СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ С УЧЕТОМ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ Российский патент 2005 года по МПК G05D23/19 

Предлагаемое изобретение относится к области, связанной с системами управления или регулирования температуры с помощью электрических средств и может быть использовано для автоматизации и управления системами отопления зданий с центральным водяным отоплением для решения задач энергосбережения.

Известна система автоматического регулирования (CAP) отопления зданий с термостатами на отопительных приборах и с авторегулированием температуры теплоносителя в индивидуальном тепловом пункте (ИТП) [1], содержащая насос (циркуляционный насос с электроприводом), регулятор расхода (на рис. 1, а это регулирующий клапан, который имеет позиционное обозначение 3, с исполнительным механизмом, обозначенным "~") и датчик температуры подающей воды (погружной датчик температуры теплоносителя в подающем трубопроводе), установленные в системе отопления здания и подключенные к контроллеру для регулирования температуры в системе отопления с учетом температуры наружного воздуха, причем датчик температуры подключен к 1 его входу, а исполнительный механизм и электропривод циркуляционного насоса (не показан) соответственно к 1 и 2 его выходам, а также ко 2 входу контроллера подключен датчик температуры наружного воздуха, расположенный на северном фасаде здания, и к 3 входу контроллера подключен датчик температуры обратной воды, входящий в контур CAP для защиты теплоносителя от замерзания. Кроме того, в системе содержатся обратный клапан, установленный на перемычке и регулятор перепада давления (регулятор перепада давления прямого действия), а также установлены термостаты на отопительных приборах для локального регулирования температуры в помещениях здания. Особенность такого технического решения заключается в том, что с помощью центрального авторегулирования расхода теплоносителя в ИТП стабилизируют температуру в системе отопления здания по заданной программе, а комфортную температуру в помещениях регулируют с помощью термостатов, т.е. регуляторов температуры прямого действия, расположенных на отопительных приборах.

Основным недостатком данного технического решения для протяженных в плане зданий является относительно высокая стоимость CAP при реконструкциях систем отопления зданий с учетом установки термостатов на отопительных приборах и с использованием центрального авторегулирования температуры теплоносителя в ИТП, что по стоимости составляет порядка 650 руб./м² от общей площади помещений [2]. В тоже время, если ограничиться применением систем автоматизации с пофасадным регулированием отопления в здании, то затраты составили бы 90 руб./м², что значительно меньше по сравнению с исходной CAP. Кроме того, при использовании термостатов на отопительных приборах с вертикальной однотрубной системой отопления (основная система отопления зданий, существующая в России) необходимо проводить дополнительные затратные мероприятия, связанные с установкой перемычек на отопительных приборах, чтобы при закрытии термостатов теплоноситель поступал к следующему отопительному прибору.

