ОПИСАНИЕ

Изобретение относится к теплоснабжению, а именно к регулированию процесса отопления зданий и к схемам узлов отопления тепловых пунктов обеспечивающих дан- ное регулирование [F 24 D 10/00].

Отопление - технологический процесс теплоснабжения здания, который должен за счет получения тепловой энергии от теплоносителя обеспечивать в течение отопи- тельного периода поддержание в отапливаемых помещениях постоянной заданной температуры воздуха не ниже значения нормативной (расчетной внутренней) темпера- туры, определяемой Правилами предоставления коммунальных услуг гражданам [1], а также СП Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха [2].

Подключение системы отопления здания к внешней сети или к источнику тепло- вой энергии может быть зависимым - с поступлением теплоносителя в систему отопле- ния, а также независимым - с поступлением теплоносителя извне (от источника или се- ти) в подогреватель отопления [3], в котором нагревается теплоноситель системы ото- пления. Зависимое подключение, в свою очередь может быть непосредственное (с по- дачей внешнего теплоносителя прямо в отопительные приборы) или с элеваторным или насосным узлом смешивания (с подмешивающим насосом на перемычке или с цирку- ляционным насосом на трубопроводе системы отопления) [3].

Известно устройство для регулирования расхода тепла на отопление в системах теплоснабжения (патент RU2485407, МПК F24D3/00, 2011 г.), содержащее подающий и обратный трубопроводы, перемычку между ними с насосом смешения, регулятор рас- хода тепла на отопление с датчиками температуры воды на отопление и температуры наружного воздуха и регулирующий клапан с приводом на подающем трубопроводе, причем и регулирующий клапан и насос смешения имеют приводы с регуляторами ско- рости вращения в виде порошковых электромагнитных муфт, соединенных электриче- ски, соответственно, с регистраторами температуры наружного воздуха и температуры воды на отопление, входящими в регулятор расхода тепла на отопление. Данное уст- ройство позволяет снизить энергозатраты на привод насоса смешения за счет исключе- ния регулирующего клапана на перемычке, а также повысить надежность.

Отличием данного устройства от предлагаемого является отсутствие учета мно- жества влияющих на отопление величин, а также использование для регулирования отопления нормативного температурного графика, при котором температура внутрен- него воздуха в помещениях здания завышена от нормативной (расчетной) при темпера- турах наружного воздуха выше расчетной отопительной. Данное отличие вызывает из- быточный расход тепловой энергии на отопление и снижает качество отопления, т.е. точность поддержания внутренней температуры.

Известен автоматизированный тепловой пункт системы отопления (патент RU2300709, МПК F24D3/08, F24D19/10, 2005 г.) содержащий подающий трубопровод тепловой сети с установленным на нем регулятором расхода; подающий и обратный трубопроводы системы отопления; насос смешивания на перемычке между ними, ко- торый подключен через частотный преобразователь; регулятор отопления, входы кото- рого соединены с датчиками температур подаваемой и обратной воды системы ото- пления, температур наружного и внутреннего воздуха, а выходы соединены со входом привода регулятора расхода и входом частотного преобразователя. Данный тепловой пункт позволяет экономить электроэнергию на привод насоса смешивания и повысить срок службы и надежность благодаря исключению регулирующего трехходового клапа- на.

В отличие от предлагаемого, в данном решении имеется датчик температуры внутреннего воздуха в некотором (модельном) помещении здания, что требует соот- ветствия теплового баланса этого помещения тепловому балансу здания для любого режима отопления, т.е. соотношение приходящих в помещение тепловых потоков (от системы отопления помещения, внутренние тепловыделения и солнечная инсоляция) и уходящих потоков (потери теплопередачей и затраты тепла на инфильтрацию) должно соответствовать соотношению данных потоков (тепловому балансу) для здания. В этом случае температура воздуха в помещении будет соответствовать средней температуре воздуха в здании. Указанное условие сложно выполнимо и датчики температуры внут- реннего воздуха редко применяются. Кроме того, в решении отсутствует учет множест- ва влияющих на отопление и динамически изменяющихся величин. В известном решении, выбранном в качестве прототипа (патент RU2473014, МПК F24D3/00, 2011 г.) предлагается способ регулирования отпуска тепла в однотрубной системы теплоснабжения (отопления), в котором система отопления имеет отопитель- ные приборы с термостатическими клапанами и с замыкающими участками (байпаса- ми), а регулирование отпуска тепла выполняется изменением температуры подаваемо- го в систему отопления теплоносителя в зависимости от внешних параметров (наруж- ной температуры и т.д.), а также изменением расхода через отдельные стояки и, соот- ветственно, через систему отопления за счет работы установленных на выходящих уча- стках стояков регуляторов расхода в зависимости от внутренней уставки (настройки) температуры данных регуляторов или уставки заданного (постоянного) расхода через них, и как вариант, управления ими по сигналам внешнего электронного регулятора (устройства). Данное решение позволяет эффективно управлять теплопотреблением здания, исключив чрезмерное завышение температуры теплоносителя после стояков и избыточный отпуск тепла на отопление.

