УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЕМ ЗДАНИЯ В СИСТЕМЕ ЦЕНТРАЛЬНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
DEVICE FOR AUTOMATIC CONTROL OF HEAT CONSUMPTION OF BUILDING IN CENTRAL HEAT SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для осуществления погодозависимого и программно-временного регулирования расхода тепла в системах централизованного отопления зданий и сооружений.
Известно устройство для регулирования теплопотребления здания, содержащее водоструйный элеватор, выход которого подключен к входу системы отопления здания, а выход системы отопления здания соединен с обратной магистралью и с первым входом водоструйного элеватора, ко второму входу которого подключена подающая магистраль (Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление: Учебник для вузов. - М.: Издательство АСВ, 2002, с. 75).
Недостаток указанного устройства заключается в том, что оно не обеспечивает необходимые быстродействие и точность регулирования, поскольку процесс регулирования производится вручную посредством ступенчатого изменения площади поперечного сечения сопла водоструйного элеватора.
Наиболее близким к заявляемому устройству является «Устройство для автоматического регулирования теплопотребления» (Патент РФ на изобретение №2400796, G05D 7/00, 2010 г.), принятое за прототип, включающее последовательно соединенные и образующие замкнутый контур источник тепловой энергии, импульсный регулятор расхода теплоносителя в подающей магистрали, систему отопления здания и блок измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали, а также блок измерения температуры наружного воздуха и блок управления, связанный выходом со вторым входом импульсного регулятора расхода теплоносителя в подающей магистрали.
Недостаток указанного устройства заключается в сложности его реализации, что снижает надежность и повышает стоимость всей системы управления теплопотреблением здания, а также в его низком быстродействии, обусловленном отсутствием учета в процессе регулирования значительной тепловой инерции в контуре управления температурой воздуха внутри здания.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении надежности, экономичности и точности управления теплопотреблением здания, входящего в систему центрального теплоснабжения.
Технический результат достигается тем, что устройство для автоматического управления теплопотреблением здания в системе центрального теплоснабжения, включающее последовательно соединенные и образующие замкнутый контур источник тепловой энергии, импульсный регулятор расхода теплоносителя в подающей магистрали, систему отопления здания и блок измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали, а также блок измерения температуры наружного воздуха и блок управления, связанный выходом со вторым входом импульсного регулятора расхода теплоносителя в подающей магистрали, дополнительно содержит блок задания периода регулирования, блок задания минимального шага регулирования, блок задания шага изменения длительности импульса теплоносителя в каждом периоде регулирования расхода теплоносителя, блок коррекции знака шага изменения длительности импульса теплоносителя, блок задания температуры теплоносителя в обратной магистрали, блок задания шага изменения температуры теплоносителя в обратной магистрали за период регулирования расхода теплоносителя при минимальном значении длительности импульса теплоносителя, блок вычисления коэффициента кратности коррекции шага изменения длительности импульса теплоносителя и блок сравнения, образующие с блоком управления программируемый логический модуль, причем к первому входу блока управления подключен выход блока задания периода регулирования, ко второму входу блока управления подсоединен выход блока задания минимального шага регулирования, к третьему входу блока управления подключен выход блока задания шага изменения длительности импульса теплоносителя в каждом периоде регулирования расхода теплоносителя, подключенного первым входом к выходу блока задания минимального шага регулирования, а вторым входом связанного с выходом блока коррекции знака шага изменения длительности импульса теплоносителя, соединенного входом с выходом блока сравнения, к четвертому входу блока управления подсоединен выход блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали, связанного входом с выходом блока измерения температуры наружного воздуха, к пятому входу блока управления подключен выход блока вычисления коэффициента кратности коррекции шага изменения длительности импульса теплоносителя, соединенного первым входом с выходом блока задания шага изменения температуры теплоносителя в обратной магистрали за период регулирования расхода теплоносителя при минимальном значении длительности импульса теплоносителя, и подключенного вторым входом к выходу блока сравнения, связанного суммирующим входом с выходом блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали, и подсоединенного вычитающим входом к выходу блока измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали, при этом первым входом программируемого логического модуля служит вычитающий вход блока сравнения, вторым входом программируемого логического модуля служит вход блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали, а выходом программируемого логического модуля является выход блока управления.
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для автоматического управления теплопотреблением здания в системе центрального теплоснабжения.
Устройство содержит последовательно соединенные и образующие замкнутый контур источник тепловой энергии 1, импульсный регулятор расхода теплоносителя в подающей магистрали 2, систему отопления здания 3 и блок измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали 4, а также блок измерения температуры наружного воздуха 5, блок управления 6, блок задания периода регулирования 7, блок задания минимального шага регулирования 8, блок задания шага изменения длительности импульса теплоносителя в каждом периоде регулирования расхода теплоносителя 9, блок коррекции знака шага изменения длительности импульса теплоносителя 10, блок задания температуры теплоносителя в обратной магистрали 11, блок задания шага изменения температуры теплоносителя в обратной магистрали за период регулирования расхода теплоносителя при минимальном значении длительности импульса теплоносителя 12, блок вычисления коэффициента кратности коррекции шага изменения длительности импульса теплоносителя 13 и блок сравнения 14.
