СПОСОБ СВЕДЕНИЯ К МИНИМУМУ РАСХОДА ЭНЕРГИИ В ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕ С ТЕПЛОВЫМ АККУМУЛЯТОРОМ Российский патент 2014 года по МПК F24D19/10 

Настоящее изобретение относится к новому способу регулирования поддерживающей температуры воды в стандартном водонагревателе с тепловым аккумулятором, управляемом электронным регулятором. Нагреватель с мгновенным нагревом воды способен обеспечивать расход горячей воды, пропорциональный установленной тепловой мощности. Установка более высокой мощности обычно является затруднительной, и при этом ограничивается распределяемый расход.

Преимуществом водонагревателей с тепловым аккумулятором является их способность обеспечивать очень высокий расход воды при ограниченной установленной тепловой мощности. Количество воды, которая может распределяться на протяжении одного забора воды при температуре Т_u потребления, может превышать вместимость водяного бака, поскольку в нем поддерживается температура, превышающая температуру Т_u потребления, и отбираемая вода затем смешивается с холодной водой.

Поскольку водяные баки являются дорогостоящими и громоздкими, обычно используются баки как можно меньшего объема, при этом в них поддерживается высокая температура (обычно 75°C), а фактическая температура T_u потребления, которая обычно составляет от 35 до 40°C, достигается в точках отбора путем смешивания с холодной водой; тем не менее часто вода подается с более высокой температурой, чем температура T_u потребления, чтобы компенсировать ее остывание при прохождении по распределительным трубам.

Обычно выбранного объема бака достаточно, чтобы обеспечивать наибольший из предполагаемых заборов воды для данной конкретной системы водоснабжения и поддерживать температуру в водяном баке на максимально возможном уровне, при этом установленная тепловая мощность должна быть такова, чтобы возобновлять достаточный запас воды для следующего забора воды.

Таким образом, системам водоснабжения различных категорий соответствует множество моделей водонагревателей с тепловым аккумулятором (далее для краткости называемых просто водонагревателями). Ясно, что для обеспечения максимальной производительности, то есть наибольшего предполагаемого забора воды, большую часть времени в водонагревателе поддерживают такую высокую температуру, которая является неприменимой для большинства дальнейших заборов воды.

Известно, что вследствие этого основной причиной неэффективности водонагревателей с тепловым аккумулятором является рассеяние тепла, которое может быть очень значительным и часто бесполезным на протяжении всего дня, даже при большом временном интервале между заборами воды. Соответственно, разработаны простые в применении более или менее точные способы ограничения рассеяния тепла и поддержания температуры в водонагревателе на минимальном уровне, приемлемом для обеспечения работоспособности. Минимальным требованием к работоспособности, которое всегда должно выполняться, является постоянное поддержание в водонагревателе минимальной температуры не ниже температуры T_u потребления для обеспечения небольших непредвиденных заборов воды, при этом объем бака должен быть достаточным для обеспечения наибольшего предполагаемого в данной системе забора воды при поддержании температуры на приемлемом уровне.

Обычно заборы воды распределяются крайне неравномерно в течение дня как по расходу, так и времени, и имеет тенденции сосредоточиваться в определенных временных интервалах. Далее распределение забора воды по времени и количеству именуется профилем забора воды.

Известно, что профиль забора воды в течение дня является очень неравномерным, часто повторяющимся на протяжении заданных периодов времени, которые повторяются с одинаковыми интервалами, в частности с интервалом в одну неделю. В действительности, поскольку режим работы системы водоснабжения почти не изменяется, может устанавливаться типичный профиль забора воды для понедельника, вторника и т.д., в частности с четким различием между рабочими и выходными днями, а также, разумеется, с учетом праздничных дней и периодов отпусков.

Соответственно, этот циклический характер профилей забора воды позволяет прогнозировать их с определенной степенью уверенности и тем самым осуществлять способы регулирования температуры в водонагревателе, чтобы она изменялась в течение дня. Далее каждый из упомянутых интервалов времени именуется циклом забора воды.

На регулярные более крупные заборы воды обычно довольно случайным образом, в особенности в случае небольших систем водоснабжения, накладываются так называемые "малые заборы воды", например, для ополаскивания посуды или мытья рук, которые как таковые не влекут значительного расхода энергии, но могут, как известно специалистам в данной области техники, вызывать срабатывание термореле, в результате чего температура повышается до неприменимого высокого уровня и тем самым увеличивается рассеяние тепла.

Для ограничения рассеяния всегда применяется простой способ, в котором нагревательный элемент включается и выключается таймером с тем, чтобы обеспечивать желаемые температуры только в течение периода времени, когда предполагаются заборы воды.

Другим простым способом, менее эффективным с точки зрения расхода энергии для водопользователя, но более экономически выгодным для него, является приведение в действие нагревательного элемента только в течение периодов времени с более низким расходом, при этом вода может без необходимости поддерживаться чрезмерно горячей с некоторым упреждением относительно потребностей, но в любом случае стоимость ее получения является относительно низкой.

В этих способах просто устанавливают на фиксированном уровне регулируемую температуру T_set термореле, однако температура в водяном баке снижается, поскольку нагревательный элемент принудительно выключают.

Более эффективными для ограничения расхода являются способы, позволяющие в запланированном режиме изменять с течением времени температуру в водяном баке.

Чтобы это было возможным, необходимо знать профиль забора воды.

В патенте ЕР 0866282 описано устройство, позволяющее программировать желаемую последовательность забора воды, то есть профиль забора воды. Регистрируют количество отбираемой воды при n заборах в течение временной последовательности t.1, t.2, … t.k, … t.n путем установления для каждого времени t.k температуры T_set.k, при которой предположительно обеспечивается кратный k забор воды. Одним из недостатков способа является сложность правильного программирования, поскольку водопользователю не может быть известно, какие следует устанавливать фактические периоды забора горячей воды или фактические значения T_set.k для получения желаемого количества горячей воды с температурой T_u потребления. Таким образом, способ программирования предполагает ряд регулировок методом проб и ошибок с высокой вероятностью того, что водопользователь прекратит корректировку программы, когда он решит, что задача выполнена, не зная при этом, что это можно было сделать более эффективно. Другой сложностью является то, что фактическое время достижения желаемой температуры зависит от длительности нагрева, которое сложно оценить и которое в любом случае изменяется с течением времени у одного и того же водонагревателя по различным причинам, таким как образование накипи, сезонные колебания температуры в помещении, в котором установлен водонагреватель, снижение полезной тепловой мощности нагревательного элемента с течением времени.

С другой стороны, в патенте GB 2146797 описано, что информацию о периодах и количествах отбираемой воды получают посредством датчиков расхода потока при каждом заборе воды, при этом температуру в водяном баке устанавливают на промежуточном уровне между допустимыми минимумом и максимумом и пропорционально предполагаемому объему забора воды. Недостатком способа является необходимость датчиков расхода для регистрации заборов воды; кроме того, он не позволяет осуществлять корректировки, что означает, что в способе учитывается непостоянство забора воды, но для каждого забора воды устанавливается неизменяемая температура, поскольку она определяется согласно заданной формуле, и ее нельзя корректировать, если она является слишком высокой или низкой.

Согласно патенту ЕР 0356609 предусмотрен электронный процессор, в котором устанавливают последовательность периодов забора воды и соответствующие температуры в водяном баке, при этом процессор последовательно определяет, какую регулируемую температуру должно иметь термореле в течение каждого интервала времени. Впоследствии такую температуру изменяют, повышая для интервалов, в течение которых не были достигнуты желаемые температуры в водяном баке, и снижая ее в противоположном случае. Одним из недостатков способа, как и в случае первого упомянутого документа, является необходимость предварительной установки периодов предполагаемого забора воды; другим недостатком, как и в случае второго упомянутого документа, является то, что в водяном баке поддерживается желаемая и заданная температура, хотя это может и не являться оптимальным способом обеспечения наиболее эффективной производительности.

Одной из задач настоящего изобретения является поддержание в водяном баке водонагревателя такой температуры, при которой обеспечиваются все предполагаемые заборы воды при стандартном режиме работы системы водоснабжения и при этом сводится к минимуму рассеяние тепла.

Второй задачей настоящего изобретения является автоматическое изучение и сохранение по меньшей мере применительно к недельным циклам забора воды профиля забора воды, включающего время и количество, без необходимости ручных установок или датчиков расхода.