Однако, в отличие от предлагаемого, решение прототипа имеет высокую слож- ность (множество термостатических клапанов на отопительных приборах и регуляторов расхода на стояках), значительную стоимость и сниженную, вследствие сложности, на- дежность. Кроме того, в данном способе регулирования отпуска тепла у прототипа от- сутствует решение об учете множества влияющих на процесс отопления величин и о снижении гидравлических потерь в системе отопления за счет максимально возможно- го снижения расхода через систему отопления, обеспечиваемым поддержанием мак- симальной температуры подаваемого теплоносителя или минимального расхода, т.е. регулирование отпуска тепла по расширенному отопительному температурному графи- ку и графику расхода.

Задачей и техническим результатом изобретения является уменьшение затрат тепловой и гидравлической (механической) энергии на отопление и повышение качест- ва процесса отопления, т.е. точности поддержания постоянной температуры внутренне- го воздуха.

Указанная задача и технический результат достигается согласованным измене- нием температуры и расхода теплоносителя, подаваемого в систему отопления в соот- ветствии с уравнением регулирования отопления, в том числе, как частный случай, с обеспечением минимального расхода и минимальных гидравлических потерь в систе- ме отопления, с учетом как температур наружного и внутреннего воздуха, так и множе- ства других влияющих, в том числе и динамически изменяющихся величин: параметров расчетного режима работы системы, параметров внешней среды, внешнего теплоснаб- жения и характеристик системы отопления, теплозащиты здания, внутренних тепловы- делений и оборудования теплового пункта.

Выражено это тем, что заявлен способ регулирования отопления здания, харак- теризующийся подачей теплоносителя в систему отопления и его регулированием ав- томатизированным узлом управления путем открытия и закрытия регулирующего кла- пана(ов) и/или изменением напорной характеристики установленного насоса(ов) путем работы его регулятора(ов) и/или изменением количества работающих насосов в узле подготовки теплоносителя, о т л и ч а ю щ и й с я т е м , ч т о с помощью автоматизи- рованного узла управления отоплением регулируют температуру подаваемого и/или обратного теплоносителя и/или его расход по уравнению регулирования отопления, выраженному формулой:

q ₀ V _H a(t _B - t _H )(l + μ) - (Q _TB + Q _MHC ) х ¹⁺ Vq ₀ V _H a(t _B - t _H )(l + μ) - (Q _TB + Q _MHC ) ±

2G _co c _T

где: t _col(2) = τ _ο3(2) - определяемая датчиками температура теплоносителя, знак "±" в формуле следует использовать как «+» для подаваемого теплоносителя и «-» для об- ратного теплоносителя; G _co - расход теплоносителя, определяемый датчиком или иным способом; t _B , t _H - поддерживаемая регулированием заданная средняя темпера- тура внутреннего воздуха в здании и текущая температура наружного воздуха, соответ- ственно; а также задаваемые или определяемые при проектировании или при энерго- аудите здания и его системы отопления или иным способом величины: θ , Δΐ , _γ , Q _{0 T} - параметры расчетного (проектного) режима работы системы отопления: охлаждение теплоносителя, температурный напор, теплоемкость и теоретическая отопительная те- пловая нагрузка, соответственно; а также n, р, k _c0 , f _co - характеристики отопительных приборов и системы отопления: показатели степени нелинейности теплопередачи от температурного напора и расхода, коэффициенты относительной теплопередачи и от- носительной площади системы, соответственно; q ₀ , V _H , а - характеристики здания: удельная отопительная характеристика, зависящая от его теплозащиты, объем здания, поправочный коэффициент, соответственно; и, кроме того, определяемые или вычис- ляемые на основе сигналов датчиков и/или ручного и/или программного задания или иным способом величины, характеризующие режим отопления: с _т - текущая средняя теплоемкость теплоносителя; Q _TB - мощность внутренних тепловыделений; μ, Q _MHC - па- раметры внешней среды: коэффициент инфильтрации и тепловая мощность солнечной инсоляции, причем коэффициент инфильтрации зависит от площади неплотностей зда- ния, скорости ветра, барометрического давления, температуры наружного воздуха и других параметров.

