СПОСОБ СНИЖЕНИЯ РАСХОДА ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЕ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
METHOD OF REDUCING HEAT AND ELECTRIC ENERGY CONSUMPTION IN CIRCULATION HOT WATER SUPPLY SYSTEM

Область техники
Изобретение относится к тепловодоснабжению жилых, административных и производственных зданий и может быть применено в циркуляционных системах горячего водоснабжения.
Уровень техники
Циркуляционные системы горячего водоснабжения известны и широко используются (см., например, Н.Н.Чистяков и др. Повышение эффективности работы систем горячего водоснабжения. Москва, Стройиздат, 1980, стр.23, рис 13÷16). Циркуляция горячей воды исключает ее застаивание и выстуживание при малом водоразборе (например, в ночное время) и, тем самым, обеспечивает комфортность водоснабжения. Однако широко используемые в настоящее время циркуляционные системы горячего водоснабжения недостаточно экономичны.
Известны технические решения (способы и системы), направленные на повышение экономичности циркуляционных систем горячего водоснабжения (патенты RU 2005267, RU 2265776, RU 2273800, RU 2307289). Наиболее близким техническим решением, которое может быть принято в качестве прототипа, является «Способ работы системы теплоснабжения» по патенту RU 2307289, МПК F24D 17/00, опубл. 27.09.2007 г., в котором, как и в предлагаемом способе, решается задача экономии энергии за счет поддержания оптимального расхода циркуляционной воды в системе горячего водоснабжения.
По способу-прототипу смешивают воду, отбираемую из подающего и обратного трубопроводов теплосети, с водой, подаваемой циркуляционным насосом. Отбор воды из подающего и обратного трубопроводов теплосети регулируют, управляя соответствующими вентилями. Отбор воды из подающего трубопровода теплосети регулируют на поддержание постоянной температуры воды, подаваемой на горячее водоснабжение, а отбор воды из обратного трубопровода - на поддержание постоянного давления на входе циркуляционного насоса. При этом подпитка циркуляционной воды обратной сетевой водой перекрывается в периоды минимального водоразбора и увеличивается в периоды максимального водоразбора. Снижение расхода тепловой энергии согласно способу-прототипу достигается за счет уменьшения расхода обратной сетевой воды в периоды минимального водоразбора.
Какое-либо управление циркуляционным насосом известные способы, включая способ-прототип, не предусматривают - он постоянно работает с номинальной частотой вращения.
Недостаток способа-прототипа состоит в том, что при постоянной (номинальной) частоте вращения циркуляционного насоса циркулирующая вода постоянно переносит потребителю максимальное количество тепла. Кроме того, поскольку отбор воды из любого (из подающего или из обратного) трубопровода теплосети влияет как на температуру, так и на давление воды в контуре горячего водоснабжения, процесс регулирования по способу-прототипу осуществляется в колебательном режиме, что снижает комфортность водоснабжения.
Указанные недостатки не позволяют способу-прототипу обеспечивать эффективную экономию тепловой и, тем более, электрической энергии, сохраняя комфортность водоснабжения.
Кроме того, к недостаткам прототипа следует отнести отсутствие универсальности по отношению к виду источника горячего водоснабжения (в качестве источника горячей воды в циркуляционных системах используются не только смесители, но и водоподогреватели). Это ограничивает практическую реализацию способа-прототипа в существующих системах горячего водоснабжения.
Сущность изобретения
Задача изобретения - предложить универсальное для циркуляционных систем горячего водоснабжения техническое решение, обеспечивающее эффективную экономию тепловой и электрической энергии без снижения комфортности водоснабжения.
Технический результат изобретения - повышение экономической эффективности систем горячего водоснабжения, выполненных как по открытой, так и по закрытой схеме (т.е. независимо от вида используемого в системе источника горячей воды) без снижения комфортности водоснабжения.
