Способ и система для автоматического гидравлического выравнивания потребителей в отопительной и/или охладительной установке
METHOD AND SYSTEM FOR AUTOMATIC HYDRAULIC BALANCING OF LOADS IN HEATING AND/OR COOLING INSTALLATION

Изобретение относится к способу автоматического гидравлического выравнивания потребителей в отопительной и/или охладительной установке с целью предотвращения недостаточного или избыточного снабжения потребителей с накладывающейся на гидравлическое выравнивание регулировкой температуры помещения на потребителях или для потребителей, причем через отопительную и/или охладительную установку протекает переносящая тепло среда, предпочтительно вода, и в ней предусмотрен, по меньшей мере, один генератор тепла и/или холода, причем в отопительной и/или охладительной установке через систему трубопроводов соединены несколько потребителей для отопления и/или охлаждения помещений, в которых потребители располагаются, причем в соответствующих помещениях регистрируются измеренные значения температуры помещения, причем дополнительно предусматривается, по меньшей мере, один электрический или электронный вычислительный блок, и, по меньшей мере, один циркуляционный насос встраивается в систему трубопроводов, а также несколько регулирующих арматур встраиваются в систему трубопроводов для регулировки потока жидкости соответственно через отдельных потребителей.
Кроме того, изобретение относится к системе для автоматического гидравлического выравнивания потребителей в отопительной и/или охладительной установке с целью предотвращения недостаточного или избыточного снабжения потребителей с накладывающейся на гидравлическое выравнивание регулировкой температуры помещения на потребителях или для потребителей, причем через отопительную и/или охладительную установку протекает переносящая тепло среда, предпочтительно вода, и в ней предусмотрен, по меньшей мере, один генератор тепла и/или холода, причем в отопительной и/или охладительной установке через систему трубопроводов соединены несколько потребителей для отопления и/или охлаждения помещений, в которых потребители располагаются, причем в соответствующих помещениях расположены датчики температуры помещения, причем дополнительно предусмотрен, по меньшей мере, один электрический или электронный вычислительный блок, и, по меньшей мере, один циркуляционный насос встроен в систему трубопроводов, а также несколько регулирующих арматур встроены в систему трубопроводов для регулировки потока жидкости соответственно через отдельных потребителей для выполнения способа по любому из п.п. 1-7 формулы изобретения.
Такой способ и такая система могут использоваться в отопительных и/или охладительных установках, по меньшей мере, с одним генератором тепла и/или холода, несколькими потребителями, трубопроводами для соединения генератора тепла и/или холода с потребителями и, по меньшей мере, с одним циркуляционным насосом, а также с расположенными в отапливаемых или охлаждаемых помещениях датчиками температуры помещения и с регулирующими арматурами, встроенными в прямой или обратный трубопровод, ведущий к или от потребителя.
Для обеспечения отвечающего потребностям снабжения всех потребителей в отопительной и/или охладительной установке и для минимизации потребления энергии требуется гидравлическое выравнивание. Оно может осуществляться самыми разными способами.
Известно статическое гидравлическое выравнивание с использованием предварительно настраиваемых клапанов, которые на основе своего регулируемого коэффициента пропускной способности (Kv) делают возможным ограничение потока. При помощи таких клапанов регулируется случай полной нагрузки, то есть случай максимального одновременного потребления тепла или холода всеми потребителями, для того чтобы предотвращать недостаточное снабжение. В случае частичной нагрузки задано избыточное снабжение отдельных потребителей. Также известно использовать в больших зданиях дополнительные балансировочные клапаны на ветвях снабжения, для того чтобы по мере необходимости распределять увеличенные в соответствии с размером здания объемные потоки, и для того чтобы предотвращать слишком высокие разности давлений через клапаны и тем самым шумы от потока.