Допустимо, что с п о м о щ ь ю узла управления отоплением регулируют тем- пературу и расход подаваемого теплоносителя по температурному графику и графику расхода, поддерживая максимально возможную и/или допустимую температуру или, при невозможности этого, минимально возможный и/или допустимый расход, исходя из условия:

где τ™ ^χ - максимально допустимая (по нормативам или другим условиям) или макси- мально возможная по условию внешнего теплоснабжения температура, не превышаю- щая максимально допустимую; G°" ^T - расход теплоносителя в систему отопления по уравнению регулирования отопления при подаче теплоносителя с максимальной тем- пературой τ^ι ^χ ; G™ ⁱⁿ - определяемый из проектных расчетов или энергоаудита здания и его системы отопления или иным способом минимально возможный и/или допусти- мый по условию'тепловой и гидравлической устойчивости системы отопления расход теплоносителя через нее; другие величины аналогичны ранее рассмотренным.

Допустимо, ч т о с помощью регулирующего клапана(ов) и/или повысительно- го насоса(ов) с регулятором(ми) или без него (них) и/или изменением количества вклю- ченных насосов изменяют и регулируют расход поступающего извне в систему отопле- ния потока теплоносителя. Допустимо, ч т о с помощью основного регулирующего клапана(ов) или трех- ходового регулирующего клапана изменяют расход поступающего извне потока тепло- носителя в точку смешения, регулируя, в основном, температуру теплоносителя, пода- ваемого в систему отопления, а регулирование, в основном, расхода теплоносителя в систему отопления осуществляют изменением напорной характеристики подмеши- вающего или циркуляционного насоса(сов) при применении регулятора(ов) и/или из- менением количества включенных насосов, и/или изменением гидравлического сопро- тивления контура системы отопления здания дополнительным регулирующим клапа- ном(ми).

Допустимо, ч т о с помощью основного регулирующего клапана(ов) изменяют расход поступающего извне потока теплоносителя в подогреватель отопления, регули- руя температуру теплоносителя, подаваемого в систему отопления, а регулирование, в основном, расхода теплоносителя в систему отопления осуществляют изменением на- порной характеристики циркуляционного насоса(ов) при применении регулятора(ов) и/или изменением количества включенных насосов, и/или изменением гидравлическо- го сопротивления контура системы отопления здания дополнительным регулирующим клапаном(ми).

На основе способа могут функционировать несколько вариантов систем регули- рования, описанных ниже.

Первый вариант - система регулирования отпуска тепла для отопления по заяв- ленному способу, содержащая отопительные приборы, подключенные к трубопрово- дам системы отопления, в которых находится теплоноситель; систему управления от- пуском тепла с автоматизированным узлом управления, о т л и ч а ю щ а я с я т е м , ч т о в узле подготовки теплоносителя для отопления на подающем и/или обратном трубопроводах отопления размещен регулирующий клапан(ы) и/или повысительный насос(ы) с регулятором(ми) или без него, а также установлены датчики параметров теп- лоносителя.

Второй вариант - система регулирования отпуска тепла для отопления по заяв- ленному способу, содержащая отопительные приборы, подключенные к трубопрово- дам системы отопления, в которых находится теплоноситель; систему управления от- пуском тепла с автоматизированным узлом управления, о т л и ч а ю щ а я с я т е м , т о узел подготовки теплоносителя для отопления имеет трубопровод подмешива- ния между подающим и обратным трубопроводами отопления с клапаном, выполнен- ным с возможностью предотвращения обратного потока теплоносителя, и на подаю- щем трубопроводе до точки смешения с потоком из трубопровода подмешивания раз- мещен основной регулирующий клапан(ы) или в точке смешения установлен трехходо- вой регулирующий клапан, а на линии подмешивания расположен подмешивающий насос(ы) с регулятором(ми) или без него, и/или на подающем и/или обратном трубо- проводах системы отопления расположен(ы) циркуляционный насос(ы) с регулято- ром(ми) или без него, и/или установлен дополнительный регулирующий клапан(ы), а также установлены датчики параметров теплоносителя.

