Система автоматического регулирования отопления по двум фасадам здания с теплообменником

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для автоматизации и управления системами отопления по фасадам зданий с центральным водяным отоплением. Техническая задача - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата система автоматического регулирования (CAP) содержит контроллер, погружной датчик температуры теплоносителя и датчики температуры наружного и внутреннего воздуха, расположенные соответственно на северном фасаде здания и в помещении этого фасада, подключенные ко входам контроллера. При этом на трубопроводах установлены теплообменник, с одной стороны связанный с наружными тепловыми сетями через регулирующий клапан, с другой стороны связанный с ветвями системы отопления северного фасада здания через циркуляционный насос и погружной датчик температуры теплоносителя на подающей ветви за теплообменником. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области, связанной с системами управления или регулирования температуры с помощью электрических средств, и может быть использовано для автоматизации и управления системами отопления по фасадам зданий с центральным водяным отоплением с применением теплообменника для решения задач энергосбережения.

Известна система автоматического регулирования (CAP) отопления зданий с термостатами на отопительных приборах и с авторегулированием температуры теплоносителя в индивидуальном тепловом пункте (ИТП) (Грановский В.Л. Прижижецкий С.И. Система отопления жилых зданий массового строительства и реконструкции с комплексным автоматизированием теплопотребления // Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика (АВОК), 2002. №5. - С.66-69 (рис.1, а)), содержащая насос (циркуляционный насос с электроприводом), регулятор расхода (на рис.1, а это регулирующий клапан, который имеет позиционное обозначение 3, с исполнительным механизмом, обозначенным "˜") и датчик температуры подающей воды (погружной датчик температуры теплоносителя в подающем трубопроводе), установленные в системе отопления здания и подключенные к контроллеру для регулирования температуры в системе отопления с учетом температуры наружного воздуха, причем датчик температуры подключен к 1 его входу, а исполнительный механизм и электропривод циркуляционного насоса (на рис.1,а не показан) соответственно к 1 и 2 его выходам, а также ко 2 входу контроллера подключен датчик температуры наружного воздуха, расположенный на северном фасаде здания, и к 3 входу контроллера подключен датчик температуры обратной воды, входящий в контур CAP для защиты теплоносителя от замерзания. Кроме того, в системе содержатся обратный клапан, установленный на перемычке, и регулятор перепада давления (регулятор перепада давления прямого действия), а также установлены термостаты на отопительных приборах для локального регулирования температуры в помещениях здания. Особенность такого технического решения заключается в том, что с помощью центрального авторегулирования расхода теплоносителя в ИТП стабилизируют температуру в системе отопления здания по заданной программе, а комфортную температуру в помещениях регулируют с помощью термостатов, т.е. регуляторов температуры прямого действия, расположенных на отопительных приборах.

Основным недостатком данного технического решения для протяженных в плане зданий является относительно высокая стоимость CAP при реконструкции систем отопления зданий с учетом установки термостатов на отопительных приборах и с использованием центрального авторегулирования температуры теплоносителя в ИТП. Кроме того, при использовании термостатов на отопительных приборах с вертикальной однотрубной системой отопления (основная система отопления зданий, существующая в России) необходимо проводить дополнительные затратные мероприятия, связанные с установкой перемычек на отопительных приборах, чтобы при закрытии термостатов теплоноситель поступал к следующему отопительному прибору.

