ОДНОТРУБНАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С РЕГУЛИРОВАНИЕМ РАСХОДА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
SINGLE-PIPE HEAT SUPPLY SYSTEM WITH HEAT CARRIER FLOW CONTROL

Система, в которой применяют средства регулирования расхода и подачи теплоносителя в стояк однотрубной системы типовой компоновки, например, для строительных кооперативов, для подачи тепла к радиаторам в квартирах. Этот способ регулирования относится к регулированию температуры теплоносителя в ответ на изменения внешних параметров (температуры) и расхода в ответ на изменения температуры теплоносителя в обратном трубопроводе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Снабжаемые по трубам радиаторы, например, в зданиях или строительных кооперативах обычно компонуют либо в виде двухтрубной, либо в виде однотрубной системы. Ниже мы будем говорить, в общем, о "домах", имея в виду здания, состоящие из нескольких квартир, или любые другие помещения, для которых такие компоновки являются типичными.
В традиционных двухтрубных системах комплект параллельных труб образует подающие трубопроводы (или, применяя более общий термин, "линии") для совокупности теплообменных аппаратов, например радиаторов. Трубопроводы, соединенные с каждой такой совокупностью теплообменных аппаратов, называют стояками; в традиционных двухтрубных системах расход в каждом стояке регулируют отдельно, таким образом согласуя с текущей нагрузкой динамический расход в каждом стояке.
Однако в однотрубных системах теплоноситель (обычно воду) с определенным расходом и определенной температурой среды (обычно воды) подачи подают по подающему трубопроводу к совокупности теплообменных аппаратов. Отдельные радиаторы соединяют последовательно один за другим, так что обратный трубопровод одного радиатора является подающим трубопроводом для следующего радиатора.
Обычно расход теплоносителя для каждого радиатора регулируют при помощи термостатов, устанавливаемых пользователями радиаторов, но в традиционных системах общий расход в подающем трубопроводе и обратном трубопроводе, по существу, постоянен, то есть в зависимости от изменений нагрузки он не меняется.
Например, в жаркий день, или просто когда увеличение температуры в помещении приводит к закрытию радиаторного термостата, радиаторные термостаты, в общем, закрываются, чтобы большая часть теплоносителя текла через байпас. Такая компоновка ведет к нежелательной высокой температуре теплоносителя в обратном трубопроводе (обратных трубопроводах). Высокая температура теплоносителя нежелательна, так как это ведет к неконтролируемому нагреву жилых помещений и, более того, излишним потерям тепла теплоносителя в трубопроводах, поскольку трубопроводы продолжают подавать тепло, хотя радиаторы закрыты. В частности, это имеет место в том случае, если трубопроводы плохо изолированы. Это причиняет жильцам дополнительные неудобства.
В двухтрубных системах гидрораспределитель, регулирующий расход, располагают центрально. В случае однотрубной системы это невозможно, так как это привело бы к недостаточному расходу в частях системы, все еще имеющих большую нагрузку, и к избыточному расходу в частях/стояках с низкой нагрузкой.
Данное изобретение относится к решению, позволяющему создать высокоэффективную однотрубную систему с зависящим от нагрузки энергопотреблением.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В данном изобретении проблема однотрубных систем решается благодаря применению двойного регулирования: одного для регулирования температуры подаваемого теплоносителя, то есть температуры подачи, и еще одного для регулирования расхода через совокупность теплообменных аппаратов в зависимости от температуры теплоносителя в обратном трубопроводе. Регулирование расхода и температуры в обратном трубопроводе каждого стояка осуществляют "децентрализовано".
Регулирование температуры подачи основано на наружных условиях, включающих такие влияющие на систему условия, на которые сама система влиять не может, например, при применении погодного регулятора эти условия предпочтительно включают погоду (в частности, наружную температуру, например температуру наружного воздуха в районе здания), но эти условия также могут включать другие факторы, могущие повлиять на расчетное количество тепла, которое необходимо подать в дома. Основной, но не исключительный, вариант осуществления изобретения, в частности, связан с наружной температурой, следовательно, система опционально содержит датчик наружной температуры. В еще более предпочтительном варианте осуществления систему соединяют с системой прогноза погоды, например, через Интернет.
