Способ управления распределением энергии в тепловой сети Российский патент 2020 года по МПК F24D10/00 F24D12/02 F25B29/00 G06Q10/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к способу управления распределением подачи энергии в тепловой сети, такой как отопительная сеть или охладительная сеть, во время пиковых нагрузок.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Колебания нагрузки в тепловой сети являются общеизвестной проблемой на протяжении всего года, поскольку такие колебания существуют как ежедневно, так и сезонно. Пики колебаний нагрузки вызывают особую сложность, поскольку приводят к увеличению расходов и неисправностям в тепловой сети. Нагрузки конечных пользователей, как правило, представляют собой сумму нагрузок для нагревания или охлаждения, и нагрузок для приготовления бытовой горячей воды для всех пользователей сети и потерь сети. Пиковые нагрузки также представляют собой совокупные нагрузки пиковых нагрузок всех пользователей и потерь сети в течение относительно коротких периодов времени, и они обычно намного выше базовых или средних нагрузок, которые могут быть поданы тепловой сеть во время ее нормальной эксплуатации.

Источником пиковых нагрузок является поведение потребителей, погодные условия и постоянно увеличивающееся количество новых потребителей энергии. Типовым поведением потребителей, обуславливающим ежедневные пиковые нагрузки, является, например, принятие душа по утрам и/или вечерам, что создает дополнительные нагрузки в отопительных системах. Погодные условия, как правило, приводят к сезонному колебанию нагрузки, например, солнечное излучение в течение дня может привести к повышенному использованию охладителей, наружная температура может вызвать увеличенный спрос на охлаждение во время летнего периода и повышенному спроса на нагревание во время зимы. Использование источников возобновляемой энергии и тепла отработавших газов требует, чтобы сети функционировали при низкой температуре и обеспечивали одинаковое количество энергии, что также ограничивает возможность покрытия коммунальными службами требуемого уровня пиковой нагрузки за счет обеспечения эксплуатации сети с более высокими температурами в данные периоды времени. Кроме того, новые потребители энергии представляют собой, например, сетевые расширения с новыми жилыми районами, торговые центры, и, в целом, увеличение населения в больших городах, которые дополнительно увеличивают спрос на энергию и способствуют возникновению пиковых нагрузок.

Для удовлетворения пикового спроса на сетевую нагрузку первой опцией является обеспечение повышенных температур в случае отопительных систем и пониженных температур в случае охладительных систем, а также управление насосами тепловой сети для обеспечения более интенсивной подачи. Когда этого недостаточно, требуется установить дополнительные источники энергии (например, котлы, охлаждающие установки, резервуары для накопления энергии, и т.д.), что связано с дополнительными капитальными вложениями и эксплуатационными расходами при относительно небольшом количестве часов работы в год. Увеличение или уменьшение температур в тепловой сети может оказаться неоптимальным решением, поскольку носитель (например, вода) распространяется по сети с ограниченной скоростью и на дальние расстояния от поставщиков к потребителям. А именно, любое изменение температур должно быть запланировано задолго для удовлетворения спроса. Еще одной опцией для удовлетворения пикового спроса на сетевую нагрузку является прекращение подачи энергии к выбранным конечным потребителям в течение выбранных периодов времени и, тем самым, снижение пикового спроса на нагрузку. Данное решение снижает эффективность тепловой сети, поскольку повторный запуск подачи энергии к выбранным конечным потребителям требует дополнительной энергии.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

При осуществлении изобретения решается задача создания способа управления распределением подачи энергии в тепловой сети во время пиковых нагрузок, который позволит снизить пиковые нагрузки.

Другая задача, решаемая при осуществлении изобретения, состоит в создании способа для оптимального функционирования тепловой сети во время пикового спроса на нагрузку с повышенной эффективностью.

Еще одна задача, решаемая при осуществлении изобретения, состоит в создании способа управления распределением подачи энергии в тепловой сети, который обеспечит возможность эффективного функционирования сети без необходимости в дополнительных источниках энергии.

Согласно первому аспекту изобретения предложен способ управления распределением подачи энергии в тепловой сети во время пиковых нагрузок, причем тепловая сеть содержит сторону подачи и сторону потребителя, выполненную с возможностью сообщения со стороной подачи, причем сторона потребителя содержит множество потребителей, каждый из которых приспособлен для потребления тепловой энергии из тепловой сети и соединен со стороной подачи, причем сторона подачи содержит одного или более поставщиков, каждый из которых приспособлен для подачи тепловой энергии в тепловую сеть, причем способ включает этапы:

- идентифицируют из множества потребителей по меньшей мере одного потребителя с низким спросом, причем потребитель с низким спросом имеет пониженный спрос на энергию в течение выбранных периодов времени,

- снижают подачу энергии к идентифицированному потребителю (потребителям) с низким спросом путем управления массовым расходом между стороной подачи и идентифицированным потребителем (потребителями) с низким спросом в течение выбранных периодов времени, и

- поддерживают подачу энергии к остальным потребителям из множества потребителей в течение выбранных периодов времени.

Таким образом, согласно первому аспекту изобретения предложен способ управления распределением подачи энергии в тепловой сети во время пиковых нагрузок. Тепловая сеть представляет собой систему для поддержания температуры на желаемом уровне за счет использования тепловой энергии. Тепловая сеть содержит сторону подачи и сторону потребителя. Тепловая энергия для сети, как правило, генерируется на стороне подачи тепловой сети и далее распределяется через систему труб к множеству потребителей, то есть, на сторону потребителя тепловой сети. Распределение тепловой энергии должно быть управляемым процессом, чтобы получить эффективную и надежную тепловую сеть.