Третий вариант - система регулирования отпуска тепла для отопления по заяв- ленному способу, содержащая отопительные приборы, подключенные к трубопрово- дам системы отопления, в которых находится теплоноситель; систему управления от- пуском тепла с автоматизированным узлом управления, о т л и ч а ю щ а я с я т е м , ч т о узел подготовки теплоносителя для отопления имеет подогреватель отопления для подогрева теплоносителя, причем на трубопроводе внешнего теплоносителя, под- ключенном к подогревателю отопления, размещен основной регулирующий клапан(ы), а на подающем или обратном трубопроводе системы отопления расположен циркуля- ционный насос(ы) с регулятором(ми) или без него, и/или установлен дополнительный регулирующий(е) клапан(ы), а также установлены датчики параметров теплоносителя.

Описание чертежей

На Фиг. 1 показан пример функциональной зависимости для одного режима ото- пления условного здания.

На Фиг. 2 показан пример для отопительно-бытового температурного графика, графика отопительной тепловой нагрузки и температуры внутреннего воздуха, в кото- ром показывается увеличение температуры внутреннего воздуха вследствие роста доли внутренних тепловыделений в тепловом балансе отопления с возрастанием наружной температуры.

На Фиг. 3 показан пример оптимального - расширенного температурного графи- ка глубокого охлаждения и соответствующего ему графика расхода, обеспечивающих минимальные затраты тепловой и гидравлической (механической) энергии на отопле- ние.

На Фиг. 4 представлен способ регулирования отпуска теплоты от теплового пунк- та в систему отопления здания с использованием уравнения регулирования отопления при отсутствии возможности снижения в тепловом пункте температуры теплоносителя и с осуществлением регулирования за счет изменения расхода теплоносителя.

На Фиг. 5 представлен способ регулирования отпуска теплоты от теплового пунк- та в систему отопления здания с использованием уравнения регулирования отопления, в том числе по расширенному температурному графику отопления при наличии воз- можности снижения в тепловом пункте температуры теплоносителя за счет использо- вания схемы со смешиванием или подогревателя отопления и с осуществлением регу- лирования за счет изменения температуры и расхода теплоносителя..

На Фиг. 6 показана схема теплового пункта без снижения температуры теплоно- сителя подаваемого в систему отопления здания и с регулированием расхода через систему отопления в соответствии с уравнением регулирования.

На Фиг. 7 показана схема теплового пункта с возможностью снижения темпера- туры подаваемого в систему отопления здания теплоносителя за счет работы узла сме- шивания с расположением подмешивающего насоса(ов) на трубопроводе в точку сме- шивания и регулирования отпуска тепла по уравнению регулированию отопления и/или по расширенному температурному графику отопления и графику расхода.

На Фиг. 8 показана схема узла теплового пункта с возможностью снижения тем- пературы подаваемого в систему отопления здания теплоносителя за счет работы узла смешивания с расположением циркуляционного насоса(ов) на подающем трубопрово- де отопления и регулирования отпуска тепла по уравнению регулированию отопления и/или по расширенному температурному графику отопления и графику расхода.

На Фиг. 9 показана схема узла теплового пункта с возможностью снижения тем- пературы подаваемого в систему отопления здания теплоносителя за счет работы узла смешивания с расположением циркуляционного насоса(ов) на обратном трубопроводе отопления и регулирования отпуска тепла по уравнению регулированию отопления и/или по расширенному температурному графику отопления и графику расхода.

На Фиг. 10 показана схема узла теплового пункта с возможностью снижения тем- пературы подаваемого в систему отопления здания теплоносителя при независимом подключении системы через подогреватель отопления и регулирования отпуска тепла по уравнению регулированию отопления и/или по расширенному температурному гра- фику отопления и графику расхода.

Осуществление изобретения

Заявленное изобретение основано на следующей теории.

На основе известных формул охлаждения теплоносителя, процесса теплопере- дачи и теплового баланса процесса отопления получены уравнение режимов отопления [4] и, на его основе, уравнение регулирования отопления [5], связывающее основные параметры процесса отопления:

