Анализ энергоэффективности в распределенном программно-аппаратном комплексе энергоменеджмента

 

УДК 910 (470.345)

 

 А.Ю. Харитонов  (ас.), Р.А. Родригес Залепинос (ас., асп.)

Донецкий национальный технический университет

Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.">donetskant@yandex.ru, rodriges@csm.donntu.edu.ua

 

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ И АНАЛИЗ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ В РАСПРЕДЕЛЕННОМ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОМ КОМПЛЕКСЕ ЭНЕРГОМЕНЕДЖМЕНТА МУНИЦИПАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

 

В статье представлен обзор программных продуктов в области мониторинга энергопотребления, рассматриваются вопросы создания информационной системы мониторинга энергоэффективности муниципальных объектов г. Донецка, а так же описываются результаты работы системы.

Энергоэффективность, автоматизированная система, мониторинг, сбор данных, COM-технология, диаграмма «Энергия-Температура»

 

Вступление

 

Решением Донецкого городского совета от 20.05.2008 № 19/14 «О программе по реализации энергосберегающих мероприятий на объектах бюджетной сферы» была утверждена Программа по реализации энергосберегающих мероприятий, в которой первоочередная роль была отведена проблеме теплоснабжения города, модернизации объектов бюджетной сферы за счет внедрения энергосберегающих технологий, автоматизации учета потребления энергоресурсов на объектах бюджетной сферы [2].

Одной из целей данной Программы является автоматизация учета потребления энергоресурсов на объектах бюджетной сферы, которая определяется наличием автоматических постов мониторинга энергопотребления и температурного режима в помещениях, системы передачи данных, централизованной базы данных и программных модулей, позволяющих производить анализ поступающей информации и прогнозирование потребления энергии. Информационной основой такой системы является база данных, периодически наполняемая как субъектами мониторинга, так и непрерывными данными, поступающими с автоматических постов [3]. Разработке данной системы и посвящена данная статья.

 

Обзор программных продуктов и систем

 

В настоящее время в мире функционирует большое количество программно-технических средств мониторинга над потреблением ресурсов и энергии.

Все программные средства учета энергии можно распределить на две основных группы – программы для персональных компьютеров и Интернет-услуги. Каждая группа имеет свои преимущества и недостатки.
Некоторые версии программ для персонального компьютера могут быть связаны с сервером (многопользовательские программы FASER, METRIX). Такие программы удобны для компаний, которые занимают большие территории, а также для правительственных и муниципальных организаций. Для использования Интернет услуг для учета энергии(Energy Watchdog, EnergyTrax, ENSI), нужная постоянная связь с Интернетом [1].

Большинство ограничиваются только учетом энергоресурсов и составлением отчетности (Utility Manager, METRIX, Stark Essentials и прочие), однако, некоторые из них позволяют производить анализ (FASER, ENSI и др.).  Виды анализа могут быть самые разные, в зависимости от поставленных задач.  Например, если Energy Watchdog и EnergyTrax  выполняют сравнительный анализ потребления, то METRIX обладает возможностью анализировать данные методом многовариантной линейной регрессии. Программа FASER анализирует корреляцию ежедневной температуры, а продукт ENSI строит диаграмму «энергия-температура». Более подробный обзор представлен в таблице 1.

 

Таблица 1. Обзор программных продуктов и систем

Наименование программы

Страна

Поддержка принятия решений

Платформа

Виды анализа

Цена

Utility Manager

США

Нет

СУБД Microsoft Access

Нет

$ 2500

METRIX

США

Установка бюджета и лимитов потребления

Прикладное ПО

Многовариантная линейная регрессия

$4,995.00.

