СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТЬЮ В СИСТЕМЕ ОТОПЛЕНИЯ С ТВЁРДОТОПЛИВНЫМ КОТЛОМ
METHOD FOR HEAT POWER CONTROL IN HEATING SYSTEM WITH SOLID FUEL BOILER

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам отопления с котлами на твердом топливе, и может быть использовано для создания систем отопления с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками и расширенными функциональными возможностями.
Известна система отопления и горячего водоснабжения на основе газового котла (патент РФ №2452906, №2652974), в которой реализуется способ управления тепловой мощностью, основанный на нагреве в котле теплоносителя до температуры, соответствующей требуемой мощности, подаче заданного объема теплоносителя в систему отопления, изменении температуры теплоносителя путем изменения объема сжигаемого в котле газа. Недостатком изложенного способа является ограниченная возможность реализации из-за недоступности подключения к газовым сетям во многих регионах страны, высокая стоимость тепловой энергии при автономной системе газоснабжения, взрывоопасность системы отопления, минимальная мощность ограничена температурой теплоносителя ниже точки росы.
Известна система отопления на основе твердотопливного котла (Ю.Л. Гусев. Основы проектирования котельных установок. М., Стройиздат, 1973, с. 239-241), в которой реализуется способ управления тепловой мощностью в системе отопления и горячего водоснабжения, включающий нагрев теплоносителя (воды) до требуемой температуры, передачу заданного объема теплоносителя в систему отопления, подмешивание к охлажденной в системе отопления воде, нагретой воды до получения температуры, подаваемой в котел, на несколько градусов выше точки росы и нагрева воды до температуры, соответствующей требуемой мощности, подаваемой в систему отопления. Недостатком описанного способа является сложность его реализации и высокая стоимость системы отопления.
Известна отопительная система с принудительной циркуляцией теплоносителя (патент на полезную модель РФ №143360), выбранная в качестве прототипа, в которой реализуется способ управления тепловой мощностью, включающий нагрев теплоносителя до температуры (выше точки росы), соответствующей потребляемой в системе отопления и горячего водоснабжения тепловой мощности, подачу заданного объема теплоносителя в систему отопления, изменение температуры теплоносителя до температуры, соответствующей потребляемой мощности, путем изменения объема входного воздуха в котле, изменяющего интенсивность горения топлива.
Недостатками известного способа являются:
- небольшой диапазон перестройки мощности, характерный для твердотопливных котлов, который обусловлен тем, что большая мощность ограничена приемлемыми тепловыми потерями, которые возрастают с ростом температуры дымовых газов, а минимальная мощность ограничена допустимой температурой дымовых газов, при которой не наблюдается быстрый рост отложений на теплообменных поверхностях и дымоходе;
- быстрый рост отложений на теплообменных поверхностях на небольших мощностях, что приводит к необходимости частого обслуживания котла и низким эксплуатационным характеристикам системы отопления;
- возможность образования конденсата в котле при генерации небольших мощностей и температуре теплоносителя ниже точки росы;
- на малых мощностях из-за низкой температуры тления топлива резко возрастает его химический недожог, в связи, с чем снижается полный КПД котла и увеличивается вероятность его угасания.
Технический результат состоит в расширении диапазона перестройки мощности и повышении эксплуатационных характеристик.