В отношении определения значений предустановки клапанов для статического гидравлического выравнивания известно выполнять расчет отопительной нагрузки и трубопроводной сети, для того чтобы с одной стороны из необходимого количества тепла для помещения, а с другой стороны из заданного перепада температур между прямым и обратным потоком была возможность вычислять необходимый объемный поток на каждом потребителе. Из вычисленного объемного потока, суммированных гидравлических сопротивлений дальнейших проточных элементов установки и имеющегося в распоряжении перепада давлений насоса может определяться регулировка поперечного сечения потока клапанов для статического гидравлического выравнивания.
Также известно для не точно известной трубопроводной сети выполнять регулировку при помощи измерительных приборов, для того чтобы устанавливать объемные потоки на клапанах.
Недостатком в обоих случаях является повышенная трудоемкость из-за вычислений и выполняемая вручную регулировка.
Далее известно динамическое гидравлическое выравнивание, при котором проводящая жидкость установка гидравлически выравнивается не только для случая полной нагрузки, но и для случая частичной нагрузки. Для этого используются либо регуляторы перепада давлений в ветвях прямого или обратного потока отопительной и/или охладительной установки, либо регуляторы потока напрямую в потребителях. Для гидравлического выравнивания подобными клапанами равным образом необходим расчет отопительной нагрузки и упрощенный расчет трубопроводной сети, для того чтобы правильно устанавливать объемные потоки на потребителях.
Кроме того, из EP 1 936 288 B1 известно обнаруживать имеющееся гидравлическое выравнивание при помощи характера нагрева или охлаждения помещений. Сверх этого, из DE 10 2014 102 275 известно определять установочные значения для регулирующих клапанов на основе характера нагрева или охлаждения помещений и таким образом выполнять гидравлическое выравнивание.
Недостатком в обоих указанных под конец решениях является инертный образ действий по сравнению с механическими регуляторами потока, которые реагируют напрямую на изменяющиеся соотношения давлений и не должны выжидать сначала изменение вторичных параметров, как например изменение температуры помещения. Дальнейший недостаток этих решений возникает при использовании работающих на батареях исполнительных приводов, которые при каждом существенном изменении перепада давлений через регулирующие клапаны выполняют очередные установочные движения, вследствие чего сокращается срок службы батарей.
Вне зависимости от известных способов гидравлического выравнивания известна система регулировки температуры отдельного помещения, которая при помощи механического или электронного термостата устанавливает температуру помещения посредством воздействующего на регулирующий клапан привода на заданное расчетное значение. Известны системы регулировки температуры отдельного помещения, в которых могут сохраняться профили времени, для того чтобы определять фазы нагрева и охлаждения в зависимости от времени.
Исходя из уровня техники, в основе изобретения лежит задача по предоставлению способа и системы, который/которая делает возможным автоматическое гидравлическое выравнивание отопительной и/или охладительной установки, которое даже при изменяющемся потреблении тепла или холода и тем самым изменяющемся давлении потока и перепаде давлений через потребителей и регулирующие арматуры адаптируется в обычных, имеющих место случаях нагрузки автоматически, в значительной степени без задержки, вне зависимости от перепада давлений и перманентно. Дополнительно должны создаваться условия для регулировки температуры помещения на заданные расчетные значения, причем и гидравлическое выравнивание, и регулировка температуры помещения может осуществляться простым образом посредством изменения поперечного сечения блока регулировки потока регулирующей арматуры.
Для решения этой задачи изобретение предлагает способ, который отличается тем, что через регулирующую арматуру протекает переносящая тепло среда, и разность давлений между областями давления перед и за блоком регулировки потока регулирующей арматуры удерживается постоянной, кроме того для этого поперечное сечение потока изменяется при помощи электрического или электронного приемно-передающего блока и согласованного исполнительного привода, причем при помощи передающего устройства приемно-передающего блока сведения или данные о текущем поперечном сечении потока передаются на вычислительный блок, в нем обрабатываются и преобразовываются в задаваемые значения расчетных значений, которые передаются на приемное устройство приемно-передающего блока, при помощи которого устанавливается поперечное сечение потока, причем задаваемые значения расчетных значений отдельных регулирующих арматур производятся в зависимости, по меньшей мере, от характера нагрева или охлаждения отдельных помещений и/или дальнейших показателей таким образом, что все потребители получают свой отвечающий потребностям объемный поток, отопительная и/или охладительная установка автоматически гидравлически выравнивается, и кроме того накладывающаяся на задание расчетных значений регулировка температуры помещения осуществляется в зависимости от разности температур между фактическим значением температуры и расчетным значением температуры отдельных помещений посредством изменения поперечного сечения потока регулирующих арматур.
