СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО НАСОСА С ПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТЬЮ, А ТАКЖЕ ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ НАСОС
METHOD FOR REGULATING THE CIRCULATION PUMP WITH VARIABLE SPEED, AS WELL AS THE CIRCULATION PUMP

Данное изобретение касается способа регулирования циркуляционного насоса с переменной скоростью в гидравлической системе, в системе отопления, а также циркуляционного насоса для осуществления этого способа.
Более старые циркуляционные насосы систем отопления, в частности, для систем отопления малой или средней мощности зачастую являются нерегулируемыми, т.е. их мощность должна вручную устанавливаться на соответствующее требуемое значение мощности системы отопления. Такой насос предоставляет для этого различные ступени мощности, выбираемые вручную. Если внутри системы отопления не происходит никакой ручной подгонки ступени мощности, то должна выбираться достаточно высокая ступень мощности, которая даже во время возникновения пиков мощности может обеспечивать достаточную производительность насоса. Поскольку эти пики мощности возникают кратковременно, то такой насос в основном работает в энергетически неблагоприятном режиме.
Из-за все большего ужесточения требований к энергоэффективности современные циркуляционные насосы снабжены вентильным преобразователем электроэнергии и регулятором скорости вращения, которые делают возможной установку числа оборотов на основании регулировочной характеристики. Для энергетически благоприятного режима желательно, чтобы используемая регулировочная характеристика лежала максимально близко к минимальной характеристике системы отопления. Эта характеристика системы изменяется вместе со степенью открытия терморегулирующего клапана отдельных отопительных приборов. Рабочая точка является точкой пересечения регулировочной характеристики насоса и текущей характеристики системы. Минимальная характеристика системы имеет место тогда, когда терморегулирующие клапаны на отдельных отопительных приборах полностью открыты. Регулировочная характеристика, лежащая ниже минимальной характеристики системы, привела бы к недостаточному снабжению системы, так как насос больше не мог бы обеспечивать необходимую производительность насоса. Еще одна трудность заключается в том, что точная минимальная характеристика системы зачастую не известна и может быть лишь грубо оценена. На практике в таком случае опираются на пропорциональную или параболическую регулировочную характеристику, которая лежит на достаточном расстоянии над минимальной характеристикой системы, чтобы всегда иметь достаточный запас мощности. Это расстояние между характеристикой системы и регулировочной характеристикой, однако, является показателем избыточной мощности насоса и, тем самым, показателем имеющегося потенциала энергосбережения насосов такого типа, так как на эту величину забираемая насосом мощность превышает собственное энергопотребление системы отопления.
Из уровня техники известны различные комплексы решений для оптимизации регулировочной характеристики с целью энергосбережения. При этом с помощью специального алгоритма обучения непосредственно после приема в эксплуатацию насоса должна осуществляться автоматическая подгонка регулировочной характеристики к имеющейся характеристике системы отопления. Наряду с гидравлическими свойствами системы учитывается также характеристика нагрузки индивидуального пользователя системы. Эти факторы наблюдаются во время длительного этапа обучения. Вслед за этим с учетом полученных сведений вырабатывается согласованная регулировочная характеристика, которая затем используется как фиксированная регулировочная характеристика для обычного отопительного режима, соответственно, режима рециркуляции.
Известный ранее способ, хотя и обеспечивает удовлетворительное энергосбережение при работе насоса, требует, однако, сравнительно сложного алгоритма программного обеспечения, включая соответствующее аппаратное обеспечение. Еще один недостаток заключается в том, что и при этом способе тоже нельзя исключать кратковременного недостаточного снабжения гидравлической системы, так как при возможной неверной интерпретации свойств гидравлической системы, соответственно, сигналов внутри гидравлической системы некорректная регулировочная характеристика может привести к недостаточному снабжению.
Идея данного изобретения состоит в том, чтобы предложить альтернативный способ, который обеспечивает энергосберегающий режим работы циркуляционного насоса, осуществляется значительно проще решений, известных из уровня техники, и к тому же может максимально надежно исключить временное недостаточное снабжение.
Эта задача решается посредством способа с признаками независимого пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления способа являются предметом подключенных к этому главному пункту зависимых пунктов формулы изобретения.
