СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ С АВТОМАТИЧЕСКИМ ЗАДАТЧИКОМ Российский патент 2009 года по МПК G05D23/00 

Описание патента на изобретение RU2348061C1

Изобретение относится к области, связанной с системами управления и регулирования температуры с помощью электрических средств, и может быть использовано для систем автоматического регулирования (CAP) отопления зданий с центральным водяным отоплением для решения задач энергосбережения.

Известна система автоматического регулирования (CAP) отопления здания с применением теплообменника (Ливчак В.И. Энергосбережение в системах централизованного теплоснабжения на новом этапе развития // Энергосбережение, 2000. №2. - С.4-9), содержащая на в воде в индивидуальный тепловой пункт (ИТП) теплосчетчик (обозначен как ТС - теплосчетчик), состоящий из 2-х датчиков температуры, расходомера теплоносителя и тепловычислителя, регулятор перепада давления прямого действия, регулирующий клапан с исполнительным механизмом, связанный с регулятором, представляющий собой термостат с часами, вход которого связан с датчиком температуры, теплообменник, циркуляционный насос, отопительные приборы в системе отопления здания с термостатами, расширительный бак с предохранительным клапаном.

К основному недостатку данного технического решения следует отнести низкую эффективность CAP отопления зданий, так как не учитываются температурный график подачи теплоносителя от тепловых сетей, температура наружного воздуха и температура внутри помещений здания.

Прототипом предлагаемого изобретения является CAP отопления здания с учетом климатических факторов (RU 2247422 С1, 2004 г., «CAP отопления здания с учетом климатических факторов»). Данная CAP 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 CAP имеются дополнительные регулирующие клапаны и датчики температуры воздуха. CAP 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, a 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 связаны с ЦКП локального контроллера.

Основным недостатком вышеописанного решения является необходимость установки дополнительных датчиков температуры внутри отапливаемого помещения и регулирующей арматуры для каждого из фасадов здания и дополнительного контроллера ДК, что часто экономически нецелесообразно для зданий небольшой протяженности и зданий, теплопотери которых незначительно зависят от направления и скорости ветра и положения солнца на небосклоне в отопительный период.

Техническим результатом является экономия тепловой энергии за счет регулирования температуры горячего теплоносителя в соответствии с температурой наружного воздуха.

Технический результат достигается тем, что предлагаемая CAP отопления здания содержит автоматизированный задатчик, который на основании двух входных сигналов формирует сигнал задания, а затем по результатам сравнения текущего состояния системы и сигнала задания инициирует управляющее воздействие для системы.

CAP отопления здания представлена на фиг.1 и 2. На фиг.1 изображена структурная схема отопления здания с собственной котельной, в связи с этим в CAP введен дополнительный контур регулирования с регулятором тепловой нагрузки и регулирующим органом, влияющим на расход топлива в топку котла. На фиг.2 изображена схема автоматического регулирования отопления здания от городской теплосети. На фиг.3 изображена структура автоматического задатчика.

Предлагаемая CAP содержит дополнительный датчик температуры наружного воздуха - 1, Тв - сигнал, задающий температуру в помещении - 2; ЗД - автоматический задатчик - 3; сумматоры - 4 и 7; РТсв - регулятор температуры прямой сетевой воды - 5; PO1 - регулирующий орган, влияющий на расход теплоты в систему отопления (Q1) - 6; РТН - регулятор тепловой нагрузки - 8; PO2 - регулирующий орган, влияющий на расход топлива (Вт) в топку котла - 9; объект регулирования - 10; Wук - устройство компенсации внешних возмущений - 11; μ - вектор внешних возмущений, влияющих на температуру прямой сетевой воды (Тсв) (необходимо в случае существенного влияния внешних факторов на Тсв); Q2 - текущее количество теплоты, поступающее в объект управления.