Согласно изобретению достигается автоматическое гидравлическое выравнивание, которое может выполняться во всех случаях нагрузки без задержки, интегрировано в регулировку температуры отдельного помещения и сокращает исполнительные циклы исполнительных приводов, так как они приводятся в действие лишь изменением температур в помещениях, а не изменяющимися соотношениями давлений в отопительной и/или охладительной установке. Дополнительно возникает сокращение потребления энергии благодаря определенной автоматически, соответствующей потребностям температуре прямого потока и благодаря оптимизации числа оборотов циркуляционного насоса. Кроме того, отпадают трудоемкие расчеты трубопроводной сети, так как установочные значения регуляторов потока определяются автоматически на основе фактически существующей потребности в объемном потоке.
Передающий и приемный блок являются, как правило, компонентами исполнительного привода, при помощи которого изменяется поперечное сечение потока. Передающий блок постоянно передает по проводной или беспроводной связи текущее положение исполнительного привода на вычислительный блок, который в свою очередь новые задаваемые значения расчетных значений в отношении регулировки определяет и передает на приемный блок исполнительного привода. Приемный блок передает эти данные без дальнейшего изменения на исполнительный привод.
Согласно изобретению регистрация измеренных значений температуры помещения может осуществляться посредством датчиков температуры помещения, которые расположены в соответствующих помещениях и взаимодействуют с обрабатывающими элементами, в частности с вычислительным блоком или приемно-передающим блоком.
Регулирующая арматура предпочтительно состоит из клапана регулировки потока с корпусом, который имеет, по меньшей мере, одно входное отверстие и, по меньшей мере, одно выходное отверстие для переносящей тепло среды, а также расположенный между ними соединительный штуцер, в который встроено устройство регулировки давления, которое удерживает постоянной разность давлений между областями давления перед и за расположенным в соединительном штуцере блоком регулировки потока. Кроме того, предусмотрен воздействующий на блок регулировки потока с возможностью изменения поперечного сечения потока шпиндель с исполнительным приводом, состоящим из воздействующего на шпиндель поступательного или поворотного блока и приемно-передающего блока. При помощи передающего устройства данные о поступательном или поворотном положении шпинделя могут передаваться на вычислительный блок, а при помощи приемного блока могут приниматься задаваемые значения расчетных значений от вычислительного блока для поступательного или поворотного положении шпинделя. Задание расчетных значений отдельных регулирующих арматур производится в зависимости от характера нагрева или охлаждения отдельных помещений и/или дальнейших показателей таким образом, что все потребители получают свой отвечающий потребностям объемный поток, отопительная или охладительная установка автоматически гидравлически выравнивается, и накладывающаяся на задание расчетных значений регулировка температуры помещения осуществляется в зависимости от разности температур между фактическим значением температуры и расчетным значением температуры отдельных помещений посредством изменения поперечного сечения блока регулировки потока регулирующих арматур.
Переданные ото всех передающих блоков регулирующих арматур данные принимаются и обрабатываются вычислительным блоком. Если возникают различия при сравнении характера нагрева или охлаждения отдельных помещений друг с другом, то есть, например отдельные помещения нагреваются быстрее чем другие, то из этого могут генерироваться новые задаваемые значения расчетных значений. Клапаны в помещениях с более быстрым характером нагрева получают вследствие этого более сильное ограничение поперечного сечения, чем клапаны в помещениях с медленным характером нагрева, поперечное сечение которых ограничивается затем в меньшей степени.
