Автоматизированный индивидуальный тепловой пункт с зависимым присоединением системы отопления и закрытой системой горячего водоснабжения
AUTOMATED INDIVIDUAL THERMAL STATION WITH DEPENDENT CONNECTION OF HEATING SYSTEM AND CLOSED HOT WATER SUPPLY SYSTEM

Автоматизированный индивидуальный тепловой пункт с зависимым присоединением системы отопления и закрытой системой горячего водоснабжения относится к теплоэнергетике, к области отопления и горячего водоснабжения и предназначен для контроля и автоматического управления отпуска тепловой энергии и воды на горячее водоснабжение многоквартирных жилых домов без вмешательства обслуживающего персонала в заданный алгоритм технологического цикла.
Известно устройство управления тепловым пунктом (ТП) (см. патент РФ на полезную модель №66795, заявл. 20.01.2006 г., опубл. 27.09.2007 г.), включающее управляющее устройство, пульт управления и блок коммутации, при этом управляющее устройство получает информацию от датчиков измеряемых параметров, вырабатывает и передает управляющее воздействие на исполнительные элементы через блок коммутации, а также получает команды от пульта управления, при этом подача питающего напряжения на исполнительные элементы осуществляется через блок коммутации, устройство дополнительно снабжено блоком питания, через который на пульт управления и управляющее устройство подается питающее напряжение, и портом ввода/вывода для получения управляющим устройством команд от пульта управления и передачи информации о работе теплового пункта, а управляющее устройство содержит средство для расчета коэффициентов регулирования.
Известен автоматизированный тепловой пункт системы отопления (см. патент РФ №2232351 на изобретение, заявл. 16.09.2002 г., опубл. 10.07.2004 г.), содержащий подающий трубопровод тепловой сети с установленным в нем регулятором расхода, подающий трубопровод системы отопления, соединенный с обратным трубопроводом системы отопления перемычкой, включающей последовательно соединенные насос смешения и регулятор смешения, управляющим входом соединенный с выходом регулятора отопления, входы которого соединены с датчиками температур в системе отопления и окружающей среде, а также водонагреватель системы горячего водоснабжения, включенный между подающим и обратным трубопроводами тепловой сети, в качестве регулятора смешения введен трехходовой клапан, вход которого соединен с выходом насоса смешения, первый выход соединен с подающим трубопроводом системы отопления, а второй выход подключен к обратному трубопроводу тепловой сети, причем управляющий вход регулятора расхода соединен через датчик перепада давления соответственно с подающим и обратным трубопроводами системы отопления.
Наиболее близким к заявляемому решению является автоматизированный тепловой пункт системы отопления (см. пат. РФ №2300709, заявл. 22 апреля 2005г., опубл. 27.10.2006г.), содержащий подающий трубопровод тепловой сети с установленным в нем регулятором расхода, подающий и обратный трубопроводы системы отопления, насос смешивания, регулятор отопления, входы которого соединены с датчиками температур в системе отопления и окружающей среде, водонагреватель системы горячего водоснабжения, включенный между подающим и обратным трубопроводами тепловой сети, а управляющий вход регулятора расхода соединен с выходом узла управления, вход которого соединен с выходами датчиков параметров системы отопления, частотный преобразователь, а в качестве насоса смешения использован насос с возможностью изменения рабочей частоты, при этом выход регулятора отопления соединен с входом частотного преобразователя, выход которого подключен к электрическим выводам насоса смешения, при этом насос смешения включен в направлении вход-выход между обратным и прямым трубопроводами системы отопления.
Общими недостатками рассмотренных выше решений является неполная автоматизация процесса отпуска тепла в автоматизированном тепловом пункте и, как следствие, перерасход электроэнергии, тепловой энергии, повышенные эксплуатационные расходы, отклонение температуры внутреннего воздуха помещений от требования санитарных норм. Автоматизировано только регулирование температуры подающей воды и постоянный расход подающей воды в систему отопления. Автоматически не регулируется такой важный параметр, как температура внутреннего воздуха в помещении, для поддержания которой и создана система отопления, в том числе и автоматизированный тепловой пункт.
