طراحی و ساخت دستگاه کنترل هوشمند تاسیسات حرارتی™ O.T.G و بررسی عملکرد و تاثیرات آن بر مصرف انرژی سیستم حرارت مرکزی

طراحی و ساخت دستگاه کنترل هوشمند تاسیسات حرارتی™ O.T.G  و بررسی عملکرد و تاثیرات آن بر مصرف انرژی سیستم حرارت مرکزی

نادر پورمحمود1 ، جواد محمدحسني2، روح الله رضازاده3 ، يوسف رضايي تبار4 ، هوشیار میرزایی5

1 استادیار گروه مهندسی مکانیک ، دانشگاه ارومیهelevestra@gmail.com

2و5 دانشجوی ارشد مهندسی مکانیک ، دانشگاه صنعتی ارومیه elevestra@yahoo.com

3 شرکت اورمان تجهیزگستر، آدرس پست الکترونیکی ourmantg.co@gmail.com

4 كارشناس برق- ایران و دانشجوي كارشناسي ارشد مهندسي پزشكي دانشگاه خاورميانه آنكارا uruf59@gmail.com

چکیده  

دستگاه کنترل هوشمند تاسیسات حرارتی™O.T.G با هدف بهینه سازی مصرف انرژی در بخش سیستم های حرارت مرکزی ساختمانها و با در نظرگرفتن پارامترهای تاثیرگذار در تامین آسایش ساکنین و کاهش استهلاک تجهیزات این نوع سیستمها ، طراحی و ساخته شده و در یک واحد آموزشی-پژوهشی[1] جهت ثبت نتایج تجربی و بررسی تاثیرات آن درمصرف سوخت، نصب و مورد مطالعه قرار گرفته است. محل نصب حسگر داخلی برای کنترل دقیق پارامترهای آسایش ساکنین ساختمان با استفاده از روش تحلیلی مدل منطقه ای تعیین گردیده است. نتایج بررسی حاکی از کاهش نسبی 42 درصدی در مصرف سوخت سیستم حرارت مرکزی این واحد آموزشی- پژوهشی حین استفاده از سیستم کنترل هوشمند  ™O.T.G   است.

کلمات کلیدی : دستگاه کنترل هوشمند  ™O.T.G، بهینه سازی مصرف انرژی، مدل منطقه ای[2] ، کاهش مصرف سوخت

مقدمه

با توجه به نیاز مبرم بشر به بهره گیری از انرژی های حاصل از سوخت و با در نظر گرفتن محدودیت منابع تامین کننده این سوخت ها در سراسر دنیا به اهمیت درست استفاده کردن از این منابع ارزشمند می توان پی برد . امروزه از انرژی به عنوان یک پارامتر استراتژیک در عرصه روابط جهانی نام برده می شود و محدودیت منابع سوختهای فسیلی به عنوان اصلی ترین ذخایر مصرف انرژی و تجمع این منابع در نقاط خاصی از جهان ، زیر ساخت های پرهزینه سایر صورتهای انرژی و عدم دسترسی فراگیر به انرژیهای پاک به خصوص در کشورهای در حال توسعه هر روز بر اهمیت استفاده درست از سوختهای فسیلی افزوده است]1[. حدود 70 درصد از گاز طبیعی مصرفی و 40 درصد از کل منابع انرژی کشور به بخش ساختمان های مسکونی و واحدهای آموزشی اختصاص دارد[2]، این در حالی است که به دلیل قیمت پایین انرژی، عدم وجود الگوی صحیح  و فرهنگ مناسب مصرف آن،  عدم رعایت استانداردهای لازم در زمان طراحي، اجرا و ساخت تاسیسات مربوطه،  وجود مصالح ساختمانی نامرغوب و ... متوسط مصرف انرژی در کشورمان چندین برابر متوسط جهانی آن است.  بنابراین ضرورت بهنیه سازی مصرف انرژی دربخش ساختمان و مربوط به سیستم های حرارت مرکزی به عنوان یکی از پرطرفدارترین سیتسم های گرمایشی واحدهای ساختمانی،  بیش از پیش آشکارتر می شود. دستگاه کنترل هوشمند ™O.T.G با هدف مدیریت هوشمند ساختمان از لحاظ بار حرارتی به منظور ایجاد شرایط آسایش برای ساکنین ساختمان ، کاهش مصرف سوخت و کاهش استهلاک تاسیسات حرارت مرکزی طراحی و ساخته شده است. در این پژوهش پس از توصیف فضای نمونه  و بررسی ویژگیهای عملکردی و کنترلی دستگاه به تشریح مدل منطقه ای جهت تعیین دقیق محل نصب حسگر داخلی و معادلات حاکم پرداخته شده است. نتایج  بررسی داده های تجربی برمصرف سوخت سیستم حرارت مرکزی یک واحد آموزشی-پژوهشی در این تحقیق آورده شده است .

