Способ адаптивного регулирования теплопотребления здания

Изобретение относится к технологиям управления и регулирования температуры зданий с помощью электрических средств и может быть использовано для систем автоматического регулирования отопления зданий с центральным водяным отоплением. Раскрытая методика вычисления требуемой тепловой мощности и алгоритм «самообучения» (адаптации к меняющимся условиям) позволяют повысить энергоэффективность здания. 2 з.п. ф-лы.

 

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

Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.

Известна система автоматического регулирования отопления здания от городской теплосети по патенту РФ №2348061, 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. Данное техническое решение направлено на увеличение эффективности функционирования САР 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.

Известна система управления по патенту РФ №2450313, предназначенная для управления отопительной системой внутри помещения для окружающей среды внутри помещения в соответствии с требуемой температурой внутри помещения, содержащая: датчик для детектирования наружной температуры, датчик для детектирования обратной температуры T_return среды теплоносителя, циркулирующей в системе распределения тепла с определенным расходом потока, контроллер, выполненный с возможностью: определять требуемую тепловую мощность P_req, которую требуется подавать с помощью упомянутой системы распределения тепла для поддержания баланса тепловой энергии в соответствии с P_req-P_loss-P_source, где P_loss представляет собой аппроксимацию потерь тепловой мощности в упомянутом здании и включает в себя динамическую аппроксимацию переноса тепловой мощности через стены здания на основе, по меньшей мере, упомянутой требуемой температуры внутри помещения (T_room), упомянутой детектируемой наружной температуры (T_amb), коэффициента (kA) теплопередачи стен и теплоемкости (Мс_р) стен, и P_source представляет собой аппроксимацию источников тепловой энергии, внешних для упомянутой отопительной системы, и на основе детектируемой обратной температуры управлять комбинацией температуры прямого потока и расхода потока для обеспечения передачи с помощью системы распределения упомянутой требуемой тепловой мощности. Данное техническое решение позволяет обеспечить улучшенную технологию управления для отопительной системы, работающей внутри помещения, обеспечивая более эффективное отопление внутри помещения.

Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа

Недостатком данного устройства является громоздкие вычисления потерь тепловой энергии снижающие производительность устройства управления и, соответственно, время реакции на изменения температуры наружного воздуха, так как необходимо определять потери для каждого значения температуры.

Задачей заявляемого изобретения является создание способа адаптивного управления количеством тепловой энергии идущей на компенсацию тепловых потерь здания, при котором после первого включения устройства управления происходит определение необходимых коэффициентов (процесс «самообучения»), позволяющих упростить вычисления требуемой тепловой энергии и, соответственно, повысить скорость отработки устройством управления изменений температуры окружающего воздуха, что позволяет повысить энергоэффективность здания, за счет снижения потерь тепловой энергии при сохранении необходимых условий среды обитания. Здание - объекты, которые плохо формализуются, так как существуют много различных зданий, отличающихся своим назначением, ограждающими конструкциями, их теплоизоляционными свойствами, системами вентиляции и т.п, что требует индивидуальных подходов к их теплоснабжению для обеспечения необходимых комфортных условий с соблюдением требований энергоэффективности.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.

Согласно изобретению способ адаптивного регулирования теплопотребления здания, включающий регулирование количества подаваемой в здание тепловой энергии в соответствии с выбранным показателем теплопотребления, отличающийся тем, что в качестве показателя теплопотребления принимают удельное теплопотребление для данного типа здания, определяемое действующими санитарными нормами, при этом определяют количество тепловой энергии потребляемой в час для обеспечения в данном здании заданной температуры по формуле:

где V_h - объем здания,

t_вн - температура в помещении, требуемая по санитарным нормам или для обеспечения комфортного существования,

t_нр - температура наружного воздуха,

- удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию данного типа здания,

после чего осуществляют подачу в систему теплоснабжения здания определенного таким образом количества тепловой энергии и измеряют температуру в помещении t_вн1, которая устанавливается в здании после подачи этого количества тепловой энергии при этом если , то в дальнейшем не изменяют количество подаваемой в здание тепловой энергии до изменения одной из этих температур, а если , то определяют количество тепловой энергии , необходимое для обеспечения равенства t_вн=t_вн1 по формуле , после чего подают в систему теплоснабжения здания тепловую энергию , измеряют температуру t_вн2 и сравнивают ее с t_вн, при этом если t_вн≠t_вн2, то процедуру повторяют n раз до выполнения условия t_вн=t_вн(n+1), после чего определяют поправочный коэффициент и объем тепловой энергии, который необходимо подать в систему теплоснабжения здания при изменении температуры наружного воздуха t_нв для обеспечения заданной температуры в помещении t_нв определяют по формуле

Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:

- в формулу вводят коэффициент k₁<1, значение которого определяют в зависимости от класса энергоэффективности здания;

- в формулу вводят коэффициент k₂, ограничивающий потребление тепловой энергии в пределах социальных норм, установленных для данного типа здания.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что за счет упрощения методики вычисления требуемой тепловой мощности, алгоритма «самообучения» (адаптации к меняющимся условиям), позволяющую снизить скорость реакции устройства управления на изменение температуры наружного воздуха и, соответственно, повысить энергоэффективность здания.

