izvestswsuИзвестия Юго-Западного государственного университетаProceedings of the Southwest State University2223-15602686-6757ЮЗГУ10.21869/2223-1560-2021-25-1-38-52izvestswsu-866Research ArticleСтроительствоConstructionsМатематическая модель для автоматизированного управления тепловыми потоками энергоэффективной системы вентиляцииMathematical Model for Automated Heat Flow Control of an Energy­Efficient Ventilation SystemЕжовВ. С.YezhovV. S.

Ежов Владимир Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры теплогазоводоснабжения

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Vladimir S. Yezhov, Dr. of Sci. (Engineering), Professor

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

vl-ezhov@yandex.ruСемичеваН. Е.SemichevaN. E.

Семичева Наталья Евгеньевна, кандидат технических наук, доцент кафедры теплогазоводоснабжения

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Natalya E. Semicheva, Cand. of Sci. (Engineering), Associate Professor

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

nsemicheva@yandex.ruТютюновД. Н.TyutyunovD. N.

Тютюнов Дмитрий Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры высшей математики

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Dmitrij N. Tyutyunov, Cand. of Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of Higher Mathematics Department

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

kaf.vm@mail.ruБурцевА. П.BurtsevA. P.

Бурцев Алексей Петрович, аспирант кафедры теплогазоводоснабжения

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Alexey P. Burtsev, Post­Graduate Student

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

ap_burtsev@mail.ruПерепелицаН. С.PerepelitsaN. S.

Перепелица Никита Сергеевич, магистрант кафедры теплогазоводоснабжения

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Nikita S. Perepelitsa, Undergraduate

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

nikperepelicza@mail.ruБурцевА. П.BurtsevA. P.

Бурцев Александр Петрович, студент кафедры механики, мехатроники и робототехники

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Alexander P. Burtsev, Student, Department of Mechanics, Mechatronics and Robotics

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

burtsev-999@mail.ruЮго­-Западный государственный университетSouthwest State University2021280520212513852Copyright © Ежов В.С., Семичева Н.Е., Тютюнов Д.Н., Бурцев А.П., Перепелица Н.С., Бурцев А.П., 20212021Ежов В.С., Семичева Н.Е., Тютюнов Д.Н., Бурцев А.П., Перепелица Н.С., Бурцев А.П.Yezhov V.S., Semicheva N.E., Tyutyunov D.N., Burtsev A.P., Perepelitsa N.S., Burtsev A.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/866Цель исследования

Цель исследования. В современных системах вентиляции и кондиционирования (СКВ) одной из главных составляющих является система автоматического управления (САУ), выполняющая различные функции, а также обеспечивающая высокоэффективную работу в диапазоне от функций выключения до централизованного регулирования и управления климатическими параметрами (температура, влажность воздуха, контроль за концентрациями вредностей, скорость воздуха). Целью является исследование математической модели управления тепловыми потоками системы приточно-вытяжной вентиляции со встроенным комплексным теплообменником-рекуператором с целью утилизации низкопотенциального тепла вентиляционных газов и выбросов с попутным получением термоэлектричества.

Методы

Методы. Для достижения поставленных целей в работе использовались методы математического моделирования и создания расчетной модели. В основе автоматического управления СКВ положен принцип обратной связи – регулирования процессов за счет получения информации от внешних датчиков на основе математического моделирования физических процессов, происходящих в обслуживаемом здании или сооружении.

Результаты

Результаты. Экспериментальная приточно-вытяжная установка с пластинчатым теплообменником-рекуператором, работает в квазистационарном режиме теплопередачи. В качестве нагревающей среды используется вытяжной воздух, удаляемый из помещения. При этом управление системой происходит при независимой схеме присоединения к системе теплоснабжения. Нагреваемый в помещении воздух рассматривается как несжимаемый газ, теплообмен между нагревающим и нагреваемым теплоносителями является стационарным процессом, турбулентность нагревающего и нагреваемого потоков теплоно­сителей является изотропной. Результатом исследования является математическая модель управления тепловыми потоками в системе приточно-вытяжной вентиляции со встроенным комплексным теплообмен­ником-рекуператором. Получены оптимальные значения затрачиваемой тепловой энергии и параметров работы вентиляционной установки.

Заключение

Заключение. Предложена и исследована математическая модель управления тепловыми потоками в системе приточно-вытяжной вентиляции со встроенным комплексным теплообменником-рекуператором. Получены оптимальные значения затрачиваемой тепловой энергии и параметров работы вентиляционной установки.

Purpose of research

Purpose of research. In modern ventilation and air conditioning systems (VAC), one of the main components is an automatic control system (ACS) which performs various functions and also provides highly efficient operation in the range from shutdown functions to centralized regulation and control of climate parameters (temperature, humidity, monitoring concentrations of harmful substances, air speed). The goal is to study a mathematical model of heat flow control of a supply and exhaust ventilation system with a builtin integrated recuperative heat exchanger for the purpose of utilization of low-temperature heat of ventilation gases and emissions with the associated production of thermoelectricity.

