СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ

Полезная модель относится к области, связанной с системами управления или регулирования температуры с помощью электрических средств, и может быть использована для систем автоматического регулирования (CAP) отопления зданий с местным (индивидуальным) водяным отоплением.
Известна система (устройство) автоматического регулирования в системе отопления (см. RU патент №2325591 01.08.2006), содержащая теплообменник, первичный и вторичный контур тепловой сети, датчики температуры теплоносителей, циркуляционные насосы с приводом, регулятор температуры теплоносителей.
Недостатком является низкая экономичность (перерасход тепловой энергии) и низкая комфортабельность из-за плохой стабилизации (больших колебаний) температуры воздуха в отапливаемых помещениях.
Известно устройство (система) регулирования температуры воздуха в помещении (см. RU патент №2263848 22.03.2004), содержащее контур общей и повторной циркуляции теплоносителя, снабженных циркуляционными насосами с приводом, датчик температуры теплоносителя и датчик температуры воздуха в помещении, регулятор температуры воздуха, регулятор давления.
Недостатком является низкая экономичность из-за высокой динамической ошибки (перерегулирования) регулирования.
Наиболее близким аналогом является система автоматического регулирования температуры в системах отопления (см. Каталог продукции 2008/2009. Компоненты автоматизации ОВЕН. Разработка и производство, с.101, www.owen.ru)
Данная система содержит регулятор температуры теплоносителя контура системы отопления, выходное устройство (реле), выход которого соединен с клапаном, установленном в сети на входе теплообменника, насос
контура отопления, тепловые приборы (батареи), блок формирования установочной температуры теплоносителя по отопительному графику и температуре на улице, выход которого соединен с регулятором температуры теплоносителя, блок (узел) коррекции установочной температуры теплоносителя в режиме «День/ночь», датчик температуры теплоносителя, датчик температуры наружного воздуха, блок суммирования сигналов на входе регулятора.
Недостатком этой системы является низкая комфортность из-за плохой стабилизации (больших колебаний) температуры воздуха в отапливаемых помещениях. В результате также возможно появление дефицита теплоты в отапливаемых помещениях, либо ее избытков, что приводит к перерасходу тепловой энергии на отопление и низкой экономичности системы.
Технической задачей предлагаемой системы автоматического регулирования (CAP) является повышение экономичности и комфортности за счет повышения точности поддержания заданных параметров по температуре отапливаемого помещения путем периодической автокоррекции температуры теплоносителя в системе отопления по температуре воздуха в помещении.
Технический результат по повышению эффективности CAP отопления здания за счет периодической коррекции температуры теплоносителя по температуре воздуха в помещении достигается тем, что CAP отопления здания содержит блок двухпозиционного регулятора температуры теплоносителя, соединенного с выходным устройством (реле), выход которого соединен с клапаном, соединенным через вентиль с газовой магистралью и камерой сгорания газа котла контура отопления помещения (здания), содержащего циркуляционный насос и тепловые приборы (батареи); датчик температуры теплоносителя, соединенный с регулятором, датчик температуры наружного воздуха, датчик температуры внутреннего воздуха, блок формирования установочной температуры теплоносителя по отопительному графику и температуре на улице, выход которого соединен с первым входом первого блока (алгебраического) суммирования сигналов,
соединенного с блоком двухпозиционного регулятора температуры, блок (на базе таймера) программного задания температуры в помещении и величины коррекции установочной температуры теплоносителя, первый выход которого соединен со вторым входом первого блока суммирования сигналов, второй выход которого соединен с первым входом второго блока суммирования сигналов, второй вход которого соединен с датчиком температуры воздуха в помещении, выход второго блока суммирования сигналов связаны с первым блоком суммирования сигналов, при этом выход второго блока суммирования сигналов соединен с входом ключа, управляющий вход которого соединен с выходом генератора цикловых управляющих импульсов, а выход ключа соединен с первым входом дополнительного (третьего) блока суммирования сигналов, выход которого соединен с входом блока запоминания сигналов (регистра), один выход которого соединен со вторым входом третьего дополнительного блока суммирования сигналов, а второй выход блока запоминания сигналов соединен с третьим входом первого блока суммирования сигналов.