Таким образом, в данном изобретении предлагается система, которая содержит:
совокупность теплообменных аппаратов, соединенных последовательно, так что обратный трубопровод одного теплообменного аппарата является подающим трубопроводом для следующего теплообменного аппарата;
магистральный подающий трубопровод, соединенный с подающим трубопроводом первого (если смотреть в направлении потока) из теплообменных аппаратов;
магистральный обратный трубопровод, соединенный с обратным трубопроводом последнего (если смотреть в направлении потока) из теплообменных аппаратов;
в которой теплоноситель с температурой в подачи подают с определенным расходом из магистрального подающего трубопровода к совокупности теплообменных аппаратов,
причем эта система дополнительно содержит
регулятор расхода, соединенный с обратным трубопроводом, причем регулятор расхода предназначен для регулирования расхода в обратном трубопроводе;
исполнительное устройство, управляющее регулятором расхода;
датчик температуры, расположенный с теплообменной связью с теплоносителем в обратном трубопроводе.
Чтобы обеспечить непрерывный расход, несмотря на частые изменения нагрузки каждого из теплообменных аппаратов, например, когда эти аппараты регулируются пользователями, регулятор расхода, кроме того, приспособлен для поддержания постоянного расхода, несмотря на изменения давления в магистральном подающем трубопроводе.
Чтобы избежать подачи в систему слишком большого количества энергии, предпочтительно посредством заблаговременного соответствия наружным условиям, в одном из вариантов осуществления изобретения система может содержать наружный датчик температуры, установленный для измерения наружной по отношению к системе температуры.
В частности, но не исключительно, чтобы обеспечить регулирование температуры в обратном трубопроводе по уставке в зависимости от различных параметров, в одном из вариантов осуществления изобретения система может содержать электронный регулятор, соединенный с каждым исполнительным устройством и датчиками температуры, соединенными с обратными трубопроводами системы. Опционально электронный регулятор соединяют с датчиком температуры, соединенным с магистральным подающим трубопроводом, а также опционально с датчиком наружной температуры.
В одном из вариантов осуществления изобретения каждое исполнительное устройство управляется при помощи импульсов, например, в тех случаях, когда исполнительное устройство представляет собой электромагнитное, пневматическое, гидравлическое или электрострикционное управляющее устройство.
Чтобы обеспечить постоянную оптимизацию системы, электронный регулятор приспособлен для слежения за измеряемыми параметрами и использования этих данных для оптимизации зависимости уставки температуры подачи от наружной температуры и уставки температуры в обратном трубопроводе от уставки температуры подачи.
В варианте, альтернативном варианту с электронным регулятором, каждое исполнительное устройство соединено прямо с датчиками температуры, представляет собой устройство прямого действия и содержит средства регулирования уставки температуры в обратном трубопроводе. Естественный выбор заключается в том, что исполнительное устройство представляет собой термостат.
В домах часто имеется несколько стояков, подключенных параллельно друг другу, поэтому расход в каждом стояке системы соответствует нагрузке и расход в каждой совокупности стояков регулируется отдельно.
Чтобы обеспечить оптимальную уставку системы, в одном из вариантов осуществления изобретения температуру подачи регулируют в соответствии с уставкой температуры в подающем трубопроводе в зависимости от внешних по отношению к системе параметров, а расход регулируют в соответствии с уставкой температуры в обратном трубопроводе в зависимости от температуры теплоносителя вниз по потоку от первого аппарата в совокупности теплообменных аппаратов. Уставку температуры в обратном трубопроводе предпочтительно регулируют в ответ на регулирование уставки температуры подачи.
ФИГУРЫ
Фиг.1. Стандартная компоновка однотрубной системы, в которой может быть использовано данное изобретение.
Фиг.2. Несколько параллельных стояков, каждый из которых объединен с совокупностью теплообменных аппаратов, причем каждый стояк регулируют в соответствии с одним из вариантов осуществления данного изобретения.
