СПОСОБ И УСТАНОВКА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗДАНИИ Российский патент 2015 года по МПК F24D19/10 

Настоящее изобретение касается установки регулирования температуры в здании, причем эта установка содержит тепловой насос, а также способа управления такой установкой.

Как известно, температуру здания регулируют, то есть его нагревают или охлаждают при помощи теплового насоса. В установке этого типа тепловым насосом управляют при помощи заданного значения температуры текучей среды-теплоносителя на выходе насоса, в качестве которой может быть использована вода с добавками или другая жидкость. Это заданное значение температуры устанавливают в зависимости от наружной температуры и от характеристик тепловых потерь здания. Тепловой насос работает независимо от заселенности зданий и, следовательно, от реальных потребностей в обогреве или охлаждении. Это приводит к перерасходу тока, предназначенного для питания теплового насоса.

В документе FR-А-2 679 016 раскрыта установка нагрева и производства горячей воды для теплового насоса, в которой компрессор действует на контур хладагента для нагрева резервуара горячей технической воды. Контур хладагента содержит напольную установку нагрева, которая содержит несколько ветвей, каждая из которых соответствует одной жилой комнате. Каждая ветвь связана с вентилем регулирования расхода хладагента, что позволяет раздельно регулировать температуру каждой жилой комнаты. Электрическое потребление теплового насоса не является оптимизированным в зависимости от реальных потребностей установки.

Задачей изобретения является устранение этих недостатков и разработки способа нагрева или охлаждения установки регулирования температуры, который позволяет оптимизировать расход электроэнергии теплового насоса в зависимости от реальных потребностей в нагреве или охлаждении здания.

Для решения поставленной задачи предложен способ управления установкой регулирования температуры в здании, содержащий тепловой насос, действующий на температуру текучей среды-теплоносителя, и, по меньшей мере, один тепловой излучатель, питание которого текучей средой-теплоносителем от теплового насоса контролируют при помощи регулировочного вентиля, при этом, согласно способу, работой теплового насоса управляют при помощи заданного значения температуры текучей среды-теплоносителя на входе или на выходе теплового насоса. Этот способ отличается тем, что содержит следующие этапы:

а) считывают данные, касающиеся открывания регулировочного вентиля или регулировочных вентилей;

b) корректируют заданное значение температуры теплового насоса в зависимости от данных, считанных на этапе (а).

Благодаря изобретению, считывание данных, касающихся открывания регулировочного вентиля или регулировочных вентилей, позволяет определить картину реальных потребностей в нагреве или охлаждении. На этой основе можно в целом оптимизировать условия работы теплового насоса и теплового излучателя или излучателей, адаптируя заданное значение температуры к реальным потребностям в нагреве или охлаждении здания, избегая при этом перерасхода электрического тока на уровне других вспомогательных компонентов водоснабжения и вентиляции системы. За счет этого обеспечивают экономию электрического тока.

Согласно предпочтительным, но не ограничительным аспектам изобретения, такой способ может включать в себя один или несколько следующих отличительных признаков, взятых отдельно или в любой технически возможной комбинации:

- способ содержит дополнительный этап, на котором определяют степень максимального открывания регулировочных вентилей различных тепловых излучателей, и на этапе b) производят коррекцию заданного значения температуры в зависимости от степени максимального открывания;

- способ содержит дополнительный этап, на котором за заранее определенный период времени определяют среднее значение степени максимального открывания регулировочных вентилей различных тепловых излучателей, и на этапе b) производят коррекцию заданного значения температуры в зависимости от средней степени максимального открывания;

- способ содержит, по меньшей мере, один дополнительный этап, на котором сравнивают степень максимального открывания регулировочных вентилей различных тепловых излучателей, и на этапе b) производят коррекцию заданного значения температуры в зависимости от результата этого сравнения;

- способ содержит, по меньшей мере, один дополнительный этап, на котором сравнивают степень максимального открывания регулировочных вентилей различных тепловых излучателей с первым пороговым значением и с вторым пороговым значением, превышающим первое пороговое значение, и на этапе b) заданное значение уменьшают, если эта степень максимального открывания меньше первого порогового значения, заданное значение сохраняют постоянным, если эта степень максимального открывания находится между двумя пороговыми значениями, и заданное значение увеличивают, если эта степень максимального открывания превышает второе пороговое значение. В этом случае первое пороговое значение равно, например, 80% и второе пороговое значение равно, например, 95%;

- работой теплового насоса управляют, контролируя электрическое питание, по меньшей мере, одного электрического двигателя, принадлежащего к тепловому насосу, в зависимости от заданного значения температуры, скорректированного на этапе b);

- этапы а) и b) осуществляют через равномерные промежутки времени с частотностью в пределах от двух до десяти минут, предпочтительно порядка пяти минут.