Сторона подачи содержит одного или более поставщиков, каждый из которых приспособлен для подачи тепловой энергии в тепловую сеть. Поставщики могут быть соединены между собой, образуя, тем самым, центральный источник, который обеспечивает доставку тепловой энергии к целому ряду различных потребителей на стороне потребителя. Альтернативно или дополнительно, каждый поставщик со стороны подачи может быть соединен с системой труб, которая напрямую доставляет тепловую энергию к одному или более потребителей на стороне потребителя. Поставщики могут генерировать тепловую энергию за счет использования солнечной энергии, атомной энергии, геотермальной энергии, ископаемого топлива и т.д. Поставщики могут, например, включать в себя одну или более тепловых электростанций, и в этом случае тепловая сеть может быть представлена в форме системы центрального отопления. В состав поставщиков может входить множество насосов, перекачивающих тепловую энергию через тепловую сеть.

Сторона потребителя выполнена с возможностью сообщения со стороной подачи. Такое сообщение может быть установлено посредством системы труб, которая обеспечивает перенос тепловой энергии со стороны подачи на сторону потребителя. Сторона потребителя содержит множество потребителей, каждый из которых выполнен с возможностью потребления тепловой энергии из тепловой сети, например, тепловой энергии, доставленной от поставщиков. Потребители могут представлять собой жилые здания или дома, промышленные здания, общественные здания, заводы, супермаркеты, рестораны, отели и т.д. Каждый потребитель имеет различный профиль нагрузки, то есть, профиль использования энергии, поскольку спрос на энергию является разным и меняется в течение дня для каждого потребителя. Нагрузки, действующие в тепловой сети, как правило, представляют собой сумму нагрузок от всех потребителей на стороне потребителя, поэтому профиль нагрузки, действующий в тепловой сети, также меняется в течение дня. Профиль нагрузки обычно имеет пиковые нагрузки, отражающие высокий спрос на энергию во время определенных периодов времени в течение каждого дня.

В данном контексте понятие «пиковые нагрузки» следует толковать как наибольшее количество энергии, на которое есть спрос потребителей со стороны подачи в течение выбранных периодов времени. Пиковые нагрузки могут превышать максимальную энергию, которая может быть доставлена от поставщиков со стороны подачи. Таким образом, существует потребность в снижении таких пиковых нагрузок для исключения необходимости включения дополнительных поставщиков на стороне подачи или непосредственно некоторых из потребителей. Пиковые нагрузки могут быть обусловлены общепринятым поведением отдельных потребителей. Например, жилые здания, как правило, имеют высокий спрос на энергию утром и/или вечером, когда большинство жителей находятся дома, и это может создавать две пиковые нагрузки. Общественные здания обычно имеют высокий спрос на энергию в рабочие часы, когда включены компьютеры, освещение, нагревательные/охладительные приборы, и это может создавать еще одну пиковую нагрузку.

Согласно настоящему изобретению, управление распределением подачи энергии в тепловой сети во время пиковых нагрузок начинается с этапа идентификации из множества потребителей по меньшей мере одного потребителя с низким спросом. Потребитель с низким спросом имеет сниженный спрос на энергию в течение выбранных периодов времени. Как упомянуто выше, каждый из множества потребителей традиционно имеет общепринятое поведение по потреблению энергии, то есть, имеет периоды с низким потреблением энергии и периоды с высоким потреблением энергии. Например, жилые здания, в основном, имеют низкое потребление энергии в рабочие часы, поскольку в будние дни жители обычно находятся вне дома. Такое поведение может быть записано в систему прогнозирования спроса, и жилые здания могут быть классифицированы как потребители с низким спросом в рабочие часы в будние дни. Система прогнозирования спроса на стороне подачи может постоянно обновляться за счет отчетов о потреблении энергии от каждого из множества потребителей на стороне потребителя. Использование системы прогнозирования спроса позволяет для каждого выбранного периода времени идентифицировать по меньшей мере одного потребителя с низким спросом. Поскольку система прогнозирования спроса может регулярно обновляться, идентифицированные потребители с низким спросом в разные дни могут быть разными. Система прогнозирования спроса может основываться и опираться на искусственный интеллект и обучаться по массиву данных. Альтернативно, потребители с низким спросом могут идентифицироваться по их рабочим часам/часам открытия, например, торговый центр с часами работы с 9.00 до 19.00 может быть пользователем с низким спросом с 18.30 до 8.30, кинотеатр с часами работы с 15.00 до 22.00 может быть классифицирован как пользователь с низким спросом с 14.30 до 21.30, здания с большой теплоемкостью (например, бетонные) также могут быть идентифицированы как потребители с низким спросом в рабочие часы, поскольку короткий период снижения подачи энергии не будет влиять или будет иметь минимальное влияние на удобство.

После идентификации потребителя (потребителей) с низким спросом, подача энергии к этому потребителю (потребителям) с низким спросом снижается посредством управления массовым расходом между стороной подачи и идентифицированным потребителем (потребителями) с низким спросом в течение выбранных периодов времени. Поскольку эти потребители с низким спросом не требуют полной подачи в течение выбранных периодов времени, подача энергии может быть снижена без ущерба для удобства потребителей с низким спросом. Подача энергии к идентифицированному потребителю (потребителям) с низким спросом может быть снижена, например, на 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40% и более. Уровень снижения может зависеть от количества идентифицированных потребителей с низким спросом и/или их номинальных потребностей в энергии и/или их способности снизить энергопотребление. Если их много, например, 50 или 100 идентифицированных потребителей с низким спросом, и их номинальные совокупные потребности в энергии являются значительными, например, 1 МВт, или 10 МВт или 50 МВт, снижение может составлять лишь 10% или 20%. Дополнительно, уровень снижения может также зависеть от остальных потребителей и их спроса на энергию во время пиковых нагрузок. Снижение в подаче энергии приводит к определенным совокупным нагрузкам, которые вычитаются из общих нагрузок тепловой сети, тем самым уменьшая пиковые нагрузки в выбранные пиковые часы.

