УПРАВЛЯЕМОЕ КЛАПАННОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ ТЕПЛООБМЕННИКА
CONTROLLED VALVE UNIT FOR HEAT EXCHANGER

Настоящее изобретение относится к управляемому клапанному механизму для теплообменника, в частности для радиатора, причем указанный клапанный механизм содержит затвор клапана, регулирующий расход текучего теплоносителя через теплообменник и приводимый в действие посредством исполнительного механизма, контролируемого блоком управления.
Ниже изобретение описывается применительно к системе отопления, в которой текучий теплоноситель имеет повышенную температуру, необходимую для отопления одного или нескольких помещений. Для этого текучий теплоноситель, например горячую воду, пропускают через радиатор. Блок управления контролирует работу исполнительного механизма так, чтобы в помещении достигалась заданная температура. В этом случае клапанный механизм имеет термостатическое регулирование. Кроме того, данное изобретение можно использовать в системе охлаждения, в которой температура текучего теплоносителя ниже температуры в помещении. В этом случае текучий теплоноситель проходит через теплообменник другого типа, например, охлаждающий потолок. Текучий теплоноситель нагревается и отводит тепло за пределы помещения.
Во многих центральных системах отопления температуру текучего теплоносителя ночью понижают, чтобы сэкономить энергию, то есть применяют так называемое «централизованное понижение температуры на ночной период». Это же относится и к центральным системам охлаждения, в которых температуру текучего теплоносителя в течение определенного ночного периода не снижают. Такой режим возможен и в другое время суток, например, когда ожидается, что в заданный период дома никого не будет.
Однако при использовании термостатического клапанного механизма, он, путем открытия клапана, противодействует централизованному понижению температуры на ночной период. Причина заключается в том, что термостатический клапанный механизм стремится поддерживать температуру в помещении, открывая клапан, когда температура на входе, то есть температура текучего теплоносителя, падает. Полностью открытый клапанный механизм обеспечивает максимальный расход текучего теплоносителя. Для обеспечения такого расхода требуется работа циркуляционного насоса, связанная с расходом энергии. Кроме того, в некоторых случаях полностью открытый клапан является причиной шума в ночное время.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить экономию энергии в центральной системе отопления или охлаждения.
Указанная задача решается посредством управляемого клапанного механизма вышеупомянутого типа, в котором указанный выше блок управления содержит самообучающееся устройство, которое определяет время периодического централизованного понижения температуры на ночной период и блокирует регулирование в клапанном механизме.
Самообучающееся устройство может быть реализовано посредством соответствующей функции в программном обеспечении клапанного механизма. Самообучающееся устройство может выявить систематическое и запрограммированное снижение температуры текучего теплоносителя на входе. Если ясно, что изменение температуры текучего теплоносителя вызвано не изменением наружной температуры или температуры окружающей среды, а запрограммированным централизованным понижением температуры на ночной период, то термостатическое регулирование клапанного механизма приостанавливается, в результате, затвор клапана не переходит в нежелательное открытое положение. Таким образом, можно избежать больших расходов не нагретой воды в ночное время. Работа циркуляционного насоса существенно снижается. Кроме того, обеспечивается улучшенный режим регулирования, так как, если температура на входе снова увеличивается, термостатический клапанный механизм оказывается закрытым в большей степени. Поскольку самообучающееся устройство обеспечивает возможность определения централизованного понижения температуры на ночной или другой период в автономном режиме, никакой проводной или беспроводной связи между клапанным механизмом и центральным процессором системы отопления не требуется. Чтобы определить момент времени, когда происходит централизованное понижение температуры на ночной период, самообучающемуся устройству необходимо некоторое время. Впрочем, большинство систем отопления эксплуатируется в течение довольно длительного времени, так что этим временем, необходимым для обучения с целью определения централизованного понижения температуры на ночной период, можно пренебречь.
Самообучающееся устройство предпочтительно содержит часы и измерительный преобразователь для контролируемого параметра, на который влияет температура текучего теплоносителя. При помощи часов можно определить время, когда контролируемый параметр показывает снижение или повышение температуры текучего теплоносителя. Если это время в течение пары дней (или другого периода) не меняется, ясно, что такое снижение или повышение температуры происходит не случайно, а вызвано программой центральной системы отопления.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения измерительный преобразователь представляет собой температурный датчик, установленный вблизи той части корпуса, через которую протекает текучий теплоноситель. В этом случае температурный датчик может непосредственно измерить температуру текучего теплоносителя. Эта температура меняется в течение суток или другого периода. Однако при централизованном понижении температуры на ночной период это изменение всегда происходит в одно и то же время.
