Способ работы аккумуляционного электрообогрева и устройство управления для его осуществления

 

Использование: в технике электрообогрева для управления аккумуляционным обогревом усадебных домов, коттеджей и т.д. Сущность изобретения: время провала графика нагрузки дополнительно разбивают на равные интервалы времени, в каждом из которых последовательно включают суточное аккумуляционное электрообогревающее устройство и долгосрочное аккумуляционное устройство горячего водоснабжения, при этом включение суточного аккумуляционного обогревающего устройства в каждом последовательном интервале времени производят на время _i, которое определяют делением времени, необходимого для зарядки суточного аккумуляционного обогревающего устройства до требуемой температуры, на количество оставшихся до окончания провала графика нагрузки интервалов времени, причем в каждом указанном интервале времени производят коррекцию требуемой температуры зарядки суточного аккумуляционного обогревающего устройства. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к технике электрообогрева и предназначено для управления аккумуляционным обогревом усадебных домов, коттеджей и отдельных квартир многоэтажных домов, служащих потребителем-регулятором нагрузки в часы провала графика нагрузки энергосистемы или подстанции (районной и потребительской).

Известен способ работы аккумуляционного электрообогревающего устройства в часы провала графика нагрузки питающей потребительской подстанции, для которой аккумуляционный электрообогрев и аккумуляционное горячее водоснабжение является потребителями-регуляторами, при котором провал графика заполняется поочередным включением аккумуляционного обогрева и после его зарядки до требуемой температуры включением аккумуляционного горячего водоснабжения до окончания времени провала [1] К недостаткам такого способа следует отнести то, что невозможно изменить температуру зарядки аккумуляционного устройства обогрева после окончания времени его зарядки, и то, что температура зарядки достигает заданной величины до окончания провала, что приводит к дополнительным потерям тепловой энергии и аккумулятора.

Известно устройство для автоматического управления подачей тепла, содержащее датчики температуры: наружной стены, наружного и внутреннего воздуха, скорости ветра, суммирующий усилитель, блок умножения, масштабный усилитель, сумматор, переключатель, индикатор, датчик расчетной скорости ветра, имитатор прогнозируемой температуры наружного воздуха, имитатор прогнозируемой скорости ветра, двухпозиционный переключатель, а также масштабные резисторы, суммирующий усилитель [2] Датчик расчетной скорости ветра подключен своим выходом к входу масштабного усилителя, выход имитатора прогнозируемой температуры наружного воздуха через двухпозиционный переключатель подключен к второму входу сумматора, а выход имитатора прогнозируемой скорости ветра через двухпозиционный переключатель подключен к входу масштабного усилителя. В одном положении двухпозиционного переключателя к входу суммирующего усилителя и к второму входу сумматора подключен выход датчика температуры наружного воздуха, а к входу масштабного усилителя подключен выход датчика скорости ветра, а во втором положении двухпозиционного переключателя к входу суммирующего усилителя и к второму входу сумматора подключен выход имитатора прогнозируемой температуры наружного воздуха, а к входу масштабного усилителя подключен выход имитатора прогнозируемой скорости ветра.

Недостатками известного устройства являются низкое качество регулирования при аккумуляционном обогреве, невозможность использования прогнозируемых хода температуры наружного воздуха и расчетной скорости ветра, в данном устройстве при аккумуляции тепловой энергии для обогрева.

Задачей изобретения является создание способа работы аккумуляционного электрообогрева и устройства управления для его осуществления, позволяющих повысить эффективность электрообогрева.

Поставленная задача решается тем, что в заявленном способе, в отличии от прототипа, время провала графика нагрузки дополнительно разбивают на равные интервалы времени, в каждом из которых последовательно включают суточное аккумуляционное электрообогревающее устройство и долгосрочное аккумуляционное устройство горячего водоснабжения, при этом включение суточного аккумуляционного обогревающего устройства в каждом последующем интервале времени производят на время _i которое определяют по формуле: где _зар время, необходимое для зарядки суточного аккумуляцонного обогревающего устройства до требуемой температуры; n_i количество оставшихся до окончания провала графика нагрузки интервалов времени, причем в каждом указанном интервале времени производят коррекцию требуемой температуры зарядки суточного аккумуляционного обогревающего устройства.

