А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

Препис

1 РУСЕНСКИ УНИВЕРСИТЕТ АНГЕЛ КЪНЧЕВ Факултет Електротехника, електроника и автоматика маг. инж. Явор Бранимиров Нейков ОБОСНОВАВАНЕ НА ЕЛЕКТРОННА СИСТЕМА ЗА ОЦЕНКА НА ЕНЕРГИЙНИТЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНИ ПРОЦЕСИ В ЖИВОТНОВЪДНИ СГРАДИ А В Т О Р Е Ф Е Р А Т на дисертация за присъждане на образователната и научна степен доктор Русе 2013

2 РУСЕНСКИ УНИВЕРСИТЕТ АНГЕЛ КЪНЧЕВ Факултет Електротехника, електроника и автоматика маг. инж. Явор Бранимиров Нейков ОБОСНОВАВАНЕ НА ЕЛЕКТРОННА СИСТЕМА ЗА ОЦЕНКА НА ЕНЕРГИЙНИТЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНИ ПРОЦЕСИ В ЖИВОТНОВЪДНИ СГРАДИ А В Т О Р Е Ф Е Р А Т на дисертация за присъждане на образователна и научна степен доктор Област на висшето образование: 5. Технически науки, Професионално направление: 5.2. Електротехника, електроника и автоматика, докторска програма Електронизация (по отрасли и научни специалности) Научен ръководител: проф. д.т.н. инж. Кондю Йорданов Андонов Рецензенти: 1. проф. д-р инж. Иван Борисов Евстатиев 2. проф. д-р инж. Анатолий Трифонов Александров Русе, 2013 г.

3 Дисертационният труд е с обем 120 страници и се състои от увод, четири глави, общи изводи, приноси и списък на цитираната литература със 122 заглавия, 47 от които на кирилица и 75 на латиница. Дисертацията съдържа 38 фигури, 3 таблици и 115 формули. В автореферата всички означения, номерацията на фигурите, таблиците и формулите са според означенията в дисертацията. Докторантът работи като главен асистент по дисциплината Полупроводникови елементи към катедра Електроника на факултет Електротехника, електроника и автоматика при Русенския университет Ангел Кънчев. Води занятия по дисциплините Сигнали и системи, Електронни устройства за управление на алтернативни източници на енергия и др. Бил е докторант в същата катедра. В тази катедра са извършени и изследванията по дисертацията. Дисертационният труд е обсъден на г. от разширено научно звено, сформирано от членовете на катедра Електроника и членове на катедра ЕСЕО към Русенски университет Ангел Кънчев и насочен за защита пред научно жури. Защитата на дисертационния труд ще се състои на.. от. часа в зала.. на Русенски университет Ангел Кънчев. Материалите на докторанта са на разположение на заинтересованите в канцеларията на катедра Електроника. Авторефератът е публикуван в сайта за развитие на академичния състав на университета. Автор: маг. инж. Явор Бранимиров Нейков Заглавие ОБОСНОВАВАНЕ НА ЕЛЕКТРОННА СИСТЕМА ЗА ОЦЕНКА НА ЕНЕРГИЙНИТЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ТЕМПЕРАТУРНО- ВЛАЖНОСТНИ ПРОЦЕСИ В ЖИВОТНОВЪДНИ СГРАДИ Тираж: 20 бр. Издателски център на Русенски университет Ангел Кънчев. 3

4 ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД Актуалност на проблема. За изхранване на бързо увеличаващото се население на Земята са необходими нарастващи количества месо от домашни животни, включително и птици. В много райони на света климатичните фактори не са подходящи за целогодишно отглеждане на животинската продукция в свободни условия. Използването на фосилни горива за поддържане на необходимия микроклимат непрекъснато увеличава себестойността на произведената продукция поради количествено изчерпване и растяща цена на конвенционалните енергийни ресурси. Липсват енергийно-ефективни критерии за оценка на енергийното съвършенство на влажния въздух при климатизация на животновъдните помещения с оглед на оптимизираното управление на въздушния обмен съобразно енергийния потенциал на атмосферния въздух. Търсенето на алгоритми и внедряването на електронна система за оценка на енергийните характеристики на температурновлажностните процеси в животновъдна сграда е предпоставка за решаване на сложния въпрос с поддържането на необходимите параметри на микроклимата при минимален разход на енергия. Цел и задачи на работата. Целта на дисертационния труд е да се обоснове модел и електронна система за оценка на енергийните характеристики на температурно-влажностните процеси в животновъдни сгради чрез обобщен векторен критерий. За постигане на поставената цел е необходимо да се решат следните задачи: 1. Обосноваване на критерии за оценка на енергийното състояние на влажния въздух при климатизация на животновъдни сгради. 2. Разработване и изследване на модел за оценка на енергийните показатели и характеристики на температурновлажностен процес в животновъдна сграда. 3. Разработване на електронна система за оценка на енергийните характеристики на базата на разработения модел. 4. Проверка на работоспособността на модела и системата за оценка на енергийните характеристики. Методи за изследване Експерименталните изследвания са проведени в условията на обект птицевъдна сграда със съществуваща климатизираща система и технологично задание на климатизиращия режим за отглеждания тип животинска продукция. 4

