Устройство для управления теплопотреблением в системе отопления здания и способ организации его работы Российский патент 2023 года по МПК F24D3/00 

Изобретение относится к энергетике, и может использоваться для управления системой отопления жилых, общественных и производственных зданий.

Способ управления теплопотреблением в системе отопления здания, заключается в периодической пульсации температуры теплоносителя в контурах системы отопления. Частота и амплитуда пульсации температуры теплоносителя устанавливаются в зависимости от температуры наружного воздуха и температуры охлажденного теплоносителя. Устройство для управления теплопотреблением в системе отопления здания включает теплогенератор, соединенный периодически, в зависимости от положения трехходового регулирующего клапана, через подающий и обратный трубопроводы, циркуляционный насос высокотемпературного контура, циркуляционный насос низкотемпературного контура, трубопровод подмешивания с высокотемпературным и низкотемпературным контуром системы отопления. Положение трехходового регулирующего клапана определяется узлом управления, электрически связанного с трехходовым регулирующим клапаном и датчиками температуры в подающем трубопроводе, охлажденного теплоносителя в обратном трубопроводе и наружного воздуха.

Известен способ управления режимом работы системы отопления и устройство для его осуществления, который заключается в периодической подаче и прекращении подачи теплоносителя в систему отопления в зависимости от соотношения заданной температуры и фактической температуры воздуха в отапливаемом помещении (RU 2492392, MПК F24D 3/00, опубл. 10.09.2013).

Недостаток указанного способа заключается в низкой надежности в результате применения широкого ряда запорно-регулирующих устройств и отсутствия возможности применения в системах отопления зданий индивидуальных теплогенераторов.

Наиболее близкой по технической сущности и возможности применения в системах отопления зданий индивидуальных теплогенераторов является один из приведенных способов регулирования отпуска тепла для отопления зданий и системы регулирования на его основе. Способ регулирования отопления здания, характеризующийся подачей теплоносителя в систему отопления и его регулированием автоматизированным узлом управления путем открытия и закрытия регулирующего клапана(ов), и/или изменением напорной характеристики установленного насоса(ов) путем работы его регулятора(ов), и/или изменением количества работающих насосов в узле подготовки теплоносителя (RU 2642038, MПК F24D 19/10).

Недостатком известного способа является высокая инерционность, и обусловленные ей превышения температуры в отапливаемых помещениях. Снижение эффективности и качества теплоснабжения в весеннем-осеннем периоде при пониженных температурах теплоносителя. Характерное для данного периода количественное регулирование ограничивается гидравлическим режимом тепловых сетей системы теплоснабжения.

Технический результат заключается в снижении превышений температуры в отапливаемых помещениях и повышении энергоэффективности здания.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство включает теплогенератор, соединенный через подающий и обратный трубопроводы, трехходовой регулирующий клапан, циркуляционные насосы высокотемпературного и низкотемпературного контуров, смесительный трехходовой кран, трубопровод подмешивания, датчики температуры охлажденного теплоносителя, наружного воздуха, теплоносителя в подающем трубопроводе, высокотемпературный и низкотемпературный контуры системы отопления, при этом датчики температуры охлажденного теплоносителя, наружного воздуха, теплоносителя в подающем трубопроводе электрически связаны с узлом управления.

Способ организации работы устройства для управления теплопотреблением в системе отопления здания заключается в определении длительности циркуляции теплоносителя системы отопления через теплогенератор и трубопровод подмешивания, определении приращения пульсации температуры теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха, определении и контроле температуры теплоносителя в подающем трубопроводе, , контроле температуры охлажденного теплоносителя в низкотемпературном контуре системы отопления, по выражению

где – температура теплоносителя в подающем трубопроводе, °С, при традиционной схеме управления по графику качественного регулирования;

– температура воздуха внутри помещения, °С;

– температурный напор нагревательного прибора, при расчетной температуре воды в отопительной системе, °С;

температура наружного воздуха, °С;

– расчетный перепад температур теплоносителя на коллекторах теплогенератора, °С;

– расчетный перепад температур теплоносителя в системе отопления, °С;