Снижение подачи энергии к потребителям с низким спросом осуществляется путем управления массовым расходом между стороной подачи и идентифицированным потребителем (потребителями) с низким спросом. Управление массовым расходом к выбранным потребителям мгновенно сказывается на подаче энергии. Массовый расход обычно уменьшается до уровня ниже номинального расхода, который отражает договорный спрос на энергию, тем самым подается меньше энергии к конечным потребителям. Средства управления массовым расходом между стороной подачи и потребителями более подробно описаны ниже.

Выбранными периодами времени могут быть разные часы суток, и они могут иметь различную продолжительность. Выбранные периоды времени могут быть в течение всего дня, например, с 1 часа ночи до 2 часов ночи, или с 3 часов утра до 5 часов утра, или с 7 утра до 9 утра, или с 2 часов дня до 5 часов дня, или с 9 часов вечера до 11 часов вечера, и т.д. Выбранные периоды времени отражают пиковые нагрузки, действующие на тепловую сеть. В частности, нагрузки снижаются в зависимости от выбранных периодов времени, в течение которых нагрузки могут быть уменьшены до уровня ниже нормативной/договорной нагрузки, поскольку она находится за пределами рабочего времени идентифицированных потребителей с низким спросом. В зависимости от типа здания и характеристик нагрузки задается максимальная допустимая скорость снижения нагрузки (например, снижение на 20% в случае бетонного многоквартирного здания в течение максимального периода времени в 2 часа). В одном примере из-за более высокого спроса со стороны жилых зданий пиковые нагрузки могут возникнуть по утрам, например, с 6-8 часов, и выбранный период времени может составлять 2 часа. Подача энергии, например, к общественным зданиям может быть снижена, поскольку они могут не иметь высокие потребности в этот выбранный период времени. Таким образом, удается снизить общие нагрузки на тепловую сеть без ущерба для удобства множества потребителей. За пределами выбранных периодов времени, то есть, в отсутствие пиковых нагрузок, ко всем потребителям подается 100% номинальная энергия, то есть, нормативная договорная энергия. Кроме того, в случае отсутствия пиковых нагрузок, некоторым из потребителей может быть подано даже большее количество энергии по сравнению с номинальным значением для обеспечения быстрого повышения и реакции на нагрузку для достижения комфортной температуры, необходимой этим потребителям.

Подача энергии к остальным потребителям из множества потребителей поддерживается в течение выбранных периодов времени. В частности, без помех остальным потребителям будет подана нормативная/договорная мощность.

За счет снижения подачи энергии к выбранным потребителям исключается необходимость в добавлении новых источников питания в тепловую сеть или необходимость в увеличении/уменьшении температуры подачи. Кроме того, за счет снижения подачи энергии к потребителям с низким спросом удается повысить эффективность работы на стороне потребителя, особенно по сравнению с ситуацией, когда такие потребители с низким спросом были бы отключены, поскольку не требуется энергия для возвращения подачи энергии к потребителям с низким спросом до первоначального уровня. Повышение эффективности на стороне подачи является результатом увеличения разности температур между стороной подачи и системой обратного трубопровода, после снижения расхода ниже номинального уровня расхода. Кроме того, эффективность работы на стороне подачи также повышается, поскольку для увеличения подачи энергии к потребителям с низким спросом по существу не требуется дополнительная энергия. На стороне подачи повышение эффективности обусловлено низкими потерями в тепловой сети, когда спросом в момент пиковых нагрузок управляют путем понижения подачи энергии к выбранным пользователям по сравнению, например, с увеличением/уменьшением температуры подачи или добавлением новых источников энергии. Таким образом, улучшается эффективность работы всей тепловой сети. Дополнительно, перераспределение энергии между потребителями приводит к снижению общего спроса на энергию на уровне сети и, следовательно, к снижению требуемой энергии в периоды пиковых нагрузок и необходимости в добавлении дополнительных источников энергии, например, вводе в действие дорогостоящих пиковых бойлеров или пиковых охладителей.

Когда снижение подачи энергии осуществляется путем управления массовым расходом между стороной подачи и идентифицированными потребителями с низким спросом, достигается мгновенная реакция на нагрузку, а также увеличение разности температур между стороной подачи и стороной потребителя, результатом чего является повышение эффективности стороны подачи и тепловой сети.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, сторона потребителя содержит множество клапанов разности давления, причем каждый из множества клапанов разности давления расположен на границе между стороной подачи и одним из множества потребителей, при этом этап снижения подачи энергии к потребителю (потребителям) с низким спросом путем управления массовым расходом может быть осуществлен посредством снижения разности давления через клапан (клапаны) разности давления, расположенный на границе между стороной подачи и идентифицированным потребителем (потребителями) с низкими спросом. Любое изменение разности давления через клапан разности давления приводит к изменению расхода через клапан разности давления, и, следовательно, к изменению подаваемой энергии. Путем влияния на давление оказывается в реальном времени влияние на подачу энергии к потребителям, с обеспечением тем самым мгновенной реакции. Клапаны разности давления широко применяются в отопительных и охладительных сетях и могут быть реализованы во множестве различных конструкций. Общим признаком всех этих клапанов является чувствительный элемент и пружина. Чувствительный элемент может представлять собой мембрану или поршень, которые преобразует разность давления в силу, причем пружина обычно противодействует данной силе. При уменьшении разности давления, равновесие этих двух сил, которое определяет состояние управляющего элемента, то есть, открытие седла клапана, меняется, в результате чего, степень открытия клапана уменьшается. При этом уменьшенная степень открытия приводит к снижению массового расхода, то есть, за счет уменьшения разности давления в клапане разности давления, можно снизить массовый расход и энергию в теплообменном блоке.