7 , i _0l - t + - t _H )(l + μ) ^~ (Q _me + Q _UHC )) =

^yoi(l + w— а _ут ) ^с т\г ^с тгг f(te> tm Gyoi, U, fco> ^a ym]> [Cml2> > QUHCD> где: t _e , t _H - средняя температура внутреннего воздуха в здании и температура наружно- го воздуха; G _yoi , u - расход сетевого теплоносителя и коэффициент инжекции узла сме- шивания; θ ^' , Δί ^' , c _m32 , (?0 _.m ~ параметры расчетного режима работы системы отопления (охлаждение теплоносителя, температурный напор, теплоемкость и теоретическая ото- пительная тепловая нагрузка); п, р, k _co , f _co , a _ym - характеристики системы отопления (по- казатели нелинейности теплопередачи от температурного напора и расхода, коэффи- циенты относительной теплопередачи и площади системы, коэффициент утечек); с _т12 , с _т32 - текущая средняя теплоемкость теплоносителя (до и после узла смешива- ния); q _{0> >} ^a _> Qme - характеристики здания (удельная отопительная характеристика, за- висящая от его теплозащиты, объем здания, поправочный коэффициент, мощность внутренних тепловыделений); μ, Q _UHC - параметры внешней среды (коэффициент ин- фильтрации, зависящий от площади неплотностей, скорости ветра, барометрического давления, других параметров и тепловая мощность солнечной инсоляции). Используемые в теплоснабжении стандартные уравнения нормативных темпе- ратурных графиков регулирования отпуска тепла для температур прямой и обратной сетевой воды, а также для температуры воды подаваемой в систему отопления выво- дятся из этого уравнения как частный случай при многих допущениях [4].

При отсутствии утечек ( _ут = 0) и узла смешивания (и = 0) из общего уравнения режимов получаем уравнение регулирования отопления для теплоносителя, непосред- ственно поступающего в систему отопления [5]: ' .Qo.m ofco) ^{P 1}

l ⁺ V iG _co c _m e

q ₀ V _H a(t _e - t„) (l + μ) - (Q _ME + QUHC) х ¹⁺ 7<7oK, (t _e - t„) (l + μ - (Q _me + Q _UHC ) ± где: т _со1 ( ₂ ) = т ₀ з(2) ^и Geo ~ температура теплоносителя поступающего в систему отопле- ния (или выходящего из нее) и его расход.

Уравнение регулирования отопления связывает между собой температуру и рас- ход подаваемой в систему отопления воды, т.е. определяет при заданном расходе G _co требуемую температуру подаваемой воды т _со1 , при которой будет обеспечена необхо- димая средняя внутренняя температура ϊ _β в здании при текущей наружной температуре t _H , т.е. определяет взаимосвязь т _со1 = f(G _C0 , t _e , t _H , ... ), причем в данную зависимость прямо или косвенно входят и другие влияющие величины: внутренние тепловыделения и солнечная инсоляция, скорость ветра, площадь неплотностей здания, барометриче- ское давление, характеристики теплопередачи отопительных приборов и т.д. Кроме то- го, существуют ограничения на максимальную температуру подаваемого в систему ото- пления теплоносителя (например, по санитарным нормам) и минимального расхода (например, по условию гидравлической и тепловой устойчивости системы отопления).

Таким образом, по уравнению регулирования для любой температуры наружно- го воздуха и заданной внутренней температуры имеется множество пар значений тем- пературы и расхода подаваемого в систему отопления теплоносителя, связанных функ- циональной зависимостью т _со1 = f(G _C0 , t _e , t _H , ... ), причем данная зависимость не явля- ется постоянной, а изменяется при изменении других влияющих величин, т.е. является динамической, что должно учитываться при регулировании отопления.

Пример указанной функциональной зависимости для одного режима отопления условного здания приведен в [5] и на Фиг.1, где показаны линии зависимости темпера- туры прямой и обратной воды системы отопления для разных температур наружного воздуха от относительного расхода воды с учетом ограничений по максимально допус- тимой температуре 95 °С и по минимально допустимому расходу подаваемого теплоно- сителя в 40% от расчетного расхода.

Для осуществления качественного отопления, т.е. точного поддержания посто- янной и заданной внутренней температуры в здании соотношение температуры и рас- хода подаваемого в систему отопления теплоносителя должно быть связано соотноше- нием т _со1 = f(G _C0 , t _e , t _H , ... ) и система управления должна регулируя указанные пара- метры обеспечивать данное условие в любом режиме отопления.

Анализ режимов отопления используемого в теплоснабжении качественного ме- тода регулирования отопления (изменением температуры подаваемого в систему ото- пления теплоносителя при постоянном его расходе) по нормативному отопительному температурному графику показывает, что данный метод приводит к перегреву помеще- ния в течение отопительного периода [3, 6], к завышенной внутренней температуре и к перетопу, т.е. избыточному отпуску тепла. Это объясняется возрастанием доли внутрен- них тепловыделений в тепловом балансе отопления с возрастанием наружной темпе- ратуры, см. пример Фиг.2 для отопительно-бытового температурного графика.

Использование регулирования отопления по приведенной формуле т _со1 = f(G _C0 , ϊ _β , t _H , ...), соответственно, приведет к постоянной внутренней температуре и к экономии тепловой энергии на отопление за счет исключения перетопа.

