Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Термодинамическая модель дома




Введение

Курсовую работу "Синтез автоматизированной системы управления отопления и кондиционирования воздуха в жилом помещении" по курсу «Теория автоматического управления» студенты выполняют после изучения основных разделов теории линейных систем и принципов построения систем управления в среде Matlab/Simulink с целью закрепления материала, пройденного в лекционном курсе, и применения теоретических знаний к решению практических задач. В ходе выполнения работы студент должен:

1. Четко сформулировать поставленную перед ним задачу.

2. Составить структурную схему в среде Matlab/Simulink в соответствии с заданием.

3. Произвести расчет коэффициентов термодинамической системы дома.

Законченная работа должна быть оформлена в виде расчетно-пояснительной записки, содержащей 15-20 страниц, иллюстрированную рисунками, таблицами с результатами, схемами и др. Содержание записки определяется заданием, уточненным преподавателем к конкретному варианту и дополненное введением, выводами по работе, списком использованной литературы, описанием программных средств.

Основные понятия и краткие теоретические сведения

 

В данной работе проектируется имитационная модель автоматической системы управления температуры внутри помещения. В данной модели предусматривается наличие подсистем, которые моделируют температуру окружающей среды, термических характеристик помещения, здания и моделирование системы отопления и кондиционирования. В качестве среды проектирования и моделирования системы используется программная среда визуального программирования Matlab/Simulink. При разработке модели необходимо учитывать:

· физическую структуру (габариты) здания и его характеристики;

· источники тепла;

· теплопроводность системы;

· стоимость электроэнергии.

 

Теплообменный процесс в системе можно представить, как это показано на рисунке ниже.

·

· Рисунок 2.1 Теплообменные процессы в системе. Toutside – температура снаружи, K. Tinside – температура внутри, K. ΔT – Изменение температуры, K. Q – тепловой поток, Вт/м2.

Тепловой поток (Q)— количество теплоты, переданное через изотермическую поверхность в единицу времени, [ Вт/м2].

Теплопроводность (k)- это перенос энергии, который происходит от более нагретых частей тела к менее нагретым. Это происходит в результате движения тепла и взаимодействия между его составляющими частицами. Процесс теплопроводности приводит к равномерности температуры всего тела. Как правило, количество энергии, которая подлежит переносу, определяется в качестве плотности теплового потока, пропорциональному градиенту температуры. Коэффициент такой пропорциональности называется коэффициентом теплопроводности. Численная характеристика теплопроводности материала равна количеству теплоты Q, проходящей через материал площадью 1 кв.м за единицу времени (секунду) при единичном температурном градиенте. Таким образом k = (Ватт/Кельвин) /метр= [Вт/(м·K)]. При этом Вт=Дж/сек.

Так же применяется понятие коэффициент теплопотерь, которое представляет определяет значение передачи тепла через квадратный метр материала. Данный коэффициент известен так же, как U-коэффициент (U-value), и имеет широкое применение (в Европейской практике) для оценки теплоизоляции (так же тепло и энергоэффективности здания) и измеряется соответственно в [Вт/(м2·K)]. Хорошо изолированные части здания имеют малое значение теплопроводности, плохо изолированные – большое значение. Теплообмен в системе можно описать следующим выражением:

Φ = A × U × (Tinside – Toutside), (2.1)

где Φ – величина переданного-принятого тепла, [Вт]. U - коэффициент теплопередачи, [Вт·K/м2]. Tinside и Toutside – температуры внутри и снаружи, А – площадь поверхности, м2.

Коэффициент U связан с теплопроводностью следующим образом:

U=k/Lwall, (2.2)

где Lwall – толщина cтен, перекрытия, м.

 

Термическое сопротивление или тепловое сопротивление, R - это способность тела (его поверхности или какого-либо слоя) препятствовать распространению теплового движения молекул. Тепловое сопротивление характеризует теплоизоляцию и определяется как отношение изменения температуры к величине теплового потока по формуле:

, (2.3)

где - величина изменения температуры, К. Измеряется R =K/Вт/м2= м2K/Вт.

Тепловое сопротивление и коэффициент U связаны как:

, (2.4)

Типичные значения коэффициента тепловых потерь следующие:

Таблица 2‑1 Значения коэфициента U в зависиомсти от материала

Вид и качество материала (толщина 100 мм) коэффициент U, Вт/м²K
Однослойное стекло: 5.7
Однослойное стекло в раме 4.5
Двухслойное стекло 3.3
Трехслойное стекло 1.8
Рама 4.98
Хорошо изолированная крыша 0.15
Плохо изолированная крыша 1.0
Хорошо изолированные стены 0.25
Плохо изолированные стены 1.5
Хорошо изолированный пол 0.2
Плохо изолированный пол 1.0

 

Значения коэффициента теплопотерь изоляционных материалов для стен:


Таблица 2‑2 Значения коэфициента теплопроводности в зависиомсти от материала теплоизоляции

Материал стены Коэфф. Требуемая толщина стен, м

теплопроводности,

R [Вт/(м·K)]

Пересчет коэффициентов для заданных параметров для всей поверхности стены происходит по следующему выражению:

Rwall=Lwall/(U*A), (2.5)

Где Rwall – тепловое сопротивление стены [K/Вт], Lwall – толщина cтен, перекрытия, м, А – площадь поверхности, м2.

Расчет сопротивления для всего помещения дома происходит в соответсвии со следующим образом:

1. Расчитывается сопротивление отдельных частей (R1 – сопротивление стен, R2 - сопротивление крыши, R3- сопротивление окон).

2. Общее сопротивление расчитывается аналогично сопротивлению параллельно соединенных сопротивлений в электрической цепи:

(2.6)

 

Схематично общее эквивалентное сопротивление можно представить, как это показано на данном рисунке:

Рисунок 2.2

Термодинамическая модель дома

Термодинамическая модель дома позволяет моделировать изменение температуры внутри жилого здания в результате влияния температуры окружающей среды и работы системы отопления и кондиционирования под управлением регулятора. Модель базируется на дифференциальных уравнениях термодинамических процессов, протекающих внутри здания. Уравнение тепловых потерь определяется следующим выражением:

, (2.7)

где - величина потерь, Дж/с;

Troom – температура внутри помещения, С;

Tout – внешняя температура, С;

Req – эквивалентное (приведенное для всего помещения) термическое сопротивление.

 

Дифференциальное уравнение состояния температуры внутри помещения выражается следующим образом:

 

(2.8)

 

где

MAIR – масса воздуха;

С – теплоемкость воздуха = 273 К=1005.4 Дж/кг К;

dQlosses/dt – изменение тепловых потерь, определяемые выражением (2.7);

dQheater/dt – изменение теплового потока от обогревателя.

Схематично в Simulink модель дома можно представить, как это показано на рисунке ниже.

Рисунок 2.3 Модель дома в Simulink. HeaterIn – вход с обогревателя, OutDoor Temp – температура окрыжающей среды, Room Temp – температура внутри помещения.

 

Исходная температура дома (TinIC) устанавливается, как начальное условие (Initial Condition) блока интегрирования 1/S.

Рисунок 2.4 Установка исходной температуры TinIC

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...