Дополнительно или альтернативно измерительный преобразователь регистрирует погрешность регулирования температуры в клапанном механизме. Указанная погрешность представляет собой разность между заданной температурой и измеренной температурой в помещении. Если температура текучего теплоносителя уменьшается при централизованном понижении температуры на ночной период, то текучий теплоноситель больше не может обеспечить нагрев помещения. Следовательно, погрешность резко увеличивается. Такое увеличение можно использовать в качестве индикатора централизованного понижения температуры на ночной период.
Самообучающееся устройство предпочтительно дифференцирует контролируемый параметр по времени, образуя продифференцированную функцию. Продифференцированная функция показывает градиент или скорость изменения температуры, вызванного централизованным понижением температуры на ночной период. В начале централизованного понижения температуры на ночной период температура текучего теплоносителя уменьшается довольно быстро. То же самое касается и конца централизованного понижения температуры на ночной период. В это время температура текучего теплоносителя увеличивается довольно быстро. Чем быстрее происходит падение или увеличение температуры, тем больше в этот момент времени значение продифференцированной функции. Это позволяет легко определить начало и конец централизованного понижения температуры на ночной период.
Продифференцированная функция предпочтительно суммируется в течение определенного количества периодов с образованием суммарной функции, причем данная суммарная функция сравнивается с пороговым значением. Это означает, что самообучающееся устройство берет значения продифференцированной функции в один и тот же момент времени каждого периода и суммирует для этого момента времени значения функции для всех периодов. Так как централизованное понижение температуры на ночной период всегда происходит в одно и то же время, в этот момент времени суммарная функция имеет максимальное значение. Если падение или увеличение температуры происходит только в течение одного из периодов, значение суммарной функции в этот момент времени будет больше, чем значения функции в другие моменты времени. Однако это значение не превысит порогового значения. В качестве начальной или конечной точки централизованного понижения температуры на ночной период рассматриваются только моменты времени, когда значение суммарной функции превышает пороговое значение. Так как обычно падение и увеличение температуры имеет разный знак значения продифференцированной функции, при сравнении с пороговым значением можно использовать абсолютные значения суммарной функции.
Самообучающееся устройство предпочтительно сохраняет время, определенное в результате самообучения, только в том случае, если выявлено два последовательных изменения контролируемого параметра в противоположных направлениях. Централизованное понижение температуры на ночной период определяют падением температуры в начале и увеличением температуры в конце. Два последовательных падения температуры или два последовательных увеличения температуры невозможны. Таким образом, централизованное понижение температуры на ночной период должно содержать изменения контролируемого параметра в противоположных направлениях. Если дело обстоит не так, то выявленные моменты времени считают недействительными.
Самообучающееся устройство предпочтительно предотвращает полное открытие клапанного механизма затвором клапана. Это значит, что затвор клапана дросселирует поток текучего теплоносителя, так что можно устранить шумы клапана во время централизованного понижения температуры на ночной период.
Во время централизованного понижения температуры на ночной период самообучающееся устройство предпочтительно фиксирует положение затвора клапана. Это дает то преимущество, что затвор клапана больше не перемещается. Когда в конце централизованного понижения температуры на ночной период температура увеличивается, затвор клапана находится в положении, при котором регулирование может начаться намного быстрее, чем при полностью открытом положении.
Кроме того, самообучающееся устройство предпочтительно содержит календарь. Такой календарь может быть очень простым. В самом простом случае достаточно иметь счетчик дат от 1 до 7. Благодаря этому календарю самообучающееся устройство может выявить централизованное понижение температуры на ночной период для различных дней недели. Например, в рабочие дни с понедельник по пятницу централизованное понижение температуры на ночной период может быть приурочено ко времени от 22:00 до 05:00 часов. В выходные дни централизованное понижение температуры на ночной период может быть приурочено ко времени от 24:00 до 06:30 часов. Если самообучающееся устройство в процессе самообучения усвоит соответствующие моменты времени в течение пары недель, то во внимание можно принимать различные моменты времени централизованного понижения температуры на ночной период в течение недели и выходных дней.
Ниже со ссылками на прилагаемые чертежи более подробно описан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения. На чертежах изображено следующее.
На фиг.1 схематично показан термостатический клапанный механизм.
На фиг.2 представлена структурная схема, иллюстрирующая настоящее изобретение.
На фиг.3 представлены графики некоторых функций, указанных на фиг.2.
На фиг.1 показан клапанный механизм 1, содержащий клапан 2 (изображен схематично) и термостатическую головку 3.
