Способ управления устройством активной теплозащиты зданий и сооружений
METHOD FOR CONTROLLING THE DEVICE OF ACTIVE THERMAL PROTECTION OF BUILDINGS AND STRUCTURES

Заявляемый способ управления устройством активной теплозащиты зданий и сооружений относится к области строительства энергоэффективных зданий и сооружений с рекуперацией теплопотерь и может быть использован для строительства новых и реконструируемых зданий.
В частном случае, заявляемый способ относится к системам управления тепловыми насосами компрессионного типа, входящими в состав активной теплозащиты зданий и сооружений.
Приоритетными областями применения заявляемого устройства являются общественные, производственные и административно-бытовые здания и сооружения, расположенные в районах, требующих высокоэффективных технологий в области энергосбережения и экологии.
Из современного уровня техники известна активная теплозащита зданий и сооружений, позволяющая практически полностью исключить теплопотери через защищенный ею участок ограждения, см. статью:
В.П. Харитонов, «Активная теплозащита пассивных зданий - перспективное решение для развития северных регионов России», журнал АВОК, Энергосбережение, №6, 2021, с. 18-22,
и содержание заявки на предполагаемое изобретение:
В.П. Харитонов «Устройство тепловой изоляции зданий и сооружений», МПК F24D 3/14, Е04В 1/76, рег. №2021104091, от 18.02.2021.
Отличительной чертой активной теплозащиты (АТЗ) зданий и сооружений является (наряду с традиционной технологией устройства тепло-пароизоляции наружных стен и покрытий теплоизоляционно-строительными материалами) применение теплового насоса, компрессорно-конденсаторный агрегат которого размещен в отапливаемом помещении, а испарительный блок выполнен в виде плоских оребренных трубчатых или листотрубных испарителей, которые установлены снаружи ограждения здания.
Если система управления тепловым насосом сможет обеспечить непрерывное равенство температуры кипения хладагента в плоском наружном испарителе (она практически одинакова в любой точке испарителя) и температуры наружного воздуха, то температурный напор между наружной поверхностью здания и наружным воздухом будет близок к нулю, а, следовательно, теплопотери, прямо пропорциональные разности температур, станут тоже близкими к нулю. Тепловой поток через теплоизоляцию и несущие конструкции здания по величине останется тем же, но тепло не будет уходить в окружающую среду, а расходуется на кипение хладагента, и теплосодержащие пары хладагента возвращается с помощью компрессора внутрь здания.
Наружные испарители АТЗ специалисты назвали «ловушками для тепла».
Целью заявляемого способа управления АТЗ является создание условий для функционирования холодильной машины, входящей в ее состав, в условиях непрерывно меняющихся климатических условий (температура и влажность наружного воздуха, направление и скорость ветра, относительная влажность воздуха, интенсивность атмосферных осадков, солнечная радиация).
Широко известны системы управления холодильными компрессионными машинами, реализующими обратный цикл Карно и используемые в качестве тепловых насосов для охлаждения или отопления внутренних помещений зданий и сооружений, см. например, книги:
В.П. Харитонов. Пособие для машинистов холодильных установок. Изд-во «Пищевая промышленность», 1977.
В.П. Харитонов, А.М. Коренев, А.П. Еркин. Устройство и эксплуатация холодильных установок. Изд-во «Пищевая промышленность», 1980.
Из уровня техники известен способ регулирования холодильной машины судовой системы кондиционирования воздуха, RU 2509678 С2, F25B 49/02, согласно которому в зависимости от величины заданной температуры хладоносителя устанавливают определенное давление кипения хладагента путем регулирования изменения частоты вращения привода компрессора.
Данный способ позволяет осуществить плавное непрерывное управление работой холодильного компрессора и по совокупности признаков является прототипом заявляемого способа управления устройством активной теплозащиты зданий и сооружений.
Недостатком известного способа, рассматриваемого в качестве прототипа, является невозможность использования его для управления компрессором по непрерывно меняющейся разности показаний двух датчиков температуры.
Технической задачей заявляемого способа является плавное регулирование производительности активной теплозащиты зданий и сооружений с целью поддержания температуры кипения, близкой к текущей температуре наружного воздуха.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение эффективности рекуперации тепловых потерь здания через ограждения, в результате чего достигается снижение экологической нагрузки на окружающую среду и снижение энергозатрат на отопление здания.
Решение поставленной технической задачи и достижение требуемого результата обеспечиваются тем, что в заявляемом способе управления непрерывно измеряют термометрами температуру наружной поверхности испарителя и температуру наружного воздуха, формируют стандартный сигнал, пропорциональный разности одновременно измеренных значений температур, который используют в качестве управляющего сигнала для преобразователя частоты переменного электрического тока, применяемого для электропривода компрессора.
Технический результат заявляемого устройства заключается в повышении эффективности рекуперации тепла, удаляемого из здания в отопительном сезоне системами активной теплозащиты, и использовании этого тепла для отопления помещений.
Причиной целесообразности использования предлагаемого способа является потребность в снижении потребления энергоресурсов на отопление зданий и сооружений с одновременным снижением экологической нагрузки на окружающую среду в виде выбросов тепловой энергии.
Достоинствами заявляемого устройства являются:
- снижение тепловых потерь зданий и сооружений,
- снижение затрат энергоресурсов на отопление зданий и сооружений,
- снижение экологической нагрузки на окружающую среду.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом.
На чертеже представлена схема системы активной тепловой защиты, реализующей заявляемый способ.