Фиг.3. Регулятор расхода, применяемый в одном из вариантов осуществления изобретения, причем этот регулятор приспособлен для поддержания постоянного расхода, несмотря на изменения давления.
Фиг.4. Графики зависимости уставки от наружных условий.
Фиг.5A и 5B. Графики, показывающие, каким образом данное изобретение позволяет установить соотношение расходов для лучшего соответствия фактической нагрузке в системе.
Фиг.6. Система, в которой применяют электронный регулятор в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 показана типичная конфигурация однотрубной системы, при которой некоторое количество теплоносителя (обычно воды), имеющего температуру подачи, через подающий трубопровод (3) с определенным расходом подают к совокупности теплообменных аппаратов (6), например радиаторов, и которая предназначена для отопления нескольких жилых помещений. Ниже без потери всеобщности такие теплообменные аппараты (6) часто называются радиаторами. Отдельные радиаторы (6) соединяют последовательно один за другим, так что обратный трубопровод (4) одного радиатора (6) является подающим трубопроводом (3) для следующего радиатора (6). Подающий трубопровод (3) и обратный трубопровод (4) каждого радиатора (6) дополнительно соединяют байпасом (5). Магистральный подающий трубопровод (1) соединяют с подающим трубопроводом (3) первого (если смотреть в направлении потока) из радиаторов (6), а магистральный обратный трубопровод (2) соединяют с обратным трубопроводом (4) последнего (если смотреть в направлении потока) из радиаторов (6) совокупности.
Такая компоновка кое-где является типичной для домов, содержащих несколько помещений и квартир, в которых, например, каждый из нескольких параллельных стояков соединен с несколькими помещениями или квартирами. В этом тексте каждое из помещений или квартир рассматривают как один теплообменный аппарат, в этом случае сопряженные со стояком помещения (квартиры) содержат "совокупность" теплообменных аппаратов или радиаторов (6).
Отдельные радиаторы (6) внутри каждого помещения (квартиры) могут соединять по схожей или весьма разной компоновке.
Таким образом, в домах, которые содержат несколько стояков, такая система содержит соответствующее множество совокупностей радиаторов, соединенных последовательно и присоединенных к общему магистральному подающему трубопроводу (1) и магистральному обратному трубопроводу (2), причем расход в каждой из совокупностей регулируют отдельно.
Теплоноситель могут подавать прямо в радиаторы (6) (далее мы будет называть это компоновкой с прямой подачей) либо в системе могут применять подстанцию, содержащую теплообменник, отделяющий подающие трубопроводы, например, от здания (далее мы будем называть это компоновкой с подстанцией), таким образом образуя замкнутый контур для теплоносителя, циркулирующего в отдельных радиаторах (6). Расход теплоносителя в каждом радиаторе (6) регулируют при помощи средств (7) регулирования расхода, далее без потери всеобщности называемых радиаторными термостатами.
Кроме того, регулирование расхода в радиаторах (6) влияет на расход в байпасах (5); при изменении расхода в радиаторах (6) соответственно меняется расход в байпас (5).
Например, в жаркий день или просто когда приток тепла от имеющихся в помещении источников вызывает закрытие радиаторного термостата (7), радиаторные термостаты (7), в общем, закрываются, чтобы большая часть теплоносителя текла через байпас (5). Такая компоновка ведет к нежелательной высокой температуре теплоносителя в обратном трубопроводе (обратных трубопроводах) (4). Высокая температура теплоносителя в обратном трубопроводе нежелательна, так как это ведет к неконтролируемому нагреву жилых помещений и, более того, излишним потерям тепла теплоносителя в трубопроводах, поскольку трубопроводы продолжают подавать тепло, хотя радиаторы закрыты. В частности, это имеет место в том случае, если трубопроводы плохо изолированы. Это причиняет жильцам дополнительные неудобства.
В данном изобретении эта проблема решается благодаря применению двойного регулирования: одного для регулирования температуры подаваемого теплоносителя, то есть температуры подачи, и еще одного для регулирования расхода через совокупность теплообменных аппаратов (6) в зависимости от температуры теплоносителя в обратном трубопроводе (3).
