ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Область техники
Полезная модель относится к тепловодоснабжению жилых, административных и производственных зданий и может быть применена в циркуляционных системах горячего водоснабжения.
Уровень техники
Циркуляционные системы горячего водоснабжения известны и широко используются (см., например, Н.Н.Чистяков и др. Повышение эффективности работы систем горячего водоснабжения. Москва, Стройиздат, 1980, стр.23, рис.13÷16). Циркуляция горячей воды исключает ее застаивание и выслуживание при малом водоразборе (например, в ночное время) и, тем самым, обеспечивает комфортность водоснабжения. Однако, циркуляционные системы горячего водоснабжения, широко используемые в настоящее время, недостаточно экономичны.
Известны технические решения (способы и системы), направленные на повышение экономичности циркуляционных систем горячего водоснабжения (патенты RU2005267, RU2265776, RU2273800, RU2307289). Наиболее близким техническим решением, которое может быть принято в качестве прототипа, является система по патенту RU2307289 МПК F24D 17/00, опубл. 27.09.2007 г., которая, как и предлагаемая система, решает задачу экономии энергии за счет поддержания оптимального расхода циркуляционной воды.
Система-прототип содержит источник горячего водоснабжения, к входу которого подключены подающий трубопровод и обратный трубопровод с циркуляционным насосом.
В системе-прототипе источник горячего водоснабжения выполнен в виде смесителя, а подающий трубопровод сообщен с подающим трубопроводом теплосети вентилем, регулируемым на поддержание постоянной температуры, контролируемой на выходе источника. Вход
циркуляционного насоса сообщен с обратным трубопроводом теплосети через второй вентиль, регулируемый па поддержание постоянного давления, контролируемого на входе циркуляционного насоса. Снижение расхода тепловой энергии в системе-прототипе достигается за счет уменьшения расхода обратной воды теплосети в периоды минимального водоразбора.
В системе-прототипе, как и в других известных системах горячего водоснабжения, циркуляционный насос не имеет регулируемого электропривода и постоянно работает с номинальной частотой вращения.
Недостаток прототипа состоит в том, что при постоянной (номинальной) частоте вращения циркуляционного насоса циркуляционная вода постоянно переносит потребителю максимальное количество тепла. Кроме того, поскольку отбор воды из любого (из подающего или из обратного) трубопровода теплосети влияет как на температуру, так и на давление воды в контуре горячего водоснабжения, процесс регулирования в системе-прототипе осуществляется в колебательном режиме, что снижает комфортность водоснабжения.
Указанные недостатки не позволяют прототипу обеспечивать эффективную экономию тепловой и, тем более, электрической энергии с сохранением комфортности водоснабжения потребителей.
Кроме того, к недостаткам прототипа следует отнести отсутствие универсальности по отношению к схемам циркуляционных системам горячего водоснабжения, а именно: техническое решение по прототипу может использоваться только при открытой схеме, т.е. с отбором горячей воды непосредственно из теплосети, а большинство централизованных систем горячего водоснабжения выполнено по закрытой схеме т.е. используют подогрев холодной воды. Это ограничивает практическую реализацию решения - прототипа в существующих системах горячего водоснабжения.
Сущность полезной модели
Задача полезной модели - предложить универсальное для циркуляционных систем горячего водоснабжения техническое решение, обеспечивающее эффективную экономию тепловой и электрической энергии без снижения комфортности водоснабжения.
Технический результат полезной модели - повышение экономической эффективности систем горячего водоснабжения, выполненных как по открытой, так и по закрытой схеме, (т.е. независимо от вида используемого в системе источника горячей воды) без снижения комфортности водоснабжения.
