Устройство для автоматического управления теплопотреблением здания в системе центрального теплоснабжения

Устройство для автоматического управления теплопотреблением здания в системе центрального теплоснабжения включает последовательно соединенные и образующие замкнутый контур источник тепловой энергии, импульсный регулятор расхода теплоносителя в подающей магистрали, систему отопления здания и блок измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали, а также блок измерения температуры наружного воздуха, блок управления, блок задания периода регулирования, блок задания минимального шага регулирования, блок задания шага изменения длительности импульса теплоносителя в каждом периоде регулирования расхода теплоносителя, блок коррекции знака шага изменения длительности импульса теплоносителя, блок задания температуры теплоносителя в обратной магистрали, блок задания шага изменения температуры теплоносителя в обратной магистрали за период регулирования расхода теплоносителя при минимальном значении длительности импульса теплоносителя, блок вычисления коэффициента кратности коррекции шага изменения длительности импульса теплоносителя и блок сравнения. Обеспечиваются повышение надежности, экономичности и точности управления теплопотреблением здания, входящего в систему центрального теплоснабжения. 1 ил.

 

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для осуществления погодозависимого и программно-временного регулирования расхода тепла в системах централизованного отопления зданий и сооружений.

Известно устройство для регулирования теплопотребления здания, содержащее водоструйный элеватор, выход которого подключен к входу системы отопления здания, а выход системы отопления здания соединен с обратной магистралью и с первым входом водоструйного элеватора, ко второму входу которого подключена подающая магистраль (Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление: Учебник для вузов. - М.: Издательство АСВ, 2002, с. 75).

Недостаток указанного устройства заключается в том, что оно не обеспечивает необходимые быстродействие и точность регулирования, поскольку процесс регулирования производится вручную посредством ступенчатого изменения площади поперечного сечения сопла водоструйного элеватора.

Наиболее близким к заявляемому устройству является «Устройство для автоматического регулирования теплопотребления» (Патент РФ на изобретение №2400796, G05D 7/00, 2010 г.), принятое за прототип, включающее последовательно соединенные и образующие замкнутый контур источник тепловой энергии, импульсный регулятор расхода теплоносителя в подающей магистрали, систему отопления здания и блок измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали, а также блок измерения температуры наружного воздуха и блок управления, связанный выходом со вторым входом импульсного регулятора расхода теплоносителя в подающей магистрали.

Недостаток указанного устройства заключается в сложности его реализации, что снижает надежность и повышает стоимость всей системы управления теплопотреблением здания, а также в его низком быстродействии, обусловленном отсутствием учета в процессе регулирования значительной тепловой инерции в контуре управления температурой воздуха внутри здания.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении надежности, экономичности и точности управления теплопотреблением здания, входящего в систему центрального теплоснабжения.

Технический результат достигается тем, что устройство для автоматического управления теплопотреблением здания в системе центрального теплоснабжения, включающее последовательно соединенные и образующие замкнутый контур источник тепловой энергии, импульсный регулятор расхода теплоносителя в подающей магистрали, систему отопления здания и блок измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали, а также блок измерения температуры наружного воздуха и блок управления, связанный выходом со вторым входом импульсного регулятора расхода теплоносителя в подающей магистрали, дополнительно содержит блок задания периода регулирования, блок задания минимального шага регулирования, блок задания шага изменения длительности импульса теплоносителя в каждом периоде регулирования расхода теплоносителя, блок коррекции знака шага изменения длительности импульса теплоносителя, блок задания температуры теплоносителя в обратной магистрали, блок задания шага изменения температуры теплоносителя в обратной магистрали за период регулирования расхода теплоносителя при минимальном значении длительности импульса теплоносителя, блок вычисления коэффициента кратности коррекции шага изменения длительности импульса теплоносителя и блок сравнения, образующие с блоком управления программируемый логический модуль, причем к первому входу блока управления подключен выход блока задания периода регулирования, ко второму входу блока управления подсоединен выход блока задания минимального шага регулирования, к третьему входу блока управления подключен выход блока задания шага изменения длительности импульса теплоносителя в каждом периоде регулирования расхода теплоносителя, подключенного первым входом к выходу блока задания минимального шага регулирования, а вторым входом связанного с выходом блока коррекции знака шага изменения длительности импульса теплоносителя, соединенного входом с выходом блока сравнения, к четвертому входу блока управления подсоединен выход блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали, связанного входом с выходом блока измерения температуры наружного воздуха, к пятому входу блока управления подключен выход блока вычисления коэффициента кратности коррекции шага изменения длительности импульса теплоносителя, соединенного первым входом с выходом блока задания шага изменения температуры теплоносителя в обратной магистрали за период регулирования расхода теплоносителя при минимальном значении длительности импульса теплоносителя, и подключенного вторым входом к выходу блока сравнения, связанного суммирующим входом с выходом блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали, и подсоединенного вычитающим входом к выходу блока измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали, при этом первым входом программируемого логического модуля служит вычитающий вход блока сравнения, вторым входом программируемого логического модуля служит вход блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали, а выходом программируемого логического модуля является выход блока управления.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для автоматического управления теплопотреблением здания в системе центрального теплоснабжения.