Согласно независимому пункту 1 формулы предлагается способ регулирования циркуляционного насоса с переменной скоростью в гидравлической системе. Указанная гидравлическая система представляет собой, например, нагревательный контур системы отопления. Указанный циркуляционный насос обычно представляет собой центробежный насос и служит при этом для рециркуляции воды системы отопления внутри нагревательного контура. В случае циркуляционного насоса речь может идти о циркуляционном насосе системы отопления для малых или средних систем отопления, которые используются предпочтительно в индивидуальных жилых домах или, соответственно, небольших многоквартирных домах. Однако, этот способ может применяться и для циркуляционных насосов систем отопления, которые встраиваются в больших сооружениях, таких как аэропорты, высотные здания, фабрики, офисные здания. Поскольку большие здания как правило имеют термически более инерционное поведение и, следовательно, там чаще возникает постоянная рабочая точка, то применение этого способа очень эффективно именно там.
Предлагаемый изобретением способ характеризуется следующими существенными этапами способа. При приеме в эксплуатацию насоса сначала выполняется регулировка циркуляционного насоса согласно запомненной статической регулировочной характеристике. Эта регулировочная характеристика может быть прямой, в идеале пропорциональной характеристикой, или альтернативно иметь параболический характер кривой. Возможны и отличные от них формы кривой.
Во время работы определяется производительность циркуляционного насоса, в частности, измеряется. Непосредственное измерение производительности насоса является предпочтительным, однако, возможно также и опосредованное измерение производительности насоса, причем она выводится из альтернативных измеряемых параметров насоса. На основании по меньшей мере одного измеренного параметра, т.е. производительности насоса должна определяться стационарная рабочая точка гидравлической системы. Соответствующая стационарная рабочая точка может характеризоваться тем, что через определенные промежутки времени не могут быть обнаружены никакие изменения, или могут быть установлены лишь незначительные изменения определяемого или определяемых физического параметра, в частности, производительности насоса. Согласно предлагаемому изобретением способу в таком случае режим насоса переключается на динамическую регулировочную характеристику. Используемая в этом состоянии регулировочная характеристика в обычном режиме насоса постоянно динамически корректируется, чтобы снизить энергопотребление циркуляционного насоса.
Особенно предпочтительно, если с динамической регулировочной характеристики переключаются обратно на запомненную статическую регулировочную характеристику, когда производительность насоса падает ниже заданного предельного значения или выходит из заданной граничной области. Это может произойти в том случае, если изменяется стационарная рабочая точка системы, будь то из-за характеристики потребителя или иного параметра воздействия, или же производительность насоса во время динамического режима слишком сильно упала и оказалась ниже характеристики системы, в частности, минимальной характеристики системы. Во время динамического режима мощность циркуляционного насоса, таким образом, постоянно снижается, в частности, при одновременном контроле результирующей производительности циркуляционного насоса. За счет немедленного обратного переключения на статическую регулировочную характеристику надежно предотвращается временное недостаточное снабжение системы.
Указанное предельное значение, соответственно, граничная область производительности насоса в идеале определяются производительностью насоса, которая имеет место в момент идентификации стационарной рабочей точки системы. Т.е. если производительность циркуляционного насоса через определенные промежутки времени остается постоянной, то не только выявляется стационарная рабочая точка, но и одновременно установленная производительность насоса учитывается как предельное значение и, соответственно, привлекается для определения граничной области для динамического режима циркуляционного насоса. Эта граничная область может быть определена, например, за счет того, что эта определенная производительность насоса принимается с допустимым отклонением вверх или, соответственно, вниз.
Динамическая регулировочная характеристика особенно предпочтительно базируется на динамическом снижении частоты вращения насоса, вследствие чего может быть снижена потребная мощность, соответственно, энергопотребление циркуляционного насоса. В частности, это может происходить вследствие непрерывного понижения частоты вращения насоса. Это понижение частоты вращения насоса в идеале происходит сравнительно медленно. Может также применяться ступенчатое или периодическое понижение частоты вращения насоса.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления данного способа обусловленное снижением числа оборотов изменение производительности насоса компенсируется путем открытия терморегулирующих клапанов отопительных приборов. Задача терморегулирующих клапанов заключается в том, чтобы поддерживать постоянной температуру в помещении, т.е. поддерживать установленную на клапане желаемую температуру. На снижение частоты вращения насоса отдельные терморегулирующие клапаны, следовательно, ответят открытием своего затвора, чтобы можно было поддерживать температуру несмотря на подающий расход насоса. Таким образом, путем снижения скорости вращения циркуляционного насоса можно принудить к открытию отдельные терморегулирующие клапаны, вследствие чего текущая характеристика системы приблизится к минимальной характеристике системы (при полностью открытых терморегулирующих клапанах). Это делает возможным значительно более энергосберегающий режим циркуляционного насоса системы отопления.