Объектом изобретения является также установка, позволяющая осуществлять описанный выше способ и, в частности, установка, содержащая тепловой насос, действующий на температуру текучей среды-теплоносителя, по меньшей мере, один тепловой излучатель, питание которого текучей средой-теплоносителем от теплового насоса контролируют при помощи регулировочного вентиля, и блок управления, выполненный с возможностью управления тепловым насосом при помощи заданного значения температуры текучей среды-теплоносителя на входе или на выходе теплового насоса. Эта установка отличается тем, что содержит средства отслеживания открывания регулировочных вентилей и средства передачи - от средств отслеживания в блок управления - данной, касающейся открывания регулировочных вентилей, и тем, что блок управления выполнен с возможностью коррекции заданного значения температуры в зависимости от данной, полученной от средств отслеживания.

Предпочтительно тепловой насос содержит электрический двигатель, управляемый блоком управления в зависимости от заданного значения температуры.

Изобретение и его другие преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания способа и установки для его осуществления, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает схематичный вид установки регулирования температуры в соответствии с изобретением;

Фиг. 2 - блок-схему способа управления установкой, показанной на фиг. 1, в случае работы установки в режиме обогрева;

Фиг. 3 - блок-схему другого способа управления установкой, показанной на фиг. 1, в случае работы установки в режиме охлаждения.

На фиг. 1 схематично показана установка 2 обогрева и охлаждения жилого здания В, которое содержит кухню В1, гостиную В2, спальню В3 и ванную комнату В4.

Установка 2 обогрева и охлаждения содержит тепловой насос 4, который действует на текучую среду-теплоноситель, питающую через входные трубопроводы 62 тепловые излучатели 81, 82, 83 и 84, распределенные в помещениях В1, В2, В3 и В4. Тепловой насос 4 может быть любым устройством, охлаждающим холодный источник и нагревающим горячий источник. Выходные трубопроводы 64 обеспечивают перемещение текучей среды-теплоносителя от тепловых излучателей 81-84 к тепловому насосу 4.

Теплоносителем может быть чистая вода, или вода с добавками, или любая текучая среда в жидком состоянии.

Тепловой насос 4 содержит не показанные средства теплообмена между текучей средой-теплоносителем и другой текучей средой, находящейся снаружи здания В. В зависимости от типа теплового насоса 4 эти средства теплообмена содержат вентилятор, компрессор или другой агрегат, вращаемый электрическим двигателем 42. Кроме того, тепловой насос 4 содержит не показанный циркулятор для текучей среды-теплоносителя, приводимый в действие от электрического двигателя 44.

Тепловые излучатели 81-84 могут быть пассивными, то есть радиаторами, или излучателями с принудительной конвекцией, такими как конвекционные вентиляторы. Количество тепла, выдаваемое тепловыми излучателями 81-84, можно контролировать вручную, как в помещениях В1 и В4, или при помощи термостата 92 или 93, как в помещениях В2 и В3.

Пропорциональный регулировочный вентиль 101 позволяет контролировать подачу текучей среды-теплоносителя в тепловой излучатель 81 и, следовательно, количество тепла, излучаемое в помещении В1 этим излучателем. Регулировочный вентиль 101 установлен на входном трубопроводе 62 вблизи теплового излучателя 81. Это же относится к трем пропорциональным регулировочным вентилям 102, 103 и 104, соответственно связанным с каждым из тепловых излучателей 82, 83 и 84. Регулировочными вентилями 101 и 104 управляют вручную, тогда как вентилями 102 и 103 управляют при помощи термостатов 92 и 93.

Установка 2 содержит также блок 12 управления, который выдает командные сигналы S₄₂ и S₄₄ соответственно на двигатели 42 и 44.

На входном трубопроводе 62 на выходе теплового насоса 4 установлен температурный датчик 14, который направляет в блок 12 управления сигнал S₁₄, содержащий данные о температуре текучей среды-теплоносителя на выходе теплового насоса 4.