Прототипом предлагаемого изобретения является CAP отопления здания с пофасадным регулированием, состоящая из 2-х независимых подсистем для авторегулирования температур в системе отопления каждого из 2-х фасадов протяженного в плане здания относительно сторон света [2, 3]. Первая подсистема CAP для авторегулирования температуры в системе отопления северного фасада (на рис. 6 [3], буквенное обозначение А), содержащая циркуляционный насос (на рис. 6 [3], поз.8 - циркуляционный насос отопления) с электроприводом (на рис. 6 [3] он не показан на схеме, однако циркуляционный насос в системе горячего водоснабжения (ГВС) поз.2 изображен с электроприводом, имеющим обозначение М), регулирующий клапан (на рис. 6 [3], поз.3 - регулирующий клапан отопления) с исполнительным механизмом (на рис. 6 [3] имеет буквенное обозначение М) и погружной датчик температуры теплоносителя в подающем трубопроводе (на рис. 6 [3], буквенное обозначение ), установленные в системе отопления здания северного фасада, и подключенные к 1-му контуру электронного регулятора (на рис. 6 [3], поз. 6-электронный регулятор расхода тепла, т.е. фактически контроллер, который также имеет буквенное обозначение РО, причем в схеме на рис. 6 [3] имеется ошибка, так как в под рисуночной подписи РО имеет поз.6, а на схеме - поз.25). При этом датчик температуры теплоносителя подключен к 1-му входу первого контура электронного регулятора (на рис. 6 [3] - это подключение датчика температуры к РО в виде линий связи слева от РО, причем нумерация идет на рис. 6 [3] снизу вверх для входных сигналов), а циркуляционный насос с электроприводом и регулирующий клапан с исполнительным механизмом соответственно к его выходам (на рис. 6 [3] - это подключение регулирующего клапана отопления к РО в виде линий связи снизу и слева по отношению к центру графического обозначения РО, причем подключение циркуляционного насоса отопления на схеме не показано, так как не изображен его электропривод). К входу электронного регулятора (контроллера) подключен датчик температуры наружного воздуха (на рис. 6 [3], это буквенное обозначение t_н, подключенного в виде линий связи сверху к графическому обозначению РО), расположенный на северном фасаде здания. Кроме того, ко 2-му входу первого контура электронного регулятора подключен погружной датчик температуры теплоносителя в обратном трубопроводе (на рис. 6 [3], буквенное обозначение ),входящий в контур CAP для защиты от замерзания системы отопления северного фасада здания, а также к следующему входу электронного регулятора подключен датчик температуры воздуха в одном из помещений здания со стороны северного фасада (на рис. 6 [3], буквенное обозначение ), по которому корректируется расход теплоносителя в системе отопления северного фасада. Вторая подсистема для авторегулирования температуры в системе отопления южного фасада (на рис. 6 [3], буквенное обозначение Б) на базе одного и того же регулятора (контроллера), содержащая циркуляционный насос (на рис. 6 [3], поз.8 - циркуляционный насос отопления) с электроприводом, регулирующий клапан (на рис. 6 [3], поз.3 - регулирующий клапан отопления) с исполнительным механизмом (на рис. 6 [3] имеет буквенное обозначение М) и погружной датчик температуры теплоносителя в подающем трубопроводе (на рис. 6 [3], буквенное обозначение ), установленные в системе отопления здания южного фасада, и подключенные ко второму контуру электронного регулятора (на рис. 6 [3], поз.6 - электронный регулятор расхода тепла РО), предназначенные для регулирования температуры в системе отопления южного фасада здания с учетом температуры наружного воздуха. Датчик температуры теплоносителя подключен к 1-му входу второго контура электронного регулятора (на рис. 6 [3] - это подключение датчика температуры к РО в виде линий связи справа от РО, причем нумерация идет на схеме снизу вверх для входных сигналов), а циркуляционный насос с электроприводом и регулирующий клапан с исполнительным механизмом соответственно к его выходам (на рис. 6 [4] - это подключение регулирующего клапана отопления в виде линий связи снизу и справа по отношению к центру РО, причем подключение циркуляционного насоса отопления на рисунке не показано). Кроме того, ко 2-му входу второго контура электронного регулятора подключен погружной датчик температуры теплоносителя в обратном трубопроводе (на рис. 6 [3], буквенное обозначение ), входящий в контур CAP для защиты от замерзания системы отопления южного фасада здания, а также к следующему входу электронного регулятора подключен датчик температуры воздуха в типовом помещении южного фасада (на рис. 6 [3], буквенное обозначение ), по которому корректируется расход теплоносителя в системе отопления южного фасада. Кроме того, в системе отопления по каждому из фасадов здания А и Б содержатся обратные клапаны (на рис. 6 [3], поз.7) при зависимой схеме присоединения системы отопления к наружным тепловым сетям. Основная особенность технического решения при пофасадном регулировании связана с тем, что помещения южной стороны здания получают дополнительное тепло за счет их обогрева солнечным излучением. В связи с этим в осенне-весенний отопительный период с южной стороны в помещениях здания намного теплее по сравнению с другими помещениями со стороны противоположного фасада здания. Для устранения перепада температур, создания нормальных температурных условий для работы в помещениях и экономии тепловой энергии вводится пофасадное регулирование в протяженных в плане зданиях и соответственно расположенных относительно северного и южного направлений. В соответствии с этим для каждой стороны здания применяются раздельные узлы авторегулирования расхода теплоносителя с учетом данных от датчиков температур наружного и внутреннего воздуха, соответственно находящихся на фасадах А и Б здания, а также общие узлы учета тепловой энергии (УУТ) в виде теплосчетчика (на рис. 6 [3], поз.9) для здания в целом. Сопоставительные испытания [4] системы отопления с пофасадным авторегулированием, осуществленные в одной секции 14-этажного жилого дома, и системы отопления с термостатами и центральным авторегулированием температуры теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха - в другой секции этого же дома показали, что экономия тепла за отопительный период в обоих случаях оказалась примерно одинаковой и составила около 15% годового теплопотребления. При этом пофасадное авторегулирование позволяет одновременно сокращать теплоотдачу отопительных приборов и стояков системы отопления вплоть до полного их отключения при необходимости. Кроме того, стоимость системы автоматизации значительно ниже по сравнению с аналогом [1]. Опыт осуществления такой системы показал, что при наружной температуре в пределах - 5-7°С система отопления южного фасада при дополнительном обогреве солнечным излучением выключается полностью не только в период освещения этого фасада солнцем, но, как минимум, на такое же время и после - за счет отдачи тепла с аккумулированного предметами внутри помещений и внутренними ограждениями здания [4]. В каждой из 2-х независимых подсистем для авторегулирования температур системы отопления с учетом протяженного в плане здания применяется программное управление графиком изменения температуры теплоносителя в системе отопления каждого фасада в зависимости от наружной температуры и с коррекцией этого графика при отклонении внутренней температуры помещений от заданной.