Регулирование температуры подачи основано на наружных условиях, включающих такие влияющие на систему условия, на которые сама система влиять не может, например, эти условия предпочтительно включают погоду (в частности, наружную температуру, например температуру наружного воздуха в районе здания), но эти условия также могут включать другие факторы, могущие повлиять на расчетное количество тепла, которое необходимо подать в дома. Основной, но не исключительный, вариант осуществления изобретения, в частности, связан с наружной температурой, следовательно, система опционально содержит датчик (8) наружной температуры. В еще более предпочтительном варианте осуществления систему соединяют с системой прогноза погоды, например, через Интернет.
Таким способом, регулирование расхода в стояках основано на фактическом потреблении или нагрузке (2) в стояке (стояках), так как меняющееся потребление изменяет температуру теплоносителя в обратном трубопроводе (обратных трубопроводах) (4).
На фиг.2 показана компоновка в соответствии с данным изобретением, при которой регулятор (9) расхода соединяют с обратным трубопроводом (4), соединенным с совокупностью радиаторов (6), для контроля расхода теплоносителя в трубопроводах, питающих эти радиаторы (6).
В предпочтительном, но не ограничительном, варианте осуществления изобретения регулятор (9) расхода имеет два режима: клапана регулирования расхода и не зависящего от давления балансировочного клапана. В этом варианте осуществления изобретения регулятор (9) расхода содержит средства для установки заданного расхода и средства для обеспечения по существу постоянного расхода, несмотря на изменения давления в проточной системе. Такие клапаны можно приобрести на рынке, в качестве примера можно назвать серию изделий AB-QM, поставляемых фирмой Danfoss A/S, которые раскрыты, например, в патенте DE 103 23 981.
На фиг.3 показан такой клапан (9) или регулятор расхода, состоящий из двух частей - дифференциального регулятора давления и регулирующего клапана. Дифференциальный регулятор давления поддерживает постоянное дифференциальное давление на регулирующем клапане (9). Регулирующий клапан (9) содержит шток (31), сальник (32), пластмассовое кольцо (33), конус (34) регулирующего клапана, мембрану (35), главную пружину (36), полый конус (регулятор давления) (37) и вулканизированное седло (регулятор давления) (38). Разность давлений ΔPcv (P2-Р3) на мембране (35) компенсируют благодаря силе пружины (36). Всякий раз, когда дифференциальное давление на регулирующем клапане (9) меняется (вследствие изменения возможного давления или перемещения регулирующего клапана), полый конус (37) перемещается в новое положение, что порождает новое равновесие и, следовательно, сохраняет дифференциальное давление на постоянном уровне. Регулирующий клапан (9) имеет линейную характеристику. Его характерная особенность заключается в ограничении хода, что делает возможной регулировку значения Kv. Ограничение хода изменяют, приподняв блокировочный механизм и повернув головку клапана (9) в требуемое положение. Блокировочный механизм автоматически предотвращает нежелательные изменения установки.
Применение такого регулятора (9) расхода дает еще одно преимущество, которое заключается в том, что, например, расход в стояках регулируют взаимно независимо, несмотря на то, что стояки соединены с общим подающим трубопроводом (1) и общим обратным трубопроводом (2).
Из фиг.2 видно, что регулятор расхода соединяют с обратным трубопроводом (4) последнего (если смотреть в направлении потока) из радиаторов (6), причем с регулятором расхода (9) соединено исполнительное устройство (10), опционально с применением адаптера. Кроме того, на этом чертеже показан датчик температуры (11), расположенный в состоянии теплообмена с обратным трубопроводом (4).
Исполнительные устройства (10) могут представлять собой исполнительные механизмы, они могут быть устройствами прямого действиями или управляемыми устройствами, и они могут работать по любому из известных принципов, например электромагнитному, пневматическому, гидравлическому, электроактивному и т.д.