На чертеже представлена блок-схема предлагаемой системы автоматического регулирования отопления здания.
0
н
з
0
0
Система регулирования содержит блок двухпозиционного регулятора температуры теплоносителя (воды) 1, соединенного с выходным устройством (реле) 2, выход которого 3 соединен с клапаном (распределителем) 4, соединенным через вентиль 5 с газовой магистралью 6 и камерой сгорания газа водогрейного котла 7 контура отопления 8, содержащего насос 9, тепловые приборы (батареи) 10, 11; блок формирования установочной температуры (Т) теплоносителя 12 по отопительному графику 13 и температуре (Т) на улице - датчик 14, выход 15 которого соединен с первым входом 16 первого блока (алгебраического) суммирования сигналов 17, соединенного с блоком двухпозиционного регулятора 1; блок (на базе таймера) программного задания температуры (Т) в помещении и величины (ΔТ) коррекции установочной температуры (Т) 18, первый выход 19
n
з
n
u
ц
0
0
t
m
0
n
з
n
которого соединен со вторым входом первого блока суммирования сигналов, а второй выход соединен с первым входом второго блока суммирования (сравнения) сигналов 20, второй вход которого соединен с датчиком 21 температуры воздуха (Т) в помещении, выход 22 (с сигналом рассогласования - ошибкой (ΔT=Т-Т)) блока суммирования 20 соединен с входом ключа 23, управляющий вход 24 которого соединен с выходом генератора 25 цикловых управляющих импульсов 26 (с длительностью t и периодом t), а выход 27 ключа 23 соединен с первым входом дополнительного (третьего) блока суммирования сигналов 28, выход 29 которого соединен с входом блока запоминания сигналов (регистра) 30, один выход 31 которого соединен со вторым входом дополнительного блока суммирования сигналов 28, а другой выход 32 блока запоминания сигналов 30 соединен с третьим входом 33 блока 17 суммирования сигналов (T+ΔT*+ΔT=T - заданная температура теплоносителя;  где ΔT* - суммарный корректирующий сигнал температуры теплоносителя по температуре в помещении, ΔТ - ошибка (рассогласование) в момент (t) срабатывания ключа,  - суммарный сигнал с выхода 32 блока запоминания сигналов (информации) 30 в предыдущий (t-1) момент времени - в предыдущее срабатывание ключа); двухпозиционный регулятор 1 через канал 34 соединен с датчиком температуры (Т) теплоносителя 35 и имеет вход 36 для ввода (ручного) гистерезиса Δ в (пределах 5~10°С) в диаграмму работы (прямой гистерезис) 37 выходного устройства (реле) 2. Система регулирования также содержит ограничитель (на рисунке не показан) верхнего и нижнего предела температуры (Т) теплоносителя, подсоединенный между блоком 1 и блоком 17, усилитель ошибки ΔТ с коэффициентом усиления в пределах 1~5 (на рисунке не показан), подсоединенный между блоками 20 и 23, регистратор (на рисунке не показан) экспериментального переходного процесса температуры (Т) в помещении: суммарных транспортных (чистых) задержек (τ) цепочки реле 2 - распределитель 4 - котел 7 - контур отопления 8 - температура (Т) в
n
з
0
0
помещении и постоянной времени (τ), соответствующей времени достижения Т=0,63Т нагрева воздуха помещения при ступенчатом (единичном) входном сигнале (Т±ΔТ), аналогово-цифровой преобразователь (на рисунке не показан), преобразующий в цифровую форму аналоговые сигналы с датчиков в их цифровые эквиваленты.
Система регулирования работает следующим образом.