– расчетная температура наружного воздуха, °С;

– приращение (пульсация) температуры теплоносителя в подающем трубопроводе, °С;

– расчетная температура теплоносителя в системе высокотемпературного контура, °С, ;

– коэффициент приращения в диапазоне температур наружного воздуха в отопительном периоде, , при ; температура охлажденного теплоносителя принимается равной °С в зависимости от разветвленности низкотемпературного контура системы отопления, при этом регулирование температуры подаваемого в систему отопления теплоносителя осуществляется автоматизированным узлом управления путем периодической работы трехходового регулирующего клапана в зависимости от температуры охлажденного теплоносителя низкотемпературного контура системы отопления.

Периодическая пульсация осуществляется при неизменном расходе теплоносителя по контурам системы отопления.

На фиг. 1 изображена схема в которой осуществляется предлагаемый способ управления теплопотреблением в системе отопления здания и устройство для его осуществления; на фиг. 2 представлена временная диаграмма процессов.

Устройство для управления теплопотреблением в системе отопления здания включает теплогенератор 1, подающий 2 и обратный 3 трубопроводы системы отопления, трехходовой регулирующий клапан 4, высокотемпературный контур системы отопления 5, низкотемпературный контур системы отопления 6, циркуляционный насос высокотемпературного контура 7, циркуляционный насос низкотемпературного контура 8, смесительный трехходовой кран 9, трубопровод подмешивания 10, датчик температуры охлажденного теплоносителя 11, узел управления 12, датчик температуры наружного воздуха 13, датчик температуры теплоносителя в подающем трубопроводе 14.

Устройство для управления теплопотреблением в системе отопления здания работает следующим образом.