Итак, на фиг.2 показана система с двойным регулированием: одна часть регулирования относится к регулированию температуры подачи в зависимости от наружных условий, например наружной температуры, а вторая часть предназначена для регулирования расхода, связанного с каждой совокупностью теплообменников (6), в зависимости от температуры в обратном трубопроводе, то есть температуры теплоносителя в обратном трубопроводе (4). Таким образом, эта система становится системой с переменным расходом и индивидуальным регулированием расхода в каждом стояке в зависимости от нагрузки в каждом из отдельных стояков.
На фиг.4 приведены две кривые, иллюстрирующие регулирование в соответствии с данным изобретением. Верхняя кривая (12) представляет собой кривую регулирования температуры подачи в зависимости от наружной температуры. Во всяком случае эта кривая показывает, как уставка температуры подачи меняется с изменением наружной температуры. Точная форма этой кривой и зависимость зависят от нескольких факторов, например от состояния изоляции здания; обычно ее оптимизируют в соответствии с условиями реальной системы.
Изменять уставку температуры в обратном трубопроводе в соответствии с изменениями уставки температуры подачи предпочтительно по нескольким причинам, например в связи с проблемами, возникающими из-за избыточного тепла.
Аналогично нижняя кривая (13) представляет собой кривую регулирования уставки температуры в обратном трубопроводе, причем эта кривая отражает усовершенствованный вариант основного регулирования температуры в обратном трубопроводе, когда уставка температуры в обратном трубопроводе активно изменяется в соответствии с результатом регулирования температуры подачи на основе наружной температуры. Следовательно, эта кривая отображает регулирование уставки температуры в обратном трубопроводе. Целью является, чтобы эффективность регулирования, при котором расход регулируют по нагрузке в каждом стояке, оставалась высокой в течение всего отопительного сезона.
Итак, нижняя кривая (13) изменяется вследствие двух факторов: температуры подачи и нагрузки в стояке (стояках), так как нагрузка в стояках непредсказуема и изменяется от 100 до 0%.
Таким образом, в соответствии с данным изобретением в системе применяют регулирование высшего порядка - регулирование уставки температуры в подводящем трубопроводе в зависимости от наружных условий и регулирование низшего порядка - коррекцию системы посредством изменения расхода в соответствии с температурой в обратном трубопроводе, зависящей от нагрузки в стояке (стояках), причем в вариантах осуществления данного изобретения уставка температуры в обратном трубопроводе активно изменяется в соответствии с изменением уставки температуры в подводящем трубопроводе.
На фиг.5А приведено графическое представление зависимости расхода от нагрузки в традиционной однотрубной системе без предлагаемого в данном изобретении регулирования. Пунктирной линией (14) показан текущий расход, колеблющийся непредсказуемым образом, поскольку эти системы вследствие работы радиаторного термостата (7) являются динамическими системами. Этот график наглядно показывает, что волнистая линия (16), отображающая текущую нагрузку, не находится в корреляционной связи с текущим расходом.
Прямая линия (15) является следствием применения в соответствии с изобретением не зависящего от давления регулятора (9) расхода.
На фиг.5B показана ситуация, соответствующая данному изобретению, когда расход регулируют в зависимости от температуры в обратном трубопроводе, таким образом регулируя расход в соответствии с потреблением или нагрузкой. Это дает такой расход (17), который в большей степени соответствует текущему потреблению, и, следовательно, более эффективную систему.
Изображенная на фиг.2 система соответствует простой конфигурации данного изобретения, при которой исполнительное устройство (10), управляющее уставкой расхода регулятора (9) расхода, представляет собой термостат любого типа, известного из современного уровня техники, то есть эта система является системой прямого действия. Датчик (11) температуры соединен прямо с управляющим устройством (10).
Такая компоновка обладает следующим преимуществом: дополнительный источник энергии для работы системы не нужен, и каждый стояк можно регулировать отдельно. Использование в качестве исполнительного устройства (10) обычного термостата, известного из уровня техники, дает преимущество, заключающееся в том, что такие устройства часто содержат средства установки заданной температуры, следовательно, уставку температуры в обратном трубопроводе можно регулировать в соответствии с определенной зависимостью, например, показанной на фиг.4.