5 За целите на изследването са разработени електронна система за следене на информативните показатели, алгоритми и методики за обработка на информацията и процедури за изчисляване на необходимите параметри на обоснованите енергийни характеристики Направен е анализ на грешката на модела чрез сравняване на енергийното състояние на въздуха с данните от психрометрична таблица и при известна точност на измервателната апаратура. Всички разработени за целите на дисертацията програми и изчисления са реализирани в средата MATLAB 7.1 и Excell. Научна новост Предложен е векторно-алгебричен критерий за определяне на минималното отклонение от енергийното състояние на атмосферния въздух необходимо за достигане на технологично допустими стойности на климатизиращия агент в сградата. Предложени са модел и методики за изчисляване на две енергийни характеристики на процесите среден коефициент на топлопредаване на сградата и разход на допълнителна енергия за единица обем на единица приведено животно. Обоснована е структурата и работата на електронна система за измерване, обработка и анализ на необходимите информативни параметри на обекта. Приложимост и полезност Предложените критерий, методи и средства за оценяване на енергийните характеристики на температурно-влажностните процеси в животновъдни сгради могат да се използват за сравнителен анализ на енергийните потребности на различни технологични задания или на различни типове сгради при еднакви климатизиращи процеси. Същите могат да се приложат и за сравнителна оценка на различни системи за осигуряване на микроклимата при еднакви атмосферни условия, технологични процеси и конструктивни особености на сградите. Апробация По темата на дисертацията има 8 публикации. От тях две са публикувани в списание Селскостопанска техника и една в списание Екология и бъдеще. Пет от публикациите са отпечатани в сборници на международни научни конференции и конгреси: 9 th International Congress on Mechanization and Energy in Agriculture & 27 th International Conference of CIGR Section IV, Turkey, Национална конференция с международно участие Електроника София, Международни конференции EEA&AE 02 и EEA&AE 13-Русе и Годишна научна конференция на РУ А. Кънчев. Обем и структура на дисертацията Дисертационният труд е с обем от 119 страници, в който са 5

6 включени 38 фигури, 3 таблици и 115 формули. Той се състои от увод, четири глави, общи изводи, приноси и списък на цитираната литература. Библиографията обхваща 122 заглавия, 47 от които на кирилица и 75 на латиница. СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД Глава 1. Aнализ на системите за оценяване на енергийния потенциал на влажния въздух и енергийните характеристики на климатизационните процеси в животновъдни сгради Извършеният преглед на изследванията в областта и състоянието на въпроса за автоматизирано оценяване на енергийния потенциал на въздуха и енергийните характеристики на температурновлажностните процеси в животновъдни сгради дава основание да се направят следните констатации и изводи: Оптимизираното по разход на гориво управление в общия случай е неоптимизирано по бързодействие. При използването на критерий за оптимизация на управлението не се отчитат инерционността на топлинните процеси и възможностите за изпреварващо регулиране. Критерият може да служи за енергийна оценка на обекти от еднакъв ред. Критерият дава информация за енергийните разходи на системите за управление на процесите, но не може да се използва за оценка на енергийната ефективност на самите процеси от термодинамичен аспект или самата сграда в конструктивнотехнологичен аспект. Оптимизирането на процеси по разход на електрическа енергия може да се сведе до оптимизация по бързодействие при определени гранични условия. Ексергийният баланс е основа за обективен термодинамичен анализ на използваните енергийни ресурси при протичане на реални необратими процеси. Приложението на ексергийния метод за оценка налага изграждане на сложни математически модели с голям брой зависими и независими параметри. Прилагането му като метод за сравнение на база ексергиен к.п.д. e без обвързване с други оценъчни коефициенти е удачно само при анализ на модификациите на една и съща топлинна система или еднотипни топлинни процеси. Оценката на комбинираните процеси чрез ексергийния баланс не винаги позволява да се избере оптимален режим на управление поради динамиката в изменението на параметрите на околната среда. В изследваните литературни източници не е констатиран обобщен критерий, оценяващ енергийните характеристики в съчетание с изискванията на технологичния процес за енергийно-ефективно управление. 6

7 Липсва единен подход при избор на показатели за качеството на енергийните процеси при климатизация на животновъдните сгради. Липсва единна методика и модел за енергийно-ефективна оценка на климатичните показатели на процесите с отчитане на енергийния потенциал на влажния въздух на околната среда. Известните оценки не дават възможност за сравнителен анализ на различните по същество енергийни процеси. Не са реализирани необходимите алгоритми за обработка и пресмятане на оценъчни критерии и коефициенти на избраните енергийни характеристики чрез подходящи автоматизирани електронни системи. Съществуват ограничен брой системи за автоматизирано обследване на климатизационните процеси в животновъдните сгради. Глава 2. Теоретична обосновка на модел за оценка на енергийните характеристики 2.1. Изходни условия Обосноваване на типова животновъдна сграда и климатизационни процеси Изборът на типова животновъдна сграда и обосновката на климатизационен термодинамичен процес се прави с оглед на спецификата на климата в Република България и необходимостта от окрупняване на производствени мощности с цел понижаване разходите за енергийно осигуряване на производството. Предлага се използването на модел на сграда за отглеждане на бройлери с тунелно вентилиране. Това е продиктувано от предимствата на схемата за осигуряване на регулируем микроклимат при високи летни температури и в преходни периоди. Фиг Организация на въздушните потоци при тунелна вентилация за летен режим За зимен режим се преминава към т.нар. минимална вентилация, която осигурява минималната кратност на въздухообмен с оглед зооветеринарните изисквания към породата. Това става с помощта на 7

8 странични вентилатори и организация на въздухоподаването така, че студеният въздух да не пада директно върху птиците фиг Фиг Организация на въздушните потоци при минимална вентилация за зимен режим Обосновка и избор на енергийни характеристики подходящи за оценка в животновъдни сгради Определянето на енергийната ефективност на обектите съгласно Наредба 18 от г. се извършва на базата на избрани енергийни характеристики, представляващи показатели за разход на енергия. Те се определят за сграда или промишлена система. От гледна точка на процеса на енергийното осигуряване, сградата може да се разглежда като промишлена система. Тогава за показател, характеризиращ енергопотреблението на процеса може да се използва общия разход на енергия за определен период от време, kwh. Неговият абсолютен характер дава представа за общото количество на използвания енергиен ресурс, но не отчита спецификата на климатичните фактори (регионални и сезонни различия), нито особеностите на технологичния процес. За сравнение на ефективността на енергопотреблението на два процеса в даден тип сграда при еднакви климатични фактори се предлага използването на приведения показател за специфичен разход на енергия необходим за климатизирането на 1m 3 въздух отнесен към единица продукция в определен климатичен регион, kwh/m 3.единица продукция. За оценка на енергопреносните свойства на сградата най-широко приложение намират обобщените коефициенти на топлопреминаване през стените, прозорците, покрива и пода на сградата, W/m 2 K. От гледна точка сложността на конструкцията, вида на материала и качеството на изграждането на огражденията е удачно да се работи с обобщен приведен коефициент на топлопреминаване през огражденията, W/m 2 K.единица продукция. 8

