Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Hőtechnikai folyamatszimuláció lakótérben Szakonyi Lajos, Sári Zoltán PTE Pollack Mihály Műszaki és Informatikai Kar

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Hőtechnikai folyamatszimuláció lakótérben Szakonyi Lajos, Sári Zoltán PTE Pollack Mihály Műszaki és Informatikai Kar"— Előadás másolata:

1 Hőtechnikai folyamatszimuláció lakótérben Szakonyi Lajos, Sári Zoltán PTE Pollack Mihály Műszaki és Informatikai Kar

2 Előzmény : Intelligens lakótér folyamatdinamikája c. előadásanyag, melyben objektum: hőszigeteléssel ellátott, gázkazánnal, hőmérséklet-szabályozással üzemelő társasházi lakótér; modell: az objektum hőtechnikai viszonyait jellemző folyamatdinamikai modell (radiátoros fűtés, konvekciós és sugárzásos hőhasznosítás, a légtér és falazat közötti hőtranszport, a filtráció figyelembevétele); deduktív modellezési technikával indítva (struktúra-meghatározás energia-mérleggel) modellparaméterek meghatározása (becslése) működő objektumon végzett identifikációs mérésekkel. Jelen előadás az előbbiek mellett a modell-szimulációval kapcsolatos ismeretekkel foglalkozik.

3 A hőtranszport összetevői

4 A folyamatdinamikai modell struktúrája és paraméterei A hőenergia átszármaztatásának mikro-jelenségeit is formalizáló mérlegegyenleteknek a munkaponti linearizálással nyert alakjai fűtőközegre:, légtérre:, a légtér és a falazat közötti hőátszármaztatásra:.

5 ( - fűtőközeg térfogatsebesség; - fűtőközeg sűrűség; - fűtőközeg fajhő;, - a fűtőközeg belépési, kilépési hőmérséklete; - légtér hőmérséklet;, A - a radiátorok hőátadási tényezője, hőátadásra hasznosítható felülete; - folyadéktérfogat;, A k - hőátadási tényező, hőátadó felület környezet felé; - környezeti hőmérséklet; - levegő sűrűség, állandó nyomáson mért fajhő; - légtér térfogat; - a belső válaszfalak hőátbocsátási tényezője; - a beltéri falak hőmérséklete;,,, - a válaszfalak felülete, térfogata, sűrűsége, fajhője; t - időkoordináta).

6 A modellépítésnél felhasznált - működtetéssel, konstrukcióval, hőtraszporttal kapcsolatos - főbb jellemzők fűtőközeg sűrűség : 989,82 kg/m 3 ; fűtőközeg fajhő : 4176 J/kg K; hőátbocsátási tényező (a fűtővíz-légtér között) : 10,5 W/m 2 K; hőleadók hasznosítható felülete : 16,741 m 2 ; fűtőközeg folyadéktérfogat : 0, m 3 ; hőátbocsátási tényező (lakótér-környezet) : 0,586 W/m 2 K; hőátadó felület környezet felé : 116,58 m 2 ; levegő-sűrűség : 1,293 kg/m 3 ; levegő állandó nyomáson mért fajhő : 1012 J/kg K; légtér térfogat: 174,1m 3 ; hőátadási tényező (a légtér és a belső falazat között) : 2,72 W/m 2 K; a beltéri válaszfalak térfogata : 5,48 m 3 ; válaszfalak felülete : 45,63 m 2 ; a tégla fajhője : 880 J/kg K, ill. sűrűsége : 2500 kg/m 3 ; a szellőztetés légáramának, ill. a fűtővíz térfogatáramának munkaponti értéke: 0, m 3 /s, ill. 0,171 m 3 /s.