Третьей задачей настоящего изобретения является обнаружение изменений режима работы системы водоснабжения, изменяющих соответствующий изученный и сохраненный профиль забора воды.

Одной из дополнительных задач настоящего изобретения является предотвращение изменения сохраненного профиля забора воды в результате случайных малых заборов воды.

Эти и другие задачи достигаются посредством способа, рассмотренного в следующем далее описании и охарактеризованного в прилагаемой формуле изобретения, которая является неотъемлемой частью описания.

На фиг.1 схематически показано поперечное сечение бака водонагревателя,

на фиг.2 схематически показано логическое устройство, которое управляет водонагревателем предложенными в изобретении способами,

на фиг.3а, 3б и 3в показано распределение температуры воды внутри водонагревателя с тепловым аккумулятором, соответственно, в конце стадии нагрева, после забора воды с использованием только части запаса воды и после забора воды с использованием преимущественно всей воды только с достаточно высокой температурой,

на фиг.4а, 4б, 4в и 4г показаны схемы изменения температуры воды в водонагревателе с тепловым аккумулятором с течением времени по мере забора воды и нагрева воды способом согласно изобретению.

На фиг.1 показан водонагреватель 1, содержащий бак 2, который имеет впускное отверстие 2.1 для холодной воды, впускное отверстие 2.2 для горячей воды, дно 2.3 и купол 2.4. Для нагрева воды используется нагревательный элемент 3, который показан на фиг.1 в виде электрического сопротивления, но которым может являться любое аналогичное устройств, такое как агрегат сгорания газов или теплообменник и т.п.

Подача тепла нагревательного элемента 3 вне зависимости от использования режима двухпозиционного или плавного регулирования осуществляется с помощью регулятора 4.

Как показано на фиг.2, регулятор 4 имеет средство IN, позволяющее вводить в него извне первые данные, например, на этапе изготовления через вход IN.1 и(или) после установки через вход IN.2 и(или) позднее водопользователем через вход IN.3.

Кроме того, через вход IN.4 в регулятор 4 поступают вторые данные от одного или нескольких датчиков S; S1, S2, которые определяют одну или несколько соответствующих температур Т, T1, T2 воды в непосредственной близости от себя внутри бака 2.

В случае использования единственного датчика S; S1 он помещается там, где обычно находится датчик термореле известного из уровня техники водонагревателя 1, то есть преимущественно в точке, отстоящей на одну треть расстояния от дна 2.3. Если используется дополнительный датчик S2, его устанавливают в более низкой точке ближе к дну 2.3.

При использовании дополнительных датчиков все они распределяются таким образом, чтобы с определенной точностью определять схему изменения температуры по вертикальной оси; тем не менее было обнаружено, что для надлежащего осуществления способа согласно изобретению достаточно лишь двух датчиков S1 и S2.

Например, в вертикальном водонагревателе 1 емкостью от 80 до 150 литров и диаметром около 400-450 мм, который далее именуется стандартным водонагревателем 1, используются два датчика S: датчик S1, расположенный на расстоянии около 30 мм от дна, и датчик S2, расположенный на расстоянии около 230 мм от дна.

Что касается регулятора 4, он дополнительно оснащен памятью MEM для хранения:

первых данных, поступающих извне,

вторых данных, принимаемых от одного или нескольких датчиков S; S1, S2,

а также дополнительных параметров, которые обрабатывает регулятор 4 на основании первых и вторых данных.

Кроме того, регулятор 4 оснащен блоком обработки UE для обработки первых и вторых данных с целью получения параметров и таймером CLOCK для связывания по меньшей мере некоторых из параметров с соответствующими моментами времени.

Наконец, регулятор 4 оснащен средством U1 передачи выходных сигналов двухпозиционного или плавного регулирования нагревательного элемента 3, а также вторым средством U2 для передачи выходных сигналов состояния системы водопользователю и(или) оператору. Средство U2, например, может содержать дисплей, способный отображать температуру в водяном баке, профиль забора воды и т.д.

В частности, регулятор 4 способен обрабатывать данные для построения профиля осуществляемого водопользователем фактического забора воды, который распространяется на предварительно заданный цикл забора воды (в частности, длительностью в одну неделю), после чего он способен управлять нагревательным элементом 3 таким образом, что на протяжении следующих за первым циклом циклов забора воды, во время которых режим работы системы водоснабжения предположительно будет преимущественно аналогичным ее работе во время предыдущих циклов забора воды, температура в водяном баке поддерживается на минимальном уровне, необходимом для обеспечения стольких разовых заборов воды, сколько это физически возможно.

К тому же регулятор 4 способен обнаруживать на протяжении последующих циклов забора воды любые значительные изменения режима работы системы водоснабжения, которые могут потребовать соответствующего изменения зарегистрированного и сохраненного профиля забора воды, при этом он не принимает во внимание отклонения в связи с малыми заборами воды, которые не являются признаком изменения поведения.

Рассмотрим теперь способ, который согласно изобретению способен осуществлять регулятор 4 с целью достижения описанных выше результатов и в котором после первого пуска водонагреватель 1 начинает поддерживать температуру в баке 2 согласно значениям, хранящимся в памяти MEM регулятора 4, после чего он способен изучать профиль забора воды (то есть временные интервалы и количества отбираемой воды при разовых заборах) просто путем обработки данных, принимаемых от одного или нескольких датчиков S; S1, S2 во время реальной работы.

В соответствии с изобретением путем обработки одних и тех данных, поступающих от одного или нескольких датчиков S; S1, S2, регулятор 4 способен вычислять тепловую инерцию водонагревателя 1 или, что лучше, характеристику скорости нагрева воды тепловой системы, состоящей преимущественно из бака 2 и нагревательного элемента 3.

По существу, следует отметить, что путем простого мониторинга одной или нескольких температур Т, T.1, T.2, осуществляемого посредством датчиков S; S1, S2, можно соответствующим образом определять характеристики и режим работы водонагревателя 1 и системы водоснабжения. Например, если снижение температуры воды является очень медленным, его следует отнести на счет простого рассеяния тепла, а если снижение является очень быстрым, это означает, что происходит забор воды, длительность которого можно определить исходя из моментов начала и окончания быстрого снижения температуры, при этом на основании снижения температуры можно определять количество отобранной горячей воды. Если температура воды в конце забора воды превышает температуру T_u потребления, это означает, что требуемый забор воды был обеспечен, а более низкая температура, чем температура T_u потребления, означает, что водопользователь получил слишком холодную воду, то есть требуемая функция не была полностью выполнена. Аналогичным образом, на стадии нагрева при включенном нагревательном элементе 3 скорость повышения температуры позволяет определять время, необходимое для того, что любая первая температура изменилась на вторую целевую температуру без необходимости знать теплоемкость бака 2, изолирующую способность и тепловую мощность нагревательного элемента 3.

Соответственно, в конце изучения внутренних свойств водонагревателя 1 и системы водоснабжения водонагреватель 1 способен поддерживать температуру в баке 2 на уровнях, которые изменяется с течением времени и являются максимально низкими, но всегда достаточными для обеспечения разовых заборов воды, при этом информация о температуре, поступающая извне посредством первых данных, служит для управления водонагревателем 1 только по меньшей мере на протяжении первого периода первого цикла заборов воды, в результате чего после первого пуска всегда обеспечиваются потребности водопользователя.

Перед подробным описанием предложенного в изобретении способа следует дать определение некоторым параметрам, которые используются в способе.

Температура T_m воды в целом означает температуру, определенную путем усреднения одной или нескольких температур Т, T1, T2, определенных одним или несколькими датчиками S; S1, S2, при этом такое среднее значение необязательно является средним арифметическим, и также может быть взвешенным средним значением для придания большей значимости той или иной из одной или нескольких из температур Т, T1, T2.

T_m.eff означает среднюю фактическую температуру воды, которая необязательно совпадает с температурой T_m воды согласно показаниям датчиков S; S1, S2, и точно определяемую только путем лабораторных испытаний. Разумеется, что средняя фактическая температура T_m.eff не используется в способе согласно изобретению и далее упоминается только при пояснении самого способа.

T_set.k означает температуру забора воды К, которая должна обеспечиваться в начале кратного к забора воды P_k.