В заявляемое устройство, в отличии от прототипа, введены имитаторы прогнозируемой температуры наружной стены и заданной температуры внутреннего воздуха, блок измерения температуры зарядки суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства, блок счета количеств интервалов и интегрируемых температур, блок интегратора, блок сравнения, блок формирования режимов управления и блок переключающего устройства, причем выход имитатора прогнозируемой температуры стены соединен с первым входом блока сумматора, выход которого соединен с первым входом блока интегратора, второй вход указанного блока соединен с вторым выходом блока счета количеств интервалов и интегрируемых температур, а выход соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока измерения температуры зарядки суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства, а выход соединен с первым входом блока формирования режимов управления, второй вход которого соединен с выходом блока счета количества интервалов и интегрируемых температур, а выход соединен с блоком переключающегося устройства, при этом синхронизирующий выход блока счета количества интервалов и интегрируемых температур соединен с входами имитаторов прогнозируемой температуры наружной стены, прогнозируемой температуры наружного воздуха, прогнозируемой скорости ветра и входом блока измерения температуры зарядки суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства.

Именно заявляемое расположение элементов устройства управления и соединение между собой, реализующие способ работы аккумуляционного электрообогрева, способствуют решению задачи, поставленной в изобретении.

Отличия, приведенные выше, позволяют сделать вывод о соответствии заявляемых способа работы аккумуляционного электрообогрева и устройства управления для его осуществления критерию "новизна".

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод от отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявляемых способе и устройстве для его осуществления, следовательно, предлагаемое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлены временные диаграммы работы аккумуляционного электрообогрева: 1 работа суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства; 2 работа долгосрочного аккумуляционного устройства горячего водоснабжения; 3 изменение температуры суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства; 4 изменение температуры долгосрочного аккумуляционного устройства горячего водоснабжения.

Время начала провала графика нагрузки обозначено _нач.пр. а время его окончания _ок.пр. Период времени провала от _нач.пр. до _ок.пр. обозначен _пр. Время провала _пр. разбито на равные интервалы времени: ₁,₂...₅ Период времени зарядки суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства в первый интервал времени ₁ обозначен _{зар.об.1} во второй интервал ₂-_{зар.об.2} и т.д. Период зарядки долгосрочного аккумуляционного устройства горячего водоснабжения в первый интервал времени ₁ обозначен _{зар.гвс.1} во второй интервал ₂-_{зар.гвс.2} и т.д. Температура начала зарядки суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства обозначена Т_{нач.зар.об.}, а окончания - T_{ок.зар.об.} Температура начала зарядки долгосрочного аккумуляционного устройства горячего водоснабжения обозначена T_{нач.зар.гвс.}, а окончания - T_{ок.зар.гвс}.

На фиг. 2 схематически представлена структурная блок-схема устройства управления аккумуляционным электрообогревом.

На фиг. 3 показаны примеры выполнения блока счета количеств интервалов и интегрируемых температур и имитатора прогнозируемой температуры наружной стены.

На фиг. 4 представлен пример выполнения блока суммирующего усилителя.

На фиг. 5 показан пример выполнения блока сравнения.

На фиг. 6 представлен пример выполнения блока переключающего устройства.

Предлагаемый способ работы аккумуляционного электрообогрева реализован следующим образом.

В момент времени _нач.пр. (момент времени 1, диаграммы 1, 3), когда температура суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства ниже требуемой, включают нагревательные элементы указанного устройства. В данный момент времени определяют время, необходимое для зарядки суточного аккумуляционного обогревающего устройства. Время провала графика нагрузки _пр. разбивают на равные интервалы времени В примере, приведенном на фиг. 1 таких интервалов пять: Dt₁,₂...₅.
Включение суточного аккумуляционного обогревающего устройства в каждом последующем интервале времени производят на время _i которое определяют по формуле:

где
_зар время, необходимое для зарядки суточного аккумуляционного обогревающего устройства до требуемой температуры;
n_i количество оставшихся до окончания провала графика нагрузки интервалов времени.