При этом, возможно задание графика изменения одного параметра, например, температуры подаваемого в систему отопления теплоносителя - по нормативному ото- пительному графику и, в соответствии с уравнением регулирования отопления и с уче- том всех влияющих величин определение требуемого расхода теплоносителя позво- ляющего поддерживать заданную среднюю внутреннюю температуру в здании при лю- бой текущей наружной температуре. Аналогично, возможно задание графика измене- ния другого параметра - расхода теплоносителя по системе отопления, например, за- дать его постоянное значение и, в соответствии с уравнением регулирования отопления и с учетом всех влияющих величин определение требуемой температуры подаваемого теплоносителя. В общем случае, возможно задание произвольного графика согласо- ванного изменения температуры и расхода подаваемого в систему отопления теплоно- сителя, связанных по уравнению регулирования, который обеспечивает поддержание постоянной и заданной средней внутренней температуры в здании.

Так как, вся тепловая энергия, отдаваемая теплоносителем в системе отопления, используется без потерь для целей отопления, максимальная энергетическая эффек- тивность процесса обеспечивается максимальным снижением расхода воды через сис- тему с более глубоким ее охлаждением. Вследствие того, что уменьшение расхода тре- бует повышения температуры подаваемой в систему отопления воды (и наоборот), возможности снижения расхода ограничены либо максимально допустимой темпера- турой воды либо минимально допустимым расходом воды в системе отопления.

Так формируется оптимальный - расширенный температурный график (график глубокого охлаждения) и соответствующий ему график расхода для регулирования ото- пления [5], Фиг.З, обеспечивающий минимальные затраты тепловой и гидравлической (механической) энергии на отопление.

При расширенном температурном графике в систему отопления подается тепло- носитель с максимально допустимой или с максимально возможной по условию внеш- него теплоснабжения температурой и, соответственно, с минимально возможным - оп- тимальным расходом по уравнению регулирования отопления. При достижении значе- ния расхода минимально возможного уровня по гидравлике или допустимого уровня по условию тепловой или гидравлической устойчивости системы отопления расход теп- лоносителя устанавливается минимальным, а температура подаваемого теплоносителя определяется по уравнению регулирования отопления.

При данном способе график регулирования отопления не является постоянным (фиксированным), а является адаптивным (динамическим), т.е. зависит от текущего значения многих влияющих на отопление величин, входящих в уравнение регулирова- ния.

Это означает, что при поддержании максимальной температуры подаваемой в систему отопления воды ее расход будет определяться не только температурой наруж- ного и внутреннего воздуха, но и указанными выше влияющими и изменяющимися ве- личинами. Аналогично, при поддержании минимального расхода подаваемой в систе- му отопления воды значение ее температуры зависит как от наружной и внутренней температуры, так и от других влияющих величин.

Таким образом, для осуществления качественного отопления, т.е. точного под- держания заданной средней температуры внутреннего воздуха в здании нужно иметь возможность автоматического регулирования температуры и расхода подаваемого в систему отопления теплоносителя по уравнению регулирования отопления и с учетом многих влияющих величин, значение которых передается в систему автоматического управления отоплением сигналами с различных датчиков и/или задается вруч- ную/программно (например, по периодам суток), а для повышения энергетической эф- фективности отопления регулирование должно проводиться с поддержанием мини- мального расхода через систему.

При этом, согласно [3], возможности для снижения расхода в системах отопле- ния даже при использовании нормативного отопительного температурного графика имеются. В частности, для насосной системы с верхней подачей воды допускается сни- жение расхода до 11...38%.

При применении предлагаемого расширенного температурного графика с низ- ким расходом, вследствие возрастания разности температур теплоносителя и естест- венного циркуляционного давления в системе показатель Г гидравлической характери- стики системы отопления [3] возрастает, что усиливает явление саморегуляции отпуска тепла от отопительных приборов, т.е. гидравлическую и тепловую устойчивость систе- мы отопления и, соответственно, увеличивает возможность уменьшения расхода воды.

Теплоноситель для системы отопления готовится в индивидуальном тепловом пункте (ИТП) здания, в который поступает теплоноситель либо от собственного теплоге- нератора здания (котельной), либо из внешней для здания тепловой сети от источника теплоснабжения (котельной, ТЭЦ, центрального теплового пункта - ЦТП сети и т.д.).