Температуры T_set.k забора воды имеют предварительно заданное начальное значение T_set, превышающее или равное значению для обеспечения наибольшего предполагаемого забора воды; впоследствии они принимают значения, вычисляемые регулятором 4 для каждого из k предполагаемых заборов воды.

T_set.max означает максимальную установленную температуру (обычно 75°C), которая согласно условиям техники безопасности является температурой, не превышающей опасный уровень.

T_stand-by означает поддерживающую температуру, которая должна обеспечиваться в периоды, отстоящие по времени от заборов воды; она имеет заданное значение, предпочтительно равное температуре T_u потребления, и находится в пределах от 35 до 45°C для обеспечения непредвиденных малых заборов воды. Она не подвергается обработке с течением времени, но может корректироваться вручную, если заданное значение является неприемлемым или считается чрезмерным.

T_target означает целевую температуру. Целевую температуру T_target предварительно устанавливают на уровне T_set. Впоследствии регулятор 4 устанавливает ее на уровне поддерживающей температуры T_stand-by на удалении по времени от периодов забора воды, но она должна достигать значения температуры T_set.k забора воды с упреждающим интервалом Δt_ant времени нагрева до наступления времени t_k начала предполагаемого забора воды.

ΔT_hysteresis означает гистерезис, соответствующий целевой температуре T_target. Как и обычное термореле, регулятор 4 включает нагревательный элемент 3, когда температура T_m воды падает ниже значения T_target-ΔT_hysteresis (то есть, когда T_m<T_target-ΔT_hysteresis), и выключает его, когда температура T_m воды превышает значение T_target (то есть, когда T_m>T_target). Значение гистерезиса ΔT_hysteresis является предварительно заданным; оно может быть очень небольшим, как во всех электронных регуляторах температуры (например, 0,5°C), если нагревательный элемент 3 представляет собой группу электрических сопротивлений, управляемых регулятором 4 посредством симистора. В то же время, если регулятор 4 управляет нагревательным элементом 3 посредством реле, гистерезис ΔT_hysteresis имеет значительно большее значение для предотвращения чрезмерной частоты переключения частота переключений двухпозиционных реле. В этом втором случае значение гистерезиса ΔT_hysteresis предпочтительно устанавливают на уровне 5°C, если целевая температура T_target установлена на уровне поддерживающей температуры T_stand-by, чтобы с достаточной точностью обеспечивать приемлемую для системы водоснабжения температуру T_m воды; а, если целевая температура T_target установлена на уровне температуры T_set забора воды, гистерезис ΔT_hysteresis может иметь большее значение (например, 8°C).

Гистерезис ΔT_hysteresis не упоминается далее в описании, и подразумевается, что он используется в способе, которым регулятор 4 управляет нагревательным элементом 3.

T_opt означает оптимальную температуру опорожнения. В конце стадии нагрева вся вода в баке 2 преимущественно имеет целевую температуру T_target (смотри фиг.3а). В то же время во время забора воды происходит ее стратификация из-за того, что со дна поступает холодная вода, поэтому, если датчики S; S1, S2, как это обычно принято, расположены вблизи дна, они уже не определяют фактическую температуру на выходе (смотри фиг.3б, 3в). Тем не менее, между температурами, определяемыми на дне 2.3, и температурами вблизи купола 2.4 в процессе замены воды в баке 2 существует корреляция. Оптимальной температурой T_opt опорожнения является температура, определяемая на дне 2.3, когда из бака 2 отобрана вся вода с температурой T_m, превышающей температуру T_u потребления, и только температура воды вблизи 2.4 остается на уровне температуры T_u потребления.

Соответственно, достижение оптимальной температуры T_opt опорожнения на дне 2.3 в конце забора воды означает, что был обеспечен требуемый забор воды, при этом температура T_m воды в баке 2 достигла минимума по сравнению с температурой при заборе воды, в результате чего в баке 2 создались условия минимального рассеяния тепла.

Разумеется, что оптимальная температура T_opt опорожнения зависит не только от температуры T_u потребления, но также от размера и пропорций бака 2. Например, если температура T_u потребления в уже упоминавшемся стандартном водонагревателе 1 составляет 40°C, оптимальная температура T_opt опорожнения составляет от 18 до 24°C, более предпочтительно может быть установлена на уровне 21°C.

VT_h означает скорость нагрева воды при включенном нагревательном элементе 3. После того как были даны определения основным параметрам, используемым в способе согласно изобретению, рассмотрим соответствующие стадии изучения, имеющие целью определение стандартных параметров водонагревателя 1 и системы водоснабжения.

Далее будет описана стадия измерения инерции I_wh водонагревателя 1 с целью определения скорости нагрева воды, чтобы решать, с каким интервалом Δt_ant относительно начала каждого забора воды P_k следует приводить в действие нагревательный элемент 3 с тем, чтобы температура T_m воды достигала желаемой температуры T_set.k забора воды. Для осуществления этой стадии в то время, когда нагревательный элемент 3 включен:

регистрируют значение T_m1 температуры T_m воды в заданный момент времени,

регистрируют значение T_m2, достигнутое температурой T_m воды по истечении заданного интервала Δt измерения,

вычисляют значение скорости VT_h нагрева согласно формуле

$${\text{VT}}_{\text{h}}={\text{(T}}_{\text{m2}}-{\text{T}}_{\text{m1}}\text{)/Δ}\text{t (1)}$$ .

Если на этой стадии регистрируется снижение температура T_m воды (отражающее выключение по любой причине нагревательного элемента 3 или успешный забор воды), вычисленное значение скорости VT_h нагрева воды не может считаться достоверным, и стадия должна быть повторена. На значение скорости VT_h нагрева могут существенно влиять несколько факторов, некоторые из них в долгосрочном плане, как, например, показатели ухудшения характеристик водонагревателя 1 или сезонные колебания температуры в помещении, в котором установлен водонагреватель 1, а другие в краткосрочном плане, как, например, влияние малых заборов воды, которые вследствие создаваемой ими стратификации приводят значительным расхождениям между фактической температурой T_m.eff воды и температурой, определяемой одним или несколькими датчиками S; S1, S2.

Соответственно, скорость VT_h нагрева предпочтительно вычисляется периодически, например каждый раз, когда регулятор 4 приводит в действие нагревательный элемент 3, или еще более предпочтительно вычисление повторно осуществляется непрерывно при включенном нагревательном элементе 3; например, каждые 15 минут с установкой заданного интервала At измерения, также равным 15 минутам.

Внезапные колебания последовательно вычисляемых значения могут быть ограничены с использованием различных известных альтернативных математических методов.

Например, может использоваться скользящее среднее заданного числа последних вычисленных значений или еще более предпочтительно последний по порядку времени результат может фильтроваться с использованием постоянной τ времени, предпочтительно равной полутора часам. Используемый фильтр является фильтром рекурсивного типа (БИХ, то есть с бесконечной импульсной характеристикой) первого порядка, имеющий следующую известную формулу:

$$\text{y(n)}=\text{y(n}-\text{1)}+\text{Ts/(Ts}+\text{τ)}\text{.[u(n)}-\text{y(n}-\text{1)] (2)}$$ ,

в которой, в частности, Ts означает интервал выборки Δt (15 минут), x означает постоянную времени фильтра (90 минут), y(n) означает выборку фильтрованного значения u(n) (то есть вычисленной скорости VT_h нагрева) в момент времени n*Ts.

Далее будет описана стадия регистрации профиля забора воды.

Профиль забора воды регистрируется на протяжении всего первого цикла забора воды, который называется обучающим циклом, но считается преимущественно характерным и типичным для последующих циклов забора воды.

Затем регистрация может повторно осуществляться на протяжении следующих циклов с целью учета любых изменений в режиме работы системы водоснабжения.

Регистрация может начинаться в любой момент t времени цикла, при этом регистрируются моменты t_k начала каждого забора P_k из общего числа n заборов воды, которые осуществляются на протяжении цикла (где k означает последовательные числа 1 до n), а также значения T_mik и T_mfk, которые имеет температура T_m воды в начале и конце забора, соответственно.

Моменты t, t_k времени в любом случае могут определяться на основании момента времени, принятого за начало цикла (например, с 0 часов понедельника, если цикл имеет недельную длительность, и под этим подразумевается момент начала алгоритма, если оборудование не оснащено пользовательским интерфейсом для управления календарными событиями).