Блоки 6-14 образуют программируемый логический модуль 15.
Выход блока управления 6, подключен ко второму входу импульсного регулятора расхода теплоносителя в подающей магистрали 2.
К первому входу блока управления 6 подключен выход блока задания периода регулирования 7.
Ко второму входу блока управления 6 подсоединен выход блока задания минимального шага регулирования 8.
К третьему входу блока управления 6 подключен выход блока задания шага изменения длительности импульса теплоносителя в каждом периоде регулирования расхода теплоносителя 9, подключенного первым входом к выходу блока задания минимального шага регулирования 8, а вторым входом связанного с выходом блока коррекции знака шага изменения длительности импульса теплоносителя 10, соединенного входом с выходом блока сравнения 14.
К четвертому входу блока управления 6 подсоединен выход блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали 11, связанный входом с выходом блока измерения температуры наружного воздуха 5.
К пятому входу блока управления 6 подключен выход блока вычисления коэффициента кратности коррекции шага изменения длительности импульса теплоносителя 13, соединенного первым входом с выходом блока задания шага изменения температуры теплоносителя в обратной магистрали за период регулирования расхода теплоносителя при минимальном значении длительности импульса теплоносителя 12 и подключенного вторым входом к выходу блока сравнения 14.
Блок сравнения 14, связан суммирующим входом с выходом блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали 11 и подсоединен вычитающим входом к выходу блока измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали 4.
Первым входом программируемого логического модуля 15 служит вычитающий вход блока сравнения 14, вторым входом программируемого логического модуля 15 служит вход блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали 11, а выходом программируемого логического модуля 15 является выход блока управления 6.
Импульсный регулятор расхода теплоносителя в подающей магистрали 2 конструктивно должен быть выполнен на базе нормально-открытого электромагнитного клапана, например в соответствии с патентом РФ на полезную модель №150892.
Ввод и коррекция параметров блоков в составе логического модуля 15 осуществляется с помощью переносного и/или удаленного компьютера (не показаны на чертеже).
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии теплоноситель от источника тепловой энергии 1 через последовательно соединенные импульсный регулятор расхода теплоносителя в подающей магистрали 2 поступает в систему отопления здания 3 и через блок измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали 4 возвращается в источник тепловой энергии 1.
р
оз
н
оз
н
Предварительно в программируемом логическом модуле 15 с помощью блока задания периода регулирования 7 формируется и подается на первый вход блока управления 6 информационный сигнал, определяющий значение периода регулирования τ расхода теплоносителя в системе отопления здания 3 в зависимости от допустимой частоты включения нормально-открытого электромагнитного клапана импульсного регулятора расхода теплоносителя в подающей магистрали 2 и тепловой инерции системы отопления здания 3, а также вводится в блок задания температуры теплоносителя в обратной магистрали 11 функциональная зависимость (например, аналитическая, табличная и т.д.) заданного значения температуры теплоносителя Т в обратной магистрали системы отопления здания 3 от температуры наружного воздуха Т, измеряемой блоком измерения температуры наружного воздуха 5: Т=φ(Т).
н
оз
Информационный сигнал о текущем значении температуры наружного воздуха Т поступает с выхода блока измерения температуры наружного воздуха 5 на второй вход программируемого логического модуля 15, т.е. на вход блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали 11, а информационный сигнал о величине заданного значения температуры теплоносителя Т с выхода блока задания температуры теплоносителя в обратной магистрали 11 подается на четвертый вход блока управления 6 и на суммирующий вход блока сравнения 14.
иmin
и
Далее с помощью блока задания минимального шага регулирования 8 на второй вход блока управления 6 и на первый вход блока задания шага изменения длительности импульса теплоносителя в каждом периоде регулирования расхода теплоносителя 9 подается информационный сигнал о значении минимального шага регулирования Δt, и блок задания шага изменения длительности импульса теплоносителя в каждом периоде регулирования расхода теплоносителя 9 формирует и вводит на третий вход блока управления 6 информационный сигнал о начальной величине шага Δt изменения длительности импульса теплоносителя:
где α - целое число.