0
0
m
0
0
m
0
0
m
0
0
m
0
0
0
0
Запуск системы осуществляется при выключенном («стоп») генераторе импульсов 25 (разомкнутом ключе 23) и открытии вентиля 5, сигнал установочной температуры Т теплоносителя поступает через блок (Т=Т, ΔТ=0) суммирования сигналов 17 в блок 1, который включает реле 2 и клапан 4, который подает газ из магистрали 6 в камеру сгорания газа котла 7, циркулирующий в контуре отопления 8 под действием насоса 9 теплоноситель (вода) нагревается до температуры Т=Т+Δ, после чего (по сигналу с датчика 35) реле 2 блоком 1 отключается, отключается и клапаном 4 подача газа в котел 7, циркулирующий теплоноситель в контуре отопления постепенно при этом остывает и когда температура Т теплоносителя уменьшится до значения Т-Δ, блок 1 включит реле 2, газ вновь поступит для сгорания из магистрали 6 в котел 7, температура Т будет вновь повышаться до значения Т+Δ, далее циклы включения и выключения реле 2 (клапана 4) будут повторяться, поддерживая в итоге температуру Т в пределах Т+Δ и Т-Δ.
n
ц
з
n
0
u
з
з
з
С момента включения системы регулирования температура воздуха Т в помещении из-за нагрева батареями 10, 11 постепенно (по кривой, близкой к экспоненте) будет повышаться и через время t=τ+3τ, соответствующее достижению в переходном процессе температурой Т уровня 0,95Т, включается (ручная команда «Пуск» или автоматически от блока 18 - пунктирная линия) генератор 25, импульс (импульсы) 26 длительностью t≥t где t - суммарная задержка в срабатывании цепочки ключ 23 - блок 28 - блок 30, включает (замыкает) ключ 23, через который сигнал (коррекции) рассогласования ΔТ заданной температуры Т в помещении и температурой
n
m
n
Т в помещении через сумматор 28 подается в запоминающий блок 30, запоминается в нем и выдается через сумматор 17 в регулятор 1, сдвигая (вправо или влево) диаграмму 37 и обеспечивая (через реле 2 и распределитель 4) дополнительную коррекцию (увеличение или уменьшение) температуры Т, теплоносителя и увеличение (или уменьшение) температуры воздуха Т в помещении здания.
ц
t
n
з
0
0
0
0
з
При очередном срабатывании ключа 23 (через промежуток времени t) предыдущее значение сигнала () в памяти блока 30, работающему по внутреннему алгоритму, увеличивается (уменьшается) на дискретную величину ΔТ, обеспечивая в итоге пошаговое (обычно 3-4 шага) «приближение» температуры Т в помещении к заданной температуре Т, которая задается блоком 18 в зависимости от требуемого режима отопления (ΔТ: ночь, праздничные и выходные дни (-ΔТ), натоп утром (+ΔТ), тестовый ступенчатый входной сигнал (±ΔТ) в систему регулирования при экспериментальном снятии (регистратором) переходного процесса системы для определения задержек τ и постоянной времени τ).
ц
u
ц
u
з
u
В период времени t-t система регулирования работает в качестве разомкнутой системы, а так как t≫t, а tu≪t (t менее одной секунды), то система регулирования в любой период времени фактически работает как разомкнутая, которая не имеет по сравнению с замкнутыми системами регулирования проблем устойчивости (автоколебаний, режимов «разноса» и связанных с ними потерями энергии тепловых комплексов), работа же контура коррекции температуры теплоносителя по температуре воздуха в помещении обеспечивает повышенную по сравнению с известными разомкнутыми системами регулирования точность, комфортность поддержания температуры в помещении за счет корректирующихся (пошаговых) сигналов (ΔТ*) с блока запоминания сигналов 30, высокое качество (малую колебательность, малое перерегулирование) переходного процесса и энергосбережение теплового комплекса.