FASER

США

Формирование бюджета

Прикладное ПО

Анализ корреляции ежедневной температуры

$3995

Stark Essentials Level 1

Великобритания

Формирование бюджета и прогнозирование движения средств

Прикладное ПО

Нет данных

Нет данных

EZ Sim

США

Прогнозирование счетов за коммун. услуги, установление колич. показателей, при проведении энергосберегающизх мероприятий

БД Microsoft Excel

использование счетов за коммунальные услуги для моделирования потребления ресурсов

$299

Energy Watchdog 

США

Нет

WEB-интерфейс

Сравнительный анализ потребления

Зависит от количества объектов

EnergyTrax

США

Нет

WEB-интерфейс

Сравнение данных

$700 за 1 объект

ENSI

Норвегия

Нет

WEB-интерфейс

ЭТ-диаграмма

Нет данных

Энергоплан

Украина

Нет

Прикладное ПО

Нет

250 тыс.грн

Постановка задачиинформационной модели

 

Все вышеперечисленные программы по процедуре обмена данными делятся на три группы:

- обмениваются данными через web-интерфейс (Energy Watchdog, EnergyTrax, ENSI);

- обмениваются данными в ручном режиме через файлы данных (Энергоплан);

- не обмениваются данными (METRIX, FASER).

При создании автоматизированной системой учета потребления энергоресурсов бюджетной сферы города Донецка были поставлены следующие условия с точки зрения сбора данных:

- сбор должен был быть полностью автоматизирован, ввиду большого числа субъектов мониторинга;

- не во всех объектах бюджетной сферы присутствует сеть Internet, а если он имеется, то компьютер, на котором работает ответственный, не подключен к нему, поэтому передача данных не должна зависеть от времени [5].

Для решения данной задачи была создана и реализована информационная модель, описанная ниже.

 

Построение и реализация информационной модели

 

Информационная модель автоматизации передачи данных представлена на рисунке 1. Здания школ г. Донецка оснащены счетчиками и  термометрами. С датчиков в автоматическом либо ручном режиме регулярно снимаются показания. Показания передаются через Интернет и попадают в базу данных системы.

Рисунок 1. Информационная модель автоматизации передачи данных

Рисунок 2. Одна итерация обработки электронного письма

 

Предложенная выше информационная модель реализована следующим образом (рисунок 2).

Оператор регулярно снимает показания с датчиков (ручной режим) и сохраняет их в локальный файл базы данных формата MSAccess. Файл архивируется и отсылается по электронной почте на адрес, специально выделенный для рассматриваемых целей. Оператор серверной части данного программно-аппаратного комплекса периодически инициирует макрос MSAccessдля автоматического получения и обработки архивов от всех муниципальных объектов, с добавлением содержащейся в них информации в базу данных системы.

Макрос посредством COMтехнологии запускает MSOutlookи просматривает письма из папки «Входящие». Для каждого еще не обработанного сообщения, тема которого удовлетворяет заданным критериям, выполняется просмотр всех вложенных в него файлов. Каждое вложение должно представлять собой файл формата «*.mdb» со снятыми показаниями за определенный период либо архив формата «*.rar», в котором запакован «*.mdb»-файл.

При обнаружении подходящего вложения выполняются следующие действия. По команде макроса MSAccess (1) приложение MSOutlookсохраняет файл вложения во временный каталог А (2). Тот же макрос запускает специально разработанное Javaприложение (3) для обработки сохраненного вложения. Если файл является архивом формата «*.rar», то Javaприложение запускает Rarархиватор (4) для распаковки архива во временный каталог В (5). Распаковка в отдельный каталог нужна для того, чтобы имя файла «*.mdb» могло быть произвольным (минимизация влияния человеческого фактора) и обработки ситуации содержания в архиве нескольких файлов. Корректный файл «*.mdb» из распакованного архива перемещается во временный каталог С (6). Показания из него добавляются в основную базу данных другим макросом MSAccess (7).

 

Построение и реализация математической модели анализа энергопотребления

 

Основной инструмент системы энергетического мониторинга – диаграмма «Энергия-Температура»; ЭТ – диаграмма (ЭТ-кривая).

На горизонтальной оси отклады­вается «Средняя наружная темпе­ратура» (воздуха) за [ºC], а на вертикальной оси - «Расход энергии» на отапливаемую площадь [Гкал].