Динамика понижения частоты вращения насоса в идеале выбирается такой, что частота вращения снижается так медленно, что терморегулирующие клапаны открываются быстрее, и таким образом температура в помещении остается постоянной.
За счет в идеале почти синхронного открытия терморегулирующих клапанов для снижения частоты вращения, несмотря на снижение числа оборотов, может достигаться постоянная производительность насоса.
Однако, возможно также непосредственное управление отдельными клапанами, соответственно, по меньшей мере частью терморегулирующих клапанов, чтобы задать соответствующее открытое положение для достижения минимальной характеристики системы.
В случае переключения циркуляционного насоса на статическую регулировочную характеристику предпочтительно отказаться от изменения частоты вращения. Терморегулирующие клапаны в качестве реакции соответственно закроются. Например, частота вращения циркуляционного насоса определяется начальными установочными параметрами, которые при приеме в эксплуатацию были установлены с помощью статической регулировочной характеристики.
Возможен также возврат к промежуточному значению, т.е. частота вращения не возвращается на заданную посредством статической регулировочной характеристики частоту вращения, а находится на промежуточном значении, лежащем между частотой вращения статической регулировочной характеристики и частотой вращения, установленной в последний раз.
Стационарная рабочая точка гидравлических систем определяется, например, за счет того, что определенная, в частности, измеренная производительность насоса за определенный промежуток времени t лежит внутри заданной области ΔQ производительности насоса. Эта область ΔQ соответствует заданной граничной области, которая контролируется во время работы с динамической регулировочной характеристикой. Для того, чтобы устранить кратковременные отклонения сигнала Q о производительности насоса из-за ошибок измерений, этот сигнал фильтруется с помощью фильтра низких частот первого порядка.
Особенно целесообразно, если как промежуток времени t, так и область ΔQ, т.е. расстояние между границами области могут подстраиваться вручную и/или автоматически.
Помимо предлагаемого изобретением способа данное изобретение касается также циркуляционного насоса, в частности, циркуляционного насоса системы отопления с интегрированным управлением для осуществления предлагаемого изобретением способа, соответственно, предпочтительного варианта осуществления предлагаемого изобретением способа. Следовательно, для циркуляционного насоса достигаются те же преимущества и свойства, которые указывались выше в связи с предлагаемым изобретением способом. По этой причине заявитель здесь отказался от повтора описания.
Другие преимущества и свойства данного изобретения будут рассмотрены подробнее с привлечение двух прилагаемых чертежей. На чертежах представлено следующее.
Фиг. 1: диаграммы отдельных параметров насоса и, соответственно, системы во время осуществления предлагаемого изобретением способа,
Фиг. 2: диаграмма характеристики системы и регулировочной характеристики с динамическим понижением, и
Фиг. 3: диаграмма изменения во времени производительности насоса для разъяснения профиля нагрузки здания, приведенного в качестве примера.
Инновационная идея данного изобретения базируется на использовании динамической регулировочной характеристики вместо использования статической регулировочной характеристики, применяемой в обычных циркуляционных насосах. После включения циркуляционного насоса сначала используется статическая регулировочная характеристика, которая, например, может быть показанной на Фиг. 2 пропорциональной регулировочной характеристикой 21. Одновременно непрерывно контролируется производительность Q насоса. Если эта производительность Q насоса в течение определенного промежутка времени t1 остается внутри подлежащей определению границы ΔQ, то исходят из стационарной рабочей точки. В таком случае частота n вращения циркуляционного насоса понижается очень медленно, и благодаря этому повышается энергоэффективность насоса. Взаимосвязанное с понижением частоты n вращения понижение производительности Q насоса корректируется с помощью арматуры. Поскольку понижение частоты n вращения происходит очень медленно, потребитель не сможет заметить эту меру, и производительность Q насоса останется внутри определенной границы ΔQ. Если производительность Q насоса, однако, выходит за пределы области ΔQ, то снижение числа оборотов отменяется, и вместо этого используется статическая регулировочная характеристика. Это может иметь место, например, в том случае, если эта регулировочная характеристика опустилась ниже минимальной характеристики системы, соответственно, изменились параметры потребителя вследствие того, что он открыл окно или, соответственно, дверь в обогреваемом помещении, или же сработал один из клапанов отопления.
С помощью показанных на Фиг. 1 диаграмм изменения во времени различных параметров системы и насоса наглядно показан ход предлагаемого изобретением способа. В частности, на диаграмме а) показана измеренная производительность Q насоса в течение периода t, на диаграмме b) представлено текущее заданное значение частоты n вращения циркуляционного насоса за период t. На диаграмме с) показано предпринятое снижение числа оборотов циркуляционного насоса за время t, а на диаграмме d) показана выбранная позиция затвора клапана за время t.
