Система автоматического регулирования отопления здания с программируемым логическим контроллером

Полезная модель относится к области, связанной с системами управления и регулирования температуры с помощью электрических средств, и может быть использовано для систем автоматического регулирования (CAP) отопления зданий с центральным, а так же индивидуальным водяным отоплением для решения задач энергосбережения. Система автоматического регулирования отопления здания с программируемым логическим контроллером, содержащая автоматический задатчик входы которого соединены с датчиком температуры наружного воздуха и датчиком температуры в помещении, регуляторами температуры сетевой воды и тепловой нагрузки, регулирующие органы, сумматоры, устройство компенсации внешних возмущений. В состав системы введен программируемый логический контроллер, включающий автоматический задатчик, регуляторы температуры сетевой воды и тепловой нагрузки, устройство компенсации внешних возмущений, сумматоры, при этом автоматический задатчик дополнительно включает блок логики, входы которого соединены с сигналом текущего времени суток и сигналом текущей даты, выход блока логики соединены с тремя сумматорами, первый сумматор выполнен с возможностью инверсии приходящего на него сигнала фактической температуры воздуха в отапливаемом помещении и подключен ко второму сумматору, выполненному с возможностью инверсии приходящего на него сигнала с датчика температуры наружного воздуха, выход второго сумматора через блок усиления подключен к входу третьего сумматора. Техническим результатом является экономия тепловой энергии.

Полезная модель относится к области, связанной с системами управления и регулирования температуры с помощью электрических средств, и может быть использовано для систем автоматического регулирования (CAP) отопления зданий с центральным, а так же индивидуальным водяным отоплением для решения задач энергосбережения.

Известна система автоматического регулирования отопления здания с применением теплообменника (Ливчак В.И. Энергосбережение в системах централизованного теплоснабжения на новом этапе развития // Энергосбережение, 2000. 2. - С.4-9), содержащая на вводе в индивидуальный тепловой пункт (ИТП) теплосчетчик (обозначен как ТС - теплосчетчик), состоящий из 2-х датчиков температуры, расходомера теплоносителя и тепловычислителя, регулятор перепада давления прямого действия, регулирующий клапан с исполнительным механизмом, связанный с регулятором, представляющий собой термостат с часами, вход которого связан с датчиком температуры, теплообменник, циркуляционный насос, отопительные приборы в системе отопления здания с термостатами, расширительный бак с предохранительным клапаном.

К основному недостатку данного технического решения следует отнести низкую эффективность CAP отопления зданий, так как не учитываются температурный график подачи теплоносителя от тепловых сетей, температура наружного воздуха и температура внутри помещений здания.

Известна «Система автоматического регулирования отопления здания с учетом климатических факторов» (Патент на изобретение РФ 2247422, МПК G05D 23/19, 2005 г.), которая содержит локальный контроллер (ЛК), погружной датчик температуры теплоносителя и датчики температуры наружного и внутреннего воздуха, расположенные соответственно на одном из внешних фасадов здания и в помещении со стороны этого фасада, подключенные к входам ЛК с 1 по 3. На трубопроводах системы отопления установлены: регулирующий клапан, связанный с наружными тепловыми сетями, циркуляционный насос и между ними перемычка с обратным клапаном, соединяющая подающий и обратный трубопроводы. Исполнительный механизм регулирующего клапана и электропривод циркуляционного насоса подключены к 1 и 2 выходам ЛК. Кроме того, в CAP имеются дополнительные регулирующие клапаны и датчики температуры воздуха. CAP содержит дополнительный контроллер (ДК) и гидравлические распределители с ветвями системы отопления по фасадам здания, причем на всех или нескольких подающих или обратных ветвях, охватывающих фасады здания за исключением северного, установлены дополнительные регулирующие клапаны с исполнительными механизмами с 1 по m. Кроме того, расположены на остальных внешних фасадах и по одному в помещениях каждого из фасадов здания, охваченных ветвями с дополнительными регулирующими клапанами, дополнительные датчики температуры наружного с 1 по j и внутреннего с 1 по i воздуха. Кроме того, исполнительные механизмы с 1 по m подключены к выходам ДК с 1 по m, а датчики температуры наружного с 1 по j и внутреннего с 1 по i воздуха подключены к соответствующим его входам с 1 по (j+i) или через адаптер связи к 1 цифровому коммуникационному порту (ЦКП) ДК, при этом 2 ЦКП дополнительного контроллера связаны с ЦКП локального контроллера.