Упомянутая стадия поделена на чередующуюся последовательность n первых подэтапов, в конце которых для каждого забор P_k (при этом k составляет от 1 до n) определяют момент t_k начала кратного k забора и соответствующую начальную температуру T_mik забора, за которыми следует столько же вторых подэтапов, в конце которых определяют соответствующую конечную температуру T_mfk забора и рассчитывают количество отобранной воды.

На каждом из первых подэтапов отслеживают температуру T_m воды во время интервалов δt_c выборки.

Забор P_k считается начатым, если выполнены следующие два условия.

Согласно первому условию абсолютное значение скорости VT_c остывания воды должно превышать заданную скорость остывания VT_P.

Чтобы установить это, в момент t_c времени в конце интервала δt_c выборки проверяют, снизилось ли значение температуры T_m (t_c), измеренное в упомянутый момент t_c времени, по сравнению со значением T_m(t_c-δt_c), измеренным в предыдущий момент t_c-δt_c, на величину, большую или равную заданной первой величине снижения δT_p1, выбранной таким образом, чтобы исключить отнесение упомянутого снижения температуры на счет остывания вследствие рассеяния тепла.

Поскольку VT_c=[T_m(t_c-δt_c)-T_m(t_c)]/δt_c, a VT_P=δT_p1/δt_c, должно быть выполнено условие, представленное следующей формулой:

$${\text{T}}_{\text{m}}\left({\text{t}}_{\text{c}}-{\text{δt}}_{\text{c}}\right)-{\text{T}}_{\text{m}}\left({\text{t}}_{\text{c}}\right)>{\text{δT}}_{\text{p1}}\text{ (3)}$$

Упомянутые интервалы δt_c выборки могут быть достаточно короткими, предпочтительно составлять 60 секунд; соответственно, упомянутое снижение δT_p1 температуры предпочтительно составляет 0,33°C, а упомянутая заданная скорость VT_P остывания составляет 0,33°C в минуту.

Тем не менее, такое условие считается недостаточным, поскольку снижение температуры в действительности может происходить из-за случайного малого забора воды, который не следует принимать во внимание, так как он не отражает фактический циклический профиль забора воды, или даже из-за циклов включения-выключения нагревательного элемента во время нормального процесса термостатирования, если датчики температуры расположены вблизи нагревательного элемента.

Соответственно, предусмотрено второе условие, согласно которому выполнение первого условия продолжают проверять, пока температура T_m не снизится на заданную вторую величину δT_P2 снижения, которая считается показателем отсутствия малого или случайного забора воды.

Разумеется, что упомянутая вторая величина δT_P2 снижения зависит от модели водонагревателя 1 и типа система водоснабжения, на которую он рассчитан.

Например, в случае стандартных водонагревателей 1 предпочтительное значение второй величины δT_P2 снижения составляет от 4 до 13°C, еще более предпочтительно составляет 6,5°C.

Момент t_k начала забора может считаться совпадающим с моментом t_c времени, если выполнено первое условие и в то же время сама температура T_m(t_c), измеренная в момент t_c времени, используется и сохраняется в качестве начальной температуры T_mik забора или в следующем формульном выражении:

$$t_k=t_c(4)$$

$$T_{mik}=T_m(t_c)(5)$$ .

Тем не менее, поскольку в силу тепловой инерции датчиков S; S1, S2 и их расстояния от впускного отверстия 2.1 для холодной воды фактический момент t_k начала забора может иметь место с определенным упреждающим интервалом δt_ant относительно момента t_c времени, в который зарегистрировано снижение температуры, согласно одной из разновидностей предложенного в изобретении способа это может приниматься во внимание при условии

$$t_k=t_c-\delta t_{ant}(4)$$

и(или) также

$$T_{mik}=T_m(t_c-\delta t_{ant})(5)$$ .

Разумеется, что значение упреждающего интервала $$\delta t_{ant}$$ зависит от особенностей конструкции водонагревателя 1; в случае стандартных водонагревателей 1 опытным путем было установлено, что фактический момент t_k начала забора воды с достаточной точностью определяется при его значении в пределах от 60 до 180 секунд; соответственно, упреждающий интервал $$\delta t_{ant}$$ предпочтительно устанавливают равным интервалу δt_c выборки, который предпочтительно составляет 60 секунд. С другой стороны, во время каждого из вторых подэтапов, который следует за каждым из первых подэтапов, отслеживают температуру T_m, пока не прекратится выполнение условия $${\text{T}}_{\text{m}}\left({\text{t}}_{\text{c}}-{\text{δt}}_{\text{c}}\right)-{\text{T}}_{\text{m}}\left({\text{t}}_{\text{c}}\right)>{\text{δT}}_{\text{p1}}\text{ (3)}$$ .

Достижение такого состояния означает, что забор воды прекратился, и, соответственно, такое минимальное измеренное значение соответствует температуре T_mfk воды в конце забора. В частности, если температура T_mfk воды в конце забора является более низкой, чем оптимальная температура T_opt опорожнения, это означает, что не был обеспечен весь забор P_k и водопользователь по меньшей мере на конечной стадии забора P_k в действительности получал недостаточно горячую воду.

Затем вычисляется температуры T_set.k забора P_k воды.

На основании температур, измеряемых датчиками S; S1 и S2, вычисляется снижение Δt_k температуры T_m воды, равное разности между начальной и конечной температурам T_mik и T_mfk забора воды, то есть:

$${\text{Δt}}_{\text{k}}={\text{T}}_{\text{mik}}-{\text{T}}_{\text{mfk}}\text{ (6)}$$ .

Следует отметить, что каждому заданному забору воды соответствует точное уменьшение энергоемкости водонагревателя 1 и, соответственно, точное снижение средней фактической температуры T_m.eff воды вне зависимости от значения такой температуры в начале забора воды; если бы один или несколько датчиков S; S1 и S2 были распределены по все высоте водонагревателя 1, вычисляемое снижение Δt_k температуры составляло бы неизменяющуюся величину для каждого забора воды независимо от начального значения средней фактической температуры T_m.eff воды. В действительности, можно легко удостовериться в том, что, если принять Qp за массу отбираемой воды, V за объем бака 2, c_p и γ, соответственно, за удельную теплоемкость и плотность воды, а T_h за температуру воды в системе водоснабжения, снижение ΔT_m.eff средней фактической температуры T_m.eff будет составлять величину

$${\text{ΔT}}_{\text{m}\text{.eff}}=\text{Qp}\cdot \text{ср}\cdot \left({\text{T}}_{\text{u}}-{\text{T}}_{\text{h}}\right)\text{/}\left(\text{V}\cdot \text{γ}\cdot \text{ср}\right)\text{ (7)}$$

(в которой Qp·ср·(T_u-T_h) означает тепловую энергию, отбираемую от бака 2), не зависящую от средней температуры T_m.eff, хотя количество воды, используемое при заборе из водонагревателя 1 воды с температурой T_u потребления, увеличивается настолько же, насколько снижается фактическая средняя температура T_m.eff.

Соответственно, казалось бы, можно просто установить температуру T_set.k забора воды на уровне оптимальной температуры T_opt опорожнения, увеличенной на величину снижения температура drop ΔT_k или в следующем формульном выражении:

$${\text{T}}_{\text{set}\text{.k}}={\text{T}}_{\text{opt}}+{\text{ΔT}}_{\text{k}}\left(\text{8}\right)$$ .

В этом случае должен обеспечиваться забор воды с достижением в конце него оптимальной температуры T_opt опорожнения.

Тем не менее, один или несколько датчиков S; S1 и S2, исходя из практических соображений, предпочтительно размещают вблизи дна 2.3, и во время заборов воды регистрируют температуру T_m воды, значительно отличающуюся от средней фактической температура T_m.eff, поскольку (смотри фиг.36, Зв) поступающая холодная вода частично смешивается с горячей водой почти исключительно на дне 2.3 в объеме Vp, значительно меньшем, чем объем V. Соответственно, снижение ΔT_m, регистрируемое датчиками S; S1, S2, по меньшей мере приблизительно выражено зависимостью следующего типа:

$${\text{ΔT}}_{\text{m}}\text{.}=\text{Qp}\text{.ср}\text{.}\left({\text{T}}_{\text{u}}-{\text{T}}_{\text{h}}\right)\text{/}\left(\text{Vp}\text{.}\gamma \text{}\text{.}\text{ср}\right)\text{ (9)}$$ .