При открытом положении первого входа трехходового регулирующего клапана 4, запускаются в работу циркуляционные насосы высокотемпературного 7, низкотемпературного 8 контуров, теплогенератор 1 и узел управления 12 с подключенными датчиками температуры наружного воздуха 13, температуры теплоносителя в подающем трубопроводе 14, температуры охлажденного теплоносителя 11. В таком положении трехходового регулирующего клапана 4, теплоноситель проходит через теплогенератор 1, подающий трубопровод 2, датчик температуры теплоносителя в подающем трубопроводе 14, трёхходовой регулирующий клапан 4, циркуляционный насос высокотемпературного контура 7, высокотемпературный контур системы отопления 5. Далее часть теплоносителя направляется через смесительный трехходовой кран 9, циркуляционный насос низкотемпературного контура 8 в низкотемпературный контур системы отопления 6. Другая часть охлажденного теплоносителя высокотемпературного контура 5 направляется в обратный трубопровод 3. Также в обратный трубопровод 3, через датчик температуры охлажденного теплоносителя 11 поступает часть охлажденного теплоносителя низкотемпературного контура системы отопления 6, а далее смешанный теплоноситель из обратного трубопровода 3 поступает в теплогенератор 1. При достижении температуры теплоносителя, контролируемой датчиком температуры теплоносителя в подающем трубопроводе 14 значения, заданного узлом управления 12, в соответствии с выражением (1), подается сигнал приводу трехходового регулирующего клапана 4 на закрытие первого входа и открытие второго входа (процесс I фиг. 2). Процесс I включает переходной период (закрытие первого входа и открытия второго входа трехходового регулирующего клапана 4) и установившийся период закрытого и открытого состояния соответственно первого и второго входов трехходового регулирующего клапана 4. Циркуляционный насос высокотемпературного контура 7 обеспечивает расчетный расход теплоносителя по замкнутому высокотемпературному контуру 5 через трубопровод подмешивания 10. В переходной период происходит плавное снижение температуры теплоносителя в высокотемпературном контуре системы отопления 5 () до расчетной температуры теплоносителя на начало процесса II, при этом обеспечивается возрастание температуры теплоносителя через теплогенератор 1 при сниженном расходе. Также с запаздыванием, обусловленным инерционностью работы трехходового регулирующего клапана 4, плавно снижается температура теплоносителя в низкотемпературном контуре системы отопления 6, в связи с тем, что циркуляционный насос низкотемпературного контура 8 в низкотемпературном контуре системы отопления 6 в установившемся периоде процесса I обеспечивает только циркуляцию теплоносителя в замкнутом своем контуре без возможности отбора части теплоносителя после высокотемпературного контура системы отопления 5. В периодах процесса I в теплогенераторе 1 аккумулируется тепловая энергия до предельно допустимого температурного уровня. Продолжительность работы системы отопления в установившемся режиме процесса I устанавливается узлом управления 12. В режиме запуска системы устанавливается минимальное значение диапазона продолжительности I процесса при программировании узла управления 12. В зависимости от климатической зоны и характеристик системы отопления диапазон I процесса может составлять от 30 секунд до 360 секунд. По истечению данного периода начинается процесс II, включающий переходной период открытия первого и закрытия второго входа трехходового регулирующего клапана 4 и период работы в установившимся открытом первым входом и закрытым вторым входом трехходового регулирующего клапана 4. С начала переходного периода процесса II одна часть теплоносителя высокотемпературного контура системы отопления 5 поступает непосредственно в обратный трубопровод 3 по цепи: теплогенератор 1; подающий трубопровод 2; трехходовой регулирующий клапан 4; циркуляционный насос высокотемпературного контура 7; высокотемпературный контур системы отопления 5; обратный трубопровод 3, а другая часть через смесительный трехходовой кран 9 и низкотемпературный контур системы отопления 6 по цепи: теплогенератор 1; подающий трубопровод 2; трехходовой регулирующий клапан 4; циркуляционный насос высокотемпературного контура 7; высокотемпературном контуре системы отопления 5; смесительный трехходовой кран 9; низкотемпературный контур системы отопления 6; обратный трубопровод 3. В данный период при восстановлении циркуляции теплоносителя через обратный трубопровод 3, теплогенератор 1 и подающий трубопровод 2 запасенная в теплогенераторе 1 тепловая энергия обеспечивает резкий (импульсный) рост температуры теплоносителя в высокотемпературном контуре системы отопления 5 (процесс II фиг. 2). В период установившегося режима процесса II расход теплоносителя через теплогенератор 1 соответствует расчетному при котором температура теплоносителя на выходе из теплогенератора 1 на момент завершения данного периода снизится до расчетного значения в соответствии с выражением (1) и контролируемая датчиком температуры теплоносителя в подающем трубопроводе 14. В последующем цикл, включающий процесс I и II повторяются с внесением узлом управления 12 (при необходимости) корректировки расчетных температур и продолжительности установившихся режимов. Продолжительность работы системы отопления в установившемся режиме процесса I и II задается узлом управления 12 в зависимости от температуры охлажденного теплоносителя низкотемпературного контура системы отопления, контролируемой датчиком температуры охлажденного теплоносителя 11 низкотемпературного контура системы отопления. Продолжительность (период) работы системы в установившемся периоде процесса II определяется узлом управления 12 на основании, контролируемого датчиком температуры охлажденного теплоносителя 11 низкотемпературного контура системы отопления 6, по завершении установившегося периода процесса I. Первоначальное значение периода работы системы в установившемся периоде процесса II составляет 360 с. При несоответствии температуры охлажденного теплоносителя низкотемпературного контура системы отопления 6 контролируемая датчиком температуры охлажденного теплоносителя 11 запрограммированному значению °С, узел управления 12 скорректирует продолжительность установившегося периода работы трехходового регулирующего клапана 4 на 10 % от первоначально установленного диапазона. Корректировка продолжительности установившегося периода работы трехходового регулирующего клапана 4 в пределах 10 % обеспечит заданное превышение температуры в помещениях на уровне 0,5 °С. Продолжительность (период) работы системы в установившемся периоде процесса I определяется узлом управления 12 на основании, контролируемого датчиком температуры охлажденного теплоносителя 11, по завершении установившегося периода процесса II. Также, как и выше при несоответствии температуры охлажденного теплоносителя низкотемпературного контура системы отопления 6 контролируемая датчиком температуры охлажденного теплоносителя 11, температура охлажденного теплоносителя принимается равной °С в зависимости от разветвленности низкотемпературного контура системы отопления, узел управления 12 скорректирует продолжительность установившегося периода работы трехходового регулирующего клапана 4 на 10 % от первоначально установленного диапазона.