Methods

Methods. To achieve these goals, we used methods of mathematical simulation and computational model development. The automatic control of VAC is based on the principle of feedback – regulation of processes by obtaining information from external sensors based on mathematical simulation of physical processes occurring in the building or structure serviced.

Results

Results. An experimental supply and exhaust system with a plate heat exchanger-recuperator operates in a quasi-steady heat transfer mode. Exhaust air removed from the room is used as a heating medium. At the same time, the system is controlled using an independent scheme of connection to the heat supply system. The air heated in the room is considered as an incompressible gas, the heat exchange between the heating and heated heat transfer media is a steady­state process, the turbulence of the heating and heated flow of heat transfer media is isotropic. The result of the study is a mathematical model of heat flow control in the supply and exhaust ventilation system with a builtin integrated heat exchanger-recuperator. The optimal values of the heat energy consumed and the parameters of the ventilation system operation are obtained.

Conclusion

Conclusion. A mathematical model of heat flow control in a supply and exhaust ventilation system with a builtin integrated heat exchanger-recuperator is proposed and investigated. The optimal values of the consumed heat energy and the parameters of the ventilation system operation are obtained.

приточно­вытяжная установкаутилизациякоэффициент теплопередачиэлектрическая мощностьэффективностьавтономностьвентиляционные газытермоэлектричествоРабота выполнена в рамках научно-исследовательской работы №1.12.20ф «Исследование алгоритмов, моделей и методов повышения эффективности функционирования сложных технических систем».The work was carried out within the framework of research work No. 1.12.20 f "Research of algorithms, models and methods for improving the efficiency of complex technical systems".ReferencesАрхипов Т. В. Автоматическое регулирование вентиляции и кондиционирования воздуха. М., 2012. 242 c.Arkhipov T. V. Avtomaticheskoe regulirovanie ventilyatsii i konditsionirovaniya vozdukha [Automatic regulation of ventilation and air conditioning]. Moscow, 2012. 242 p. (In Russ.).Полевой А. А. Автоматизация холодильных установок и систем кондиционирования воздуха. М., 2011. 244 c.Polevoy A. A. Avtomatizatsiya kholodil'nykh ustanovok i sistem konditsionirovaniya vozdukha [Automation of refrigeration units and air conditioning systems]. Moscow, 2011. 244 p. (In Russ.).Штокман Е. А., Скорик Т. А. Основы отопления и вентиляции. М.: Феникс, 2011. 352 c.Shtokman E. A., Skorik T. A. Osnovy otopleniya i ventilyatsii [Fundamentals of heating and ventilation]. Moscow, 2011. 352 p. (In Russ.).Гальперин Л.Г. Моделирование тепловых процессов. М., 2011. 112 с.Galperin L. G. Modelirovanie teplovykh protsessov [Modeling of thermal processes]. Moscow, 2011. 112 p. (In Russ.).Федоров С.С., Тютюнов Д.Н., Клюева Н.В. К вопросу моделирования процесса управления системой теплоснабжения ресурсоэффективных зданий // Строительство и реконструкция. 2014. №1. С. 86-89.Fedorov S. S., Tyutyunov D. N., Klyueva N. V. K voprosu modelirovaniya protsessa upravleniya sistemoi teplosnabzheniya resursoeffektivnykh zdanii [On the issue of modeling the process of controlling the heat supply system of resource-efficient buildings]. Stroitel'stvo i rekonstruktsiy = Construction and Reconstruction, 2014, no. 1, pp. 86-89 (In Russ.).Федоров С.С., Тютюнов Д.Н., Кобелев Н.С. Математическая модель системы автоматизированного регулирования параметров теплоносителя отапливаемых зданий, // Известия Курского государственного технического университета. 2010. №3(32). С. 40-44.Fedorov S. S., Tyutyunov D. N., Kobelev N. S. Matematicheskaya model' sistemy avtomatizirovannogo regulirovaniya parametrov teplonositelya otaplivaemykh zdanii [Mathematical model of automated control of heat parameters of heated buildings]. Izvestiya Kurskogo gosudarstvennogo technicheskogo universiteta = Proceedings of the Kursk State Technical University, 2010, no.3(32), pp. 40-44 (In Russ.).Федоров С.С., Тютюнов Д.Н., Кобелев Н.С. Алгоритм автоматического управления приводом системы отопления зданий и сооружений // Известия Юго-Западного государственного университета. 