УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В ПОМЕЩЕНИИ
ROOM AIR TEMPERATURE CONTROL DEVICE

Изобретение относится к области автоматического регулирования и управления, в частности к устройствам для регулирования температуры воздуха в помещениях, отапливаемых от систем открытого теплоснабжения.
Известно устройство для регулирования температуры воздуха в помещении (см. а.с. СССР №1193378, МКл, F24D/00, 1985, бюл. №43), отапливаемом от системы открытого теплоснабжения, содержащее контур общей и повторной циркуляции с прямой и обратной магистралями, каждый из которых снабжен циркуляционным насосом с приводом и регулятором скорости вращения, связанными соответственно у насоса контура повторной циркуляции с выходом регулятора давления, а у насоса контура общей циркуляции с выходом регулятора температуры воздуха.
Недостатком являются непроизводительные расходы энергии при снижении температуры воздуха в помещении на перемещение значительного количества энергоемкого горячего теплоносителя в контуре общей циркуляции для восстановления заданной температуры воздуха в отапливаемом помещении.
Известно устройство для регулирования температуры воздуха в помещении (см. патент РФ №2.263.848. МПК F24D 3/02, опубл. 10.11.2005, бюл. №31), отапливаемом от системы открытого теплоснабжения, содержащее контуры общей и повторной циркуляции с прямой и обратной магистралями, каждый из которых снабжен циркуляционным насосом с приводом и регулятором скорости вращения, связанными соответственно у насоса контура повторной циркуляции с выходом регулятора давления, а у насоса общей циркуляции с выходом регулятора температуры воздуха, который дополнительно содержит датчик температуры на обратной магистрали на выходе из системы отопления, при этом на выходе циркуляционного насоса прямой магистрали контура общей циркуляции расположен счетчик тепла, а на выходе циркуляционного насоса контура повторной циркуляции размещен счетчик расхода теплоносителя.
Недостатком является перерасход теплоносителя, особенно для жилых отапливаемых помещений при наличии комнат с различной нормированной в соответствии со СНиП температурой внутреннего воздуха (от 15°С на кухне до 22°С в угловой комнате) при резком повышении температуры наружного воздуха, например в суточном периоде отопления, когда осуществляется интенсивная передача тепла солнечной радиацией, т.е. наблюдается перегрев отапливаемого помещения, т.к. система автоматизации не обеспечивает снижение подачи энергоемкого теплоносителя в контуре общей циркуляции.
Это обусловлено отсутствием контроля за соотношением между температурой наружного воздуха и температурой внутри помещения для последующего регулирования подачи теплоносителя, а также значительной инерционностью механического регулятора скорости приводов циркуляционных насосов и электрической аппаратуры регулятора температуры и регулятора давления.
Кроме того, последующее температурное изменение в рециркуляционных контурах комнат приводит к нарушению гидравлического режима, т.е. разрегулированию расхода теплоносителя.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение энергоемкости теплоснабжения при поддержании заданной температуры в различных по комфортности комнатах отапливаемого помещения для условий изменяющейся температуры наружного воздуха в течение суток и в более продолжительные промежутки времени, как путем соединения регулятора температуры воздуха с датчиком температуры, выполненного в виде дифференциальной термопары, чувствительные элементы которой расположены соответственно внутри и снаружи помещения, отапливаемого от системы центрального теплоснабжения, так и соединения регулятора давления с датчиками давления рециркуляционных контуров, различных по температурному режиму комнат отапливаемого помещения, причем каждый из датчиков давления установлен на обратной магистрали, и выполнения регулятора скорости в виде блока порошковых электромагнитных муфт, а также выполнения регулятора температуры и регулятора перепада давления как системы электронных блоков.
