СПОСОБ ЛОКАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ И УЧЕТА ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01K17/00 

Изобретение относится к области централизованного теплоснабжения жилых, коммунальных и производственных объектов, в частности к способам измерения тепловой энергии, потребляемой различными теплоиспользующими установками от потока теплоносителя.

Известен способ определения теплового потока, основанный на уравнении теплового баланса, состоящий в измерении расхода и параметра используемого теплоносителя в виде разности энтальпий теплоносителя на входе в теплоиспользующую установку и на выходе из нее [Каханович B.C. Измерение расхода вещества и тепла при переменных параметрах. М.: Энергия, 1970, с.37-164.]. Расход тепловой энергии за заданный период времени определяется интегрированием теплового потока.

Известным техническим решением является также способ определения потребляемой теплоты, состоящий в измерении расхода и перепада температуры теплоносителя [Каханович B.C. Измерение расхода вещества и тепла при переменных параметрах. М. : Энергия, 1970, с. 37-164, схема 3-13б]. Используемые при этом тепломеры представляют комплекс двух измерительных приборов: расходомера и дифференциального термометра с функциональными преобразователями сигналов, вычислительным устройством и интегратором.

Этот способ имеет следующие основные недостатки: высокая стоимость реализации, необходимость включения расходомеров "врассечку" трубопроводов теплоносителя, что существенно осложняет условия эксплуатации и снижает надежность системы теплоснабжения, особенно при многочисленности теплоиспользующих установок на объекте. Экономически не оправдано, например, устанавливать такие тепломеры у каждого отопительного прибора в зданиях. Поэтому существующие тепломеры устанавливают лишь на центральных и местных тепловых пунктах. Отсутствие локального учета теплопотребления исключает со стороны потребителя стимул к рациональной эксплуатации теплоиспользующих установок, к снижению тепловых потерь и экономии тепловой энергии несмотря на постоянный рост ее цены.

Известным техническим решением является также способ определения потребляемой теплоты [Аксенов А.К., Аксенов К.Ф. Патент RU 2105958 С1, кл. 6 G 01 К 17/00, 17/08, опубл. 24.02.98. Бюл. 6], состоящий в измерении перепада температуры на входе и выходе теплоиспользующих установок, а уровни подаваемых от термопреобразователей сигналов создают пропорциональными относительным номинальным тепловым мощностям соответствующих теплоиспользующих установок, обеспечивая получение результирующего уровня сигнала, пропорционального расходуемой тепловой энергии.

Этот способ не позволяет измерять теплопотребление отопительных приборов в условиях изменяющихся расходов теплоносителя через них, что характерно для действующих систем отопления в условиях изменений давления теплоносителя.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ измерения потребления тепла установкой центрального отопления [патент FR 2105566, кл. G 01 К 17/00, 1972], в котором в целях сокращения измерительной системы используют термопреобразователи (термометры сопротивления). Посредством одной группы термопреобразователей, установленных на теплообменной поверхности теплоиспользующих установок (обогревателей), и другой - в обогреваемом помещении, определяют расход тепла. При этом основные (базовые) электрические сопротивления указанных термометров берутся пропорциональными площадям соответствующих теплообменных поверхностей обогревателей.

Этот способ имеет следующие недостатки:
- не учитывает граничные условия, в которых находится теплообменная поверхность;
- неоднозначно определяет среднетемпературный напор, от которого зависит величина теплового потока;
- имеет низкую точность измерения разности температур.

Поставлена задача разработать такой способ, который позволит повысить точность и надежность измерительной системы и осуществить локально дифференциальный учет теплопотребления.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе локального контроля и учета теплопотребления, основанном на термометрических измерениях в отдельных группах теплоиспользующих установок согласно изобретению, на теплообменных поверхностях теплоиспользующих установок выделяют измерительные зоны, размещают в них термопреобразователи, которыми измеряют градиенты температур вблизи теплообменной поверхности, преимущественно в направлении нормали к теплообменной поверхности, и по градиентам температур в выделенных измерительных зонах с учетом их площади и коэффициента теплопроводности среды определяют тепловую мощность, а контроль и учет теплопотребления отдельной группы теплоиспользующих установок осуществляют по суммарной мощности всех измерительных зон для каждой группы теплоиспользующих установок.