بررسی روشهای مختلف بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمان  

روشهای بهینه سازی مختلفی شامل استفاده از شیشه دوجداره با قاب آلومینیوم، شیشه دو جداره با قاب PVC، عایق حرارتی پشم شیشه برای عایق کاری لوله های آبگرم ساختمان، سیستم کنترل هوشمند موتورخانه، شیر ترموستاتیک رادیاتور و ... وجود دارد اما در بین این روشها دستگاه های کنترل هوشمند به دلیل عدم پرت سرمایه گذاری اولیه ، زمان کوتاه اجرای روش، دوره پایین بازگشت سرمایه ، عدم ارتباط عملکرد روش با مساحت ساختمان و... همواره از بهترین و ساده ترین روشهای بهینه سازی مصرف انرژی بوده و از نسبت صرفه جویی در هزینه ی سوخت به هزینه اجرای کمتری برخوردار است[3,4]. در زیر سه مورد از پرکاربردترین روشهای بهینه سازی انرژی از جهات مختلف مورد ارزیابی قرار گرفته اند.

شکل 1- مقایسه میزان صرفه جویی، هزینه اجرا و دوره بازگشت سرمایه برای واحد آموزشی-پژوهشی مورد مطالعه

عوامل موثر در ایجاد آسایش برای ساکنین

بدن انسان را می توان بسان یک ماشین گرمایی دانست که سوخت آن غذا و اکسیژن است. مقداری از انرژی تولید شده توسط واکنشهای شیمیایی در سیستم متابولیسم بدن، به کار مکانیکی- ماهیچه ای تبدیل می شود و مقداری دیگر به صورت انرژی گرمایی در می آید مازاد گرمای تولید شده باید به محیط منتقل شود تا هم عوامل حیاتی بدن بتوانند فعالیت خود را ادامه دهند و هم شرایط آسایش انسان فراهم گردد[1,2]. آمار نشان داده است که  در کشورهای صنعتی مردم 90 درصد از وقت خود را در خانه هایشان سپری می کنند بنابراین ایجاد شرایط آسایش ساکنین منازل همواره از اهمیت خاصی در کشورهای صنعتی برخوردار بوده است]6 .[ایجاد این شرایط بستگی به دو دسته پارامترهای انسانی و محیطی دارد پارامترهای محیطی شامل دمای هوا، رطوبت نسبی هوا، سرعت جریان هوا و دمای متوسط انتقال حرارت تشعشعی است و پارامترهای انسانی به نحوه و میزان فعالیت، نوع لباسها و پوشش انسان ارتباط دارد. پارامترهای محیطی می توانند به دو صورت، انرژی تولید شده در بدن را با انرژی اتلافی از سطح بدن که عمدتا با مکانیزم جابجایی اتفاق می افتد در یک سطح نگه دارند در این حالت گفته می شود که شخص در شرایط آسایش حرارتی به سر می برد.  این شرایط با توجه به رابطه (1) که رابطه سرمایش نیوتن نیز نامیده می شود به دو روش می تواند اتفاق بیافتد:

• ایجاد یک اختلاف دمای منطقی بین سطح بدن و محیط اطراف

• تغییر ضریب انتقال حرارت جابجایی

Q=h.A )T -T(1)                                        (

در بین پارامترهای تاثیرگذار در شرایط آسایش انسان،  دمای هوای داخل اتاق مهم ترین عامل بوده و به راحتی قابل کنترل است به همین خاطر است که تمرکز عمده متخصصین همواره بر کنترل این پارامتر موثر جهت ایجاد آسایش ساکنین بوده است. سرعت جریان هوا به صورت مستقیم و رطوبت نسبی هوا به صورت غیر مستقیم بر ضریب انتقال حرارت جابجایی تاثیر می گذارند. سهم انتقال حرارت تشعشعی در مقایسه با انتقال حرارت جابجایی بسیار کم است و عموما از آن صرف نظر می شود.