Вместе с тем, следует отметить, что объем Vp, в котором происходит смешивание, косвенно зависит от средней фактической температуры T_m.eff. По существу, чем ниже эта температура, тем большим является количество воды, отобранной для обеспечения массы Qp отбираемой воды с температурой T_u потребления, и, соответственно, тем большим является объем Vp, в котором происходит смешивание, и тем меньшим является происходящее на практике снижение ΔT_m.

Таким образом, на практике снижение ΔT_m, регистрируемое датчиками S; S1, S2 от начала до окончания забора воды, является не постоянным на протяжении забора воды, а уменьшается со снижением средней фактической температуры T_m.eff в начале забора воды, что, однако, не регистрируется датчиками S; S1, S2, если они расположены низко. Итак, поскольку зависимость между снижением ΔT_m температуры и средней фактической температурой T_m.eff является преимущественно несущественной в случае относительно высокой конечной температуры забора (что является признаком не очень большого забора воды и(или) высокой начальной температуры T_mik забора), тогда как она является более значимой, при достаточно низкой конечной температуре забора (что является признаком большого заборы воды и(или) низкой начальной температуры T_mik забора), что приводит к неправильному расчету количества отобранной воды, в соответствии с изобретением такой неправильный расчет корректируется с использованием правила, согласно которому, когда конечная температура T_mfk забора является более низкой, чем заданное граничное значение T_s, в формулу снижения ΔT_k=T_mik-T_mfk (б) вводится дополнительный член ΔT''_k.

Разумеется, что указанное правило и граничное значение зависят от модели водонагревателя 1 и характеристик системы водоснабжения, поэтому их необходимо определять опытным путем; согласно общему правилу заданное граничное значение T_s составляет от 20 и 30°C, и такой поправочный член ΔT''_k составляет не более 50% снижения ΔT_k температуры.

Способ применения такого правила, которое является предпочтительным благодаря его простоте и полученным хорошим экспериментальным результатам, состоит в следующем:

если конечная температура T_mik забора выше или равна оптимальной температуре _Topt опорожнения (что является признаком, в том числе того, что забор воды был полностью обеспечен), как уже говорилось, температуру T_set.k забора воды устанавливают на уровне оптимальной температуры T_opt опорожнения, увеличенной на величину температура ΔT_k снижения, то есть:

$${\text{T}}_{\text{set}\text{.k}}={\text{T}}_{\text{opt}}+{\text{ΔT}}_{\text{k}}{\text{seT}}_{\text{mfk}}\ge {\text{T}}_{\text{opt}}\text{ (10)}$$ ,

если конечная температура T_mfk забора является более низкой, чем оптимальная температура T_opt опорожнения (что является признаком, в том числе, того, что забор воды не был полностью обеспечен), вводят такой поправочный член ΔT''_k,значение которого равно разности между такой оптимальной температурой T_opt опорожнения и конечной температурой T_mfk забора, то есть:

$${\text{ΔT''}}_{\text{k}}=+\left({\text{T}}_{\text{opt}}-{\text{T}}_{\text{mfk}}\right){\text{, если T}}_{\text{mfk}}<{\text{T}}_{\text{opt}}\text{ (11}\text{.a)}$$

$${\text{T}}_{\text{set}\text{.k}}={\text{T}}_{\text{opt}}+{\text{Δt}}_{\text{k}}+{\text{ΔT''}}_{\text{k}}{\text{, если T}}_{\text{mfk}}<{\text{T}}_{\text{opt}}\text{ (11}\text{.b)}$$

Стадия регистрации профиля забора воды длится на протяжении всего цикла чередования первых и вторых подэтапов, которые автоматически завершаются в начале и в конце каждого соответствующего забора воды и суммарное число которых равно числу заборов воды.

Таким образом, определяют и сохраняют профиль n заборов воды, в котором каждый забор k описан двумя характеристическими параметрами, а именно, моментом t_k начала забора и снижением Δt_k температуры, которое вызвано им. В одном из вариантов осуществления изобретения на стадии регистрации профиля забора воды в ходе обучающего цикла также может осуществляться небольшая корректировка реальных характеристик системы водоснабжения.

По существу, в таком варианте осуществления предусмотрено, что в случае недельного цикла начальное заданное значение T_set может быть изменено и приравнено к значению максимальной температуры T_set.g забора воды, сохраненному накануне, при условии, что это не влечет чрезмерного изменения начального заданного значения T_set (например, в пределах T_set±3°C).

Соответственно, если начальное заданное значение T_set было чрезмерным для обеспечения фактического водопотребления, в результате его снижения уже ограничивается рассеяние, а если оно было недостаточным для более крупных заборов воды, уже повышается эффективность. Разумеется, что в таком варианте осуществления предполагается, что количество воды, отбираемой при разовых заборах воды (необязательно их число), существенно не изменяется изо дня в день.

Далее будут описаны способы управления водонагревателем 1 согласно изобретению после того, как во время обучающего цикла изучен профиль забора воды. В соответствии с изобретением целевая температура T_target всегда может поддерживаться равной поддерживающей температуре T_stand-by на удалении по времени от заборов воды, но доводится до температуры T'_set·k не ниже температуры T_set·k забора при Δt_ant относительно момента t_k начала забора, достаточном для обеспечения упомянутого забора.

На фиг.4а показаны некоторые точки P1, … P4, отображающие столько же заборов, охарактеризованных соответствующими моментами времени t₁, … t₄ начала t_k забора и соответствующими температурами T_set.1, … T_set.4 забора T_set.k.

Кроме того, на фиг.4б показана диаграмма изменения температуры T_m с линейными повышениями R1, … R4 для достижения температур T1, … T4 забора.

Упомянутые линейные повышения R1, … R4 имеют характер изменения, который зависит от скорости VT_h нагрева; как известно, характер изменения является экспоненциальным, но может быть аппроксимирован посредством прямолинейного участка без существенных погрешностей с учетом порядка размера постоянной времени температуры водонагревателя (например, значительно более 10⁶ сек для стандартного водонагревателя 1).

Казалось бы, время t_ONk начала нагрева для каждого забора k может быть вычислено согласно формуле

$${\text{t}}_{\text{ONk}}={\text{t}}_{\text{k}}-\left({\text{T}}_{\text{set}\text{.k}}-{\text{T}}_{\text{m}}\right){\text{/VT}}_{\text{h}}\text{ (12)}$$ ,

в которой (T_set.k-T_ra)/VT_h означает упреждающий интервал Δt_ant нагрева относительно момента tk начала забора, необходимый для доведения температуры T_m от текущего значения до значения T_set.k забора, и такое вычисление должно осуществляться в течение коротких временных интервалов, например 60 секунд, с учетом ближайшего забора, то есть забора, имеющего ближайшее время t_k начала.

В действительности такой способ является неудовлетворительным.

Следует отметить, что согласно проиллюстрированному на фиг.46 примеру обеспечивается забор P₁, но в конце остается недостаточно времени для доведения температуры T_m, которая после забора воды снизилась до оптимальной температуры T_opt опорожнения, до температуры забора T₂, необходимой для забора P₂. По этой же причине также не обеспечивается забор P₃, а малый забор P₄, отстоящий по времени от предыдущих заборов, обеспечивается.

На практике невозможно обеспечить водоснабжение способом, в котором по отдельности учитывается только ближайший из заборов воды.

В то же время в соответствии с изобретением применяется следующий способ "воображаемых заборов", в котором, по существу, конструируются воображаемые заборы воды.

В течение достаточно коротких временных интервалов δ_w, например 60 секунд, учитываются все w заборы P₁, …, Р_i, …, P_w, момент t_i начала которых приходится на фиксированное и заданное временное окно (называемое далее временным окном Δt_w), непосредственно следующее за текущим моментом времени.