9 2.2. Разработване на модел за оценка на енергийните характеристики Синтез на обобщена схема на енергийния баланс в животновъдна сграда Информативните показатели за енергийна оценка на процеса по климатизация се определят в зависимост от типа на входящите и изходящите енергийни потоци в зоната на изследване, техния енергиен и масов баланс, статистическите показатели на отделни климатични и конструктивни параметри на сградата. В най-общ вид енергийният баланс в една сграда се задава с уравнение: W1 Qвх Lвх W2 Qизх Lизх Qзаг, (2.1) където W 1, W 2 са енергиите на влажния въздух в началото и края на процеса; Q вх, Qизх са сумарните подведени и отведени топлинни потоци; L изх, Lвх са сумарните подведени и отведени количества работа; - сумарни топлинни загуби. Q заг Фиг Обобщен модел на енергийния баланс в животновъдна сграда Обосноваване на критерии за оценка на енергийните характеристики на температурно-влажностния процес в животновъдна сграда Основните измерваеми и регулируеми параметри, характеризиращи състоянието на влажния въздух са енталпията (H), температурата (T) и влагосъдържанието (x). Неговото състояние се определя еднозначно в H-x диаграмата на влажен въздух за условия близки до атмосферните. В определен момент от времето състоянието на въздуха в зоната на климатизация се измества изкуствено от неговото равновесно състояние. Това изменение може да се разглежда като скаларна величина с определена посока и големина. Векторното представяне позволява да се търсят количествени 9

10 взаимовръзки между параметрите H, T и X и необходимото количество енергия за осигуряване на оптималните енергийни показатели. Състоянието на въздуха зададено по технологичен режим в даден обект се характеризира с вектор на технологичното състояние rt. Състоянието на атмосферните условия на околната среда се характеризира с вектора r 0. Обвързването на тези параметри в единна енергетична оценка се предлага да бъде векторно представения критерий: r C rt r 0, (2.5) където: r f(t(),x(),h()) T().i X().j H().k (2.6) е вектор на атмосферните условия; r f(,g,q,x,q,x,q,g,q,q,q,g) T().i X().j H(). k (2.7) T 0 0 доп доп n n и и заг инф T T T е вектор на технологичните условия. и 0 Векторът на оценката r C свързва върховете на r T r, чието положение се определя еднозначно в тримерното пространство Т-Х-Н. Въвеждат се следните означения: rx - вектор на текущото състояние на въздуха в работната среда; r r r (2.8) D T X е вектор на отклонение на текущото състояние от технологичното; X rc rx r 0 (2.9) е междинен вектор на оценката, характеризиращ отклонението на текущото състояние от равновесното. Графичната интерпретация на критерия при беззоново задаване на технологичните изисквания е показана на фиг Фиг Графична интерпретация на критерия при беззоново задание на технологичните изисквания Фиг Технологична повърхнина на заданието r T при зоново задаване на параметрите на технологичния процес При зоново задаване на технологичните изисквания и промяна на налягането на околната среда P 0 технологичното задание се формира като обем. Попадането в така формирания технологичен обем на енергийното състояние на процеса гарантира качественото изпълнение на заданието. При P 0 =const заданието се формира като 10

11 повърхнина, при промяна на налягането се формира фамилия от повърхнини. На фиг.2.12 е показана една от тези повърхнини. Числовата оценка на този вектор в така представения триизмерен модел се изчислява със зависимостта: r(x X)(T T)(H H) min, (2.10) C T 0 T 0 T 0 който може да се разглежда като алгебричен критерий за съвършенството на енергийното състояние на температурновлажностния процес по отношение на околната среда. Този критерий дава точна числова оценка без знак на критерия r C Разработване на модел за оценка на енергийните показатели на климатизационен процес в животновъдна сграда. Аналитичният модел на информативните показатели се основава на оценка на енергийното състояние на влажния въздух в животновъдното помещение и разположението му в H-x диаграмата за условия близки до атмосферните. Работният агент влажен въздух се разглежда като обект на въздействие, чиито параметри трябва максимално точно да отговарят на предварително зададени технологични норми. При това под внимание се вземат пряко само входящите и изходящите управляеми енергийни и масови потоци, а влиянието на тези от инфилтрация и загуби в ограждащите конструкции се отчита косвено. Критерий за енергийна ефективност на изследвания обект процес-сграда Целева функция неизменчивост на оценъчния критерий във времето R() t const (2.68) Определят се корените на уравнението dr 0 dt, (2.69) които представляват моментите, в които оценъчният вектор заема екстремални стойности ( R зависи само от набора ( H, T, X, H0, T0, )( X 0,) f qsup qa при определени ( H0, T0, ) X 0 и технологично зададени ограничения) dr d(()()()) H H0 T T0 X X 0 dt dt dh dh dt dt dx dx ()()()()()() H H T T X X dt dt dt dt dt dt ()()() H H T T X X (2.70) dh dh0 dt dt0 dx dx 0 ()()()()()() H H0 0 T T0 X X 0 (2.71) dt dt dt dt dt dt 11

12 Вижда се, че едно от възможните решения е при ( H,T,X)( H,T,X) Решавайки (2.71) спрямо q sup може да се определи оптималното количество на допълнителния топлинен поток opt q sup (съответно opt количеството допълнителна енергия W sup ) за осигуряване на изследваната сграда съвместно с избрания процес при състояние с параметри ( H, T, ) X. При това се приема, че относителното изменение на q a при промяна на набора ( H, T, ) X е незначително по отношение на изменението на q за неговото осигуряване. sup Oт направените разглеждания се извежда параметъра на базисния критерий за оптимален допълнителен енергиен поток. Той представлява разхода на допълнителна енергия на 1m 3 обем от сградата за единица приведено животно. opt opt WE WT W W R sup 3, kwh.m (2.72) p p V.na V.na Сравнява се оптималния с използвания реален допълнителен енергиен поток и се прави анализ на решения за оптимизиране на осигурителния енергиен ресурс Обект и методики за изследване работоспособността на модела Обект на изследването Обект на изследването са процесите на климатизация и вентилация на птицевъдна сграда с тунелна вентилация в зимен и летен режим на работа. За зимен режим са изследвани микроклиматичните параметри на птицевъдна сграда с широчина 12 m, дължина 50 m, височина 3 m, капацитет бройлера и диаметър на изсмукващите вентилатори 0,6 m (фиг ). (а) (б) Фиг Схема на разположение на сензорите в сградата, при изследване на модела за зимен режим: (а) поглед отгоре; (б) напречно сечение А-А. 1 стена; 2 покрив; 3 сензор за температура в сградата; 4 сензор за ОВ в сградата; 5 сензор за температура извън сградата; 6 сензор за ОВ извън сградата; 7 сензор за температура, 12