Клапанами разности давления можно управлять, используя регулятор разности давления, который может также сообщаться с системами прогнозирования спроса, отправляющими инструкции, какими клапанами разности давления необходимо управлять. Разность давления в клапанах разности давления может быть уменьшена за счет изменения уставки клапана разности давления. Уставка может быть изменена за счет отправления управляющего сигнала, например, 0(2)-10 В или 4-20 мА, или нового значения уставки через канал связи, в электрический исполнительный механизм, воздействующий на пружину в клапане разности давления и, следовательно, уменьшающий имеющуюся разность давления. После изменения разности давления в клапанах разности давления, связанных с потребителями с низким спросом и стороной подачи, массовый расход и подача энергии к выбранным потребителям с низким спросом также будут меняться. По завершении выбранного периода времени, уставка клапана разности давления будет установлена обратно на номинальное значение и снова будет обеспечена 100% подача энергии к потребителям с низким спросом. За счет уменьшения разности давления на границе между стороной подачи и потребителями с низкими спросом, изменение массового расхода по существу является мгновенным, и соответственно, уменьшение подачи энергии к этим выбранным потребителям также по существу происходит мгновенно. Дополнительно, за счет снижения разности давления и, следовательно, массового расхода на стороне потребителя, автоматически увеличится разность температур между температурой на стороне подачи и температурой в обратном трубопроводе от потребителей с низким спросом, что приведет к повышению эффективности сети. Кроме того, по истечении выбранного периода времени разностью давления управляют снова для восстановления «потерянной» энергии.

Альтернативно или дополнительно, сторона потребителя может содержать множество клапанов регулирования расхода, причем каждый из множества клапанов регулирования расхода расположен на границе между стороной подачи и одним из множества потребителей, при этом этап снижения подачи энергии к потребителям с низким спросом путем управления массовым расходом может быть осуществлен путем снижения массового расхода через клапан (клапаны) регулирования расхода, расположенный на границе между стороной подачи и идентифицированным потребителем (потребителями) с низкими спросом. В одном примере клапан регулирования расхода может иметь встроенный в него регулятор разности давления, причем поток к потребителям с низким спросом может быть изменен за счет изменения уставки регулятора разности давления. Альтернативно можно использовать клапаны регулирования расхода, такие как моторизованные шаровые клапаны, моторизованные дроссельные клапаны или моторизованные сферические клапаны. При использовании одного из этих клапанов массовый расход может быть уменьшен путем уменьшения степени открытия клапана. Степень открытия клапана регулирования расхода может быть изменена путем отправления управляющего сигнала, например, 0(2)-10 В, или электрического тока, или трехточечного сигнала, в электрический исполнительный механизм, уменьшающий расход и подачу энергии к потребителям с низким спросом. По истечении выбранного периода времени, степень открытия клапанов регулирования расхода будет установлена обратно на номинальное значение и снова будет обеспечена 100% подача энергии к потребителям с низким спросом. За счет уменьшения степени открытия клапанов регулирования расхода на границе между стороной подачи и потребителями с низким спросом, изменение массового расхода происходит по существу мгновенно, и, соответственно, уменьшение в подаче энергии между выбранными потребителями также по существу является мгновенным. Кроме того, за счет уменьшения разности давления и, следовательно, массового расхода на стороне потребителя, автоматически будет увеличиваться разность температур между температурой на стороне подачи и температурой в обратном трубопроводе от потребителей с низким спросом, что приведет к повышению эффективности сети. Кроме того, по истечении выбранного периода времени степенью открытия клапанов регулирования расхода снова управляют для восстановления «потерянной» энергии.

Сторона потребителя, то есть каждый из множества потребителей, может содержать автоматические ограничители расхода, клапаны регулирования, не зависящие от перепада давлений, двухпозиционные клапаны с интеллектуальным исполнительным механизмом, которые могут влиять на уставку разности давления и, следовательно, на расход, доступный для потребителя. Эти компоненты могут менять количество энергии, подаваемой потребителям, и дополнительно они могут оптимизировать работу тепловой сети. Кроме того, этими компонентами можно управлять удаленно из одной централизованной управляющей системы, которая может отправлять и менять уставки компонентов регулирования расхода.

Способ может дополнительно содержать этап определения требуемого снижения энергии, причем данный этап осуществляют перед этапом снижения подачи энергии к идентифицированному потребителю (потребителям) с низким спросом. На основании статистики, относящейся к потреблению энергии для множества потребителей, можно спрогнозировать и оценить общий спрос на энергию для выбранного периода времени и/или для одного дня. С другой стороны, тепловая сеть может иметь предварительно заданную емкость, то есть, энергию, которую она может оптимально доставить и манипулировать ею. И общий спрос на энергию, и предварительно заданная емкость являются функциями от времени суток. Во время пиковых нагрузок, общий спрос на энергию, как правило, выше энергии, которую поставщики энергии могут доставить для оптимальной работы. Сравнивая общий спрос на энергию с предварительно заданной емкостью, можно определить требуемое снижение энергии. Каждый раз, когда общий спрос на энергию выше предварительно заданной емкости, будет определено требуемое снижение энергии. Результатом сравнения может быть то, что энергия, поставляемая к множеству потребителей, должна быть снижена несколько раз в течение дня для обеспечения оптимальной работы тепловой сети.

