СИСТЕМА УЧЕТА И РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ АБОНЕНТАМИ

Изобретение относится к информационно-измерительным системам и может быть использована в области теплоснабжения многоэтажных жилых и промышленных объектов для коммерческого учета и регулировки теплоты, отпускаемой для отопления помещений.
Известно техническое решение по патенту РФ №2144162 кл. F24D 19/10, в котором представлена автоматизированная система для измерения и учета расхода теплоносителя и тепла в системах теплоснабжения.
В данной системе датчики температуры и давления установлены на приеме и выходе насосной установки источника тепла, что позволяет измерять только суммарное значение расхода тепла на здание. Следовательно, данное техническое решение не дает существенной экономии тепловой энергии в многоквартирных домах, т.к. жильцы не заинтересованы в снижении потребления, в связи с тем, что оно не позволяет каждому отдельному жильцу учитывать и контролировать тепловую энергию у себя в помещениях.
Известно техническое решение по патенту на полезную модель РФ №6890 кл. G01F 1/66, в котором представлена система квартирного учета тепла, включающая групповые теплосчетчики для измерения количества теплоты, потребленного группой квартир от каждого подъездного стояка, преобразователями температуры, устанавливаемыми в каждой квартире для каждого подъездного стояка при их вводе в квартиру в области межэтажного перекрытия и устройства обработки информации.
Недостатками известного способа является невысокая точность измерений, связанная с отсутствием учета и распределения общедомовых затрат тепла между собственниками жилья, а также дороговизна системы за счет применения проводных линий связи и установки теплосчетчика на каждом стояке здания.
Известно техническое решение по патенту РФ №2374566 кл. F24D 19/00, в котором представлена система измерения и учета поквартирного потребляемого тепла в системах теплоснабжения. Данная система работает следующим образом, при подаче теплоносителя от расходомера, расположенного в подвальном помещении жилого дома он поступает по вертикальному трубопроводу и горизонтальному распределительному трубопроводу, являющимся продолжением вертикального трубопровода, в каждый стояк, т.е. подающий трубопровод, по которому теплоноситель поступает в отопительные приборы каждой квартиры с n-го по 1-ый этаж. При этом после захода подающего трубопровода стояка в каждую квартиру каждого этажа, происходит замер температуры.
Недостатком данной системы является низкая точность измерения вследствие использования только одного расходомера на входе в систему отопления, что не дает четкой картины о фактическом объеме теплоносителя в каждом ответвлении системы и, следовательно, неравномерному распределению значений объема теплоносителя и оплаты за тепловую энергию. Также в данной системе применяется система крепления датчика температуры, требующая сварочных работ, что приводит к увеличению стоимости монтажных работ по установке данной системы в здании.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является «Способ и интегрированная система индивидуального учета и регулирования потребления энергоресурсов в жилищно-коммунальном хозяйстве», описанные в патенте РФ №2296305 по кл. G01К 17/00, где одной из составляющей является подсистема учета тепловой энергии, которая и была выбран в качестве прототипа, состоящая из интеллектуальных сенсоров преобразования температуры для мониторинга теплопотребления квартир, интеллектуальных сенсоров количества воды, термостатических вентилей, локальных (квартирных) концентраторов, квартирных мониторов, домового концентратора и общедомового теплосчетчика.
Работа системы заключается в следующем, сигналы с интеллектуальных сенсоров преобразования температуры (ИСПТ) и сенсоров количества воды (ИСПК) собираются локальными концентраторами в каждой квартире, и передаются в домовой концентратор (ДК). При потере связи с ДК локальный концентратор продолжает опрос подключенных приборов и при восстановлении связи передает их в ДК. Количество подключаемых квартирных приборов - до 32 штук. Входной интерфейс со стороны квартирных приборов RS485/HART. Для предоставления данных квартиросъемщику по потребленной им тепловой энергии используется монитор, на который локальный концентратор выдает отчетную информацию. Домовой концентратор собирает информацию от локальных концентраторов, затем он вычисляет тепловую энергию, непосредственно потребленную каждой квартирой, и ее денежный эквивалент. На основе данных домового узла теплоучета ДК вычисляет тепловую энергию каждой квартиры в общедомовом потреблении. К ДК может быть подключено не более 128 локальных концентраторов. Протокол обмена с локальными концентраторами RS485/HART. В квартирные локальные концентраторы ДК возвращает информацию по тепловой энергии, с последующей их передачей на квартирный монитор в случае необходимости. По показаниям квартирного монитора квартиросъемщик может регулировать индивидуальное потребление тепловой энергии и воды при помощи термостатических радиаторных и гидравлических вентилей.