توصیف فضای نمونه   

فضای نمونه در واحد آموزشی-پژوهشی، به نحوی انتخاب شده است که از لحاظ حرارتی تلفات بیشتری نسبت به بقیه اتاقها داشته باشد و این بخاطر بالا بردن ضریب اطمینان برای گرم ماندن دیگر اتاقها است. شیشه ها در این اتاق همچون دیگر اتاقها از نوع دو جداره بوده، در ضلع شمالی طبقه سوم و در یک سالن بزرگ با شرایط دمایی ثابت و تا حدودی پایدار واقع است. دیوارهای خارجی  اتاق از دو سمت دارای انتقال حرارت جابجایی با محیط بیرون می باشد. طول، عرض و ارتفاع اتاق به ترتیب 5/4، 6/3 و 5/2 متر است و به اندازه کافی کوچک است تا از جریان هوا از طریق سالن به اتاق جلوگیری شود. یک پنجره با ابعادm 3×4/1 از جنس آهن که پانل آن در زمستان سرد و در تابستان گرم است، در بالای یک فن کویل واقع شده است. هیچ واحد گرمایشی توکار نیز وجود ندارد و فن کویل مذکور نیز  به صورت کاملا متقارن در اتاق و در زیر پنجره واقع گردیده است.

 ویژگیهای عملکردی و کنترلی دستگاه  

تصویری از دستگاه در زیر نشان داده شده است . دستگاه ساخته شده  علاوه بر حسگرهای مربوط به خارج ساختمان، آب گرم چرخشی ، آب گرم مصرفی و آب گرم برگشتی كه در اكثر سيستم هاي كنترلي موجود است مجهز به دو حسگر دیگر، یکی برای دمای داخلی ساختمان و دیگری خود دستگاه است .

شکل2- تصویری از دستگاه کنترل هوشمند ™O.T.G

 حسگرها از نوع  LM35 با دقت3/ . و SMT160 با دقت 7/0 به ترتیب در محدوده عملکرد صفر تا 150 و 40- تا 150 درجه سانتیگراد هستند. حسگر تعبیه شده در داخل دستگاه با بالا رفتن بیش از اندازه دمای قطعات الکترونیکی داخل آن هشدار می دهد و بدین وسیله مانع اختلال در عملکرد سیستم کنترلی خواهد شد. دمای کنترل شونده ترکیبی از دمای حس شده توسط حسگر داخل ساختمان  و دیگر حسگرهای ذکر شده با توابع ارزش متفاوت است. حسگر داخلی ساختمان عموما برای جلوگیری از عملکرد نادرست سیستم کنترلی حین تغییرات بلند مدت شرایط اتمسفریک درنظر گرفته شده که عموما در دیگر دستگاه های کنترل هوشمند به آن توجهی نمی شود. محل نصب همه حسگرها به جز حسگر داخل ساختمان کاملا مشخص است (شکل3). برای تعیین محل دقیق نصب حسگر داخلی ساختمان از هر سه مدل عددی، تحلیلی( مدل پیشنهادی) و تجربی استفاده می شود که در زیر به آن پرداخته شده است. مدل تحلیلی به عنوان مدل پیشنهادی در این پژوهش به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته است. پس از نصب حسگرهای دستگاه کنترلی در محل های مشخص شده اطلاعات عملکردی دستگاه از قبیل زمان روشن و خاموش شدن پمپها، بویلرها، دمای محیط بیرون و داخل اتاق، آب گرم چرخشی و آب گرم مصرفی توسط نرم افزار مربوطه[3]  قابل مشاهده است.