Задача заявляемого изобретения - автоматическое поддержание заданной температуры внутреннего воздуха в обогреваемом помещении и температуры горячей воды у водоразборного крана при минимальном расходе тепловой энергии в любой момент реального времени, автоматическая наладка гидравлического режима тепловых сетей при 100% установке автоматизированного индивидуального теплового пункта в зданиях, присоединенных к одному источнику тепла, полная автоматизация процесса отпуска тепловой энергии путем включения в работу электронного регулятора температуры внутреннего воздуха в помещении и горячего водоснабжения.
Поставленная задача решается за счет того, что в автоматизированном индивидуальном тепловом пункте с зависимым присоединением системы отопления и закрытой системой горячего водоснабжения, включающем прямой и обратный трубопроводы тепловой сети, подающий и обратный трубопроводы системы отопления, датчики температур подающей и обратной воды системы отопления, датчики температуры наружного воздуха, датчик температуры воды на горячее водоснабжение, между прямым и обратным трубопроводами тепловой сети включен водонагреватель горячего водоснабжения,
водонагреватель горячего водоснабжения подключен по смешанной схеме и выполнен двухступенчатым, между прямым трубопроводом тепловой сети и первой ступенью водонагревателя горячего водоснабжения включен блок регулирования температуры воды на горячее водоснабжение,
на трубопроводе циркуляционной воды горячего водоснабжения установлен блок регулирования температуры циркуляционной воды горячего водоснабжения,
на прямом трубопроводе тепловой сети установлен блок регулирования температуры обратной воды системы отопления,
между подающим и обратным трубопроводами системы отопления включен блок регулирования температуры подающей воды системы отопления,
дополнительно введены датчики температур прямой и обратной воды тепловой сети, температуры внутреннего воздуха в помещении, температуры циркуляционной воды на горячее водоснабжение,
введен электронный регулятор температуры воздуха в помещении и горячего водоснабжения, входы которого соединены с датчиками температур подающей и обратной воды системы отопления, прямой и обратной воды тепловой сети, температуры воды на горячее водоснабжение и температуры циркуляционной воды горячего водоснабжения, температуры внутреннего воздуха в помещении, температуры наружного воздуха, а выходы подключены к блоку регулирования температуры обратной воды системы отопления, блоку регулирования температуры падающей воды системы отопления, блоку регулирования температуры воды на горячее водоснабжение и блоку регулирования температуры циркуляционной воды горячего водоснабжения.
Подключение водонагревателя горячего водоснабжения по смешанной схеме и выполнение его двухступенчатым позволяет максимально использовать тепловую энергию обратной воды системы отопления и снизить расход теплоносителя из прямого трубопровода тепловой сети на подогрев горячей воды.
Введение в автоматизированный индивидуальный тепловой пункт с зависимым присоединением системы отопления и закрытой системой горячего водоснабжения блока регулирования температуры горячей воды, блока регулирования температуры обратной воды системы отопления, блока регулирования температуры подающей воды системы отопления, блока регулирования температуры воды на горячее водоснабжение, блока регулирования температуры циркуляционной воды горячего водоснабжения, электронного регулятора температуры внутреннего воздуха в помещении и горячего водоснабжения обеспечивает возможность поддержания системой автоматики:
- заданной температуры внутреннего воздуха в помещении за счет поддержания одновременно температуры подающей и обратной воды системы отопления по расчетному температурному графику с учетом фактической температуры наружного воздуха, а при необходимости автоматически менять температурный график;
- заданной температуры горячей воды у водоразборного крана;
- автоматически начинать и заканчивать отопительный сезон, а также временно отключать систему отопления в отопительный сезон при превышении заданной температуры наружного воздуха.
Температурный график - это зависимость температуры прямой и обратной воды системы отопления от температуры наружного воздуха на всем диапазоне наружного воздуха в отопительный период с учетом климатической зоны.