Основным недостатком вышеописанного решения является необходимость установки дополнительных датчиков температуры внутри отапливаемого помещения и регулирующей арматуры для каждого из фасадов здания и дополнительного контроллера ДК, что часто экономически нецелесообразно для зданий небольшой протяженности и зданий, теплопотери которых незначительно зависят от направления и скорости ветра и положения солнца на небосклоне в отопительный период.

Прототипом предлагаемой полезной модели является «Систем автоматического регулирования отопления здания с автоматическим задатчиком» (Патент на изобретение РФ 2348061, МПК G05D 23/00, 2009 г.), которая содержит погружной датчик температуры теплоносителя, датчик температуры наружного воздуха и регулирующую арматуру с исполнительными механизмами, автоматический задатчик для формирования необходимой температуры горячей воды в контуре отопления, с одним из входов которого соединен датчик температуры наружного воздуха, а на другой вход поступает сигнал, задающий температуру в помещении, при этом автоматический задатчик состоит из последовательно включенных первого сумматора, выполненного с возможностью инверсии одного из поступивших на него сигналов, блока усиления и второго сумматора, в котором складывается сигнал с выхода усилителя и сигнал, задающий температуру в помещении.

Основными недостатками данного решения являются:

- отсутствие коррекции работы системы по сигналу температуры в помещении, что может привести к существенным ее отклонениям от заданной.

- не учтен режим работы здания, например в административных зданиях, некоторых муниципальных учреждениях, некоторых промышленных объектах, а так же офисных помещениях в ночное время суток и в выходные дни за счет снижения расхода теплоносителя температура в помещениях может быть снижена на это время до нормативов минимальной температуры для таких зданий, т.е. на 3-7°С, что обеспечит дополнительную экономию тепловой энергии на отоплении.

Техническим результатом является экономия тепловой энергии за счет автоматического регулирования температуры расхода горячего теплоносителя с помощью автоматического задатчика, в составе программируемого логического контроллера (ПЛК), в соответствии с режимом работы здания и нормативами по допустимому снижению температуры в отапливаемых помещениях.

Технический результат достигается тем, что система автоматического регулирования отопления здания с программируемым логическим контроллером, содержащая автоматический задатчик входы которого соединены с датчиком температуры наружного воздуха и датчиком температуры в помещении, регуляторами температуры сетевой воды и тепловой нагрузки, регулирующие органы, сумматоры, устройство компенсации внешних возмущений. В состав системы введен программируемый логический контроллер, включающий автоматический задатчик, регуляторы температуры сетевой воды и тепловой нагрузки, устройство компенсации внешних возмущений, сумматоры, при этом автоматический задатчик дополнительно включает блок логики, входы которого соединены с сигналом текущего времени суток и сигналом текущей даты, выход блока логики соединены с тремя сумматорами, первый сумматор выполнен с возможностью инверсии приходящего на него сигнала фактической температуры воздуха в отапливаемом помещении и подключен ко второму сумматору, выполненному с возможностью инверсии приходящего на него сигнала с датчика температуры наружного воздуха, выход второго сумматора через блок усиления подключен к входу третьего сумматора.

Заявляемая система автоматического регулирования отопления здания с программируемым логическим контроллером поясняется чертежами, представленными на фиг.1, фиг.2 и фиг.3. На фиг.1 изображена структурная схема отопления здания с собственной котельной. На фиг.2 изображена схема автоматического регулирования отопления здания от городской теплосети. На фиг.3 изображена структура автоматического задатчика.

На чертежах использованы следующие обозначения: дополнительный датчик температуры наружного воздуха 1, сигнал, текущего времени суток 2; сигнал, текущей даты 3; датчик температуры в помещении 4; ЗД автоматический задатчик 5; сумматор 6; регулятор температуры прямой сетевой воды 7; регулирующий орган, влияющий на расход теплоты в систему отопления 8; сумматор 9; регулятор тепловой нагрузки 10; регулирующий орган, влияющий на расход топлива в топку котла 11; объект регулирования 12; устройство компенсации внешних возмущений 13; блок логики 14, сумматоры 15, 16, 18, блок усиления 17. Причем в схеме отопления здания с собственной котельной (фиг.1) в составе логического контроллера реализованы автоматический задатчик 5, сумматор 6, регулятор температуры прямой сетевой воды 7, сумматор 9, регулятор тепловой нагрузки 10 и устройство компенсации внешних возмущений 13. В схеме отопления здания от городской теплосети (фиг.2) в составе логического контроллера реализованы автоматический задатчик 5, сумматор 6, регулятор температуры прямой сетевой воды 7 и устройство компенсации внешних возмущений 13. М - вектор внешних возмущений, влияющих на температуру прямой сетевой воды (их необходимо учитывать в случае существенного влияния внешних факторов на температуру сетевой воды); Q2 - текущее количество теплоты, поступающее в объект управления.