Во время работы блок 12 управления вычисляет, в частности, в зависимости от наружных температурных условий и от термической модели здания В, - заданное значение Т_с температуры текучей среды-теплоносителя на выходе теплового насоса. Блок 12 управления управляет тепловым насосом 4 в зависимости от заданного значения Т_с температуры посредством коррекции сигналов S₄₂ и S₄₄. Датчик 14 позволяет системе работать в замкнутом контуре.

На вентиле 101 установлен контрольный блок 161, отслеживающий степень открывания этого вентиля 101. Линия 181 проводной связи соединяет контрольный блок 161 с блоком 12 управления и позволяет передавать на него сигнал S₁₀₁, характеризующий степень открывания вентиля 101. Точно так же на вентилях 102, 103 и 104 установлены контрольные блоки 162, 163 и 164, соединенные с блоком 12 управления через проводные линии 182, 183 и 184, которые передают сигналы S₁₀₂, S₁₀₃ и S₁₀₄, характеризующие степень открывания вентилей 102, 103 и 104.

Таким образом, блок 12 управления может определить заданное значение Т_с температуры с учетом степени открывания вентилей 101-104.

На фиг. 2 и 3 представлен способ управления установкой, показанной на фиг. 1. На фиг. 2 этот способ представлен для работы теплового насоса 4 в режиме обогрева, а на фиг. 3 тепловой насос 4 работает в режиме охлаждения. Описанный ниже способ является общим для двух режимов работы, за исключением этапов 1009 и 1010 способа.

Работа установки 2 начинается с этапа 1001. На этапе 1002 измеряют разность ΔТ температуры между внутренним объемом и наружным пространством здания В при помощи не показанных датчиков. На этапе 1003 блок 12 управления вычисляет первоначальное заданное значение T_ci температуры. На этапе 1004 блок 12 управления управляет тепловым насосом 4 в зависимости от заданного значения температуры. После интервала времени, соответствующего стабилизации установки 2, и на этапе 1005 блок 12 управления считывает данные, касающиеся степени открывания вентилей 101-104, принимая сигналы S₁₀₁-S₁₀₄. На этапе 1006 среди различных степеней открывания регулировочных вентилей 101-104 блок 12 управления определяет степень их максимального открывания O_max. Этапы 1005 и 1006 осуществляют через равномерные интервалы времени, например каждые пять минут. После четырех замеров и на этапе 1007 блок 12 управления вычисляет среднюю степень максимального открывания MO_max регулировочных вентилей 101-104 из четырех последних замеров. Таким образом, получают скользящее во времени среднее значение степеней максимальных открываний O_max регулировочных вентилей 101-104.

На этапе 1008 блок 12 управления сравнивает значение MO_max с первым пороговым значением V_inf. На практике V_inf фиксируют, например, в значении 80%. Если значение MO_max меньше или равно V_inf, это значит, что все регулировочные вентили 101-104 установки 2 открыты относительно слабо и используют только часть тепловой энергии, выдаваемой тепловым насосом, что приводит к снижению производительности установки 2.

Если сравнение на этапе 1008 показывает, что значение MO_max меньше или равно пороговому значению V_inf, блок 12 переходит к этапу 1009. В противном случае блок 12 переходит к этапу 1010.

На этапе 1009 блок 12 управления определяет новое заданное значение Т_с температуры. Для работы в режиме обогрева, представленном на фиг. 2, новое значение Т_с меньше, чем предыдущее, например, на 2°С. Для работы в режиме охлаждения, представленном на фиг. 3, новое значение Т_с больше, чем предыдущее, например, на 2°С. Затем блок 12 управления использует новое заданное значение Т_с, определенное на этапе 1009, при помощи сигналов S₄₂ и S₄₄ для управления тепловым насосом 4 в новом осуществлении этапа 1004. Производительность установки повышается в обоих режимах работы.

На этапе 1010 блок 12 управления сравнивает значение MO_max с вторым пороговым значением V_sup. На практике V_sup фиксируют, например, в значении 95%. Если значение MO_max превышает V_sup, это значит, что заданное значение Т_с температуры, выдаваемое тепловым насосом 4, потенциально является слишком малым, чтобы, по меньшей мере, один тепловой излучатель 81-84 мог выдавать достаточную тепловую мощность, по меньшей мере, в одном помещении В1-В4 здания В.