Поддерживая системой автоматики одновременно температуру прямой и обратной воды по расчетному температурному графику с учетом фактической температуры наружного воздуха, расход воды в системе будет равен расчетному, и в помещениях будет соблюдаться расчетная температура внутреннего воздуха. На практике расчетные условия работы системы отопления не соблюдаются. Теплофизические свойства строительных материалов зданий находятся в определенном диапазоне, а на теплоотдачу зданий очень сильно влияют климатические условия, например скорость ветра. Для соблюдения заданной температуры внутреннего воздуха помещения необходима автоматическая корректировка температурного графика.
Для одного и того же графика при разных значениях расчетной температуры наружного воздуха температуры прямой и обратной воды существенно отличаются. Если электронный регулятор температуры внутреннего воздуха в помещении и горячего водоснабжения с адаптированным температурным графиком для города Москвы установить в городе Тобольске, то на 30% будет перерасход тепловой энергии. Важной функцией регулятора является возможность его настройки на расчетный температурный график с учетом климатической зоны.
На рисунке 1 представлен автоматизированный индивидуальный тепловой пункт с зависимым присоединением системы отопления и закрытой системой горячего водоснабжения (АИТП).
На рисунке 2 приведен температурный график качественного регулирования теплоты 105-70°C для климатической зоны с расчетной температурой -39°C (г. Тобольск).
В начале и окончании отопительного периода тепловые сети не понижают температуру прямой воды ниже 70°С, требуемых для нормальной работы системы горячего водоснабжения, хотя для отопительной системы требуется температура значительно ниже. Регулятор температуры внутреннего воздуха в помещении и горячего водоснабжения для исключения перерасхода тепла должен следить за соблюдением температурного графика.
На рис. 3 приведены значения температур прямой и обратной воды температурного графика 105-70°C при расчетной температуре наружного воздуха -39°C (Тобольск) и -26°C (Москва).
На рис. 4 приведены 3 вида исполнения блока регулирования температуры подающей воды системы отопления 6.
На рис. 5 приведены 3 вида исполнения блока регулирования температуры обратной воды системы отопления 7.
На рис. 6 приведены 3 вида исполнения блока регулирования температуры воды на горячее водоснабжение 20.
На рис. 7 приведены 2 вида исполнения блока регулирования температуры циркуляционной воды горячего водоснабжения.
Автоматизированный индивидуальный тепловой пункт с зависимым присоединением системы отопления и закрытой системой горячего водоснабжения включает:
1 - прямой трубопровод тепловой сети, 2 - обратный трубопровод тепловой сети, 3 - подающий трубопровод системы отопления, 4 - обратный трубопровод системы отопления, 5 - электронный регулятор температуры внутреннего воздуха в помещении и горячего водоснабжения, 6 - блок регулирования температуры подающей воды системы отопления, 7 - блок регулирования температуры обратной воды системы отопления, 8 - датчик температуры прямой воды тепловой сети, 9 - датчик температуры подающей воды системы отопления, 10 - датчик температуры обратной воды системы отопления, 11 - датчик температуры наружного воздуха Тнв, 12 - датчик температуры внутреннего воздуха в помещении Твн, 13 - первая ступень водоподогревателя горячего водоснабжения, 14 - вторая ступень водоподогревателя горячего водоснабжения, 15 - блок регулирования температуры циркуляционной воды горячего водоснабжения, 16 - циркуляционный трубопровод горячего водоснабжения, 17 - датчик температуры циркуляционной воды Тцв, 18 - датчик температуры обратной воды тепловой сети, 19 - датчик температуры воды на горячее водоснабжение Тгв, 20 - блок регулирования температуры воды на горячее водоснабжение, 21 - трубопровод горячего водоснабжения.
Блок регулирования температуры подающей воды системы отопления 6 может иметь 2 вида исполнения, представленные на рисунке 4.
В первом исполнении блок 6 представлен на рисунке 4а:
6.1.1. Насос с изменяемой частотой вращения
6.1.2. Частотный преобразователь
6.1.3. Обратный клапан
6.1.4. Запорная арматура
Во втором исполнении блок 6 представлен на рисунке 4b:
6.2.1. Насос
6.2.2. Регулирующий клапан
6.2.3. Обратный клапан
6.2.4. Запорная арматура
6.2.5. Электропривод
Блок регулирования температуры обратной воды системы отопления 7 может иметь 3 вида исполнения, представленные на рисунке 5.