Технический результат достигается тем, что способ управления тепловой мощностью в системе отопления от твердотопливного котла, в котором в котле нагревают теплоноситель, прокачивают его через систему отопления, изменяют температуру теплоносителя путем регулировки объема воздуха, изменяющего интенсивность горения топлива, нагревают теплоноситель до номинальной или максимальной температуры (80-95°С), изменяют объем теплоносителя, проходящего через систему отопления путем изменения скорости прокачки теплоносителя и/или изменения проходного сечения трубопровода и поддерживают температуру теплоносителя близкой к исходному значению путем изменения генерируемой мощности.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-3 на примере системы отопления, на основе твердотопливного котла. На фиг. 1 показаны операции прототипа, на фиг. 2 - операции предлагаемого изобретения, а на фиг. 3 - пример системы отопления, реализующей предлагаемый способ. На фиг. 1 обозначено:  - операции прототипа, 1 - нагрев теплоносителя твердотопливного котла до температуры, соответствующей требуемой мощности, но выше точки росы, 2 - подача заданного объема теплоносителя в систему отопления, 3 - повышение температуры теплоносителя до температуры, соответствующей требуемой мощности, путем изменения объема воздуха, изменяющего интенсивность горения топлива. На фиг 2 обозначено:  - операции, отличающиеся от прототипа режимом их проведения, 4 - нагрев теплоносителя в твердотопливном котле до температуры (80-95°С), соответствующей номинальной или максимальной мощности, 5 - изменение объема теплоносителя, подаваемого в систему отопления, в соответствии с требуемой мощностью, путем изменения скорости прокачки теплоносителя и/или изменения сечения трубопровода, 6 -поддерживают температуру теплоносителя, близкой к исходному значению, путем изменения генерируемой мощности за счет изменения объема воздуха подаваемого в котел. На фиг. 3 приведен один из возможных вариантов системы отопления и горячего водоснабжения, где обозначено: 7 - твердотопливный котел, 8 - входной воздуховод, 9 - заслонка, 10 - привод заслонки, 11 - терморегулятор, 12 - дымоход, 13 - радиаторы отопления, 14 - трехходовой кран, 15 - циркуляционный насос, 16 - регулировочный кран, 17 - расширительный бак, 18 - ввод водоснабжения, 19 - контур водонагревателя, 20 - проходной кран, 21 - кран умывальника, 22 - ванна.
Для реализации предлагаемого способа управления тепловой мощностью в системе отопления с твердотопливным котлом, в качестве твердотопливного котла 7, необходимо использовать котел длительного горения, например, шахтного типа, в котором происходит горение сравнительно небольшого объема топлива в нижней части загрузочного бункера. Устройство управления объемом входного воздуха должно быть высокоточным, например, на основе энергонезависимой двухступенчатой заслонки 9 (патент РФ №2651393) с терморегулятором 11 на основе биметаллической спирали или, например, электромеханического терморегулятора (патент на полезную модель РФ №174496). Радиаторы отопления 13 принципиальных особенностей не имеют, а их количество зависит от размеров и этажности отапливаемого помещения. Трехходовой кран 14 также не имеет особенностей и используется по прямому назначению. При достижении температуры теплоносителя больше точки росы кран 14 переключает поток теплоносителя с короткого контура на контур отопления. Циркуляционный насос 15 может иметь плавную регулировку производительности от нуля до максимума или в более узком диапазоне, обеспечивающего прокачку теплоносителя через радиаторы для отдачи от минимальной до максимальной тепловой мощности. Насос 15 может иметь встроенный блок управления или подключаться через внешний частотный преобразователь с электронным управлением. Управление насосом 15 может осуществляться от датчика температуры в помещении, в том числе с учетом температуры снаружи помещения и динамики ее изменения или по заданной программе от программируемого блока управления. В случае если циркуляционный насос имеет ограниченный диапазон перестройки производительности или в системе с естественной циркуляцией теплоносителя (без циркуляционного насоса) используется регулировочный кран 16, который предназначен для изменения проходного сечения трубопровода с целью изменения его гидравлического сопротивления и изменения скорости прокачки или протекания теплоносителя. Кран 16 может быть выполнен с ручным управлением или электронным на основе сервопривода и в зависимости от сложности системы отопления ее конфигурации и состава, и использоваться совместно с насосом 15 в системе с принудительной циркуляцией теплоносителя или отдельно в системе с гравитационной (естественной) циркуляцией. Расширительный бак 17 особенностей не имеет и его объем выбирается не менее 1:10 от объема теплоносителя в системе отопления. Ввод водоснабжения 18 может быть подключен к индивидуальной насосной станции от скважины или к централизованной магистрали водоснабжения. Контур водонагревателя 19 может быть встроенным в котел 7 или установлен в отдельном теплообменном баке. Контур 19 подключен к вводу 18 через проходной кран 20. В качестве пунктов потребления горячей воды могут быть, например, умывальник 21 и ванна 22.
