СПОСОБ БАЛАНСИРОВКИ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА, СИСТЕМА И КОНТРОЛЛЕР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННОГО СПОСОБА
METHOD OF BALANCING THE HEAT FLOW SYSTEM, SYSTEM AND CONTROLLER USING THIS METHOD

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Отопительные системы обычно содержат источник энергии (например, энергетическую установку) для подачи энергии одному или более потребителю. Подаваемая энергия может переноситься посредством теплопередающей текучей среды подачи с некоторым расходом подачи и температурой подачи. Данные системы могут функционировать запланированным образом, например по прогнозу ожидаемой энергетической потребности, согласно так называемому принципу организации работы «по плану» (англ. «PUSH principle»), когда расход в общем случае по существу постоянен, или же они могут функционировать в большей степени в соответствии с фактической потребностью согласно так называемому принципу организации работы «по потребности» (англ. «PULL principle»), когда расход можно настраивать в соответствии с потребностью потребителя.
Согласно принципу «по потребности» ожидается, что источник питания способен поставлять достаточно энергии для удовлетворения всех потребностей потребителей и каждый потребитель имеет в общем случае средства регулировки для изменения энергии, фактически поставляемой потребителю, так что выставляемый счет относится, как правило, к фактическому расходу индивидуальным потребителем.
Согласно принципу «по плану» подаваемую энергию выдают в соответствии, например, с прогнозом или просто исходя их имеющихся ресурсов, поэтому потребителям невозможно гарантировать поставку необходимой энергии, тепло направляют в здания независимо от индивидуальных требований здания. Таким образом, выставляемый счет обычно фиксирован и учитывает, например, количество отапливаемых квадратных метров, потребители же могут быть ограниченны в контроле подаваемого тепла и в ответ на перегрев жилых помещений могут открывать окна и т.п., что приводит к излишним потерям тепловой энергии из системы.
Если же поставляемая энергия недостаточна для получения всеми потребителями необходимого условия, например комнатной температуры, потребители обычно пытаются извлечь из системы как можно больше энергии, что ставит в преимущественное положение тех, кто расположен ближе всего к источнику энергии. Для систем, в которых потребители имеют индивидуальные средства регулировки, такие как клапаны, для установки расхода и, следовательно, определения энергии, извлекаемой из текучей среды подачи, зачастую наблюдается их работа на полное открытие в любое время для извлечения максимального количества энергии. Когда вся текучая среда подачи не поставляет достаточное количество энергии для потребностей всех потребителей, есть риск того, что некоторые потребители получают меньше энергии, чем ожидается.
Это не присуще, например, системам, которые работают «по потребности» и в которых подаваемая энергия регулируется в ответ на фактическую потребность индивидуальных пользователей.
Идея заключается в том, чтобы создать систему и способ регулировки систем, работающих «по плану», для гарантии справедливого распределения энергии и снижения энергетических потерь.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявленная система направлена на решение указанных проблем путем определения максимального отбора потока для каждого из потребителей по отношению к фактически доступному потоку энергии в системе.
В районных отопительных системах нагревающая текучая среда подачи обычно транспортируется в отопительной сети в подстанции, связанные с потребителем, где теплообменники извлекают необходимую энергию и эта энергия, извлеченная из нагревающей текучей среды подачи, подается затем в отопительные устройства связанного потребителя, такие как радиаторы, установки отопления полов, хозяйственно-бытовое водоснабжение и т.п., через локальные отопительные системы.
Для каждого из потребителей подключают управляющее оборудование, такое как управляющий клапан, определяющее поток нагревающей текучей среды подачи для поставки в подстанцию связанного потребителя.
Для охлаждающих систем обеспечивают циркуляцию охлаждающей текучей среды в контуре, подключенном, например, к теплообменному устройству, для извлечения тепла из заданного места.
Для обеих систем текучая среда представляет собой теплопередающую текучую среду, либо нагревающую текучую среду, либо охлаждающую текучую среду.
Большинство вариантов осуществления изобретения описаны ниже на примерах отопительных систем, однако раскрытый способ управления применим также и к охлаждающей системе.
Сбор сигналов от локальных компонентов позволяет подсчитать, сколько тепла поставляет определенная подстанция, подключенная к потребителю. В качестве примера сигналов можно назвать сигналы от тепломеров, расходомеров, датчиков давления, степени открытия клапанов и/или от датчиков температуры.