Прототипом предлагаемого изобретения является CAP отопления по фасадам здания с применением двух теплообменников, состоящая из двух независимых контуров, один из которых отапливает северную сторону здания, другой - южную (Кулев М.В. Применение комплекса автоматизации регулирования тепла в административных зданиях Екатеринбурга // Энергосбережение, 2000. №2.- С.24-25 (рисунок с принципиальной схемой автоматизации ИТП)). Первая подсистема CAP для авторегулирования температуры системы отопления северного фасада, содержащая циркуляционный насос (P1 - циркуляционный насос отопления, показанный на принципиальной схеме автоматизации ИТП) с электроприводом (на схеме не показан), подключенный к 1 выходу контроллера (показано на схеме в виде функциональной линии связи 4 справа от центральной части контроллера), регулирующий клапан с исполнительным механизмом (M1-исполнительный механизм клапана), подключенный к 2 выходу контроллера (показано на схеме в виде функциональной линии связи 3 слева от центральной части контроллера), погружной датчик температуры теплоносителя системы отопления северного фасада в подающем трубопроводе (буквенное обозначение S3), расположенный после первого теплообменника (на схеме верхний), подключенный к 1 входу контроллера (показано на схеме в виде функциональной линии связи 6 справа от центральной части контроллера), погружной датчик температуры теплоносителя из теплосетей в обратном трубопроводе (буквенное обозначение S4), подключенный к 2 входу контроллера (показано на схеме в виде функциональной линии связи 4 слева от центральной части контроллера), датчик температуры внутреннего воздуха северного фасада (буквенное обозначение S2), расположенный в одной из комнат северного фасада и подключенный к 3 входу контроллера (показано на схеме в виде функциональной линии связи 1 справа от центральной части контроллера) и датчик температуры наружного воздуха (буквенное обозначение S1), расположенный на северном фасаде здания и подключенный к 4 входу контроллера (показано на схеме в виде функциональной линии связи 1 слева от центральной части контроллера). Вторая подсистема CAP для авторегулирования температуры системы отопления южного фасада, содержащая циркуляционный насос (Р2 - циркуляционный насос отопления, показанный на принципиальной схеме автоматизации ИТП) с электроприводом (на схеме не показан), подключенный к 3 выходу контроллера (показано на схеме в виде функциональной линии связи 3 справа от центральной части контроллера), регулирующий клапан с исполнительным механизмом (М2 - исполнительный механизм клапана), подключенный к 4 выходу контроллера (показано на схеме в виде функциональной линии связи 2 слева от центральной части контроллера), погружной датчик температуры теплоносителя системы отопления южного фасада в подающем трубопроводе (буквенное обозначение S5), расположенный после второго теплообменника (на схеме нижний) и подключенный к 5 входу контроллера (показано на схеме в виде функциональной линии связи 5 справа от центральной части контроллера), датчик температуры внутреннего воздуха южного фасада (буквенное обозначение S6), расположенный в одной из комнат южного фасада и подключенный к 6 входу контроллера (показано на схеме в виде функциональной линии связи 2 справа от центральной части контроллера). Основная особенность технического решения при пофасадном регулировании связана с тем, что помещения южной стороны здания получают дополнительное тепло за счет их обогрева солнечным излучением. В связи с этим в осенне-весенний отопительный период с южной стороны в помещениях здания намного теплее по сравнению с другими помещениями со стороны противоположного фасада здания. Для устранения перепада температур, создания нормальных температурных условий для работы в помещениях и экономии тепловой энергии вводится пофасадное регулирование в протяженных в плане зданиях и соответственно расположенных относительно северного и южного направлений. В соответствии с этим для каждой из 2-х сторон здания применяются раздельные элементы для систем авторегулирования расхода теплоносителя и энергоэффективное оборудование, включая циркуляционные насосы и теплообменники. В каждой из двух независимых CAP температур системы отопления применяется программное управление графиком изменения температуры теплоносителя в системе отопления каждого из фасадов в зависимости от наружной температуры и с коррекцией этого графика при отклонении внутренней температуры помещений от заданной.

Недостатком этого технического решения является относительно невысокая эффективность использования двух теплообменников и двух циркуляционных насосов с электроприводами для пофасадного авторегулирования здания, а также относительно высокая стоимость системы автоматического регулирования в целом за счет применения энергоэффективного оборудования на каждый фасад здания.

Предлагаемое изобретение направлено на увеличение эффективности CAP отопления по двум фасадам здания за счет применения одного теплообменника, циркуляционного насоса и погружного датчика температуры, а также на суммарное уменьшение затрат на систему авторегулирования в целом и эксплуатационных расходов на нее за счет уменьшения количества применяемого энергоэффективного оборудования.