В каждой измерительной зоне выбирают и/или формируют две изотермические области, расположенные в теплополучающей и/или теплопередающей среде на расстоянии измерительной базы ΔL между этими изотермическими областями, а градиент температур определяют как отношение разности температур t₁-t₂, измеренную термопреобразователями для пары изотермических областей, к измерительной базе ΔL для этих изотермических областей.

Количество, место расположения измерительных зон и измерительную базу для соответствующих пар изотермических областей выбирают из условия пропорциональности суммарного сигнала термопреобразователей, измеряющих разность температур для каждой пары изотермических областей, относительной тепловой мощности указанных установок в эквивалентных единицах измерения, например в ЭКМ, для каждого отопительного прибора.

В качестве первой изотермической области используют поверхность теплоизлучающего элемента теплоиспользующей установки, а вторую изотермическую область выбирают в теплополучающей или теплопередающей среде, расположенную на расстоянии измерительной базы ΔL от первой изотермической области.

Второй термопреобразователь размещают на пластине, выполненной из теплопроводящего материала, размещенной во второй изотермической области теплополучающей или теплопередающей среды на расстоянии измерительной базы ΔL от первой изотермической области.

Первую и вторую изотермические области выбирают и на теплопроводящих пластинах (радиаторах) теплоиспользующих установок, передающих тепловую энергию от нагретой теплоносителем поверхности к теплополучающей среде.

При использовали в качестве термопреобразователей термопар их включают в измерительную цепь последовательно, так что термопары более нагретых изотермических областей в паре создают термоЭДС измерительной цепи в одном направлении, а термопары менее нагретых изотермических областей в соответствующей паре создают термоЭДС измерительной цепи в противоположном направлении.

В качестве термопреобразователей используют и группы полупроводниковых диодов, последовательно включенные между собой для каждой изотермической области. Для каждой пары изотермических областей образованные таким образом соответствующие пары групп включают между собой параллельно, а для других пар изотермических областей последовательно, составляя таким образом измерительную цепь для одной или системы из нескольких теплоиспользующих установок, так что ток измерительной цепи одного направления запитывает в прямом направлении полупроводниковые диоды более нагретых изотермических областей в паре, а ток измерительной цепи противоположного направления запитывает в прямом направлении полупроводниковые диоды менее нагретых изотермических областей в соответствующей паре изотермических областей.

Сбор информации о теплопотреблении группой отопительных приборов, например в пределах одного помещения (комнаты или квартиры), осуществляют на основе последовательного соединения термодатчиков, а результирующий уровень сигнала, измеряемого одним общим прибором, получают без использования дополнительных функциональных преобразователей и вычислительных устройств, благодаря чему в десятки раз уменьшается стоимость измерительной системы и упрощается ее обслуживание. При этом появляется возможность практической реализации дифференцированного расчета с теплопотребителями по фактическому расколу тепловой энергии и соответствующей ее оплатой.

Сущность предложенного способа можно рассмотреть на примере осуществления локального контроля и учета тепловой энергии на отопление отдельных квартир многоквартирного жилого дома с центральной системой отопления. Сложность локального контроля и учета тепловой энергии на отопление отдельных квартир многоквартирного жилого дома с центральной системой отопления заключается в том, что подвод тепловой энергии в квартиру осуществляется одновременно от нескольких вводов тепла (стояков), поэтому известные способы, основанные на измерении параметров теплоносителя, требуют большого количества (по количеству вводов) дорогостоящих приборов измерения тепловой энергии.

В предложенном способе измеряют общий тепловой поток теплоиспользующих в квартире установок (батарей отопления) за счет того, что измеряют плотность теплового потока в выделенных на батареях отопления измерительных зонах, а полную тепловую мощность, по которой контролируют и учитывают потребляемую квартирой тепловую энергию, определяют, суммируя тепловые мощности батарей по измеренным значениям плотностей тепловых потоков с учетом площадей теплообменных поверхностей, при этом суммирование выполняют путем последовательного соединения термопреобразователей, используя только один измерительный прибор, измеряющий теплопотребление всей квартиры, независимо от количества вводов и батарей в квартире.

Так как известно, что плотность теплового потока q прямо пропорциональна градиенту температуры, [формула (2-6), Дульнев Г. Н. и Тарновский Н. Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. Л.: Энергия, 1971], т.е.