Недостатками известного решения являются высокие экономические затраты данной системы, связанные с использованием проводных линий связи между всеми устройствами системы, установкой локального концентратора в каждой квартире и монтажа интеллектуальных сенсоров преобразования количества воды и температуры в трубе посредством фланцев и гильзы соответственно, что приводит к увеличению материалоемкости, повышенным затратам на прокладку линий связи по зданию и монтажу устройств в трубах системы отопления. В связи с применением проводных линий связи в системе, количество подключаемых узлов ограничено, что ограничивает масштаб объекта на котором данная система может применяться. Одним из узких мест системы является домовой концентратор, так как именно в нем осуществляются все вычисления потребляемой тепловой энергии, что приводит к образованию очереди в системе и простою остального оборудования сети.
Задачей заявляемого решения является снижение стоимости внедрения системы, а также повышение точности индивидуального учета фактически потребленной тепловой энергии по каждой квартире.
Поставленная задача решается тем, что система учета и регулирования потребления тепловой энергии абонентами, включающая сенсоры преобразования температуры, установленные в квартирах жилых домов, сенсоры количества воды, локальные концентраторы, выполненные с возможностью запоминания номеров квартир и сбора данных, а так же домовой концентратор с запоминающим устройством, квартирные мониторы для отображения информации о потребленной тепловой энергии в физическом и стоимостном выражении, общедомовой теплосчетчик для учета тепловой энергии и термостатические вентили для регулирования теплового режима, в качестве сенсоров количества воды использованы накладные расходомеры, в качестве сенсоров температуры использованы платиновые термометры сопротивления, в качестве локального концентратора использован локальный контроллер, в качестве домового концентратора использован центральный контроллер с возможностью записи данных на внешний носитель, при этом в каждом сенсоре преобразования температуры, сенсоре количества воды, локальном и центральном контроллере установлен приемопередатчик, осуществляющий прием и передачу информации по радиоканалу, квартирный монитор установлен на одном из сенсоров преобразования температуры в квартире.
На чертежах представлена предлагаемая схема, где на фиг.1 представлена схема расположения компонентов системы учета и регулирования тепловой энергии систем отопления, на фиг.2 структурная схема контроллеров системы. Система состоит из общедомового теплосчетчика 1, сенсора температуры 2, сенсора количества воды 3, локального контроллера 4, центрального контроллера 5, термостатического вентиля 6, квартирного монитора 7 и радиатора отопления 8. Контроллер состоит из микропроцессора 9, памяти 10, приемопередатчика 11, питания 12 и интерфейса для карты памяти 13.
дом
Исходной величиной для расчета являются показания общедомового теплосчетчика 1, установленного на границе раздела при входе в здание, регистрирующего потребление теплоты на отопление в здании (Q), выраженной в Гкал и передающий данные показания далее в центральный контроллер 5 по проводной линии связи через интерфейс UART.
Центральный контроллер системы 5 располагается в одном помещении здания вместе с обще домовым теплосчетчиком 1 и располагается в здании в зависимости от разводки труб системы отопления. В его обязанности входит организация и синхронизация времени системы, прием рассчитываемых значений потребленной тепловой энергии по каждой квартире от локального контроллера 4, вычисление общедомовых и нормативных значений тепловой энергии, определение итоговых значений потребленной тепловой энергии квартирами и запись данных показателей в память 10 и на внешний носитель через интерфейс для карты памяти 13 в соответствии с номером квартиры.
