Система центрального отопления и горячего водоснабжения, управления режимом работы и контроля расхода тепла
SYSTEM FOR CENTRAL HEATING AND HOT WATER SUPPLY, OPERATING MODE CONTROL AND HEAT CONSUMPTION CONTROL

Изобретение относится системам отопления для жилых и иных зданий и горячего водоснабжения жилых зданий.
Из существующего уровня техники известны устройства отопления и горячего водоснабжения (RU 2719170, RU 2710632, RU 2710633, RU 2677108, RU 2676579, 2674713), в которых предложены разные способы и устройства для регулирования температур теплоносителя и горячей воды, а также способ управления заполнением системы отопления и слива теплоносителя из системы (RU 2372560, RU 2313731). Известны способы определения потерь тепла у потребителя путем воздействия на помещения ступенчатыми изменениями мощности обогрева (RU 2655640) и способ регулирования подачи тепла по расчетным графикам (2642038). Недостатками этих изобретений является подробное обоснование решения отдельных задач управления известными способами управления температурным режимом отопления по расчетным графикам, не обеспечивающим достаточную точность задания теплового режима помещений.
В книге. М. Махов «Отопление», Москва, 2014. - учебнике вузов изложены теоретические основы и рекомендации по организации отопления помещений. Имеется спорное утверждения; «при однотрубной системе «вода протекает последовательно через все приборы» (отопления).
Наиболее близкими к заявляемой являются системы теплоснабжения и горячего водоснабжения, описанные в нормативном документе Министерства строительства Российской Федерации СП41-101-96 «Проектирование тепловых пунктов».
Описанные в этом документы системы имеют существенные недостатки.
1. Рекомендовано присоединять системы отопления зданий непосредственно к тепловым сетям с температурой теплоносителя до 150°С, что приведет к перегреву подвального этажа и стен здания.
2. При необходимости снизить температуру теплоносителя, направляемого в здание, рекомендовано использовать элеватор и регулятор давления на входе в тепловой пункт, регулировать перепад температур в подающем и возвратном трубопроводах.
Отдача тепла зданию может быть определена по разности температур. Но количество тепловой энергии, необходимой для отопления здания, определяется не разностью температур а температурой батарей и зависит от температуры окружающей среды. При наличии управления сечением элеватора стабилизация давление на входе в тепловой пункт является излишней.
3. Имеется схема управления температурой теплоносителя с учетом температуры наружного воздуха с помощью регулятора давления, регулирующего клапана на подающем трубопроводе и регулятора перепада давлений с помощью насоса на трубопроводе возврата, используемого для подмешивания остывшего теплоносителя. Такая схема излишне сложна и регуляторы создают помехи друг другу. Расчетный температурной график не обеспечивает получение заданной температуры воздуха в здании.
4. В узле подогрева воды для горячего теплоснабжения холодная вода смешивается с водой возврата и поступает в теплообменник, из которого подается в здания. Насосы установлены на подкачке возврата и для подачи воды в здания. Это снижает эффективность теплообмена и приводит к ошибкам при измерении расхода тепла. Применение двух насосов не оправдано.
Системы погодного регулирования ООО «Интелприбор» предусматривает работу с элеватором и рассчитана на выполнения температурного графика МОЭК для температур в подающем и возвратном трубопроводах узла обогрева, что не гарантирует заданный тепловой режим конкретного здания и требует сложных подгоночных операций.