Способ организации работы устройства для управления теплопотреблением в системе отопления здания включает определение длительности циркуляции теплоносителя системы отопления через теплогенератор и трубопровод подмешивания, определение приращения пульсации температуры теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха, определения и контроле температуры теплоносителя в подающем трубопроводе, , контроле температуры охлажденного теплоносителя в низкотемпературном контуре системы отопления, , как

(1)

где – температура теплоносителя в подающем трубопроводе, °С, при традиционной схеме управления по графику качественного регулирования; – температура воздуха внутри помещения, °С; – температурный напор нагревательного прибора, при расчетной температуре воды в отопительной системе, °С; температура наружного воздуха, °С; – расчетный перепад температур теплоносителя на коллекторах теплогенератора, °С; – расчетный перепад температур теплоносителя в системе отопления, °С; – расчетная температура наружного воздуха, °С; – приращение (пульсация) температуры теплоносителя в подающем трубопроводе, °С; – расчетная температура теплоносителя в системе высокотемпературного контура, °С, ; – коэффициент приращения в диапазоне температур наружного воздуха в отопительном периоде, , при ; температура охлажденного теплоносителя принимается равной °С в зависимости от разветвленности низкотемпературного контура системы отопления..

Способ организации работы устройства для управления теплопотреблением в системе отопления здания заключается в производстве тепловой энергии в теплогенераторе 1 в соответствии с температурой, заданной узлом управления 12 в зависимости от температуры наружного воздуха по выражению (1), снимаемой с датчика температуры наружного воздуха 13 и контролируемой датчиком температуры теплоносителя в подающем трубопроводе 14. В период циркуляции теплоносителя через обратный трубопровод 3, теплогенератор 1, подающий трубопровод 2, температура теплоносителя, подаваемая в высокотемпературный контур системы отопления через трехходовой регулирующий клапан 4, циркуляционным насосом высокотемпературного контура 7 достигает расчетной температуры теплогенератора 1. Охлажденный в высокотемпературном контуре 5 теплоноситель частично поступает на смесительный трехходовой кран 9, где подмешивается с частью теплоносителем из низкотемпературного контура 6 системы отопления и циркуляционным насосом низкотемпературного контура 8 подается в контур низкотемпературного отопления 6. Другие части охлажденных теплоносителей высокотемпературного и низкотемпературного контуров 5, 6 направляются в обратный трубопровод 3 и далее в теплогенератор 1. По истечении расчетного периода, определенного узлом управления 12 на основе показаний датчика охлажденного теплоносителя 11 трехходовой регулирующий клапан 4 закроет первый вход (течение теплоносителя через теплогенератор 1) и откроет второй вход (течение теплоносителя через трубопровод подмешивания 10). В этих условиях теплогенератор 1, доработает до расчетной температуры. При этом через трубопровод подмешивания 10 в трехходовой регулирующий клапан 4 охлажденный теплоноситель высокотемпературного контура 5 системы отопления циркуляционным насосом высокотемпературного контура 7 продолжит циркуляцию по замкнутому высокотемпературному контуру 5 дополнительно охлаждаясь. В данных условиях в низкотемпературный контур 6 также поступит только охлажденный теплоноситель данного контура, который циркуляционным насосом низкотемпературного контура 8 также продолжит циркуляцию по замкнутому низкотемпературному контуру 6. По истечению расчетного периода, определенного узлом управления 12 на основе показаний датчика температуры охлажденного теплоносителя 11, трехходовой регулирующий клапан 4 открыв вход 1 и закрыв вход 2 возобновит циркуляцию теплоносителя через теплогенератор 1. Периодическая работа трехходового регулирующего клапана 4 создаст условия для расчетного режима управления теплопотреблением в системе отопления здания.

