Математичне моделювання температурного режиму фанкойла

Abstract

Фанкойли широко використовуються у системах опалення та кондиціювання як в житлових будівлях, так і комерційних приміщеннях. У роботі розглядається питання створення математичної моделі фанкойла для використання в системах контролю, побудови цифрових двійників тощо. Розробка моделей компонентів інженерних систем будівлі сприяє впровадженню складніших алгоритмів керування та аналітики для узгодження роботи обладнання і, в результаті, підвищенню енергоефективності систем, можливості дослідження динаміки систем тощо. В роботі використано систему рівнянь теплового балансу для теплоносія, повітря та стінок теплообмінника, що дозволяє моделювати роботу системи в перехідних режимах. Значну увагу було приділено розрахунку параметрів теплоносія та повітря, що включає питому теплоємність, коефіцієнти тепловіддачі, теплопровідності води та повітря, коефіцієнти кінематичної в'язкості, густина тощо. Було запропоновано використання динамічного обчислення характеристик теплоносія та повітря, реалізовано алгоритм із застосуванням мови програмування Python та бібліотек CoolProp, SciPy, NumPy та представлено результати моделювання. Для оцінки ефективності запропонованих рішень виконано порівняльний аналіз результатів моделювання для системи з постійними значеннями параметрів теплоносія та повітря, визначеними за усередненими початковими значеннями вхідних та вихідних параметрів моделі, порівняно з системою з динамічним розрахунком. На кінець досліджено динаміку впливу зовнішніх факторів на результати моделювання та представлено аналіз впливу вхідних змінних моделі на вихідні значення температури через неявні зв'язки в розрахунках параметрів, що характеризують теплоносій та повітря у фанкойлі. За результатами порівняння було оцінено відхилення у результатах моделювання досліджуваних моделей для розрахованого значення теплової потужності зі сторони повітря в абсолютних і відносних одиницях.Fan coils are widely used in heating and air conditioning systems in both residential buildings and commercial areas. This article deals with the creation of a mathematical model of the fan coil for use in control systems, building digital twins, etc. The development of models of components of building engineering systems contributes to the introduction of more sophisticated control algorithms and analytics to coordinate the operation of equipment and as a result improve the energy efficiency of systems, the ability to investigate the dynamics of systems, etc. In this paper, a system of heat balance equations for the water, air and walls of the heat exchanger was used, which allows for simulating the operation of the system in transient modes. Considerable attention was paid to the calculation of the coolant and air parameters, including specific heat capacity, heat transfer coefficients, water and air thermal conductivity, kinematic viscosity coefficients, density, etc. The use of dynamic calculation of the coolant and air characteristics was proposed, an algorithm using the Python programming language and the CoolProp, SciPy, and NumPy libraries were implemented, and simulation results were presented. To assess the effectiveness of the proposed solutions, an analysis of the simulation results for the system with constant values of the coolant and air parameters, determined from the averaged initial values of the input and output parameters of the model, compared to the system with dynamic calculation, was performed. Finally, we investigated the dynamics of the external factor influence on the simulation results and presented an analysis of the influence of the model input variables on the output temperature values due to implicit relationships in the calculation of the parameters characterizing the heat transfer fluid and the air in the fan coil. According to the results of the comparison, the deviations in the simulation results of the models under study were estimated for the calculated value of heat output on the air side in absolute and relative units.