Имеется ряд патентов на изобретения (RU 2729177 (выд. 16.06.2006); RU 2310820 (16.06.2006); RU 2300086, RU 2300087, RU 2300088 (23.03.2006); и другие, а также известны приборы учета тепла ООО «Интелпробор», имеющие два расходомера, два измерителя температуры и два измерителя давления теплоносителя. В них вычисляются весовые расходы теплоносителя в трубопроводах подачи и возврата с учетом зависимости плотности от давления и температуры. По разности расходов определяется утечка теплоносителя. Вычисляют расход тепла на отопление и горячее водоснабжение по разности потоков тепла в подающем и обратном трубопроводах с учетом зависимости теплосодержания от давления и температуры. При этом в патенте RU 2300086 ссылаются на ГСССД 188-99, где дана зависимость энтальпии воды в диапазоне температур 0-1000°С и давлений 0ю001-1000 Мпа. Однако плотность воды в диапазоне от 1 до 25 бар изменяется на 0.2%, что пренебрежимо мало. Плотность воды в диапазоне температур 0.-100°С изменяется на 3%, объемная теплоемкость волы на 2.5%, а в диапазоне температур 30-80°С - 2%,. Можно принять среднее значение объемной теплоемкости воды при вычислении расхода тепла. Отклонение от среднего значения в этом диапазоне температур не превысит 1%, что находится в пределах допустимой дополнительной погрешностей для приборов класса 3 и 5. Поэтому проще всего не вычислять весовой расход теплоносителя с учетом его температуры и учитывать тепловую зависимость весовой теплоемкости воды, а просто учитывать среднее значение объемной теплоемкости воды в нужном температурном интервале теплоносителя
Весовой расход теплоносителя тоже не нужен: достаточно знать объемный расход, измеряемый всеми расходомерами.
Значительно важнее для повышения точности контроля расхода тепла измерять не две температуры, а их разность, погрешность которой вдвое меньше погрешности вычисленной разности двух измерений температуры.
Дальнейшее снижение погрешности будет достигнуто, если использовать счетчик тепла с типоразмером входящего в него расходомера, соответствующим диапазону изменений расхода на контролируемом объекте и в конструкции счетчика тепла будет предусмотрена возможность задания значения теплоемкости в рабочем диапазоне температур и выбора диапазона измерений разности температур. Например, в контур обогрева здания нужно подавать теплоноситель с температурами от 30 до 80 градусов и разность температур добавляемого теплоносителя и теплоносителя в контуре обогрева будет от 3 до 30 градусов.
Как правильно отмечают изобретатели, погрешность контроля расходов во много раз превышает возможную утечку теплоносителя и по разности расходов утечку определить невозможно. Тем не менее они предлагают метод калибровки расходомеров, чтобы определять утечку.
Утечка теплоносителя может произойти из-за неисправности сальников. Ее наличие проще всего определить осмотром оборудования.
Применение двух расходомеров для учета расхода тепла на горячее водоснабжение приводит к грубым ошибкам. Из произведения расхода теплоносителя в трубопроводе подачи на разность теплосодержаний горячей и холодной воды вычитают произведение расхода теплоносителя в трубопроводе возврата на разность теплосодержания перед теплообменником и теплосодержания холодной воды. При этом датчик температуры холодной воды отсутствует и принимаю ее значение 5°С. И это не главная ошибка. Расход возврата воды измеряют до смешения с холодной водой, а температуру возврата - после смешения, потому она ниже температуры в трубопроводе подачи. Для вычисления расхода тепла на подготовку горячей воды расход воды в трубопроводе подачи нужно умножить на теплоемкость воды и разность температур до и после теплообменника. А еще проще нагревать только холодную воду, умножить ее расход на теплоемкость и на разность температур до и после теплообменника.
Точно также расход тепла на отопление при открытом способе можно определить по расходу подмешиваемого теплоносителя и разности температур вводимого теплоносителя и теплоносителя в контуре отопления здания.
С такой задачей справляются более простые и дешевые домовые и квартирные счетчики тепла. По ним, как и по счетчикам волы проще начислять ежемесячные платежи.
В качестве прототипа изобретения принята определенная СП41-101-96 «Проектирование тепловых пунктов», система центрального отопления и горячего водоснабжения.
Целью изобретения является поддержание комфортных температур в помещениях зданий, подготовка горячей воды с заданной температурой и экономный расход тепла.
