Система автоматического регулирования отопления здания с автоматическим задатчиком

Изобретение относится к области, связанной с системами управления и регулирования температуры с помощью электрических средств, и может быть использовано для систем автоматического регулирования (CAP) отопления зданий с центральным водяным отоплением для решения задач энергосбережения. Система регулирования представляет собой систему с датчиком температуры наружного воздуха и автоматизированным задатчиком, который на основании двух входных сигналов формирует сигнал задания, а затем по результатам сравнения текущего состояния системы и сигнала задания инициирует управляющее воздействие для CAP. Введение этих элементов позволяет добиться гибкости в поведении системы относительно внешних климатических факторов без дополнительных вложений в регулирующую арматуру. Техническим результатом является экономия тепловой энергии за счет регулирования температуры горячего теплоносителя в соответствии с температурой наружного воздуха. 3 ил.

 

Изобретение относится к области, связанной с системами управления и регулирования температуры с помощью электрических средств, и может быть использовано для систем автоматического регулирования (CAP) отопления зданий с центральным водяным отоплением для решения задач энергосбережения.

Известна система автоматического регулирования (CAP) отопления здания с применением теплообменника (Ливчак В.И. Энергосбережение в системах централизованного теплоснабжения на новом этапе развития // Энергосбережение, 2000. №2. - С.4-9), содержащая на в воде в индивидуальный тепловой пункт (ИТП) теплосчетчик (обозначен как ТС - теплосчетчик), состоящий из 2-х датчиков температуры, расходомера теплоносителя и тепловычислителя, регулятор перепада давления прямого действия, регулирующий клапан с исполнительным механизмом, связанный с регулятором, представляющий собой термостат с часами, вход которого связан с датчиком температуры, теплообменник, циркуляционный насос, отопительные приборы в системе отопления здания с термостатами, расширительный бак с предохранительным клапаном.

К основному недостатку данного технического решения следует отнести низкую эффективность CAP отопления зданий, так как не учитываются температурный график подачи теплоносителя от тепловых сетей, температура наружного воздуха и температура внутри помещений здания.

Прототипом предлагаемого изобретения является CAP отопления здания с учетом климатических факторов (RU 2247422 С1, 2004 г., «CAP отопления здания с учетом климатических факторов»). Данная CAP содержит локальный контроллер (ЛК), погружной датчик температуры теплоносителя и датчики температуры наружного и внутреннего воздуха, расположенные соответственно на одном из внешних фасадов здания и в помещении со стороны этого фасада, подключенные к входам ЛК с 1 по 3. На трубопроводах системы отопления установлены: регулирующий клапан, связанный с наружными тепловыми сетями, циркуляционный насос и между ними перемычка с обратным клапаном, соединяющая подающий и обратный трубопроводы. Исполнительный механизм регулирующего клапана и электропривод циркуляционного насоса подключены к 1 и 2 выходам ЛК. Кроме того, в CAP имеются дополнительные регулирующие клапаны и датчики температуры воздуха. CAP содержит дополнительный контроллер (ДК) и гидравлические распределители с ветвями системы отопления по фасадам здания, причем на всех или нескольких подающих или обратных ветвях, охватывающих фасады здания за исключением северного, установлены дополнительные регулирующие клапаны с исполнительными механизмами с 1 по m. Кроме того, расположены на остальных внешних фасадах и по одному в помещениях каждого из фасадов здания, охваченных ветвями с дополнительными регулирующими клапанами, дополнительные датчики температуры наружного с 1 по j и внутреннего с 1 по i воздуха. Кроме того, исполнительные механизмы с 1 по m подключены к выходам ДК с 1 по m, a датчики температуры наружного с 1 по j и внутреннего с 1 по i воздуха подключены к соответствующим его входам с 1 по (j+i) или через адаптер связи к 1 цифровому коммуникационному порту (ЦКП) ДК, при этом 2 ЦКП дополнительного контроллера связаны с ЦКП локального контроллера.

Основным недостатком вышеописанного решения является необходимость установки дополнительных датчиков температуры внутри отапливаемого помещения и регулирующей арматуры для каждого из фасадов здания и дополнительного контроллера ДК, что часто экономически нецелесообразно для зданий небольшой протяженности и зданий, теплопотери которых незначительно зависят от направления и скорости ветра и положения солнца на небосклоне в отопительный период.

Техническим результатом является экономия тепловой энергии за счет регулирования температуры горячего теплоносителя в соответствии с температурой наружного воздуха.

Технический результат достигается тем, что предлагаемая CAP отопления здания содержит автоматизированный задатчик, который на основании двух входных сигналов формирует сигнал задания, а затем по результатам сравнения текущего состояния системы и сигнала задания инициирует управляющее воздействие для системы.