Например, его время равно _{зар.об.1} (диаграмма 1), тогда в момент времени 2 (диаграмма 1) происходит отключение нагревательных элементов суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства и включение нагревательных элементов долгосрочного аккумуляционного устройства горячего водоснабжения (диаграмма 2). В момент времени 3 вновь определяют время, необходимое для зарядки суточного аккумуляционного обогревающего устройства, делят на количество интервалов, оставшихся до окончания провала графика нагрузки. На полученное время вновь включают нагревательные элементы упомянутого устройства обогрева, при этом нагревательные элементы долгосрочного аккумулятора горячего водоснабжения отключают. В момент времени 4 после окончания времени зарядки аккумуляционного электрообогрева _{зар.об.2} во втором интервале ₂ отключают нагревательные элементы устройства аккумуляционного электрообогрева и включают нагревательные элементы долгосрочного аккумулятора горячего водоснабжения. Далее процесс зарядки до температуры T_{ок.зар.об.} устройства электрообогрева происходит аналогично описанному. За время _пр температура устройства горячего водоснабжения изменяется от T_{нач.зар.гвс.} до T_{ок.зар.гвс.}.

К моментам времени 1, 3, 5, 7, 9 может производиться коррекция требуемой температуры зарядки суточного аккумуляционного обогревающего устройства.

Выполнение нагревательных элементов устройств обогрева и горячего водоснабжения трехфазными и симметричными по нагрузке позволяет использовать эти устройства в качестве потребителей регуляторов нагрузки энергосистемы или питающей трансформаторной подстанции (районной или потребительской) в часы провала из графика нагрузки. В данном случае предпочтительнее выполнение нагревательных элементов устройств обогрева и горячего водоснабжения на одинаковые мощности.

Устройство управления аккумуляционным электрообогревом содержит имитаторы прогнозируемой температуры наружного воздуха 1 (фиг. 2), прогнозируемой скорости ветра 2, блоки суммирующего усилителя 3, умножения 4 и сумматора 5, а также имитаторы прогнозируемой температуры наружной стены 6 и заданной температуры внутреннего воздуха 7, блоки измерения температуры зарядки суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства 8, счета количеств интервалов и интегрируемых температур 9, интегратора 10, блока сравнения 11, формирования режимов управления 12 и переключающего устройства 13.

Выход имитатора прогнозируемой температуры наружного воздуха 1 подключен к второму входу блока сумматора 5 и к первому входу блока суммирующего усилителя 3, выход блока суммирующего усилителя 3 соединен с первым входом блока умножения 4, выход блока имитаторов прогнозируемой скорости ветра 2 соединен с вторым входом блока умножения 4, выход блока умножения 4 соединен с третьим входом сумматора. Кроме того, имитатора прогнозируемой температуры наружной стены 6 соединен с первым входом блока сумматора 5, выход блока сумматора 5 соединен с первым входом блока интегратора 10, второй вход блока интегратора 10 соединен с вторым выходом блока счета количеств интервалов и интегрируемых температур 9. Выход блока интегратора 10 соединен с первым входом блока сравнения 11. Второй вход блока сравнения 11 соединен с выходом блока измерения зарядки аккумуляционного электрообогревающего устройства 8. Выход блока сравнения 11 соединен с первым входом блока формирования режимов управления 12, второй вход блока 12 соединен с выходом блока счета количества интервалов и интегрируемых температур, а выход соединен с входом блока переключающего устройства 13. При этом синхронизирующий выход блока счета количеств интервалов и интегрируемых температур 9 соединен с входом имитаторов прогнозируемой температуры наружной стены 6, прогнозируемой температуры наружного воздуха 1, заданной температуры внутреннего воздуха 7, прогнозируемой скорости ветра 2 и входом блока измерения температуры зарядки суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства 8.

Устройство работает следующим образом.