Этап определения требуемого снижения энергии может быть осуществлен посредством вычислительного блока, работающего с программным обеспечением для управления нагрузкой. Вычислительный блок может принимать данные из системы прогнозирования спроса и на основании принятых данных может оценивать общий спрос на энергию. Дополнительно, вычислительный блок может получать обратную связь от каждого поставщика на стороне подачи, и на основании обратной связи вычислять предварительно заданную емкость тепловой сети. Обратная связь со стороны подачи может опираться, например, на входные данные счетчика энергии от поставщиков. На основании данных из системы прогнозирования спроса и обратной связи со стороны подачи, вычислительный блок может оценить требуемое снижение энергии и продолжительность времени снижения, то есть, продолжительность выбранного периода (периодов) времени. Программное обеспечение для управления нагрузкой может тогда запустить алгоритм управления снижением энергии, который может управлять массовым расходом путем управления, например, клапаном (клапанами) разности давления, клапаном (клапанами) регулирования расхода и т.д., и, таким образом, регулировать поток к потребителям с низким спросом, тем самым, снижая подачу энергии, например, на 20-30% в течение выбранного периода времени. Вычислительный блок может создавать события и отправлять новые уставки в выбранные устройства регулирования расхода, снижая подачу энергии к выбранным потребителям. В случае возникновения непрогнозируемых пиковых нагрузок, алгоритм управления снижением энергии может, на основании доступных данных о потреблении энергии от некоторых потребителей и их времени реакции, вычислить возможное снижение пиковых нагрузок и информировать операторов сети относительно возможности сдвига энергии в период пиковых нагрузок на время с внепиковыми нагрузками. Вычислительный блок может быть частью стороны подачи. Следует отметить, что в зависимости от требуемого снижения энергии не все из идентифицированных потребителей с низким спросом могут почувствовать снижение энергии. Если объем требуемого снижения энергии невелик по сравнению с количеством идентифицированных потребителей с низким спросом и их номинальным потреблением энергии, только некоторые из идентифицированных потребителей с низким спросом будут иметь снижение в поставке энергии. Программное обеспечение для управления нагрузками, исполняющее алгоритм управления энергией, может определить, какие из потребителей с низким спросом будут задействованы для снижения энергии. В частности, после идентификации потребителей с низким спросом, может быть получена информация о номинальном потреблении энергии, то есть, о нагрузке по договору. Требуемое снижение энергии может быть использовано для выбора некоторых из идентифицированных потребителей с низким спросом на основании их номинального потребления энергии и их тепловых характеристик.

Способ может дополнительно содержать этап задания одной и нескольких групп потребителей на основании набора конкретных характеристик. Набор конкретных характеристик может включать в себя тип профиля использования энергии, например, коммерческие, промышленные и общественные здания, в которых подача энергии может быть существенным образом снижена на некоторый период времени, который находится за пределами их рабочего времени; поведение потребления энергии; профиль использования энергии; договорные соглашения, и т.д. Группы могут меняться и задаваться повторно, поскольку поведение потребителей является динамичным и постоянно меняется. Далее на основании технической, поведенческой характеристики, профиля использования энергии или договорных соглашений можно объединить потребителей в виртуальные группы. При снижении подачи энергии к идентифицированным потребителям с низким спросом можно задействовать заданные группы, то есть, подача энергии может быть снижена ко всей группе, содержащей по меньшей мере одного идентифицированного потребителя с низким спросом.

Альтернативно, группы потребителей могут быть заданы заранее, то есть, потребители, принадлежащие к одному профиля использования энергии, могут формировать одну группу. По аналогии с раскрытым выше случаем, при снижении подачи энергии к идентифицированным потребителям с низким спросом, подача энергии может быть снижена ко всей предварительно заданной группе, содержащей по меньшей мере одного идентифицированного потребителя с низким спросом.

По меньшей мере некоторые из остальных потребителей могут иметь повышенный спрос на энергию в течение выбранных периодов времени. Как правило, лишь несколько потребителей или некоторая группа потребителей будет иметь повышенный спрос на энергию в течение выбранных периодов времени, которые, главным образом, будут способствовать формированию пиковых нагрузок. При снижении подачи энергии к идентифицированным потребителям с низким спросом, ни тепловая сеть, ни потребители с повышенным спросом на энергию не почувствуют перебои в процессе своей работы. Некоторые из остальных потребителей могут иметь постоянное потребление энергии в течение всего дня. При нормальных условиях данные потребители никогда не столкнутся со снижением подачи энергии.

Тепловая сеть может содержать датчики температуры на стороне подачи и на стороне потребителя. Датчики температуры предназначены для измерения температуры на стороне подачи и температуры в обратном трубопроводе со стороны потребителей. Тепловой сетью можно управлять так, что разность температур между температурой при возврате со стороны подачи и температурой в обратном трубопроводе от потребителей с низким спросом увеличивается до максимума. Если эта разность температур поддерживается постоянной, тепловая сеть может работать наиболее эффективным образом, доставляя требуемую энергию ко множеству потребителей с минимальным возможным массовым расходом.

Тепловая сеть может представлять собой отопительную сеть. Сторона подачи отопительной сети может содержать одного или более поставщиков энергии, обеспечивающих отопление для множества потребителей. Типовой теплообменный блок на стороне потребителя может содержать теплообменник, электронный регулятор температуры, несколько двухпозиционных клапанов и автоматические регуляторы перепада давления, которые могут поддерживать постоянные потери давления через клапаны регулирования расхода. Регуляторы перепада давления могут быть встроены в клапаны регулирования расхода, известные как клапаны регулирования, не зависящие от перепада давления (PICV, от англ. Pressure Independent Control Valve). Некоторые типы теплообменных блоков вместо регуляторов перепада давления могут иметь автоматические ограничители расхода, которые также представляют собой некоторый вид регуляторов перепада давления, которые поддерживают постоянный перепад давления через переменное отверстие. В некоторых редких случаях, для ограничения максимального расхода и максимальной подачи энергии к потребителям с низким спросом возможно использование только ручных двухпозиционных клапанов или ручных уравнительных клапанов.

Альтернативно, тепловая сеть может представлять собой охладительную сеть. По аналогии с отопительной сетью, сторона подачи охладительной сети может содержать одного или более поставщиков охлаждения, обеспечивающих охлаждение для множества потребителей. Охладительная сеть может дополнительно содержать компоненты, аналогичные компонентам, входящим в состав отопительной сети.

Согласно второму аспекту изобретения предложена система для управления тепловой сетью во время пиковых нагрузок, причем тепловая сеть содержит сторону подачи и сторону потребителя, выполненную с возможностью сообщения со стороной подачи, причем сторона потребителя содержит множество потребителей, каждый из которых приспособлен для потребления тепловой энергии из тепловой сети и соединен со стороной подачи, причем сторона подачи содержит одного или более поставщиков, каждый из которых приспособлен для подачи тепловой энергии в тепловую сеть, причем система дополнительно содержит:

- средства идентификации по меньшей мере одного потребителя с низким спросом из множества потребителей, причем потребитель с низким спросом имеет сниженный спрос на энергию в течение выбранных периодов времени, и

- средства управления массовым расходом, выполненные с возможностью снижения подачи энергии к идентифицированному потребителю (потребителям) с низким спросом в течение выбранных периодов времени, причем средства управления массовым расходом установлены между стороной подачи и идентифицированным потребителем (потребителями) с низким спросом.

