. Расчетная программа позволяет опционально задавать пользователю толщину слоя льда. Эта функциональная возможность позволяет использовать программу как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации в рамках управления жизненным циклом объекта строительства. Изначально пользователь может выбрать один из двух возможных материалов исполнения трубопроводов внутреннего контура теплонасосной системы: медь или алюминий, однако имеется также возможность задания собственных значений ключевых параметров расчётного материала: теплопроводности, теплоемкости и плотности. Затем пользователь задает параметры для расчёта теплораспределения: температуру фреона, значения температуры на внутренней и наружной поверхностях трубопровода, а также толщину стенки трубы. По части применения программы на этапе эксплуатации значения параметров актуализируются в соответствии с данными датчиков. Программа диагностирует снижение производительности, характерное тому, что происходит при образовании слоя льда на поверхности трубопровода, после чего отправляет команду в программируемый контроллер ВТН для активации процесса оттайки. По завершению процесса программа вновь рассчитывает и сопоставляет характеристики режима работы ВТН. В случае если характеристики соответствуют норме, программа фиксирует дату включения режима оттайки. Если же параметры системы не улучшаются программа формирует сообщение для пользователя. Высокую скорость расчётов и как следствие возможность применения программного обеспечения на этапе эксплуатации обеспечивает использование метода «микропроцессов», который был реализован в физико-математической модели. Методология «микропроцессов» принадлежит школе академика РААСН С.В. Федосова. Как итог авторское комплексное решение потенциально сокращает затраты энергии на циклы оттайки на 30% в сравнении с классическими системами [15]. Сокращение затрат электрической энергии на реализацию оттайки на 30% (по сравнению с классическими решениями) имеет два важных следствия: сокращение экономических издержек для владельца и усиление экологической составляющей жизненного цикла объекта строительства. Указанные следствия обладают взаимосвязью: снижение потребления электроэнергии уменьшает косвенные выбросы парниковых газов за весь период эксплуатации здания. Следовательно, решаемая настоящим исследованием проблема соответствует целям низкоуглеродного развития и ужесточения нормативных требований к энергоэффективности жилого фонда.
Стоит отметить, что авторское комплексное решение, которому посвящена данная статья, является частью цифровой архитектуры управления жизненным циклом объектов малоэтажного строительства с теплонасосными системами. В рамках общей архитектуры данное решение выполняет задачу прогнозирования и управление рисками образования наледи на поверхности испарителя. В то время как итоговая цифровая архитектура обеспечивает сквозное управление малоэтажным объектом строительства с теплонасосными системами в части: реализации расчёт режимов работы, оптимизации настройки теплового насоса и составляющих компонентов, обеспечения требуемого качества микроклимата помещений [15].
Выводы
Результатами настоящего исследования является комплексная система, состоящая из технического средства и программного обеспечения. Авторская комплексная система полностью выполняет поставленную цель: прогнозирует образование наледи на поверхности испарителя и автоматизирует процесс её удаления. Аппаратная часть авторского решения, представленная в виде модернизированной смесительной камеры, увеличивает фактический срок службы воздушного теплового насоса, снижая износ компрессора и вентиляторов. Это позволяет отсрочить замену оборудования в рамках жизненного цикла здания. Программная часть авторского решения может работать в двух возможных сценариях, каждый из которых находит своё применение на разных этапах жизненного цикла объекта строительства. Первый сценарий позволяет на стадии проектирования осуществлять концептуальные расчеты для получения реалистичных режимов работы устройства в условиях обмерзания. Результаты расчетов позволяют уточнить состав компонентов системы отопления и строительных материалов объекта строительства. Второй сценарий – применение программы на этапе эксплуатации для прогнозирования запуска инструмента оттайки, предполагает активное использование программы в связке с логическими контроллерами и датчиками.