Предметом изобретения является способ снижения расхода тепловой и электрической энергии в циркуляционной системе горячего водоснабжения, заключающийся в том, что измеряют расход воды на горячее водоснабжение, регулируют частоту вращения циркуляционного насоса в обратной зависимости от отношения измеряемого расхода воды на горячее водоснабжение к базовому значению расхода и ограничивают регулируемую частоту вращения минимальным значением.
Это позволяет получить указанный выше технический результат.
Изобретение имеет развития и уточнения, относящиеся к частным случаям его осуществления, состоящие в том, что:
- указанная обратная зависимость может иметь вид
б
max
где ω - частота вращения циркуляционного насоса, Q - измеряемый расход воды на горячее водоснабжение, Q - базовое значение расхода, которое может быть выбрано равным (0,7÷1,4) от расхода воды на горячее водоснабжение в период максимального водопотребления, ω - максимальное значение регулируемой частоты вращения, которое может быть установлено равным (0,9÷1,0) от номинальной частоты вращения циркуляционного насоса;
min
- минимальное значение ω регулируемой частоты вращения выбирают равным (0,05÷0,3) от номинальной частоты вращения циркуляционного насоса.
Краткое описание фигур
б
На фиг.1 приведена блок-схема системы горячего водоснабжения, иллюстрирующая пример осуществления предлагаемого способа. На фиг.2 приведены примеры зависимости частоты вращения циркуляционного насоса от отношения Q/Q. На фиг.3 приведены графики тепловых мощностей.
Осуществление изобретения с учетом его развитии
max
min
б
б
min
Блок-схема на фиг.1 содержит источник 1 горячей воды (который может быть выполнен, например, в виде водоподогревателя), подающий трубопровод 2 и обратный трубопровод 3, подключенные к входу источника 1. В обратном трубопроводе горячей воды установлен циркуляционный насос 4, а в подающем трубопроводе 2 установлен датчик 5, измеряющий расход воды Q. Циркуляционный насос 4 снабжен регулируемым электроприводом 6 с блоком управления 7. Электропривод 6 может быть выполнен, например, на основе двигателя постоянного тока, двигателя переменного тока, вентильно-индукторного или другого типа электродвигателя. Показанный на фиг.1 в качестве примера электропривод 6 насоса 4 содержит двигатель 8 переменного тока, питаемый от преобразователя 9 частоты, в состав которого входит блок 7 и силовой блок 10. К информационному входу 11 блока 7 подключен выход датчика 5. Установочный вход 12 блока 7 предназначен для введения констант ω, ω и Q. Блок 7 выполнен с возможностью регулирования частоты вращения циркуляционного насоса 4 в обратной зависимости от отношения Q/Q и с возможностью ограничения частоты вращения ω циркуляционного насоса минимальным значением ω.
Способ осуществляется следующим образом.
Водопроводная вода из подающего трубопровода 2 вместе с циркуляционной водой из обратного трубопровода 3 поступает в источник 1. Горячая вода из источника 1 поступает в распределительную линию 13. Через полотенцесушители 14 горячая вода поступает к водоразборным приборам (кранам) 15 и в обратный трубопровод 3. При этом источник 1 тратит энергию на подогрев воды, разбираемой потребителями, и остывшей циркуляционной воды, возвращаемой насосом 4 через трубопровод 3.
В известных циркуляционных системах горячего водоснабжения, в т.ч. и системе, работающей по способу-прототипу, циркуляционный насос 4 не имеет регулируемого электропривода 6. При этом электродвигатель насоса подключен непосредственно к электросети переменного тока и вращает насос 4 с номинальной частотой вращения, которая выбрана при проектировании, исходя из условия недопущения выстуживания в отсутствие потребительского водоразбора. При наличии водоразбора и особенно в периоды его максимума тепло, отдаваемое потоком быстро циркулирующей горячей воды, оказывается избыточным, а его выделение в трубопроводе 3 прямыми потерями.