Технический результат по снижению энергоемкости теплоснабжения в системе поддержания температуры в помещении, состоящем из комнат с различной комфортностью, при изменяющейся температуре наружного воздуха достигается тем, что устройство для регулирования температуры в помещении, отапливаемом от системы открытого теплоснабжения, содержащее контуры общей и повторной циркуляции с прямой и обратной магистралями, каждый из которых снабжен циркуляционным насосом с приводом и регулятором скорости вращения, связанными соответственно у насоса контура повторной циркуляции с выходом регулятора давления, а у насоса общей циркуляции с выходом регулятора температуры воздуха, который дополнительно содержит датчик температуры на обратной магистрали на выходе из системы отопления, при этом на выходе циркуляционного насоса прямой магистрали контура общей циркуляции расположен счетчик тепла, а на выходе циркуляционного насоса контура повторной циркуляции размещен счетчик расхода теплоносителя, причем регулятор температуры воздуха соединен с датчиком температуры в виде дифференциальной термопары, чувствительные элементы которой расположены соответственно внутри и снаружи помещения, отапливаемого от системы открытого теплоснабжения, а регулятор давления соединен с датчиком давления циркуляционных контуров различных по температурным режимам комнат отапливаемого помещения, причем каждый из датчиков давления установлен на обратной магистрали системы отопления, кроме того, регуляторы скорости вращения выполнены каждый в виде блока порошковых электромагнитных муфт, регулятор температуры и регулятор давления содержат соответственно блок сравнения и блок задания, при этом блок сравнения соединен с выходом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, причем выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, который на выходе подключен к регулятору скорости в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого устройства для регулирования температуры воздуха в помещении.
Устройство содержит систему 1 отопления помещения 2, соединенную прямой и обратной магистралями 3 и 4 с источником 5 горячего теплоносителя, образуя контур общей циркуляции, снабженный циркуляционным насосом 6. Контур местной циркуляции образован системой 1 отопления помещения 2 и трубопроводом 7 повторной циркуляции, соединяющим магистрали 3 и 4 вблизи места подключения их к системе 1 отопления.
Контур повторной циркуляции снабжен циркуляционным насосом 8, установленным на трубопроводе 7 повторной циркуляции. Приводы 9 и 10 циркуляционных насосов 6 и 8 снабжены регуляторами 11 и 12 скорости вращения. Датчик температуры 13 в виде дифференциальной термопары, чувствительные элементы которой расположены соответственно внутри и снаружи помещения 2, отапливаемого от системы открытого теплоснабжения, соединен с регулятором 14 температуры воздуха, а датчик 15 температуры обратного теплоносителя соединен с регулятором 14 температуры воздуха, при этом датчики 16 и 17 давления подключены к регулятору 18 давления и установлены на стояках 21 и 22 обратной магистрали 4 в циркуляционных контурах 19 и 20 с теплообменниками комнат I и II.
На выходе циркуляционного насоса 6 прямой магистрали 3 контура общей циркуляции размещен счетчик 23 тепла, а на выходе циркуляционного насоса 8 контура повторной циркуляции размещен счетчик 24 расхода теплоносителя.
Регулятор 14 температуры содержит блок сравнения 25 и блок задания 26, при этом блок сравнения 25 соединен со входом электронного усилителя 27, оборудованного блоком 28 нелинейной обратной связи, причем выход электронного усилителя 27 соединен со входом магнитного усилителя 29 с выпрямителем на выходе, подключенным к регулятору скорости вращения 11 в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
Регулятор 18 давления содержит блок сравнения 30 и блок задания 31, при этом блок сравнения 30 соединен с выходом электронного усилителя 32, оборудованного блоком 33 нелинейной обратной связи, причем выход электронного усилителя 32 соединен со входом магнитного усилителя 34 с выпрямителем на выходе, подключенным к регулятору скорости вращения 12 в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
Устройство для регулирования температуры воздуха в помещении работает следующим образом.
В зависимости от температуры наружного воздуха в отапливаемом помещении, например в жилом, состоящем из типовых комнат (кухня, рядовая и угловая комнаты, лестничная клетка), поддерживается нормированный по СНиП комфортный температурный режим с оптимальным расходом высокостоимостного горячего теплоносителя по соответствующему циркуляционному контуру с расчетным гидравлическим давлением, фиксируемым датчиками давления 16 и 17 (например, для комнаты I - кухни с минимальным нормированным значением температуры внутреннего воздуха - датчиком 16 и для комнаты II - угловой с максимальным нормированным значением температуры внутреннего воздуха - датчиком 17) и контролируемым регулятором давления 18.