Предметом полезной модели является циркуляционная система горячего водоснабжения, содержащая источник горячего водоснабжения, подающий трубопровод, обратный трубопровод, циркуляционный насос и датчик расхода в подающем трубопроводе, при этом циркуляционный насос снабжен регулируемым электроприводом с блоком управления, который подключен информационным входом к датчику расхода и выполнен с возможностью регулирования частоты вращения циркуляционного насоса в обратной зависимости от отношения расхода, измеряемого датчиком, к базовому значению расхода.
Это позволяет получить указанный выше технический результат.
Полезная модель имеет развития и уточнения, относящиеся к частным случаям его осуществления, состоящие в том, что:
- указанная обратная зависимость может иметь вид
б
max
где ω - частота вращения циркуляционного насоса, Q - измеряемый расход, Q - базовое значение расхода, которое может быть выбрано равным (0,7÷1,4) от расхода воды в период максимального водопотребления, ω - максимальное значение регулируемой частоты вращения, которое может быть выбрано равным (0,9÷1,0) от номинальной частоты вращения циркуляционного насоса;
min
- блок управления может быть выполнен с возможностью ограничения регулируемой частоты вращения минимальным значением ω, равным (0,05÷0,3) от номинальной частоты вращения циркуляционного насоса.
Краткое описание фигур
б
На фиг.1 приведена блок-схема, иллюстрирующая пример осуществления предлагаемой системы горячего водоснабжения. На фиг.2 приведены примеры зависимости частоты вращения циркуляционного насоса от отношения Q/Q. На фиг.3 приведены графики тепловых мощностей.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитии
max
min
б
б
Блок-схема на фиг.1 содержит источник 1 горячего водоснабжения (который может быть выполнен, например, в виде теплообменника), подающий трубопровод 2 и обратный трубопровод 3, подключенные к входу источника 1. В обратном трубопроводе 3 установлен циркуляционный насос 4, а в подающем трубопроводе 2 установлен датчик 5 расхода Q. Циркуляционный насос 4 снабжен регулируемым электроприводом 6 с блоком управления 7. Электропривод 6 может быть выполнен, например, на основе двигателя постоянного тока, двигателя переменного тока, вентильно-индукторного или другого типа электродвигателя. Показанный на фиг.1 в качестве примера электропривод 6 насоса 4 содержит двигатель 8 переменного тока и преобразователь 9 частоты, в состав которого входит блок 7 управления и силовой блок 10. К информационному входу 11 блока 7 подключен выход датчика 5. Установочный вход 12 блока 7 предназначен для введения констант ω, ω и Q. Блок 7 выполнен с возможностью регулирования частоты вращения циркуляционного насоса 4 в обратной зависимости от отношения Q/Q.
Устройство работает следующим образом.
Водопроводная вода поступает в подающий трубопровод 2, смешивается с циркуляционной водой из обратного трубопровода 3 и
после подогрева в источнике 1 поступает в распределительную линию 13. Через полотенцесушители 14 горячая вода поступает к водоразборным приборам (кранам) 15 и в обратный трубопровод 3. При этом источник 1 тратит энергию на подогрев воды, разбираемой потребителями, и остывшей циркуляционной воды, возвращаемой насосом 4 через трубопровод 3.
В известных циркуляционных системах горячего водоснабжения, включая систему-прототип, циркуляционный насос 4 не имеет регулируемого электропривода 6. При этом электродвигатель насоса подключен непосредственно к электросети переменного тока, и постоянно вращает насос с номинальной частотой вращения, выбранной при проектировании, исходя из условия недопущения выстуживания в отсутствие водоразбора. При наличии водоразбора и особенно в периоды его максимума тепло, отдаваемое потребителям потоком быстро циркулирующей горячей воды, оказывается избыточным, а его выделение в трубопроводе 3 прямыми потерями.
б
В предлагаемой системе циркуляционный насос снабжен регулируемым электроприводом 6, блок 7 управления которого регулирует частоту вращения ω насоса 4 в соответствии с значением измеряемого расхода воды Q, поступающим на вход 11 блока 7 от датчика 5. Согласно полезной модели, блок 7 регулирует частоту (и в обратной зависимости от отношения расхода, измеряемого датчиком 5, к базовому значению расхода, т.е. измеряемый расход Q учитывается блоком 7 в долях от фиксированного базового расхода Q.