В упомянутый момент t_w начала забора, приходящийся на временное окно Δt_w, конструируют столько же воображаемых заборы P'₁, …, Р'_i, …, P'_w, каждый из которых характеризуется:

таким же моментом t_w начала, как и момент начала соответствующего реального забора P_i,

но начальной температурой T'_set.i воображаемого забора, определенной путем сложения начальных температур T_set1, T_set2, …, T_set(i-1) всех заборов воды, приходящихся на временное окно Δt_w и предшествующих самому забору P_i, и соответствующей начальной температуры T_set.i реального забора, на основании которой была определена оптимальная температура T_opt опорожнения или в следующем формульном выражении:

$${\text{T'}}_{\text{seti}}={\text{T}}_{\text{set}\text{.i}}+\left({\text{T}}_{\text{set}\text{.1}}-{\text{T}}_{\text{opt}}\right)+\left({\text{T}}_{\text{set}\text{.2}}-{\text{T}}_{\text{opt}}\right)+\dots +\left({\text{T}}_{\text{set}\text{.(i}-\text{1)}}-{\text{T}}_{\text{opt}}\right)\text{ (13)}$$ .

Результат такой операции показан на фиг.4в и 4г, на которых воображаемые заборы P'₁, P'₂, P'₃, P'₄ показаны над соответствующими реальными заборами P₁, P₂, P₃, P₄. Воображаемый забор P'₁ совпадает с реальным забором P₁, поскольку он является первым во временном окне Δt_w, и к его начальной температуре T_set.1 не прибавлена другая температура.

На этом этапе для каждого забора P_i из w заборов, приходящихся на временное окно Δt_w, вычисляют время t'_ONi начала воображаемого нагрева согласно формуле

$${\text{t'}}_{\text{ONi}}={\text{t}}_{\text{i}}-\left({\text{T'}}_{\text{set}\text{.i}}-{\text{T}}_{\text{m}}\right){\text{/VT}}_{\text{h}}\text{ (12}\text{бис)}$$ ,

в которой (T'_set.i-T_m)/VT_h означает упреждающий интервал Δt_ant нагрева относительно момента t_k начала забора, необходимый для доведения температуры T_m от текущего значения до значения температуры T'_set.i воображаемого забора.

По достижении самого раннего из моментов t'_ONi начала нагрева устанавливают целевую температуру T_targa на уровне начальной температуры T'_set.i соответствующего воображаемого забора P'_i, при этом подразумевается, что упомянутая целевая температура T_target никогда не может превышать максимальную установленную температуру T_set.max.

Результат такого способа проиллюстрирован на фиг.4в, на которой самым ранним из моментов t'_ONi начала нагрева является момент t'_ON3, соответствующий воображаемому забору P'₃; по его достижении нагревательный элемент 3 приводится в действие, и температура T_m начинает повышаться. По достижении момента ti начала забора температура T_m, которая значительно превышает строго необходимую начальную температуру T_set.i реального забора, резко падает на величину, равную снижению ΔT1 температуры, которое соответствует такому забору воды, затем снова повышается, достигая ко времени t₂ начала забора воды промежуточной температуры между начальной температурой T_set.2 реального забора и начальной температурой T'_set.2 воображаемого забора, а затем снова падает в момент t₃ начала забора и достигает в точности начальной температуры T_set.3 реального забора, в результате чего обеспечиваются все три забора воды P₁, P₂ и P₃, а забор p₄ не принимается во внимание, поскольку соответствующий момент начала нагрева t'_ON4=t_ON4 приходится на значительно более позднее время.

Процесс является рекурсивным, повторяемым в течение относительно коротких временных интервалов, например 60 секунд, при этом каждый раз временное окно Δt_w смещается вперед на одинаковое время, в результате чего учитываются и обеспечиваются все заборы P воды, но в пределах мощности водонагревателя 1.

На фиг.4г, например, показано, что линейное изменение R заблокировано при его возрастании из-за того, что до достижения момента t₁ начала забора воды была достигнута максимальная установленная температура T_set.max. Это не влияет на заборы P₁ и P₂, но при этом не может быть достигнута начальная температура T_set.2 забора P₃.

Протяженность такого временного окна Δt_w должна значительно превышать интервалы между множеством последовательных заборов воды.

Более подробно, такое временное окно Δt_w должно быть достаточно протяженным, чтобы включать момент t_i начала всех заборов P_i, чьи моменты t'_ONi начала воображаемого нагрева предположительно предшествуют моментам t'_ON, которые соответствуют i-1 предшествующих заборов P₁, …, P_i-1. Для повышения точности, как показано на фиг.4в, забор P₃, чей момент начала t'_ON3 воображаемого забора предшествует моментам начала t'_ON2 и t'_ON1 воображаемого забора, не будет полностью обеспечен, если его момент t₃ начала уже не был включен во временное окно Δt_w, в которое по-прежнему входят моменты t₁ и t₂ начала предшествующих заборов P₁ и P₂. Иными словами, если регулятор 4 не смог учесть забор P₃ наряду с более ранними заборами P_i и P₂, он начнет нагрев в момент t'_ON2, и забор P₃ не будет обеспечен полностью. Такое временное окно Δt_w несложно определить, если известен тип системы водоснабжения, на которую рассчитан водонагреватель 1.

Например, если цикл забора воды длится одну неделю, временное окно Δt_w может иметь протяженность 24 часа; кроме того, выполнение заданного условия также обеспечивается несомненным наличием ночной паузы в заборах воды.

Как показано, описанный способ предусматривает построение воображаемых заборов P'₁…, P'_i, … P' воды, вычисление соответствующих температур T'_set начала воображаемых заборов воды, затем вычисление соответствующих моментов t'_ONi начала нагрева и, наконец, приведение в действие нагревательного элемента 3 по достижении ближайшего из упомянутых моментов начала t'_ONi нагрева путем установки целевой температуры T_target,равной начальной температуре воображаемого забора T'_set.i.

Этот способ обеспечивает выполнение потребностей водопользователя, поскольку в нем учитываются в целом все заборы Р_i воды, которые происходят настолько близко друг к другу во времени, что не оставалось бы времени для обеспечения заборов воды, следующих за первым забором P₁ из группы, если бы необходимая тепловая энергия не запасалась заранее путем приведения в действие нагревательного элемента 3.

Это достигается за счет вычисления момента t'_ONi начала воображаемого нагрева при заборе P_i воды также с учетом времени нагрева, который должен отводиться на все предшествующие ему заборы воды.

Следует отметить, что начальная температура T'_set.i воображаемого забора почти никогда не достигается в действительности, поскольку по мере нагрева температура T_m воды снижается вследствие промежуточных заборов воды.

На практике способ "воображаемых заборов воды" позволяет подавать тепловую энергию, строго необходимую для обеспечения заборов воды, последовательно поддерживать температуру T_m на минимальном уровне, необходимом для такого обеспечения заборов воды, и вычислять длительность периодов включения нагревательного элемента 3 без необходимости в прямой форме знать его тепловую мощность.

Излишне говорить о том, что в ущерб максимально достижимой экономии энергии, но с выгодой для безопасности работы упомянутые моменты t'_ONi начала нагрева могут быть незначительно сдвинуты вперед (допустимое упреждение Δ_to1 с целью учета расхождений между фактическими моментами (t_i) начала забора воды и моментами, зарегистрированными во время обучающего цикла забора воды). По существу, если регистрация профиля забора воды продолжается на протяжении циклов забора воды, следующих за первым обучающим циклом, регулятор может быть обучен тому, какое значение следует присваивать такому допустимому упреждению Δ_to1.