Ввод данных сигналов от всех подстанций в систему управления или систему контроля позволяет подсчитать, какую часть потока или подаваемого тепла получает каждая подстанция.
В одном из вариантов система управления может быть применена для настройки максимальных положений открытия управляющих клапанов, связанных с подстанциями потребителей (или, в более общем смысле, для регулировки связанного управляющего оборудования), чтобы гарантировать, что ни одна подстанция не получит больше потока, чем определено заранее заданным параметром, причем данный параметр зависит либо от максимального объема получаемого потока, либо от максимальной получаемой энергии.
В одном из вариантов система функционирует при различных режимах регулировок, основным из которых является балансировка системы теплового потока, подающей теплопередающую текучую среду множеству потребителей с расходом подачи и температурой подачи, при этом каждый потребитель связан с подключенным управляющим оборудованием (например, клапанами или насосами), конфигурированным для регулировки расхода теплопередающей текучей среды, поставляемой указанному потребителю; согласно способу регулируют указанное управляющее оборудование так, что связанный с ним потребитель получает расход нагревающей текучей среды в соответствии с установленной долей от общего расхода подачи.
Для определения же установленных долей согласно одному из вариантов осуществления изобретения каждому из указанных потребителей индивидуально устанавливается получение индивидуального расхода в зависимости от таких факторов, как энергия, необходимая для достижения установленной температуры, например температуры внутри помещения, причем в одном из вариантов осуществления изобретения установленная температура одинакова для всех из указанного множества потребителей.
В одном из вариантов один режим управления включает в себя энергетический режим регулировки управляющего оборудования при избыточной энергии подачи относительно общей энергетической потребности, при этом согласно энергетическому режиму регулировки каждое управляющее оборудование устанавливают так, что каждый потребитель получает индивидуальную максимальную энергию от теплопередающей текучей среды, которая в одном из вариантов может соответствовать заранее установленной индивидуальной доле энергии от подаваемой общей энергии. Путем установления максимального отбора энергии обеспечена возможность управлять тем, сколько ненужной энергии может быть потеряно пользователем, например, из-за открывания окон, с сохранением при этом отбора максимума энергии, что приводит к комбинированной экономии энергии.
В одном из вариантов осуществления изобретения один режим управления включает в себя объемный режим регулировки управляющего оборудования при недостатке энергии подачи по отношению к общей энергетической потребности; согласно объемному режиму регулировки каждый клапан оборудования устанавливают так, что каждый потребитель получает индивидуальный максимальный расхода теплопередающей текучей среды в соответствии с заранее установленной индивидуальной долей объемного расхода от общего объема подачи текучей среды. Тем самым гарантировано справедливое разделение общего расхода подачи между потребителями, по меньшей мере с точки зрения справедливой установки долей.
В одном из вариантов осуществления один режим управления включает в себя реагирование на локальные избытки подачи в соответствии с энергией, требуемой потребителями. В ситуации, когда потребитель некоторое время не использует всю подаваемую энергию, управляющее оборудование, связанное с данным потребителем, устанавливают на меньший расход по сравнению с тем, который бы установили в соответствии с заранее установленной индивидуальной долей энергии или объемным расходом для данного потребителя. Данный режим управления может включать в себя этап регистрации более высокого расхода и/или подачи энергии одному из указанных потребителей относительно того, что необходимо для достижения указанной установленной температуры, и затем регулируют связанный клапан для подачи нагревательного потока с меньшей долей расхода. Когда потребность потребителя снова повышается, расход опять повышают, что можно делать до тех пор, пока он не достигнет максимального установленного расхода по отношению к предварительно установленной индивидуальной энергии или объемному расходу, установленному для этого потребителя. Таким образом, данный локальный избыток энергии направляется потребителям, которые все еще могут получать меньше энергии, чем необходимо.
В одном из вариантов осуществления изобретения контроллер выявляет, какой режим использовать для регулировки для каждого из потребителей как с точки зрения единой общей потребности по сравнению с общей подачей, так и в отношении фактической имеющейся потребности индивидуального потребителя по отношению к той, что предоставляется установленной долей, после чего регулируют, соответственно, индивидуально каждое управляющее оборудование, связанное с индивидуальным потребителем.