ЭТ-диаграмма показывает зафиксированный расход энергии и соответствующую наружную температуру в течение дня. Полученная в результате измерений линия, получила название «ЭТ-кривая» [4].

В течение отопительного периода расход энергии растет с понижением наружной температуры. При увеличении наружной температуры расход энергии уменьшается, приближаясь к минимальному уровню, в период отсутствия отопления. Для каждого здания существует единственная (уникальная)  ЭТ-кривая. Для того чтобы построить ЭТ-кривую для здания, требуется информация о наружной температуре и теплопотребление.

Кроме действительной ЭТ-диаграммы для анализа энергоэффективности теплопотребления здания используется расчетная ЭТ-диаграмма, которая строится на основании теплового баланса здания, который выражается следующими уравнениями:

,                                                  (1)

где  - тепловой поток, который теряется зданием в окружающую среду, кВт (Мкал/ч);  - удельная отопительная характеристика здания, Вт/(м3∙К); Vзд – объем здания по наружному обмеру, м3.

Компенсация этих потерь, осуществляется за счет подачи тепловой энергии из тепловой сети:

,                                                           (2)

где  – расход воды в сети отопления, т/ч (кг/с), с – теплоемкость воды, кДж/кг∙К (в рабочем интервале температур изменяется незначительно и может приниматься равной 4,19 кДж/кг∙К).

Для передачи тепла непосредственно в помещениях здания используются отопительные приборы (радиаторы, конвекторы). Тепло, передаваемое отопительными приборами, определяется выражением:

,                                                             (3)

где  – средний коэффициент теплопередачи от воды, циркулирующей в отопительных приборах к воздуху в помещениях, Вт/(м2∙К) или ккал/(ч∙м2∙К); F – площадь теплообменной поверхности отопительных приборов, установленных в здании, м2;  – среднелогарифмический температурный напор между отопительными приборами и воздухом помещений.

В стационарном режиме, при отсутствии дополнительных внутренних источников тепловыделения, прогрева помещений за счет солнечной инсоляции и т.д.:

.                                                       (4)

         Поскольку тепловой счетчик фактически фиксирует тепло, отдаваемое отопительными приборами с учетом передачи тепла от труб внутреннего отопительного контура (а оно также может быть учтено в формуле (4)), то в любом режиме:

.                                                              (5)

         Таким образом, определив экспериментально среднюю температуру внутри здания при отсутствии внутренних тепловыделений (лучше всего подходит ночное время при отсутствии осадков и сильного ветра), находится температурный напор от отопительной системы здания и с учетом (5) вычисляется значение комплекса:

.                                                          (6)

         Действительный параметр  отопительной системы, (который определяет теплоотдачу отопительной системы ) определяется в расчетных условиях [2 ]:

.                                                (7)

При этом внутренний отопительный контур должен быть в нормальном состоянии (промыт, отремонтирован, отопительные приборы не должны быть загромождены и т.п., то есть быть в состоянии нормальной эксплуатации). В таком случае  будет постоянной величиной в любом режиме и при любых температурных условиях. Снижение данной характеристики в дальнейшем будет свидетельствовать о засорении отопительных приборов и необходимости их промывки или ревизии.

Внутренние тепловыделения в здании с определенной степенью точности могут быть определены по следующей формуле:

,                                                   (8)

где  – средняя температура в здании, которую создает система отопления без учета внутренних источников тепла.

Произведение  является отопительной характеристикой здания. Данная характеристика, определенная как:

,                                                         (9)

должна оставаться в стационарном режиме отопления постоянной величиной. Изменение данного показателя будет свидетельствовать об изменении термического сопротивления конструкции здания, что может быть следствием сильного ветра, намокания ограждений и т.п. Однако, отопительная характеристика здания, рассчитанная только на основании данных теплового счетчика, обычно дает значительный разброс значений. В связи с этим, действительная характеристика определяется как средняя за весь отопительный период [6].

