Устройство управления микроклиматом в комплексе помещений

Полезная модель может найти применение для управления уровнями характеристик искусственного микроклимата, например, температурой, влажностью, газовым составом воздуха и т.п. в комплексе помещений по заранее заданным критериям, соответствующим условиям комфортности. Полезная модель содержит устройство для управления уровнями характеристик искусственного микроклимата в помещении, включающее блок управления микроклиматом, через интерфейс соединенный с контроллером. С контроллером также связаны устройство ввода, датчик наличия людей и датчик характеристики искусственного микроклимата. Контроллер содержит процессор, связанный с таймером и с памятью. Заявляемое устройство содержит устройство координации, соединенное с контроллером, и связанный с устройством координации датчик уровня мощности; при этом устройство для управления уровнями характеристик искусственного микроклимата в помещении и датчик уровня мощности установлены по крайней мере в двух помещениях. Кроме того, полезная модель также содержит устройство вывода, связанное с устройством координации. При этом устройство координации содержит информацию о графике предполагаемого присутствия людей в комплексе помещений и о текущей потребляемой мощности, полученной от датчика уровня мощности. Управление уровнями характеристик микроклимата в помещениях осуществляется с помощью управляющих сигналов контроллера, формируемых на основе текущих уровней характеристик микроклимата и наличия людей в помещении. Устройство координации координирует распределение доступной мощности между этими устройствами. Технический результат заключается в снижении значений пиковой мощности, потребляемой группой устройств управления, что в конечном итоге позволяет снизить потребление электроэнергии и снизить требования к мощности системы энергообеспечения.

Полезная модель относится к технике кондиционирования воздуха и может быть использована для управления уровнями характеристик искусственного микроклимата, например, температурой, влажностью и т.п., в комплексе помещений.

Известна система кондиционирования воздуха [1. СССР, авторское свидетельство №1323827, МПК 4 F 24 F 11/00, опубликовано 15.07.1987, бюллетень №26], содержащая калорифер первого и второго подогрева, камеру орошения, датчики и регуляторы температуры и влажности воздуха в помещении, датчик температуры приточного воздуха. Эта система кондиционирования воздуха обеспечивает качество регулирования параметров воздуха в помещении и точность регулирования температуры путем поддержания постоянной и равной расчетной величине суммы температур воздуха в помещении и в приточном воздуховоде.

Недостатком этой системы является то, что температура в помещении поддерживается на заданной контрольной точке (на заданном уровне) независимо от присутствия людей в помещении, что приводит к неоптимальному расходу электроэнергии и, как следствие, излишнему потреблению мощности.

Известно устройство для управления температурой воздуха в занятых для проживания людей зданиях [2. Патент US №4655279, МПК F 24 F 11/00. G 05 D 23/24, опубликован 1987-04-07], содержащее блок нагрева и блок управления блоком нагрева. В этом устройстве блок управления содержит датчик температуры, устройство установки температуры, устройство изменения установок температуры, устройство сброса, устройство ограничения, а также устройство для выборочной коррекции первого интервала времени в зависимости от присутствия людей в помещении. Известное устройство позволяет выбирать одну из заданных контрольных точек, соответствующих наличию или отсутствию людей в помещении.

Недостатком известного устройства является то, что при изменении условий в замкнутом кондиционируемом помещении и окружающих условий сложно обеспечить достижение оптимального баланса между экономией энергии и необходимым комфортом. Так, например, неприемлемое снижение экономии энергии произойдет в случае небольшой разницы между контрольными точками (недостаток систем с одной контрольной точкой [1]), а в случае слишком большой разницы между контрольными точками произойдет недопустимое снижение комфорта.

По совокупности существенных признаков наиболее близким с заявляемой полезной моделью является устройство для управления уровнями характеристик искусственного микроклимата в помещении [3. Заявка. А №96118559, МПК 6 F 24 F 11/00, «Устройство и способ для автоматического контроля микроклимата», опубликована 1999.01.20], взятое за прототип. Известное устройство содержит интерфейс, связанный с блоком управления микроклиматом (далее в настоящем описании используется сокращение «БУМ») и с контроллером, содержащим процессор, связанный с памятью, в которой хранится программа управления микроклиматом, содержащая программные команды для управления работой блока управления микроклиматом путем генерирования управляющих сигналов и дополнительного сохранения данных. При этом контроллер содержит таймер, связанный с процессором для синхронизации событий, относящихся к управлению искусственным микроклиматом. Устройство содержит также связанное с контроллером устройство ввода для ввода, по крайней мере, одной из заданных величин из числа контрольной точки, максимального диапазона, минимального диапазона и времени восстановления. При этом с контроллером также связаны датчик характеристики искусственного микроклимата и датчик наличия людей для выдачи в любое заданное время требуемого сигнала.