На фиг.6 показан вариант осуществления изобретения, при котором все датчики (8), (9) и (19) (датчик температуры, измеряющий температуру теплоносителя в магистральном подающем трубопроводе (1)) и регуляторы (9) расхода или альтернативно исполнительные устройства (10) соединены с электронным регулятором (18), приспособленным для индивидуальной регулировки расходов в ответ на измеренную температуру. Применение такого электронного регулятора (18) дает ряд преимуществ в отношении исполнительных устройств прямого действия.
Электронный регулятор (18) содержит необходимые для электронных регуляторов (18) средства, хорошо известные в данной области техники.
При помощи электронного регулятора (18) уставка температуры в обратном трубопроводе автоматически регулируется в соответствии с фактическими условиями, в то время как в варианте с прямым регулированием уставку температуры в обратном трубопроводе обычно устанавливают вручную. Это дает огромный потенциал сбережения энергии, поскольку в этом случае система оптимизирует уставку температуры в обратном трубопроводе в соответствии с показанной на фиг.4 оптимизированной кривой (13).
В этом электронном варианте температуру подачи регулируют при помощи измерения наружной температуры (регулирование высшего порядка). На основе такого регулирования высшего порядка уставку температуры в обратном трубопроводе регулируют так, что устанавливают соответствующее значение, позволяющее оптимизировать рабочие параметры системы на протяжении всего года, следовательно, эти рабочие параметры от нагрузки (наружной температуры) не зависят. Регулирование высшего порядка расходов в стояках связано с отдельными совокупностями радиаторов (6) (нагрузками в стояках), таким образом благодаря этому регулированию расход связывают с потреблением тепла и таким образом преобразуют эту однотрубную систему, превращая ее из обычной системы с постоянным расходом в высокоэффективную систему с переменным расходом.
Еще одно преимущество заключается в том, что электронный регулятор (18) позволяет контролировать и регистрировать температуру и расход для регулирования и системного контроля, чтобы оперативно оптимизировать параметры системы в процессе работы.
Для защиты насоса системы в случае перекрытия всех стояков электронный регулятор (18) в одном из вариантов осуществления изобретения может автоматически открыть клапаны или регуляторы (9) расхода, расположенные по меньшей мере в одном из стояков, чтобы обеспечить минимальный расход.
Представленная система содержит датчик (8) наружной температуры для измерения температуры наружного воздуха. Регулирование температуры в магистральном подающем трубопроводе (1) можно осуществить любым способом, вполне понятным образом следующим из фактической компоновки. В представленной системе с подстанцией это могут осуществить посредством регулирования расхода теплоносителя в первичном контуре теплообменника (20) подстанции.
Электронный регулятор (18) соединен с отдельными исполнительными устройствами (10) и выполнен с возможностью приведения этих устройств в действие. В одном из вариантов осуществления изобретения при помощи электронного регулятора (18), кроме того, контролируют состояние исполнительных устройств (10).
Кроме того, электронный регулятор (18) соединен с датчиками (9), {19) температуры, измеряющими температуру в магистральном подающем трубопроводе (1) и в обратном трубопроводе отдельных стояков. Опционально он может быть соединен также с датчиком (8) наружной температуры (датчиком наружных условий).
В одном из вариантов осуществления изобретения исполнительным устройством (10), соединенным с регулятором (9) расхода, управляют при помощи импульсов. При широтно-импульсной модуляции в качестве средства регулирования для точного регулирования расхода применяют импульсы определенной частоты. Исполнительное устройство (10) предназначено для медленного закрытия или открытия регулятора (9) расхода, поскольку этот регулятор закрывается или открывается для расхода в стояке; импульс вызывает незначительное открытие или закрытие исполнительного устройства (9). В этом случае частота импульсов определяет открытое положение регулятора (9) расхода. Чем выше частота импульсов, тем в большей степени открыт регулятор (9) расхода или, альтернативно, тем в меньшей степени закрыт регулятор (9). Предпочтительна ситуация, когда импульсы приводят к тому, что исполнительное устройство (10) закрывает регулятор (9) расхода, так как в случае неисправности системы некоторый расход все еще сохранится, но данное изобретение таким решением не ограничено.