На основании отопительной характеристики здания определяем расчетную отопительную нагрузку здания, которая служит основой для формирования расчетной ЭТ-диаграммы:

,                                                    (10)

 

Анализ теплопотребления как результат работы информационной системы

 

В качестве иллюстрации рассматривается работа информационной системы путем анализа эффективности теплопотребления школ Ворошиловского района г. Донецка.

Для анализа теплопотребления используются 4 характеристики:

1.     Фактическое потребление школы;

2.     Норма потребления по СНИП за год;

3.     Количество тепла в год по расчетной ЭТ-диаграмме;

4.     Количество тепла в год по действительной ЭТ-диаграмме.

Рассмотрим более подробно эти характеристики.

1. Фактическое потребление школы по данным оплачивающих организаций берется из счетов, в которых указаны натуральные показатели.

2. Норма потребления по СНиП 2.04.07-86 “Тепловые сети” за год берется из таблицы «Нормы потребления теплоты на отопление административных зданий и сооружений в Гкал/(м3.год) на отопительный период». Норма потребления по СНИП за год, Гкал представлена в результирующей таблице 3.

3. Количество тепла в год по расчетной ЭТ-диаграмме определяется исходя из расчетных ЭТ-диаграмм, построенных на основании уравнений теплового баланса здания. К каждой диаграмме строится линия аппроксимирующего линейного тренда. Полученные в результате тренда линейные уравнения представлены на таблице 2.

Поскольку ЭТ-диаграммы строятся на основании часового потребления электроэнергии и каждая точка на кривой указывает потребление энергии в час для определенного дня то возникает необходимость перевода часовых характеристик потребления тепла в школе в годовые. Для этого необходимо знать количество отапливаемых часов в школах исходя из норм отопительного сезона.

ЭТ-диаграммы строятся на соответствии потребленной энергии к температуре окружающей среды. Таким образом, необходимо использовать для расчетов среднемесячную температуру, по данным Гидрометеоцентра.

Далее из таблицы уравнений 2, подставляя вместо х среднюю температуру, получаем расчетное количество тепла по ЭТ- диаграмме. Расчетное количество тепла по ЭТ- диаграмме за каждый месяц представлено в таблице 3.

4. Количество тепла в год по действительной ЭТ-диаграмме строится для контроля правильности методики расчета. Расчет ведется аналогично предыдущей методике, только уравнения тренда строятся для действительных (измеренных) данных. Результат расчета данной характеристики также представлен в таблице 3.

 

Таблица 2. – Расчетные и действительные характеристики

Здания школ

Формула аппроксимирующего линейного тренда расчетнойЭТ-диаграммы

Кол-во Гкал всего в год по данным расчетной ЭТ-диаграммы

Формула аппроксимирующего линейного тренда действительной ЭТ-диаграммы

Кол-во Гкал всего в год по данным действительной ЭТ-диаграммы

Ошибка аппроксимации реальных данных

 
 
 
 

ОШ №3

y = -4,1555x + 74,799

323,2958

y = -3,5983x + 86,658

359,2589

0,0867

 

Гимназия №15

y =  -5,3699x + 96,659

407,6043

y = -4,6512x + 92,592

387,9623

0,5795

 

Гимназия №18

y = -4,2467x + 76,441

322,3087

y = -3,006x + 93,349

382,4295

0,12

 

УВК КОРН

y = -4,9797x + 89,634

377,916

y = -2,5595x + 72,569

298,5809

0,2226

 

УВК №5 (корпус1)

y = -11,345x + 204,21

861,14

y = -6,2258x + 203,5

830,4906

0,3007

 

УВК №5 (корпус2)

y = -0,9646x + 17,364

73,18349

y = -0,7147x + 19,741

81,3072

0,1409

 

ОШ №9

y = -12,172x + 219,09

923,8896

y = -7,0246x + 181,29

749,0794

0,5622

 

УГК (корпус1)

y = -4,2483x + 76,47

322,4687

y = - 3,7015x + 67,381

283,9294

0,6133

 

УГК (корпус2)

y = -4,3902x + 79,023

333,1939

y = -5,0319x + 100,76

422,0271

0,3842

 