Известное устройство управляет микроклиматом в помещении, формируя последовательность управляющих импульсов включения и

выключения БУМ. Это устройство позволяет также учитывать степень заполненности людьми контролируемого помещения, изменение условий в помещении и окружающей среде и минимизировать при этом потребление энергии с одновременным достижением заранее заданных условий комфортности и санитарных норм.

Однако, современные сооружения, такие как гостиничные, жилые и офисные помещения, промышленные объекты и т.п., содержат комплекс помещений. Для управления микроклиматом в этих комплексных помещениях необходимо применение нескольких устройств для управления уровнями характеристик искусственного микроклимата, установленных соответственно в каждом помещении. В случае появления людей в нескольких помещениях (по крайней мере, в двух помещениях) в течение короткого времени (одновременно) устройства для управления микроклиматом в этих помещениях включают БУМ, установленные в помещениях, что приводит к резкому (пиковому) возрастанию энергопотребления, а, следовательно, и потребляемой мощности. Резкое (пиковое) изменение величины потребляемой мощности будет также происходить при совпадении интервалов включения БУМ в нескольких помещениях, не связанных с приходом или уходом людей (поддержание уровня характеристики на определенном уровне). Таким образом, недостатком известного устройства для управления уровнями характеристик искусственного микроклимата в помещении является высокое значение пиковой потребляемой мощности в случае одновременного включения нескольких БУМ в комплексе помещений. Пиковый характер энергопотребления предъявляет высокие требования к системе энергообеспечения, которая должна обеспечить необходимую величину выдаваемой мощности, что в свою очередь определит высокую стоимость системы энергообеспечения.

Задачей заявляемой полезной модели является разработка устройства управления искусственным микроклиматом в комплексе помещений, позволяющего снизить мощность системы энергообеспечения.

При решении указанной задачи достигается технический результат, заключающийся в снижении пиковой нагрузки на систему энергообеспечения.

Указанный технический результат достигается тем, что заявляемая полезная модель, как и прототип, содержит устройство для управления уровнями характеристик искусственного микроклимата в помещении, включающее блок управления микроклиматом для воздействия на уровни характеристик микроклимата в помещении и связанный с ним интерфейс для управления его работой при помощи управляющих сигналов; а также связанный с интерфейсом контроллер, содержащий процессор, связанный с таймером и с памятью, в которой хранится программа управления микроклиматом, содержащая программные команды для управления БУМ; а также содержит связанные с контроллером устройство ввода, датчик наличия людей и датчик характеристики искусственного микроклимата, например датчик температуры, датчик влажности, датчик наличия газа и т.п.

От прототипа заявляемое устройство отличается тем, что дополнительно содержит устройство координации, соединенное с контроллером, и связанный с устройством координации датчик уровня мощности, потребляемой блоком управления микроклиматом; при этом устройство для управления уровнями характеристик искусственного микроклимата в помещении и датчик уровня мощности установлены по крайней мере в двух помещениях. Кроме того, полезная модель дополнительно содержит устройство вывода, связанное с устройством координации, для вывода информации о текущей мощности, потребляемой блоками управления микроклимата в одном или нескольких помещениях. При этом устройство координации содержит информацию о графике предполагаемого присутствия

людей в комплексе помещений и о текущей потребляемой мощности, полученной от датчика уровня мощности.

Совокупность существенных признаков устройства управления микроклиматом в комплексе помещений, заявляемого в качестве полезной модели, не известна заявителям из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» полезной модели.

Согласно полезной модели технический результат достигается следующим. Введенное в состав полезной модели устройство координации, связанное с контроллером и датчиком уровня мощности, которые установлены по крайней мере в двух помещениях, обладает информацией о графике предполагаемого присутствия людей в помещениях и о текущей потребляемой мощности, что позволяет прогнозировать временные интервалы пикового потребления мощности. Устройство координации имеет возможность коррекции работы устройств для управления уровнями характеристик в каждом помещении, благодаря чему оно согласовывает временные интервалы работы БУМ и тем самым устраняет вероятность пикового потребления мощности. Таким образом, отличительные признаки полезной модели в совокупности с известными признаками обеспечивают технический результат, заключающийся в снижении пиковой нагрузки на систему энергообеспечения.