Это достигается тем, что система автоматического регулирования отопления по двум фасадам здания с теплообменником, содержащая контроллер, погружной датчик температуры теплоносителя и датчики температуры наружного и внутреннего воздуха, расположенные соответственно на северном фасаде здания и в помещении этого фасада, подключенные ко входам контроллера с 1 по 3, при этом на трубопроводах установлены теплообменник, с одной стороны связанный с наружными тепловыми сетями через регулирующий клапан, с другой стороны связанный с ветвями системы отопления северного фасада здания через циркуляционный насос и погружной датчик температуры теплоносителя на подающей ветви за теплообменником, причем исполнительный механизм регулирующего клапана подключен к 1 выходу контроллера, а электропривод циркуляционного насоса подключен к 2 выходу контроллера, также в CAP имеются дополнительный регулирующий клапан с исполнительным механизмом и система отопления южного фасада здания с датчиком температуры внутреннего воздуха, подключенного к 4 входу контроллера, согласно предлагаемому решению ветви системы отопления южного фасада здания присоединены к соответствующим подающим и обратным ветвям между циркуляционным насосом и первым стояком системы отопления северного фасада здания со стороны теплообменника, при этом на подающей или обратной ветвях, охватывающих южный фасад здания, установлен дополнительный регулирующий клапан с исполнительным механизмом, подключенным к 3 выходу контроллера.

Сопоставительный анализ с известными техническими решениями показывает, что предлагаемая система автоматического регулирования отопления по двум фасадам здания с теплообменником отличается тем, что ветви системы отопления южного фасада здания присоединены к соответствующим подающим и обратным ветвям между циркуляционным насосом и первым стояком системы отопления северного фасада здания со стороны теплообменника, при этом на подающей или обратной ветвях, охватывающих южный фасад здания, установлен дополнительный регулирующий клапан с исполнительным механизмом, подключенным к 3 выходу контроллера.

Таким образом, заявляемое техническое решение по указанным пунктам соответствует критерию "новизна".

Особенность предлагаемой CAP заключается в представленном техническом решении, при котором используются все преимущества пофасадного регулирования, но при этом применяется один теплообменник, циркуляционный насос с электроприводом и погружной датчик температуры для всего здания. Для устранения перепада температур, создания нормальных температурных условий для работы в помещениях здания и экономии тепловой энергии вводится пофасадное регулирование в протяженных в плане зданиях и соответственно расположенных относительно северного и южного направлений, заключающееся в автоматическом регулировании температуры теплоносителя в системе отопления здания с помощью локального контроллера с учетом того, что система регулирования является трехконтурной и с учетом постоянного расхода в системе отопления здания. В этом случае первый контур, регулирующий расход теплоносителя из тепловых сетей в зависимости от температуры наружного воздуха, является малоинерционным, что позволяет осуществлять управление без статической ошибки, используя для этого пропорционально-интегральной закон регулирования. Второй контур, включающий инерционные элементы (помещения здания), работает по пропорциональному закону регулирования с учетом большой инерционности объекта управления и корректирует работу первого контура. Третий контур производит перераспределение расхода теплоносителя системы отопления по 2-м фасадам здания в зависимости от внутренних температур в помещениях фасадов. Следовательно, при 3-ступенчатом регулировании осуществляется стабилизация температурного режима 2-х фасадов здания при использовании только одного теплообменника, циркуляционного насоса и погружного датчика температуры.

Таким образом, проведенный анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявляемой системе автоматического регулирования отопления по двум фасадам здания с теплообменником, и дает право признать заявляемое техническое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена схема CAP отопления по двум фасадам здания с теплообменником (на чертеже цифровое обозначение соответствует элементам системы, буквенно-цифровое - соответствующие входы и выходы электронного регулятора и фасадов здания, NE - северный фасад, SE - южный фасад).