Если сравнение на этапе 1010 показывает, что значение MO_max строго превышает пороговое значение V_sup, блок 12 переходит на этап 1011. В противном случае он переходит на этап 1012.

На этапе 1011 блок 12 управления определяет новое значение Т_с. Для работы в режиме обогрева, представленном на фиг. 2, новое значение Т_с больше, чем предыдущее, например, на 2°С. Для работы в режиме охлаждения, представленном на фиг. 3, новое значение Т_с меньше, чем предыдущее, например, на 2°С. Затем блок 12 управления использует новое заданное значение Т_с, определенное на этапе 1011, при помощи сигналов S₄₂ и S₄₄ для управления тепловым насосом 4 в новом осуществлении этапа 1004.

Если на этапе 1010 значение MO_max меньше или равно второму пороговому значению V_sup, это значит, что все регулировочные вентили 101-104 имеют степень открывания, позволяющую установке иметь оптимальную производительность. На этапе 1012 блок 12 управления сохраняет заданное значение Т_с температуры. Затем блок 12 управления использует заданное значение Т_с, определенное на этапе 1012, при помощи сигналов S₄₂ и S₄₄ для нового осуществления этапа 1004.

Таким образом, этапы 1004-1012 позволяют блоку 12 управления управлять двигателями 42 и 44 теплового насоса 4, учитывая степени открывания регулировочных вентилей 101-104, то есть тепловую мощность, действительно необходимую тепловым излучателям 81-84. Корректируя заданное значение Т_с температуры, можно снизить потребление электроэнергии двигателями 42 и 44 теплового насоса 4.

После каждого нового осуществления этапа 1004 повторяют этапы 1005-1012, используя на этапе 1007 последние считанные значения O_max.

Согласно не показанному на фигурах варианту изобретения, температурный датчик 14 можно установить на выходном трубопроводе 64 на входе теплового насоса 4, и он будет выдавать в блок 12 управления сигнал, содержащий данную о температуре текучей среды-теплоносителя на входе теплового насоса 4. В этом случае во время работы блок 12 управления вычисляет, в частности, в зависимости от наружных температурных условий и от термической модели здания, заданное значение температуры текучей среды-теплоносителя на входе теплового насоса 4.

Согласно не показанному на фигурах варианту изобретения, линии проводной связи 181-184 можно заменить беспроводной связью, в частности радиосвязью.

Согласно другому варианту изобретения, контрольные блоки 161-164 можно исключить и получать информацию о степени открывания различных регулировочных вентилей 101-104 на основании командных сигналов управления этими вентилями, которые поступают либо от кнопки управления, установленной в помещениях В1 и В4, либо от термостатов 92 и 93.

Согласно еще одному не показанному на фигурах варианту изобретения, пороговые значения V_inf и V_sup можно корректировать, например, в зависимости от места нахождения и от назначения здания В.

Изобретение было представлено в случае его применения для обогрева жилого здания. Однако его можно применять для обогрева зданий любого типа, в частности общественных зданий.

Интервал времени между этапами 1005 считывания данных S₁₀₁-S₁₀₄, касающихся открывания регулировочного вентиля или регулировочных вентилей 101-104, выбирают в пределах от 2 до 10 минут.

Изобретение было представлено в виде простой схемы распределения текучей среды-теплоносителя. Однако оно может включать в себя структуру распределения, содержащую бак-накопитель и один или несколько баллонов-смесителей.

