Устройство для регулирования температуры воздуха в помещении
Владельцы патента RU 2533701:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" ЮЗГУ (RU)
Изобретение относится к области автоматического регулирования и управления, в частности к устройствам для регулирования температуры воздуха в помещениях, отапливаемых от систем открытого теплоснабжения. Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение энергоемкости теплоснабжения за счет использования теплового потенциала теплоносителя для производства электрической энергии, необходимой для питания схемы контроля и автоматического регулирования путем соединения термоэлектрического генератора с прямой и обратной магистралью системы горячего теплоснабжения. Технический результат по снижению энергоемкости теплоснабжения достигается тем, что выход циркуляционного насоса контура повторной циркуляции соединен с входом проходного канала для обратного теплоносителя корпуса термоэлектрического генератора, кроме того, «горячие» концы комплекта дифференциальных термопар расположены внутри проходного канала для горячего теплоносителя, а «холодные» его концы расположены внутри проходного канала для обратного теплоносителя. 1 ил.
Изобретение относится к области автоматического регулирования и управления, в частности к устройствам для регулирования температуры воздуха в помещениях, отапливаемых от систем открытого теплоснабжения.
Известно устройство для регулирования температуры воздуха в помещении (см. патент РФ №2263848 МПК F24D 3/02, опубл. 10.11.2005, Бюл. №31), отапливаемом от системы открытого теплоснабжения, содержащее контуры общей и повторной циркуляции с прямой и обратной магистралями, каждый из которых снабжен циркуляционным насосом с приводом и регулятором скорости вращения, связанными соответственно у насоса контура повторной циркуляции - с выходом регулятора давления, а у насоса общей циркуляции с выходом регулятора температуры воздуха, который дополнительно содержит датчик температуры на обратной магистрали на выходе из системы отопления, при этом на выходе циркуляционного насоса прямой магистрали контура общей циркуляции расположен счетчик тепла, а на выходе циркуляционного насоса контура повторной циркуляции размещен счетчик расхода теплоносителя.
Недостатком является перерасход теплоносителя, особенно для жилых отапливаемых помещений при наличии комнат с различной нормированной в соответствии со СНиП температурой внутреннего воздуха (от 15°С на кухне до 22°С в угловой комнате) при резком повышении температуры наружного воздуха, например в суточном периоде отопления, когда осуществляется интенсивная передача тепла солнечной радиацией, т.е. наблюдается перегрев отапливаемого помещения, т.к. система автоматизации не обеспечивает снижение подачи энергоемкого теплоносителя в контуре общей циркуляции.
Известно устройство для регулирования температуры воздуха в помещении (см. патент РФ №2431781 МПК F24D 3/02, опубл. 20/10/2011 Бюл №29), содержащее контуры общей и повторной циркуляции с прямой и обратной магистралями, каждый из которых снабжен циркуляционным насосом с приводом и регулятором скорости вращения, связанными соответственно у насоса контура повторной циркуляции с выходом регулятора давления, а у насоса общей циркуляции с выходом регулятора температуры воздуха, который дополнительно содержит датчик температуры на обратной магистрали на выходе из системы отопления, при этом на выходе циркуляционного насоса прямой магистрали контура общей циркуляции расположен счетчик тепла, а на выходе циркуляционного насоса контура повторной циркуляции размещен счетчик расхода теплоносителя, причем регулятор температуры воздуха соединен с датчиком температуры, выполненным в виде дифференциальной термопары, чувствительные элементы которой расположены, соответственно, внутри и снаружи помещения, отапливаемого от системы открытого теплоснабжения, кроме того, регулятор давления соединен с датчиком давления циркуляционных контуров различных по температурным режимам комнат отапливаемого помещения, причем каждый из датчиков давления установлен на обратной магистрали системы отопления, кроме того, регуляторы скорости вращения выполнены каждый в виде блока порошковых электромагнитных муфт, при этом регулятор температуры и регулятор давления содержат, соответственно, блок сравнения и блок задания, кроме того, блок сравнения соединен с выходом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, причем выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, который на выходе подключен к регулятору скорости в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
Недостатком является энергоемкость устройства для регулирования температуры воздуха в помещении, обусловленная необходимостью использования дополнительного источника электрической энергии для питания системы электронного управления схемой контроля и автоматизации процесса эффективности теплоснабжения.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение энергоемкости теплоснабжения за счет использования теплового потенциала теплоносителя для производства электрической энергии, необходимой для питания схемы контроля и автоматического регулирования, путем соединения термоэлектрического генератора с прямой и обратной магистралями системы горячего теплоснабжения.