Система автоматического отопления по двум фасадам здания с теплообменником, представленная на чертеже, содержит контроллер 1, к которому подключены погружной датчик температуры теплоносителя 2 к 1 входу (K₁), датчик температуры наружного воздуха 3, расположенного на северном фасаде здания к 2 входу (К₂), датчик температуры внутреннего воздуха 4, расположенный в помещении NE к 3 входу (К₃), датчик температуры внутреннего воздуха 5, расположенный в помещении SE к 4 входу (К₄). CAP также содержит теплообменник 6, присоединенный к наружным тепловым сетям с помощью подающего 7 и обратного 8 трубопроводов, регулирующий клапан 9 с исполнительным механизмом 10, подключенным к 1 выходу контроллера 1 (H₁), циркуляционный насос 11 с электроприводом 12, подключенным к 2 выходу контроллера 1 (Н₂). Кроме того, ветви системы отопления южного фасада здания (13, 14) присоединены к соответствующим подающим 15 и обратным 16 ветвям между циркуляционным насосом 11 и первым стояком 17 системы отопления северного фасада здания со стороны теплообменника, причем на подающей или обратной ветвях, охватывающих южный фасад здания, установлен дополнительный регулирующий клапан 18 с исполнительным механизмом 19, подключенным к 3 выходу контроллера 1 (Н₃). На вводе в тепловой пункт расположен теплосчетчик 20.

Выход U₀ контроллера 1 и теплосчетчик 20 соответственно подключены ко входам U₁, U₂ промежуточного контроллера 21. Так как нет необходимости согласования интерфейсов, то адаптер связи на чертеже не показан. Промежуточный контроллер 21 также может отсутствовать, если его функции будет выполнять контроллер 1 или управляющая вычислительная машина 22 диспетчерского пульта управления. Промежуточный контроллер 21 через цифровой коммуникационный порт U₃ связан с цифровым коммуникационным портом управляющей вычислительной машины 22 диспетчерского пульта управления. Кроме того, на фиг.1 показаны части ветвей SE здания, связанные со стояками системы отопления с расположенными на них отопительными приборами 23, и части ветвей NE здания, связанные со стояками системы отопления с расположенными на них отопительными приборами 23.

CAP отопления по двум фасадам здания с теплообменником (см. чертеж) работает следующим образом. Автоматическое регулирование температуры теплоносителя в системе отопления здания обеспечивается контроллером 1 с учетом того, что система регулирования является трехконтурной. Это повышает динамическую устойчивость и точность регулирования. Первый контур, регулирующий расход теплоносителя из тепловых сетей в зависимости от температуры наружного воздуха, является малоинерционным, что позволяет осуществлять управление без статической ошибки, используя для этого пропорционально-интегральной закон регулирования. Второй контур, включающий инерционные элементы (помещения здания), работает по пропорциональному закону регулирования с учетом большой инерционности объекта управления, и корректирует работу первого контура. Третий контур производит перераспределение расхода теплоносителя системы отопления по двум фасадам здания в зависимости от внутренних температур.

В первом контуре системы автоматизации на базе контроллера 1 формируется управляющая команда с учетом закона регулирования при возникновении отклонения Δ_t1 как результата сравнения значения от его программного задатчика (ПЗ₁) и данных от погружного датчика температуры теплоносителя 2, расположенного после теплообменника 6. При этом следует отметить, что сигналы от датчиков температуры со второго по пятый, поступающие на аналоговые входы (Вх i) контроллера, преобразуются в цифровые. Затем управляющая команда от контроллера 1 преобразуется в электрический сигнал и подается на исполнительный механизм 10, перемещающий шток регулирующего клапана 9. При этом соответственно изменяется расход теплоносителя из подающего трубопровода 7. Функционирование задатчика ПЗ₁ контроллера 1 определяется температурным графиком подачи теплоносителя при централизованном теплоснабжении здания с учетом температуры наружного воздуха, измеряемого датчиком температуры наружного воздуха 3, расположенного на северном фасаде. Циркуляционный насос 11 создает необходимый и постоянный расход в системе отопления здания с помощью электропривода 12, подключенного к контроллеру 1. При этом следует отметить, что при увеличении температуры в системе отопления здания и контроллер 1 формирует управляющую команду, при которой исполнительный механизм 10 перемещает шток регулирующего клапана 9 таким образом, что уменьшается расход теплоносителя из подающего трубопровода 7 и это соответственно приводит к стабилизации заданной температуры в системе отопления здания. В случае уменьшения температуры в системе отопления здания по командам контроллера 1 исполнительный механизм 10 с помощью регулирующего клапана 9, наоборот, увеличивает расход теплоносителя из подающего трубопровода 7 и т.д.