Имитаторы 6, 1, 7 и 2 содержат прогнозируемую температуру наружной стены, прогнозируемую температуру наружного воздуха, заданную температуру внутреннего воздуха и прогнозируемую скорость воздуха, соответственно записанные, например, на каждый час предстоящих для обогрева суток. В момент начала графика провала нагрузки на синхронизирующем выходе блока счета количеств интервалов и интегрируемых температур 9 появляется сигнал, запускающий в работу имитаторы 6, 1, 7 и 2. На выходах имитаторов 6, 1, 7 и 2 формируются сигналы, характеризующие в аналоговой форме (напряжении) изменение прогнозируемой температуры наружной стены, прогнозируемой температуры наружного воздуха, заданной температуры внутреннего воздуха и прогнозируемой скорости ветра. На выходе сумматора 5 моделируется физический процесс теплоотдачи под действием прогнозируемых метеорологических параметров и заданной температуры внутреннего воздуха в i-ое время прогноза по следующему закону.

_прi= t_нi(1-)+t_ci+d_p(w_i-w_p)(t_нi-t_вi);
где
t_прi прогнозируемая приведенная температура;
t_Hi прогнозируемая температура наружного воздуха;
t_Ci прогнозируемая температура наружной стены;
t_Bi заданная температура внутреннего воздуха;
W_i прогнозируемая скорость ветра;
W_p расчетная скорость ветра;
коэффициент, характеризующий отношение потоков тепловой энергии через теплоемкие ограждающие конструкции к общим потокам тепловой энергии для данного здания;
d_p коэффициент, характеризующий величину быстрых потоков тепловой энергии из-за влияния ветра на баланс тепловой энергии здания.

Имитатор прогнозируемой скорости ветра показан упрощено, предполагая что на его выходе формируется сигнал, равный разности собственно прогнозируемой скорости ветра и расчетной скорости ветра. В противном случае он должен включить блок расчетной скорости ветра, соединенной с входом масштабного усилителя, как и блок собственно прогнозируемой скорости ветра (не показаны), а выход должен быть соединен с входом блока 4.

Сигналы от имитаторов 6 и 1 поступают на два входа блока сумматора 5, коэффициенты усиления которых подбираются пропорциональными соответственно величинам j и (1-j ).

Одновременно сигналы с имитаторов 1 и 7 поступают на вход блока усилителя 3, на выходе которого формируется напряжение, пропорционально разности (t_Bi-t_Hi).

Это напряжение подается на один из входов блока умножения 4. На второй вход этого устройства подается сигнал с имитатора прогнозируемой температуры.

Таким образом, на выходе блока умножения 4 формируется сигнал, пропорциональный величине
d_p(W_i-W_p) (t_Bi-t_Hi)
Сигнал, поступивший с выхода блока сумматора 5, в блоке интегратора 10 интегрируется за время, разрешенное по второму входу блока 10 блоком счета количеств интервалов и интегрируемых температур 9.

В блоке сравнения 11 сигнал сравнивается с сигналом из блока измерения температуры зарядки суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства 8 и разность сигналов поступает в блок формирования режимов управления 12. В блоке 12 формируется сигнал управления, равный по длительности времени, необходимому для зарядки суточного аккумуляционного обогревающего устройства до требуемой температуры, деленному на количество оставшихся до окончания провала графика нагрузки. Выходной сигнал блока 12 осуществляет поочередное включение суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства на указанное выше время и долгосрочного аккумуляционного устройства, устройства горячего водоснабжения на оставшееся до окончания интервала время с помощью блока переключающих устройств 13.

Отдельные блоки устройства управления могут быть выполнены, например, как показано на фиг. 3 6.

Имитатор прогнозируемой температуры наружной стены, как и имитатор 1,7 и 2, может быть выполнен на базе оперативно запоминающего устройства (ОЗУ) 14 (фиг. 3). Запись числовых значений температуры в двойном коде может быть осуществлена с помощью тумблерного регистра данных 15 по соответствующему адресу, устанавливаемому с помощью тумблерного регистра адресов 16. Переключение ОЗУ из режима запись (WR) в режим чтения (RD) осуществляется переключателем 17. Для предотвращения управления работой ОЗУ тумблерными регистрами 15 и 16 в режиме WR схемой предусмотрены соответствующие коммутаторы 18 и 19. Температура в двоичном коде по соответствующим адресам записывается с помощью тумблерных регистров 15 и 16, например, на каждый час, т.е. всего 24 значения на предстоящие для обогрева сутки. Для дальнейшей обработки данных необходимо значение температуры в аналоговой форме. Для этой цели используется цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 20. Коммутаторы 21 в блоке 6 предназначены для предотвращения управления работой ОЗУ в режиме WR управляющим сигналом блока 9.