Полезная модель поясняется чертежами. На фиг.1 показана схема устройства управления микроклиматом в комплексе помещений. На фиг.2 показана блок-схема алгоритма работы устройства координации. На фиг.3 показана блок-схема алгоритма работы устройства управления уровнями характеристик. На фиг.4 показаны диаграммы работы устройства по прототипу. На фиг.5 представлены диаграммы работы устройства управления микроклиматом в комплексе помещении.

На фиг.1 показанная схема заявляемой полезной модели содержит устройство 1 для управления уровнями характеристик искусственного микроклимата в помещении, включающее блок 2 управления микроклиматом

(БУМ), соединенный с ним интерфейс 3, связанный с контроллером 4. При этом контроллер 4 содержит процессор 5, соединенный с памятью 6 и таймером 7. С контроллером 4 также связаны устройство 8 ввода, датчик 9 характеристики искусственного микроклимата и датчик 10 наличия людей. Датчик 11 уровня мощности связан с устройством 12 координации, соединенным с контроллером 4; с устройством 12 координации соединено также устройство 13 вывода. При этом устройство 1 для управления уровнями характеристик искусственного микроклимата в помещении и датчик 11 уровня мощности размещены, по крайней мере, в двух помещениях.

На фиг.2, 3 использованы обозначения: б_ГКК - переменная, значение «ИСТИНА» которой соответствует откорректированному графику климат-контроля (информации о предполагаемых моментах включения блоков управления микроклиматом), а значение «ЛОЖЬ» - неоткорректированному; О_дин - динамическое отклонение, рассчитываемое как наименьшее из значений максимального разрешенного отклонения, ограничиваемого заданным максимальным диапазоном, и нового разрешенного отклонения, для которого время на возврат к минимальному отклонению за счет работы БУМ не превышает времени восстановления, причем время восстановления определяется как минимальная из величин максимального времени восстановления и времени, оставшегося до заданного контрольного; t _тек - текущее время.

На фиг.4, 5 показаны следующие диаграммы (временные зависимости) соответственно для прототипа и заявляемой полезной модели: 1 и 1' - текущий уровень характеристики искусственного микроклимата (температуры, °С) в определенном помещении; 2 и 2' - текущий уровень температуры воздуха окружающей среды (°С); 3 и 3' - текущая потребляемая мощность (кВт, двойной масштаб по вертикальной оси); 4 и 4' - диапазон допустимого отклонения уровня характеристики в помещении (°С); 5 и 5' - интервалы присутствия людей в помещении.

Работа устройства управления микроклиматом в комплексе помещений рассмотрена на конкретном примере выполнения, в котором блок 2 управления микроклиматом (фиг.1) выполнен на базе оборудования нагрева, вентиляции и воздушного кондиционирования, производимого компанией «Корф». Контроллер 4 реализован на основе программируемого контроллера Simatic S7-200 компании Siemens с использованием дополнительных модулей аналогового, дискретного и цифрового ввода-вывода для взаимодействия с подключенными к контроллеру устройствами. В качестве устройства 8 ввода использован операторский интерфейс (текстовая панель TD 200) компании Siemens. Датчик 9 уровня характеристики искусственного микроклимата (температуры воздуха) в помещении выполнен на основе датчика Siemens QAA 24; датчик 10 наличия людей - на основе инфракрасного датчика компании muRata. Датчик 11 мощности реализован на базе счетчика электроэнергии, оснащенного стандартным телеметрическим выходом. В качестве устройства 12 координации использован персональный компьютер.

В исходном состоянии каждое устройство 1 (фиг.1) для управления уровнями характеристик в памяти 6 контроллера 4 содержит информацию о заданной контрольной точке, представляющей собой заданный уровень характеристики (заданные уровни характеристик), о заданных максимальном и минимальном диапазонах вблизи контрольной точки, о заданном максимальном времени восстановления и заданном контрольном времени (время, к которому работа устройства 1 должна обеспечить попадание уровня характеристики в пределы минимального диапазона), о текущих уровнях характеристик и наличии людей в определенном помещении, а также информацию о текущем времени. При этом все блоки БУМ выключены.