В соответствии со СНиП («Строительная климатология». М.: Стройиздат, 2002) для различных климатических зон регламентируется определенная разность температур между средней температурой наружного воздуха на весь отопительный период и температурой внутреннего воздуха в помещении, состоящем из разных комнат, имеющих нормированные по комфортности температуры.
Например, для г.Курска принимается средняя температура снаружи помещения для отопительного периода минус 8,6°С. Тогда при наличии температуры наружного воздуха, например, минус 20°С и для температуры плюс 20°С угловой комнаты в соответствии со СНиП «Строительная климатология» имеем возрастание разности температур Δt=20-(-10)=30°С по сравнению с регламентированной Δt=20-(-8,6)=28,6°C).
В этом случае величина электрического сигнала от выполненного в виде дифференциальной датчика температуры 13, поступающего в регулятор 14, становится меньше, чем величина сигнала от блока задания 26 и на выходе блока сравнения 25 появляется сигнал положительной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 27 одновременно с сигналом отрицательной нелинейной обратной связи блока 28. За счет этого в электронном усилителе компенсируется нелинейность характеристики привода 9 циркуляционного насоса 6.
Сигнал с выхода электронного усилителя 27 поступает на вход магнитного усилителя 29, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 11 в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
Положительная полярность сигнала электронного усилителя 27 вызывает увеличение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 29. В редукторе увеличивается момент от привода 9 циркуляционного насоса 6, увеличивая подачу высокостоимостного горячего теплоносителя.
Увеличение расхода высокостоимостного горячего теплоносителя через счетчик тепла 23 приводит к повышению температуры потока в обратной магистрали 4 контура повторной циркуляции в силу наличия переходных процессов в устройстве, что регистрируется датчиком температуры 15 обратного теплоносителя. Сигнал от датчика температуры 15 обратного теплоносителя становится большим, чем сигнал блока задания 26, и на выходе блока сравнения 25 появляется сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 27 одновременно с сигналом отрицательной нелинейной обратной связи блока 28. За счет этого в электронном усилителе 27 компенсируется нелинейность характеристики привода 9 циркуляционного насоса 6.
Сигнал с выхода электронного усилителя 27 поступает на вход магнитного усилителя 29, где усиливается, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 11 в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 27 вызывает уменьшение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 29. В результате уменьшается момент от привода 9 циркуляционного насоса 6, тем самым уменьшается подача высокостоимостного горячего теплоносителя.
При возвращении в оптимальный режим путем уменьшения расхода высокостоимостного горячего теплоносителя через циркуляционный насос 6 наблюдается колебание давления в прямой магистрали 3 контура общей циркуляции, и соответственно уменьшается перепад давления в системе 1 отопления.
При этом в циркуляционном контуре 19 с теплообменниками системы отопления уменьшение давления фиксируется датчиком давления 16, а в циркуляционном контуре 20 с теплообменниками системы отопления уменьшение давления фиксируется датчиком давления 17, и сигналы, поступающие в регулятор давления 18, становятся меньшими, чем сигналы с блока задания 31. Поэтому на выходе блока равнения 30 появляется сигнал положительной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 32 одновременно с сигналом нелинейной обратной связи блока 33. За счет этого в электронном усилителе 32 компенсируется нелинейность характеристики привода 10 циркуляционного насоса 8.
Сигнал с выхода электронного усилителя 32 поступает на вход магнитного усилителя 34, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 12 в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
Положительная полярность сигнала электронного усилителя 32 вызывает увеличение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 34. В результате увеличивается момент от привода 10 циркуляционного насоса 8, увеличивая подачу теплоносителя обратной магистрали 4 по трубопроводу 7, тем самым достигается увеличение подачи циркуляционного насоса 8 контура повторной циркуляции до тех пор, пока давление в системе 1 отопления не станет равным заданному.
Увеличение количества обратного теплоносителя, с недоиспользованным энергетическим потенциалом, перемещающегося через счетчик 24 расхода теплоносителя, приводит к увеличению давления в прямой магистрали 3, так как для повышения и дальнейшего поддержания заданной температуры воздуха в помещении 2 требуется большее суммарное количество поступающего к нему теплоносителя из-за снижения расхода высокостоимостного горячего теплоносителя от источника 5.