CAP отопления здания представлена на фиг.1 и 2. На фиг.1 изображена структурная схема отопления здания с собственной котельной, в связи с этим в CAP введен дополнительный контур регулирования с регулятором тепловой нагрузки и регулирующим органом, влияющим на расход топлива в топку котла. На фиг.2 изображена схема автоматического регулирования отопления здания от городской теплосети. На фиг.3 изображена структура автоматического задатчика.

Предлагаемая CAP содержит дополнительный датчик температуры наружного воздуха - 1, Тв - сигнал, задающий температуру в помещении - 2; ЗД - автоматический задатчик - 3; сумматоры - 4 и 7; РТсв - регулятор температуры прямой сетевой воды - 5; PO₁ - регулирующий орган, влияющий на расход теплоты в систему отопления (Q₁) - 6; РТН - регулятор тепловой нагрузки - 8; PO₂ - регулирующий орган, влияющий на расход топлива (Вт) в топку котла - 9; объект регулирования - 10; W_ук - устройство компенсации внешних возмущений - 11; μ - вектор внешних возмущений, влияющих на температуру прямой сетевой воды (Тсв) (необходимо в случае существенного влияния внешних факторов на Тсв); Q₂ - текущее количество теплоты, поступающее в объект управления.

Сигнал от датчика температуры наружного воздуха 1 и задающий температуру в помещении сигнал 2 поступают на вход задатчика 3, где формируется сигнал задания, представляющий собой необходимую температуру горячей воды в контуре отопления. Затем сигнал поступает на сумматор 4, где из него вычитается текущая температура в контуре. Далее сигнал рассогласования поступает на вход регулятора 5, который формирует управляющий сигнал и направляет его к регулирующему органу PO₁ 6, который воздействует на поток теплоты в контур отопления. На сумматоре 7 происходит следующее: сигнал рассогласования для РТсв 5 формируется как разность между сигналом задания (ЗД) 3, представленным как количество теплоты, необходимое для поддержания заданной температуры в контуре (поступает с выхода РТсв 5), и сигналом теплоты, поступающей в контур на данный момент Q₂. Кроме того, здесь возможно учесть также внешнее возмущение, если оно существенно влияет на регулируемый параметр (например, температуру наружного воздуха необходимо включить и сюда при большой протяженности теплосетей). Сигнал рассогласования, сформированный таким образом, далее поступает на вход регулятора тепловой нагрузки РТН 8, на выходе которого формируется управляющее воздействие для регулирующего органа PO₂ 9, который влияет на расход топлива в топку котла. Далее изменение расхода топлива приводит к изменению состояния объекта управления 10, характеризующегося параметрами Q₂ и Т_св (фиг.1) или только Т_св (фиг.2). Схема на фиг.2 работает аналогично.

Структура автоматического задатчика основана на следующей методике.

Количество теплоты, теряемое зданием в окружающую среду и возмещаемое отопительными приборами, в общем случае определяется по формуле:

где Q_тп - количество теплоты, теряемое зданием через ограждающие конструкции;

Q_вен - количество теплоты, необходимое для нагревания приточного вентиляционного воздуха;

Q_тв - количество теплоты, выделяемое в здании от работающих машин и аппаратов.

где А_i - площадь ограждающих конструкций;

R_0i - термическое сопротивление ограждающих конструкций;

t_в, t_н - температуры внутреннего и наружного воздуха;

n - поправочный коэффициент, учитывающий поправки на ориентацию здания, на наличие наружных стен, дверей и т.д.

С другой стороны, количество теплоты для компенсации теплопотерь:

где q₀ - удельные теплопотери, зависящие от функционального назначения и объема здания,

V_зд - объем здания по наружному замеру.

Численные значения q₀(V), t_в, t_н широко представлены в справочной литературе, в частности в СНиП 2.04.07.

Также удельные теплопотери могут быть ориентировочно определены по эмпирической формуле:

где n=6; а=1,98 кДж/(с·м^2,83·°С) для зданий постройки до 1958 г.,

n=8; а=1,51 кДж(с·м^2,83·°С) для зданий постройки после 1958 г.

Поправочный коэффициент ψ имеет следующие значения в зависимости от величин расчетных температур для отопления:

при t_н>-10°С ψ=1,2;

при t_н=-20°С ψ=1,1;

при t_н=-30°С ψ=1,0;

при t_н≤40°С ψ=0.9;

Также максимальный тепловой поток может быть установлен по формуле (СНиП 2.04.07):

где q₀(F) - укрупненный показатель теплового потока на отопление жилых зданий на 1 м² площади, принимаемый в соответствии с табл.1.3 (СНиП 2.04.07);

k₁ - коэффициент, учитывающий тепловой поток на отопление общественных зданий; при отсутствии данных следует принимать равным 0,25;

А - общая площадь отапливаемого здания.