Однако такое техническое решение невозможно применять для протяженных в плане зданий типа "башня", в которых невозможно произвести разделение системы отопления на фасадные, а также для непротяженных в плане зданий и других их типов с относительно сложной планировкой, например в виде O-образного в плане здания, в котором имеется 4 фасада внешних и 4 фасада внутренних, из которых по два фасада приходятся на каждую сторону света, в том числе на северную и южную. Для зданий такого типа применение пофасадного авторегулирования приведет к многократному увеличению затрат на приборы и оборудование, так как на каждый фасад здания необходимо устанавливать независимые подсистемы для авторегулирования температур в системе отопления этого здания, т.е. 8 подсистем, причем каждая из которых включает контроллеры, датчики температуры, регулирующие клапаны с исполнительными механизмами, циркуляционные насосы и др. При этом стоимость системы авторегулирования может приблизиться или даже превысить стоимость CAP отопления зданий с термостатами на отопительных приборах и с центральным авторегулированием температуры теплоносителя в ИТП. При этих условиях предпочтение будет отдаваться CAP [1], так как она обеспечивает возможность создания оптимальной температуры в каждом помещении здания в отличие от пофасадного регулирования. Кроме того, для зданий непротяженных в плане относительно сторон света, например имеющих в плане вид квадрата, система пофасадного регулирования при стоимость ее системы автоматизации значительно ниже по сравнению с аналогом [1], не является эффективной, так как в этом случае не только помещения с южной стороны здания получают дополнительное тепло за счет их обогрева солнечным излучением, но и помещения с других фасадов здания (восточного и западного) при перемещениях солнца по небосводу. Кроме того, один из основных недостатков пофасадного авторегулирования для зданий с относительно сложной планировкой заключается в невозможности учета климатических факторов, во-первых, воздействия ветра на любой из фасадов здания, приводящего к существенному изменению температуры в помещениях этого фасада, во-вторых, солнечного излучения по всем фасадам здания, за исключением северного и др.

Предлагаемое изобретение направлено на увеличение эффективности CAP отопления здания с учетом климатических факторов путем обеспечения возможности авторегулирования по ветвям системы отопления фасадов здания и на расширение функциональных возможностей пофасадного авторегулирования температур за счет применения CAP для непротяженных в плане зданий с учетом температурных режимов фасадов.

Это достигается тем, что CAP отопления здания с учетом климатических факторов, содержащая локальный контроллер, погружной датчик температуры теплоносителя и датчики температуры наружного и внутреннего воздуха, расположенные соответственно на одном из внешних фасадов здания и в помещении со стороны этого фасада, подключенные к входам локального контроллера с 1 по 3, при этом на трубопроводах установлены регулирующий клапан, связанный с наружными тепловыми сетями, циркуляционный насос и между ними перемычка с обратным клапаном, соединяющая подающий и обратный трубопроводы, причем исполнительный механизм регулирующего клапана и электропривод циркуляционного насоса подключены к 1 и 2 выходам локального контроллера, также в CAP имеются дополнительные регулирующие клапаны, датчики температуры наружного и внутреннего воздуха, согласно предлагаемому решению CAP содержит дополнительный контроллер и расположенные после циркуляционного насоса гидравлические распределители с ветвями системы отопления по фасадам здания, причем на всех или нескольких подающих или обратных ветвях, охватывающих фасады здания, за исключением северного, установлены дополнительные регулирующие клапаны с исполнительными механизмами с 1 по m, а также расположены на остальных внешних фасадах и по одному в помещениях каждого из фасадов здания, охваченных ветвями с дополнительными регулирующими клапанами, дополнительные датчики температуры наружного с 1 по j и внутреннего с 1 по i воздуха, причем исполнительные механизмы с 1 по m подключены к выходам дополнительного контроллера с 1 по m, а датчики температуры наружного с 1 по j и внутреннего с 1 по i воздуха подключены к соответствующим его входам с 1 по (j+i) или через адаптер связи подключены к 1 цифровому коммуникационному порту дополнительного контроллера, при этом 2 цифровой коммуникационный порт дополнительного контроллера связан с цифровым коммуникационным портом локального контроллера.

Сопоставительный анализ с известными техническими решениями показывает, что предлагаемая CAP отопления здания с учетом климатических факторов отличается тем, что, во-первых, CAP содержит дополнительный контроллер и гидравлические распределители с ветвями системы отопления по фасадам здания, причем на всех или нескольких подающих или обратных ветвях, охватывающих фасады здания, за исключением северного, установлены дополнительные регулирующие клапаны с исполнительными механизмами с 1-го по m, во-вторых, расположены дополнительные датчики температуры наружного с 1-го по j и внутреннего с 1-го по i воздуха на остальных внешних фасадах и по одному в помещениях каждого из фасадов здания, охваченных ветвями с дополнительными регулирующими клапанами, в-третьих, исполнительные механизмы с 1-го по m подключены к выходам дополнительного контроллера с 1-го по m, а датчики температуры наружного с 1-го по j и внутреннего с 1-го по i воздуха подключены к соответствующим его входам с 1-го по (j+i) или через адаптер связи к первому цифровому коммуникационному порту дополнительного контроллера, в-четвертых, второй цифровой коммуникационный порт дополнительного контроллера связан с цифровым коммуникационным портом локального контроллера.

Таким образом, заявляемое техническое решение по указанным пунктам соответствует критерию "новизна".