Примем, например, провал графика нагрузки с 23⁰⁰ до 7⁰⁰ ч и разделим время провала на равные интервалы времени длительностью 1 ч, т.е. таких интервалов составит 8. Тогда блок счета количеств интервалов и интегрируемых температур 9 может быть выполнен, как показано на фиг. 3.

В момент начала провала графика нагрузки таймер 22 подает управляющий импульс через инвертор 23 на вход счетчика 24. Для двоичного счетчика 24 по модулю 8 (на столько интервалов времени разбит провал графика нагрузки) cостояние изменяется один раз в час по входу "C". При достижении числа 8 счетчик 24 переводит схему управления в исходное состояние.

Двоичный счетчик по модулю 24 и 25 работает в режиме вычитания. Занесение информации происходит со счетчика 24 один раз в час по сигналу таймера 22. Управляющий импульс таймера 22 подается на триггер 26 через схему совпадения 2И 27, дает разрешение тактовому импульсу от генератора импульсов (ГИ) 28 произвести изменение состояния счетчика 25. Сброс счетчиков в исходное состояние производится включением переключателя "Сброс" 29 через схемы 2 ИЛИ 30 и 2И 31.

Таким образом, после записи соответствующих значений температуры в двоичном коде по соответствующим адресам в ОЗУ 14 в момент начала провала графика нагрузки по сигналу таймера 22 производится запуск счетчика 24, который считает количество интервалов, а по его выходным сигналам счетчик 25 с частотой ГИ 28 (например, 1 Гц) выдает сигналы в виде адресов на входы A0, A1 и т.д. ОЗУ 14. В первый интервал счетчик 25 отсчитывает 24 шага и на входы ЦАП 20 поступят последовательно с частотой 1 Гц 24 значения температуры, записанные в ОЗУ 14. На выходе ЦАП 20 появится сигнал в виде изменяющегося напряжения U_вых.. Во втором интервале счетчик 25 отсчитывает 23 шага, в третьем 22 и т.д. не принимая в расчет значения температуры, спрогнозированные на время уже прошедших интервалов времени. После окончания восьмого интервала, т.е. окончания времени зарядки счетчики 24 и 25 переходят в исходное состояние.

Блок суммирующего усилителя 3 может быть выполнен, например, на операционном усилителе (ОУ) 31 (фиг.4). На выходе усилителя 3 формируется напряжение, пропорциональное разности (t_Bi-t_Hi) с помощью масштабных резисторов 32 34.

Блок интегратора 10 может быть выполнен также на ОУ, время работы (интегрирования) определяется временем работы счетчика 25 в каждом интервале. Сигнал с выхода блока 10 сравнивается с сигналом блока 8 в блоке сравнения 11, который может быть выполнен, например, как представленный на фиг. 5 на базе ОУ 35 и 36. На входе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 37 формируется напряжение, пропорциональное разности сигналов из блоков 10 и 8 с помощью масштабных резисторов 38 41. Выходной сигнал с АЦП 37 в форме двоичного кода поступает в блок формирования режимов управления 12, где делится на количество оставшихся до окончания провала графика нагрузки интервалов времени, и на определенное таким образом время подает управляющий сигнал на блок 13. Блок 13 может быть выполнен, как показано на фиг. 6, на полностью управляемых тиристорах 42 и 43, которые через контакты контакторов 44 и 45 осуществляют включение нагревательных элементов суточного аккумуляционного электрообогревающего и долгосрочного аккумуляционного устройства горячего водоснабжения соответственно. Пока есть сигнал на входе в блок 13, триггером 46 открыт тиристор 42. Когда сигнала нет, на выходе инвертора 47 появляется сигнал, переключающий по входу R триггер 46, который открывает тиристор 43.