о
о
р
иmin
иmin
и
р
Кроме того, с помощью блока задания шага изменения температуры теплоносителя в обратной магистрали за период регулирования расхода теплоносителя при минимальном значении длительности импульса теплоносителя 12 на первый вход блока вычисления коэффициента кратности коррекции шага изменения длительности импульса теплоносителя 13 вводится информационный сигнал о динамическом параметре, определяющем быстродействие устройства, т.е. о шаге ΔТ изменения температуры Т теплоносителя в обратной магистрали системы отопления здания 3 за период регулирования τ расхода теплоносителя при минимальном значении длительности импульса t теплоносителя, равной минимальному шагу Δt изменения длительности импульса t теплоносителя в периоде τ регулирования расхода теплоносителя:
р
о
оз
о
В начале работы устройства и далее в начале каждого (i-го) периода регулирования τ расхода теплоносителя блок измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали 4 осуществляет измерение температуры Т теплоносителя в обратной магистрали системы отопления здания 3 и передает информационный сигнал о ее текущем значении на первый вход программируемого логического модуля 15, т.е на вычитающий вход блока сравнения 14, вычисляющего разность (Т-Т).
оз
о
оз
о
и
оз
о
и
и
оз
о
и
и
Информационный сигнал о величине (Т-Т) поступает на вход блока коррекции знака шага изменения длительности импульса теплоносителя 10, формирующего и передающего на второй вход блока задания шага изменения длительности импульса теплоносителя в каждом периоде регулирования расхода теплоносителя 9 информационный сигнал о знаке (Т-Т), определяющем знак шага Δt изменения длительности импульса теплоносителя. Так при (Т-Т)≥0 шаг изменения длительности импульса теплоносителя Δt≥0 и длительность импульса теплоносителя Δt увеличивается, а при (Т-Т)<0 шаг изменения длительности импульса теплоносителя Δt<0 и длительность импульса теплоносителя t уменьшается.
оз
о
i
и
иi
р
Информационный сигнал о величине (Т-Т) поступает также на второй вход блока вычисления коэффициента кратности коррекции шага изменения длительности импульса теплоносителя 13, осуществляющего расчет округленного значения коэффициента кратности коррекции k шага Δt изменения длительности t импульса теплоносителя в i-м периоде τ регулирования расхода теплоносителя в соответствии с зависимостью:
i
иi
р
иi
Информационный сигнал о текущем значении коэффициента кратности коррекции k подается с выхода блока вычисления коэффициента кратности коррекции шага изменения длительности импульса теплоносителя 13 на пятый вход блока управления 6, где выполняется уточнение длительности t импульса теплоносителя в i-м периоде τ регулирования расхода теплоносителя, после чего информационный сигнал с выхода программируемого логического модуля 15 (блока управления 6) подается на второй вход импульсного регулятора расхода теплоносителя в подающей магистрали 2 для формирования импульса теплоносителя t в соответствии с выражением:
о
оз
о
i
i
что обеспечивает ускоренную компенсацию больших ошибки регулирования температуры Т теплоносителя в обратной магистрали системы отопления здания 3, поскольку при (Т-Т)/ΔТо≥2 коэффициент кратности коррекции k≥2, причем величина коэффициента кратности коррекции k увеличивается с ростом тепловой инерции системы отопления здания 3. Таким образом, обеспечивается настройка регулятора на конкретный объект регулирования.
иi
р
Блок управления 6 осуществляет контроль длительности t импульса теплоносителя в i-м периоде τ регулирования расхода теплоносителя, по окончании которого закрывает нормально-открытый электромагнитный клапан импульсного регулятора расхода теплоносителя в подающей магистрали 2.
о
Необходимая точность регулирования температуры Т теплоносителя в обратной магистрали системы отопления здания 3 достигается при
где δ - зона нечувствительности.
i
и
В этом случае программируемый логический модуль 15 устанавливает в блоке управления 6 значение коэффициента кратности коррекции k=0 и регулирование длительности импульса t теплоносителя приостанавливается до момента выхода величины  за пределы зоны нечувствительности δ.
оз
о
и
о
оз
о
о
При Т>Т программируемый логический модуль 15 обеспечивает увеличение длительности импульса t теплоносителя, что ведет к росту температуры Т теплоносителя в обратной магистрали системы отопления здания 3, а при Т<Т по аналогии производится снижение температуры Т теплоносителя в обратной магистрали системы отопления здания 3.
оз
н
о
В результате в соответствии с функциональной зависимостью Т=φ(Т) осуществляется стабилизация температуры Т теплоносителя в обратной магистрали системы отопления здания 3 с заданной точностью и высоким быстродействием, а следовательно, обеспечивается требуемый тепловой режим в помещениях здания.
В случае неработоспособности устройства и/или отключении электроэнергии, в предлагаемом устройстве для автоматического управления теплопотреблением здания в системе центрального теплоснабжения подача теплоносителя в систему отопления здания 3 сохранится через нормально-открытый электромагнитный клапан импульсного регулятора расхода теплоносителя в подающей магистрали 2 с максимальным расходом теплоносителя, но при отсутствии его регулирования.
Таким образом, учитывая низкую энергоемкость нормально-открытого электромагнитного клапана импульсного регулятора расхода теплоносителя в подающей магистрали и программируемого логического модуля, а также простоту осуществления и точность функционирования технического решения, реализация предложенного устройства позволяет обеспечить высокие точность, надежность и экономичность автоматического управления теплопотреблением здания в системе центрального теплоснабжения.