В первом исполнении блок представлен на рисунке 5а:
7.1.1. Насос с изменяемой частотой вращения
7.1.2. Частотный преобразователь
7.1.3. Обратный клапан
7.1.4. Запорная арматура
Во втором исполнении блок представлен на рисунке 5b:
7.2.1. Насос
7.2.2. Регулирующий клапан
7.2.3. Обратный клапан
7.2.4. Запорная арматура
7.2.5. Электропривод
Исполнение 3 представлено на рисунке 5с.
7.3.2. Регулирующий клапан
7.3.5. Электропривод
Блок регулирования температуры воды на горячее водоснабжение 20 имеет 3 вида исполнения, представленные на рисунке 6.
В первом исполнении блок представлен на рисунке 6а:
20.1.1. Насос с изменяемой частотой вращения
20.1.2. Частотный преобразователь
20.1.3. Обратный клапан
20.1.4. Запорная арматура
Во втором исполнении блок представлен на рисунке 6b:
20.2.1. Насос
20.2.2. Регулирующий клапан
20.2.3. Обратный клапан
20.2.4. Запорная арматура
В третьем исполнении блок представлен на рисунке 6с:
20.3.2. Регулирующий клапан
20.3.5. Электропривод
Блок регулирования температуры циркуляционной воды горячего водоснабжения 15 имеет 2 вида исполнения, представленные на рисунке 7.
В первом исполнении блок представлен на рисунке 7а:
15.1.1. Насос с изменяемой частотой вращения
15.1.2. Частотный преобразователь
15.1.3. Обратный клапан
15.1.4. Запорная арматура
Во втором исполнении блок представлен на рисунке 7b:
15.2.1. Насос
15.2.2. Регулирующий клапан
15.2.3. Обратный клапан
15.2.4. Запорная арматура
15.2.5. Электропривод
Принятые в конкретном примере изобретения виды исполнений:
- блок регулирования температуры подающей воды системы отопления - исполнение 1;
- блок регулирования температуры обратной воды системы отопления - исполнение 3;
- блок регулирования температуры воды на горячее водоснабжение - исполнение 3;
- блок регулирования температуры циркуляционной воды - исполнение 1.
Автоматизированный индивидуальный тепловой пункт с зависимым присоединением системы отопления и закрытой системой горячего водоснабжения содержит прямой трубопровод тепловой сети 1 с установленным в нем блоком регулирования температуры обратной воды системы отопления 7, обратный трубопровод тепловой сети 2, подающий 3 и обратный 4 трубопроводы системы отопления, блок регулирования температуры подающей воды 6 системы отопления, выход которого присоединен к подающему трубопроводу 3, а вход - к обратному трубопроводу системы отопления 4, двухступенчатый водоподогреватель горячего водоснабжения 13. 14, включенный между подающим и обратным трубопроводами тепловой сети по смешанной схеме, трубопровод горячего водоснабжения 21, циркуляционный трубопровод горячего водоснабжения 16 с установленным на нем блоком регулирования температуры циркуляционной воды горячего водоснабжения, блок регулирования температуры горячей воды, установленный между прямым трубопроводом тепловой сети 1 и первой ступенью водоподогревателя горячего водоснабжения 13, электронный регулятор температуры внутреннего воздуха в помещении и температуры горячей воды 5, входы которого соединены с датчиками температур системы отопления 9, 10, датчиками температур тепловой сети 8, 18, датчиками температуры наружного воздуха 11 и датчиками температуры внутреннего воздуха помещений 12, датчиками температур на горячее водоснабжение 16, датчиками температур циркуляционной воды 17, а управляющие выходы электронного регулятора температуры внутреннего воздуха и температуры горячей воды 5 соединены с исполнительными механизмами блоков регулирования температур подающей 6 и обратной воды 7 системы отопления, блоков регулирования температуры воды на горячее водоснабжение 20 и циркуляционной воды ГВС 15. Исполнительные механизмы для блока регулирования температуры подающей воды системы отопления и циркуляционной воды ГВС - частотный преобразователь, для блока регулирования температуры обратной воды системы отопления воды на горячее водоснабжение - электропривод регулирующего клапана.