Устройство содержит последовательно соединенные и образующие замкнутый контур источник тепловой энергии 1, импульсный регулятор расхода теплоносителя в подающей магистрали 2, систему отопления здания 3 и блок измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали 4, а также блок измерения температуры наружного воздуха 5, блок управления 6, блок задания периода регулирования 7, блок задания минимального шага регулирования 8, блок задания шага изменения длительности импульса теплоносителя в каждом периоде регулирования расхода теплоносителя 9, блок коррекции знака шага изменения длительности импульса теплоносителя 10, блок задания температуры теплоносителя в обратной магистрали 11, блок задания шага изменения температуры теплоносителя в обратной магистрали за период регулирования расхода теплоносителя при минимальном значении длительности импульса теплоносителя 12, блок вычисления коэффициента кратности коррекции шага изменения длительности импульса теплоносителя 13 и блок сравнения 14.

Блоки 6-14 образуют программируемый логический модуль 15.

Выход блока управления 6, подключен ко второму входу импульсного регулятора расхода теплоносителя в подающей магистрали 2.

К первому входу блока управления 6 подключен выход блока задания периода регулирования 7.

Ко второму входу блока управления 6 подсоединен выход блока задания минимального шага регулирования 8.

К третьему входу блока управления 6 подключен выход блока задания шага изменения длительности импульса теплоносителя в каждом периоде регулирования расхода теплоносителя 9, подключенного первым входом к выходу блока задания минимального шага регулирования 8, а вторым входом связанного с выходом блока коррекции знака шага изменения длительности импульса теплоносителя 10, соединенного входом с выходом блока сравнения 14.

К четвертому входу блока управления 6 подсоединен выход блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали 11, связанный входом с выходом блока измерения температуры наружного воздуха 5.

К пятому входу блока управления 6 подключен выход блока вычисления коэффициента кратности коррекции шага изменения длительности импульса теплоносителя 13, соединенного первым входом с выходом блока задания шага изменения температуры теплоносителя в обратной магистрали за период регулирования расхода теплоносителя при минимальном значении длительности импульса теплоносителя 12 и подключенного вторым входом к выходу блока сравнения 14.

Блок сравнения 14, связан суммирующим входом с выходом блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали 11 и подсоединен вычитающим входом к выходу блока измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали 4.

Первым входом программируемого логического модуля 15 служит вычитающий вход блока сравнения 14, вторым входом программируемого логического модуля 15 служит вход блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали 11, а выходом программируемого логического модуля 15 является выход блока управления 6.

Импульсный регулятор расхода теплоносителя в подающей магистрали 2 конструктивно должен быть выполнен на базе нормально-открытого электромагнитного клапана, например в соответствии с патентом РФ на полезную модель №150892.

Ввод и коррекция параметров блоков в составе логического модуля 15 осуществляется с помощью переносного и/или удаленного компьютера (не показаны на чертеже).

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии теплоноситель от источника тепловой энергии 1 через последовательно соединенные импульсный регулятор расхода теплоносителя в подающей магистрали 2 поступает в систему отопления здания 3 и через блок измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали 4 возвращается в источник тепловой энергии 1.

Предварительно в программируемом логическом модуле 15 с помощью блока задания периода регулирования 7 формируется и подается на первый вход блока управления 6 информационный сигнал, определяющий значение периода регулирования τ_р расхода теплоносителя в системе отопления здания 3 в зависимости от допустимой частоты включения нормально-открытого электромагнитного клапана импульсного регулятора расхода теплоносителя в подающей магистрали 2 и тепловой инерции системы отопления здания 3, а также вводится в блок задания температуры теплоносителя в обратной магистрали 11 функциональная зависимость (например, аналитическая, табличная и т.д.) заданного значения температуры теплоносителя Т_оз в обратной магистрали системы отопления здания 3 от температуры наружного воздуха Т_н, измеряемой блоком измерения температуры наружного воздуха 5: Т_оз=φ(Т_н).