13 залепен на покрива; 8 сензор за температура залепен на стената; 9 входяща клапа; 10 изсмукващ вентилатор; 11 анемометър; 12 персонален компютър. За летен режим са изследвани микроклиматични параметри на птицевъдна сграда с широчина 12 m, дължина 130 m, височина 3 m и разполага с 5 вентилатора за тунелна вентилация. Схемата на разположение на сензорите в сградата, в която са проведени изследванията, е показана на фиг Фиг Схема на разположение на сензорите в сградата, при изследване на модела за летен режим на работа: 1 стена; 2 входящи отвори и клапи; 3 изсмукващи вентилатори; 4 сензор за температура; 5 сензор за относителна влажност; 6 персонален компютър; 7 - манометър Методики за изследване работоспособността на модела Методика за изследване на енергийния потенциал на въздуха във и около животновъдната сграда Енергийният потенциал на влажния въздух във и около животновъдната сграда се определя посредством енергийни показатели. Основният енергиен показател за състоянието на влажния въздух е специфичната енталпия h. Изчислява се с уравнението: 1 h t X ,84. t, kj. kg, (2.73) където: t - температура на въздуха, C ; 1 X - влагосъдържание на въздуха, kg.kg. Ако от физична гледна точка въздухът се разглежда като идеален газ, енталпията на атмосферния въздух може да се представи като сума от енталпията на водните пари (прегрети или наситени) и енталпията на сухия въздух. H пара X. H сух възд. H (2.74) пара H H пара пара c Т (2.75) където: 0 p. H c T сух възд. сух възд. p. 13 (2.76) пара Енталпията на пара при 273,15 К е H kj kg. Като се замести (2.75) и (2.76) в (2.74) се получава: пара сух възд. H X.(2500 c.) T c. T, kj kg, (2.77) p p

14 пара -3-1 cp 1,473 0, T 47,3018. T, kj kg. K (2.78) е специфичен топлинен капацитет на пара при Т в К; c 0,97 0, T 0, T, kj / kg. K (2.79) сух възд p е специфичен топлинен капацитет на сух въздух при Т в К; където Влагосъдържанието на атмосферния въздух се описва с : 0,622.. Ps X, kg/kg с.в. (2.80) P -. P s - относителна влажност, в пъти; P - парциално налягане на водните пари, Ра; S P атмосферно налягане, Ра. Относителната влажност се измерва или изчислява в зависимост от наличната измервателна апаратура. Удобно е парциалното налягане P S да се пресмята чрез подходящи зависимости. Използваните емпирични формули за определяне на P S, водят до грешка по-малка от 0,3% спрямо реалните таблични стойности. [ A.ln( T /) TCR. ] B y P P. e, (2.81) S CR където: коефициентите y, z се определят по y 4.( T / T -1) /( T /) T - z5,3.ln( /) T T (2.82) CR CR CR 2 CR CR z ( T / T -1).[( T / T 1) /5 0,5] (2.83) A 7,548 ; B 2,787 ; Т 647,25 K ; CR 6 PCR 22, Pa. След заместване на (2.78), (2.79) и (2.80) в (2.77) се получава зависимост за енталпията H на атмосферния въздух, определена еднозначно от измерената температура Т, изчисленото влагосъдържание X (измерена или изчислена относителна вл ажност ) и атмосферното налягане P на въздуха. Атмосферното налягане се мери или се задава като константа за дадена надморската височина (най -често използвана е стойността P Pa ) Методика за изследване на предложените критерии Изследване на критерия като средство за оценка на температурно-влажностното състояние на процеса. Нека е зададена технологична повърхнина на състоянието, в която всяка комбинация от стойности на технологичните параметри (T T, X T, H T ) е в рамките на зададените технологични граници (област). Тази повърхнина остава неизменна за избран температурно-влажностен процес. За определени параметри на околната среда ще съществува една комбинация (при равнина) или н яколко комбинации (при сложна повърхнина) от технологични параметри (технологични състояния), 14

15 отстоящи на най-малкото възможно разстояние от енергийното състояние на околната среда. Това разстояние формира минималния оценъчен вектор r. Ако допуснем, че процесът параметрично е C min изпълнил заданието (състоянието му се описва с параметри от технологичната повърхнина T T, X T, H T ), то неговото отстояние от параметрите на околната среда ще бъде: ' ' 2 ' 2 ' 2 r(x X)(T T)(H H) r (2.84) C T O T O T O C min Тогава процесът е оптимизиран, а колкото е по-голяма разликата ' r r, толкова по-несъвършено от енергийна гледна точка C C C min протича той. Алгоритъмът дава отговор на въпроса оптимизиран ли е процесът по разход на енергия относно енергийния потенциал на въздуха от околната среда. Алгоритъмът позволява да се изчисли количествено необходимата допълнителна енергия W sup за достигане до технологичната зона. Количествената оценка на енергийния разход позволява създаването на диаграма Енергийно ниво на заданието Енергиен потенциал на околната среда Енергиен разход. Извършването на няколко последователни оценки при различни технологични задания повишава достоверността на получените резултати. Изследване на критерия като средство за управление Оптимизацията на процеса на преминаване от началното енергийно ниво на въздуха в помещението (при условия на околната среда) до кривата повърхнина на технологично допустимите енергийни нива става чрез избор на минимален вектор rc min измежду множеството стойности на r C определени на база (2.10). Алгоритъмът за управление по минималните стойности на r D min е показан на фигура След задаване на началните условия на заданието и измерване на началните състояния на параметрите в работния участък и околната среда се изчислява стойността на r по формула (2.85). Следва постъпково изменение на технологичните параметри до обхождане на цялата зададена област и от всички стойности за r се определя rd min. Заедно с него се определят и технологичните параметри, на които съответства. При разлика със зададените начални технологични стойности се прави корекция в заданието с параметрите на най-близко определеното технологично състояние и цикълът се затваря. Ако разлика няма се проверява дали параметрите в работния участък не са достигнали технологичната област. Ако не са достигнали се извършва стъпкова промяна на състоянието в работния участък чрез подходящи изпълнителни механизми и основният цикъл се повтаря. Това продължава до удовлетворяване на изискванията за 15 D D