Заявленный способ реализуют следующим образом.

В систему управления подачей тепловой энергии вводится удельное теплопотребление для данного типа здания (многоквартирный дом, школа, детское учреждение, больница и т.п.), определяемое действующими санитарными нормами, например в РФ нормы удельного теплопотребления указаны в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» (таблицы 13 и 14), а именно показатель - удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания - расход тепловой энергии на 1 м³ отапливаемого объема здания в единицу времени при перепаде температуры в 1°С), Вт/(м³⋅°С).

Измеряются:

- температура наружного воздуха - t_нр, °С;

- задаваемая температура в помещении (требуемая по санитарным нормам или для обеспечения комфортного существования) - t_вн, °С.

Определяется количество тепловой энергии потребляемой в час для обеспечения в данном здании с отапливаемой площадью Sh (м²) или объемом Vh (м³) (вводятся в устройство управления в составе базы данных) по формуле (1) при реальном перепаде температур:

Устройство управления осуществляет подачу в систему теплоснабжения здания полученное количество тепловой энергии. При этом измеряется температура в помещении t_вн1 которая создается реально при подачи тепловой энергии . Если t_вн=t_вн1 то устройство управления не меняет количество подаваемой в здание тепловой энергии до изменения или температуры наружного воздуха, или задаваемой температуры в помещении

Если t_вн≠t_вн1 то определяется , т.е. количество тепловой энергии необходимой для обеспечения t_вн1 по формуле (2):

Устройство управления подает в систему теплоснабжения тепловую энергию , измеряют температуру t_вн2 и сравнивают ее с t_вн.

Если t_вн≠t_вн2 то процедуру повторяют.

Примем, что при выполняется условие: t_вн=t_вн(n+1), тогда определяем поправочный коэффициент

Таким образом для данного здания при изменении температуры наружного воздуха, для обеспечения заданной температуры в помещении t_вн необходимо подать в систему теплоснабжения тепловую энергию

В формулу (1) может быть введен коэффициент k₁<1, значение которого определяется в зависимости от класса энергоэффективности здания, либо коэффициент k₂, ограничивающий потребление тепловой энергии в пределах социальных норм, установленных для данного типа здания.

Практическая применимость заявленного способа иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Автоматический индивидуальны тепловой пункт (в дальнейшем АИТП) осуществляющий регулирование теплоснабжением здания, алгоритм которого разработан на базе предлагаемого способа, не требует трудоемкой и продолжительной наладки, которая, как правило, настраивает работу АИТП только в нескольких точках, что не обеспечивает оптимальное управление во всех режимах теплопотребления здания. При этом снижается стоимость установки и ввода в эксплуатацию АИТП. Кроме того благодаря автоматической адаптации способ позволяет обеспечить оптимальное регулирование во всех режимах работы системы отопления здания, что экономит потребляемую тепловую энергию и повышает его энергоэффективность.

Пример 2. АИТП, осуществляющий регулирование теплоснабжением здания, алгоритм которого разработан на базе предлагаемого способа при использовании коэффициента k₂ обеспечит сохранение заявленного класса эффективности, что должно позволить получать скидки на оплату тепловой энергии (после принятия соответствующих постановлений правительством РФ).

1. Способ адаптивного регулирования теплопотребления здания, включающий регулирование количества подаваемой в здание тепловой энергии в соответствии с выбранным показателем теплопотребления, отличающийся тем, что в качестве показателя теплопотребления принимают удельное теплопотребление для данного типа здания, определяемое действующими санитарными нормами, при этом определяют количество тепловой энергии, потребляемой в час, для обеспечения в данном здании заданной температуры по формуле:

где V_h - объем здания,

t_вн - температура в помещении, требуемая по санитарным нормам или для обеспечения комфортного существования,

t_нр - температура наружного воздуха,

- удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию данного типа здания, после чего осуществляют подачу в систему теплоснабжения здания определенного таким образом количества тепловой энергии и измеряют температуру в помещении t_вн1, которая устанавливается в здании после подачи этого количества тепловой энергии при этом если t_вн=t_вн1, то в дальнейшем не изменяют количество подаваемой в здание тепловой энергии до изменения одной из этих температур, а если t_вн≠t_вн1, то определяют количество тепловой энергии необходимое для обеспечения равенства t_вн=t_вн1 по формуле после чего подают в систему теплоснабжения здания тепловую энергию , измеряют температуру t_вн2 и сравнивают ее с t_вн, при этом если t_вн≠t_вн2, то процедуру повторяют n раз до выполнения условия t_вн=t_вн(_n+1), после чего определяют поправочный коэффициент и объем тепловой энергии, который необходимо подать в систему теплоснабжения здания при изменении температуры наружного воздуха t_нв для обеспечения заданной температуры в помещении t_вн, определяют по формуле

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в формулу вводят коэффициент k₁<1, значение которого определяют в зависимости от класса энергоэффективности здания.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в формулу вводят коэффициент k₂, ограничивающий потребление тепловой энергии в пределах социальных норм, установленных для данного типа здания.