где μ - коэффициент теплопроводности среды;
n₀ - единичный вектор, направленный по нормали в сторону возрастания температуры;
- производная температуры по направлению нормали;

то, измерив градиент температур в выделенных на теплоиспользующих установках измерительных зонах, можно определить тепловую мощность Q_i от какого-либо i-го отопительного прибора или теплообменной зоны по уравнению
Q_i=S_i•q_i, (3)
где S_i - площадь теплообменной поверкности отопительного прибора, одной его секции или теплообменной зоны в эквивалентных квадратных метрах (ЭКМ);
q_i - плотность теплового потока теплообменной зоны.

Если теплоиспользующая установка имеет теплообменные зоны с различными значениями коэффициента теплопроводности среды μ_i, для которых плотности тепловых потоков q_i существенно различны, то для повышения точности измерения суммарного теплового потока Q_j от j-ной теплоиспользующей установки, на ее теплообменной поверхности выделяют измерительные зоны, число которых n и их месторасположение на теплообменной поверхности определяется требуемой точностью измерения, а суммарный тепловой поток Q_j от j-ной теплоиспользующей установки определяют как

где Q_j - суммарная тепловая мощность j-той теплоиспользующей установки;
n_j - количество выделенных измерительных зон в j-той теплоиспользующей установке;
S_i - площадь теплообменной поверхности, соответствующая i-той измерительной зоне;
q_i - плотность теплового потока для i-той измерительной зоны;
μ_i - коэффициент теплопроводности среды, в которой происходит теплообмен, соответственно для i-той измерительной зоны (определяется экспериментально или по теплофизическим справочникам);
(grad t)_i - измеренное значение градиента температур для i-той измерительной зоны.

Если m-отопительных приборов составляют учетную группу теплоиспользующих установок, например для какой-либо e-той квартиры, то их общая тепловая мощность определяется формулой

Градиент температуры можно измерить с помощью двух термопреобразователей, если выбрать и/или сформировать две изотермические области, отстоящих друг от друга на расстоянии измерительной базы ΔL по направлению линии теплового потока. Изотермические зоны могут быть выбраны на поверхности, в конструктивных элементах теплоиспользующей установки, в теплополучающей или в теплопередающей среде, например на пластинах теплообменных радиаторов, а также могут быть специально сформированы с использованием материалов с высокой теплопроводностью. Так, использование пластин из медных, алюминиевых листов или керамики с высокой теплопроводностью позволяет производить пространственное и временное усреднение, уменьшающие погрешность и флуктуации результатов измерения.

В выбранных и/или в сформированный изотермических областях размещают термопреобразователи, с помощью которых измеряют температуры t₁ и t₂, a градиент температуры определяют как

где t₁ и t₂ - температуры, измеренные для первой и второй изотермической области соответственно.

В этом случае плотность теплового потока q можно определить как

или с учетом соотношений (3) и (7)

где Δt_i = t₂-t₁ для соответствующей площади S_i теплообменной поверхности отопительного прибора или его части;
ΔL_i - измерительная база i-го датчика.

Если измерительную базу i-го датчика ΔL_i выбрать так, чтобы

то суммарный тепловой поток от установленных m-отопительных приборов в какой-либо j-той квартире можно определить по формуле
Q_j = K_j•(Δt₁+Δt₂+Δt₃+...+Δt_i+...+Δt_m), (10).
Сумма Δt₁+Δt₂+Δt₃+...+Δt_i+...+Δt_m может быть измерена одним электрическим прибором - потенциометром, если в качестве датчиков используются термоэлектрические преобразователи. Например, при использовании на каждом из отопительных приборов в качестве датчиков дифференциальных термопар электродвижущая сила ε_i которых пропорциональна разности температур Δt_i,ε_i = a•Δt_i, при их последовательном соединении результирующая электродвижущая сила будет равна

С учетом (11) формула (10) суммарного теплового потока от отопительных приборов в j-той квартире может быть представлена в следующем виде:
Q_j = K_j • E_j / a = K₀ • E_j, (12)
где К₀=K/a - градуировочный коэффициент, кВт/мВ.

Раскод тепловой энергии на отопление квартиры W_j за период τ находят по значению интеграла

При использовании для каждой изотермической области в качестве термопреобразователей полупроводниковых диодов при запитке их постоянным прямым током учитывают, что напряжение на диодах связано с температурой линейной зависимостью вида
U = A + D • t, (14)
где А и D - постоянные величины для данного экземпляра диода (для диода типа КД522А при прямом токе запитки 300 мкА коэффициенты А=0,55...0,64 В и D=1,7...2,2 мВ/^oС); t - температура в градусах по Цельсию).