Следовательно, поддержание заданной температуры воздуха в помещении 2 системой 1 отопления посредством регулятора 14 температуры воздуха и регулятора давления 18, имеющих электронную базовую основу в виде блоков, осуществляется в автоматизированном режиме контроля температуры и давления с работой циркуляционных насосов 6 и 8 при поддержании оптимальной подачи высокостоимостного горячего теплоносителя от источника 5, регистрируемого счетчиком 23 тепла, и расхода обратного теплоносителя, с недоиспользованным энергетическим потенциалом, через счетчик 24 расхода теплоносителя.
При этом необходимым условием оптимизации перемещения теплоносителя в контуре общей циркуляции и контуре повторной циркуляции является соотношение расхода тепла, регистрируемого счетчиком 18, и затрат энергии на привод соответствующих насосов.
В солнечный день наблюдается интенсивная передача тепла солнечной радиацией, что приводит к уменьшению разности температур между температурой снаружи помещения 2, отапливаемого от системы открытого теплоснабжения, и внутри его (например, минус 2°С, тогда разность Δt=20-(-2)=22°С). Сигнал от датчика температуры 13, поступающий в регулятор 14 температуры, становится большим, чем сигнал от блока задания 26, и на выходе блока сравнения 25 появляется сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 27 одновременно с сигналом отрицательной нелинейной обратной связи блока 29.
Сигнал с выхода электронного усилителя 27 поступает на вход магнитного усилителя 29, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 11 в виде блока порошковых электромагнитных муфт. Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 27 вызывает уменьшение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 29. В редукторе уменьшается момент от привода 9 циркуляционного насоса 6, уменьшая подачу высокостоимостного горячего теплоносителя.
Уменьшение расхода высокостоимостного горячего теплоносителя через счетчик тепла 23 приводит к понижению температуры потока в обратной магистрали и контура повторной циркуляции, в силу наличия переходных процессов в устройстве, что также регистрируется датчиком температуры 15 обратного теплоносителя. При уменьшении расхода высокостоимостного горячего теплоносителя через циркуляционный насос 6 наблюдается возрастание давления в систему 1 отопления помещения 2 за счет увеличения подачи циркуляционным насосом 8.
Тогда в циркуляционных контурах 19 и 20 комнат I и II датчиками давления 16 и 17 фиксируется это возрастание давления, и сигналы, поступающие в регулятор давления 18, становятся большими, чем сигнал блока задания 26 регулятора 18 давления, и на выходе блока сравнения 30 появляется сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 32 одновременно с сигналом нелинейной обратной связи блока 33.
Сигнал с выхода электронного усилителя 32 поступает на вход магнитного усилителя 34. где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 12 в виде блока порошковых электромагнитных муфт. Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 32 вызывает уменьшение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 34.
В результате уменьшается момент от привода 10 циркуляционного насоса 8, уменьшая подачу теплоносителя обратной магистрали 4 по трубопроводу 7, тем самым достигается уменьшение подачи циркуляционного насоса 8 повторной циркуляции до тех пор, пока давление в системе 1 отопления не станет равным заданному, что фиксируется датчиками давления 16 и 17, и соответствует условиям поддержания заданной температуры как в комнатах I и II, так и в отапливаемом помещении 2 в целом.
Благодаря предложенной системе автоматизированного контроля температуры и давления достигается снижение затрат на транспортировку как высокостоимостного горячего теплоносителя, так и теплоносителя в контуре повторной циркуляции.
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что датчик температуры выполнен в виде дифференциальной термопары, регистрирующей разность значений температуры воздуха как внутри, так и с наружи помещения, а датчики давления расположены в циркуляционных контурах комнат помещения с разным температурным режимом комфортности и установлены на обратной магистрали системы отопления. При этом выполнение регуляторов температуры и давления в виде электронных блоков с магнитными усилителями позволяет автоматизировать процесс контроля и расхода высокостоимостного горячего теплоносителя, а выполнение регуляторов скорости вращения для циркуляционных насосов в виде блока порошковых электромагнитных муфт в конечном итоге обеспечивает не только экономичность, но и надежность теплоснабжения отапливаемого помещения даже в течение суточных колебаний температуры наружного воздуха, которое возникает за счет передачи тепла посредством солнечной радиации.