Автоматизированный индивидуальный тепловой пункт с зависимым присоединением системы отопления и закрытой системой горячего водоснабжения работает следующим образом.
Задаются исходные настройки электронного регулятора 5:
- устанавливается температура внутреннего воздуха в помещении;
- устанавливается температурный график, соответствующий расчетным условиям работы системы отопления;
- если расчетный температурный график неизвестен, то устанавливается предполагаемый;
- устанавливается расчетная температура климатической зоны, где расположен объект теплопотребления;
- устанавливается температура воды на горячее водоснабжение;
- устанавливается температура циркуляционной воды;
- устанавливается температура наружного воздуха, при которой отключается система отопления.
Условные обозначения в описании:
Т3граф - температура подающей воды в систему отопления по температурному графику.
Т3факт - фактическая температура подающей воды из системы отопления.
Т4граф - температура обратной воды из системы отопления по температурному графику.
Т4факт - фактическая температура обратной воды из системы отопления.
Электронный регулятор температуры внутреннего воздуха помещений 5 включается в работу. При Т1 меньше или равной Т3граф насос не работает и блок регулирования температуры подающей воды Т3факт исключен из работы. Если температура Т1 больше температуры Т3граф по температурному графику, то включается в работу насос блока регулирования температуры подающей воды 7. Сигнал с датчика температуры подающей воды 9 и температуры наружного воздуха 11 поступает в электронный регулятор 5 и при помощи измерительных элементов регулятора проверяется температура Т3факт ее соответствию температурному графику Т3граф при фактической температуре наружного воздуха. При температуре Т3факт выше Т3граф управляющий сигнал поступает на частотный преобразователь насоса блока регулирования температуры подающей воды 6 и величина подмеса в подающий трубопровод 3 увеличивается, пока температура Т3факт не понизится до Т3граф.
Сигнал с датчика температуры обратной воды системы отопления 10 регулятор 5 сравнивает с температурным графиком после прогрева нагревательных приборов системы отопления и при температуре Т4факт выше Т4граф управляющий сигнал от регулятора 5 поступает на электропривод регулирующего клапана блока регулирования температуры обратной воды 7. Расход теплоносителя из тепловой сети сокращается и температура обратной воды Т4факт снижается до Т4граф. После прогрева отапливаемого здания регулятор 5 сравнивает сигнал от датчика 12 и фактическую температуру внутреннего воздуха Твн на ее соответствие заданной температуре воздуха в регуляторе 5. При температуре воздуха Твн выше нормы регулятор переходит на пониженный температурный график. Алгоритм будет продолжаться, пока фактическая температура Твн не будет соответствовать заданной.
При понижении температуры наружного воздуха в эксплуатационном режиме алгоритм работы автоматизированного индивидуального теплового пункта с зависимым присоединением системы отопления и закрытой системой горячего водоснабжения будет следующий.
Регулятор сравнивает сигналы с датчиков температуры наружного воздуха 11 и температуры подающей воды системы отопления 9 и посылает управляющий сигнал на исполнительный механизм блока регулирования температуры подающей воды 6. Насос уменьшает величину подмеса до увеличения Т3факт, равной Т3граф. После прохождения тепловой волны в системе отопления регулятор 5 по поступающим сигналам от датчиков температуры обратной воды 10 и температуры наружного воздуха 11 дает управляющий сигнал на исполнительный механизм блока регулирования температуры обратной воды 7 и регулирующий клапан увеличивает расход теплоносителя из тепловой сети до увеличения Т4факт, равной Т4граф. После установления стационарного теплового режима внутренних помещений по сигналам от датчиков температуры внутреннего воздуха помещений 12 и заданной температуры воздуха в помещении регулятор сравнивает сигналы и при необходимости переходит на другой температурный график.