7 Képezve a kéttagú kifejezések szorzatát, eltekintve a másodrendűen kicsiny mennyiségektől, majd levonva előbbiekből az állandósult állapotokra vonatkozó egyenleteket, lineáris differenciál- egyenleteket nyertünk, melyekre alkalmaztuk a Laplace-transzformációt. Bevezetésre kerültek a Stanton-számként értelmezhető konstansok, s az áramló fűtővíz és a friss-levegő átlagos tartózkodási idejét jelentő időállandók:,,,,,,. A fűtőközeg kilépési hőmérsékletére rendezve a transzformált algebrai egyenleteket, összevetésükkel a légtér-hőmérséklet Laplace-transzformáltjára rendezett alakban nyertük az alábbi eredő átviteli függvényt, mely az egyes bemenetek transzformáltjait egymástól elkülönítetten tartalmazza:

8 Az előbbi kifejezésből leszármaztatjuk az alapjel-követésre vonatkozó és az egyes zavar- átviteli függvényeket. A Stanton-számok bevezetésével, s a munkaponti értékek figyelembevételével az állandósult állapotra vonatkozó hőmérleg a fűtőközeg:, a légtér:, s a beltéri falazat esetén:.

9 A munkaponti egyenletek értelmezése alapján :,,,. Az eredő átviteli függvénybe behelyettesítve a konstansként tekintett modell- paramétereket meghatározhatók a zavarátviteli, illetve az alapjel-követésre vonatkozó átviteli függvények. A légtér hőmérsékletére kifejtett hatása a belépő levegő hőmérséklet-változásának :, a fűtővíz belépési (előremenő) hőmérséklet-változásának:, a környezet hőmérséklet-ingadozásának:, a friss-levegő áram bevezetés, a szellőztetés igénybevételének:,

10 A fűtővíz árama - mint módosított jellemző – változtatásának a céljellemzőre gyakorolt hatása (alapjel-követésre vonatkozó átviteli függvény):. Az átviteli függvényeknek 3 részlettörtre bontott, gyöktényezős alakja:,,.

11 Időállandós formák:,,,,.

12 Az előbbi átviteli függvények az operátor-tartományban három, konstansokkal szorzott PT 1 jelátviteli tag összegeként tekinthetők, melyek általános alakban megadva:,, (ahol - az elsőrendű tagok időállandói). Digitális (mintavételes) irányítási rendszer megtervezéséhez, intelligens rendszerek szimulálásához, létrehozásához, működtetéséhez – a folyamatos elemet, esetünkben az átviteli függvényével jellemzett lakótéri objektumot – szükséges kiegészíteni tartó-, s mintavételező szervvel, majd meghatározni az így nyert tagcsoport impulzus-átviteli függvényét. Ez teszi lehetővé az irányítási algoritmussal működtetett objektum vizsgálatát, modellezését, számítógépes szimulációját, az optimális üzemeltetés meghatározását.

13 Az operátor-tartományban az összegzés elemek párhuzamos kapcsolódására utal. Így ebben az esetben egyenértékű kapcsolásként megadhatunk három párhuzamosan kapcsolt ágat, s az egyes ágakban zérusrendű tartót, mintavételezőket, s konstanssal szorzott PT 1 - tagokat tartalmazó tagcsoportot. Az előbbi általános alakban megadott átviteli függvények esetében a leszármaztatott impulzus-átviteli függvények általános alakja az alábbi: (ahol - mintavételi idő; ), s melyekbe a konstansokat behelyettesítve nyerjük a lakótéri dinamikákat is tartalmazó impulzus- átviteli függvényeket:,

14 ,. Az előbbi, az irányítandó objektumra (lakótér), mint szakaszra jellemző impulzus-átviteli függvényeket a közös nevezőre-hozás során polinom alakban felírva, a nyert impulzus-átviteli függvények alakja az alábbi:

15 ( ahol - az elsőrendű tagok időállandói ; - mintavételi idő; ). Az előbbiekben vázolt, a lakóteret jellemző „szakasz-dinamikák” alapján jellemeztük a végbemenő hőtechnikai változásokat, továbbá ezekhez illesztettük az irányítási rendszer algoritmusát, azok egyes alternatíváit. a

