Система автоматического регулирования отопления здания

Система автоматического регулирования отопления здания (полезная модель) относится к области, связанной с системами управления или регулирования температуры с помощью электрических средств, и может быть использована для систем автоматического регулирования (CAP) отопления зданий с местным водяным отоплением для решения задач энергосбережения и комфортабельности. Для увеличения эффективности CAP отопления здания путем обеспечения возможности периодической автокоррекции температуры теплоносителя в системе отопления по температуре воздуха в помещении (здании) CAP содержит блок двухпозиционного регулятора температуры теплоносителя, выходное устройство (реле), клапан, газовую магистраль, котел, контур отопления здания, насос контура отопления, тепловые приборы, датчик температуры теплоносителя, соединенный с регулятором, датчик температуры наружного воздуха, датчик температуры внутреннего воздуха, три блока суммирования сигналов, программный блок, ключ, генератор цикловых управляющих импульсов, блок запоминания сигналов, блок формирования установочной температуры теплоносителя по отопительному графику. Технический результат - повышение эффективности CAP отопления путем обеспечения возможности периодической автокоррекции температуры теплоносителя в системе отопления по температуре воздуха в здании (помещении).

Полезная модель относится к области, связанной с системами управления или регулирования температуры с помощью электрических средств, и может быть использована для систем автоматического регулирования (CAP) отопления зданий с местным (индивидуальным) водяным отоплением.

Известна система (устройство) автоматического регулирования в системе отопления (см. RU патент 2325591 01.08.2006), содержащая теплообменник, первичный и вторичный контур тепловой сети, датчики температуры теплоносителей, циркуляционные насосы с приводом, регулятор температуры теплоносителей.

Недостатком является низкая экономичность (перерасход тепловой энергии) и низкая комфортабельность из-за плохой стабилизации (больших колебаний) температуры воздуха в отапливаемых помещениях.

Известно устройство (система) регулирования температуры воздуха в помещении (см. RU патент 2263848 22.03.2004), содержащее контур общей и повторной циркуляции теплоносителя, снабженных циркуляционными насосами с приводом, датчик температуры теплоносителя и датчик температуры воздуха в помещении, регулятор температуры воздуха, регулятор давления.

Недостатком является низкая экономичность из-за высокой динамической ошибки (перерегулирования) регулирования.

Наиболее близким аналогом является система автоматического регулирования температуры в системах отопления (см. Каталог продукции 2008/2009. Компоненты автоматизации ОВЕН. Разработка и производство, с.101, www.owen.ru)

Данная система содержит регулятор температуры теплоносителя контура системы отопления, выходное устройство (реле), выход которого соединен с клапаном, установленном в сети на входе теплообменника, насос

контура отопления, тепловые приборы (батареи), блок формирования установочной температуры теплоносителя по отопительному графику и температуре на улице, выход которого соединен с регулятором температуры теплоносителя, блок (узел) коррекции установочной температуры теплоносителя в режиме «День/ночь», датчик температуры теплоносителя, датчик температуры наружного воздуха, блок суммирования сигналов на входе регулятора.

Недостатком этой системы является низкая комфортность из-за плохой стабилизации (больших колебаний) температуры воздуха в отапливаемых помещениях. В результате также возможно появление дефицита теплоты в отапливаемых помещениях, либо ее избытков, что приводит к перерасходу тепловой энергии на отопление и низкой экономичности системы.

Технической задачей предлагаемой системы автоматического регулирования (CAP) является повышение экономичности и комфортности за счет повышения точности поддержания заданных параметров по температуре отапливаемого помещения путем периодической автокоррекции температуры теплоносителя в системе отопления по температуре воздуха в помещении.

Технический результат по повышению эффективности CAP отопления здания за счет периодической коррекции температуры теплоносителя по температуре воздуха в помещении достигается тем, что CAP отопления здания содержит блок двухпозиционного регулятора температуры теплоносителя, соединенного с выходным устройством (реле), выход которого соединен с клапаном, соединенным через вентиль с газовой магистралью и камерой сгорания газа котла контура отопления помещения (здания), содержащего циркуляционный насос и тепловые приборы (батареи); датчик температуры теплоносителя, соединенный с регулятором, датчик температуры наружного воздуха, датчик температуры внутреннего воздуха, блок формирования установочной температуры теплоносителя по отопительному графику и температуре на улице, выход которого соединен с первым входом первого блока (алгебраического) суммирования сигналов,

соединенного с блоком двухпозиционного регулятора температуры, блок (на базе таймера) программного задания температуры в помещении и величины коррекции установочной температуры теплоносителя, первый выход которого соединен со вторым входом первого блока суммирования сигналов, второй выход которого соединен с первым входом второго блока суммирования сигналов, второй вход которого соединен с датчиком температуры воздуха в помещении, выход второго блока суммирования сигналов связаны с первым блоком суммирования сигналов, при этом выход второго блока суммирования сигналов соединен с входом ключа, управляющий вход которого соединен с выходом генератора цикловых управляющих импульсов, а выход ключа соединен с первым входом дополнительного (третьего) блока суммирования сигналов, выход которого соединен с входом блока запоминания сигналов (регистра), один выход которого соединен со вторым входом третьего дополнительного блока суммирования сигналов, а второй выход блока запоминания сигналов соединен с третьим входом первого блока суммирования сигналов.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемой системы автоматического регулирования отопления здания.

