СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ОНЛАЙН-ПРОЕКТИРОВАНИЯ УЗЛОВ УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ, ТЕПЛОСЧЕТЧИК И СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ЗАТРАТ НА РАСХОД ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
SYSTEM FOR AUTOMATED ONLINE DESIGN OF THERMAL ENERGY METERING UNITS OF BUILDINGS AND STRUCTURES, A HEAT METER AND A METHOD FOR OPTIMIZING THE COSTS OF THERMAL ENERGY CONSUMPTION

Предложенное техническое решение относится к системам и способам для проектирования зданий, а более конкретно к системам и способам для проектирования УУТЭ и АУУ зданий и сооружений.
Проектирование систем служб здания, таких как ЦО, ГВС, ХВС, АУУ, вентиляции, кондиционирования, электроснабжения и освещения, типично осуществляется главным образом неавтоматизированным способом посредством использования систем автоматизированного изготовления чертежей и ассоциированных способов компьютеризированного и ручного проектирования. Существует предшествующий уровень техники, который предусматривает частично автоматизированные вычисления для проектирования некоторых частей из этих систем с использованием вычислений вручную, таблиц и эмпирических правил проведения инженерно-технических работ.
Известно техническое решение «Теплосчетчик и способ определения тепловой энергии теплоносителя в открытых водяных системах теплоснабжения» по патенту на изобретение №2300086, МПК G01K 17/16, публ. 27.05.2007. Подающий и обратный трубопроводы в теплосчетчике оснащены объемным электромагнитным расходомером, преобразователями давления, температуры, блоком вычисления плотности, энтальпии, массы теплоносителя. В теплосчетчик введены четыре блока деления выходных сигналов приборов подающего и обратного трубопроводов, два блока памяти, два преобразователя температуры окружающей среды и два блока вычитания температуры. Все выходы введенных блоков соединены с индикатором. Полученные отношения выходных сигналов объемных расходомеров, преобразователей давления и температуры выбирают в качестве тестового сигнала. В процессе эксплуатации с тестовым сигналом сравнивают текущее значение объемных расходов и массы теплоносителя за время усреднения и выдают соответствующие поправки. Из общего сигнала, смешанного с шумами, выделяют напряжение покоя, тепловые шумы и уход нуля, определяют коэффициент преобразования приборов в подающем и обратном трубопроводах и вводят соответствующую коррекцию в объемный расход и массу теплоносителя.
Известно техническое решение Система и способ для автоматизированного проектирования служб здания по патенту RU №2543300, МПК G06Q 50/08, конвенционный приоритет 23.12.2009, дата публикации заявки: 27.01.2014, публикация патента: 27.02.2015. Система включает в себя процессор, выполненный с возможностью исполнения компьютерной программы, пользовательский интерфейс, подсоединенный к процессору и выполненный с возможностью приема множества наборов данных, включающих в себя первый набор данных, содержащий местоположения множества компонентных устройств системы служб здания и второй набор данных, содержащий по меньшей мере один рабочий параметр, связанный с по меньшей мере одним из множества компонентных устройств, при этом процессор посредством выполнения компьютерной программы использует множество наборов данных для генерирования множества проектных решений, причем каждое из множества проектных решений содержит компоновку соединений между множеством компонентных устройств, а также определяет затраты на строительство, связанные с каждым из множества проектных решений, и определяет оптимизированное проектное решение из числа множества проектных решений на основе эксплуатационных затрат - прототип.
Недостатком известных решений является то, что они не позволяют оптимизировать затраты на подачу и использование тепловой энергии в зданиях и сооружениях.
Кроме того, указанные решения не позволяют создавать проекты онлайн, то есть удаленно с помощью своего персонального компьютера.