Технический результат по снижению энергоемкости теплоснабжения достигается тем, что устройство для регулирования температуры в помещении, отапливаемом от системы открытого теплоснабжения, содержащее контуры общей и повторной циркуляции с прямой и обратной магистралями, каждый из которых снабжен циркуляционным насосом с приводом и регулятором скорости вращения, связанными соответственно у насоса контура повторной циркуляции с выходом регулятора давления, а у насоса общей циркуляции - с выходом регулятора температуры воздуха, который дополнительно содержит датчик температуры на обратной магистрали на выходе из системы отопления, при этом на выходе циркуляционного насоса прямой магистрали контура общей циркуляции расположен счетчик тепла, а на выходе циркуляционного насоса контура повторной циркуляции размещен счетчик расхода теплоносителя, причем регулятор температуры воздуха соединен с датчиком температуры в виде дифференциальной термопары, чувствительные элементы которой расположены, соответственно, внутри и снаружи помещения, отапливаемого от системы открытого теплоснабжения, а регулятор давления соединен с датчиком давления циркуляционных контуров различных по температурным режимам комнат отапливаемого помещения, причем каждый из датчиков давления установлен на обратной магистрали системы отопления, кроме того, регуляторы скорости вращения выполнены каждый в виде блока порошковых электромагнитных муфт, регулятор температуры и регулятор давления содержат, соответственно, блок сравнения и блок задания, при этом блок сравнения соединен с выходом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, причем выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, который на выходе подключен к регулятору скорости в виде блока порошковых электромагнитных муфт, причем контур повторной циркуляции снабжен термоэлектрическим генератором, выполненным в виде корпуса с проходными каналами для горячего и обратного теплоносителей и комплекта дифференциальных термопар, при этом выход циркуляционного насоса прямой магистрали соединен с входом проходного канала для горячего теплоносителя корпуса термоэлектрического генератора, а его выход соединен через трехходовой кран со счетчиком тепла, при этом выход циркуляционного насоса контура повторной циркуляции соединен с входом проходного канала для обратного теплоносителя корпуса термоэлектрического генератора, кроме того, «горячие» концы комплекта дифференциальных термопар расположены внутри проходного канала для горячего теплоносителя, а «холодные» его концы расположены внутри проходного канала для обратного теплоносителя.
На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства для регулирования температуры воздуха в помещении.
Устройство содержит систему 1 отопления помещения 2, соединенную прямой и обратной магистралями 3 и 4 с источником 5 горячего теплоносителя, образуя контур общей циркуляции, снабженный циркуляционным насосом 6. Контур местной циркуляции образован системой 1 отопления помещения 2 и трубопроводом 7 повторной циркуляции, соединяющим магистрали 3 и 4 вблизи места подключения их к системе 1 отопления.
Контур повторной циркуляции снабжен циркуляционным насосом 8, установленным на трубопроводе 7 повторной циркуляции. Приводы 9 и 10 циркуляционных насосов 6 и 8 снабжены регуляторами 11 и 12 скорости вращения. Датчик температуры 13 в виде дифференциальной термопары, чувствительные элементы которой расположены, соответственно, внутри и снаружи помещения 2, отапливаемого от системы открытого теплоснабжения, соединен с регулятором 14 температуры воздуха, а в датчик 15 температуры обратного теплоносителя соединен с регулятором 14 температуры воздуха, при этом датчики 16 и 17 давления подключены к регулятору 18 давления и установлены на стояках 21 и 22 обратной магистрали 4 в циркуляционных контурах 19 и 20 с теплообменниками комнат I и II.
На выходе циркуляционного насоса 6 прямой магистрали 3 контура общей циркуляции размещен счетчик 23 тепла, а на выходе циркуляционного насоса 8 контура повторной циркуляции размещен счетчик 24 расхода теплоносителя.
Регулятор 14 температуры содержит блок сравнения 25 и блок задания 26, при этом блок сравнения 25 соединен со входом электронного усилителя 27, оборудованного блоком 28 нелинейной обратной связи, причем выход электронного усилителя 27 соединен со входом магнитного усилителя 29 с выпрямителем на выходе, подключенным к регулятору скорости вращения 11 в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
Регулятор 18 давления содержит блок сравнения 30 и блок задания 31, при этом блок сравнения 30 соединен с выходом электронного усилителя 32, оборудованного блоком 33 нелинейной обратной связи, причем выход электронного усилителя 32 соединен со входом магнитного усилителя 34 с выпрямителем на выходе, подключенным к регулятору скорости вращения 12 в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
Выход 35 циркуляционного насоса 6 прямой магистрали 3 соединен с входом 36 проходного канала 37 для горячего теплоносителя корпуса 38 термоэлектрического генератора 39, а выход 40 проходного канала 37 для горячего теплоносителя соединен через трехходовой кран 41 со счетчиком тепла 23. Выход 42 циркуляционного насоса 8 контура повторной циркуляции соединен с входом 43 проходного канала 44 для обратного теплоносителя корпуса 38 термоэлектрического генератора 39, а выход 45 проходного канала 44 для обратного теплоносителя соединен через трехходовой кран 46 со счетчиком расхода 24. «Горячие» концы 47 комплекта дифференциальных термопар 48 расположены внутри проходного канала 37 для горячего теплоносителя, а «холодные» концы 49 комплекта дифференциальных термопар 48 расположены внутри проходного канала 44 для обратного теплоносителя.