شکل 3- شماتیکی از فضای نمونه، حسگرها، دستگاه کنترلی و تجهیزات گرمایشی

شکل 6- خطوط انتقال جرم و انرژی در زیرحجم های مشخص شده

قانون اول ترمودینامیک برای تمامی زیر حجم ها[12] با توجه به شکل(1)  به صورت زیراست :

(2)

 دما  بر حسب درجه سلسیوس ، l تعداد زیرحجم ها ، m تعداد سطوح داخلی ، s تعداد منابع تهويه اي  و q تعداد واحدهای گرمایشی است . با بیان مسئله در فضای حالت داریم :

(3)

X بردار حالت ، U بردار اغتشاش ، D,E خروجی های سیستم و                 شار حرارتی است . ماتریس هایA,B  نیز از روابط زیر قابل محاسبه اند:

(4)

A ، A ،  Aو A به ترتیب بیانگر ترانهاده ماتریس جریان هوا ، ماتریس قطری مربوط به ترک جریان هوا از زیر حجم i ، ماتریس قطری ضرایب مبادله حرارتی بین زیرحجم i و سطوح در تماس با آن و ماتریس ترک جریان هوا از زیرحجم i به بیرون است . B ، B ، Bو B به ترتیب بیانگر ماتریس ضرایب مبادله حرارتی در m سطح ، ماتریس ورود هوای تازه به زیرحجم i و ماتریس منابع حرارتی در زیر حجم i هستند . ماتریس C ماتریس قطری متناظر با گرماهایی ویژه در زیرحجم i است. اما دبی های جرمی خروجی از واحدهای گرمایشی با توجه به نوع جریانهای خروجی به صورت زیر به دست می آید. [3,4] حل معادله (2) به همراه معادلات (5) و(6) و(7) در محیط     Matlab Simulink   انجام شده است.

برای توده های آزاد خروجی از واحد های گرمایشی:

(5)

برای جت ها با خاصیت شناوری مثبت ( واحدهای گرمایشی):

(6)

برای لایه مرزی با جابجایی طبیعی :

 (7)

x ، فاصله از مبدا فرضی تا توده هوای خروجی وz فاصله از مبدا فرضی تا جت شناوری است. C با توجه به نوع دیفیوزر بکار رفته در واحدهای گرمایشی و با توجه به آزاد یا دیواره ای بودن جت مقادیرمتفاوتی خواهد داشت. C یک ضریب بی بعد و مرتبط با لایه مرزی است. C ضریب جریان توده ای است. توان n نیز عدد بی بعد مرتبط با نوع جریان است. عدد بی بعد میزان نفوذ جت واحد گرمایشی است که از رابطه زیر به دست می آید:

  r و  dپارامترهای مرتبط با نوع سیستم گرمایشی اند.

(8)

ارتباط بین دما در لایه مرزی و دما در هوای منطقه اشغال شده و دمای جت دیواره ای به صورت زیر است:

 (9)

                     شکل7- شماتیکی از نحوه اجرای مدل تجربی

شکل 8- دمای حسگرهای مربوط به دیوار روبرویی و مرکز اتاق

تاثیرات سیتسم کنترلی طراحی شده در مصرف سوخت

نتایج بررسی گزارشات ثبت شده در دو دوره شش روزه  از يك ماه به صورت نمودارهایی در شکل 9 نشان داده شده است اولین نمودار مربوط به دمای آب گرم چرخشی که در داخل تانک آب گرم واقع شده است، دومین نمودار دمای هوای خارج از ساختمان یا دمای اتمسفریک در ضلع شمالی ساختمان را نشان می دهد، نمودار سوم بیانگر دمای آب گرم چرخشی در خروجی بویلر است و نمودار چهارم دمای حسگر داخلی ساختمان را نشان می دهد. دوره اول شش روزه  مربوط به زمانی است که دستگاه وارد مدار شده و عملکرد سیستم حرارت مرکزی توسط دستگاه در حال کنترل است و دوره دوم شش روزه مربوط عملکرد سیستم حرارت مرکزی در حالت عادی و یا به عبارتی تحت کنترل ترموستات است. دمای حس شده توسط حسگرهای مختلف همگی در نمودارپنجم از شکل 9 ترسیم شده تا تفاوت دمایی بین آنها به خوبی مشخص شود.