УГК (корпус3)

y = -3,3713x + 60,683

255,8779

y = -2,4804x + 94,84

385,8311

0,0762

 

Лицей№22

y = -5,4563x + 98,213

414,1259

y = -4,394x + 102,63

426,1713

0,6897

 

УВК №1 (корпус1)

y = -0,6222x + 24,933

101,2715

y = -0,9302x + 32,166

131,2846

0,244

 

УВК №1 (корпус2)

y = -2,6257x + 65,105

269,5021

y = -1,4987x + 70,528

285,1519

0,1321

 

УВК №1 (корпус3)

y = -0,3104x + 16,698

67,26147

y = -0,6235x + 20,57

84,09874

0,1961

 

ОШ №13

y = -4,305x + 77,49

326,7449

y = -3,9655x + 91,455

379,4719

0,3562

 

ДСФМШ №17

y = -6,8609x + 123,5

520,7902

y= -4,5761x + 111,23

460,9417

0,3325

 

ОШ №2

y = -4,29x + 77,221

325,5529

y = -3,2738x + 102,08

418,3226

0,72

 

ОШ №14

y = -5,6117x + 101,01

425,944

y = -4,0412x + 111,58

459,6084

0,5172

 

 

В результате получили сведенную таблицу вышеуказанных четырех показателей.

 

Таблица 3 – Сведенные показатели анализа потребления, Гкал

 

Факт по данным РОО

Норма потребления по СНИП за год

Кол-во Гкал всего в год (по расчетной ЭТ-диаграмме)

Кол-во Гкал всего в год (по действительной ЭТ-диаграмме)

ОШ №3

264,19

445,295

323,295804

359,25888

Гимназия №15

328,26

252,7866

407,604334

387,9623

Гимназия №18

328,07

451,60395

322,308672

382,429541

УВК КОРН

329

230,1885

377,915976

298,580928

УВК №5

810,98

742,095

934,323444

911,797821

ОШ №9

710,81

712,908

923,88961

749,079437

УГК

930

558,44138

911,540539

1091,78753

Лицей№22

481,92

1072,9224

414,125928

426,171259

УВК №1

628,6

712,057

438,035071

500,53524

ОШ №13

347,43

1317,325

326,74488

379,47192

ДСФМШ №17

479,04

554,829

520,790199

460,941702

ОШ №2

409,3

1817,92

325,552872

418,322616

ОШ №14

425,13

1397,043

425,944008

459,608352

 

Для определения наименее энергоэффективных школ воспользуемся 2-мя числовыми характеристиками, полученными в результате анализа ЭТ-диаграмм: величиной достоверности аппроксимации данных действительной ЭТ-диаграммы и разницей действительной и расчетной ЭТ-диаграммы в процентах по отношению к действительной ЭТ-диаграмме.

Величина достоверности (ошибка) аппроксимации рассчитывает статистику для ряда с применением метода наименьших квадратов, чтобы вычислить прямую линию, которая наилучшим образом аппроксимирует имеющиеся данные (таблица 2).

Аппроксимация данных действительной ЭТ-диаграммы показывает несбалансированность отопительной системы. Коэффициенты аппроксимации для каждого здания предсталены в таблице и на графике. Чем ближе величина достоверности аппроксимации к 0, тем выше временная несбалансированность системы. Временная несбалансированность системы проявляется следующим образом: когда происходит изменение температуры окружающей среды, количество тепла, подаваемого школе не будет изменяться так же оперативно. В результате появляется запаздывание, несоответствие подаваемого тепла текущей температуре.

Проблемы, которые выявляет величина достоверности аппроксимации (ошибка аппроксимации) данных действительной ЭТ-диаграммы – отсутствие своевременного регулирования, разбалансировка системы.

 

 

Рисунок 2 – Ошибка  аппроксимации действительной ЭТ-диаграммы

 

Для анализа работы отопительной системы на рисунке 3 представлена разница ЭТ диаграмм (на сколько перетопили), в процентах по отношению к действительной ЭТ-диаграмме.