Устройство для регулирования температуры воздуха в помещении работает следующим образом.
Температура горячего высокостоимостного теплоносителя в прямой магистрали 3 достигает 95°С (см. СНИП 41-02-2-2003, Госстрой России, 25.06.2003 - №110 ст.46), а температура обратного теплоносителя поддерживается в пределах 70°С. Следовательно, при подаче части потока высокостоимостного горячего теплоносителя от выхода 35 циркуляционного насоса 6, размещенного на прямой магистрали 3, через вход 36 в проходной канал 37 для горячего теплоносителя корпуса 38 термоэлектрического генератора 39 он контактирует с «горячими» концами 47 комплекта дифференциальных термопар 48, после чего через выход 40 поступает в трехходовой кран 41, где смешивается с основным потоком высокостоимостного горячего теплоносителя и направляется в счетчик тепла 23. Одновременно от выхода 42 циркуляционного насоса 8, размещенного на трубопроводе 7 контура повторной циркуляции, часть потока обратного теплоносителя через вход 43 поступает в проходной канал 44 для холодного теплоносителя, где контактирует с «холодными» концами 48 комплекта дифференциальных термопар 48. В результате на каждом элементе комплекта дифференциальных термопар 48 возникает термоЭДС, а при использовании хромель-копеля, как наиболее дешевого из известных и дающего наибольшее значение термоЭДС (см. например, Иванова Г.М. Теплотехнические измерения и приборы. - М.: Энергоатомиздат, 1984. 230 с.), то на выводах термоэлектрического генератора 39 достигается напряжение от 12 до 36 В (см., например, Технические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справ. под общ. ред. В.М. Зорина. М. - Энергоатомиздат, 1988, 560 с.). Этого вполне достаточно для питания электронных устройств регулирования температуры воздуха 14 и регулятора давления 18. Следовательно, снижение энергоемкости устройства для регулирования температуры воздуха в помещении достигается тем, что термоэлектрический генератор использует разность температур горячего теплоносителя и обратного теплоносителя для получения электрической энергии, питающей системы автоматизированного контроля и автоматического регулирования микроклимата в помещении.
В зависимости от температуры наружного воздуха в отапливаемом помещении, например в жилом, состоящим из типовых комнат (кухня, рядовая и угловая комнаты, лестничная клетка), поддерживается нормированный по СНиП комфортный температурный режим с оптимальным расходом высокостоимостного горячего теплоносителя по соответствующему циркуляционному контуру с расчетным гидравлическим давлением, фиксируемым датчиками давления 16 и 17 (например, для комнаты I - кухни с минимальным нормированным значением температуры внутреннего воздух-датчиком 16 и для комнаты II-угловой с максимальным нормированным значением температуры внутреннего воздуха - датчиком 17) и контролируемым регулятором давления 18.
В соответствии со СНиП (Строительная климатология. - М.: Стройиздат, 2002 г.) для различных климатических зон регламентируется определенная разность температур между средней температурой наружного воздуха на весь отопительный период и температурой внутреннего воздуха в помещении, состоящем из разных комнат, имеющих нормированные по комфортности температуры.
Например, для г. Курска принимается средняя температура снаружи помещения для отопительного периода минус 8,6°С. Тогда при наличии температуры наружного воздуха, например, минус 20°С и для температуры плюс 20°С угловой комнаты в соответствии со СНиП «Строительная климатология» имеем возрастание разности температур Δt=20-(-10)=30°С по сравнению с регламентированной Δt=20-(-8,6)=28,6°C).
В этом случае величина электрического сигнала от выполненного в виде дифференциальной датчика температуры 13, поступающего в регулятор 14, становится меньше, чем величина сигнала от блока задания 26 и на выходе блока сравнения 25 появляется сигнал положительной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 27 одновременно с сигналом отрицательной нелинейной обратной связи блока 28. За счет этого в электронном усилителе компенсируется нелинейность характеристики привода 9 циркуляционного насоса 6.