2011. №5, ч.2. С. 355-359.Fedorov S. S., Tyutyunov D. N., Kobelev N. S. Algoritm avtomaticheskogo upravleniya privodom sistemy otopleniya zdanii i sooruzhenii [An Algorithm for automatic drive control of the heating system of buildings and structures]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceedings of the Southwest State University, 2011, no. 5, pt. 2, pp. 355-359 (In Russ.).Федоров С.С. Система управления процессом теплоснабжения при зависимом присоединении к тепловым сетям // Строительство и реконструкция. 2014. №5. С. 106-110.Fedorov S. S. Sistema upravleniya protsessom teplosnabzheniya pri zavisimom prisoedinenii k teplovym setyam [Process control System of a heat supply at a dependent Association to calorific nets]. Stroitel'stvo i rekonstruktsiy = Construction and Reconstruction, 2014, no. 5, pp. 106-110 (In Russ.).Системы автоматизированного регулирования параметров теплоносителя отапливаемых зданий / С.С. Федоров, Н.С. Кобелев, В.А. Минко [и др.] // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2010. №4. С. 111-115.Fedorov S. S., Kobelev N. S., Minko V. A. et al. Sistemy avtomatizirovannogo regulirovaniya parametrov teplonositelya otaplivaemykh zdanii [Systems of automated regulation of parameters of the heat carrier of heated buildings]. Vestnik BGTU im. V.G. Shukhova = Bulletin of BSTU named after V. G. Shukhov, 2010, no. 4, pp. 111-115 (In Russ.).Федоров С.С., Тютюнов Д.Н., Клюева Н.В. Управление системой отопления зданий с позиции ресурсосбережения // Строительство и реконструкция. 2013. №5. С. 36-39.Fedorov S. S., Tyutyunov D. N., Klyueva N. V. Upravlenie sistemoi otopleniya zdanii s pozitsii resursosberezheniya [Management of the heating system of buildings from the position of resource saving]. Stroitel'stvo i rekonstruktsiy = Construction and Reconstruction, 2013, no. 5, pp. 36-39 (In Russ.).Бурцев А.П., Герасимов М.С. Разработка и применение схемы плавного пуска SOFT-START // Молодежь и наука: шаг к успеху: сборник научных статей 4-й Всероссийской научной конференции перспективных разработок молодых ученых. Курск, 2020. С.60-64.Burtsev A. P., Gerasimov M. S. [Development and application of the SOFT-START soft-START scheme]. Sbornik nauchnykh statei 4-i Vserossiiskoi nauchnoi konferentsii perspektivnykh razrabotok molodykh uchenykh "Molodezh' i nauka: shag k uspekhu" [Collection of scientific articles of the 4th All-Russian scientific conference of promising developments of young scientists "Youth and science: a step to success"]. Kursk, 2020, pp. 60-64 (In Russ.).Бурцев А.П., Кочергин О.Б. Модернизация DC-DC преобразователя на базе микросхемы МТ3608 // Перспективное развитие науки, техники и технологий: сборник научных статей 10-ой Международной научно-практической конференции. Курск, 2020. С. 27-31.Burtsev A. P., Kochergin O. B. [Modernization of DC-DC converter based on MT3608 microchip]. Sbornik nauchnykh statei 10-oi Mezhdunarodnoi nauchnoprakticheskoi konferentsii "Perspektivnoe razvitie nauki, tekhniki i tekhnologii" [Collection of scientific articles of the 10th International scientific and practical Conference "Perspective development of science, technology and technologies]. Kursk, 2020, pp. 27-31 (In Russ.).Бурцев А.П. Создание схемы регулирования сигнала ШИМ на основе логической микросхемы // Молодежь и наука: шаг к успеху: сборник научных статей 4-й Всероссийской научной конференции перспективных разработок молодых ученых. Курск, 2020. С. 257-260.Burtsev A. P. [Creation of a PWM signal regulation scheme based on a logic chip]. Sbornik nauchnykh statei 4-i Vserossiiskoi nauchnoi konferentsii perspektivnykh razrabotok molodykh uchenykh "Molodezh' i nauka: shag k uspekhu" [Collection of scientific articles of the 4th All-Russian scientific conference of promising developments of young scientists "Youth and science: a step to success"]. Kursk, 2020, pp. 257-260 (In Russ.).Исследование теплообмена в термоэлектрических преобразователях / В.С. Ежов, А.П Бурцев., Н.С. Перепелица, А.П. Бурцев // Проектирование и строительство: сборник научных трудов 4-й Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов, магистров и бакалавров. Курск, 2020. С. 117-121.Yezhov V. S., Burtsev A. P., Perepelitsa N. S., Burtsev A. P. [Research of heat transfer in thermoelectric converters]. Sbornik nauchnykh trudov 4-i Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii molodykh uchenykh, aspirantov, magistrov i bakalavrov "Proektirovanie i stroitel'stvo" [Collection of scientific works of the 4th International scientific and practical conference of young scientists, postgraduates, masters and bachelors "Design and construction"]. Kursk, 2020, pp. 117-121(In Russ.).