Технический результат от использования предложенного решения может быть выражен в обеспечении возможности оптимизации затрат на подачу и использование тепловой энергии в зданиях и сооружениях и в экономии средств на разработку проектов и на эксплуатацию объектов.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Система автоматизированного онлайн-проектирования узлов учета тепловой энергии зданий и сооружений содержит сервер с возможностью удаленного доступа и исполнения множества компьютерных программ, пользовательский интерфейс, выполненный с возможностью приема множества наборов данных о компонентных устройствах узла учета тепловой энергии (УУТЭ) или автоматизированного узла учета (АУУ). Первый набор данных содержит информацию о тепловых нагрузках, температурных графиках, гидравлических режимах и диаметрах трубопроводов. Второй набор данных содержит информацию об используемом основном оборудовании. Третий набор данных содержит информацию о системе отопления, системе горячего или холодного водоснабжения, или АУ. При этом сервер посредством выполнения программ использует множество наборов данных для генерирования, по меньшей мере одного проектного решения, содержащего компоновку соединений между множеством компонентных устройств УУТЭ или АУУ, обеспечивающее оптимальные затраты на расход тепловой энергии из условия определения параметров теплосчетчика, а также затраты на монтаж УУТЭ или АУУ.
Кроме того, количество узлов учета составляет от одного до четырех.
Второй набор данных, содержащий информацию об используемом основном оборудовании, включает параметры приборов учета, измерительных линий, кабельных проводок, теплоизоляции, климатологии. Третий набор данных, содержащий информацию о системе отопления, системе горячего или холодного водоснабжения или АУУ, включает схему теплоснабжения, схему подключения, формулу учета, параметры фильтров, насосов, регулирующих и обратных клапанов.
Первый, второй и третий наборы данных являются заранее заданными пользователем.
p
Теплосчетчик выбирается из условия наиболее близкого значения расчетного диаметра d измерительного модуля в соответствии с возможными предварительно установленными значениями: 15, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 150, 200, 300 мм, расчет величины диаметров измерительного модуля производят из условия, что значение скорости движения теплоносителя будет находиться в диапазоне 0,25-1,5 м/с по формуле:
, мм
где:
i
G - максимальный часовой объемный расход воды, соответственно, в подающем или обратном трубопроводе;
V - скорость движения теплоносителя, м/сек;
π - число Пи=3,14,
1
2
а вычисление максимального часового объемного расхода сетевой воды в подающем (G) и обратном (G) трубопроводах выполняется по формулам:
3
, м/ч
где:
от
Q - заданная тепловая нагрузка на отопление (Гкал/ч);
p
C - удельная теплоемкость (ккал/кг°С), принимается равной 1;
1
2
T, T - заданные значения температуры в подающем и обратном трубопроводах;
ρ1 - удельная плотность воды (т/м³) в подающем трубопроводе;
3
м/ч,
где:
от
Q - заданная тепловая нагрузка на отопление (Гкал/ч);
p
C - удельная теплоемкость (ккал/кг°С), принимается равной 1;
1
2
T, T - заданные значения температуры в подающем и обратном трубопроводах.
ρ2 - удельная плотность воды (т/м³) в обратном трубопроводе;
Теплосчетчик системы автоматизированного проектирования узлов учета тепловой энергии зданий и сооружений содержит:
- системный блок (СБ), обеспечивающий вычисление и архивирование значений тепловой энергии, массы (для воды) и объемов жидкости, прошедшей через каждый трубопровод, времени наработки и отказов, а также средних значений давлений и средневзвешенных/средних значений температур жидкости в трубопроводах, обслуживаемых теплосчетчиком, для каждого из узлов учета, а также выполняющий функции поддержки интерфейсов связи и обеспечивающий стабилизированным питанием все элементы теплосчетчика;
- измерительные модули, основу которых составляет электронный блок (ЭБ), к которому подключаются первичные преобразователи расхода (ПР), первичные преобразователи температуры (ПТ), первичные преобразователи давления (ПД), установленные на подающем и/или обратном (и подпиточном) трубопроводах системы отопления, и/или на подающем и обратном трубопроводах системы ГВС, и/или на подающем трубопроводе системы ХВС; электронный блок преобразует сигналы первичных преобразователей в значения величин расхода, температуры и давления и передает их в СБ в цифровом формате по специализированному интерфейсу связи в физических единицах (м³/час, °С и кгс/см²), при этом системный блок и измерительный модуль установлены на расстоянии не более 800 м.