Для распараллеливания вычислений, результат текущей потребленной тепловой энергии квартиры по приборам учета определяется в локальном контроллере 4, который располагается на каждой лестничной площадке здания и состоит из аналогичных блоков, что и в центральном контроллере. С каждым локальным контроллером 4 связаны конкретные номера квартир, располагающиеся с ним на одном этаже. В его полномочия входит так же назначение адресов сенсорам температуры 2, объединение их в группы в соответствии с номером квартиры, считывание с них данных, и прием сообщений от центрального контроллера 5 со значениями расхода воды и итоговых значений тепловой энергии для передачи и отображения ее на квартирном мониторе 7. Для организации более быстрой передачи по сети локальные контроллеры 4 объединяются в группы по принципу, локальные контроллеры 4 одного подъезда состоят в одной группе. При этом для всех типов устройств системы, в случае недостатка мощности сигнала для передачи сообщения адресату напрямую, используются промежуточные устройства чтобы ретранслировать передаваемый сигнал.
Сенсоры количества воды 3 связываются с центральным контроллером 5, так как они располагаются вместе с ним в отдельном помещении. В качестве сенсора количества воды используется накладной тип расходомера, который устанавливается поверх существующих труб и не требующий врезки в систему отопления Центральный контроллер системы 5 считывает значения с данного типа сенсоров и передает их дальше в сеть локальным контроллерам 4 в зависимости от стояков, за которые они отвечают. Сенсоры температуры 2 связываются с локальными контроллерами 4. Так как в каждой квартире присутствует несколько сенсоров температуры 2, то данные сенсоры объединяются в группы по номеру квартиры, в которой они располагаются. Сенсоры температуры 2 выполнены на основе платиновых термометров сопротивления, что позволяет обеспечить высокую точность измерений температуры, и крепятся к трубе отопления посредство хомута, тем самым позволяя плотно соприкасаться датчику температуры с зачищенной поверхностью трубы.
Для представления данных собственнику жилья используется квартирный монитор 7, устанавливаемый на одном из сенсоров температуры 2, на который центральный контроллер 5 передает отчетную информацию по потребленной им тепловой энергии с начала текущего месяца и ее денежный эквивалент. С возможностью архивирования помесячных данных за последние 12 месяцев. Данное устройство позволяет пользователям системы отслеживать значения потребляемой ими тепловой энергии, в случае необходимости регулировать ее с помощью термостатических вентилей 6. В качестве беспроводного протокола в системе используется стандарт ZigBee.
дом
kинд
1норм
общдом
Для учета поквартирного учета тепловой энергии применяется следующий способ поквартирного учета тепловой энергии. Исходя из расчета теплового баланса по принципу равенства общее теплопотребление здания Q определяемая с помощью общедомового теплосчетчика 1, распределяется на расход тепла на отопление каждой квартиры определяемая показаниями сенсоров - Q, количество тепла, рассчитанное по нормативу для квартир не оснащенных приборами учета - Q; и количество тепла потраченное в общедомовых целях (подъезд, подвал, чердак) - Q. На основании этого тепловой баланс можно представить в следующем виде:
i
i
Определение количества потребляемого тепла с помощью сенсоров происходит следующим образом. Сенсоры количества воды 3, устанавливаемые на входе в контур системы отопления для измерения пролитого объема V воды через i-ый контур отопления. При этом имеется в виду, что объем пролитой воды через радиаторы 8 водяного отопления всех квартир (помещений), подключенных к одному стояку - одинаковы и составляют V.
ki1
ki2
ki
В каждой квартире, устанавливаются только сенсоры температуры 2, причем их число соответствует числу стояков с присоединенными радиаторами, участвующих в отоплении конкретной квартиры. На каждый стояк устанавливается по два сенсора температуры 2, один в точке ввода в квартиру T, а другой в точке вывода Т, под потолком, таким образом, это позволяет определить межэтажную разность перепада температуры ΔТ, k-ой квартиры 1-ого стояка:
ki
Для учета типа трубы, его материала и нароста внутри используется поправочный коэффициент α, для приведения измеренной температуры к фактическому температурному значению теплоносителя. Таким образом, для вычисления потребленной тепловой энергии в k-ой квартире на i-ом стояке Q используется следующая формула:
Данная операция выполняется по каждому стояку k-ой квартиры и суммируются:
В случае не установки в квартире сенсоров температуры 2, значения потребленной тепловой энергии определяются в соответствии с требованиями нормативной документации.