На чертеже обозначены:
1 - компрессорно-конденсаторный агрегат холодильной машины,
2 - частотный инвертор,
3 - преобразователь разности температур в управляющий сигнал,
4 - строительная конструкция здания,
5 - теплоизоляционное ограждение здания,
6 - датчик температуры наружного воздуха,
7 - датчик температуры стенки испарителя холодильной машины,
8 - испаритель холодильной машины,
9 - терморегулирующий вентиль,
10 - хладонопроводы.
Заявляемый способ реализуют следующим образом.
Во время отопительного сезона (холодный период года) включают компрессорно-конденсаторный блок 1 подачей напряжения на преобразователь частоты электрического тока 2 и на преобразователь 3 управляющего сигнала. Тепловой поток сквозь строительное 4 и тепло-пароизоляционное ограждение 5 направлен изнутри наружу. Разность температур кипения и температуры наружного воздуха, фиксируемая термометрами сопротивления 6 и 7, выше нуля. Температура стенки испарителя 8 близка по величине температуре кипения. Если разность температур кипения и температуры наружного воздуха превышает установленное верхнее значение диапазона регулирования, например, 5°С, то преобразователь 3 формирует управляющий сигнал, соответствующий номинальной (100%) мощности компрессора, вследствие чего температура кипения в испарителе 8 при работе компрессора понижается, и разность температур измеряемых датчиками 6 и 7 уменьшается. Непрерывное поступление парожидкостной смеси хладагента в испаритель осуществляют через терморегулирующий вентиль 9 по хладонопроводу 10. Пары хладагента, аккумулировавшие теплопотери, отсасываются компрессором для последующего их сжатия, охлаждения и конденсации. В диапазоне значений разности температур кипения и наружного воздуха, например, 0-5°С, преобразователь 3 формирует управляющий сигнал для частотного преобразователя 2, пропорциональный по величине фактической разности одновременно измеренных температур.
При превышении верхнего предела регулирования выходной сигнал соответствует 100% мощности компрессора.
При достижении нижнего предела регулирования выходной сигнал соответствует 0% мощности компрессора.
Повышение эффективности активной теплозащиты здания и снижение величины теплопотерь в результате применения заявляемого способа управления обусловлено зависимостью величины теплопотерь от величины разности температур кипения и наружного воздуха, которую удается уменьшить до десятых долей градуса, причем, показатель тепловой инерции бескорпусных (поверхностных) датчиков термопары не превышает 3 с.
Пример.
⋅
Система активной теплозащиты (АТЗ) общественного здания, расположенного в климатической зоне Арктики с длительностью отопительного периода (ГСОП) около 12000 градусе суток, установлена на покрытии здания (крыше) суммарной площадью 25 кв. метров, нормируемое значение сопротивления теплопередаче равно 6,4 м°С/Вт, температура внутреннего воздуха +20°С, температура наружного воздуха минус 20°С.
Система управления АТЗ включает в себя:
2
- листотрубный испаритель площадью поверхности 25 м, температура кипения в нем должна поддерживаться равной температуре наружного воздуха;
- компрессорно-конденсаторный агрегат производства фирмы Данфосс, модель OP-LCHC004TLA00G, электропитание 1 ф., 220 В, потребляемая мощность 170 Вт, холодопроизводительность 160 Вт, температура кипения до минус 25;
- преобразователь частоты электрического тока ПЧВ101-К18-А производства ООО "ОВЕН-ПРОМ", Санкт-Петербург, для управления приводами на базе асинхронных двигателей в промышленности, основные параметры его:
• питание 1×220 В (0,18…2,2 кВт) и 3×380 В (0,37…22 кВт);
• выходная частота до 400 Гц;
• диапазон регулирования до 1:1000;
• точность поддержания скорости до 0,1% от фактической
• аналоговые входы: 2 (1 U/I, 1 I);
- ПИД-терморегулятор ТРМ212-Н.УР производства ООО "ОВЕН-ПРОМ", Санкт-Петербург, с двумя универсальными входами для подключения датчиков температуры и с двумя сигналами управления (1-й выход - 0…10 В, 2-й выход - реле для сигнализации);
- датчики температуры (датчики термосопротивления с кабельным выводом), 2 шт., модель ДТС414-50М.В3.80/0,7, производства ООО "ОВЕН-ПРОМ", Санкт-Петербург, один из которых закреплен с наружной стороны на листотрубном испарителе и закрыт теплоизоляцией от воздействия наружного воздуха, а второй датчик температуры закреплен снаружи стены здания для измерения температуры наружного воздуха.
Система управления АТЗ здания согласно заявляемому способу работает следующим образом:
сигналы датчиков температуры поступают на входы ПИД-терморегулятора, обрабатываются, в результате чего формируется аналоговый сигнал U, (В), который должен быть равен:
- при разности температур внутри рабочего диапазона регулирования 5°С>Δt>0°С сигнал управления прямо пропорционален текущему значению разности температур (чем больше разность температур, тем больше значение управляющего сигнала),
- при разности температур Δt<0°C сигнал управления равен 0 (компрессор выключен),
- при разности температур Δt>5°С сигнал управления ПИД терморегулятора равен 100%, то - есть 10 В, (компрессор включен на полную производительность).
В результате работы системы управления АТЗ здания теплопотери через покрытие здания практически отсутствуют, так как величина этих потерь близка к нулю, поскольку система управления обеспечивает минимальную величину температурного напора на внешней поверхности ограждения (покрытия) здания даже при резком изменении погодных условий.