Количество узлов учета составляет от одного до четырех.
Количество измерительных модулей составляет от 1 до 16, количество первичных преобразователей расхода составляет от 1 до 12. Количество первичных преобразователей температуры и количество первичных преобразователей давления составляет от 1 до 16.
Способ оптимизации затрат на расход тепловой энергии путем автоматизированного проектирования узлов учета тепловой энергии зданий и сооружений включает:
• измерение с помощью измерительного модуля теплосчетчика значений расхода, температуры и давления в подающем и обратном трубопроводах системы, преобразование полученных значений в цифровой формат, передачу в системный блок, учет расхода энергии в каждом из узлов системы,
• при этом теплосчетчик выбирается из условия наиболее близкого значения расчетного диаметра dp измерительного модуля в соответствии с возможными предварительно установленными значениями: 15, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 150, 200, 300 мм,
• а расчет величины диаметров измерительного модуля производят из условия, что значение скорости движения теплоносителя будет находиться в диапазоне 0,25-1,5 м/с по формуле:
, мм
где:
i
G - максимальный часовой объемный расход воды, соответственно, в подающем или обратном трубопроводе;
V - скорость движения теплоносителя, м/сек;
π - число Пи=3,14
1
2
• вычисление максимального часового объемного расхода сетевой воды в подающем (G) и обратном (G) трубопроводах выполняется по формулам:
3
, м/ч
где:
от
Q - заданная тепловая нагрузка на отопление (Гкал/ч);
p
C - удельная теплоемкость (ккал/кг°С), принимается равной 1;
1
2
T, T - заданные значения температуры в подающем и обратном трубопроводах.
ρ
1
- удельная плотность воды (т/м³) в подающем трубопроводе;
3
, м/ч
где:
от
Q - заданная тепловая нагрузка на отопление (Гкал/ч);
p
C - удельная теплоемкость (ккал/кг°С), принимается равной 1;
1
2
T, T - заданные значения температуры в подающем и обратном трубопроводах;
ρ
2
- удельная плотность воды (т/м³) в обратном трубопроводе.
Пример осуществления изобретения.
В зависимости от типа проекта - узел учета тепловой энергии (УУТЭ: отопление, ГВС, Отопление + ГВС) узел учета холодного водоснабжения (ХВС) или автоматизированный узел управления (АУУ), пользователем через пользовательский интерфейс, выполненный с возможностью приема множества наборов данных о компонентных устройствах УУТЭ или АУУ, вводятся следующие исходные данные.
Первый набор данных:
- значение соответствующей тепловой нагрузки,
- температурный график;
- значения давлений в трубопроводах для УУТЭ и АУУ;
- часовой или суточный расход для УУ ХВС.
Второй набор данных:
- «Системный блок» - выбор типа системного блока (СБ) теплосчетчика МКТС, плат расширения для СБ;
- «Измерительные линии» - выбор измерительной линии;
- «Кабельные проводки» - наличие и длина различных кабелей, используемых для подключения и соединения составных частей теплосчетчика, выбор между металлорукавом и гофрированной трубой для защиты кабелей;
- «Теплоизоляция» - выбор типа теплоизоляционных материалов, используемых для ЦО, ГВС и АУУ;
- «Климатология» - возможность выбора климатологического района для задания месячного расхода тепловой энергии (учета местных климатических условий);
- «Вставка файлов» - возможность выбора из внешних файлов «Принципиальной схемы», «Ситуационного плана», «Монтажной схемы» и «Спецификации».
Третий набор данных:
- «Схема теплоснабжения» - выбор схемы теплоснабжения;
- «Формула учета» - выбор формулы учета тепловой энергии;
- «Тип измерительной линии» - выбор типа измерительной линии, классическая или модифицированная;
- «Схема присоединения» - выбор схемы присоединения, зависимая или независимая (с подпиткой);
- «Фильтр» - наличие или отсутствие фильтра или грязевика на измерительной линии;
- «Фильтр подпитки» - наличие или отсутствие фильтра или грязевика на подпитке.