16 достигане на технологичното ниво. Представеният по този начин алгоритъм осигурява протичането на процеса по най-краткия път до заданието. Промяната в енергийния потенциал на околната среда влияе върху енергийното състояние в работния участък, но нейното влияние се отчита косвено при измерване на параметрите от този участък в самия процес на управление Методика за изследване и оценяване на енергийните характеристики на температурно-влажностните процеси в животновъдна сграда Предлагат се две характеристики за изследване: А) среден коефициент на топлопредаване на сградата; Б) разход на допълнителна енергия на 1m 3 обем от сградата за единица приведено животно. При сравнителна оценка на топлинното съвършенство на сгради се предлага следната методика за определяне на средния коефициент на топлопредаване на сградата: изчислява стойността на алгебричния критерий за избрания оптимален диапазон от зоотехнически изисквания на породата; Определят се оптималните параметри Н, Х, Т в условията на текущите атмосферни показатели; opt Определя се оптималното количество допълнителна енергия W sup необходима за осигуряване на тези оптимални параметри за сграда без загуби за определен процес. Това става с изчисляване на всички енергийни разходи за осигуряване на норматива от допълнителни източници (чрез измерване или по номинали и разходни норми на източниците); Определя се реалното количество допълнителна енергия W sup за осигуряването на оптималните параметри в реалната сграда за същия процес. Това става с изчисляване на всички енергийни разходи за осигуряване на нормираните показатели температура и влажност) от допълнителни източници през времето, в което са работили (чрез измерване или по номинали и разходни норми на източниците); Изчислява се общата загуба от сградната конструкция W LOS като разлика между реалната и оптималната стойност на допълнителната енергия, което представлява: opt W W W ; (2.86) LOS sup sup При конвективен топлообмен между флуид и твърдо тяло за единица време съгласно закона на Нютон средният приведен коефициент на топлопредаване на сградата се определя с израза: 16

17 U W.F.(T T) LOS AV, W.m K 0 2 1, (2.87) където е периодът от време, за който са определени енергийните загуби, s ; F - площта на излъчващата повърхност на сградата, m 2 ; T T 0 - температурна разлика между температурата от вътрешната страна на стените в помещението и окръжаващата среда, K. В зависимост от това каква температура се приема за температура на помещението са възможни два случая: -температура в зоната на животните T AN, K ; -средна температура в сградата близо до ограждащата повърхност T AV, K. Средната температура T AV се разпределя в обем с площ на повърхността F, което прави използването ѝ във формула (2.87) по - целесъобразно. Характеристиката служи за анализ на конструктивното съвършенство на сгради съвместно с технологичния процес в тях от енергийна гледна точка. При оценка на енергийното съвършенство на процеса се предлага следната методика за изследване на разхода на допълнителна енергия: изчислява стойността на алгебричния критерий за избрания оптимален диапазон от зоотехнически изисквания на породата; Определят се оптималните параметри Н, Х, Т в условията на текущите атмосферни показатели; opt Определя се оптималното количество допълнителна енергия W sup необходима за осигуряване на тези оптимални параметри за сграда без загуби за определен процес. Това става с изчисляване на всички енергийни разходи за осигуряване на нормираните показатели температура и влажност) от допълнителни източници през времето, в което са работили (чрез измерване или по номинали и разходни норми на източниците); Изчислява се оптималния разход на допълнителна енергия на 1m 3 обем от сградата за единица приведено животно по формула (2.72); Получената количествена оценка се сравнява с тази изчислена от реалния процес за същия период. Характеристиката служи за анализ на ефективността на енергоосигуряващите системи и средствата за оптимизиране на енергийното осигуряване на процеса в сградата. 17

18 Глава 3. ТЕОРЕТИЧНА ОБОСНОВКА НА ЕЛЕКТРОННА СИСТЕМА ЗА ОЦЕНКА НА ЕНЕРГИЙНИТЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ЖИВОТНОВЪДНА СГРАДА 3.1. Обосновка на критерий за управление на електронната система Критерий за управление на електронната система е получаване на резултат за стойността на средния коефициент на топлопредаване на сградата и разхода на допълнителна енергия на 1m 3 обем от сградата за единица приведено животно. За тази цел системата събира информация за всички показатели на състоянието на въздуха и параметри на термодинамичния процес в помещението. Предварително са въведени нормативните показатели на технологичния процес, конструктивните особености на сградата и номиналните параметри на климатизиращите източници. Изчисленията се правят след достигане на оптимални зоотехнически параметри в установен режим на енергозадаващите източници. Процесът на изчисление се извършва текущо съобразно времето за осигуряване на минимален въздухообмен Разработване на алгоритъм за работа на електронната система Предлагат се следните алгоритми за работа на електронната система: - алгоритъм на главната програма (основен алгоритъм); - алгоритъм на подпрограма за определяне на допълнителната енергия; - алгоритъм на подпрограма за определяне на енергия от входящия въздух; - алгоритъм на подпрограма за определяне на енергия от изходящия въздух. Алгоритъмът на главната програма служи за определяне на стойностите на изследваните енергийни характеристики. Структурата на алгоритъма е показана на фиг В блок 1 се задават изходните данни за процеса, а в блок 2 системата отчита всички показания на сензорите. В блок 3 се извършва проверка за достигане на технологичното задание. Ако това не е изпълнено се подава допълнителна енергия и отново се следят параметрите на процеса. Ако условието е изпълнено се преминава към определяне на оптималния набор от параметри на въздуха по критерий (2.10). В блок 6 се определя оптималния разход на енергия за достигане на тези параметри и реалния разход от текущата осигуряваща система. В блокове 7 и 8 се изчисляват показателите на търсените енергийни характеристики. 18