Таким образом, процесс автоматического поддержания внутренней температуры воздуха в помещении согласно заданному значению происходит следующим образом:
- за счет подмешивания обратной воды системы отопления в поступающий теплоноситель прямой воды из тепловой сети доводят температуру прямой воды в системе отопления до ее соответствия температурному графику;
- при равенстве температуры прямой воды тепловой сети и температуры подающей воды системы отопления происходит отключение блока регулирования температуры подающей воды системы отопления;
- регулирование температуры обратной воды системы отопления изменением расхода воды в системе отопления;
- соответствие температуры подающей воды системы отопления и обратной воды системы отопления их значениям по температурному графику является критерием соответствия расхода воды его расчетным значениям;
- при несоответствии температуры воздуха внутри помещений принятым значениям при расчетном расходе воды происходит переход работы системы отопления на другой температурный график.
Исполнение 1, 2 блока регулирования температуры подающей воды системы отопления и блока регулирования температуры воды на горячее водоснабжение применяется при недостаточном располагаемом напоре или его отсутствии в тепловой сети в точке подключения автоматизированного индивидуального теплового пункта с зависимым присоединением системы отопления и закрытой системой горячего водоснабжения.
Для исключения попадания высокотемпературного теплоносителя в систему отопления при отключении электрической энергии регулирующий клапан в блоке регулирования температуры обратной воды системы отопления должен применяться в исполнении «нормально закрыт».
Поступающий сигнал с датчика температуры обратной воды тепловой сети 18 поступает в электронный регулятор 6, где сравнивается его соответствие с расчетным температурным графиком.
При температуре обратной воды тепловой сети выше значений по температурному графику электронный регулятор 6 аккумулирует информацию и передает диспетчеру о загрязнении водоподогревателя воды на горячее водоснабжение.
При температуре обратной воды тепловой сети ниже значений по температурному графику электронный регулятор 6 фиксирует отклонение значений температур и совместно с приборами учета подсчитывается количество тепловой энергии для уменьшения оплаты за тепловую энергию (согласно «Правил пользования тепловой энергией», пункт 9.3.4).
Поддержание температуры горячей воды у водоразборного крана происходит следующим образом.
Сигнал от датчика температуры воды на горячее водоснабжение 19 поступает в электронный регулятор температуры внутреннего воздуха в помещении и горячего водоснабжения 5, где при помощи измерительных устройств сравнивается с заданной температурой горячей воды после подогревателя. При несоответствии с фактической температурой горячей воды электронный регулятор 5 посылает управляющий сигнал на исполнительный механизм блока регулирования температуры воды на горячее водоснабжение 20, который, изменяя расход теплоносителя из прямого трубопровода тепловой сети 1 в подогреватель 13, приводит температуру горячей воды в соответствие заданной.
Сигнал от датчика температуры циркуляционной воды 17 поступает в электронный регулятор температуры внутреннего воздуха в помещении и горячего водоснабжения 5, где при помощи измерительных устройств сравнивается с заданной температурой циркуляционной воды. При несоответствии с фактической температурой циркуляционной воды электронный регулятор 5 посылает управляющий сигнал на исполнительный механизм блока регулирования температуры циркуляционной воды горячего водоснабжения 15, который, изменяя расход воды в циркуляционном трубопроводе, приводит температуру циркуляционной воды в соответствие заданной. При этом температура горячей воды у водоразборного крана будет соответствовать температуре в интервале от заданных температур циркуляционной воды и воды на горячее водоснабжение.
Таким образом, автоматизированный индивидуальный тепловой пункт с зависимым присоединением системы отопления и закрытой системой горячего водоснабжения автоматически позволит настроить:
- заданную температуру внутреннего воздуха помещений;
- заданную температуру воды на горячее водоснабжение у водоразборного крана;
- фактический температурный график системы отопления;
- необходимый расход воды в системе отопления;
- требуемый расход теплоносителя из тепловой сети.
Результатом внедрения заявляемого изобретения является:
- снижение расхода электрической и тепловой энергии;
- снижение затрат по эксплуатации теплового пункта;
- снижение затрат по наладке гидравлического режима тепловых сетей.
Заявляемое изобретение направлено на автоматическое поддержание внутренней температуры воздуха в помещении и температуры горячей воды у водоразборного крана согласно заданным значениям.