Имеющееся в распоряжении максимальное поперечное сечение блока регулировки потока ограничивается сначала гидравлическим выравниванием. Регулировка температуры помещения уменьшает при необходимости это поперечное сечение для регулировки температуры помещения. Если расчетное значение температуры помещения превышается, то блок регулировки потока заблокирован. Эта блокировка или сокращение поперечного сечения для регулировки температуры помещения оказывает влияние на гидравлику установки, так что в этом случае новые максимальные поперечные сечения блоков регулировки потока задаются вычислительным блоком.
Передающий блок предает соответствующие данные по кабелю данных или же по беспроводной связи, например по радиосвязи в цифровом виде на вычислительный блок.
Соответствующее измерение времени осуществляется в вычислительном блоке. Например, вычислительный блок реализовывается в виде встроенной системы с микропроцессором и памятью, причем на основе частоты кристалла пьезокварца могут измеряться и обрабатываться промежутки времени.
Предпочтительный шаг способа видится в том, что характер нагрева или охлаждения отдельных помещений определяется вычислительным блоком посредством зарегистрированных в помещениях измеренных значений температуры помещения и посредством проведенного одновременно измерения времени и сравнивается с сохраненным для каждого помещения профилем температура-время, и что поток жидкости через отдельных потребителей изменяется посредством изменений поперечного сечения блока регулировки потока регулирующих арматур, пока зарегистрированное фактическое значением температуры отдельных помещений не совпадет с сохраненным в профиле времени расчетным значением температуры помещения, и не будет достигнуто наикратчайшее и одновременное достижение предварительно заданных расчетных значений температуры отдельных помещений.
Кроме того, предпочтительно предусмотрено то, что, по меньшей мере, одна регулирующая арматура достигает максимального открытия поперечного сечения блока регулировки потока.
Температура прямого потока может максимально понижаться (при нагреве) и соответственно максимально повышаться (при охлаждении) до тех пор, пока все помещения еще не достигнут своих расчетных значений температур помещения, и пока поперечное сечение блока регулировки потока регулирующей арматуры не достигнет максимального открытия поперечного сечения, так что гидравлическое сопротивление становится минимальным.
Далее предпочтительно предусмотрено то, что, по меньшей мере, для одной регулирующей арматуры вычислительным блоком задается максимальное и/или минимальное поперечное сечение потока.
Описанная адаптация температуры прямого потока влечет за собой экономию энергии, так как при более низких температурах прямого потока коэффициенты полезного действия генераторов тепла, таких как тепловых насосов, являются более высокими, и так как при более низких температурах прямого потока потери тепла в трубопроводах, резервуарах и тому подобном являются более низкими. Однако температура прямого потока не может адаптироваться до произвольного уровня. Наоборот температура прямого потока должна адаптироваться лишь до тех пор, пока не будут также достигнуты зависящие от времени расчетные температуры отдельных помещений. Задание минимального поступательного или поворотного положения и тем самым максимального или минимального поперечного сечения потока может быть преимуществом в частности при инертных потребителях, как например при напольных отопительных панелях, для того чтобы противодействовать слишком сильному колебанию температуры помещения.
Кроме того, предпочтительно предусмотрено то, что вычислительный блок обменивается данными с генератором тепла и/или холода, и что генератор тепла и/или холода увеличивает или уменьшает производство тепла или холода до тех пор, пока не будут достигнуты сохраненные профили температура-время помещений.
В простейшем случае генератор тепла или холода получает лишь новую температуру прямого потока, заданную вычислительным блоком. Однако также возможно, что генератор тепла или холода дополнительно передает свою текущую температуру прямого потока на вычислительный блок.
Кроме того, предпочтительно предусмотрено то, что вычислительный блок обменивается данными с циркуляционным насосом, и что циркуляционный насос увеличивает или уменьшает свою мощность подачи до тех пор, пока не будут достигнуты сохраненные профили температура-время помещений.
В простейшем случае циркуляционный насос получает заданное значение относительно числа оборотов насоса. Однако также возможно, что циркуляционный насос передает свое текущее число оборотов на вычислительный блок.