Особенность предлагаемой CAP отопления здания с учетом температурных режимов фасадов заключается в применении дополнительных элементов автоматизации в виде дополнительного контроллера, дополнительных регулирующих клапанов с исполнительными механизмами, а также дополнительных датчиков температуры наружного и внутреннего воздуха, расположенных на внешних фасадах и по одному в помещениях каждого из фасадов здания, охваченных ветвями с дополнительными регулирующими клапанами. Кроме того, дополнительный контроллер позволяет изменять программные задания локальному контроллеру с учетом климатических факторов и получать от него информацию за счет связи цифровых коммуникационных портов дополнительного и локального контроллеров. При этом CAP содержит гидравлические распределители с ветвями системы отопления по фасадам здания, причем на всех или нескольких подающих или обратных ветвях, охватывающих фасады здания, за исключением северного, установлены дополнительные регулирующие клапаны с исполнительными механизмами с 1-го по m, предназначенные для изменения расходов теплоносителя в определенных ветвях системы отопления здания для компенсации внешних воздействий на здание. Например, выбор ветви системы отопления для регулирования расхода теплоносителя зависит от климатических факторов, а именно от температуры наружного воздуха, интенсивности солнечной радиации, направления и скорости ветра, а также других внешних воздействий, и осуществляется дополнительным контроллером на основе данных, полученных от дополнительных датчиков температуры наружного и внутреннего воздуха и с учетом информации от локального контроллера.

С помощью введенного в систему автоматизации дополнительного контроллера по программе управления выполняются следующие основные операции. Во-первых, сравниваются показания t_нс от датчика температуры наружного воздуха, например, расположенного на северном фасаде здания с показаниями t_нк дополнительных датчиков температуры наружного воздуха с других фасадов здания, затем определяется температура t_нх, меньшая чем t_нс, т.е. выявляется фасад здания, например Ф_кх, имеющий самую низкую температуру вследствие дополнительного охлаждения фасада здания под действием внешних возмущений, например с помощью ветра. Во-вторых, дополнительным контроллером, на основе полученных результатов, выдается команда для локального контроллера о переходе его на алгоритм управления с учетом температуры наружного воздуха t_нх, соответствующей самому холодному фасаду здания. Это позволяет скорректировать авторегулирование температуры теплоносителя в системе отопления по самому холодному фасаду, т.е. с учетом внешних возмущающих воздействий на здание. В-третьих, сравниваются показания t_вс1 от датчика температуры внутреннего воздуха в помещении со стороны северного фасада здания с показаниями t_вк дополнительных датчиков температуры воздуха, расположенных в других помещениях здания, потом определяются величины максимального отклонения внутренних температур от температуры воздуха t_вc1, и затем выявляются фасады здания Ф_к1 и Ф_к2, которые получают дополнительное тепло за счет их обогрева солнечным излучением. В-четвертых, дополнительным контроллером вырабатывается управляющая команда для исполнительных механизмов, воздействующих на дополнительные регулирующие клапаны, для изменения расходов теплоносителя в выбранных ветвях системы отопления, охватывающих фасады здания, в которых получено дополнительное тепло за счет солнечного излучения. При изменении положения солнца на небосводе относительно здания выявляются другие фасады здания Ф_к3 и Ф_к4, которые в этом случае дополнительно обогреваются солнечным излучением. Затем снова вырабатывается дополнительным контроллером управляющая команда для исполнительных механизмов, воздействующих на дополнительные регулирующие клапаны, для изменения расходов теплоносителя в других выбранных ветвях системы отопления и т.д.

Предлагаемое техническое решение позволяет не только осуществлять автоматическое регулирование в системе отопления для создания нормального температурного режима в помещениях здания, но прежде всего это решение направлено на увеличение эффективности CAP отопления здания с учетом климатических факторов на основе обеспечения авторегулирования по выбранным ветвям системы отопления здания. При этом существенно расширяются функциональные возможности пофасадного авторегулирования CAP для непротяженных в плане зданий, в том числе и со сложной планировкой. В предлагаемом решении применяется иерархический метод управления системой отопления здания с учетом температурных режимов фасадов в отличие от пофасадного регулирования, состоящего из 2-х независимых подсистем для авторегулирования температур в системах отоплении для каждого из 2-х фасадов протяженного в плане здания.

Если в CAP в качестве дополнительных датчиков температуры наружного и внутреннего воздуха применяются датчики температуры типа DS1820 с шинным интерфейсом MicroLAN, то тогда они через адаптер связи подключаются к 1 цифровому коммуникационному порту дополнительного контроллера. Важно отметить, что цены датчиков типа DS 1820 более чем на порядок ниже цен современных датчиков температуры типа ESMU, а также датчиков температуры наружного и внутреннего воздуха типа ESM-10.

Таким образом, проведенный анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявляемой CAP отопления здания с учетом климатических факторов, и дает право признать заявляемое техническое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлена схема CAP отопления здания с учетом климатических факторов; на фиг.2 представлена схема О-образного в плане здания с учетом расположения датчиков температуры наружного и внутреннего воздуха и со схемой разводки обратных ветвей системы отопления здания по всем его фасадам (ветви подающих трубопроводов на фиг.2 не показаны), причем сплошной линией (__) показаны части ветвей по всем фасадам здания, которые связаны со стояками системы отопления и с расположенными на них отопительными приборами, а пунктирной линией (_ _ _) - продолжения этих ветвей до соединения с остальными частями ветвей в точках от Т1 до Т8 соответственно как показано на фиг.1 (на фиг.1 и фиг.2 цифровое обозначение соответствует элементам системы, буквенно-цифровое - это обозначение мест соединений функциональных связей в системе и трубопроводов, а также фасадов здания); на фиг.3 показана схема подключения к дополнительному контроллеру через адаптер связи дополнительных датчиков температуры наружного и внутреннего воздуха типа DS 1820 с использованием шинного интерфейса MicroLAN.