Тепловая мощность Q_j для учетной группы теплоиспользующих установок в соответствии с выражением (5) и (6) с учетом (13) определяют по уравнению

Если для каждой измерительной зоны измерительную базу ΔL_i и параметр D_i выбрать так, чтобы

то выражение (15) существенно упрощается и может быть представлено в следующем виде:
Q_e = C • (U_s1 - U_s2) + C • L, (17)
где

Напряжение U_s1 можно получить как общее напряжение последовательно включенный полупроводниковых диодов, через которые пропускают стабилизированный ток в прямом направлении, и расположенных в менее нагретых изотермических областях для каждой пары изотермических областей, а напряжение U_s2 получают как общее напряжение других последовательно включенных полупроводниковых диодов, через которых также пропускают стабилизированный ток в прямом направлении, но расположенных в более нагретых изотермических областях, для каждой пары изотермических областей. Для уменьшения количества проводов линии связи цепочек полупроводниковых диодов с измерительным устройством узла учета тепловой энергии предлагается параллельно-встречное включение цепочек диодов так, что, пропуская по измерительной линии запитывающий ток одного направления, будут запитываться прямым током полупроводниковые диоды одной цепочки, а при пропускании по измерительной линии запитыващего тока противоположного направления запитываться прямым током будут полупроводниковые диоды другой цепочки.

Расход тепловой энергии на отопление квартиры W_j за период τ находят по значению интеграла

В целях учета разного рода возможных потерь теплоты, а также дополнительного расхода тепловой энергии на обогрев помещений общего пользования (подъездов, лестничных клеток, и др.) величину К₀ корректируют по суммарному теплопотреблению W_тп всем объектом теплоснабжения на указанный период времени, измеряемому на тепловом пункте.

В самом деле, так как

то

Дифференциальная оплата тепловой энергии, измеряемая локально, согласно заявляемому способу, является решающим фактором, стимулирующим экономию в теплопотреблении. Известно, например, что снижение температуры в отапливаемом помещении здания (в средней климатической зоне) за счет инфильтрации наружного воздуха с 19 до 15^oС приводит к перерасходу тепловой энергии на 8%, а также снижение температуры воздуха путем экранирования части теплообменной поверхности отопительных приборов дает экономию в расходе тепла 22%.

Применение качественного регулирования теплоотдачи отопительных приборов в сочетании с предложенным способом локального контроля и учета теплопотребления, при котором сбор информации о теплопотреблении группой отопительных приборов осуществляют на основе последовательного соединения термодатчиков, а результирующий уровень сигнала, измеряемого одним общим прибором, получают без использования дополнительных функциональных преобразователей и вычислительных устройств, даст существенный положительный эффект, так как в десятки раз уменьшается стоимость измерительной системы, не связанной со структурой распределения тепла по отдельным теплоиспользующим установкам, также уменьшается количество линий электрических связей термопреобразователей с узлами учета и упрощается ее обслуживание. При этом появляется возможность практической реализации дифференцированного расчета с теплопотребителями по фактическому расходу тепловой энергии и соответствующей ее оплатой.

Изобретение относится к области централизованного теплоснабжения жилых, коммунальных и производственных объектов. Сущность изобретения: на теплообменных поверхностях теплоиспользующих установок выделяют измерительные зоны, в выделенных измерительных зонах размещают термопреобразователи, которыми измеряют градиенты температур вблизи теплообменной поверхности, преимущественно в направлении нормали к теплообменной поверхности. По градиентам температур определяют тепловую мощность для каждой измерительной зоны, с учетом ее площади и теплопроводности среды. Контроль и учет теплопотребления отдельной группы теплоиспользующих установок осуществляют суммированием тепловых мощностей измерительных зон, входящих в эту группу. В каждой измерительной зоне выбирают и/или формируют две изотермические области, расположенные в теплополучающей и/или теплопередающей среде на расстоянии измерительной базы, а градиент температур определяют как отношение разности температур к измерительной базе для этих изотермических областей. Количество, место расположения измерительных зон и измерительную базу выбирают из условия пропорциональности суммарного сигнала термопреобразователей относительной тепловой мощности указанных установок в эквивалентных единицах измерения, например в ЭКМ, для каждого отопительного прибора. В качестве первой изотермической области используют поверхность теплоизлучающего элемента теплоиспользующей установки, а вторую изотермическую область выбирают в теплополучающей или теплопередающей среде. Второй термопреобразователь размещают на пластине, выполненной из теплопроводящего материала. Первую и вторую изотермические области выбирают на теплопроводящих пластинах теплоиспользующих установок. Применение качественного регулирования теплоотдачи отопительных приборов в сочетании с предложенным способом локального контроля и учета теплопотребления даст существенный положительный эффект, так как уменьшает стоимость устройств, реализующих способ группового учета теплообмена, не связанного со структурой распределения тепла по отдельным теплоиспользующим установкам, а также уменьшает количество линий электрических связей термопреобразователей с узлами учета. 6 з.п. ф-лы.