Информационный сигнал о текущем значении температуры наружного воздуха Т_н поступает с выхода блока измерения температуры наружного воздуха 5 на второй вход программируемого логического модуля 15, т.е. на вход блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали 11, а информационный сигнал о величине заданного значения температуры теплоносителя Т_оз с выхода блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали 11 подается на четвертый вход блока управления 6 и на суммирующий вход блока сравнения 14.

Далее с помощью блока задания минимального шага регулирования 8 на второй вход блока управления 6 и на первый вход блока задания шага изменения длительности импульса теплоносителя в каждом периоде регулирования расхода теплоносителя 9 подается информационный сигнал о значении минимального шага регулирования Δt_иmin, и блок задания шага изменения длительности импульса теплоносителя в каждом периоде регулирования расхода теплоносителя 9 формирует и вводит на третий вход блока управления 6 информационный сигнал о начальной величине шага Δt_и изменения длительности импульса теплоносителя:

где α - целое число.

Кроме того, с помощью блока задания шага изменения температуры теплоносителя в обратной магистрали за период регулирования расхода теплоносителя при минимальном значении длительности импульса теплоносителя 12 на первый вход блока вычисления коэффициента кратности коррекции шага изменения длительности импульса теплоносителя 13 вводится информационный сигнал о динамическом параметре, определяющем быстродействие устройства, т.е. о шаге ΔТ_о изменения температуры Т_о теплоносителя в обратной магистрали системы отопления здания 3 за период регулирования τ_р расхода теплоносителя при минимальном значении длительности импульса t_иmin теплоносителя, равной минимальному шагу Δt_иmin изменения длительности импульса t_и теплоносителя в периоде τ_р регулирования расхода теплоносителя:

В начале работы устройства и далее в начале каждого (i-го) периода регулирования τ_р расхода теплоносителя блок измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали 4 осуществляет измерение температуры Т_о теплоносителя в обратной магистрали системы отопления здания 3 и передает информационный сигнал о ее текущем значении на первый вход программируемого логического модуля 15, т.е на вычитающий вход блока сравнения 14, вычисляющего разность (Т_оз-Т_о).

Информационный сигнал о величине (Т_оз-Т_о) поступает на вход блока коррекции знака шага изменения длительности импульса теплоносителя 10, формирующего и передающего на второй вход блока задания шага изменения длительности импульса теплоносителя в каждом периоде регулирования расхода теплоносителя 9 информационный сигнал о знаке (Т_оз-Т_о), определяющем знак шага Δt_и изменения длительности импульса теплоносителя. Так при (Т_оз-Т_о)≥0 шаг изменения длительности импульса теплоносителя Δt_и≥0 и длительность импульса теплоносителя Δt_и увеличивается, а при (Т_оз-Т_о)<0 шаг изменения длительности импульса теплоносителя Δt_и<0 и длительность импульса теплоносителя t_и уменьшается.

Информационный сигнал о величине (Т_оз-Т_о) поступает также на второй вход блока вычисления коэффициента кратности коррекции шага изменения длительности импульса теплоносителя 13, осуществляющего расчет округленного значения коэффициента кратности коррекции k_i шага Δt_и изменения длительности t_иi импульса теплоносителя в i-м периоде τ_р регулирования расхода теплоносителя в соответствии с зависимостью:

Информационный сигнал о текущем значении коэффициента кратности коррекции k_i подается с выхода блока вычисления коэффициента кратности коррекции шага изменения длительности импульса теплоносителя 13 на пятый вход блока управления 6, где выполняется уточнение длительности t_иi импульса теплоносителя в i-м периоде τ_р регулирования расхода теплоносителя, после чего информационный сигнал с выхода программируемого логического модуля 15 (блока управления 6) подается на второй вход импульсного регулятора расхода теплоносителя в подающей магистрали 2 для формирования импульса теплоносителя t_иi в соответствии с выражением:

что обеспечивает ускоренную компенсацию больших ошибки регулирования температуры Т_о теплоносителя в обратной магистрали системы отопления здания 3, поскольку при (Т_оз-Т_о)/ΔТо≥2 коэффициент кратности коррекции k_i≥2, причем величина коэффициента кратности коррекции k_i увеличивается с ростом тепловой инерции системы отопления здания 3. Таким образом, обеспечивается настройка регулятора на конкретный объект регулирования.