19 1 Изходни данни : Задаване на режимни технологични норми за температура, влажност, брой животни, възраст, скорост и кратност на въздухообмен 2 Прочитане на всички сензори и данни за сградата 4 sup sup W W W не 3 Достигнати ли са технологичните норми? да 5 Подпрограма за изчисляване на r C min и определяне на оптималните параметри T, X, H (фиг.2.18.) 6 Определяне на разхода на енергия opt Wsup за осигуряване на оптималните параметри за сграда без загуби (фиг.3.3) Определяне на разхода на енергия за осигуряване на текущите параметри Wsup 7 Изчисляване на средния коефициент на топлопредаване на сградата opt Wsup Wsup 2 1 U AV, W.m.K.F.(T T) o 8 Изчисляване на средния коефициент на топлопредаване на сградата opt W opt sup 3 p, KWh.m V.n a край Фиг Алгоритъм на главната програма на системата 19

20 3.3 Синтезиране на структурна схема на електронна система за оценка на енергийните характеристики на животновъдна сграда. Предназначението на системата е да следи, събира и обработва информацията от различни аналогови и цифрови канали. Пренасяната информация и нейната обработка касаят инерционни спрямо бързодействието на системата процеси. Системата ще служи за оценка на параметри и показатели на термодинамичен процес и не е предназначена за управление на изпълнителни механизми. С оглед на посочените изисквания се предлага следната обобщена структурна схема, показана на фиг аналогови входове от преобразуватели за - температура; - влажност; - налягане; - скорост/дебит; - концентрация. МИКРО- ПРОЦЕСОРЕН БЛОК захранващ блок цифрови входове за прекъсвания RS232 входове/ изходи за обмен с РС индикация Блок за събуждане при обмен блок за начално установяване Фиг Обобщена структурна схема на системата 20

21 Тя съдържа микропроцесорен блок с вградени аналого-цифрови преобразуватели за връзка с първични преобразуватели на измерваните параметри, входно-изходни портове за обмен с компютър и прекъсвания, блокове за начално установяване, събуждане при обмен, индикаторен и захранващ блок. Системата е предназначена да работи съвместно с персонален компютър, но може да се реализира и като автономно устройство, като се подберат необходимите обеми памет за съхранение на програми и данни. Разработването на системата като автономно устройство има следните предимства: - възможност за самостоятелна работа без необходимост от постоянно наблюдение; - мобилност и удобство при свързване за оценка на различни обекти; - непрекъснат процес на измерване с възможност за използване на данни от изминали периоди; - удобство за конфигуриране и модифициране при необходимост от функционално разширение; - необвързаност с програмни платформи и освобождаване на компютърни ресурси; - използване на стандартни комуникационни връзки при свързване с различни типове компютри. Глава 4. ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ ИЗСЛЕДВАНИЯ 4.1. Експериментално изследване на работоспособността на модела Експериментално изследване на енергийното състояние на въздуха във и около животновъдната сграда Енергийното състояние на въздуха във и около животновъдната сграда се оценява чрез изчисляване и получаване на текущите стойности на енталпията като функция на неговата температура и влажност. Направени са изчисления за температури и относителна влажност на въздуха в зоната на комфорт на птиците по данни за хибрид ROSS 308 на фирма Aviagen. Анализът на грешката проверява отклонението на енталпията h, получена по модела (2.77) от енталпията, определена по психрометрична диаграма [105], както и при грешки в отчета на уредите за температура (+0,1 С, ±0,1 С) и относителна влажност (2%). Данните от анализа са показани в Таблица 4.1 при постоянна относителна влажност RH=65% и Таблица 4.2 при постоянна температура Т=25 С. 21

22 Табл Анализ на грешката при постоянна относителна влажност RH=65% при RH=65% T=31 C T=25 C T=21 C Енталпия h по модела, KJ/kg 78,05 57,81 46,59 h по психрометрична диаграма, KJ/kg 78,5 58,5 47,5 относителна грешка, % 0,577 1,194 1,953 h по модела (+0,1 С), KJ/kg 77,68 57,5 46,86 относителна грешка, % 0,474 0,536 0,580 h по модела (±0,1 С), KJ/kg 77,3 57,21 47,12 относителна грешка, % 0,961 1,038 1,138 h по модела (+2%RH), KJ/kg 79,54 58,83 47,39 относителна грешка, % 1,909 1,764 1,717 Табл Анализ на грешката при постоянна температура Т=25 С при Т=25 С RH=60% RH=65% RH=70% Енталпия h по модела, KJ/kg 55,25 57,81 60,37 h по психрометрична диаграма, KJ/kg 56 58,5 61 относителна грешка, % 1,363 1,194 1,044 h по модела (+0,1 С), KJ/kg 54,96 57,5 60,06 относителна грешка, % 0,519 0,536 0,518 h по модела (±0,1 С), KJ/kg 54,68 57,21 59,74 относителна грешка, % 1,032 1,038 1,040 h по модела (+2%RH), KJ/kg 56,27 58,83 59,35 относителна грешка, % 1,848 1,764 1,698 От двете таблици се вижда, че относителната грешка на модела за определяне на енергийното състояние на влажния въздух по отношение на психрометричната диаграма в зоната на комфорт не надхвърля 2%. Относителната грешка на модела относно грешките на измервателните уреди за температура не надхвърля 1,2%. Относителната грешка на модела относно грешките на измервателните уреди за влажност не надхвърля 2%. Теоретичната грешка не надхвърля точността на първичните преобразуватели. От това може да се направи извод, че при зададени препоръчителни нормативни стойности на температура и влажност, моделът ще оценява достоверно енергийното състояние на въздуха за избрания процес Експериментално изследване на предложените критерии Експерименталното изследване на критерия за оценка на ТВП включва проверка за наличието на еднозначно решение за минимум на оценъчния вектор r C по (2.5). Решението представлява определяне на подходящ набор от параметри на въздуха в зоната на животните (температура Т и относителна влажност φ), които да се намират в зоната на комфорт съобразно технологията на процеса. Направени са 22