Сигнал от датчика температуры наружного воздуха 1 и задающий температуру в помещении сигнал 2 поступают на вход задатчика 3, где формируется сигнал задания, представляющий собой необходимую температуру горячей воды в контуре отопления. Затем сигнал поступает на сумматор 4, где из него вычитается текущая температура в контуре. Далее сигнал рассогласования поступает на вход регулятора 5, который формирует управляющий сигнал и направляет его к регулирующему органу PO1 6, который воздействует на поток теплоты в контур отопления. На сумматоре 7 происходит следующее: сигнал рассогласования для РТсв 5 формируется как разность между сигналом задания (ЗД) 3, представленным как количество теплоты, необходимое для поддержания заданной температуры в контуре (поступает с выхода РТсв 5), и сигналом теплоты, поступающей в контур на данный момент Q2. Кроме того, здесь возможно учесть также внешнее возмущение, если оно существенно влияет на регулируемый параметр (например, температуру наружного воздуха необходимо включить и сюда при большой протяженности теплосетей). Сигнал рассогласования, сформированный таким образом, далее поступает на вход регулятора тепловой нагрузки РТН 8, на выходе которого формируется управляющее воздействие для регулирующего органа PO2 9, который влияет на расход топлива в топку котла. Далее изменение расхода топлива приводит к изменению состояния объекта управления 10, характеризующегося параметрами Q2 и Тсв (фиг.1) или только Тсв (фиг.2). Схема на фиг.2 работает аналогично.

Структура автоматического задатчика основана на следующей методике.

Количество теплоты, теряемое зданием в окружающую среду и возмещаемое отопительными приборами, в общем случае определяется по формуле:

где Qтп - количество теплоты, теряемое зданием через ограждающие конструкции;

Qвен - количество теплоты, необходимое для нагревания приточного вентиляционного воздуха;

Qтв - количество теплоты, выделяемое в здании от работающих машин и аппаратов.

где Аi - площадь ограждающих конструкций;

R0i - термическое сопротивление ограждающих конструкций;

tв, tн - температуры внутреннего и наружного воздуха;

n - поправочный коэффициент, учитывающий поправки на ориентацию здания, на наличие наружных стен, дверей и т.д.

С другой стороны, количество теплоты для компенсации теплопотерь:

где q0 - удельные теплопотери, зависящие от функционального назначения и объема здания,

Vзд - объем здания по наружному замеру.

Численные значения q0(V), tв, tн широко представлены в справочной литературе, в частности в СНиП 2.04.07.

Также удельные теплопотери могут быть ориентировочно определены по эмпирической формуле:

где n=6; а=1,98 кДж/(с·м2,83·°С) для зданий постройки до 1958 г.,

n=8; а=1,51 кДж(с·м2,83·°С) для зданий постройки после 1958 г.

Поправочный коэффициент ψ имеет следующие значения в зависимости от величин расчетных температур для отопления:

при tн>-10°С ψ=1,2;

при tн=-20°С ψ=1,1;

при tн=-30°С ψ=1,0;

при tн≤40°С ψ=0.9;

Также максимальный тепловой поток может быть установлен по формуле (СНиП 2.04.07):

где q0(F) - укрупненный показатель теплового потока на отопление жилых зданий на 1 м2 площади, принимаемый в соответствии с табл.1.3 (СНиП 2.04.07);

k1 - коэффициент, учитывающий тепловой поток на отопление общественных зданий; при отсутствии данных следует принимать равным 0,25;

А - общая площадь отапливаемого здания.

Воспользовавшись формулами (4-5), находим максимальный показатель теплового потока на отопление зданий на 1 м2 площади. Далее из (3) и условия равенства теряемой зданием теплоты Q1 и количеством теплоты от отопительных приборов Q2 получим необходимую температуру горячей воды в прямой магистрали:

где Q1 - теплота, вносимая в здания потребителя с горячей водой;

Аi - площадь конструкций системы отопления;

R0i - термическое сопротивление конструкций системы отопления;

tгв, tв - температуры прямой горячей воды и воздуха в помещении потребителя;

где Q2 - тепловые потери зданий.

Для обеспечения постоянной температуры в помещении необходимо выполнение следующего условия:

* следует иметь в виду, что в соответствии с (1) для увеличения точности расчета в (8) необходимо учитывать теплоту на нагрев вентиляционного воздуха и теплоту от работающих в помещении машин.