شکل9-دماهای ثبت شده از حسگرها در دو دوره 6 روزه

 دیگر موارد هدر رفت انرژیشکل 10- میزان صرفه جویی در مصرف سوخت و هزینه، در دو دوره 6 روزه

کارکرد دائم پمپ سیرکولاسیون یکی دیگر از دلایل هدررفت انرژی به صورت الکتریکی در ساختمان است که متاسفانه توجه اندکی به آن شده است. از نتایج این کارکرد دائم غیرضروری می توان به هدر رفتن مداوم انرژی از سیستم لوله کشی آبگرم بهداشتی که به تبع آن سوخت بیشتری برای کارکرد اضافی مشعلها و پمپها مصرف می شود اشاره کرد. همچنین گرمای تحمیلی به فضای ساختمان در فصل تابستان و به دنبال آن کارکرد اضافی سیستم سرمایشی ساختمان را نباید نادیده گرفت. بنابراین در ساختمانهای بزرگ با در نظر گرفتن الگوی مصرف و ظرفیت حرارتی بالای آب می توان به جای پمپاژ دائم، از پمپاژ پریودیک یا هوشمند بهره برد. در ساختمانهای کوچک می توان علاوه بر پتانسیل استفاده از کارکرد پریودیک با حفظ آسایش حرارتی، پمپ سیرکولاسیون آبگرم مصرفی را از مدار خارج کرد. دو حسگر نصب شده در مسیر خروجی پمپهای سیرکولاسیون برای بهره گیری از مزایای آن برای کاهش مصرف انرژی در دستگاه ™O.T.G در نظر گرفته شده است.

بحث و نتیجه گیری

در این تحقیق، دستگاه کنترل هوشمند ™O.T.G برای بررسی میزان تاثیرات آن درکاهش مصرف انرژی سیستم های حرارت مرکزی مورد بحث و بررسی قرار گرفت .  محل نصب حسگر داخلی با استفاده از مدل ترمودینامیکی منطقه ای تعیین گردید و نتایج به صورت تابعی از تعداد پارامترهای تاثیرگذار در بار حرارتی ساختمان در فضای حالت بدست آمد وتوسط Matlab Simulink حل گردید، همچنین ثبت نتایج حاصل از مصرف انرژی برای دوره های متوالی 6 روزه توسط نرم افزار مربوطه و مقایسه دو دوره کاربری، یکی تحت کنترل دستگاه و دیگری تحت کنترل ترموستات شاهد کاهش 42 درصدی در مصرف سوخت حرارت مرکزی بودیم. افزایش عمر تجهیزات گرمایشی و همچنین صرفه جویی مستقیم در مصرف برق با توجه به خاموش بودن پمپ های سیرکولاسیون در مواقع غیر ضروری و سیستم کنترل پریودیک آنها بر مزایای این نوع از سیستمهای کنترل هوشمند افزوده است که در این مقاله به آنها پرداخته نشده است.

مراجع

]1[- مستوفی زاده ،محمد  علی( مترجم ) شناخت سوخت گاز، چاپ اول 1376

[2]-سایت تاسیسات حرارتی ساختمان

 [3]- سایت www.danfoss.com 

[4]- مهدی مهرابی، محمد گلشاهی فر-مقایسه نسبی روشهای متداول بهینه سازی انرژی در ساختمان  

[5]-Hoppe P, Martinace I.Indoor climateand air quality.International Journalof Biometeorology1998;42:1-7

[6]-Omer Kaynakli, Muhsin Kilic. Investigation of indoor thermal comfort transient conditions          

 [6]- Riederer p,Couturier S, Marchio D . thermal modeling adapted to the test of HVAC control systems

[7]-Riederer p,Couturier S, Marchio D . Visier JC. Influence of sensor position in bulding thermal control : criteria for zone models . Clima 2000 , Naples , Italy , 2001

پارک علم و فناوری دانشگاه ارومیه  -[1]

[2]- Zonal Model

[3] -Smart Heater Manager

[4] - Computational Fluid Dynamics Model ( CFD)

[5]  - Well-mixed Model

[6] - Center Temperature

[7] - Sensor Temperature

[8] - Convection Phenomena

[9] - Free Plumes & Wall Plumes

[10]- Free or Mixed Convection  jets

[11]- Horizontal & Vertical, Isothermal & Non-isothrmal jets

[12] - sub volumes

[13] - Sensor Module