Система автоматического регулирования отопления здания с учетом климатических факторов, представленная на фиг.1, содержит на вводе в ИТП подающий 1 и обратный 2 трубопроводы, присоединенные к наружным тепловым сетям, узел учета теплопотребления 3, регулятор давления с регулирующим устройством прямого действия 4 и клапаном 5, расположенным на трубопроводе 2, регулирующий клапан 6 с исполнительным механизмом 7, обратный клапан 8, расположенный на перемычке между подающим 1 и обратным 2 трубопроводами, погружной датчик температуры теплоносителя 9 в подающем трубопроводе 1 и циркуляционный насос 10 с электроприводом 11, причем регулирующий клапан 6 и циркуляционный насос 10 установлены на подающем трубопроводе 1. Кроме того, CAP отопления здания содержит локальный контроллер 12, к которому подключены погружной датчик температуры теплоносителя 9 к 1 входу (Вх 1), а также датчик температуры наружного воздуха 13, расположенный на одном из внешних фасадов О-образного здания, например, на северном фасаде здания (на фиг.2 на внешнем фасаде Ф1), и датчик внутреннего воздуха 14, расположенный в помещении этого фасада (на фиг.2 в помещении со стороны фасада Ф1), подключенные соответственно к 2 (Вх 2) и 3 (Вх 3) входам локального контроллера 12, причем исполнительный механизм 7 и электропривод 11 соответственно к его выходам 1 (Вд 1) и 2 (Вд 2). Кроме того, CAP также содержит гидравлические распределители 15 и 16 с ветвями системы отопления по фасадам здания, а именно, от 17 до 24 - это подающие ветви и от 25 до 32 - это обратные ветви. Гидравлические распределители 15 и 16 расположены после циркуляционного насоса 19 и соединены с подающим и обратным трубопроводами 1 и 2 в местах соединения А1 и А2. При этом на фиг.2 сплошной линией (____) показаны части ветвей по всем фасадам здания, связанные со стояками системы отопления с расположенными на них отопительными приборами 33, как это показано на фиг.1, а пунктирной линией (_ _ _) - продолжения этих ветвей до соединения с остальными частями ветвей в местах соеденения от Т1 до Т8 соответственно, как показано на фиг.1. На всех или нескольких подающих или обратных ветвях, охватывающих фасады здания, за исключением северного, установлены дополнительные регулирующие клапаны с исполнительными механизмами с 1 по m. Например, на обратных ветвях южных, восточных и западных фасадов здания, т.е. на ветвях от 26 до 30 и на 32 установлены дополнительные регулирующие клапаны 34 с исполнительными механизмами 35 (см. фиг.1 и фиг.2), причем за исключением ветвей 25 и 31, охватывающих северные внешние и внутренние фасады здания (фасады Ф1 и Ф7, как на фиг.2). Это необходимое условие для обеспечения регулирования только по тем фасадам здания, которые получают дополнительное тепло за счет солнечного излучения. Однако, если здание в плане О-образное, но затеняняется с одной из сторон другим высотным зданием или при других обстоятельствах, то тогда возможно уменьшить количество устанавливаемых дополнительных регулирующих клапанов 34 с исполнительными механизмами 35 на ветвях системы отопления здания. Кроме того, расположены на остальных внешних фасадах (на фиг.2 - это на внешнх фасадах Ф2-Ф4) и по одному в помещениях каждого из фасадов здания (на фиг.2 в помещениях со стороны фасадов Ф2-Ф6 и Ф8), охваченных ветвями с дополнительными регулирующими клапанами 34, дополнительные датчики температуры внутреннего воздуха с 1-го по 1, т.е. датчики с 36 по 41, и датчики наружного воздуха c 1 по j, т.е. датчики с 42 по 44 (см. фиг.2).

Кроме того, в CAP содержится дополнительный контроллер 45, к входам которого с 1 по (j+i) подключены дополнительные датчики температуры внутреннего воздуха от 36 до 41, находящиеся в помещениях здания, и датчики температуры наружного воздуха от 42 до 44, т.е. подключены к соответствующим его входам с 1 (Вх 1) по 9 (Вх 9) (см. фиг.1). В случае применения датчиков температуры типа DS1820 с цифровым выходом и с использованием шинного интерфейса MicroLAN (см. фиг.3), то эти датчики температуры с 36 по 44 через адаптер связи 46 и шинный интерфейс 47 подключены к первому цифровому коммуникационному порту (У1) дополнительного контроллера 45. Кроме того, шесть исполнительных механизмов 35 подключены к выходам дополнительного контроллера 45 соответственно с 1 (Вд 1) по 6 (Вд 6). Кроме того, цифровой коммуникационный порт локального контроллера 12 связан со вторым цифровым коммуникационным портом дополнительного контроллера 45. Это необходимо для того, чтобы дополнительный контроллер 45 имел возможность считывать информацию с локального контроллера 12 и передавать для него управляющие команды.