После каждого ввода или изменения исходных данных проверяется ввод корректных данных и автоматически контролируется применение совместимого оборудования. Только в случае успешной проверки можно нажать кнопки меню «СОЗДАТЬ ПРОЕКТ» или «СОЗДАТЬ КП» (коммерческое предложение).
На основании введенных данных для всех трубопроводов проекта автоматически вычисляется массовый расход по следующей формуле:
m
1
2
G=Q/(t-t) т/ч, где:
Q - тепловая нагрузка;
1
t - температура теплоносителя в подающем трубопроводе;
2
t - температура теплоносителя в обратном трубопроводе.
Объемный расход вычисляется путем деления массового расхода на плотность теплоносителя при соответствующей температуре:
v
m
3
G=G/ρ, м/ч, где:
ρ - плотность теплоносителя.
Расчеты по подбору диаметров измерительных модулей (ИМ) осуществляются в браузере моментально при вводе исходных данных. Все возможные значения диаметров (Ду) измерительных модулей хранятся в массиве [15, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 150, 200, 300], мм.
Последовательно проверяется скорость теплоносителя для каждого Ду из массива (начиная с наименьшего значения Ду) - до тех пор, пока значение скорости не будет меньше или равно заданному - 1,5 м/с.
Скорость движения теплоносителя на любом участке должна быть в диапазоне 0,25-1,5 м/с. При скорости выше 1,5 м/с в трубах может появиться шум, а минимальная скорость в 0,25 м/с рекомендуется по СП 60.13330-2016 во избежание завоздушивания труб.
Диаметру выбираемого измерительного модуля на соответствующем трубопроводе присваивается найденное значение Ду из массива - Ду-им. Диаметру трубопровода присваивается ближайшее значение из массива, превышающее значение Ду-им.
Скорость движения теплоносителя в трубах вычисляется по формуле:
V=m/(ρ×f), где:
V - скорость движения теплоносителя, м/с;
m - расход теплоносителя через сечение трубы, кг/с;
3
ρ - плотность воды, кг/м;
2
f - площадь поперечного сечения трубы, м.
При изменении какого-либо параметра автоматически выполняется перерасчет всех зависящих от него данных.
Формируется состав измерительной линии, исходя из настроенных параметров и действующих правил и нормативов. Подбираются термометры, датчики температуры и давления. Фильтры и измерительные модули оборудуются манометрами на входе и выходе. По диаметрам кранов, фильтров и пр. автоматически подбирается присоединительная арматура. В зависимости от типа трубопровода (подающий/обратный) подбираются переходы, отрезки труб. В зависимости от выбранного типа формируется спецификация - измерительные линии как готовые изделия или просуммированный перечень всех элементов.
Исходя из настроенных параметров формируется проект «Узел коммерческого учета тепловой энергии теплоносителя».
Осуществление учета тепловой энергии производится с помощью электромагнитного многоканального теплосчетчика МКТС. Теплосчетчик МКТС предназначен для измерения и учета количества тепловой энергии, объемного и массового расхода, объема и массы, температуры и давления теплоносителя в открытых и закрытых системах водяного теплоснабжения, теплопотребления и теплоотведения.
В состав теплосчетчика входит:
- системный блок модификации СБ-04-А2-ББП07 (с блоком бесперебойного питания).
- измерительные модули на подающем и обратном трубопроводах системы отопления конструкции типа И6 со встроенными датчиками температуры и давления.
- измерительные модули на подающем и обратном трубопроводах системы ГВС конструкции типа И6 со встроенными датчиками температуры и давления.
- измерительный модуль на трубопроводе подпитки системы отопления конструкции типа К5.
- плата расширения ПСМ-300 - GSM-модем для обеспечения беспроводной связи с теплосчетчиком МКТС, находящимся в зоне покрытия какой-либо сети сотовой связи стандарта GSM. Данная плата позволяет организовать дистанционный контроль состояния теплосчетчика и считывание текущих и архивных данных.