Если максимальная (расчетная) температура поступающего в здание теплоноси- теля превышает допустимое для системы отопления значение, перед подачей теплоно- сителя в систему отопления возникает необходимость снижения его температуры. Для этого в ИТП устанавливают узел смешивания, в котором за счет подмешивания к посту- пающей извне воде (теплоносителю) охлажденной обратной воды (теплоносителя) температура воды (теплоносителя) подаваемой в систему отопления снижается до меньших значений или в ИТП устанавливают подогреватель отопления. При отсутствии в ИТП здания узла смешивания, т.е. при непосредственном под- ключении системы отопления к источнику теплоты (теплогенератору здания, ЦТП) ис- точник, для осуществления качественного и энергоэффективного отопления должен от- пускать в систему отопления теплоноситель согласно уравнения регулирования, в том числе, как частный случай, согласно расширенного температурного графика и графика расхода с учетом значений влияющих на отопление величин.

Если в ИТП здания без узла смешивания поступает теплоноситель с некоторой температурой, отличающейся от требуемой по уравнению регулирования при его имеющемся расходе, в том числе, как частный случай, отличающейся от расширенного температурного графика (например, вследствие охлаждения в сети или применения в сети нормативного температурного графика), то система регулирования должна стре- миться обеспечить подачу в систему отопления здания воды с расходом в соответствии с уравнением т _со1 = f(G _C0 , t _e , t _H , ... ), что может быть достигнуто работой регулирующего клапана(ов) и/или повышающего насоса(ов) с регулируемым приводом (регулятором) на подающем или обратном трубопроводе или изменением количества работающих насосов, а также работой автоматизированного узла управления.

При наличии в ИТП узла смешивания, т.е. если, например, максимальная темпе- ратура внешнего теплоносителя может быть выше допустимой для отопления, требова- ние возможности снижения температуры и поддержания взаимосвязи температуры и расхода подаваемого в систему отопления теплоносителя по уравнению регулирования ^x coi— f(G _C0 , t _e , t _H , ...), в том числе, как частный случай, по расширенному температур- ному графику и графику расхода, обуславливает наличие и работу по меньшей мере двух устройств регулирования - двух регулирующих клапанов, основного и дополни- тельного или одного регулирующего клапана(ов) и регулируемого привода (регулятора) подмешивающего или циркуляционного насоса(ов) системы отопления, а также работу автоматизированного узла управления. В общем случае, возможна установка несколь- ких регулирующих клапанов и насосов с изменением количества работающих насосов при регулировании.

При наличии в ИТП здания подогревателя отопления подача в систему отопле- ния теплоносителя с заданной температурой и расходом осуществляется в соответствии с уравнением регулирования отопления, в том числе, как частный случай, по расширен- ному температурному графику и графику расхода, что выполняется за счет работы регу- лирующего клапана(ов) потока греющего внешнего теплоносителя и регулирующего клапана(ов) для потока теплоносителя системы отопления и/или регулируемого приво- да (регулятора) циркуляционного насоса(ов) или изменения количества работающих насосов, а также работы автоматизированного узла управления.

Автоматизированный узел управления отоплением оперирует регулирующим клапаном(ми) и/или регулируемым приводом (регулятором) насоса(ов) по введенному в его алгоритм работы уравнению регулирования, исходя из динамически меняющихся сигналов датчиков, а также заданных параметров (рабочее/нерабочее время, периоды по часам суток, температура внутреннего воздуха, границы изменения расхода и тем- пературы теплоносителя, площадь отопительных приборов, их коэффициент теплопе- редачи, отопительная характеристика здания и т.д.).

При этом во всех рассмотренных вариантах системы управление отоплением с учетом всех влияющих величин и контроль качества регулирования отопления по урав- нению т _со1 = f{G _C0 , t _e , t _H , ... ) осуществляется по параметрам теплоносителя входящего и выходящего из системы отопления по соответствующим датчикам (расхода, температу- ры, давления), в том числе, но не исключительно, по температуре обратной воды после системы отопления согласно уравнению т _со2 = f( _. G _C0 , t _e , t _H , ... ).

В схеме без смешивания при поступлении теплоносителя с некоторой темпера- турой т _со1 его расход G _co должен изменяться таким образом, чтобы, но не исключитель- но, температура обратной воды была т _со2 , либо датчик расхода должен показывать значение требуемое значение расхода G _co .