Расход Q определяется потребительским водоразбором, который имеет периоды максимума (утренний и вечерний) и минимума (ночной). Поскольку тепло полотенцесушителям 14 отдает как вода, разбираемая потребителями, так и циркуляционная вода, а количество тепла, отдаваемого циркуляционным потоком, напрямую зависит от ω, обратная
б
зависимость ω(Q/Q) обеспечивает экономию тепла без потери
комфортности водоснабжения.
б
Вид обратной зависимости ω(Q/Q) может быть различным.
б
б
б
mах
max
б
б
б
В частности, в тех случаях, когда Q выбирают так, что при Q=Q ω(Q/Q)=0 (см. фиг.2а), обратная зависимость может иметь вид ω=ω где ω - максимальное значение регулируемой частоты вращения циркуляционного насоса. При этом значение Q целесообразно выбирать в пределах (0,7÷1,4) от расхода воды, измеренного в период максимального водопотребления. При меньших значениях Q частота вращения ω и скорость циркуляции уменьшаются с ростом водоразбора слишком быстро, что снижает комфортность режима горячего водопотребления по указанным выше причинам. При больших значениях Q снижается экономия тепловой энергии.
Возможны частые случаи осуществления полезной модели, когда при недостаточной циркуляции или ее отсутствии комфортный режим в системе нельзя надежно гарантировать (даже при большом водоразборе) из-за высокой вероятности:
- выстуживания воды в стояках;
- недопустимого снижения температуры горячей воды на последних этажах зданий;
- возникновения нежелательного гидравлического режима, при котором вода в наиболее удаленных стояках движется в обратном направлении.
б
min
min
В этих случаях блок 7 может быть выполнен с возможностью ограничения частоты вращения снизу: при значениях ω(Q/Q) ниже некоторой величины ω, равной, например, (0,05÷0,3) от номинальной частоты вращения циркуляционного насоса, блок 7 поддерживает частоту вращения равной ω.
б
min
б
min
б
б
На фиг.2б показана зависимость ω(Q/Q) в случае ограничения частоты ω минимальным значением ω при Q>Q, При этом для ω>ω и Q<Q зависимость ω(Q/Q) имеет вид
б
max
max
Ограничение ω сверху, позволяющее избежать избыточных затрат энергии при малом водоразборе, может обеспечиваться либо самим характером зависимости ω(Q/Q), принимающей значение ω при Q=0, либо - по результатам сравнения ω с константой ω, введенной в блок 7 по входу 12.
max
При модернизации существующей системы горячего водоснабжения значение ω, ограничивающее частоту вращения ω сверху, может быть выбрано равным (0,9-1,0) от номинальной частоты вращения насоса 4, обеспечиваемой нерегулируемым приводом. Это обусловлено тем, что номинальная частота вращения циркуляционного насоса и, соответственно, расход воды в контуре циркуляции существующих систем с нерегулируемым приводом, как правило, превышают значения, требуемые из условий комфортности тепловодоснабжения.
цирк
общ
б
б
На фиг.3 показаны зависимости тепловой мощности Р, отдаваемой циркулирующей водой, и общей тепловой мощности Р, затрачиваемой на горячее водоснабжение, от отношения Q/Q при работе циркуляционного насоса с постоянной частотой вращения (пунктир) и с частотой вращения, находящейся в нелинейной обратной зависимости от отношения Q/Q. Заштрихованная область соответствует снижению тепловой мощности и затрат тепловой энергии.
Как видно из изложенного, в предлагаемой системе электропривод работает со сниженной среднесуточной мощностью, что уменьшает потребление электроэнергии.
Эффективность предлагаемого решения подтверждена экспериментально.