б
В системе, осуществляющей предлагаемый способ, двигатель 7 насоса 4 подключен к сети электропитания через преобразователь 9, блок 7 управления которого регулирует частоту вращения ω насоса 4 в соответствии с значением измеряемого расхода воды Q, поступающим на вход 11 блока 7 от датчика 5. При осуществлении предлагаемого способа блок 7 регулирует частоту ω в обратной зависимости от отношения Q/Q.
б
min
б
min
min
Расход Q воды на горячее водоснабжение определяется водоразбором, который имеет периоды максимума (утренний и вечерний) и минимума (ночной). Поскольку тепло несет как вода, разбираемая потребителями, так и циркуляционная вода, а количество тепла, отдаваемого циркуляционным потоком, напрямую зависит от скорости вращения ω циркуляционного насоса, обратная зависимость ω(Q/Q) обеспечивает экономию тепла без потери комфортности водоснабжения при значениях ω, превышающих некоторую величину  ω, равную, например, (0,05÷0,3) от номинальной частоты вращения циркуляционного насоса. При значениях ω(Q/Q) ниже ω блок 7 ограничивает частоту вращения снизу, поддерживая ее равной ω.
min
Необходимость ограничения частоты вращения снизу связана с тем, что при ω<ω, когда циркуляция недостаточна или отсутствует, комфортный режим нельзя гарантировать (даже при большом водоразборе) из-за высокой вероятности:
- выстуживания воды в стояках;
- недопустимого снижения температуры горячей воды на последних этажах зданий;
- возникновения нежелательного гидравлического режима, при котором вода в наиболее удаленных стояках движется в обратном направлении.
б
min
Вид обратной зависимости ω(Q/Q) при ω>ω может быть различным.
б
б
б
min
В частности, в тех случаях, когда Q выбирают так, что при Q=Q ω(Q/Q)=0, обратная зависимость при ω>ω может иметь вид (см. фиг.2а)
max
б
б
б
где ω - максимальное значение регулируемой частоты вращения циркуляционного насоса. При этом значение Q целесообразно выбирать в пределах (0,7÷1,4) от расхода воды, измеренного в период максимального водопотребления. При меньших значениях Q частота вращения ω и скорость циркуляции уменьшаются с ростом водоразбора слишком быстро, что снижает комфортность режима горячего водопотребления по указанным выше причинам. При больших значениях Q снижается экономия тепловой энергии.
б
min
б
б
б
На фиг.2б показана зависимость ω(Q/Q) в случае ограничения частоты вращения ω минимальным значением ω при Q>Q. При этом для ω>ωmin и Q<Q зависимость ω(Q/Q) имеет вид
max
max
max
Ограничение на частоты вращения сверху на уровне ω блок 7 обеспечивает либо самим характером зависимости ω(Q), принимающей значение ω при Q=0, либо по результатам сравнения ω с константой ω, введенной в блок 7 по входу 12. Это позволяет избежать избыточных затрат энергии при малом водоразборе.
mах
При модернизации существующей системы горячего водоснабжения значение ω выбирают равным (0,9-1,0) номинальной частоты вращения насоса 4, обеспечиваемой нерегулируемым приводом. Это обусловлено тем, что его номинальная частота вращения и, соответственно, расход воды в контуре циркуляции существующих систем, работающих но известным способам, как правило, превышают значения, требуемые из условий комфортности тепловодоснабжения.
цирк
общ
б
б
На фиг.3 показаны зависимости тепловой мощности Р, отдаваемой циркулирующей водой, и общей тепловой мощности Р, затрачиваемой на горячее водоснабжение, от отношения Q/Q при работе циркуляционного насоса с постоянной частотой вращения (пунктир) и с частотой вращения, находящейся в нелинейной обратной зависимости от отношения Q/Q. Заштрихованная область соответствует снижению тепловой мощности и затрат тепловой энергии.
Как видно из изложенного, при работе системы по предлагаемому способу электропривод работает со сниженной среднесуточной мощностью, что уменьшает потребление электроэнергии.
Эффективность предлагаемого решения подтверждена экспериментально.