Настоящее изобретение относится к способу регулирования поддерживающей температуры воды в водонагревателе с тепловым аккумулятором, управляемым электронным регулятором. Способ управления водонагревателем с тепловым аккумулятором, в котором нагрев воды осуществляется нагревательным элементом, управляемым регулятором, способным доводить температуру воды до изменяемой целевой температуры, и который включает: определение момента (tONk; t′ONi) начала нагрева для обеспечения заборов (Pk; Pi) воды включает следующие стадии: через короткие временные интервалы (δW) учитывают все w заборы (P1, …, Pi,…, Pw), момент (ti) начала которых приходится на заданное временное окно (Δtw), непосредственно следующее за текущим моментом времени, при этом временное окно (Δtw) выбирается, исходя из типа системы водоснабжения, на которую рассчитан водонагреватель (1), и является достаточно протяженным, чтобы включать момент (ti) начала всех заборов (Pi), чьи моменты (t′ONi) начала воображаемого нагрева предположительно предшествуют моментам (t′ON), которые соответствуют (i-1) предшествующих заборов (P1, …, Pi-1), в упомянутый момент (ti) начала забора, приходящийся на временное окно (Δtw), конструируют столько же воображаемых заборов (Р′1, …, P′i, …, P′w), каждый из которых имеет такой же момент (tw) начала, как и момент начала соответствующего реального забора (Pi), и начальную температуру (T′set.i) воображаемого забора, определенную путем сложения начальных температур (Tset1, Tset2, …, Tset(i-1)) всех заборов воды, приходящихся на временное окно (Δtw) и предшествующих самому забору (Pi), и соответствующей начальной температуры (Tset.i) реального забора, на основании которой была определена каждая из начальных температур (Tset1, Tset2, …, Tset(i-1)) оптимальной температуры (Topt) опорожнения согласно формуле T′set.i=Tset.i+(Tset1-Topt)+(Tset2- Topt)+…+(Tset(i-1)-Topt), для каждого из воображаемых заборов (Р′1, …, P′i, …, P′w) вычисляют момент (t′ONi) начала воображаемого нагрева согласно формуле t′ONi=ti-(T′set.i-Tm)/VTh, по достижении самого раннего из моментов (t′ONi) начала нагрева устанавливают целевую температуру (Ttarget) на уровне начальной температуры (T′set.i) соответствующего воображаемого забора (P′i), при этом подразумевается, что верхним пределом упомянутой целевой температуры (Ttarget) является максимальная установленная температура (Tset.max), а до достижения самого раннего из моментов (t′ONi) начала нагрева поддерживают температуру (Ttarget), равной поддерживающей температуре (Tstand-by), при этом указанная поддерживающая температура (Tstand-by) является температурой, поддерживаемой в моменты времени, отдаленные от моментов забора. Это позволяет в запланированном режиме изменять с течением времени температуру в водяном баке. 3 н. и 26 з.п. ф-лы,4 ил.

1. Способ управления водонагревателем (1) с тепловым аккумулятором, в котором нагрев воды осуществляется нагревательным элементом (3), управляемым регулятором (4), способным доводить температуру (T_m) воды до изменяемой целевой температуры (T_target), и который включает:
первую стадию, на которой регистрируют данные профиля забора воды (P₁, …, P_k, …, P_n), повторяющегося преимущественно без изменений на протяжении последующих циклов забора воды, и данные скорости (VT_h) нагрева, типичной для водонагревателя (1),
вторую стадию, на которой до наступления момента (t_k) начала каждого забора (P_k) из всех n заборов (P_n) воды, входящих в каждый из циклов забора воды, доводят температуру (T_m) воды по меньшей мере до температуры (T_set.k; T′_set.i) забора, достаточной для обеспечения упомянутого забора воды с температурой (T_u) потребления путем начала нагрева в момент (t_ONk; t′_ONi) при условии, что в любом случае температура (T_m) воды поддерживается ниже или равной максимальной установленной температуре (T_set.max) со значением ниже опасного уровня, при этом упомянутую температуру (T_set.k; T′_set.i) забора и момент (t_ONk; t′_ONi) начала нагрева определяют на основании зарегистрированных данных,
отличающийся тем, что регистрация данных профиля забора воды осуществляется по меньшей мере на протяжении обучающего цикла забора воды и состоит в вычислении момента (t_k) начала забора и температуры (T_set.k) забора для каждого из n заборов (P_k), при этом такое вычисление осуществляется только посредством обработки данных, полученных путем оценки температуры (T_m) воды, являющейся средним одной или нескольких температур (Т; T1, Т2), измеренных на различных высотах (S, S1, S2) бака (2) в моменты (δt_c) времени,
и отличающийся тем, что определение момента (t_ONk; t′_ONi) начала нагрева для обеспечения заборов (P_k; P_i) воды включает следующие стадии:
через короткие временные интервалы (δ_W) учитывают все w заборы (P₁, …, P_i,…, P_w), момент (t_i) начала которых приходится на заданное временное окно (Δt_w), непосредственно следующее за текущим моментом времени,
при этом временное окно (Δt_w) выбирается, исходя из типа системы водоснабжения, на которую рассчитан водонагреватель (1), и является достаточно протяженным, чтобы включать момент (t_i) начала всех заборов (P_i), чьи моменты (t′_ONi) начала воображаемого нагрева предположительно предшествуют моментам (t′_ON), которые соответствуют (i-1) предшествующих заборов (P₁, …, P_i-1),
в упомянутый момент (t_i) начала забора, приходящийся на временное окно (Δt_w), конструируют столько же воображаемых заборов (Р′₁, …, P′_i, …, P′_w), каждый из которых имеет такой же момент (t_w) начала, как и момент начала соответствующего реального забора (P_i), и начальную температуру (T′_set.i) воображаемого забора, определенную путем сложения начальных температур (T_set1, T_set2, …, T_set(i-1)) всех заборов воды, приходящихся на временное окно (Δt_w) и предшествующих самому забору (P_i), и соответствующей начальной температуры (T_set.i) реального забора, на основании которой была определена каждая из начальных температур (T_set1, T_set2, …, T_set(i-1)) оптимальной температуры (T_opt) опорожнения согласно формуле T′_set.i=T_set.i+(T_set1-T_opt)+(T_set2- T_opt)+…+(T_set(i-1)-T_opt),
для каждого из воображаемых заборов (Р′₁, …, P′_i, …, P′_w) вычисляют момент (t′_ONi) начала воображаемого нагрева согласно формуле t′_ONi=t_i-(T′_set.i-T_m)/VT_h,
по достижении самого раннего из моментов (t′_ONi) начала нагрева устанавливают целевую температуру (T_target) на уровне начальной температуры (T′_set.i) соответствующего воображаемого забора (P′_i), при этом подразумевается, что верхним пределом упомянутой целевой температуры (T_target) является максимальная установленная температура (T_set.max),
а до достижения самого раннего из моментов (t′_ONi) начала нагрева поддерживают температуру (T_target) равной поддерживающей температуре (T_stand-by), при этом указанная поддерживающая температура (T_stand-by) является температурой, поддерживаемой в моменты времени, отдаленные от моментов забора.

2. Способ управления водонагревателем (1) по п.1, отличающийся тем, что указанные короткие временные интервалы (δ_W) составляют 60 секунд.

3. Способ управления водонагревателем (1) по п.1, отличающийся тем, что при недельной длительности цикла забора воды протяженность временного окна (Δt_w) составляет 24 часа.

4. Способ управления водонагревателем (1) по п.3, отличающийся тем, что моментам (t′_ONi) начала нагрева предшествует допустимое упреждение (Δ_to1) для учета расхождений между фактическими моментами (t_i) начала забора воды и моментами, зарегистрированными во время обучающего цикла забора воды.

5. Способ управления водонагревателем (1) по п.4, отличающийся тем, что регистрация профиля забора воды продолжается во время циклов забора воды, следующих за первым обучающим циклом, и во время циклов заборов воды, следующих за первым обучающим циклом, осуществляется обучение допустимому упреждению (Δ_to1).

6. Способ управления водонагревателем (1) по п.1, отличающийся тем, что поддерживающая температура (T_stand-by) равна температуре (T_u) потребления.