 

 

Рисунок 3 – Разница ЭТ диаграмм (на сколько перетопили), % по отношению к действительной ЭТ-диаграмме

 

Данная разница показывает, насколько перетопили или недотопили различные здания. При этом не учитывается предыдущий показатель величины достоверности аппроксимации. То есть система может быть настроена и работать со своевременными реагированием на температуру окружающей среды, однако при этом может не додавать тепла, либо тепло может теряться и т.п. Согласно данным, предоставляемым теплосетями, тепло подается во все школы согласно температурных графиков, поэтому будем определять этим показателем теплопотери зданий.

 

Выводы

 

На основе анализа программных продуктов в области анализа энергопотребления, а так же на основании поставленных задач разработано программное обеспечение, позволяющее непрерывно анализировать текущее состояние энергопотребления для зданий объектов бюджетной сферы. Данное программное обеспечение анализирует все школы  г. Донецка.

Информационная система позволяет реализовать вышеописанный алгоритм по каждому зданию, относящемуся к организациям бюджетной сферы, проводить формирование и представление обобщенных данных о расходах энергоресурсов, выполнять краткосрочный и долгосрочный прогноз ресурсо- и энергопотребления города, осуществлять информационную поддержку при обосновании мероприятий по энергосбережению.

 

Список литературы

 

1.                      Практическое руководство по повышению энергоэффективности муниципальных систем / Под ред. А.С. Копеца и Р.В. Кишканя. – Донецк, 2007. – 204 с.

2.                      Указ Президента Украины «О решении Совета национальной безопасности и обороны Украины от 30 мая 2008 года «О состоянии реализации государственной политики по обеспечению эффективного использования топливно-энергетических ресурсов» № 679/2008 от 28 июля 2008 года.

3.                      Стратегия развития г. Донецка на период до 2020 г. / Под ред. А.И. Амоша. – Донецк: Донецкий городской совет. – 2008. – 308 с.

4.                      Сафьянц С., Аверин Г., Харитонов А. и др. Отчет о научно-исследовательской работе “Автоматизация учета потребления энергоресурсов бюджетной сферы г. Донецка”. – Ч. 1. – 2008. – 162 с.

5.                      Харитонов А.Ю. К вопросу создания эффективных автоматизированных систем для получения энергии / А.Ю. Харитонов // Науч. труды  Донецкого Национального технического университета. – 2008. – №9. – С. 292–295.

6.                      В.Е. Козин, Т.А. Левина и др. Теплоснабжение: Уч. пос. для студентов вузов. – М.: Вс. шк., 1980. – 408 с.

 

 

 

Поступила в редакцию 24.11.2010 р.          Рецензент:

А.Ю. Харитонов, Р.А. Родрігес Заліпиніс

Донецький національній технічний університет

 

Автоматизація передачі даних і аналіз енергетичної ефективності в розподіленому програмно-апаратному комплексі енергетичного менеджменту муніципальних об'єктів.

У статті представлений огляд програмних продуктів в області моніторингу енергоспоживання, розглядаються питання створення інформаційної системи моніторингу енергоефективності муніципальних об'єктів м. Донецька, а так же описуються результати роботи системи.

Енергоефективність, автоматизована система, моніторингу, збір даних, COM-технологія, діаграма «Енергія-Температура»

 

AKharytonov, R.A. Rodriges Zalipynis

Donetsk National Technical University

 

Data transfer automation and energy efficiency analysis in distributedsoftware and hardware energy management complex of municipal institutions. This paper gives a survey of software products for power consumption monitoring, addresses the development of an information system for energy efficiency monitoring of municipal institutions in Donetsk City, and also describes the results of the system operation.

Energy efficiency, automated monitoring system, data collection, COM-technology, «Energy-Temperature» chart

 

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Мы в соцсетях:

rss   фейсбук   твиттер   

 
 
Зеленые Здания
001047930
Сегодня
Вчера
Этот месяц
Всего
212
1151
16300
1047930

Ваш IP: 54.91.38.173
Server Time: 2017-12-11 02:07:19