Настоящее изобретение касается установки регулирования температуры в здании. Установка регулирования температуры в здании, содержащая тепловой насос, тепловой излучатель, питание которого, от теплового насоса, контролируют при помощи регулировочного вентиля, и блок управления, выполненный с возможностью управления тепловым насосом при помощи заданного значения температуры текучей среды-теплоносителя на входе или на выходе теплового насоса. Кроме того, установка содержит: средства отслеживания открывания регулировочных вентилей, и средства передачи, от средств отслеживания в блок управления, данных, касающихся открывания регулировочных вентилей, причем блок управления выполнен с возможностью коррекции заданного значения температуры в зависимости от данных, полученных от средств отслеживания. Это позволяет оптимизировать расход электроэнергии теплового насоса в зависимости от реальных потребностей в нагреве или охлаждении здания. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления установкой (2) регулирования температуры в здании (В), содержащей тепловой насос (4), действующий на температуру текучей среды-теплоносителя, и, по меньшей мере, один тепловой излучатель (81-84), питание которого текучей средой-теплоносителем от теплового насоса (4) контролируют при помощи регулировочного вентиля (101-104), при этом, согласно способу, работой теплового насоса (4) управляют (1004) при помощи заданного значения (Те) температуры текучей среды-теплоносителя на входе или на выходе теплового насоса (4), отличающийся тем, что содержит следующие этапы:
a) считывают (1005) данные (S₁₀₁-S₁₀₄), касающиеся открывания регулировочного вентиля или регулировочных вентилей (101-104);
b) корректируют (1009, 1011, 1012) заданное значение (T_c) температуры теплового насоса (4) в зависимости от данных, считанных на этапе (а).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержит дополнительный этап (1006), на котором определяют степень максимального открывания (O_max) регулировочных вентилей (101-104) различных тепловых излучателей (81-84), причем на этапе b) производят коррекцию заданного значения (T_c) температуры в зависимости от степени максимального открывания (O_max).

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что содержит дополнительный этап (1007), на котором за заранее определенный период времени определяют среднее значение (MO_max) степени максимального открывания (O_max) регулировочных вентилей (101-104) различных тепловых излучателей (81-84), причем на этапе b) производят коррекцию заданного значения (T_c) температуры в зависимости от средней степени максимального открывания (MO_max).

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, один дополнительный этап (1008, 1010), на котором сравнивают степень максимального открывания (O_max, MO_max) регулировочных вентилей (101-104) различных тепловых излучателей (81-84), причем на этапе b) производят коррекцию (1009, 1011, 1012) заданного значения (T_c) температуры в зависимости от результата этого сравнения.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, один дополнительный этап (1008, 1010), на котором сравнивают степень максимального открывания (O_max, MO_max) регулировочных вентилей (101-104) различных тепловых излучателей (81-84) с первым пороговым значением (V_inf) и со вторым пороговым значением (V_sup), превышающим первое пороговое значение, причем на этапе b) заданное значение (T_c) уменьшают (1009), если эта степень максимального открывания (O_max, MO_max) меньше первого порогового значения (V_inf), заданное значение (T_c) сохраняют постоянным (1009), если эта степень максимального открывания (O_max, MO_max) находится между двумя пороговыми значениями (V_inf, V_sup), и заданное значение увеличивают (1011), если эта степень максимального открывания (O_max, MO_max) превышает второе пороговое значение (V_sup).

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что первое пороговое значение (V_inf) равно 80% и второе пороговое значение (V_sup) равно 95%.

7. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что работой теплового насоса (4) управляют (1004), контролируя электрическое питание, по меньшей мере, одного электрического двигателя (42, 44), принадлежащего к тепловому насосу, в зависимости от заданного значения (T_c) температуры, скорректированного на этапе b).

8. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что этапы а) и b) (1005, 1009, 1011, 1012) осуществляют через равномерные промежутки времени с частотностью в пределах от двух до десяти минут, предпочтительно порядка пяти минут.

9. Установка (2) регулирования температуры в здании (В), содержащая тепловой насос (4), действующий на температуру текучей среды-теплоносителя, по меньшей мере, один тепловой излучатель (81-84), питание которого текучей средой-теплоносителем от теплового насоса контролируют при помощи регулировочного вентиля (101-104), и блок (12) управления, выполненный с возможностью управления тепловым насосом при помощи заданного значения (T_c) температуры текучей среды-теплоносителя на входе или на выходе теплового насоса (4), отличающаяся тем, что содержит:
- средства (161-164) отслеживания открывания регулировочных вентилей (101-104) и
- средства (181-184) передачи - от средств (161-164) отслеживания в блок (12) управления - данных (S₁₀₁-S₁₀₄), касающихся открывания регулировочных вентилей (101-104),
причем блок (12) управления выполнен с возможностью коррекции (1009, 1011, 1012) заданного значения (T_c) температуры в зависимости от данных (S₁₀₁-S₁₀₄), полученных от средств (161-164) отслеживания.

10. Установка (2) по п.9, отличающаяся тем, что тепловой насос (4) содержит, по меньшей мере, один электрический двигатель (42, 44), управляемый (1004) блоком (12) управления в зависимости от заданного значения (T_c) температуры.