CAP отопления здания с учетом климатических факторов (см. фиг.1), например для О-образного в плане здания со схемой разводки ветвей системы отопления здания, показанной на фиг.2, работает следующим образом. Автоматическое регулирование температуры теплоносителя в системе отопления здания обеспечивается локальным контроллером 12 с учетом того, что система регулирования является двухконтурной. Это повышает динамическую устойчивость и точность регулирования. Внутренний контур, регулирующий расход теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха, является малоинерционным, что позволяет осуществлять управление без статической ошибки, используя для этого пропорционально-интегральной закон регулирования. Внешний контур, включающий инерционные элементы (помещения здания), работает по пропорциональному закону регулирования, при наличии большой инерционности объекта управления.

Во внутреннем контуре системы автоматизации на базе локального контроллера 12 формируется управляющая команда с учетом закона регулирования при возникновении отклонения Δ_t1, как результата сравнения значения от его программного задатчика (ПЗ) и данных от погружного датчика температуры теплоносителя 9, расположенного на подающем трубопроводе 1. При этом следует отметить, что сигналы от датчиков температуры, поступающие на аналоговые входы (Вх i) контроллеров, преобразуются в них в цифровые. Затем управляющая команда от локального контроллера 12 преобразуется в электрический сигнал и подается на исполнительный механизм 7, перемещающий шток регулирующего клапана 6. При этом соответственно изменяется расход теплоносителя из подающего трубопровода 1. Функционирование ПЗ локального контроллера 12 определяется температурным графиком подачи теплоносителя при централизованном теплоснабжении здания с учетом температуры наружного воздуха, измеряемого датчиком температуры наружного воздуха 13, расположенного на северном фасаде здания Ф1 (см. фиг.2). Циркуляционное кольцо в системе отопления здания обеспечивается с помощью перемычки между подающим 1 и обратным 2 трубопроводами, причем направление потока теплоносителя определяется обратным клапаном 8 (см. фиг.1). Циркуляционный насос 10 создает необходимый расход в системе отопления здания с помощью электропривода 11, подключенного к локальному контроллеру 12. При этом следует отметить, что при увеличении температуры в системе отопления здания локальный контроллер 12 формирует управляющую команду, при которой исполнительный механизм 7 перемещает шток регулирующего клапана 6 таким образом, что уменьшается расход теплоносителя из подающего трубопровода 1, подмешиваемого к расходу теплоносителя, циркулирующему в системе отопления здания. Это приводит к стабилизации заданной температуры в системе отопления здания. В случае уменьшения температуры в системе отопления здания по командам локального контроллера 12 исполнительный механизм 7 с помощью регулирующего клапана 6, наоборот, увеличивает расход теплоносителя из подающего трубопровода 1 и т.д.

Коррекция изменения расхода теплоносителя с учетом температуры в помещении здания осуществляется с помощью внешнего контура системы автоматизации. Во внешнем контуре системы автоматизации на базе локального контроллера 12 формируется управляющая команда с учетом закона регулирования при возникновении отклонения Δ_t2 как результата сравнения значения от его второго задатчика (ЗД) и данных от датчика температуры внутреннего воздуха 14, расположенного в помещении со стороны северного фасада здания. Затем команда от локального контроллера 12 преобразуется в электрический сигнал, поступающий на исполнительный механизм 7, перемещающий шток регулирующего клапана 6. При этом корректируется расход теплоносителя из подающего трубопровода 1 с учетом температуры в помещении здания.

В O-образном в плане здании с 4 фасадами наружных Ф1-Ф4 и 4 фасадами внутренних Ф5-Ф8 (см. фиг.2) система отопления после гидравлического распределителя разделена на 8 подающих ветвей от 17 до 24 и 8 обратных ветвей от 25 до 32 для каждого из фасадов здания. Стояки с отопительными приборами 33 по каждому фасаду здания непосредственно связаны с соответствующими ветвями системы отопления. Дополнительный контроллер 45 осуществляет регулирование расхода теплоносителя после выбора соответствующих ветвей системы отопления здания путем подачи управляющих сигналов на исполнительные механизмы 35, которые воздействуют на дополнительные регулирующие клапаны 34 и при этом изменяются расходы в соответствующих ветвях системы отопления. При функционировании CAP учитываются внешние воздействия на здание, а именно изменения температуры наружного воздуха, интенсивности солнечной радиации, направления и скорости ветра и др.