Если текущий уровень характеристики микроклимата в определенном помещении не попадает в пределы заданного минимального диапазона (ветвь 1, фиг.3), то в случае присутствия людей в помещении (ветвь 2, фиг.3) происходит отправка устройством 1 для управления уровнями характеристик

сигнала на устройство 12 координации о запросе мощности, необходимой для включения БУМ для смещения уровня характеристики к минимальному диапазону. При получении устройством 12 координации такого сигнала (ветвь 2, фиг.2), производится расчет свободной мощности и отсылка на устройство 1 для управления уровнями характеристик сигнала о принятии (ветвь 4, фиг.2) или непринятии (ветвь 3, фиг.2) запроса мощности. В случае получения устройством 1 для управления уровнями характеристик сигнала о принятии запроса мощности (ветвь 5, фиг.3) контроллер 4 формирует управляющие импульсы, через интерфейс 3 поступающие на вход БУМ, в результате работы которого текущий уровень характеристики смещается к минимальному диапазону. При отсутствии людей в помещении (ветвь 3, фиг.3) аналогичное смещение уровня характеристики производится в случае выхода текущего уровня характеристики за пределы динамического отклонения О_дин (ветвь 4, фиг.3).

В отсутствие сигнала о запросе мощности с устройств 1 для управления уровнями характеристик (ветвь 1, фиг.2), устройством 12 координации производится коррекция графика климат-контроля с исключением интервалов потребления мощности, превосходящей максимально допустимую, если коррекция еще не произведена. Далее происходит рассылка управляющих сигналов на устройства 1 для управления уровнями характеристик в соответствии с откорректированным графиком климат-контроля. Кроме того, производится обновление информации, принимаемой пользователем через устройство 13 вывода, в качестве которого может выступать информационный дисплей.

Сравнительные испытания известного (прототип) и предлагаемого устройств проводились путем моделирования их работы с использованием ЭВМ. Целью являлось выявление максимального значения пиковой мощности, потребляемой устройствами, построенными по схеме прототипа (фиг.4) и предлагаемого устройства (фиг.5).

Моделирования проводилось с применением пакета Iconics Genesis 32 версии 8.0. В сравнительных испытаниях исследовалась работа известного и предлагаемого устройств по управлению микроклиматом в комплексе из трех гостиничных помещений.

В исходном состоянии в каждое устройство 1 для управления уровнями характеристик вводилась информация о заданной контрольной точке, текущих уровнях характеристик и наличии людей в определенном помещении, а также информация о текущем времени (значения параметров приведены в таблице 1). Контрольное время задавалось таким образом, чтобы соответствовать особенностям присутствия людей в комплексе гостиничных помещений - преобладающее отсутствие людей в дневное время с появлением их в конце дня. Первоначально все БУМ были выключены.

Впоследствии изменялись такие параметры помещений, как наличие людей и уровень характеристики микроклимата (температуры) в каждом помещении, рассчитываемый по следующей формуле.

где Т=T'-T - изменение средней температуры воздуха в помещении за t (шаг моделирования), °С;

R, С - термодинамические параметры помещения: коэффициент теплопроводности (теплообмена) между помещением и окружающей средой и его «теплоемкость», К/Вт и Дж/К;

P_Heat, P_Cool - текущие полезные суммарные мощности, соответственно, нагревателей и охладителей воздуха в помещении, Вт;

Т _out - температура воздуха окружающей среды, °С.

При моделировании были приняты следующие допущения, нашедшие отражение в указанной формуле:

- потери тепловой энергии в единицу времени пропорциональны разности температур воздуха внутри и вне помещения;

- скорость изменения температуры воздуха пропорциональна величине суммарной получаемой и рассеиваемой (в окружающую среду) мощностей;

- изменение температуры окружающего воздуха аппроксимировалось синусоидой.

Параметры R и С при вычислениях принимались не зависящими от времени, а значения Т, T_out, Р_Heat и Р_Cool рассчитывались на каждом шаге моделирования. Таким образом, учитывались суточные колебания температуры (T_out) и управляющая работа устройства 1 для управления уровнями характеристик и устройства 12 координации (P_Heat P_Heat,max и P_CoolP_Cool,max - выключение и включение БУМ). Исходные значения указанных параметров моделирования представлены в таблице 2.

Приостановка управляющей деятельности устройства 12 координации при моделировании работы исследуемого устройства позволяла получать экспериментальные зависимости для прототипа (фиг.4), возобновление функционирования устройства координации - для предлагаемого устройства (фиг.5).