Сигнал от датчика температуры наружного воздуха 1, сигнал текущего времени суток 2, сигнал текущей даты 3, сигнал от датчика температуры в помещении 4 поступают на вход задатчика 5, где формируется сигнал задания, представляющий собой необходимую температуру горячей воды в контуре отопления. Затем сигнал поступает на сумматор 6, где из него вычитается текущая температура в контуре. Далее сигнал рассогласования поступает на вход регулятора температуры прямой сетевой воды 7, который формирует управляющий сигнал и направляет его к регулирующему органу 8, который воздействует на поток теплоты в контур отопления. На сумматоре 9 происходит следующее: сигнал рассогласования для регулятора температуры прямой сетевой воды 7 формируется как разность между сигналом задания от задатчика 5, представленным как количество теплоты, необходимое для поддержания заданной температуры в контуре, и сигналом теплоты, поступающей в контур на данный момент. Кроме того с помощью устройства компенсации внешних возмущений 13, есть возможность учесть внешнее возмущение, если оно существенно влияет на регулируемый параметр (например, температуру наружного воздуха необходимо включить и сюда при большой протяженности теплосетей). Сигнал рассогласования, сформированный таким образом, далее поступает на вход регулятора тепловой нагрузки 10, на выходе которого формируется управляющее воздействие для регулирующего органа 11, который влияет на расход топлива в топку котла. Далее изменение расхода топлива приводит к изменению состояния объекта управления 12, характеризующегося параметрами Q2 и Тсв (фиг.1) или только Тсв (фиг.2). Схема на фиг.2 работает аналогично.

Структура автоматического задатчика (фиг.3) включает в себя сигнал по температуре наружного воздуха датчика 1; сигнал текущего времени суток 2; сигнал текущей даты 3; корректирующий сигнал по фактической температуре в отапливаемом помещении 4. Сигнал по температуре воздуха в помещении 4 корректирует работу системы по текущему значению температуры в помещении. Так же система сравнивает этот сигнал с сигналом с выхода блока логики 14, который формирует задание по температуре в помещении в зависимости от текущего времени суток 2 и сигнал текущей даты 3. Сигнал по температуре наружного воздуха датчика 1 является корректирующим, он адаптирует систему к изменениям температуры окружающей среды. На выходе автоматического задатчика 5 формируется сигнал, который определяет собой необходимую температуру сетевой воды в контуре отопления.

Особенностью предлагаемой CAP является то, что она предполагает установку дополнительного датчика температуры воздуха в отапливаемом помещении, ввод в систему дополнительных сигналов текущего времени суток и даты, а так же установку программируемого логического контроллера (ПЛК) для расчета сигнала задания и реализации алгоритмов регулирования регулятора температуры прямой сетевой воды 7 и регулятора тепловой нагрузки 10.

Рассмотрим принцип работы системы в случае уменьшения температуры наружного воздуха. На вход блока логики 14 подается сигнал текущего времени суток 2 и даты 3, на выходе, в случае если дата - это выходной день, либо текущее время - нерабочее для данного объекта, формируется пониженная заданная температура в помещении (Тввзд). Если ни одно из этих условий не выполнено, то формируется обычный сигнал задания. Далее сигнал Тввзд поступает на сумматор 15, где складывается с инвертированным сигналом температуры в помещении 4. Затем сигнал с выхода сумматора 15 поступает на сумматор 16, где складывается с сигналом с выхода блока логики 14 и с инвертированным сигналом температуры наружного воздуха датчика 1. При уменьшении сигнала температуры наружного воздуха на выходе сумматора 16 величина сигнала увеличивается (относительно предыдущего значения). Затем происходит усиление сигнала с выхода сумматора 16 в блоке усиления 17 и затем его суммирование в сумматоре 18 с сигналом заданной температуры в помещении с выхода блока логики 14. С выхода сумматора 18 этот сигнал поступает на сумматор перед регулятором температуры прямой сетевой воды 7, где формируется сигнал на открытие регулирующей арматуры, что обеспечивает дополнительный приток теплоты в здание потребителя. В случае, когда система имеет вид фиг.1, дополнительно формируется сигнал на открытие регулирующей арматуры на подачу топлива в котел.