Здесь следует оговорить, что представленные характеристики исходят из одной неизменной стационарной рабочей точки системы. После включения в момент t=0 система управления насосом регулирует производительность Q насоса до его заданного значения согласно используемой статической регулировочной характеристике. После достижения этого заданного значения производительность, как и частота вращения насоса, остаются постоянными. Это временное окно на изображении по Фиг. 1 обозначено как область I.
После достижения заданного значения производительности Q она непрерывно определяется и контролируется. Если измеренная производительность Q насоса остается постоянной в течение промежутка времени t1, то циркуляционный насос исходит из стационарной рабочей точки системы. Вследствие постоянной частоты n вращения, обусловленной статической регулировочной характеристикой, значение понижения на диаграмме с) в течение временного окна I близко к нулю. К тому же, терморегулирующий клапан отопительного прибора или клапаны отопительных приборов устанавливаются на степень открытия, которая ведет к достижению заданного значения производительности Q.
В момент 10 по истечении времени t1 идентифицируется стационарная рабочая точка. В этот момент управление циркуляционного насоса переключается на режим с динамической регулировочной характеристикой. Режим динамического регулирования имеет место во временном окне II, причем значение понижения медленно увеличивается, а заданное значение частоты n вращения циркуляционного насоса непрерывно снижается на ту же величину. Поскольку клапан или клапаны отопительных приборов устанавливаются на постоянную температуру, то понижение заданного значения частоты n вращения автоматически компенсируется за счет увеличения ширины открытия клапана. Следовательно, производительность Q насоса остается постоянной вплоть до момента времени 11. Хотя клапан или клапаны на практике реагируют на снижение частоты вращения с небольшим запаздыванием, этим запаздыванием можно пренебречь вследствие того, что период наблюдения очень длителен по сравнению с запаздыванием (частота вращения снижается очень медленно).
Как только клапан или клапаны будут полностью открыты (конец области II, момент времени 11), дальнейшее понижение частоты n вращения приведет к падению производительности Q насоса, т.е. измеренная производительность Q насоса выйдет из допустимой граничной области ΔQ. Система управления насосом, следовательно, переключается обратно на первоначальную статическую регулировочную характеристику, вследствие чего частота n вращения возвращается на свое начальное значение согласно статической регулировочной характеристике, а также и терморегулирующий клапан или клапаны в качестве реакции возвращаются к своему первоначальному открытому положению (область III). После кратковременного нарастания производительности Q насоса она снова отбрасывается назад, следовательно, на постоянное заданное значение согласно статической регулировочной характеристике, и способ повторяется с возобновлением контроля производительности насоса. Если она снова остается постоянной в течение минимального промежутка времени t1, соответственно, внутри граничной области ΔQ, то динамический режим повторяется с момента времени 12 с понижением, соответственно, уменьшением частоты вращения (область IV). В момент 13 система управления насосом в свою очередь переключается обратно на статическую регулировочную характеристику (область V).
Принцип осуществления указанного способа также схематично проиллюстрирован на Фиг. 2. Показанная там минимальная характеристика 20 отопительной системы описывает взаимосвязь между требуемым напором Н и производительностью Q насоса. Наряду с минимальной характеристикой 20 системы обозначена также используемая статическая регулировочная характеристика 21, которая определяет пропорциональную взаимосвязь между производительностью Q насоса и напором Н для статической регулировки. Заштрихованная область 22 между статической регулировочной характеристикой 21 и минимальной характеристикой 20 системы характеризует возможный потенциал энергосбережения во время работы насоса.
При переключении на динамический режим циркуляционного насоса выполняется вышеупомянутое динамическое понижение заданного значения частоты n вращения, вследствие чего статическая регулировочная характеристика сдвигается в принципе в направлении стрелок 23 и, тем самым, приближается к минимальной характеристике 20 системы. Это приближение происходит очень медленно и может быть непрерывным, поэтапным или периодическим.
Поскольку производительность насоса непрерывно контролируется, и система при любом изменении характеристики системы снова возвращается на статическую регулировочную характеристику, то этот способ очень надежен, и риск негативных эффектов для потребителя незначителен. К тому же, предлагаемый изобретением способ может быть особенно просто реализован и не предъявляет никаких повышенных требований к необходимой производительности ЭВМ системы управления насосом. Следовательно, не возникает никаких дополнительных затрат на дополнительную сенсорику или другие компоненты. Поскольку в основу способа не положены никакие модели, то он не должен обязательно настраиваться для индивидуального потребителя. Однако, может оказаться, что за счет индивидуальной настройки параметров t1 и, соответственно, ΔQ достигается дополнительная оптимизация.