Воспользовавшись формулами (4-5), находим максимальный показатель теплового потока на отопление зданий на 1 м² площади. Далее из (3) и условия равенства теряемой зданием теплоты Q₁ и количеством теплоты от отопительных приборов Q₂ получим необходимую температуру горячей воды в прямой магистрали:

где Q₁ - теплота, вносимая в здания потребителя с горячей водой;

А_i - площадь конструкций системы отопления;

R_0i - термическое сопротивление конструкций системы отопления;

t_гв, t_в - температуры прямой горячей воды и воздуха в помещении потребителя;

где Q₂ - тепловые потери зданий.

Для обеспечения постоянной температуры в помещении необходимо выполнение следующего условия:

* следует иметь в виду, что в соответствии с (1) для увеличения точности расчета в (8) необходимо учитывать теплоту на нагрев вентиляционного воздуха и теплоту от работающих в помещении машин.

отсюда температура горячей воды в прямой магистрали:

Параметры здания потребителя постоянны, характеристики устройств отопления практически не зависят от перепада температур в основном рабочем диапазоне, поэтому получаем, что t_гв является функцией единственной переменной - температуры наружного воздуха t_н. Она используется для формирования сигнала задания для регулятора РТсв. Для этого используются характеристики отопительных приборов и расчетные параметры здания потребителя q₀(V)и V_зд.

Таким образом, в соответствии с (9) структура задатчика будет иметь вид (фиг.3).

Т_в и Т_н - сигналы по температуре воздуха внутри и снаружи помещения. Причем сигнал Т_в является управляющим, изменение его значения ведет к изменению температуры внутри помещений. Сигнал Т_н является корректирующим, он адаптирует систему к изменениям температуры окружающей среды.

СУМ - блок суммирования.

УС - блок усиления, коэффициент усиления (К) определяется из (9):

Особенностью предлагаемой CAP является то, что она предполагает установку дополнительного датчика температуры наружного воздуха и установку устройства для расчета сигнала задания. Для этого может использоваться либо стандартная ЭВМ с устройством преобразования аналогового сигнала от датчика температуры в цифровую форму и наоборот, либо простейший контроллер с аналогичными функциями.

Рассмотрим принцип работы системы в случае уменьшения температуры наружного воздуха. В этом случае автоматический задатчик в соответствии с (9) формирует сигнал рассогласования следующим образом: сигнал Тнв - 1 и Тв - 2 поступают на сумматор 12, причем Тнв инвертируется. После уменьшения величины Тнв на выходе сумматора 12 будет увеличенный сигнал (в сравнении с предыдущим состоянием). Далее этот сигнал поступит на усилитель 13, где будет увеличен в К раз, а затем на сумматор 14, на котором к нему прибавляется величина Тв, в соответствии с (9). С выхода сумматора 14 этот сигнал поступает на сумматор перед РТсв 7, где формируется сигнал на открытие регулирующей арматуры, что обеспечивает дополнительный приток теплоты в здание потребителя. В случае, когда система имеет вид фиг.1, дополнительно формируется сигнал на открытие регулирующей арматуры на подачу топлива в котел. Инерционность задатчика при таком регулировании определяется лишь инерционностью датчика температуры наружного воздуха, что обеспечивает высокую оперативность работы системы в управлении расходом теплоносителя.

Таким образом, предлагаемое техническое решение направлено на увеличение эффективности функционирования CAP отопления зданием с учетом климатических факторов путем введения в задатчик сигнала по температуре наружного воздуха и реализации в нем алгоритма расчета оптимальной температуры сетевой воды в прямой магистрали.

Система автоматического регулирования отопления здания от городской теплосети, содержащая погружной датчик температуры теплоносителя, датчик температуры наружного воздуха и регулирующую арматуру с исполнительными механизмами, отличающаяся тем, что в состав системы введен автоматический задатчик для формирования необходимой температуры горячей воды в контуре отопления, с одним из входов которого соединен датчик температуры наружного воздуха, а на другой вход поступает сигнал, задающий температуру в помещении, при этом автоматический задатчик состоит из последовательно включенных первого сумматора, выполненного с возможностью инверсии одного из поступивших на него сигналов, блока усиления и второго сумматора, в котором складывается сигнал с выхода усилителя и сигнал, задающий температуру в помещении.