Клапан 2 содержит входное отверстие 4 и выходное отверстие 5, разделенные стенкой 6, в которой предусмотрено седло 7 клапана. С седлом
7 клапана взаимодействует затвор 8 клапана. Если затвор 8 клапана прижат к седлу 7 клапана, то клапан 2 закрыт. Если (как показано на чертеже) затвор
8 клапана расположен на некотором расстоянии от седла 7 клапана, то клапан открыт и нагревающая или охлаждающая текучая среда протекает от входного отверстия 4 к выходному отверстию 5.
Затвор 8 клапана соединен со штоком 9 клапана, который, в свою очередь, соединен с толкателем 10, проходящим через корпус 11. Предусмотрены уплотнения, но на чертеже они не показаны. Кроме того, в направлении открытия, то есть в направлении от седла 7 клапана 7, затвор 8 клапана может быть предварительно нагружен пружиной (на чертеже не показана).
На фиг.1 термостатическая головка 3 показана отдельно от корпуса 11. Термостатическая головка 3 содержит исполнительный механизм 12 в виде шагового двигателя или любого другого подходящего двигателя, или приводного устройства, соединенного с приводным валом 13 посредством зубчатой передачи 14. Приводной вал 13 перемещается по направлению к корпусу 11, если клапан 2 необходимо закрыть, и в противоположном направлении, если клапан 2 необходимо открыть. Питание, необходимое для работы исполнительного механизма 12, можно обеспечить от аккумуляторной батареи.
Работа исполнительного механизма контролируется блоком 15 управления, который показан лишь схематично. Более детальное изображение приведено на фиг.2. Блок 15 управления может содержать больше компонентов, чем показано на чертеже.
Опорный элемент 16 в виде печатной платы расположен параллельно оси 17 привода и проходит по направлению к корпусу 11 клапана 2. В указанном направлении опорный элемент 16 длиннее исполнительного механизма 12.
Первый температурный датчик 18, установленный на передней поверхности термостатической головки 3, измеряет первую температуру, рассматриваемую как температура окружающей среды или температура в помещении. Второй температурный датчик 19 установлен на конце опорного элемента 16, рядом с корпусом 11. Когда термостатическая головка 3 смонтирована на корпусе 11 клапана 2, то указанный второй температурный датчик 19 расположен в непосредственной близости от корпуса 11, в результате чего он способен определять температуру корпуса 11 или температуру, весьма близкую к указанной температуре. Так как температура корпуса 11 связана с температурой втекающей нагревающей или охлаждающей текучей среды, то второй температурный датчик 19 может определять температуру, весьма близкую к температуре нагревающей или охлаждающей текучей среды.
Следует заметить, что первый температурный датчик 18 и блок 15 управления не обязательно являются составными частями термостатической головки 3. Они могут быть расположены на удалении от термостатической головки при условии наличия связи (беспроводной или по линии связи).
Как правило, такая термостатическая головка стремится поддерживать температуру в помещении (измеренную посредством первого температурного датчика 18) на уровне требуемой или заданной температуры. Если температура в помещении падает ниже заданной температуры, термостатическая головка 3 открывает клапан 2. Поступающая нагревающая текучая среда обеспечивает нагрев помещения. Когда температура в помещении достигает заданной температуры, клапан закрывается.
Если клапан установлен в системе охлаждения, то происходит то же самое, но в противоположном направлении. Если температура в помещении выше заданной температуры, клапан открывается и охлаждающая текучая среда протекает через клапан 2. Охлаждающая текучая среда отбирает тепло из помещения. Когда температура в помещении падает до заданной температуры, клапан 2 закрывается.
В большинстве центральных систем отопления (и центральных систем охлаждения) применяют централизованное понижение температуры на ночной период для экономии энергии, поскольку в ночной период отопление не требуется или, во всяком случае, достаточно осуществлять отопление с пониженной температурой.
Однако клапанный механизм 1 рассмотренного типа часто противодействует подобному централизованному понижению температуры на ночной период, открывая клапан 2 и, таким образом, обеспечивая максимальный расход, когда температура нагревающей текучей среды снижается, например, соответствующим бойлером или погодным регулятором. Как отмечено выше, причина заключается в том, что термостатический клапанный механизм 1 стремится поддерживать температуру в помещении посредством открытия клапана 2, когда температура на входе, то есть температура нагревающей текучей среды, падает.
Чтобы предотвратить подобное поведение, блок 15 управления предлагаемого клапанного механизма содержит самообучающееся устройство 22. Самообучающееся устройство 22 показано в виде отдельного элемента. Однако данное устройство может представлять собой функцию блока управления.
Самообучающееся устройство содержит часы, обозначенное на чертеже как "время". Кроме того, самообучающееся устройство 22 содержит измерительный преобразователь для контролируемого параметра Ts. В данном случае в качестве измерительного преобразователя контролируемого параметра Ts можно использовать второй температурный датчик 19.