Системой согласно второму аспекту изобретения можно управлять с помощью способа согласно первому аспекту изобретения. Таким образом, специалисту понятно, что любой признак, раскрытый в комбинации с первым аспектом изобретения, также может быть скомбинирован со вторым аспектом изобретения, и наоборот. Соответственно, здесь в равной степени применимы замечания, изложенные выше по первому аспекту изобретения.

Средства идентификации по меньшей мере одного потребителя с низким спросом могут включать в себя системы прогнозирования спроса, содержащие базы данных, которые обновляются, например, ежедневно, на основании ежедневного потребления для каждого из множества потребителей. Базы данных могут сообщаться как со стороной подачи, так и со стороной потребителя, так что всей тепловой сетью можно управлять на основании данных из баз данных.

Средства управления массовым расходом могут включать в себя различные типы клапанов, например, клапаны разности давления, клапаны регулирования расхода, двухпозиционные клапаны и т.д.

Тепловая сеть может представлять собой отопительную сеть. Согласно данному варианту, сторона подачи тепловой сети может содержать одного или более поставщиков отопления, а сторона потребителя может содержать одного или более потребителей отопления.

Тепловая сеть может представлять собой охладительную сеть. Согласно данному варианту, сторона подачи охладительной сети может содержать одного или более поставщиков охлаждения, а сторона потребителя может содержать одного или более потребителей охлаждения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее изобретение раскрыто более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает тепловую сеть согласно одному из вариантов осуществления изобретения, содержащую сторону подачи и сторону потребителя, содержащую множество потребителей, сгруппированных в группы на основании поведенческих особенностей и профилей использования энергии,

фиг.2 изображает типовой профиль спроса на энергию в течение одного дня, содержащий три периода пиковых нагрузок,

фиг.3 изображает изменение в профиле энергии в результате управления распределением подачи энергии в тепловой сети во время пиковых нагрузок в соответствии со способом согласно одному из вариантов осуществления изобретения,

фиг.4 иллюстрирует часть тепловой сети согласно одному из вариантов осуществления изобретения, на стороне потребителя.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 показана тепловая сеть 100 согласно одному из вариантов осуществления изобретения, содержащая сторону подачи и сторону потребителя. Сторона подачи содержит три поставщика 101, 102, 103, сторона потребителя содержит множество потребителей 104-112. Некоторые из потребителей подразделены на группы 113, 114, на основании их поведенческих особенностей и профилей использования энергии. Сторона подачи и множество потребителей 104-112 взаимосвязаны посредством системы 115 труб, которые переносят тепловую энергию от поставщиков 101-103 к потребителям 104-112.

Поставщики 101-103 приспособлены для подачи тепловой энергии в тепловую сеть 100, то есть, к множеству потребителей 104-112, которые приспособлены для потребления тепловой энергии из тепловой сети 100. Каждый поставщик 101-103 соединен с системой 115 труб, которые напрямую доставляют тепловую энергию во множество потребителей 104-112.

Альтернативно, поставщики 101-103 могут быть соединены между собой, с образованием центрального источника, который поставляет тепловую энергию к множеству потребителей 104-112 на стороне потребителя. Поставщики 101-103 могут генерировать тепловую энергию за счет использования солнечной энергии, геотермальной энергии, ископаемого топлива и т.д. Поставщики 101-103 могут, например, содержать одну или более тепловых электростанций, и в этом случае тепловая сеть 100 может представлять собой систему центрального отопления. В состав поставщиков 101-103 может входить множество насосов, перекачивающих тепловую энергию через систему 115 труб тепловой сети 100.

Сторона потребителя содержит многоквартирные здания 104, 105, 110, 111, частные дома 108, 112 и коммерческие здания 106, 107, 109. Дополнительно, сторона потребителя может содержать промышленные здания, общественные здания, заводы, супермаркеты, рестораны, отели и т.д. Каждый потребитель 104-112 имеет разный профиль нагрузок, то есть, профиль использования энергии, поскольку спрос на энергию является разным и отличается в течение дня для каждого потребителя 104-112. Однако, потребители 104-112 могут задавать группы 113, 114 на основании набора конкретных характеристик. Многоквартирные здания 110, 111 могут быть сгруппированы в одну группу 114, поскольку имеют схожий профиль использования энергии и похожие географические координаты. Сходным образом, по той же причине коммерческие здания 106 и 107 могут быть сгруппированы одну группу 113. Причина, по которой многоквартирные здания 105 и 106 не могут быть сгруппированы, состоит в том, что они имеют разные профили использования энергии, поскольку могут выполнять различные функции, например, 104 может представлять собой жилое здание, а другое здание 105 может, в основном, использоваться в качестве офисного пространства.