Работает система отопления по предлагаемому способу следующим образом. После загрузки котла 7 топливом (дрова, брикеты и др.) оно поджигается, заслонка 9 открывается приводом 10 терморегулятора 11 поворотом его на соответствующий угол. Включается циркуляционный насос 15, при этом теплоноситель прокачивается через трехходовой кран 14 по малому кругу. Температура теплоносителя постепенно повышается и при достижении температуры теплоносителя, соответствующей номинальной или максимальной мощности (80-95°С), трехходовой кран 14 переключается и теплоноситель проходит по большому кругу через регулирующий кран 16 и радиаторы 13. При этом скорость прокачки теплоносителя циркуляционным насосом 15 выбирается соответствующей требуемой тепловой мощности, отдаваемой в систему отопления, которая может быть значительно меньше максимальной. Если потребляемая тепловая мощность оказывается значительно меньше максимальной мощности, а циркуляционный насос 15 имеет ограниченный диапазон перестройки производительности, то регулировочным краном 16 увеличивается гидравлическое сопротивление системы и, тем самым, обеспечивается уменьшение объема прокачиваемого теплоносителя и снижение отдаваемой в систему отопления тепловой мощности до требуемой. При этом, одновременно при нагреве холодной воды в контуре водонагревателя 19 и включении потребителей горячей воды 21, 22, из котла 7 может сниматься дополнительная тепловая энергия. При отборе тепловой мощности из котла 7 температура теплоносителя начинает снижаться, заслонка 9 приоткрывается, в котел начинает поступать больше воздуха и интенсивность горения повышается. Происходит увеличение генерируемой мощности, и температура теплоносителя повышается до близкого к исходному значению. При этом заслонка остается открытой на небольшой угол, а в котел поступает столько воздуха, сколько необходимо для генерации потребляемой мощности. Если потребление тепловой энергии остается примерно постоянным, то в котле 7 происходит генерация потребляемой энергии с небольшими колебаниями температуры теплоносителя. В случае прекращения потребления тепловой энергии системой отопления и системой водопотребления, например, путем принудительного отключения циркуляционного насоса 15 (в ручном режиме или системой управления по заданной программе) или выходе его из строя или отключении электричества, котел 7 переходит в режим ожидания. В этом режиме в котле, за счет использования высокоточной системы управления входным воздухом и тления сравнительно небольшого объема топлива, генерируется небольшая мощность (сотни ватт), равная тепловым потерям котла через теплоизолирующий кожух. В этом режиме котел 7 может работать продолжительное время (десятки - сотни часов, в зависимости от объема, загруженного в котел топлива и конструкции котла) и в любой момент переведен или может автоматически перейти в режим генерации необходимой тепловой энергии. В частности, ждущий режим котла может быть использован для периодического получения горячей воды, например, в летний период, когда в работе системы отопления нет необходимости. В таком режиме котел может работать и при отключении электричества, но в этом случае в котле должна использоваться высокоточная энергонезависимая система управления входным воздухом, например, двухступенчатая заслонка совместно с механическим терморегулятором. В то же время, использование в системе отопления с твердотопливным котлом элементов с электронным управлением с резервным источником питания позволяет реализовать программируемое и дистанционное управление системой отопления.
Таким образом, реализация в системе отопления предлагаемого способа имеет следующие преимущества перед прототипом и другими аналогами:
- увеличение во много раз диапазона перестройки мощности за счет уменьшения минимальной мощности;
- возможность работы длительное время в режиме ожидания, с автоматическим переходом в него (в том числе при отключении электричества) и выходом из него в режим генерации требуемой мощности, что повышает безопасность эксплуатации котла в различных условиях;
- расширение эксплуатационных возможностей за счет работы котла в импульсном режиме, например, для периодического получения ограниченного объема горячей воды, в том числе, при не работающей системе отопления;
- возможность электронного управления системой отопления, в том числе, дистанционного или программируемого на длительный интервал времени;
- возможность получения большой пиковой мощности за счет высокой температуры теплоносителя с большим запасом тепловой энергии;
- уменьшение отложений на теплообменных поверхностях, в том числе, при работе на небольших мощностях, вследствие высокой температуры этих поверхностей;
- исключение образования конденсата при генерации небольших мощностей.
Работоспособность предлагаемого способа проверена в системе отопления на базе шахтного котла с энергонезависимой высокоточной системой управления входным воздухом на основе двухступенчатой заслонки. Заявленные характеристики описанного способа проверены и подтверждены экспериментально с инструментальной оценкой параметров.