23 изследвания за определяне на необходимия набор Т и φ, при който алгебричния критерий (2.10) е минимален за различни състояния на външния атмосферен въздух, характеризиращи се с набор енергийни показатели Т 0, Х 0, Н 0. Методиката на експеримента включва: - Задаване на технологична равнина при избрани параметри на технологията (температура, влажност, възраст на птиците) - Задаване на различни условия на атмосферния въздух; - Определяне на r C min ; - Определяне набора от стойности Т и φ, които го удовлетворяват Експериментално изследване и оценяване на енергийните характеристики на температурно-влажностните процеси в животновъдната сграда Целта на експеримента е с помощта на симулация, да се определи грешката на изчисляваните енергийни характеристики, породена от точността на първичните преобразуватели. 1) Изчисляването на показателя среден коефициент на топлопредаване U AV като контролна стойност може стане при известни топлотехнически и конструктивни параметри на сградата. Методиката на експеримента включва: - Определяне на оптималното ниво параметри на въздуха от технологичната зона (T, φ), при които се получава най-малка стойност на критерий (2.10); - Определяне на необходимата допълнителна енергия opt W sup, която трябва да се внесе за достигане до тези стойности за сграда без загуби; - Определяне на реалната енергия W sup на енергоосигуряващите системи за достигане на тези параметри в реална сграда; - Изчисляване на моделния показател U AV по (2.87); - Изчисляване на средния коефициент на топлопредаване на сградата при известни конструктивни параметри (вид, ширина и коефициент на топлопредаване на слоеве в огражденията) или чрез измерване на външни и вътрешни повърхностни температури на огражденията за пресмятане и осредняване на получените коефициенти. - Определя се грешката при сравняване на двете стойности. 2) Изчисляването на показателя за разход на допълнителна енергия може да стане при известни номинални или нормирани параметри на изкуствени енергоосигуряващи системи, енергия отделяна от животните, енергия от естествени източници и енергията внасяна/изнасяна от 23

24 вентилацията. Методиката на експеримента включва: Определяне на оптималното ниво параметри на въздуха от технологичната зона (T, φ), при които се получава най-малка стойност на критерий (2.10); opt - Определяне на необходимата допълнителна енергия W sup, която трябва да се внесе за достигане до тези стойности за сграда без загуби; - Определяне на реалната енергия W sup на енергоосигуряващите системи за достигане на тези параметри в реална сграда; - Изчисляване на оптималния и реалния моделни показатели по зависимост (2.72); - Определя се грешката при сравняване на двете стойности. opt и 4.2. Резултати от изследванията на синтезираната електронна система за оценка на енергийните характеристики на температурновлажностните процеси в животновъдна сграда Обектът на изследването е процес на осигуряване на микроклимата в птицевъдна сграда с дължина 130m, височина 3m, широчина 12m (фиг.4.1). Осигуряването на микроклиматичните параметри се извършва от разработена система за контрол и управление, а оценяването - от заложения алгоритъм. Фиг.4.1. Технологична схема на сградата при изследване работоспособността на системата за осигуряване: 1 стена; 2 изсмукващи вентилатори; 3 входящи отвори; 4 сензори за температура в сградата; 5 сензор за относителна влажност в сградата; 6 сензор за температура извън сградата; 7 сензор за относителна влажност извън сградата; 8 сензори за температура залепени на стената и тавана на сградата; 9 специализиран контролер; 10 едночипов микроконтролер; 11 персонален компютър. За периода на изследване в сградата е имало бройлера. Използвани са сензори за температура в сградата (4) тип DS18B20, сензор за относителна влажност във и извън сградата тип DOL 14 (5,7), 24

25 сензори за температура (6), извън сградата и на стените и тавана (8) тип DS18S20. Управляващото устройство се състои от три подустройства: персонален компютър (11); специализиран контролер (9); едночипов микроконтролер базиран на PIC18F2320 (10). Сензорите за температура и относителна влажност в птицефермата се намират на височина 0,6 m и са закрепени на свързващия ги проводник, който е монтиран към тавана на птицефермата. Управляващото устройство извършва самостоятелно осигуряване на микроклиматичните параметри в сградата. Данните за показанията на всички сензори, както и параметрите на партидата бройлери, се съхраняват в базата данни. Резултатите от изследването се представят по следния начин: 1. Прави се извадка от базата данни на следните елементи: Дата и час; Средна температура в сградата T сг ; Долна граница на желания температурен диапазон T д ; Горна граница на желания температурен диапазон T г ; Коефициент на изпарявана влага; Извадката е на всички записи, за които системата не е работила на минимален дебит, т.е. извършвала е реално управление въз основа на модела за зимен режим на работа. 2. Извежда се в графичен вид изменението на всички записи T д, Tг и T сг във времето; 3. Извеждат се в графичен вид различните участъци от изменението на T д, T и T г сг във времето; 4. Проверява се дали всички записи на T сг са били в границите на ( T д - T г ), за изследвания период; Резултатите се представят в графичен вид. Извадката обхваща пет периода във времевия интервал Изменението на средната температура в сградата, както и необходимия температурен интервал са показани на фиг.4.2. Горната и долната граница на поддържания температурен диапазон не са постоянни величини поради изменението на относителната влажност в птицефермата и масата на бройлерите. На фиг.4.3. е показана извадка на един от петте периода. От изложените резултати може да се констатира, че средната температура в сградата е била в границите на желания температурен диапазон през по-голямата част от времето. Възоснова на направения анализ може да се заключи, че системата за осигуряване на микроклимата при зимен режим на работа успява да поддържа средната температурата на въздуха в птицефермата в зададения температурен диапазон. В този случай предпоставката за оценяване на необходимите параметри е изпълнена 25

26 и техните значения биха били значими : : : : : : :00 Тд Тг Тсг Фиг.4.2. Изменение на горната и долна граница на желания температурен диапазон и средната температура в сградата за периода : : : : : :48 Тд Тг Тсг : : : :24 Фиг.4.5. Изменение на горната и долна граница на желания температурен диапазон и средната температура в сградата за времеви подинтервал