7. Способ управления водонагревателем (1) по п.1, отличающийся тем, что забор (P_k) воды считается начатым, если последовательно выполнены первое и второе условие,
при этом согласно первому условию в момент (tc) времени в конце интервала (δt_c) выборки отмечено, что температура (T_m(tc)) воды, зарегистрированная в упомянутый момент (tc) времени, снизилась относительно значения (T_m(tc-δt_c)), зарегистрированного в предыдущий момент (tc-δt_c), на величину, большую или равную заданному первому значению снижения (δT_p1) температуры, то есть выполнено условие T_m(t_c-δt_c)-T_m(t_c)>δT_p1 (3),
упомянутая величина снижения (δT_p1) температуры выбирается таким образом, чтобы исключить остывание вследствие рассеяния тепла,
согласно второму условию продолжается проверка выполнения первого условия, пока температура (T_m) не снизится на заданную вторую величину (δТ_P2) снижения, которая выбирается таким образом, чтобы исключить выполнение первого условия вследствие малого заборы воды или термостатирования, которые нежелательно принимать во внимание,
и тем, что для определения значения (T_set.k) температуры забора воды осуществляют следующие стадии, на которых:
сохраняют температуру T_m, зарегистрированную в момент (t_k) начала забора, в качестве начальной температуры (T_mik) забора,
сохраняют температуру, зарегистрированную в момент, когда температура (T_m) воды прекращает снижаться, то есть в момент, когда перестает выполняться условие [T_m(t_c-δt_c)-T_m(t_c)≥δT_p1] (3), в качестве конечной температуры (T_mfk) забора,
если один или несколько датчиков (S; S1, S2) расположены вблизи дна (2.3) водонагревателя (1), проверяют, находится ли конечная температура (T_mfk) забора ниже заданного граничного значения (T_s; T_opt),
принимают снижение (ΔТ_к) температуры (T_m) воды за значение разности между начальной и конечной температурами (T_mik, T_mfk) забора, а именно ΔT_k=T_mik-T_mfk,
если один или несколько датчиков (S; S1, S2) расположены вблизи дна (2.3), и конечная температура (T_mfk) забора является более низкой, чем заданное граничное значение (T_s; T_opt), корректируют значение снижение (ΔT_k) температуры путем внесения поправочного члена (ΔТ″_k), определяемого опытным путем для каждой модели водонагревателя (1) и соответствующего типа системы водоснабжения, а именно ΔT_k=T_mik-T_mfk+ΔТ″_k,
определяют температуру (T_set.k) забора воды путем суммирования значения снижения (ΔT_k) температуры, которое необязательно скорректировано, как указано выше, и оптимальной температуры (T_opt) опорожнения, а именно T_set.k=T_opt+ΔT_k,
где указанной оптимальной температурой (T_opt) опорожнения является температура вблизи дна (2.3) водонагревателя (1), когда вся вода отобирается при температуре (T_m), большей температуры (T_u) потребления, и только вода в верхней части (2.4) остается при указанной температуре (T_opt) опорожнения.

8. Способ управления водонагревателем (1) по п.7, отличающийся тем, что интервал (δt_c) выборки составляет 60 секунд, а первая величина (δT_p1) снижения температура составляет 0,33°C.

9. Способ управления водонагревателем (1) по меньшей мере по п.7, отличающийся тем, что вторая величина (δТ_P2) снижения составляет от 4 до 13°C.

10. Способ управления водонагревателем (1) по п.9, отличающийся тем, что вторая величина снижения (δТ_P2) составляет 6,5°C.

11. Способ управления водонагревателем (1) по п.7, отличающийся тем, что моменту (t_k) начала каждого забора (P_k) воды предшествует упреждающий интервал (δt_adv) относительно момента (t_c) времени, когда выполняется первое условие, или в формульном выражении t_k=t_c-δt_ant.

12. Способ управления водонагревателем (1) по п.7, отличающийся тем, что граничное значение (T_s; T_opt) составляет от 20 до 30°C, а поправочный член (ΔТ″_k) равен снижению (ΔT_k) температуры на 50%.

13. Способ управления водонагревателем (1) по п.7 отличающийся тем, что граничное значение (T_s; T_opt) равно оптимальной температуре (T_opt) опорожнения, а поправочный член (ΔТ″_k) равен разности между оптимальной температурой (T_opt) опорожнения и конечной температурой (T_mfk) забора воды.

14. Способ управления водонагревателем (1) по п.7, отличающийся тем, что упреждающий интервал (δt_adv) составляет от 0 до 180 секунд.

15. Способ управления водонагревателем (1) по п.7, отличающийся тем, что упреждающий интервал (δt_adv) равен интервалу (δt_c) выборки.

16. Способ управления водонагревателем (1) по п.1, отличающийся тем, что регистрация данных скорости (VT_h) нагрева осуществляется по меньшей мере во время обучающего цикла забора воды в период, когда температура (T_m) воды непрерывно повышается, и предусматривает стадии, на которых:
регистрируют значение (T_m1) температуры (T_m) воды в заданный момент времени,
регистрируют значение (T_m2), достигнутое температурой (T_m) воды по истечении заданного интервала (Δt) измерения,
вычисляют значение скорости (VT_h) нагрева согласно формуле VT_h=(T_m2-T_m1)/Δt.

17. Способ управления водонагревателем (1) по п.16, отличающийся тем, что регистрация данных скорости (VT_h) нагрева повторяется всякий раз, когда регулятор (4) приводит в действие нагревательный элемент (3).

18. Способ управления водонагревателем (1) по п.16, отличающийся тем, что регистрация данных скорости (VT_h) нагрева непрерывно повторяется при включенном нагревательном элементе (3) с интервалами, равными заданному интервалу (Δt) измерения.

19. Способ управления водонагревателем (1) по меньшей мере по п.16, отличающийся тем, что заданный интервал (Δt) измерения составляет 15 минут.

20. Способ управления водонагревателем (1) по меньшей мере по п.16, отличающийся тем, что регистрация данных скорости (VT_h) нагрева также осуществляется во время цикла забора воды, следующих за обучающими циклами забора воды.

21. Способ управления водонагревателем (1) по п.17, отличающийся тем, что последовательно вычисляемые значения скорости (VT_h) нагрева повторно обрабатывают для снижения степени расхождения между ними.

22. Способ управления водонагревателем (1) по п.21, отличающийся тем, что значение, принятое за скорость (VT_h) нагрева, устанавливается равным скользящему среднему заданного числа последних вычисленных значений.

23. Способ управления водонагревателем (1) по п.21, отличающийся тем, что значением, принятым за скорость (VT_h) нагрева, является последний полученный в хронологическом порядке результат, отфильтрованный с использованием постоянной (τ) времени, предпочтительно равной полутора часам, при этом в качестве фильтра используется фильтр рекурсивного типа (БИХ).

24. Способ управления водонагревателем (1) по п.7, отличающийся тем, что при недельной длительности цикла забора воды в начале каждого дня, следующего за первым днем, снижают или повышают начальное заданное значение (T_set) температуры забора воды максимально на 3°C, чтобы приблизить его к максимальному значению температуры забора, сохраненному накануне (T_set.g).

25. Регулятор (4) водонагревателя (1), содержащий:
средства (IN, IN.1, IN.2, IN.3) ввода в него извне первых данных на стадии изготовления и(или) после установки и(или) позднее водопользователем,
средства (IN, IN.4) ввода в него вторых данных (Т, T1, Т2) температуры воды, нагреваемой в баке (2) и регистрируемой одним или несколькими датчиками (S; S1; S2),
память (MEM) для хранения первых данных, принимаемых извне, вторых данных, принимаемых от одного или нескольких датчиков (S, SI, S2), а также дополнительных параметров, которые обрабатываются на основании первых и вторых данных,
блок обработки (UE) для обработки первых и вторых данных с целью определения параметров,
таймер (CLOCK) для связывания по меньшей мере некоторых из параметров с соответствующими моментами времени,
первое средство (U1) передачи выходных сигналов двухпозиционного или плавного регулирования нагревательного элемента (3),
любое второе средство (U2) для передачи выходных сигналов состояния системы водопользователю и(или) оператору,
при этом указанный регулятор (4) пригоден для регистрации данных, их обработки и регулирования нагревательного элемента (3) способами по одному или нескольким из пп.1-24.

26. Водонагреватель (1), содержащий:
регулятор (4) по п.25,
нагревательный элемент (3),
один или несколько датчиков (S; SI, S2) для регистрации температур (Т, T1, Т2) внутри бака (2),
отличающийся тем, что указанный водонагреватель снабжен регулятором (4) по п.25 и пригоден для выполнения способов по одному или нескольким пп.1-24.

27. Водонагреватель (1) по п.26, отличающийся тем, что один или несколько датчиков (S; S1, S2) представляют собой единственный датчик (S; S1), который помещается там, где обычно находится датчик термореле известного из уровня техники водонагревателя (1).

28. Водонагреватель (1) по п.26, отличающийся тем, что водонагреватель (1) представляет собой стандартную модель, а один или несколько датчиков (S; S1, S2) содержат первый и второй датчики (S1, S2), соответственно, которые помещаются на расстоянии около 30 мм и около 230 мм от дна (2.3).

29. Водонагреватель (1) по п.26, отличающийся тем, что в нем используется более двух датчиков (S; S1, S2), которые распределены таким образом, чтобы с определенной точностью определять схему (Т, T1, Т2) изменения температуры по вертикальной оси.