Сигнал с выхода электронного усилителя 27 поступает на вход магнитного усилителя 29, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 11 в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
Положительная полярность сигнала электронного усилителя 27 вызывает увеличение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 29. В редукторе увеличивается момент от привода 9 циркуляционного насоса 6, увеличивая подачу высокостоимостного горячего теплоносителя.
Увеличение расхода высокостоимостного горячего теплоносителя через счетчик тепла 23 приводит к повышению температуры потока в обратной магистрали 4 контура повторной циркуляции в силу наличия переходных процессов в устройстве, что регистрируется датчиком температуры 15 обратного теплоносителя. Сигнал от датчика температуры 15 обратного теплоносителя становится большим, чем сигнал блока задания 26 и на выходе блока сравнения 25 появляется сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 27 одновременно с сигналом отрицательной нелинейной обратной связи блока 28. За счет этого в электронном усилителе 27 компенсируется нелинейность характеристики привода 9 циркуляционного насоса 6.
Сигнал с выхода электронного усилителя 27 поступает на вход магнитного усилителя 29, где усиливается, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 11 в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 27 вызывает уменьшение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 29. В результате уменьшается момент от привода 9 циркуляционного насоса 6, тем самым уменьшается подача высокостоимостного горячего теплоносителя.
При возвращении в оптимальный режим путем уменьшения расхода высокостоимостного горячего теплоносителя через циркуляционный насос 6 наблюдается колебание давления в прямой магистрали 3 контура общей циркуляции и, соответственно, уменьшается перепад давления в системе 1 отопления.
При этом в циркуляционном контуре 19 с теплообменниками системы отопления уменьшение давления фиксируется датчиком давления 16, а в циркуляционном контуре 20 с теплообменниками системы отопления уменьшение давления фиксируется датчиком давления 17 и сигналы, поступающие в регулятор давления 18, становятся меньшими, чем сигналы с блока задания 31. Поэтому на выходе блока сравнения 30 появляется сигнал положительной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 32 одновременно с сигналом нелинейной обратной связи блока 33. За счет этого в электронном усилителе 32 компенсируется нелинейность характеристики привода 10 циркуляционного насоса 8.
Сигнал с выхода электронного усилителя 32 поступает на вход магнитного усилителя 34. где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 12 в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
Положительная полярность сигнала электронного усилителя 32 вызывает увеличение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 34. В результате увеличивается момент от привода 10 циркуляционного насоса 8, увеличивая подачу теплоносителя обратной магистрали 4 по трубопроводу 7, тем самым достигается увеличение подачи циркуляционного насоса 8 контура повторной циркуляции до тех пор, пока давление в системе 1 отопления не станет равным заданному.
Увеличение количества обратного теплоносителя, с недоиспользованным энергетическим потенциалом, перемещающегося через счетчик 24 расхода теплоносителя, приводит к увеличению давления в прямой магистрали 3, так как для повышения и дальнейшего поддержания заданной температуры воздуха в помещении 2 требуется большее суммарное количество поступающего к нему теплоносителя из-за снижения расхода высокостоимостного горячего теплоносителя от источника 5.
Следовательно, поддержание заданной температуры воздуха в помещении 2 системой 1 отопления посредством регулятора 14 температуры воздуха и регулятора давления 18, имеющих электронную базовую основу в виде блоков, осуществляется в автоматизированном режиме контроля температуры и давления с работой циркуляционных насосов 6 и 8 при поддержании оптимальной подачи высокостоимостного горячего теплоносителя от источника 5, регистрируемого счетчиком 23 тепла, и расхода обратного теплоносителя, с недоиспользованным энергетическим потенциалом, через счетчик 24 расхода теплоносителя.
При этом необходимым условием оптимизации перемещения теплоносителя в контуре общей циркуляции и контуре повторной циркуляции является соотношение расхода тепла, регистрируемого счетчиком 18, и затрат энергии на привод соответствующих насосов.
В солнечный день наблюдается интенсивная передача тепла солнечной радиацией, что приводит к уменьшению разности температур между температурой снаружи помещения 2, отапливаемого от системы открытого теплоснабжения, и внутри его (например, минус 2°С, тогда разность Δt=20-(-2)=22°С). Сигнал от датчика температуры 13, поступающий в регулятор 14 температуры, становится большим, чем сигнал от блока задания 26, и на выходе блока сравнения 25 появляется сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 27 одновременно с сигналом отрицательной нелинейной обратной связи блока 29.