Предлагаемый изобретением способ для работы насоса обеспечивает заметный потенциал энергосбережения. В среднем рабочая точка насоса находится примерно посередине между характеристиками статического регулирования и установки, что позволяет использовать существующий потенциал энергосбережения примерно на 50%. Дальнейшее улучшение возможно за счет того, что система управления при уходе ΔQ не отбрасывается на статическую регулировочную характеристику, но вместо этого принимает промежуточное значение для заданного значения частоты n вращения, соответственно, для позиции затвора клапана.
Данная идея не содержит в себе алгоритм обучения, в отличие от уровня техники, но вместо этого впервые используется динамическая регулировочная характеристика. При любом отклонении производительности насоса от граничной области ΔQ старая информация удаляется, и вновь запрашивается динамический параметр. Этот динамический параметр характеризуется также тем, что при вычислении заданного значения частоты вращения помимо собственно производительности Q насоса учитывается также ее изменение во времени.
Ниже еще будет рассмотрено регулирование параметров для динамической регулировочной характеристики предлагаемого изобретением способа, т.е. скорость снижения частоты вращения, а также величина граничной области ΔQ. Эти значения, требуемые для динамики понижения частоты вращения насоса, зависят от здания, которое должно обслуживаться циркуляционным насосом системы отопления. В качестве примера в дальнейшем исходят из циркуляционного насоса системы отопления класса мощности 175 W, который должен обеспечивать среднее офисное здание. На Фиг. 3 показан почасовой характер изменения значений производительности в течение шести следующих одна за другой календарных недель (с 44-ой по 49-ую) одного года.
Котел системы отопления рассматриваемого офисного здания оснащен режимом ночного снижения. С 5.00 до 22.00 этот котел работает в дневном режиме, а режим ночного снижения начинается в 22.00 и заканчивается в 05.00. В то время, когда котел понижает температуру среды в ночном режиме, помещения охлаждаются, и терморегулирующие клапаны отопительных приборов открываются. Следствием этого являются большие объемные потоки во время ночного режима, что можно ясно идентифицировать на диаграмме по Фиг. 3. К восьми часам сотрудники обычно приходят на свое рабочее место. Более продолжительное открывание основных дверей, а также открытие окон для проветривания кратковременно приводят к повышенной отопительной нагрузке и, следовательно, к повышенному объемному потоку, что тоже можно увидеть из диаграммы на Фиг. 3.
Далее, можно видеть, что объемные потоки имеют тенденцию слегка уменьшаться в течение дня, что может быть объяснено характером изменения солнечного излучения. На основании этих диаграмм могут быть выведены параметры для динамической регулировочной характеристики.
Определение ΔQ
3
3
Диаграмма на Фиг. 3 показывает, что запомненный объемный поток при стабильной рабочей точке остается внутри своих границ ±0,1 м/час. Для того, чтобы создать некоторый запас надежности, предлагается граница ΔQ=±0,15 м/час. При таком условии постоянная рабочая точка устанавливается на 5 часов.
Конфигурация динамики понижения
При динамике понижения справедливо, что частота вращения понижается так медленно, что терморегулирующие клапаны открываются быстрее, и тем самым температура в помещении удерживается постоянной. Динамика клапанов может очень хорошо оцениваться в том месте, в котором котел переключается с ночного режима на дневной. В 5 часов утра котел повышает температуру среды. К 6.00 производительность насоса достигает своего дневного уровня. Это означает, что терморегулирующим клапанам требуется около часа, чтобы отреагировать на это событие. Поскольку ответ отопительных клапанов может быть описан примерно как фильтр низких частот первого порядка, то по ΔQ и по временным константам фильтра низких частот можно вывести максимально возможную динамику понижения.
Упрощенно, однако, предлагается следующее равенство:
3
2
Динамика понижения = ΔQ/(время реакции клапанов/2) = 0,3 м/час
3
Если исходить из средней производительности насоса на уровне ок. 2 м/час, то это соответствует снижению частоты вращения примерно на 15%. Если принять, что частота вращения насоса составляет ок. 2000 об/мин, то для используемого здесь насоса и показанных здесь рабочих характеристик это соответствует снижению числа оборотов 300 об/мин за час.