В работе второго контура, в зависимости от требуемых параметров функционирования системы, возможно использование двух алгоритмов управления. По первому алгоритму управления в качестве датчика обратной связи используется датчик температуры внутреннего воздуха северного фасада 4, расположенный в помещении этого фасада. На базе контроллера 1 формируется управляющая команда с учетом закона регулирования при возникновении отклонения Δ_t2 как результата сравнения значения от его второго задатчика (ПЗ₂) и данных от датчика температуры внутреннего воздуха 4. Затем команда от контроллера 1 преобразуется в электрический сигнал, поступающий на исполнительный механизм 10, перемещающий шток регулирующего клапана 9. При этом корректируется расход теплоносителя из подающего трубопровода 7 с учетом температуры в помещении здания северного фасада. По второму алгоритму управления в качестве датчика обратной связи используется датчик температуры внутреннего воздуха южного фасада 5, расположенный в помещении этого фасада. На базе контроллера 1 формируется управляющая команда с учетом закона регулирования при возникновении отклонения Δ_t2 как результата сравнения значения от его второго задатчика (ПЗ₂) и данных от датчика температуры внутреннего воздуха 5. Затем команда от контроллера 1 преобразуется в электрический сигнал, поступающий на исполнительный механизм 10, перемещающий шток регулирующего клапана 9. При этом корректируется расход теплоносителя из подающего трубопровода 7 с учетом температуры в помещении здания южного фасада. Эти два алгоритма управления отличаются балансом между энергоэффективностью CAP отопления по двум фасадам здания и созданием требуемого температурного режима в помещениях здания этих фасадов. По первому алгоритму управления происходит большее потребление тепловой энергии из тепловых сетей при стабилизации заданных значений температуры в помещениях северного фасада, но наблюдается перегрев в помещениях южного фасада за счет внешних факторов, воздействующих на здание. В связи с этим необходим 3 контур регулирования. По второму алгоритму управления происходит меньшее потребление тепловой энергии из тепловых сетей при стабилизации заданных значений температуры в помещениях южного фасада, но наблюдается недогрев в помещениях северного фасада, так как температура стабилизируется по южному фасаду здания, имеющему большую температуру в помещениях этого фасада за счет дополнительной энергии от солнечного излучения. В этом случае также необходим 3 контур регулирования. Таким образом, для исключения перегрева помещений южного фасада по первому алгоритму управления и устранения недогрева помещений северного фасада по второму алгоритму управления вводится третий контур регулирования в системе автоматизации с учетом уменьшения количества применяемого энергоэффективного оборудования.

В третьем контуре CAP в отличие от второго в качестве датчика обратной связи, наоборот, применяется: при первом алгоритме управления - датчик температуры внутреннего воздуха 5 в помещении южного фасада; при втором алгоритме управления - датчик температуры внутреннего воздуха 4 в помещении северного фасада. Для упрощения описания работы CAP по третьему контуру регулирования рассмотрим особенности ее функционирования с учетом работы второго контура по первому алгоритму управления и при использовании в третьем контуре датчика температуры внутреннего воздуха 5 в помещении южного фасада. В этом случае в третьем контуре CAP на базе контроллера 1 формируется управляющая команда с учетом закона регулирования при возникновении отклонения Δ_t3 как результата сравнения значения от третьего программного задатчика (ПЗ₃) контроллера и данных от датчика температуры внутреннего воздуха 5 помещения южного фасада. Затем команда от контроллера 1 преобразуется в электрический сигнал, поступающий на исполнительный механизм 19, перемещающий шток регулирующего клапана 18. Для более детального представления особенностей работы CAP необходимо рассмотреть процесс изменения температуры в помещении южного фасада.