Сигнал с выхода электронного усилителя 27 поступает на вход магнитного усилителя 29, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 11 в виде блока порошковых электромагнитных муфт. Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 27 вызывает уменьшение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 29. В редукторе уменьшается момент от привода 9 циркуляционного насоса 6, уменьшая подачу высокостоимостного горячего теплоносителя.
Уменьшение расхода высокостоимостного горячего теплоносителя через счетчик тепла 23 приводит к понижению температуры потока в обратной магистрали и контура повторной циркуляции, в силу наличия переходных процессов в устройстве, что также регистрируется датчиком температуры 15 обратного теплоносителя. При уменьшении расхода высокостоимостного горячего теплоносителя через циркуляционный насос 6 наблюдается возрастание давления в систему 1 отопления помещения 2 за счет увеличения подачи циркуляционным насосом 8.
Тогда в циркуляционных контурах 19 и 20 комнат I и II датчиками давления 16 и 17 фиксируется это возрастание давления, и сигналы, поступающие в регулятор давления 18, становятся большими, чем сигнал блока задания 26 регулятора 18 давления, и на выходе блока сравнения 30 появляется сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 32 одновременно с сигналом нелинейной обратной связи блока 33.
Сигнал с выхода электронного усилителя 32 поступает на вход магнитного усилителя 34, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 12 в виде блока порошковых электромагнитных муфт. Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 32 вызывает уменьшение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 34.
В результате уменьшается момент от привода 10 циркуляционного насоса 8, уменьшая подачу теплоносителя обратной магистрали 4 по трубопроводу 7, тем самым достигается уменьшение подачи циркуляционного насоса 8 повторной циркуляции до тех пор, пока давление в системе 1 отопления не станет равным заданному, что фиксируется датчиками давления 16 и 17 и соответствует условиям поддержания заданной температуры как в комнатах I и II, так и в отапливаемом помещении 2 в целом.
Благодаря предложенной системе автоматизированного контроля температуры и давления достигается снижение затрат на транспортировку как высокостоимостного горячего теплоносителя, так и теплоносителя в контуре повторной циркуляции.
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что снижение энергоемкости устройства для регулирования температуры воздуха в помещении достигается дополнительным использованием теплового потенциала высокостоимостного горячего теплоносителя путем включения в схему устройства термоэлектрического генератора, подсоединенного к выходу циркуляционного насоса и выполненного в виде корпуса с двумя проходными каналами, внутри которых соответственно расположены «горячие» и «холодные» концы комплекта дифференциальных термопар, вырабатывающих термоЭДС за счет разности температур горячего и обратного теплоносителей.
Устройство для регулирования температуры в помещении, отапливаемом от системы открытого теплоснабжения, содержащее контуры общей и повторной циркуляции с прямой и обратной магистралями, каждый из которых снабжен циркуляционным насосом с приводом и регулятором скорости вращения, связанными соответственно у насоса контура повторной циркуляции с выходом регулятора давления, а у насоса общей циркуляции с выходом регулятора температуры воздуха, который дополнительно содержит датчик температуры на обратной магистрали на выходе из системы отопления, при этом на выходе циркуляционного насоса прямой магистрали контура общей циркуляции расположен счетчик тепла, а на выходе циркуляционного насоса контура повторной циркуляции размещен счетчик расхода теплоносителя, причем регулятор температуры воздуха соединен с датчиком температуры, выполненным в виде дифференциальной термопары, чувствительные элементы которой расположены, соответственно, внутри и снаружи помещения, отапливаемого от системы открытого теплоснабжения, кроме того, регулятор давления соединен с датчиком давления циркуляционных контуров различных по температурным режимам комнат отапливаемого помещения, причем каждый из датчиков давления установлен на обратной магистрали системы отопления, кроме того, регуляторы скорости вращения выполнены каждый в виде блока порошковых электромагнитных муфт, при этом регулятор температуры и регулятор давления содержат, соответственно, блок сравнения и блок задания, кроме того, блок сравнения соединен с выходом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, причем выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, который на выходе подключен к регулятору скорости в виде блока порошковых электромагнитных муфт, отличающееся тем, что выход циркуляционного насоса прямой магистрали соединен с входом проходного канала для горячего теплоносителя корпуса термоэлектрического генератора, а его выход соединен через трехходовой кран со счетчиком тепла, при этом выход циркуляционного насоса контура повторной циркуляции соединен с входом проходного канала для обратного теплоносителя корпуса термоэлектрического генератора, кроме того, «горячие» концы комплекта дифференциальных термопар расположены внутри проходного канала для горячего теплоносителя, а «холодные» его концы расположены внутри проходного канала для обратного теплоносителя.