Система регулирования содержит блок двухпозиционного регулятора температуры теплоносителя (воды) 1, соединенного с выходным устройством (реле) 2, выход которого 3 соединен с клапаном (распределителем) 4, соединенным через вентиль 5 с газовой магистралью 6 и камерой сгорания газа водогрейного котла 7 контура отопления 8, содержащего насос 9, тепловые приборы (батареи) 10, 11; блок формирования установочной температуры (Т₀) теплоносителя 12 по отопительному графику 13 и температуре (Т_н) на улице - датчик 14, выход 15 которого соединен с первым входом 16 первого блока (алгебраического) суммирования сигналов 17, соединенного с блоком двухпозиционного регулятора 1; блок (на базе таймера) программного задания температуры (Т_з) в помещении и величины (Т₀) коррекции установочной температуры (Т ₀) 18, первый выход 19

которого соединен со вторым входом первого блока суммирования сигналов, а второй выход соединен с первым входом второго блока суммирования (сравнения) сигналов 20, второй вход которого соединен с датчиком 21 температуры воздуха (Т_n) в помещении, выход 22 (с сигналом рассогласования - ошибкой (T=Т_з-Т_n)) блока суммирования 20 соединен с входом ключа 23, управляющий вход 24 которого соединен с выходом генератора 25 цикловых управляющих импульсов 26 (с длительностью t_u и периодом t_ц), а выход 27 ключа 23 соединен с первым входом дополнительного (третьего) блока суммирования сигналов 28, выход 29 которого соединен с входом блока запоминания сигналов (регистра) 30, один выход 31 которого соединен со вторым входом дополнительного блока суммирования сигналов 28, а другой выход 32 блока запоминания сигналов 30 соединен с третьим входом 33 блока 17 суммирования сигналов (T₀+T*+T₀=T - заданная температура теплоносителя; где T* - суммарный корректирующий сигнал температуры теплоносителя по температуре в помещении, Т_t - ошибка (рассогласование) в момент (t) срабатывания ключа, - суммарный сигнал с выхода 32 блока запоминания сигналов (информации) 30 в предыдущий (t-1) момент времени - в предыдущее срабатывание ключа); двухпозиционный регулятор 1 через канал 34 соединен с датчиком температуры (Т_m) теплоносителя 35 и имеет вход 36 для ввода (ручного) гистерезиса ₀ в (пределах 5~10°С) в диаграмму работы (прямой гистерезис) 37 выходного устройства (реле) 2. Система регулирования также содержит ограничитель (на рисунке не показан) верхнего и нижнего предела температуры (Т) теплоносителя, подсоединенный между блоком 1 и блоком 17, усилитель ошибки Т с коэффициентом усиления в пределах 1~5 (на рисунке не показан), подсоединенный между блоками 20 и 23, регистратор (на рисунке не показан) экспериментального переходного процесса температуры (Т_n) в помещении: суммарных транспортных (чистых) задержек (_з) цепочки реле 2 - распределитель 4 - котел 7 - контур отопления 8 - температура (Т_n) в

помещении и постоянной времени (), соответствующей времени достижения Т_n=0,63Т _з нагрева воздуха помещения при ступенчатом (единичном) входном сигнале (Т₀±Т₀), аналогово-цифровой преобразователь (на рисунке не показан), преобразующий в цифровую форму аналоговые сигналы с датчиков в их цифровые эквиваленты.

Система регулирования работает следующим образом.

Запуск системы осуществляется при выключенном («стоп») генераторе импульсов 25 (разомкнутом ключе 23) и открытии вентиля 5, сигнал установочной температуры Т₀ теплоносителя поступает через блок (Т=Т₀, Т=0) суммирования сигналов 17 в блок 1, который включает реле 2 и клапан 4, который подает газ из магистрали 6 в камеру сгорания газа котла 7, циркулирующий в контуре отопления 8 под действием насоса 9 теплоноситель (вода) нагревается до температуры Т_m=Т₀+₀, после чего (по сигналу с датчика 35) реле 2 блоком 1 отключается, отключается и клапаном 4 подача газа в котел 7, циркулирующий теплоноситель в контуре отопления постепенно при этом остывает и когда температура Т_m теплоносителя уменьшится до значения Т₀-₀, блок 1 включит реле 2, газ вновь поступит для сгорания из магистрали 6 в котел 7, температура Т_m будет вновь повышаться до значения Т₀+₀, далее циклы включения и выключения реле 2 (клапана 4) будут повторяться, поддерживая в итоге температуру Т_m в пределах Т₀+₀ и Т₀-₀.