Принцип работы системы в случае уменьшения температуры в помещении ниже заданного значения следующий: на вход блока логики 14 подается сигнал текущего времени суток 2 и даты 3, на выходе, в случае если дата - это выходной день, либо текущее время - нерабочее для данного объекта, формируется пониженная заданная температура в помещении Тввзд. Если ни одно из этих условий не выполнено, то формируется обычный сигнал задания. Далее сигнал Тввзд поступает на сумматор 15, где складывается с инвертированным сигналом температуры в помещении 4. При уменьшении сигнала температуры в помещении 4, сигнал с выхода сумматора 15 увеличивается и поступает на сумматор 16, где складывается с сигналом с выхода блока логики 14 и с инвертированным сигналом температуры наружного воздуха 1. При уменьшении сигнала температуры в помещении 4 на выходе сумматора 16 величина сигнала увеличивается (относительно предыдущего значения). Затем происходит усиление сигнала с выхода сумматора 16 в блоке усиления 17 и затем его суммирование в сумматоре 18 с сигналом заданной температуры в помещении с выхода блока логики 14. С выхода сумматора 18 этот сигнал поступает на сумматор перед регулятором температуры прямой сетевой воды 7, где формируется сигнал на открытие регулирующей арматуры, что обеспечивает увеличение притока теплоты в здание потребителя. В случае, когда система имеет вид фиг.1, дополнительно формируется сигнал на открытие регулирующей арматуры на подачу топлива в котел.

Принцип работы системы в случае уменьшения сигнала задания, формируемого блоком логики 14, следующий: На вход блока логики 14 подается сигнал текущего времени суток 2 и сигнал текущей даты 3, на выходе, в случае если дата - это выходной день, либо текущее время - нерабочее для данного объекта, формируется пониженная заданная температура в помещении Тввзд. То есть на выходе блока логики 14 сигнал (Тввзд) уменьшается. Далее сигнал с выхода блока логики 14 поступает на сумматор 15, где складывается с инвертированным сигналом температуры в помещении 4. При уменьшении сигнала с выхода блока логики 14, сигнал с выхода сумматора 15 уменьшается и поступает на сумматор 16, где складывается с сигналом с выхода блока логики 14 и с инвертированным сигналом температуры наружного воздуха 1. При уменьшении сигнала с выхода блока логики 14 на выходе сумматора 16 величина сигнала так же уменьшается (относительно предыдущего значения). Затем происходит усиление сигнала с выхода сумматора 16 в блоке усиления 17 и затем его суммирование в сумматоре 18 с сигналом заданной температуры в помещении с выхода блока логики 14. С выхода сумматора 18 этот сигнал поступает на сумматор перед регулятором температуры прямой сетевой воды 7, где формируется сигнал на закрытие регулирующей арматуры, что обеспечивает снижение притока теплоты в здание потребителя. В случае, когда система имеет вид фиг.1, дополнительно формируется сигнал на закрытие регулирующей арматуры на подачу топлива в котел.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает увеличение эффективности функционирования CAP отопления зданием с учетом климатических факторов, текущей температуры воздуха в помещении, текущего времени суток, а так же текущей даты, в частности, позволяет снижать температуру в помещении согласно нормативам (СНиП 2.01.01, ГОСТ Р 51617-2000 и др.) в ночное время суток и в выходные дни, а так же корректировать сигнал задания при изменении температуры в помещении из-за усиления ветра, увеличения поступления тепла в помещение за счет солнечного излучения и др.

Система автоматического регулирования отопления здания с программируемым логическим контроллером, содержащая датчики температуры наружного воздуха в помещении, автоматический задатчик, регуляторы температуры сетевой воды и тепловой нагрузки, устройство компенсации внешних возмущений, сумматоры, отличающаяся тем, что автоматический задатчик дополнительно включает блок логики, входы которого соединены с сигналом текущего времени суток и сигналом текущей даты, выход блока логики соединен с тремя сумматорами, первый сумматор выполнен с возможностью инверсии приходящего на него сигнала фактической температуры воздуха в отапливаемом помещении и подключен ко второму сумматору, выполненному с возможностью инверсии приходящего на него сигнала с датчика температуры наружного воздуха, выход второго сумматора через блок усиления подключен к входу третьего сумматора.