Таким образом, по процедуре одного из вариантов осуществления изобретения все управляющее оборудование устанавливают в соответствии с энергетическим режимом регулировки, когда общая подаваемая энергия достаточна для покрытия общей потребности, меняют на объемный режим при недостатке ее для покрытия общей потребности, однако управляющее оборудование индивидуальных потребителей регулируют в соответствии с другим режимом, когда, например, потребитель имеет излишек энергии сверх потребности, направляя этот излишек энергии другим пользователям.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - потоковая сеть, имеющая подвод тепла для распределения теплопередающей текучей среды между множеством потребителей.
Фиг. 2 - потоковая сеть, в которой распределение между множеством потребителей выполняется по принципу справедливого разделения.
Фиг. 3 - подвод тепла к теплообменнику подстанции.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 проиллюстрирована система (1) теплопередающего потока, имеющая источник подачи (2) тепла, такой как установка для подачи теплопередающей текучей среды. В проиллюстрированном варианте осуществления показана отопительная система, в которой теплопередающая текучая среда, соответственно, является нагревающей текучей средой. Теплопередающая текучая среда течет с расходом подачи и температурой подачи к множеству потребителей (3), где каждый в общем случае связан с подстанцией (10), содержащей теплообменник для извлечения энергии из нагревающей текучей среды для потребителя (3) (см. также фиг. 3). В проиллюстрированном варианте осуществления потребители (3) расположены параллельно, причем каждый связан с подключенным управляющим оборудованием (4) для обеспечения каждой индивидуальной подстанции (10) и, соответственно, потребителя (3) индивидуальным потребительским расходом нагревающей текучей среды.
Потребителями (3) могут быть индивидуальные потребители, такие как жилые здания, или же они сами могут содержать одну или более систем подогревающего потока, так что индивидуальный потребительский расход рассматривается в качестве расхода подачи для следующей системы подогревающего потока, содержащей субпотребителей, причем каждый из этих потребителей также может содержать дополнительные системы подогрева с субпотребителями и т.д. Раскрытые далее варианты осуществления изобретения применимы для любого уровня систем потока с потребителями, систем субпотока с субпотребителями и т.д.
Потребитель может представлять собой группу зданий или район, содержащий группу зданий, где каждое из жилых зданий само может быть системой подогрева, имеющей субпотребителей, представляющих собой отдельные квартиры и т.д.
Источник подачи (2) тепла снабжает потребителей подаваемой энергией посредством теплопередающей текучей среды, причем подаваемая энергия зависит от расхода подачи и температуры подачи.
Для подающих установок в системах, работающих «по плану», обычна ситуация, когда в заданной точке уставки расход подачи приблизительно постоянен, причем заданная точка уставки может быть изменена, например, в соответствии с сезоном и ожидаемым потреблением энергии потребителями (3), и ее можно централизованно подогнать, например, к температуре наружного воздуха. Однако температура подачи часто может колебаться довольно значительно в зависимости от группы факторов, таких как условия окружающей среды и т.п. Возможно, однако, что колебаниям будет подвержено либо одно, либо другое, либо оба, или же оба будут в целом постоянными.
В некоторых системах имеется лишь один источник подачи (2) тепла, однако к системе (1) нагревающего или охлаждающего потока можно подключить любое количество источников.
Возможны два основных состояния, одно из которых состоит в избытке (или равенстве) подаваемой энергии, а другое - в недостатке подаваемой энергии по отношению к комбинированной общей потребности потребителя (3).
Это применимо также локально в отношении каждого индивидуального потребителя (3), в одном случае индивидуально подаваемая энергия избыточна (или равна), в другом подаваемая энергия недостаточна по отношению к локальной потребности потребителя (3), с учетом также того обстоятельства, что в сети, как правило, возникают тепловые потери.
На фиг. 2 проиллюстрирована основная идея справедливого разделения энергии и/или объемного расхода. Каждое управляющее оборудование (4) регулируют контроллером (5), причем обмен данными может быть двусторонним - для отправления управляющих сигналов, а также для приема данных от датчиков, например, о состоянии функционирования, расходе, давлении и температуре индивидуального нагревательного потока, локальных условиях окружающей среды и т.д. Как показано на фиг. 3, в одном варианте осуществления изобретения обмен данными осуществляется через средства (6) связи, подключенные к управляющему оборудованию (4). Таким образом, система содержит все устройства, необходимые для таких регулировок и других подобных действий, такие как исполнительное устройство, датчики и т.п., что также описано далее.