Заявляемое изобретение имеет следующие преимущества перед прототипом:
1. В каждом интервале времени, на которые разбивают время провала графика нагрузки, возможна корректировка прогнозируемых на предстоящие для обогрева сутки наружной температуры и скорости ветра, по которым производится расчет требуемой температуры суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства, а также заданной температуры воздуха в по мещении.

2. Повышение эффективности работы аккумуляционного электрообогрева за счет снижения потерь тепловой и, конечном счете, электрической энергии.

Заявляемые способ работы аккумуляционного электрообогрева и устройство управления для его осуществления могут быть технически реализованы, например, в усадебных домах с единым трехфазным энергетическим вводом (~3N, 380В, 50 Гц), где электрифицированы все технологические процессы: пищеприготовление, горячее водоснабжение, обогрев, воздухообмен и т.д. т.е. не вызывает сомнения их промышленное применение.

Источники информации.

1. Благих В.Т. Рычкова Н.М. и Шолохов Г.В. Формирователь интервалов времени для управления технологическими процессами. В кн. Приборы и технические средства автоматизации процессов с-х производства. Челябинск, 1985, с. 18-25
2. Авторское свидетельство СССР N 750221, F 24 D 11/04, G 05 F 46/50, 1980.

Формула изобретения

1. Способ работы аккумуляционного электрообогрева, заключающийся в поочередном, во время провала графика нагрузки, включении суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства и долгосрочного аккумуляционного устройства горячего водоснабжения, отличающийся тем, что время провала графика нагрузки дополнительно разбивают на равные интервалы времени, в каждом из которых последовательно включают суточное аккумуляционное электрообогревающее устройство и долгосрочное аккумуляционное устройство горячего водоснабжения, при этом включение упомянутого суточного аккумуляционного обогревающего устройства в каждом последующем интервале времени производят на время _i, которое определяют по формуле

где _зар время, необходимое для зарядки суточного аккумуляционного обогревающего устройства до требуемой температуры;
n_i количество оставшихся до окончания провала графика нагрузки интервалов времени,
причем в каждом указанном интервале времени производят коррекцию требуемой температуры зарядки суточного аккумуляционного обогревающего устройства.

2. Устройство управления аккумуляционным электрообогревом, содержащее имитаторы прогнозируемой температуры наружного воздуха и прогнозируемой скорости ветра, блоки суммирующего усилителя, умножения и сумматора, причем вход имитатора прогнозируемой температуры наружного воздуха подключен к второму входу блока сумматора и к первому входу блока суммирующего усилителя, выход блока упомянутого суммирующего усилителя соединен с первым входом блока умножения, выход блока имитатора прогнозируемой скорости ветра соединен с вторым входом указанного блока умножения, выход которого соединен с третьим входом сумматора, отличающееся тем, что в него введены имитаторы прогнозируемой температуры наружной стены и заданной температуры внутреннего воздуха, блоки измерения температуры зарядки суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства, счета количеств интервалов и интегрируемых температур, интегратора, блок сравнения, формирования режимов управления и переключающего устройства, причем выход имитатора прогнозируемой наружной стены соединен с первым входом блока сумматора, выход которого соединен с первым входом блока интегратора, второй вход указанного блока соединен с вторым выходом блока счета количеств интервалов и интегрирующих температур, а выход соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока измерения температуры зарядки суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства, а выход соединен с первым входом блока формирования режимов управления, второй вход которого соединен выходом блока счета количества интервалов и интегрируемых температур, а выход соединен с входом блока переключающего устройства, при этом синхронизирующий выход блока счета количеств интервалов и интегрируемых температур соединен с входами имитаторов прогнозируемой температуры наружной стены, прогнозируемой температуры наружного воздуха, заданной температуры внутреннего воздуха, прогнозируемой скорости ветра и выходом блока измерения температуры зарядки суточного аккумуляционного электрообогревающего устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6