По сравнению с известным способом управления теплопотреблением и устройством для его осуществления в системе отопления здания заявленный способ и устройство для его осуществления в системе отопления здания, позволит уменьшить перепад температур между слоями, увеличить термическое сопротивление слоев, снизить тепловой поток и в итоге повысить энергетическую эффективность здания и качество теплоснабжения. С уменьшением процента корректировки продолжительности установившегося периода работы трехходового регулирующего клапана 4 превышение температуры в отапливаемых помещениях снижается менее 0,5 °С.

Величина энергетической эффективности здания будет зависеть от теплофизических свойств ограждающих конструкций здания (коэффициента теплопроводности, теплоемкости отдельных слоев), толщины слоев, объема и климатической зоны расположения здания, расчетной температуры теплоносителя, температуры охлажденного теплоносителя. При повышении температуры наружного воздуха и уменьшении температуры охлажденного теплоносителя энергетическая эффективность будет увеличиваться.

Изобретение относится к энергетике и может использоваться для управления системой отопления жилых, общественных и производственных зданий. Устройство для управления теплопотреблением в системе отопления здания включает источник тепловой энергии, соединенный через подающий и обратный трубопроводы, трехходовой регулирующий клапан, циркуляционный насос, трубопровод подмешивания, узел управления, датчики температуры наружного воздуха и теплоносителя в подающем трубопроводе с системой отопления, при этом в качестве источника тепловой энергии используют собственный теплогенератор. Дополнительно введен низкотемпературный контур системы отопления, подключенный через смесительный трехходовой кран, циркуляционный насос низкотемпературного контура и датчик температуры охлажденного теплоносителя, расположенный на выходе из низкотемпературного контура системы отопления. Технический результат заключается в снижении превышений температуры в отапливаемых помещениях и повышении энергоэффективности здания. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для управления теплопотреблением в системе отопления здания, включающее источник тепловой энергии, соединенный через подающий и обратный трубопроводы, трехходовой регулирующий клапан, циркуляционный насос, трубопровод подмешивания, узел управления, датчики температуры наружного воздуха и теплоносителя в подающем трубопроводе с системой отопления, отличающееся тем, что в качестве источника тепловой энергии используют собственный теплогенератор, дополнительно введен низкотемпературный контур системы отопления, подключенный через смесительный трехходовой кран, циркуляционный насос низкотемпературного контура и датчик температуры охлажденного теплоносителя, расположенный на выходе из низкотемпературного контура системы отопления.

2. Способ организации работы устройства для управления теплопотреблением в системе отопления здания по п. 1, заключающийся в определении длительности циркуляции теплоносителя системы отопления через теплогенератор и трубопровод подмешивания, определении приращения пульсации температуры теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха, определении и контроле температуры теплоносителя в подающем трубопроводе, контроле температуры охлажденного теплоносителя в низкотемпературном контуре системы отопления, по выражению

где - температура теплоносителя в подающем трубопроводе, °С, при традиционной схеме управления по графику качественного регулирования;

t_в - температура воздуха внутри помещения, °С;

Δt - температурный напор нагревательного прибора, при расчетной температуре воды в отопительной системе, °С;

t_н - температура наружного воздуха, °С;

Δτ - расчетный перепад температур теплоносителя на коллекторах теплогенератора, °С;

θ - расчетный перепад температур теплоносителя в системе отопления, °С;

t_н.о - расчетная температура наружного воздуха, °С;

- приращение (пульсация) температуры теплоносителя в подающем трубопроводе, °С;

- расчетная температура теплоносителя в системе высокотемпературного контура, °С,

k₁ - коэффициент приращения в диапазоне температур наружного воздуха в отопительном периоде, k₁=0,65-0,018⋅t_н.о, при t_н=+8÷t_н.о; температура охлажденного теплоносителя принимается равной в зависимости от разветвленности низкотемпературного контура системы отопления, при этом регулирование температуры подаваемого в систему отопления теплоносителя осуществляется автоматизированным узлом управления путем периодической работы трехходового регулирующего клапана в зависимости от температуры охлажденного теплоносителя низкотемпературного контура системы отопления.

3. Способ организации работы устройства для управления теплопотреблением в системе отопления здания по п. 2, отличающийся тем, что периодическую пульсацию осуществляют при неизменном расходе теплоносителя по контурам системы отопления.