Для достижения этой цели в системе центрального отопления и горячего водоснабжения, управления режимом работы и контроля расхода тепла, состоящей из тепловой станции, нескольких тепловых пунктов и отапливаемых зданий, по крайней мере одного центрального узла подготовки горячей воды и одного узла подготовки теплоносителя для отопления с приборами автоматического управления и контроля на каждом тепловом пункте и по крайней мере одного контура отопления каждого здания,
- в теплообменнике узла подготовки горячей воды подогревается только вода из трубопровода холодной воды;
- выходной патрубок теплообменника вместе с трубопроводом возврата горячей воды подключен к входу циркуляционного насоса;
- на трубопроводе холодной воды на входе в теплообменник установлены расходомер и датчик температуры;
- на трубопроводе после теплообменника и на трубопроводе после насоса установлены датчики температуры;
- температура горячей воды после теплообменника регулируется изменением расхода теплоносителя, протекающего противотоком воде;
- заданное значение температуры определяется по разности нормативного значения и температуры после циркуляционного насоса;
- центральный узел отопления состоит из установленного на трубопроводе подачи жидкостного элеватора, подкачивающего насоса, коллектора раздачи теплоносителя контурам отопления зданий, автоматического регулятора температуры теплоносителя, расходомера на выходе подкачивающего насоса, счетчика тепла и частотного регулятора скорости привода насоса;
- элеватор снабжен электроприводом для изменения расхода горячего теплоносителя;
- трубопровод возврата теплоносителя подключен к элеватору;
- перед насосом установлен обратный клапан для предотвращения утечки теплоносителя при остановке подкачивающего насоса;
- автоматический регулятор температуры теплоносителя имеет датчик температуры окружающей среды и датчик температуры теплоносителя, обеспечивает задание повышенной температуры теплоносителя в линейной зависимости от снижения температуры окружающей среды;
- частотный регулятор скорости используется для стабилизации давления теплоносителя после подкачивающего насоса в рабочем режиме и управления расходом теплоносителя при заполнении контуров обогрева зданий;
- в каждом здании установлен по меньшей мере один контур отопления, состоящий из элеватора с ручным управлением сечением сопла, циркуляционного насоса, горизонтальных трубопроводов в подвале здания и на техническом этаже, стояков для раздачи теплоносителя по помещениям разных этажей, батарей отопления, устройств для выпуска воздуха из контуров обогрева и регулятора давления в нижней части контуров для предотвращения образования разрежения в контурах;
- с помощью элеватора настраивается расход теплоносителя из центрального узла отопления для получения заданной температуры теплоносителя в контуре обогрева здания при любой температуре наружного воздуха;
- трубопроводы возврата теплоносителя каждого здания соединены с трубопроводом возврата теплоносителя на тепловом пункте, куда поступает избыток теплоносителя после регуляторов давления;
- для учета расхода тепла используют счетчик тепла, измеряющий расход подпитки теплоносителем, поступающим из центрального узла отопления, и разность температур этого теплоносителя и теплоносителя в контуре отопления здания.
Техническим результатом, обусловленным данной совокупностью признаков, является наиболее эффективное использование площади теплопередачи теплообменника и температурного потенциала теплоносителя при подготовке горячей воды, обеспечение оптимальной температуры помещений при любых погодных условиях и поэтому оптимальный расход тепла на отопления зданий.
Для пояснения сущности изобретения и причин достижения технического результата используются графики температурных режимов на рис. 1 и технологическая схема системы центрального теплоснабжения и горячего водоснабжения, представленная на рис. 2.
Так как теплопроводность металла высока и коэффициент теплоотдачи от водяного теплоносителя к металлу батарей велик, а теплоотдача к воздуху помещений при его свободной конвекции очень мала, то температура поверхности труб и верхней части батарей практически совпадает с температурой теплоносителя в контуре отопления здания. Теплоноситель, заполняющий батареи, охлаждается, отдавая тепло воздуху помещения. Более плотный охлажденный теплоноситель опускается в низ батарей и затем с очень малым расходом вытесняется в стояк контура обогрева здания. Под действием циркуляционного насоса расход теплоносителя в стояках велик, что обеспечивает практически не значимый перепад температур по высоте стояка и равный обогрев помещений на всех этажах. Подпитка горячим теплоносителем обеспечивает постоянство температуры теплоносителя во времени.