Кроме того, предпочтительно предусмотрено то, что на основе регистрации температуры прямого и обратного потока на ведущих к соответствующим потребителям трубопроводах системы трубопроводов вычислительным блоком, который обрабатывает зарегистрированные приемно-передающим блоком температурные данные, характер нагрева или охлаждения отдельных помещений прогнозируется, и на основе этого прогноза выполняется автоматическое гидравлическое выравнивание отдельных потребителей.
Для этого предусмотрено то, что в каждом прямом и обратном потоке каждого потребителя или группы потребителей расположен датчик температуры помещения, который регистрирует температуры и передает их на вычислительный блок, в котором эти температуры затем снова сравниваются с сохраненным в памяти вычислительного блока утвержденным образцом или образцом данных, и вычислительный блок передает затем соответствующие команды управления на исполнительные приводы для перемещения шпинделей (регулировка потока).
В пункте 8 формулы изобретения описана и указана соответствующая система, которая служит в частности для выполнения способа по любому из пунктов 1-7 формулы изобретения. В этом случае предусмотрено в частности то, что в качестве регулирующей арматуры установлен клапан регулировки потока, состоящий из корпуса, по меньшей мере, с одним входным отверстием и, по меньшей мере, с одним выходным отверстием для теплоносителя и с расположенным между ними соединительным штуцером, в который встроено устройство регулировки давления, которое удерживает постоянной разность давлений между областями давления перед и за расположенным в соединительном штуцере блоком регулировки потока, а также выполненный с воздействующим на блок регулировки потока с возможностью изменения поперечного сечения потока шпинделем и с исполнительным приводом, состоящим из воздействующего на шпиндель поступательного или поворотного блока и электрического или электронного приемно-передающего блока, причем при помощи передающего устройства приемно-передающего блока сведения или данные о текущем поступательном или поворотном положении шпинделя передаются на вычислительный блок, в нем обрабатываются и преобразовываются в задаваемые значения расчетных значений, которые передаются на приемное устройство приемно-передающего блока, при помощи которого выполняется установка поступательного или поворотного положения шпинделя поступательным или поворотным блоком.
При этом далее может быть предусмотрено то, что датчики температуры помещения расположены в отдельных помещениях.
Далее изобретение разъясняется более подробно при помощи примера осуществления. На чертеже показаны:
фиг. 1 - отопительная и/или охладительная установка со своими существенными компонентами на виде в схематичном изображении;
фиг. 2 - регулирующая арматура вместе с исполнительным приводом на схематичном изображении с частичным разрезом; и
фиг. 3 - увеличение фрагмента с фиг. 2 также в разрезе;
На фиг. 1 показаны существенные компоненты отопительной и/или охладительной установки 1, а именно генератор 2 тепла/холода, соответствующие трубопроводы 3, а также интегрированные в трубопроводы потребители 4, которые подключены к системе 3 трубопроводов через трубопроводы 6, 7. В прямом потоке трубопровода 3 предусмотрен циркуляционный насос 5. На входе или выходе каждого потребителя 4, который может быть, например радиатором отопления, предусмотрена регулирующая арматура 8, при помощи которой регулируется объемный поток подведенной через трубопровод 6, переносящей тепло среды, например воды. Со ссылочной позицией 9 схематично изображен вычислительный блок, который соответствующие данные предпочтительно по беспроводной связи принимает, обрабатывает и передает дальше.
Со ссылочными позициями 20 показаны датчики температуры помещения, которые установлены в отдельных помещениях моделирующей установки и регистрируют температуру помещения.