27 ОБЩИ ИЗВОДИ 1. От анализа на съществуващите методики за оценка на енергийни характеристики на температурно-влажностни процеси в животновъдни сгради не е констатиран обобщен критерий, оценяващ енергийните характеристики в съчетание с изискванията на технологичния процес. Известните оценки не дават възможност за сравнителен анализ на различните по същество енергийни процеси. 2. Липсва единна методика и модел за енергийно-ефективна оценка на климатичните показатели на процесите с отчитане на енергийния потенциал на влажния въздух на околната среда. 3. Необходимо е да се обосноват и адаптират енергийни характеристики за оценка на температурно-влажностен процес, чиито стойности представляват информативни показатели за качеството на енергийното му осигуряване в съответствие със зоотехническите изисквания към животинската продукция. 4. Разработените модел и методика за оценка на енергийните характеристики в животновъдна сграда са проверени чрез физически модел на климатизационен процес в птицевъдна сграда за бройлери при тунелна вентилация съобразно изведените критерии с отчитане на температурата и влажността на околния въздух и зоотехническите изисквания на продукцията. Получени са нормирани стойности на критерия при зададени климатични норми и условия на околната среда. 5. Предложеният модел прогнозира изменението на температурата, влагосъдържанието и енталпията в сградата с грешка равна на грешката на съответните сензори, като използваният коефициент на изпарявана влага се определя адаптивно по време на работа, на база разликата между реалните и прогнозираните стойности на температура и относителна влажност в сградата. 6. Разработени са необходимите алгоритми за работа и е обоснована структурна схема на електронна система за оценка на избраните енергийни характеристики на база на предложените критерии и модели. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Резултатите от проведените в съответствие с целта и задачите на дисертационния труд теоретични и експериментални изследвания се свеждат до следните основни приноси: 1. Обосновани са критерии за оценка на енергийния потенциал на влажния въздух в и около птицевъдна сграда. 2. Обосновани са критерии за оценка на енергийните 27

28 характеристики на температурно-влажностен процес в птицевъдна сграда. 3. Разработени са модел и методика за оценка на средния коефициент на топлопредаване на сградата и разход на допълнителна енергия на 1m 3 обем за единица приведено животно при комфортни условия. 4. Разработен е физически модел за адаптивна оценка на енергийното осигуряване на климатизационния процес в птицевъдна сграда за бройлери при тунелна вентилация съобразно изведените критерии, отчитащ температурата и влажността на околния въздух и зоотехническите изисквания на продукцията. 5. Разработени са алгоритми и е обоснована структурна схема на електронна системата за извършване на оценката на избраните енергийни характеристики на база на предложените критерии и модели. СПИСЪК НА НАУЧНИТЕ ПУБЛИКАЦИИ, СВЪРЗАНИ С ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД 1. Андонов К., Яв. Нейков, Ив. Евстатиев и Кр. Ениманев, Критерии за оценка на енергийното състояние на температурно-влажностни процеси, сп. Селскостопанска техника, бр.3, 2001, стр.22-27, ISSN Neikov Yavor, I. Evstatiev, Criteria for Assessment the Energy State of Temperature - Humidity Process, Proceedings of the Union of scientists, International Scientific Conference - Energy Efficiency and Agricultural Engineering, Rousse, Bulgaria, April 2002, vol. 2, p , ISSN Явор Нейков, Методика за управление на температурно-влажностен процес по векторно-алгебричен критерий, Селскостопанска техника, том XL, 2003, 2, стр , ISSN Нейков Явор, Иван Евстатиев, К. Андонов, Метод и методика за определяне на енерго-екологичната ефективност на сгради (помещения), Екология и бъдеще, том II, 2003, 4, стр , ISSN Neikov Y., Model of automated system for evaluation the energy efficiency of wall diathermancy in livestock building, Национална конференция с международно участие Електроника 2004, , гр.софия, България, Научни трудове, том 2, стр.21-26, ISBN Neikov, Y., N. Mihailov, I. Evstatiev, Research on energy indices of technological processes based on model for programmable controller, 9 th International Congress on Mechanization and Energy in Agriculture & 27 th 28

29 International Conference of CIGR Section IV, Sep , 2005, Izmir, Turkey. 7. Нейков Явор, Б. Евстатиев, Резултати от изследване разпределението на топлинните потоци в птицевъдна сграда с естествена вентилация, Годишна научна конференция на Русенски университет Ангел Кънчев, Научни трудове на Русенския университет 2012, Том 51, серия 3.1, стр , ISSN Yavor Neikov, Research on evaluation model for assessment of humid air energy state in poultry farm, EEA&AE 2013 International Scientific Conference, Rousse, Bulgaria, , Proceedings of the Union of Scientists, ISSN , pp

30 Grounding of electronic system for energy characteristics assessment of temperature-humidity processes in livestock buildings Summary The dissertation thesis is focused on development and investigation of evaluation criteria, approaches and electronic system for energy-efficient airconditioning of livestock buildings. These approaches include methods for assessment of humid air energy state and energy characteristics of air conditioning processes defined by the standard regulations. The introduction addresses the actuality of the problem for costeffective power insurance of conditioning processes. Air movement together with constructional features of the building has a big impact on energy flow distribution in animals breeding zone. This influence results in change of main conditioning parameters, which are meant to follow strong technological recipe. The opportunities of using energy state analysis of the humid air are commented. The First chapter represents a review of publications related to energy state assessment of humid air in livestock houses with a focus on the use of electronic measurement and control units for precise evaluation. A strong analysis is performed while advantages and disadvantages are summarized in section Conclusions. On this basis the main purpose and related tasks of the dissertation are defined. The Second chapter gives a detailed description of criteria for energy state assessment and air-conditioning process control against the minimum power consumption of presented air-conditioning system. Two quantitative indices and approaches for their determination are grounded in respect with selected criteria. Research methods for investigation of suggested characteristics are presented. The Third chapter deals with development of electronic system for data acquisition and results processing according model described in Second chapter. Structure of the unit and algorithms for its control are discussed. The Fourth chapter is devoted to experimental investigations of the proposed criteria, model and system by comparative analysis of accuracy of known energy characteristics and indices. The model efficiency for energy assessment is proven by results from the work on field in steady control conditions. 30