Разработка методики определения характеристик конструкции комплексного пластинчатого теплообменника при утилизации низкопотенциального тепла сбросных газов и вентиляционных выбросов / В.С. Ежов, Н.Е. Семичева, А.П. Бурцев, Н.С. Перепелица, М.Е. Попова // Проблемы и перспективы развития России: молодежный взгляд в будущее: сборник научных трудов 2-й Всероссийской научной конференции. Курск, 2019. С. 178¬182.Ezhov V. S., Russia N. E. Burtsev A. P., Perepelitsa N. S, Popova M. E. [Development of methods for determining characteristics of the structure of an integrated plate exchanger in the utilization of low-grade heat waste gas and air emissions]. Sbornik nauchnykh trudov 2-i Vserossiiskoi nauchnoi konferentsii "Problemy i perspektivy razvitiya Rossii: molodezhnyi vzglyad v budushchee" [Collection of scientific works of the 2nd Russian scientific conference "Problems and prospects of development of Russia: youth look to the future"]. Kursk, 2019, pp. 178-182 (In Russ.).Ежов В.С., Бурцев А.П., Перепелица Н.С. Разработка инновационной конструкции автономного термоэлектрического источника ЭДС для использования в системах теплоснабжения // Молодежь и XXI век - 2020: сборник научных трудов 10-й Международной научной конференции. Курск, 2020. С. 245-248.Ezhov V. S., Burtsev A. P., Perepelitsa N. S. [Development of an innovative design of an autonomous thermoelectric EMF source for use in heat supply systems]. Sbornik nauchnykh trudov 10-i Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii "Molodezh' i XXI vek - 2020". [Collection of scientific works of the 10th International Scientific Conference "Youth and the XXI century-2020"]. Kursk, 2020, pp. 245-248 (In Russ.).Basic calculation based on the direct conversion of the heat into electricity for IHP / Ezhov V., Brezhnev A., Burtsev A., Bredikhina N., Burtsev A. // Conference proceedings 7th international conference contemporary achievements in civil engineering. 23-24. April 2019. Subotica, SERBIA, 2019.Ezhov V., Brezhnev A., Burtsev A., Bredikhina N., Burtsev A. Basic calculation based on the direct conversion of the heat into electricity for IHP [Basic calculation based on the direct conversion of the heat into electricity for IHP]. Conference proceedings 7th international conference contemporary achievements in civil engineering. Subotica, SERBIA, 2019.Разработка экспериментальной конструкции комплексного воздухоподогревателя для утилизации низкопотенциального тепла сбросных вентиляционных выбросов / В.С. Ежов, Н.Е. Семичева, А.П. Бурцев, Н.С. Перепелица, Д.А. Ермаков, А.П. Бурцев // Современные проблемы в строительстве: постановка задач и пути их решения: сборник научных статей Международной научно-практической конференции. Курск, 2019. С. 225-233.Ezhov V. S., Semicheva N. E., Burtsev A. P., Perepelitsa N. S., Ermakov D. A., Burtsev A. P. [Development of an experimental design of a complex air heater for utilization of low-potential heat of waste ventilation emissions]. Sbornik nauchnykh statei Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Sovremennye problemy v stroitel'stve: postanovka zadach i puti ikh resheniya» [Collection of scientific articles of the International scientific and practical Conference "Modern problems in construction: statement of tasks and ways of their solution"]. Kursk, 2019, pp. 225-233 (In Russ.).Исследование процесса генерации термоэлектричества при утилизации низкопотенциального тепла cбросных газов / В.С. Ежов, Н.Е. Семичева, А.П. Бурцев, В.И. Зенченков, Д.А Ермаков // Известия Юго-Западного государственного университета. 2019. №23(2). С. 74-84.Ezhov V. S., Semicheva N. E., Burtsev A. P., Zenchenkov V. I., Ermakov D. A. Issledovanie protsessa generatsii termoelektrichestva pri utilizatsii nizkopotentsial'nogo tepla cbrosnykh gazov [Investigation of the process of generating thermoelectricity in the utilization of low-potential heat of waste gases]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceedings of the Southwest State University, 2019, no.23(2), pp. 74-84 (In Russ.). (In Russ.).Ежов В.С., Семичева Н.Е., Бурцев А.П., Соколов С.М., Перепелица Н.С. Термоэлектрический источник электроснабжения для теплового пункта. Патент 2705348 РФ от 06.11.2019. 11 с.Ezhov V. S., Semicheva N. E., Burtsev A. P., Sokolov S. M., Perepelitsa N. S. Termoelektricheskii istochnik elektrosnabzheniya dlya teplovogo punkta [Thermoelectric power supply source for a thermal point]. Patent RF, no. 2705348, 2019. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.