отсюда температура горячей воды в прямой магистрали:

Параметры здания потребителя постоянны, характеристики устройств отопления практически не зависят от перепада температур в основном рабочем диапазоне, поэтому получаем, что tгв является функцией единственной переменной - температуры наружного воздуха tн. Она используется для формирования сигнала задания для регулятора РТсв. Для этого используются характеристики отопительных приборов и расчетные параметры здания потребителя q0(V)и Vзд.

Таким образом, в соответствии с (9) структура задатчика будет иметь вид (фиг.3).

Тв и Тн - сигналы по температуре воздуха внутри и снаружи помещения. Причем сигнал Тв является управляющим, изменение его значения ведет к изменению температуры внутри помещений. Сигнал Тн является корректирующим, он адаптирует систему к изменениям температуры окружающей среды.

СУМ - блок суммирования.

УС - блок усиления, коэффициент усиления (К) определяется из (9):

Особенностью предлагаемой CAP является то, что она предполагает установку дополнительного датчика температуры наружного воздуха и установку устройства для расчета сигнала задания. Для этого может использоваться либо стандартная ЭВМ с устройством преобразования аналогового сигнала от датчика температуры в цифровую форму и наоборот, либо простейший контроллер с аналогичными функциями.

Рассмотрим принцип работы системы в случае уменьшения температуры наружного воздуха. В этом случае автоматический задатчик в соответствии с (9) формирует сигнал рассогласования следующим образом: сигнал Тнв - 1 и Тв - 2 поступают на сумматор 12, причем Тнв инвертируется. После уменьшения величины Тнв на выходе сумматора 12 будет увеличенный сигнал (в сравнении с предыдущим состоянием). Далее этот сигнал поступит на усилитель 13, где будет увеличен в К раз, а затем на сумматор 14, на котором к нему прибавляется величина Тв, в соответствии с (9). С выхода сумматора 14 этот сигнал поступает на сумматор перед РТсв 7, где формируется сигнал на открытие регулирующей арматуры, что обеспечивает дополнительный приток теплоты в здание потребителя. В случае, когда система имеет вид фиг.1, дополнительно формируется сигнал на открытие регулирующей арматуры на подачу топлива в котел. Инерционность задатчика при таком регулировании определяется лишь инерционностью датчика температуры наружного воздуха, что обеспечивает высокую оперативность работы системы в управлении расходом теплоносителя.

Таким образом, предлагаемое техническое решение направлено на увеличение эффективности функционирования CAP отопления зданием с учетом климатических факторов путем введения в задатчик сигнала по температуре наружного воздуха и реализации в нем алгоритма расчета оптимальной температуры сетевой воды в прямой магистрали.

Похожие патенты RU2348061C1

название год авторы номер документа
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТОПЛЕНИЯ ПО ДВУМ ФАСАДАМ ЗДАНИЯ С ТЕПЛООБМЕННИКОМ 2005
  • Потапенко Анатолий Николаевич
  • Костриков Сергей Викторович
  • Потапенко Евгений Анатольевич
  • Яковлев Алексей Олегович
RU2284563C1
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ С УЧЕТОМ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ 2004
  • Потапенко А.Н.
  • Белоусов А.В.
  • Потапенко Е.А.
  • Костриков С.В.
RU2247422C1
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ С УЧЕТОМ ЕГО ФАСАДОВ (ЕЕ ВАРИАНТЫ) 2005
  • Потапенко Анатолий Николаевич
  • Мельман Анатолий Иванович
  • Костриков Сергей Викторович
  • Потапенко Евгений Анатольевич
  • Белоусов Александр Владимирович
RU2287174C1
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТОПЛЕНИЯ ПО ФАСАДАМ ЗДАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕПЛООБМЕННИКОВ 2005
  • Потапенко Анатолий Николаевич
  • Мельман Анатолий Иванович
  • Костриков Сергей Викторович
  • Потапенко Евгений Анатольевич
  • Белоусов Александр Владимирович
RU2274888C1
СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТПУСКА ТЕПЛА ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЙ И СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НА ЕГО ОСНОВЕ (ВАРИАНТЫ) 2016
  • Пятин Андрей Александрович
RU2642038C1
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ 2013
  • Батухтин Андрей Геннадьевич
  • Кобылкин Михаил Владимирович
  • Басс Максим Станиславович
RU2527186C1
СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ТЕПЛА В СИСТЕМЕ ЦЕНТРАЛЬНОГО ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ 2001
  • Шнайдер Д.А.
  • Постаушкин В.Ф.
  • Казаринов Л.С.
  • Шишкин М.В.
RU2196274C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОФАСАДНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В ПОМЕЩЕНИИ 2016
  • Константинов Игорь Сергеевич
  • Федоров Сергей Сергеевич
  • Кобелев Николай Сергеевич
RU2624428C1
СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СОВМЕЩЕННОЙ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ 2006
  • Радилов Станислав Вячеславович
  • Полькин Виктор Матвеевич
  • Музылев Александр Борисович
  • Шаров Сергей Александрович
RU2320928C2
СПОСОБ ЕСТЕСТВЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ И СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ НА ЕГО ОСНОВЕ 2021
  • Пятин Андрей Александрович
RU2789790C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 348 061 C1