Потери тепла здания, обусловленные теплопередачей через стены, окна и двери и подсом холодного уличного воздуха через окна и двери, пропорциональны разности температур наружного воздуха Т и температуры помещения р. Теплоотдача от батарей отопления пропорциональна разности температуры батарей (и теплоносителя в них) t и температуры воздуха помещения р. При установившейся температуре воздуха, перегородок здания и внутренних поверхностей стен помещения отношение этих разностей является константой К=(p-t)/(T-p).
Эту константу можно просто вычислить по результатам измерения температур через достаточно большой промежуток времени после начала отопительного сезона. Задержка отопительного сезона нарушает права потребителей на комфортную температуру и приводит к необходимости подачи теплоносителя с повышенными температурами для компенсации затрат тепла на прогрев здания.
На рис. 1 приведены различные графики зависимости температуры теплоносителя от температуры окружающей среды. Два верхние сплошные линии отражают график, рекомендованный ПАО МОЭК для тепловых пунктов. Линия «П» соответствует температуре теплоносителя в трубопроводе подачи. Линия «В» соответствует температурам в трубопроводе возврата. Эти графики принимаются за основу при настройке погодных регуляторов температур помещений. Разница температур между линиями графиков составляет от 3 до 20 градусов и характеризует рекомендованное использование потенциала теплоносителя.
Самая нижняя сплошная линия «К=0.7» отражает температуру батарей, необходимую для получения температуры воздуха 20°С в помещениях дома с улучшенной теплоизоляцией. Пунктирные графики отражают температуры теплоносителя, необходимые для достижения температуры воздуха 20°С в помещениях, характеризуемых коэффициентом К со значениями соответственно 0,8, 1 и 1,2. График «1,2» совпадает с линией «П» при температуре - 40°С и ниже на 4.5°С при температуре 10 С, так как не учитывает затраты на прогрев здания, остывшего к началу сезона отопления. График «В» соответствует температурам теплоносителя, обеспечивающим температуру 26°С в помещении с К=0,8. То есть по той же причине рассчитан на подачу излишнего количества тепла для обогрева здания.
Наибольшая разница температур теплоносителя в трубопроводах подачи и возврата по графикам МОЭК составляет 20 градусов. Если из теплового пункта в здания подавать теплоноситель по графику К=1,2, то для зданий с К=0,7 и К=0,8 разрыв температур будет больше 20°С и значит их обогрев будет обеспечен при при меньшем расходе теплоносителя, чем по графикам МОЭК.
Уменьшить коэффициент К для какого-либо помещения можно не только с помощью улучшенной теплоизоляции или герметизацией дверей и окон (но при этом будет поступать меньше кислорода в помещение), но и увеличением площади батарей отопления. Одинаковое значение коэффициента К для всех помещений одного здания будет обеспечено, если площадь батареи отопления каждого помещения будет пропорциональна площади наружных стен этого помещения, в том числе для комнат в углах здания.
При какой-либо температуре наружного воздуха (для большей точности при низкой) подбирают расход горячего теплоносителя, обеспечивающий заданную температуру батарей и воздуха помещения. Тогда при любой другой температуре наружного воздуха температура помещений не изменится, так как температура горячего теплоносителя изменяется пропорционально снижению температуры наружного воздуха и при постоянном расходе теплоносителя приток тепла увеличится пропорционально снижению температуры наружного воздуха. Так будут обеспечены комфортные условия отопления в любых погодных условиях.
Устройство системы отопления и горячего теплоснабжения на тепловом пункте, предлагаемое в данном изобретении, поясняется схемой на рис. 2.
На тепловой пункт подается горячий теплоноситель по трубопроводу подачи 1; охлажденный теплоноситель возвращается по трубопроводу возврата 2. Холодная вода поступает по водопроводу 3. Расходомеры 4 контролируют расход теплоносителя и воды. Температура воды и теплоносителя на всех участках контролируется с помощью термометров сопротивления 6. Теплосчетчик 5 контролирует расход тепла, поступающего на тепловой пункт. Теплосчетчик 7 контролирует расход тепла на горячее водоснабжение. Теплосчетчик 8 контролирует расход тепла на отопление всех зданий, обслуживаемых тепловым пунктом. В контуре отопления каждого здания может быть установлен свой счетчик.