Для представления особенностей работы CAP на базе локального 12 и дополнительного 45 контроллеров применительно к зданию O-образной формы (см. фиг.2) допустим, что в некоторое время суток дует восточный ветер со средней скоростью 4,5 м/с и с порывами ветра до 12 м/с. При этом ветер разогнал тучи и появилось солнце с южного фасада здания Ф3. Тогда в этом случае с помощью дополнительного контроллера 45 по заданной программе выполняются следующие основные операции. Во-первых, сравниваются данные с датчика температуры наружного воздуха 13 с северного фасада здания Ф1 и датчиков температуры наружного воздуха 42-44 с остальных внешних фасадов здания Ф2-Ф4. При этом определяется температура t_нх, меньшая чем t_нс для северного фасада здания, т.е. выявляется фасад здания Ф_кх, имеющий самую низкую температуру вследствие дополнительного охлаждения фасада здания под действием внешних возмущений, например с помощью восточного ветра. Во-вторых, на основе полученных результатов дополнительным контроллером 45 формируется управляющая команда для локального контроллера 12 о переходе его на алгоритм управления с учетом температуры наружного воздуха t_нх, соответствующей самому холодному фасаду здания. Это позволяет скорректировать авторегулирование температуры теплоносителя в системе отопления по самому холодному фасаду здания на основе данных от датчика температуры наружного воздуха 42, находящегося на фасаде здания Ф2, путем увеличения расхода теплоносителя с помощью регулирующего клапана 6, т.е. с учетом внешних возмущающих воздействий на здание. В-третьих, сравниваются данные от датчика температуры внутреннего воздуха 14, расположенного в помещении со стороны северного фасада здания Ф1, и от других датчиков температуры внутреннего воздуха 36-41, находящихся по одному в помещениях каждого из фасадов здания, охваченных ветвями с дополнительными регулирующими клапанами 34. Затем определяются величины максимального отклонения внутренних температур в помещениях здания от температуры воздуха в помещении со стороны северного фасада Ф1. При этом определяются внешние и внутренние фасады здания, например Ф_к1 и Ф_к2, которые получают дополнительное тепло за счет их обогрева солнечным излучением. В-четвертых, дополнительным контроллером 45 формируется управляющая команда для некоторых исполнительных механизмов 35, воздействующих на соответствующие дополнительные регулирующие клапаны 34, для изменения расходов теплоносителя в выбранных ветвях системы отопления, охватывающих фасады здания, в которых получено дополнительное тепло за счет солнечного излучения. В этом случае выбираются для регулирования расходов на южных фасадах с внутренней Ф5 и внешней Ф3 сторон здания соответственно ветви 29 и 27 с дополнительными регулирующими клапанами 34 и соответствующими исполнительными механизмами 35.

Следовательно, для компенсации пониженной температуры воздуха в помещениях здания внешнего фасада Ф2, связанной с воздействием ветра, необходимо обеспечить увеличение теплоотдачи в системе отопления по выбранному фасаду здания на Δ₁% теплопроизводительности путем увеличения расхода теплоносителя из подающего трубопровода 1 при авторегулировании в системе отопления с помощью локального контроллера 12. Вместе с тем, например, в помещениях южных фасадов с внутренней Ф5 и внешней Ф3 сторон здания происходит повышение температуры воздуха за счет увеличения интенсивности солнечной радиации, поэтому для коррекции температуры воздуха в них необходимо обеспечить уменьшение теплоотдачи в системе отопления на Δ₂% теплопроизводительности путем уменьшения расходов теплоносителя в ветвях этих фасадов за счет авторегулирования с помощью дополнительного контроллера 45.

При изменении положения солнца на небосводе относительно здания и освещения им других фасадов, т.е. с появлением солнца, например, с западной стороны здания, с помощью дополнительного контроллера 45 вычисляются величины максимальных отклонений внутренних температур помещений по другим фасадам здания от температуры воздуха в помещении северного фасада здания Ф1, и при этом выявляются новые внешние Ф4 и внутренние Ф6 фасады здания, которые дополнительно обогреваются солнечным излучением. Затем снова формируется контроллером 45 управляющая команда для исполнительных механизмов 35, воздействующих на регулирующие клапаны 34 для изменения расходов теплоносителя в других выбранных ветвях системы отопления, и т.д.

Следует отметить, что через второй цифровой коммуникационный порт дополнительного контроллера 45 поступает информация от локального контроллера 12 о параметрах температуры наружного и внутреннего воздуха с датчиков 13 и 14, а также через другие входы контроллера 45 данные от дополнительных датчиков температуры внутреннего и наружного воздуха 36-44, при этом в дополнительном контроллере 45 формируются управляющие команды для контроллера 12 о переходах его на алгоритмы управления с учетом температуры наружного воздуха t_нх, соответствующей самому холодному фасаду здания.

Для предлагаемого технического решения значительно экономятся затраты на оборудование, а именно на дополнительные циркуляционные насосы, контроллеры и др. для каждого фасада здания по сравнению с прототипом [3]. Кроме того, если в качестве датчиков температуры применяются, например, датчики типа DS1820 с цифровым выходом, с диапазоном температур от -55°С до +125°С и с дискретностью измерения, устанавливаемой программно с дополнительного контроллера 45, а также с использованием шинного интерфейса MicroLAN, то эти датчики температуры имеют возможность через адаптер связи 46 подключиться к 1 цифровому коммуникационному порту дополнительного контроллера 45 (см. фиг.3). При этом цены датчиков типа DS1820 более чем на порядок ниже цен датчиков температуры наружного и внутреннего воздуха типа ESM-10.

Для других типов здания предлагаемая CAP отопления с учетом климатических факторов (см. фиг.1) работает аналогично.