При отсутствии людей в помещении (интервал времени 8-22 ч.; линии 5 и 5' - в «нулевом» состоянии, фиг.4, 5) допустимое отклонение температуры ограничивалось допустимым динамическим отклонением (линии 4 и 4'), рассчитываемым согласно ветви (3) алгоритма работы устройства для управления уровнями характеристик (фиг.3). В интервалы времени 8-9.5 ч. и 18.30-22 ч. динамический диапазон ограничен максимальным (15-31°С), а в 9.30-18.30 ч. величина динамического диапазона уменьшается, поскольку величина теплопотерь возрастает в связи с возрастанием разности температур воздуха внутри и вне помещения. В случае появлении людей в помещении (интервалы времени 0-8 ч. и 22-24 ч.; линии 5 и 5' - в «единичном» состоянии) происходило уменьшение текущего диапазона до величины минимального диапазона (22-24°С) согласно ветви (2) алгоритма (фиг.3). При этом в момент прихода людей в 22 ч. изменение температуры вследствие работы блока управления микроклиматом в направлении минимального диапазона происходило за время, меньшее заданного времени восстановления (смещение линии 1 на фиг.4 в интервале 22 ч.-22 ч.15 мин.). В других помещениях наблюдаемые величины изменялись аналогичным образом.

При одновременном появлении людей в нескольких помещениях в 22 ч., функционирование устройства-прототипа приводит к пиковому потреблению мощности, связанной с одновременной работой блоков управления микроклиматом в нескольких помещениях (линия 3, фиг.4). Для исключения пикового потребления в этот момент, устройство 12 координации определяет различные моменты включения БУМ в различных помещениях. На фиг.3 для выбранного помещения такой момент приходится на 21 ч. 30 мин. Максимальное значение пиковой мощности уменьшено в 1.5 раза (с 6 кВт до 4 кВт).

В результате проведенного эксперимента было выявлено такое положительное свойство предлагаемой полезной модели, как устранение случайных (незапланированных) пиков потребления электрической мощности, обусловленных совпадением интервалов работы БУМ в нескольких помещениях (поддерживание температуры в рамках требуемого диапазона или неожиданное появление группы людей в комплексе помещений на всем временном интервале). Потребляемая предлагаемым устройством мощность не выходила за пределы установленной максимально допустимой величины (линия 3' на фиг.5 лежала ниже значения 4.1 кВт, установленного в качестве максимально допустимой потребляемой мощности). Контролируемая характеристика микроклимата (линии 1 и 1', фиг.4, 5) не пересекала границ заданного диапазона (линии 4 и 4', фиг.4, 5). Полезная модель работоспособна при любом графике присутствия людей в комплексе помещений.

При решении поставленной задачи получен технический результат, заключающийся в снижении пиковой нагрузки на систему энергоснабжения.

Приведенный пример выполнения заявляемого устройства управления микроклиматом в комплексе помещений не ограничивает другие возможные примеры реализации данного устройства и его блоков.

Полезная модель промышленно применима и может быть многократно реализована на различных общеизвестных в электронной технике схемных решениях и выполнена на известной элементной базе. Заявляемая полезная модель может быть использована для управления работой оборудования в системах нагрева, вентиляции и воздушного кондиционирования по управлению искусственным микроклиматом в комплексе помещений по заранее заданным критериям, соответствующим условиям комфортности.

1. Устройство управления микроклиматом в комплексе помещений, содержащее устройство для управления уровнями характеристик искусственного микроклимата в помещении, включающее блок управления микроклиматом для воздействия на уровни характеристик микроклимата в помещении и связанный с ним интерфейс для управления его работой при помощи управляющих сигналов, а также связанный с интерфейсом контроллер, содержащий процессор, связанный с таймером и с памятью, в которой хранится программа управления микроклиматом, содержащая программные команды для управления блоком управления микроклиматом, а также содержит связанные с контроллером устройство ввода, датчик наличия людей и датчик характеристики искусственного микроклимата, например датчик температуры, датчик влажности, датчик наличия газа, отличающееся тем, что дополнительно содержит устройство координации, соединенное с контроллером, и связанный с устройством координации датчик уровня мощности, потребляемой блоком управления микроклиматом, при этом устройство для управления уровнями характеристик искусственного микроклимата в помещении и датчик уровня мощности установлены по крайней мере в двух помещениях.

2. Устройство управления микроклиматом в комплексе помещений по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит устройство вывода, связанное с устройством координации, для вывода информации о текущей мощности, потребляемой блоками управления микроклимата в одном или нескольких помещениях.

3. Устройство управления микроклиматом в комплексе помещений по п.1, отличающееся тем, что устройство координации содержит информацию о графике предполагаемого присутствия людей в комплексе помещений и о текущей потребляемой мощности, полученной от датчика уровня мощности.