Контроллер (5) в варианте осуществления со справедливым разделением имеет такие установки, что каждый потребитель (3) снабжается заранее определенной долей (или процентом) либо от общей энергией подачи, либо от общего объемного расхода; управляющее оборудование (4) посредством контроллера (5) устанавливают для регулировки либо установленной доли объемного расхода индивидуального потребителя от общего расхода подачи, либо доли энергии.
В некоторых вариантах осуществления изобретения эти доли индивидуального потребителя могут быть рассчитаны и/или измерены в соответствии с нуждами локального потребителя (3) для достижения заданной комнатной температуры, например, 18 градусов Цельсия для индивидуальных бытовых жилых помещений потребителей (3). Кроме этого, параметры расчета могут включать в себя конструктивные особенности зданий, реакцию потребителя и т.п.
На фиг. 2 проиллюстрирована ситуация, когда подача (2) тепла способна обеспечить менее 100% (на иллюстрации - 80%) от общей энергетической потребности (с учетом тепловых потерь в сети), причем, как проиллюстрировано, каждое управляющее оборудование (4) установлено посредством контроллера (5) для подачи индивидуального расхода нагревающей текучей среды в соответствии с заранее установленной долей объемного расхода потребителя или энергии, например 5%, 2% и т.д. В одном варианте осуществления изобретения контроллер (5) устанавливает функционирование управляющего оборудования (4) в режиме объемного расхода, когда есть избыток энергии подачи относительно общей потребности всех потребителей (3) (включая субпотребителей и т.д.). Данный режим называется также объемным режимом, и в одном из вариантов осуществления контроллер (5) устанавливает регулировку управляющего оборудования (4) в объемном режиме, когда есть недостаток энергии подачи или подаваемого потока относительно общей потребности всех потребителей (3) (включая субпотребителей и т.д.), или, в более общем смысле, когда не все потребители получают необходимую энергию, например, если исчерпана гидравлическая мощность сети/насосов.
В альтернативном варианте осуществления справедливое разделение относится к энергии подачи, и контроллер (5) выполнен для установки управляющего оборудования (4) для регулировки таким образом, что каждый потребитель получает, с учетом фактического расхода подачи и температуры, заранее установленную долю энергии потребителя, например, как показано на иллюстрации, соответственно, 5%, 2% или в соответствии с другими подобными значениями. Далее это называется также регулировкой энергетического режима. Это называется также энергетическим режимом, и в одном из вариантов осуществления контроллер (5) устанавливает функционирование управляющего оборудования (4) в энергетическом режиме, когда есть избыток энергии подачи относительно общей потребности всех потребителей (3) (включая субпотребителей и т.д.).
В одном из вариантов осуществления функции контроллера (5) могут быть реализованы операторами, например локальными операторами, выполняющими локальные ручные настройки уставок управляющего оборудования (4).
В другом варианте осуществления контроллер (5) может иметь проводную или беспроводную связь для обмена данными с управляющим оборудованием (4), например через облако.
На фиг. 3 проиллюстрирован вариант осуществления подстанции (10) при подключении к потребителю (3), когда группа локальных клапанов (11) подключена для приведения локальных органов управления в соответствие с локальными нуждами управления. Такие локальные клапаны могут находиться на первичной стороне теплообменника (9) (как проиллюстрировано) и/или на вторичной стороне, причем в одном варианте осуществления по меньшей мере некоторые из указанных клапанов могут быть управляемыми электронными средствами, например контроллером (5). Также могут быть подключены дополнительные датчики, например расходомер (7) и/или датчики (8) температуры. Для формирования теплового подключения нагревающей текучей среды от источника (источников) подачи (2) тепла к локальным контурам обмена текучей средой можно ввести теплообменник (9). Средства (6) связи образуют линию передачи данных от локальных компонентов, таких как датчики, например расходомер (7) и датчики (8) температуры, в контроллер (5).
Для выполнения регулировок к управляющим клапанам (4) могут быть подключены исполнительные устройства, которые могут формировать часть средств (6) связи.
Путем сбора сигналов от локальных компонентов можно подсчитать, сколько тепла поставляет определенная подстанция (10), - например, путем сбора сигналов от расходомера (7) (и/или от датчиков давления, степени открытия управляющего клапана или количества оборотов насоса (4)); в проиллюстрированном варианте осуществления один или оба датчика (8) температуры подключены, соответственно, к прямой линии и обратной линии (12) подключения системы (10) нагревательного потока к локальной подстанции (10).