При увеличении температуры внутреннего воздуха в помещении южного фасада по командам контроллера 1 исполнительный механизм 19 с помощью регулирующего клапана 18 уменьшает расход теплоносителя в системе отопления южного фасада, что приводит к уменьшению температуры внутреннего воздуха в помещении южного фасада. Учитывая, что расход в системе отопления здания постоянен, то соответственно увеличивается расход теплоносителя в системе отопления северного фасада, а это соответственно приводит к увеличению температуры внутреннего воздуха в помещении северного фасада. Увеличение температуры внутреннего воздуха в помещении северного фасада корректирует второй контур путем уменьшения расхода теплоносителя из подающего трубопровода 7.

При уменьшении температуры внутреннего воздуха в помещении южного фасада (параметр измеряется и преобразуется датчиком внутреннего воздуха 5) по командам контроллера 1 исполнительный механизм 19 с помощью регулирующего клапана 18 увеличивает расход теплоносителя в системе отопления южного фасада, что приводит к увеличению температуры внутреннего воздуха в помещении южного фасада. Учитывая, что расход в системе отопления здания постоянен, то соответственно уменьшается расход теплоносителя в системе отопления северного фасада, а это соответственно приводит к снижению температуры внутреннего воздуха в помещении северного фасада (параметр измеряется и преобразуется датчиком внутреннего воздуха 4). Уменьшение температуры внутреннего воздуха в помещении северного фасада корректирует второй контур путем увеличения расхода теплоносителя из подающего трубопровода 7.

Любые изменения температуры системы отопления здания (параметр измеряется и преобразуется погружным датчиком температуры 2) отрабатываются с помощью обратной связи первого контура системы автоматизации. Следовательно, путем последовательного 3-ступенчатого регулирования осуществляется стабилизация температурного режима каждого из 2-х фасадов здания при использовании только одного теплообменника и циркуляционного насоса.

Таким образом, предлагаемое техническое решение направлено на увеличение эффективности CAP отопления по двум фасадам здания за счет применения одного теплообменника, циркуляционного насоса и погружного датчика температуры, а также на суммарное уменьшение затрат на систему авторегулирования в целом и эксплуатационных расходов на нее за счет уменьшения количества применяемого энергоэффективного оборудования. Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет значительно расширить функциональные возможности схемы пофасадного регулирования и возможности выбора схемы управления расходом теплоносителя, исходя из особенностей централизованной системы теплоснабжения здания.

Система автоматического регулирования (CAP) отопления по двум фасадам здания с теплообменником, содержащая контроллер, погружной датчик температуры теплоносителя и датчики температуры наружного и внутреннего воздуха, расположенные соответственно на северном фасаде здания и в помещении этого фасада, подключенные ко входам контроллера с первого по третий, при этом на трубопроводах установлены теплообменник, с одной стороны, связанный с наружными тепловыми сетями через регулирующий клапан, с другой стороны, связанный с ветвями системы отопления северного фасада здания через циркуляционный насос и погружной датчик температуры теплоносителя на подающей ветви за теплообменником, причем исполнительный механизм регулирующего клапана подключен к первому выходу контроллера, а электропривод циркуляционного насоса подключен ко второму выходу контроллера, также в CAP имеются дополнительный регулирующий клапан с исполнительным механизмом и система отопления южного фасада здания с датчиком температуры внутреннего воздуха, подключенного к четвертому входу контроллера, отличающаяся тем, что ветви системы отопления южного фасада здания присоединены к соответствующим подающим и обратным ветвям между циркуляционным насосом и первым стояком системы отопления северного фасада здания со стороны теплообменника, при этом на подающей или обратной ветвях, охватывающих южный фасад здания, установлен дополнительный регулирующий клапан с исполнительным механизмом, подключенным к третьему выходу контроллера.