На фиг. 2 и 3 показаны подробности регулирующей арматуры 8. Регулирующая арматура 8 включает в себя клапан 10 регулировки потока с корпусом 11, входным отверстием 12 для переносящей тепло среды и выходным отверстием 13 для переносящей тепло среды. Между входным отверстием 12 и выходным отверстием 13 выполнен соединительный штуцер 14, в который встроено устройство 15 регулировки давления, которое удерживает постоянной разность давлений между областями давления перед соединительным штуцером 14 и за расположенным в соединительном штуцере 14 блоком 21 регулировки потока. Далее клапан 10 регулировки потока имеет воздействующий на блок 21 регулировки потока с возможностью изменения поперечного сечения шпиндель 16 и исполнительный привод 17 для него, который состоит из воздействующего на шпиндель 16 поступательного или поворотного блока 18 и соединен с приемно-передающим блоком 19. При помощи передающего устройства данные о фактическом поступательном или поворотном положении шпинделя 16 отправляются и передаются на вычислительный блок 9, в то время как при помощи приемного устройства принимаются назначения расчетных значений от вычислительного блока 9 для поступательного или поворотного положения шпинделя 16, и осуществляется адаптация поперечного сечения потока посредством перемещения шпинделя 16 при помощи исполнительного привода 17.
Далее следует описание полного протекания процессов способа, включая передачу сигналов и регистрацию сигналов.
Шаг 1: Регистрация сигналов
Датчики 20 температуры помещения измеряют текущую температуру в соответствующих помещениях. Исполнительный привод 17 регистрирует текущее поступательное или поворотное положение и таким образом положение шпинделя 16.
Шаг 2: Передача данных на вычислительный блок 9
Датчики 20 температуры помещения и передающие устройства приемно-передающих блоков 19 исполнительных приводов 17 передают зарегистрированные значения на вычислительный блок 9 либо по кабелям, либо по беспроводной связи, причем датчики 20 температуры помещения могут по кабелям или по беспроводной связи отправлять данные также на приемное устройство приемно-передающего блока 19 исполнительного привода 17, которое затем в свою очередь передает заодно и измеренные значения температуры помещения на вычислительный блок.
Шаг 3: Определение характера нагрева
Вычислительный блок 9 определяет характеристические показатели, например повышение температуры за единицу времени, для характера нагрева или охлаждения для всех помещений и сравнивает их друг с другом, а также отдельные фактические значения температуры помещения с соответствующими расчетными значениями температуры помещения. Предпочтительным может быть также принятие во внимание более старых сохраненных в памяти значений относительно характера нагрева и охлаждения помещений.
Шаг 4: Вычисление новых расчетных значений для поступательного/поворотного положения исполнительного привода 17
Вычислительный блок 9 вычисляет новые расчетные значения на основе характеристических показателей (см. шаг 3) и на основе разности температур между фактическим значением температуры помещения и расчетным значением температуры помещения с той целью, что расчетные температуры достигаются во всех помещениях одновременно или в пределах профиля времени и/или приоритетной схемы помещений.
Расчетное значение температуры помещения либо централизованно сохранено в вычислительном блоке 9 для каждого отдельного помещения, либо передается от внешних задающих устройств соответствующих помещений на вычислительный блок 9, причем задающие устройства при необходимости вместе с соответствующими датчиками 20 температуры помещения могут быть установлены в монтажном блоке.
Шаг 5: Передача данных на приемное устройство приемно-передающего блока 19
Вычислительный блок 9 передает новые расчетные значения на приемные устройства приемно-передающих блоков 19 исполнительных приводов 17. Они соответствующим образом приводятся в действие и регулируются.
Изобретение не ограничено примером осуществления, а в рамках раскрытия может многократно модифицироваться.
Все раскрытые в описании и/или на чертеже отдельные и комбинированные признаки рассматриваются как существенные для изобретения.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 отопительная и/или охладительная установка
2 генератор тепла/холода
3 трубопроводы
4 потребитель
5 циркуляционный насос
6 трубопровод
7 трубопровод
8 регулирующая арматура
9 вычислительный блок
10 клапан регулировки потока [удалено: (8)]
11 корпус
12 входное отверстие
13 выходное отверстие
14 соединительный штуцер
15 устройство регулировки давления
16 шпиндель
17 исполнительный привод
18 поступательный или поворотный блок
19 приемно-передающий блок
20 датчики температуры помещения
21 блок регулировки потока