16 A hőtechnikai folyamatok számítógépes szimulációja Az eredeti, nemlineáris differenciál-egyenletek (nemlineáris modell), illetve a munkaponti linearizálással linearizált egyenletek (lineáris modell) adott feltételekre történő megoldása; a különböző üzemállapotok, beavatkozások, zavarások szemléltetése; a modell-megoldások összevetése; a tranziens lefutások közös koordináta-rendszerben történő ábrázolása. Lineáris modell nem számol az időfüggő változók szorzatával (ezeket „másodrendűen kicsiny” mennyiségként tekinti), de a lakótér fűtési időszakára definiált paraméter-beállítások, dinamikák, kisfrekvenciás időbeli változások esetén, s ezek szimulációja során nem mutatott számottevő eltérést a nemlineáris modelltől, az állapotteres leírással nyert megoldásoktól. A mellékelt futtatásokon megfigyelhető a zavarok hatása külön-külön és együttesen is, valamint az irányítandó objektum önálló, ill. különböző szabályozó algoritmussal történő működtetése.

17 A vizsgált objektumra a kétféle (nemlineáris, lineáris) modell-leírás és a - tranziensek lefutásaként szemléltethető - megoldásuk közötti csekély különbözőség indokolja, hogy a további épület-energetikai vizsgálatoknál, a több, egymástól részleges függetlenséggel működtetett lakótéri egységből felépülő épületek folyamatdinamikai modellezésénél kövessük e modellezési technikát, a tárgyalt munkaponti linearizálást. A 2. ábrán a lakótéri klímát befolyásoló bemeneti jellemzők (időbeli ingadozásuk következtében zavarást jelentő, ill. az előbbiek kompenzálására beavatkozási lehetőséget biztosító, időfüggő változók) ugrásszerű vizsgáló-jelként való megváltoztatására adott, a légtéri hőmérséklet alakulásában jelentkező válasz-függvények – átmeneti függvényekként – egymástól elkülönített dinamikákat szemléltetnek. A 3. ábrán a bemenetek időbeli jellege, alakulása a működtetett rendszerben tapasztalható tényleges változtatásokhoz igazodik (egyedi és együttes hatásuk követhető). A környezeti hőmérséklet napi, periodikus jelleggel történő ingadozása amplitúdójú szinusz-függvénnyel közelítve, a véges időtartamig tartó szellőztetés, valamint a lakás egyéb melegvíz-fogyasztásának belépésével jelentkező fűtővíz-hőmérséklet csökkenés ( ) jellegét négyszöglökésként definiálva. Az előbbiekre adott, a légtéri hőmérsékletben jelentkező válaszok a 3. ábra egyes diagramjain.

18 Belépő levegő hőmérséklet ugrás-válasz Fűtővíz előremenő hőmérséklet ugrás-válasz Környezeti hőmérséklet ugrás-válasz Friss-levegő térfogatáram ugrás-válasz Fűtővízáram ugrás- válasz 2. ábra. Zavarás-ugrás ill. módosított jellemző-ugrás bemenetre adott válasz- függvények: v 1 (t), v 2 (t), v 3 (t), v 4 (t), ill. v 5 (t).

19 3. ábra. A különböző zavarások tipikus jelszerű változtásának hatása a légtér hőmérsékletére a lakótér szabályozás-nélküli üzemeltetése során. Szellőztetés hatása Külső hőmérséklet változtatásának hatása Fűtővíz hőmérséklet- csökkenés hatása Zavarások együttes hatása

20 A 4. ábrán zavarás-mentes állapotban (bemeneti jellemzők munkaponti értékükön rögzítve), a különböző szabályozó algoritmussal (P-, PI- PID-) működtetett lakótéri objektum alapjel- követésre (a beállítandó lakótér-hőmérséklet -os ugrásszerű növelésére) vonatkozó válasz- függvényei szerepelnek a tényleges lakótéri hőmérséklet és a szabályozó-szelep nyitását követő módosított jellemző (fűtővízáram térfogatsebessége) tranziens lefutásának szemléltetésével. A szabályozó algoritmus beállított paraméterei (A R – a P-szabályozó arányossági átviteli tényezője; A I – az integráló szabályozó integrálási átviteli tényezője; A D, T * – a valóságos differenciáló elem (DT 1 jelátviteli tag) differenciálási tényezője, időállandója) nem az optimális beállítást (pl. minimális túllendülés, ill. beállási idő) jelentették, hogy jobban láthatók legyenek a lineáris, ill. a nemlineáris modell-megoldások között mutatkozó esetleges eltérések. Az 5. ábrán az előzőekben közölt szabályozó-paraméter beállítással és szabályozó algoritmussal (P-, PI- PID-) működtetett lakótéri objektum - ugyancsak a korábbiakban értelmezett alapjel-ugrásra és zavarójel-bemenetre vonatkozó - együttes válasz-függvényei szerepelnek a tényleges lakótéri hőmérséklet és a módosított jellemző tranzienseinek bemutatásával (szabályozó paraméterek: A R =2* m 3 /sK; A I =5,4*10 -8 s -1 ; A D =0,117 s; T * =0,3145 s).