На фиг.2 показан типовой профиль 200 спроса на энергию в течение дня, содержащий три периода пиковых нагрузок 201, 202, 203. Профиль 200 спроса на энергию отражает тепловую энергию (показана по оси Y), требуемую множеством потребителей в течение всего дня (показан по оси Х). Нагрузки, действующие на тепловую сеть, представляют собой сумму нагрузок от всех потребителей на стороне потребителя. Нагрузки практически для всех потребителей различаются в течение дня, и соответственно, профиль 200 спроса на энергию, установленный для тепловой сети, также меняется в течение дня. Ночью или ранним утром, то есть, с полуночи 0:00 примерно до 5:00 спрос на энергию является очень низким. Первая пиковая нагрузка 201 отражает высокий спрос на энергию во время утренних часов, примерно около 7:00. Эта пиковая нагрузка может быть обусловлена поведением потребителей, например, принятием душа по утрам перед тем, как приступить к ежедневным делам. Две другие пиковые нагрузки 202 и 203 опять же могут быть обусловлены поведением потребителей, например, с подготовкой ужина (пиковая нагрузка 202) и мытьем посуды, и/или принятием вечернего душа (пиковая нагрузка 203). Пиковые нагрузки 201-203 имеют определенную продолжительность и могут возникать в определенную часть дня. Пиковые нагрузки 201-203 могут превышать максимальную энергию, которая может быть доставлена от поставщиков. Таким образом, есть необходимость в снижении пиковых нагрузок 2013-203, чтобы избежать включения дополнительных поставщиков на стороне подачи или непосредственно для некоторых из потребителей.

На фиг.3 проиллюстрировано изменение профиля 200 энергии с фиг. 2 в результате управления распределением подачи энергии в тепловой сети во время пиковых нагрузок 201-203 в соответствии со способом согласно одному из вариантов осуществления изобретения. Как упомянуто выше со ссылкой на фиг.2, пиковые нагрузки 201-203 могут превышать максимальную энергию, которая может быть доставлена от поставщиков. Согласно данным вариантам осуществления изобретения для управления подачей энергии в тепловую сеть во время пиковых нагрузок идентифицируют по меньшей мере одного потребителя с низким спросом и снижают подачу энергии к идентифицированным потребителям с низким спросом в течение выбранных периодов времени. Потребители с низким спросом имеют сниженный спрос на энергию в течение выбранного периода времени.

Во время первой пиковой нагрузки 201, которая происходит примерно в 7 утра и продолжается приблизительно 1 час, тепловая сеть идентифицирует потребителей, которые имеют низкий спрос на энергию в данный период. В это время дня, например, коммерческие здания и супермаркеты могут не нуждаться в полной подаче энергии и могут быть выбраны в качестве потребителей с низким спросом. Далее, тепловая сеть снижает подачу энергии к потребителям с низким спросом, например, на 20%, тем самым, усредняя потребление энергии во время пиковой нагрузки 201. Профиль энергии после снижения представлен посредством кривой 300. Пиковая нагрузка 201 выравнивается, что приводит к срезанному и сдвинутому пику 301. Для обеспечения срезанного и сдвинутого пика 301, подача энергии к потребителям с низким спросом снижается в течение выбранного периода времени, который, как правило, превышает продолжительность самого пика. Снижение подачи энергии к потребителям с низким спросом не снижает комфорт потребителей, поскольку те имеют низкий спрос на энергию в течение выбранного периода времени.

То же применяется во время вечерних пиковых нагрузок 202 и 203. В эти периоды времени для получения срезанных и сдвинутых пиков 302 и 303 может быть идентифицирован другой набор потребителей с низким спросом. Например, общественные здания могут быть закрыты в это время дня, и, соответственно, они могут не нуждаться в полной подаче энергии. Другим примером выбранного потребителя с низким спросом могут быть заводы, не имеющие производственных линий, работающих вечером. Тепловая сеть также осуществляет определение требуемого снижения энергии. Требуемое снижение энергии зависит от самих пиковых нагрузок 201-203 и емкости тепловой сети в момент пиковых нагрузок 201-203. В течение выбранных периодов времени поддерживают подачу энергии к остальным потребителям из множества потребителей. А именно, к остальным потребителям будет без помех поставляться нормативная/договорная мощность.

За счет снижения подачи энергии к выбранным потребителям, необходимость в добавлении новых источников питания в тепловую сеть или необходимость в повышении/снижении температуры подачи исключается. Кроме того, за счет снижения подачи энергии к потребителям с низким спросом, повышается эффективность работы на стороне потребителей, особенно по сравнению с ситуацией, когда потребителей с низким спросом могли отключить, поскольку в этом случае отпадает потребность в энергии для возвращения подачи энергии к потребителям с низким спросом обратно к первоначальному уровню. Кроме того, эффективность работы на стороне подачи также повышается, поскольку по существу не требуется энергия для увеличения подачи энергии к потребителям с низким спросом. На стороне подачи повышение эффективности связано с низкими потерями в тепловой сети, когда пиковыми нагрузками 201-203 управляют за счет снижения подачи энергии к выбранным пользователям по сравнению, например, с увеличением/уменьшением температуры подачи или добавлением новых источников энергии. Таким образом, эффективность работы всей тепловой сети повышается. Дополнительно, перераспределение энергии между потребителями приводит к снижению всего спроса на энергию на уровне сети и, следовательно, к снижению требуемой энергии в периоды пиковых нагрузок 201-203 и необходимости в добавлении дополнительных источников энергии, например, вводе в действие дорогостоящих пиковых бойлеров или пиковых охладителей.