1. Способ локального контроля и учета теплопотребления, основанный на термометрических измерениях в отдельных группах теплоиспользующих установок, отличающийся тем, что в непосредственной близости от теплообменных поверхностей и/или на теплообменных поверхностях теплоиспользующих установок выбирают и/или формируют изотермические зоны (области), расположенные в теплопроводящей и/или теплопередающей среде, в которых измеряют градиенты температур, а контроль и учет отдельной группы теплоиспользующих установок осуществляют по их суммарной тепловой мощности, определяемой выражением

где Q_е - суммарная тепловая мощность отдельной группы теплоиспользующих установок;
m - количество теплоиспользующих установок в группе;
n - количество выделенных измерительных зон в j-й теплоиспользующей установке;
S_i - площадь теплообменной поверхности, соответствующая i-й измерительной зоне;
μ_i - коэффициент теплопроводности среды, в которой происходит теплообмен соответственно для i-й измерительной зоны (определяется экспериментально или по теплофизическим справочникам);
(grad t)_i - измеренное значение градиента температур для i-й измерительной зоны,
причем для измерения градиента температур в выделенных измерительных зонах размещают две группы термопреобразователей, которые располагают друг от друга на небольшом расстоянии измерительной базы ΔL в направлении распространения тепла, которыми измеряют температуры t₁ и t₂, по которым вычисляют градиент температуры (grad t) для каждой (i-й) теплоиспользующей установки, как отношение разности температур t₁-t₂ к базовому расстоянию ΔL, т. е. (grad t_i) = (t₁-t₂)_i/ΔL_i.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество, место расположения измерительных зон и измерительную базу для соответствующих пар изотермических областей выбирают из условия пропорциональности суммарного сигнала термопреобразователей, измеряющих разность температур для каждой пары изотермических областей, относительной тепловой мощности в эквивалентных единицах измерения, например в ЭКМ, для каждого отопительного прибора. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первую и вторую изотермические области выбирают на теплопроводящих пластинах радиаторов теплоиспользующих установок, передающих энергию от нагретой теплоносителем поверхности к теплополучающей среде. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве первой изотермической области используют поверхность теплоизлучающего элемента теплоиспользующей установки, а вторую изотермическую область выбирают в теплополучающей или теплопередающей среде, расположенной на расстоянии измерительной базы ΔL от первой изотермической области. 5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве термопреобразователей используют термопары, включенные в измерительную цепь последовательно, так что термопары более нагретых изотермических областей в паре создают термоЭДС измерительной цепи в одном направлении, а термопары менее нагретых изотермических областей в соответствующей паре создают термоЭДС измерительной цепи в противоположном направлении. 6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве термопреобразователей для каждой изотермической области используют последовательно включенные группы полупроводниковых диодов, причем для каждой пары изотермических областей образованные таким образом группы включены параллельно, а для других пар изотермических областей последовательно, составляя измерительную цепь для одной или системы из нескольких теплоиспользующих установок, так что ток измерительной цепи одного направления запитывает в прямом направлении полупроводниковые диоды более нагретых изотермических областей в паре, а ток измерительной цепи противоположного направления запитывает в прямом направлении полупроводниковые диоды менее нагретых изотермических областей в соответствующей паре изотермических областей. 7. Способ по п. 4, отличающийся тем, что второй термопреобразователь размещают на пластине, выполненной из теплопроводящего материала, размещенной во второй изотермической области теплополучающей или теплопередающей среды на расстоянии измерительной базы ΔL от первой изотермической области.