Путем ввода этих сигналов от всех подстанций в контроллер (5) можно подсчитать, какую часть расхода или подачи тепла получает каждая подстанция.
Путем добавления индикации о подаче от источника (источников) тепловой подачи (2) контроллер (5) может использоваться для настройки положений максимального открытия управляющего оборудования (4), чтобы гарантировать, что ни одна подстанция (10) не получит большего расхода, чем задано.
В одном из вариантов осуществления следующий этап может заключаться в том, чтобы гарантировать, что каждая подстанция не может отбирать больший расход, чем предписано, также в соответствии с заранее заданным параметром, так чтобы подавать индивидуальный расход нагревающей текучей среды с установленными долями индивидуального потребителя от общего расхода подачи. Это имеет место в режиме регулировки объемного расхода.
В дополнение к этому ограничению максимального расхода в одном из вариантов осуществления изобретения используют расходомер (7) и датчики (8) температуры для ограничения отбора тепла до максимально разрешенного объема и, таким образом, энергии, используемой связанным потребителем, что представляет собой вторую возможную регулировку, когда общую энергию подачи, поставляемую подачей (2) тепла, разделяют по индивидуальным потребителям (3) с индивидуальными подачами энергии, которые определены установленными долями энергии индивидуальных потребителей. Это также можно назвать энергетическим режимом регулировки.
В случае ситуации недостаточной подачи или исчерпания гидравлической мощности сети максимальный отбор ограничивают путем регулировки в объемном режиме.
В случае ситуации избыточной подачи максимальный отбор ограничивают путем регулировки в энергетическом режиме.
Другим аспектом управления является состояние, когда индивидуальная подаваемая энергия потребителя (3) или субпотребителя на любом уровне избыточна относительно локальной потребности потребителя (3) для поддержания заданной установленной температуры. В одном из вариантов осуществления изобретения данная ситуация отслеживается благодаря данным, получаемым контроллером (5) через датчики, подключенные к средствам (6) связи, с сообщением этих данных контроллеру (5). Контроллер (5) затем реагирует путем уменьшения доли индивидуального потребителя для этого потребителя (3) (субпотребителя) до тех пор, пока ситуация не изменится, тем самым снабжая далее энергией других потребители (3), у которых имеется ее недостаток.
Другим аспектом управления является состояние, когда индивидуальная подаваемая энергия потребителя (3) или субпотребителя на любом уровне недостаточна относительно локальной потребности потребителя (3) для поддержания заданной установленной температуры. В одном из вариантов осуществления изобретения данная ситуация отслеживается благодаря данным, получаемым контроллером (5) через датчики, подключенные к средствам (6) связи, с сообщением этих данных контроллеру (5). Контроллер (5) затем реагирует путем перерасчета энергии, разделенной между всеми потребителями, до тех пор, пока ситуация не изменится, уменьшая тем самым энергию, подаваемую другим потребителям (3).
В одном из вариантов осуществления изобретения посылают реакцию потребителей (3) в контроллер (5), где эта информация может быть использована для перенастройки управления, например, путем перерасчета установленных долей от общего расхода подачи. Данная информация также может быть использована для выявления неисправностей системы (2) потока, например для выявления появившейся утечки.
В одном из вариантов осуществления изобретения расходометр (7), подключенный, например, к обратной линии (12) подключения системы (10) нагревательного потока к локальной подстанции (10), может быть использован для ввода системы выставления счета, основанной на фактическом расходовании энергии каждым из индивидуальных потребителей (7) и субпотребителей на любом уровне.
В альтернативном или дополнительном варианте осуществления изобретения потери в системе также могут являться параметром регулировки, что относится к тепловым потерям и/или к потерям расхода.
Тепловые потери могут возникать во всей потоковой сети, например в трубах, транспортирующих теплопередающую текучую среду между пользователями, где эти потери используют, например, для повышения доли некоторых из последующих потребителей в сети для компенсации потерь, не относящихся к их фактическому потреблению.
Кроме этого, на протяжении сети потоки в системе могут теряться, например, из-за разного подключения насосов к системе или же из-за связанных с насосами неисправностей или проблем.
Сходным образом, согласно одному из вариантов осуществления заявленный способ имеет или содержит функцию диагностики, состоящую в отслеживании и, возможно, подаче тревожного сигнала, если в системе возникает резкое или постепенное изменение тепловых потерь или расхода, для индикации тем самым какой-либо неисправности.