Блок управления 6 осуществляет контроль длительности t_иi импульса теплоносителя в i-м периоде τ_р регулирования расхода теплоносителя, по окончании которого закрывает нормально-открытый электромагнитный клапан импульсного регулятора расхода теплоносителя в подающей магистрали 2.

Необходимая точность регулирования температуры Т_о теплоносителя в обратной магистрали системы отопления здания 3 достигается при

где δ - зона нечувствительности.

В этом случае программируемый логический модуль 15 устанавливает в блоке управления 6 значение коэффициента кратности коррекции k_i=0 и регулирование длительности импульса t_и теплоносителя приостанавливается до момента выхода величины за пределы зоны нечувствительности δ.

При Т_оз>Т_о программируемый логический модуль 15 обеспечивает увеличение длительности импульса t_и теплоносителя, что ведет к росту температуры Т_о теплоносителя в обратной магистрали системы отопления здания 3, а при Т_оз<Т_о по аналогии производится снижение температуры Т_о теплоносителя в обратной магистрали системы отопления здания 3.

В результате в соответствии с функциональной зависимостью Т_оз=φ(Т_н) осуществляется стабилизация температуры Т_о теплоносителя в обратной магистрали системы отопления здания 3 с заданной точностью и высоким быстродействием, а следовательно, обеспечивается требуемый тепловой режим в помещениях здания.

В случае неработоспособности устройства и/или отключении электроэнергии, в предлагаемом устройстве для автоматического управления теплопотреблением здания в системе центрального теплоснабжения подача теплоносителя в систему отопления здания 3 сохранится через нормально-открытый электромагнитный клапан импульсного регулятора расхода теплоносителя в подающей магистрали 2 с максимальным расходом теплоносителя, но при отсутствии его регулирования.

Таким образом, учитывая низкую энергоемкость нормально-открытого электромагнитного клапана импульсного регулятора расхода теплоносителя в подающей магистрали и программируемого логического модуля, а также простоту осуществления и точность функционирования технического решения, реализация предложенного устройства позволяет обеспечить высокие точность, надежность и экономичность автоматического управления теплопотреблением здания в системе центрального теплоснабжения.

Устройство для автоматического управления теплопотреблением здания в системе центрального теплоснабжения, включающее последовательно соединенные и образующие замкнутый контур источник тепловой энергии, импульсный регулятор расхода теплоносителя в подающей магистрали, систему отопления здания и блок измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали, а также блок измерения температуры наружного воздуха и блок управления, связанный выходом со вторым входом импульсного регулятора расхода теплоносителя в подающей магистрали, отличающееся тем, что содержит блок задания периода регулирования, блок задания минимального шага регулирования, блок задания шага изменения длительности импульса теплоносителя в каждом периоде регулирования расхода теплоносителя, блок коррекции знака шага изменения длительности импульса теплоносителя, блок задания температуры теплоносителя в обратной магистрали, блок задания шага изменения температуры теплоносителя в обратной магистрали за период регулирования расхода теплоносителя при минимальном значении длительности импульса теплоносителя, блок вычисления коэффициента кратности коррекции шага изменения длительности импульса теплоносителя и блок сравнения, образующие с блоком управления программируемый логический модуль, причем к первому входу блока управления подключен выход блока задания периода регулирования, ко второму входу блока управления подсоединен выход блока задания минимального шага регулирования, к третьему входу блока управления подключен выход блока задания шага изменения длительности импульса теплоносителя в каждом периоде регулирования расхода теплоносителя, подключенного первым входом к выходу блока задания минимального шага регулирования, а вторым входом связанного с выходом блока коррекции знака шага изменения длительности импульса теплоносителя, соединенного входом с выходом блока сравнения, к четвертому входу блока управления подсоединен выход блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали, связанного входом с выходом блока измерения температуры наружного воздуха, к пятому входу блока управления подключен выход блока вычисления коэффициента кратности коррекции шага изменения длительности импульса теплоносителя, соединенного первым входом с выходом блока задания шага изменения температуры теплоносителя в обратной магистрали за период регулирования расхода теплоносителя при минимальном значении длительности импульса теплоносителя и подключенного вторым входом к выходу блока сравнения, связанного суммирующим входом с выходом блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали и подсоединенного вычитающим входом к выходу блока измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали, при этом первым входом программируемого логического модуля служит вычитающий вход блока сравнения, вторым входом программируемого логического модуля служит вход блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали, а выходом программируемого логического модуля является выход блока управления.