21 4. ábra. Alapjel-ugrás követése szabályozott lakótérben különböző szabályozó algoritmusok alkalmazása esetén. Alapjel-követés P-szabályozóval (szabályozott jellemző, módosított jellemző) Alapjel-követés PI-szabályozóval (szabályozott jellemző, módosított jellemző Alapjel-követés PID-szabályozóval (szabályozott jellemző, módosított jellemző)

22 5. ábra. Az alapjel-követés (légtér- hőmérséklet alapértékének ugrásszerű megváltoztatására adott válasz) és az egymástól függetlenül fellépő zavarok kompenzálása különböző szabályozó algoritmusokkal (a környezeti hőmérséklet napi periodikus változása szinusz-függvénnyel közelítve). Alapjel-követés P-szabályozóval (szabályozott jellemző, módosított jellemző) Alapjel-követés PI-szabályozóval (szabályozott jellemző, módosított jellemző) Alapjel-követés PID-szabályozóval (szabályozott jellemző, módosított jellemző)

23 Konklúzió A szimulációs futtatások igazolták a lineáris és a nemlineáris modell-megoldások közötti hasonlóságot. Így a lakótér egyes működési módjainak, üzemállapotainak a - bemutatott és alkalmazott munkaponti linearizálás eredményeként - nyert matematikai modellekkel történő leképezése, ezek segítségével az irányítási stratégiák felállítása, s az irányított rendszer szimulációja viszonylag egyszerű matematikai módszerekkel és számítógépes apparátussal volt elvégezhető. Célunk továbbra is olyan, intelligens épületirányítási rendszer megtervezése, mely a lakótéri egyedi, sajátos dinamikák alapján építi fel a többlakásos, többszintes lakóépület topológiáját, könnyen módosítható, s képes alkalmazkodni a helyi, lakótéri (lakásonkénti) igényekhez. A kidolgozott identifikációs módszerek és modellezési technikák remélhetően további feladatainkhoz megfelelő alapot jelentenek.

24 KÖSZÖNÖM FIGYELMÜKET!

25 Irodalomjegyzék 1.Szakonyi L.: Intelligens lakótér folyamatdinamikája, Informatika a felsőoktatásban Konferencia, Debrecen, L. Szakonyi: Energetic model of an elementary pipe-segment of a steam-water network, Pollack Periodica, An International Journal for Engineering and Information Sciences. HU ISSN Akadémiai Kiadó, Budapest Vol. 2, No. 1, pp L. Szakonyi - I. A. Jancskar - Z. Sari: Energetic model for an elementary unit of a steamnetwork, Pollack Periodica, An International Journal for Engineering and Information Sciences. HU ISSN Akadémiai Kiadó, Budapest Vol. 1, No. 3, pp Szakonyi L. - Jancskárné A. I.: Folyamatirányítás (Mintavételes szabályozási rendszerek), PTE PMMK jegyzet, Pécs, A. V. Oppenheim, A. S. Willsky: Signals and systems, Prentice-Hall, 1982.

26

27

28

29

30

31

32


Letölteni ppt "Hőtechnikai folyamatszimuláció lakótérben Szakonyi Lajos, Sári Zoltán PTE Pollack Mihály Műszaki és Informatikai Kar"

Hasonló előadás


Google Hirdetések