Реферат патента 2009 года СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ С АВТОМАТИЧЕСКИМ ЗАДАТЧИКОМ

Изобретение относится к области, связанной с системами управления и регулирования температуры с помощью электрических средств, и может быть использовано для систем автоматического регулирования (CAP) отопления зданий с центральным водяным отоплением для решения задач энергосбережения. Система регулирования представляет собой систему с датчиком температуры наружного воздуха и автоматизированным задатчиком, который на основании двух входных сигналов формирует сигнал задания, а затем по результатам сравнения текущего состояния системы и сигнала задания инициирует управляющее воздействие для CAP. Введение этих элементов позволяет добиться гибкости в поведении системы относительно внешних климатических факторов без дополнительных вложений в регулирующую арматуру. Техническим результатом является экономия тепловой энергии за счет регулирования температуры горячего теплоносителя в соответствии с температурой наружного воздуха. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 348 061 C1

Система автоматического регулирования отопления здания от городской теплосети, содержащая погружной датчик температуры теплоносителя, датчик температуры наружного воздуха и регулирующую арматуру с исполнительными механизмами, отличающаяся тем, что в состав системы введен автоматический задатчик для формирования необходимой температуры горячей воды в контуре отопления, с одним из входов которого соединен датчик температуры наружного воздуха, а на другой вход поступает сигнал, задающий температуру в помещении, при этом автоматический задатчик состоит из последовательно включенных первого сумматора, выполненного с возможностью инверсии одного из поступивших на него сигналов, блока усиления и второго сумматора, в котором складывается сигнал с выхода усилителя и сигнал, задающий температуру в помещении.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2009 года RU2348061C1

Система централизованного теплоснабжения 1988
  • Кыйв Тээт-Андрус Арнольдович
  • Драчнев Василий Григорьевич
SU1576788A1
СОКОЛОВ Е.Я
ТЕПЛОФИКАЦИЯ И ТЕПЛОВЫЕ СЕТИ
- М.: ЭНЕРГОИЗДАТ, 1982
Устройство для управления отоплением здания 1982
  • Николаев Владимир Борисович
  • Соколов Владимир Борисович
  • Ворновицкий Михаил Львович
  • Лукошкин Юрий Петрович
  • Бурд Александр Львович
SU1145213A1
Устройство для управления нагревом 1979
  • Шкурко Евгений Георгиевич
  • Вильдман Саул Гецелевич
  • Волков Виктор Васильевич
  • Мигулин Виктор Иванович
  • Мрдуляш Галина Абрамовна
SU851386A1
Устройство для регулирования подачи тепла 1981
  • Ожиганов Юрий Васильевич
  • Соловьев Анатолий Владимирович
SU1004718A1

RU 2 348 061 C1

Авторы

Масов Максим Николаевич

Даты

2009-02-27Публикация

2007-05-30Подача