На фиг.4 проиллюстрирована часть тепловой сети на стороне 400 потребителей. В данном примере два потребительских блока 401 и 402 соединены с теплообменной станцией. Потребительские блоки 401 и 402 могут относиться к одному жилому дому. Первый блок 401 может представлять собой систему отопительных батарей, обеспечивающую отопление во всем жилом доме, в то время как второй блок 402 может подавать в жилой дом нагретый воздух. Теплообменная станция содержит два теплообменника 403, 404, с которыми соединены два клапана 405, 406 регулирования расхода, электронный регулятор температуры (ЭРТ, ELC) 407 и клапан 408 разности давления, который поддерживает постоянный перепад давления в клапанах 405, 406 регулирования расхода. Клапаны 405, 406 регулирования расхода могут, например, представлять собой моторизованный регулирующий клапан, содержащий исполнительный механизм, который перемещает шток клапана и, таким образом, уменьшает или увеличивает расход через клапан. В одном из альтернативных вариантов, клапан 408 разности давления может быть встроен в клапаны 405, 406 регулирования расхода для формирования независимых от давления регулирующих клапанов (PICV). За счет поддержания постоянной разности давления в клапанах 405, 406 регулирования расхода, можно управлять расходом и энергией в теплообменных блоках 401, 402. Если потребитель 401, 402 идентифицирован как потребитель с низким спросом в течение выбранного периода времени, подача энергии будет снижена путем управления массовым расходом между стороной подачи (не показана) и потребителем 401, 402. Подача энергии может быть снижена путем уменьшения разности давления в клапане 408 разности давления, расположенном на границе между стороной подачи и идентифицированным потребителем 401, 402 с низким спросом. В качестве альтернативы подача энергии может быть снижена путем непосредственного управления массовым расходом через клапаны 405, 406 регулирования расхода.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам управления распределением подачи энергии в тепловой сети во время пиковых нагрузок. Технический результат заключается в обеспечении возможности эффективного функционирования сети без необходимости в дополнительных источниках энергии. Достигается тем, что тепловая сеть содержит сторону подачи и сторону потребителя. Тепловая энергия для сети, как правило, генерируется на стороне подачи тепловой сети и далее распределяется через систему труб к множеству потребителей, то есть, на сторону потребителя тепловой сети. Распределение тепловой энергии происходит на основе идентификации потребителей с определенными параметрами спроса для того, чтобы получить эффективную и надежную тепловую сеть. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ управления распределением подачи энергии в тепловой сети (100) во время пиковых нагрузок (201-203), причем тепловая сеть (100) содержит сторону подачи и сторону потребителя, выполненную с возможностью сообщения со стороной подачи, причем сторона потребителя содержит множество потребителей (104-112, 401, 402), каждый из которых приспособлен для потребления тепловой энергии из тепловой сети (100) и соединен со стороной подачи, причем сторона подачи содержит одного или более поставщиков (101-103), каждый из которых приспособлен для подачи тепловой энергии в тепловую сеть (100), причем способ включает этапы:

- идентифицируют из множества потребителей (104-112, 401, 402) по меньшей мере одного потребителя с низким спросом, причем потребитель с низким спросом имеет пониженный спрос на энергию в течение выбранных периодов времени,

- снижают подачу энергии к идентифицированному потребителю (потребителям) с низким спросом путем управления массовым расходом между стороной подачи и идентифицированным потребителем (потребителями) с низким спросом в течение выбранных периодов времени, и

- поддерживают подачу энергии к остальным потребителям из множества потребителей (104-112, 401, 402) в течение выбранных периодов времени,

причем сторона потребителя содержит множество клапанов (408) разности давления, причем каждый из множества клапанов (408) разности давления расположен на границе между стороной подачи и одним из множества потребителей (104-112, 401, 402), причем этап снижения подачи энергии к потребителю (потребителям) с низким спросом путем управления массовым расходом осуществляют путем снижения разности давления через клапан (клапаны) (408) разности давления, расположенный на границе между стороной подачи и идентифицированным потребителем (потребителями) с низким спросом, за счет изменения уставки разности давления клапана разности давления.

2. Способ по п. 1, причем сторона потребителя содержит множество клапанов (405, 406) регулирования расхода, причем каждый из множества клапанов (405, 406) регулирования расхода расположен на границе между стороной подачи и одним из множества потребителей (104-112, 401, 402), причем этап снижения подачи энергии к потребителям с низким спросом путем управления массовым расходом осуществляют путем снижения массового расхода через клапан (клапаны) (405, 406) регулирования расхода, расположенный на границе между стороной подачи и идентифицированным потребителем (потребителями) с низким спросом.

3. Способ по п. 1 или 2, дополнительно включающий этап определения требуемого снижения энергии, причем данный этап осуществляют перед этапом снижения подачи энергии к идентифицированному потребителю (потребителям) с низким спросом.

4. Способ по п. 3, причем этап определения требуемого снижения энергии осуществляют посредством вычислительного блока.

5. Способ по любому из пп. 1-4, дополнительно включающий этап задания одной и более групп потребителей (113, 114) на основании набора конкретных характеристик.

6. Способ по любому из пп. 1-5, причем по меньшей мере некоторые из остальных потребителей имеют повышенный спрос на энергию в течение выбранных периодов времени.

7. Способ по любому из пп. 1-6, причем тепловая сеть (100) представляет собой отопительную сеть.

8. Способ по любому из пп. 1-6, причем тепловая сеть (100) представляет собой охладительную сеть.

9. Система для управления распределением подачи энергии в тепловой сети (100) во время пиковых нагрузок (201-203), причем тепловая сеть (100) содержит сторону подачи и сторону потребителя, выполненную с возможностью сообщения со стороной подачи, причем сторона потребителя содержит множество потребителей (104-112, 401, 402), каждый из которых приспособлен для потребления тепловой энергии из тепловой сети (100) и соединен со стороной подачи, причем сторона подачи содержит одного или более поставщиков (101-103), каждый их которых приспособлен для подачи тепловой энергии в тепловую сеть (100), причем система дополнительно содержит:

- средства идентификации из множества потребителей (104-112, 401, 402) по меньшей мере одного потребителя с низким спросом, причем потребитель с низким спросом имеет пониженный спрос на энергию в течение выбранных периодов времени, и

- средства (405, 406, 408) управления массовым расходом, выполненные с и возможностью снижения подачи энергии к идентифицированному потребителю (потребителям) с низким спросом в течение выбранных периодов времени, причем средства (405, 406, 408) управления массовым расходом установлены между стороной подачи и идентифицированным потребителем (потребителями) с низким спросом,

причем указанные средства управления массовым расходом представляют собой клапан разности давления, причем снижение подачи энергии к идентифицированному потребителю (потребителям) с низким спросом обеспечено посредством снижения разности давления через клапан разности давления за счет изменения уставки разности давления клапана разности давления.

10. Система по п. 9, причем тепловая сеть (100) представляет собой отопительную сеть.

11. Система по п. 9, причем тепловая сеть (100) представляет собой охладительную сеть.