- плата расширения USB для обеспечения автоматической записи архива Теплосчетчика МКТС на USB флеш-диск.
Связь между измерительными модулями (ИМ) и системным блоком (СБ) осуществляется по цифровому каналу обмена данными. Использование цифрового канала обмена данными между измерительными модулями и системным блоком теплосчетчика МКТС исключает необходимость ввода индивидуальных калибровочных коэффициентов для расходомеров (например, веса импульса) при настройке параметров узла учета. Это позволяет исключить возможность фальсификации коммерчески значимой информации, связанной с неправильным вводом веса импульса расходомера.
Измерительные модули предназначены для измерения расхода, температуры и давления. Измерительные модули устанавливаются на соответствующих трубопроводах. Основу измерительного модуля составляет электронный блок (ЭБ), к которому подключаются первичные преобразователи. Электронный блок преобразует сигналы первичных преобразователей в значения величин расхода, температуры и давления и передает их в СБ в цифровом формате по специализированному интерфейсу связи в физических единицах (м³/час, °С и кгс/см²).
В качестве датчиков температуры используются термопреобразователи сопротивления (подобранная пара) класса допуска А по ГОСТ 6651-2009 с номинальной статической характеристикой Pt 100 и диапазоном измерения 0…+160°С.
В качестве датчиков давления используются преобразователи давления ПД-М МИДА-ДИ-15-М-A (для измерительных модулей конструкции типа И6 со встроенными датчиками) с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА, температурой измеряемой среды -40…+150°С, с диапазоном измерений 0-16 кгс/см².
Теплосчетчик МКТС обеспечивает для каждого узла учета архивирование в энергонезависимой памяти суммарных (нарастающим итогом) значений тепловой энергии, масс и объемов жидкости, прошедшей через каждый трубопровод, времени наработки и отказов, а также средних значений давлений и средневзвешенных средних значений температур жидкости в трубопроводах за каждый час, сутки и календарный месяц работы теплосчетчика.
Теплосчетчик имеет функции диагностики, обеспечивающие обнаружение отказов первичных преобразователей и нарушений заданных режимов работы систем учета. Эти отказы регистрируются в архиве событий теплосчетчика. Емкость архивов составляет: почасового - 120 суток, посуточного - 16 месяцев, помесячного - 20 лет. Емкость архива диагностической информации составляет 7936 записей. При отключении сетевого питания вся информация, записанная в архивы, сохраняется в энергонезависимой памяти теплосчетчика не менее 12 лет.
Данное изобретение позволяет автоматизировать разработку проектов для УУТЭ и АУУ зданий и сооружений. Это может существенно уменьшить время выполнения работы, приводить к более четкому и точному проектированию и проектному решению, которое является значительно менее затратным при строительстве и монтаже. Возможности отдельных подпрограмм в общем процессе обеспечивают намного более точное вычисление технических требований УУТЭ и АУУ. Это, в свою очередь, приводит к более точному расчету размеров наряду с существенно меньшей вероятностью ошибок пользователя. Скорость процесса проектирования и анализа предоставляет возможность проектировать и рассчитывать множество различных проектных вариантов за несколько секунд, выполнение чего с использованием традиционных способов обычно отнимает дни или недели. Проектирование УУТЭ и АУУ не только предоставляет несколько допустимых решений, но также предоставляет оценку затрат на строительство и монтаж каждого допустимого решения, чтобы определять то, какая альтернатива проекта приводит к наименее затратному решению по монтажу при одновременном удовлетворении всем входным параметрам. В дополнение к более высокому уровню точности проектных расчетов, сокращение вероятности ошибок пользователя в этих проектных расчетах и решениях приводит к более точному и безошибочному результату.
Кроме того, возможность создавать проекты онлайн, то есть удаленно с помощью своего персонального компьютера, делает использование данного изобретения специалистами проектировщиками максимально простым и удобным. Им не требуется покупать дорогостоящий сервер и программное обеспечение к нему. Достаточно обратиться к серверу с помощью логина и пароля и выполнить весь процесс создания проекта онлайн из любой точки земного шара, где есть интернет.