Таким образом, предлагаемое техническое решение направлено на увеличение эффективности функционирования системы автоматического регулирования отопления здания с учетом климатических факторов, во-первых, путем коррекции расхода теплоносителя в системе отопления по результатам определения самого холодного фасада здания, во-вторых, за счет обеспечения авторегулирования по выбранным ветвям системы отопления на основе данных от дополнительных датчиков температуры наружного и внутреннего воздуха. При этом существенно расширяются функциональные возможности пофасадного авторегулирования.

Библиографические данные:

1. Грановский В.Л. Прижижецкий С.И. Система отопления жилых зданий массового строительства и реконструкции с комплексным автоматизированием теплопотребления// Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика (АВОК), 2002, №5. - С.66-69 (рис. 1, а).

2. Ливчак В.И. За оптимальное сочетание автоматизации регулирования подачи и учета тепла// Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика (АВОК), 1998, №4. - С.44-52.

3. Ливчак В.И. Энергосбережение в системах централизованного теплоснабжения на новом этапе развития// Энергосбережение, 2000, №2. - С.4-9 (рис. 6).

4. Ливчак В.И. Энергосбережение при строительстве и реконструкции жилых зданий в России// Энергосбережение, 2001, №5. - С.26-29.

Изобретение относится к области, связанной с системами управления или регулирования температуры с помощью электрических средств, и может быть использовано для систем автоматического регулирования (САР) отопления зданий с центральным водяным отоплением для решения задач энергосбережения. Для увеличения эффективности САР отопления здания с учетом климатических факторов путем обеспечения возможности авторегулирования по ветвям системы отопления и для расширения функциональных возможностей пофасадного авторегулирования температур САР содержит локальный контроллер (ЛК), погружной датчик температуры теплоносителя и датчики температуры наружного и внутреннего воздуха, расположенные соответственно на одном из внешних фасадов здания и в помещении со стороны этого фасада, подключенные к входам ЛК с 1 по 3. На трубопроводах системы отопления установлены: регулирующий клапан, связанный с наружными тепловыми сетями, циркуляционный насос и между ними перемычка с обратным клапаном, соединяющая подающий и обратный трубопроводы. Исполнительный механизм регулирующего клапана и электропривод циркуляционного насоса подключены к 1 и 2 выходам ЛК. Кроме того, в САР имеются дополнительные регулирующие клапаны и датчики температуры воздуха. Согласно предлагаемому решению САР содержит дополнительный контроллер (ДК) и гидравлические распределители с ветвями системы отопления по фасадам здания, причем на всех или нескольких подающих или обратных ветвях, охватывающих фасады здания за исключением северного, установлены дополнительные регулирующие клапаны с исполнительными механизмами с 1 по m. Кроме того, расположены на остальных внешних фасадах и по одному в помещениях каждого из фасадов здания, охваченных ветвями с дополнительными регулирующими клапанами, дополнительные датчики температуры наружного с 1 по j и внутреннего с 1 по i воздуха. Кроме того, исполнительные механизмы с 1 по m подключены к выходам ДК с 1 по m, а датчики температуры наружного с 1 по j и внутреннего с 1 по i воздуха подключены к соответствующим его входам с 1 по (j+i) или через адаптер связи к 1 цифровому коммуникационному порту (ЦКП) ДК, при этом 2 ЦКП дополнительного контроллера связан с ЦКП локального контроллера. Технический результат - повышение эффективности САР отопления путем обеспечения возможности авторегулирования по ветвям системы отопления и расширение функциональных возможностей пофасадного авторегулирования температур. 3 ил.

Система автоматического регулирования (САР) отопления здания с учетом климатических факторов, содержащая локальный контроллер, погружной датчик температуры теплоносителя и датчики температуры наружного и внутреннего воздуха, расположенные соответственно на одном из внешних фасадов здания и в помещении со стороны этого фасада, подключенные к входам локального контроллера с 1 по 3, при этом на трубопроводах установлены регулирующий клапан, связанный с наружными тепловыми сетями, циркуляционный насос и между ними перемычка с обратным клапаном, соединяющая подающий и обратный трубопроводы, причем исполнительный механизм регулирующего клапана и электропривод циркуляционного насоса подключены к 1 и 2 выходам локального контроллера, также в САР имеются дополнительные регулирующие клапаны, датчики температуры наружного и внутреннего воздуха, отличающаяся тем, что САР содержит дополнительный контроллер и расположенные после циркуляционного насоса гидравлические распределители с ветвями системы отопления по фасадам здания, причем на всех или нескольких подающих или обратных ветвях, охватывающих фасады здания, за исключением северного, установлены дополнительные регулирующие клапаны с исполнительными механизмами с 1 по m, а также расположены на остальных внешних фасадах и по одному в помещениях каждого из фасадов здания, охваченных ветвями с дополнительными регулирующими клапанами, дополнительные датчики температуры наружного с 1 по j и внутреннего с 1 по i воздуха, причем исполнительные механизмы с 1 по m подключены к выходам дополнительного контроллера с 1 по m, а датчики температуры наружного с 1 по j и внутреннего с 1 по i воздуха подключены к соответствующим его входам с 1 по (j+i) или через адаптер связи к 1 цифровому коммуникационному порту дополнительного контроллера, при этом 2 цифровой коммуникационный порт дополнительного контроллера связан с цифровым коммуникационным портом локального контроллера.