В другом варианте для получения контролируемого параметра можно применить погрешность при регулировании температуры в термостате. Эта погрешность представляет собой разность между заданной температурой и температурой в помещении, измеренной первым температурным датчиком 18. Обычно, когда температура нагревающей текучей среды падает, указанная погрешность очень велика.
Самообучающееся устройство 22 выдает сигнал Tpsb. Указанный сигнал Tpsb отображает время суток, когда происходит периодическое и централизованное понижение температуры на входе клапана 2.
Как известно специалистам в данной области, блок 15 управления, кроме того, имеет два входа, а именно вход для уставки SP температуры в помещении и вход для фактической температуры Tr в помещении. Блок 15 управления контролирует работу исполнительного механизма 12 для открытия или закрытия клапана 2 с тем, чтобы фактическая температура Tr в помещении была как можно ближе к уставке SP температуры в помещении.
Однако в течение того времени, когда сигнал Tpsb показывает централизованное понижение температуры на ночной период, подобный контроль блока 15 управления блокируется. Когда начинается централизованное понижение температуры на ночной период, блок 15 управления фиксирует положение затвора 8 клапана. Обычно в начале централизованного понижения температуры на ночной период клапан 2 открыт неполностью, так что клапан 2 дросселирует поток нагревающей текучей среды через клапан 2.
На фиг.3 контролируемый параметр Ts показан как функция времени. Контролируемый параметр Ts дифференцируется для получения из Ts продифференцированной функции T's. Из графика видно, что хотя продифференцированная функция T's показывает некоторые колебания, в начале централизованного понижения температуры на ночной период всегда имеется значительный отрицательный пик, а в конце централизованного понижения температуры на ночной период всегда существует значительный положительный пик. Это понятно, так как падение температуры в начале централизованного понижения температуры на ночной период происходит довольно быстро. То же самое касается и конца централизованного понижения температуры на ночной период. Повышение температуры происходит также быстро.
Чтобы повысить надежность обнаружения начала и конца централизованного понижения температуры на ночной период, самообучающееся устройство 22 суммирует продифференцированную функцию Ts по определенному числу периодов, например, по последним пяти суткам, каждые из которых содержат 24 часа.
Это суммирование означает, что друг к другу прибавляют значения продифференцированной функции T's в один и тот же момент времени каждого периода. Понятно, что таким образом довольно большое суммарное значение получают только в начале и в конце централизованного понижения температуры на ночной период, тогда как случайно распределенные падения и повышения температуры в один и тот же момент времени в течение всех периодов не происходят. Таким образом, если продифференцированный и суммированный контролируемый параметр превышает определенное пороговое значение, имеется периодическое суточное изменение контролируемого параметра, например, уменьшение или увеличение температуры на входе.
Дифференцирование, суммирование и сравнение значений с пороговым значением можно выполнять, используя соответствующие средства. Однако указанные операции можно осуществить также при помощи блока 15 управления.
Дополнительным критерием является то, что централизованное понижение температуры на ночной период определяется только тогда, когда существует как периодическое суточное уменьшение, так и периодическое суточное увеличение. В этом случае самообучающееся устройство 22 выявляет период между таким уменьшением и увеличением как централизованное понижение температуры в системе отопления на ночной период.
В начале выявленного централизованного понижения температуры на ночной период самообучающееся устройство 22 блокирует терморегуляцию клапанного механизма 1 с фактическими значениями и фактическим положением. В конце выявленного централизованного понижения температуры на ночной период терморегуляция клапанного механизма 1 снова разблокируется.
Кроме того, блок 15 управления может содержать календарь. Такая компоновка целесообразна в том случае, если централизованное понижение температуры на ночной период программируют для разных частей недели. Некоторые люди хотят, чтобы в выходные дни централизованное понижение температуры на ночной период начиналось и, следовательно, заканчивалось позже. В этом случае функцию самообучения реализуется не только в течение пяти дней, но и в течение пяти недель. На начальной стадии централизованное понижение температуры на ночной период может быть выявлено для будних дней (с понедельника по пятницу), при этом централизованное понижение температуры на ночной период для выходных дней может быть признано ошибкой. Однако спустя пару недель система в результате самообучения усвоит, что в субботу и в воскресенье централизованное понижение температуры на ночной период начинается позже.
Такую же процедуру можно применить к системе охлаждения. В этом случае во время централизованного понижения температуры на ночной период температуру охлаждающей текучей среды не снижают. Следовательно, в начале централизованного понижения температуры на ночной период температуру охлаждающей текучей среды повышают, а в конце централизованного понижения температуры на ночной период температура охлаждающей текучей среды падает.