С момента включения системы регулирования температура воздуха Т_n в помещении из-за нагрева батареями 10, 11 постепенно (по кривой, близкой к экспоненте) будет повышаться и через время t_ц=_з+3, соответствующее достижению в переходном процессе температурой Т_n уровня 0,95Т₀, включается (ручная команда «Пуск» или автоматически от блока 18 - пунктирная линия) генератор 25, импульс (импульсы) 26 длительностью t_ut_з где t_з - суммарная задержка в срабатывании цепочки ключ 23 - блок 28 - блок 30, включает (замыкает) ключ 23, через который сигнал (коррекции) рассогласования Т заданной температуры Т_з в помещении и температурой

Т_n в помещении через сумматор 28 подается в запоминающий блок 30, запоминается в нем и выдается через сумматор 17 в регулятор 1, сдвигая (вправо или влево) диаграмму 37 и обеспечивая (через реле 2 и распределитель 4) дополнительную коррекцию (увеличение или уменьшение) температуры Т_m, теплоносителя и увеличение (или уменьшение) температуры воздуха Т_n в помещении здания.

При очередном срабатывании ключа 23 (через промежуток времени t_ц) предыдущее значение сигнала () в памяти блока 30, работающему по внутреннему алгоритму, увеличивается (уменьшается) на дискретную величину Т_t, обеспечивая в итоге пошаговое (обычно 3-4 шага) «приближение» температуры Т_n в помещении к заданной температуре Т_з, которая задается блоком 18 в зависимости от требуемого режима отопления (Т₀: ночь, праздничные и выходные дни (-Т₀), натоп утром (+Т₀), тестовый ступенчатый входной сигнал (±Т₀) в систему регулирования при экспериментальном снятии (регистратором) переходного процесса системы для определения задержек _з и постоянной времени ).

В период времени t_ц-t _u система регулирования работает в качестве разомкнутой системы, а так как t_цt_u, а tut_з (t_u менее одной секунды), то система регулирования в любой период времени фактически работает как разомкнутая, которая не имеет по сравнению с замкнутыми системами регулирования проблем устойчивости (автоколебаний, режимов «разноса» и связанных с ними потерями энергии тепловых комплексов), работа же контура коррекции температуры теплоносителя по температуре воздуха в помещении обеспечивает повышенную по сравнению с известными разомкнутыми системами регулирования точность, комфортность поддержания температуры в помещении за счет корректирующихся (пошаговых) сигналов (Т*) с блока запоминания сигналов 30, высокое качество (малую колебательность, малое перерегулирование) переходного процесса и энергосбережение теплового комплекса.

Система автоматического регулирования отопления здания, содержащая блок двухпозиционного регулятора температуры теплоносителя, соединенного с выходным устройством (реле), выход которого соединен с клапаном, соединенным через вентиль с газовой магистралью и камерой сгорания газа котла контура отопления помещения (здания), содержащего циркуляционный насос и тепловые приборы (батареи), датчик температуры теплоносителя, соединенный с регулятором, датчик температуры наружного воздуха, датчик температуры внутреннего воздуха, блок формирования установочной температуры теплоносителя по отопительному графику и температуре на улице, выход которого соединен с первым входом первого блока (алгебраического) суммирования сигналов, соединенного с блоком двухпозиционного регулятора температуры теплоносителя, блок (на базе таймера) программного задания температуры в помещении и величины коррекции установочной температуры теплоносителя, первый выход которого соединен со вторым входом первого блока суммирования сигналов, второй выход которого соединен с первым входом второго блока суммирования сигналов, второй вход которого соединен с датчиком температуры воздуха в помещении, выход второго блока суммирования сигналов связан с первым блоком суммирования сигналов, отличающаяся тем, что выход второго блока суммирования сигналов соединен с входом ключа, управляющий вход которого соединен с выходом генератора цикловых управляющих импульсов, а выход ключа соединен с первым входом дополнительного (третьего) блока суммирования сигналов, выход которого соединен с входом блока запоминания сигналов (регистра), один выход которого соединен со вторым входом третьего блока суммирования сигналов, а второй выход блока запоминания сигналов соединен с третьим входом первого блока суммирования сигналов.