Общедомовые потери тепла определяются как:
общдом
общдом
Если после вычисления по формуле (5), получается, что Q=0, то общедомовые затраты включены в стоимость потребленного тепла собственниками не оснастившие свои квартиры приборами индивидуального учета тепла. Если в результате получается, что Q>0, то учитывают участие каждой квартиры в общедомовых потерях тепла по формуле:
где β - поправочный коэффициент учитывающий расположение квартиры в здании;
δ - «весовой» коэффициент конкретной квартиры, определяемый как:
k
где S - площадь отдельной квартиры;
S - общая площадь жилых помещений.
Формула (6) одинаково применяется как для квартир оснащенных приборами учета, так и для квартир, рассчитываемых по нормативу.
Вычисляют итоговый фактический расход тепла на отдельную квартиру как:
- для квартир с установленными приборами учета;
- для квартир, рассчитываемых по нормативным значениям.
Определение теплопотребления тепловой энергии абонентов происходит через каждый равный интервал времени.
Заявляемая система выполняет предлагаемый способ следующим образом:
1. Отсчет равного интервала времени между двумя соседними замерами.
2. Получение центральным контроллером 5 значений о расходе теплоносителя с сенсоров количества воды и рассылка локальным контроллерам 4 принятых значений в соответствии с таблицей отношения номера стояка с номером подъезда.
3. Запись локальными контроллерами 4 полученных значений в память устройства 10 и последующая рассылка данных значений внутри группы устройств.
4. Прием и запись в память 10 локальными контроллерами 4 передаваемых значений о температуре теплоносителя от сенсоров температуры 2, в соответствии с номером группы сенсоров.
kинд
5. Выборка необходимых значений из памяти 10 и вычисление потребляемой тепловой энергии по формуле (3), суммирование со значениями по остальным стоякам конкретной квартиры согласно формуле (4) и умножение Q на период замера.
6. Пункт 5 повторяется для каждого устройства из конкретной группы сенсоров температуры 2. После получения значения суммарно потребленной тепловой энергии по квартире происходит переход на следующую группу значений.
kинд
7. Передача локальными контроллерам 4 вычисленного значения суммарного потребления тепловой энергии по конкретной квартире (Q) центральному контроллеру 5.
lнорм
8. Вычисление центральным контроллером 5 нормативных значений теплопотребления для помещений, не оборудованных приборами учета (Q) и умножение их на период замера.
9. Вычисление центральным контроллером 5 общедомовых потерь тепла согласно формуле (5), и в случае получения положительного числа выполняет распределение полученного значения среди квартир согласно формуле (6).
общдом
kинд
общдом
lнорм
10. Суммирование центральным контроллером Q со значением Q для квартир с установленными приборами учета и Q c Q для квартир рассчитываемых по нормативным значениям. Сложение получаемого значения со значением потребления тепла с начала месяца по определенной квартире, хранимой в памяти устройства. Перезапись нового значения на внешнем носителе.
11. Пункт 10 повторяется для каждой квартиры. По окончании вычисления значений каждой квартиры, запись времени замера на внешний носитель через интерфейс для карты памяти 13.
12. Передача центральным контроллером 5 получаемого итогового суммарного значения по квартире локальному контроллеру 4, с дальнейшей ее передачей на квартирный монитор 7.
В случае сбоев или неполадки оборудования и вследствие чего невозможности расчета данных по фактически потребляемой тепловой энергии в квартире, расчет производится согласно нормативным значениям.
Предлагаемая система учета и регулировки тепловой энергии позволяет за счет распределения компонентов тепловычислителя и вычислительных мощностей по определенным точкам в многоквартирном здании, и использованию радиоканала в качестве среды передачи информации производить поквартирный учет потребленной тепловой энергии в многоквартирных домах с вертикальной разводкой систем теплопотребления при допустимых экономических вложениях.