При подогреве воды для горячего водоснабжения используется теплообменник 9 с противотоком воды и теплоносителя, что обеспечивает полное использование потенциала теплоносителя, охлаждающегося до температуры, близкой к температуре холодной воды. Нагретая вода вместе с горячей водой из трубопровода возврата поступает на вход насоса 10, подается в здания, и возвращается по трубопроводам 11. Подогрев воды в теплообменнике 9 управляется многоканальным регулятором 12, использующим датчики температуры 6 на выходе теплообменника и на выходе из насоса. 10. В результате при потреблении горячей воды поддерживается заданная температура, а при отсутствии расхода циркуляционный насос может быть остановлен по сигналу от счетчика тепла 7, При прекращении расхода горячей воды нет расхода воды через теплообменник. Температура воды в трубопроводе после насоса уменьшается, что фиксируется датчиком температуры после насоса и приводит к увеличению задания регулятору и повышению температура воды в теплообменнике. При возобновлении расхода воды насос включается, вода из теплообменника поступает в сеть и компенсирует понижение температуры в сети.
В центральном узле отопления используется жидкостной элеватор (инжектор) 13 с электроприводом регулировочной иглы и частотный регулятор 14 скорости насоса 15 для управления расходом теплоносителя при заполнении системы и давлением теплоносителя в рабочем режиме. Многоканальный регулятор температуры 12, используя датчик температуры теплоносителя 6 и датчик температуры наружного воздуха 17, управляет температурой теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха.
Через коллектор 16 и трубопроводы 18 теплоноситель с заданной температурой и со стабилизированным давлением поступает в контуры отопления зданий
В каждом контуре отопления здания помимо батарей отопления, стояков и горизонтальных трубопроводов в подвале и на техническом этаже имеется циркуляционный насос 19 и элеватор 20 с ручным управлением для настройки подпитки контура обогрева здания теплоносителем с заданной температурой из центрального узла отопления.
Избыток теплоносителя по трубопроводу 21 с регулятором давления прямого действия 22 поступает в трубопровод 2 возврата теплоносителя. Трубопровод 2 также имеет регулятор давления 23, обеспечивающий давление в нем, достаточное для обеспечения подсоса возвращаемого теплоносителя элеватором 13. Так как давление на входе в элеватор 20 стабилизировано с помощью частотного управления насосом центрального узла отопления и в контуре циркуляции здания регулятором 22, то при фиксированном положении иглы элеватора 20 приток теплоносителя имеет постоянный расход. При изменении температуры окружающей среды изменяется температура подпитки и температура в конторе отопления здания, что обеспечивает постоянство заданной температуры воздуха помещения.
Так обеспечиваются комфортная температура воздуха в здании и предотвращается перерасход тепла.
Для решения всех задач в любое время года в тепловой пункт можно направлять теплоноситель с температурой до 95°С, а не перегретую воду. Такой температуры будет достаточно для горячего водоснабжения и отопления зданий при любой температуре окружающей среды. Только при -40°С в здания будет поступать теплоноситель с температурой 92°С и возвращаться с температурой 50…60°С. При нулевой температуре окружающей среды это будет соответственно 40°С и 30…40°С, а в начале отопительного сезона около 30°С.
Заполнение трубопроводов начинают с задания рабочих давлений на регуляторах 22 и 23. Подают теплоноситель в теплообменник 7 и удаляют воздух их системы подготовки горячей воды. После повышения давления до уровня, предусмотренного для трубопровода возврата, определяют расход теплоносителя на подогрев воды и полученное значение используют для задания расхода регулятору привода насоса 15. Включают регулятор температуры теплоносителя 12. При достижении заданного давления регулятор 14 ограничивает его рост, переходит к управлению давлением, воздействуя на скорость двигателя насоса.
В контурах отопления зданий выпускают воздух. Система начинает действовать в рабочем режиме.