Аналогично, в схемах со смешиванием или с подогревателем отопления работа по меньшей мере двух регулирующих устройств (двух регуляторов клапанов или одного регулятора клапана и регулятора насоса) должна обеспечивать заданные значения тем- ператур воды поступающей в систему отопления т _со1 = f(G _C0 , t _e , t _H> — ) ^и выходящей из нее т _со2 = f(G _C0 , t _e , t _H , ... ), контролируемые сигналами с соответствующих датчиков, ли- бо датчик расхода должен показывать значение требуемое значение расхода G _co .

Способ регулирования отпуска теплоты от теплового пункта в систему отопления 1 здания 2 по фиг.4 при отсутствии снижения температуры воды Т1=Т1 _С0 из внешней те- пловой сети заключается в создании работой узла подготовки теплоносителя 3 теплово- го пункта 4, содержащего автоматизированный узел управления 5 и оборудование, влияющее на расход, на основании сигналов датчиков 6 (в том числе и датчика темпе- ратуры обратной воды Т2 _со ) и заданных параметров такого расхода теплоносителя че- рез систему отопления G _co в соответствии с уравнением регулирования отопления, за счет которого обеспечивается постоянная средняя температура воздуха в здании.

Уменьшение затрат энергии объясняется следующим образом. Поддержание по- стоянной средней внутренней температуры в отапливаемом здании обеспечивает уменьшение избыточных затрат тепловой энергии (перетопа), возникающих вследствие перегрева помещений при использовании нормативного отопительного температурно- го графика.

Способ регулирования отпуска теплоты от теплового пункта в систему отопления 1 здания 2 по фиг.5 при наличии снижения температуры Т1 теплоносителя извне заклю- чается в создании работой узла 3 подготовки теплоносителя (узел со смешиванием по трубопроводу подмешивания 7 из потока обратного теплоносителя 8, либо узел с по- догревателем отопления) на основании сигналов датчиков 6, в том числе датчика тем- пературы обратной воды Т2 _С0 , потока теплоносителя по подающему трубопроводу 9 в систему отопления 1 со значениями температуры Т1 _С0 <Т1 и расхода G _co согласно урав- нения регулирования отопления, что обеспечивается работой автоматизированного уз- ла управления 5 по исходным сигналам датчиков б и другим параметрам, в том числе заданной температуры внутреннего воздуха.

Другой способ регулирования отпуска теплоты от теплового пункта в систему отопления 1 здания 2 по фиг.5, заключается в использовании расширенного темпера- турного графика и соответствующего графика расходов, что обеспечивает минимальный расход теплоносителя через систему отопления.

Уменьшение затрат энергии в способе применения по фиг.5 объясняется сле- дующим образом. При использовании управления расходом и температурой подавае- мого теплоносителя по уравнению регулирования отопления поддержание постоянной температуры в отапливаемом здании обеспечивает уменьшение избыточных затрат те- пловой энергии (перетопа) аналогично способу по фиг.4, а применение в способе по фиг.5 управления по уравнению регулирования отопления и, как частный случай, с ис- пользованием расширенного температурного графика и графика расходов обеспечива- ет минимальные затраты энергии на транспортировку теплоносителя, так как при этом имеются минимальные расход и гидравлические (механические) потери мощности.

Устройство теплового пункта по фиг. 6 без изменения температуры теплоносите- ля содержит основной регулирующий клапан(ны) 10 и/или повышающий насос(сы) 11 с регулятором(ми) 12, расположенные на подающем и/или на обратном трубопроводах системы отопления, а также датчики температур теплоносителя T _co i и Т _со2 на данных трубопроводах. Указанные устройства позволяют изменять расход теплоносителя через систему отопления 1 здания по управляющим сигналам от автоматизированного узла управления 5 после обработки им исходных сигналов датчиков 6, в том числе датчиков температур T _co i и Т _со2 , и других параметров.

В качестве регулятора 12 какого-либо насоса в данном случае и далее понимает- ся, в общем случае, или электронный частотно-регулируемый привод, или электромаг- нитная порошковая муфта, или гидромуфта, или любое другое устройство, изменяющее частоту вращения ротора (вала) гидравлической части насоса и его напорную характе- ристику. Кроме того, при наличии нескольких насосов их суммарная напорная характе- ристика может изменяться отдельным включением насосов в работу,

В данной схеме реализуется способ по фиг. 4, при котором расход через систему отопления изменяется в соответствии с уравнением регулирования отопления, в том числе и по расширенному температурному графику, за счет чего обеспечивается посто- янная температура воздуха в здании. При этом в здании поддерживается постоянная температура и происходит уменьшение или исключение затрат (потерь) тепловой энер- гии, возникающих вследствие перетопа (перегрева помещений) при использовании нормативного отопительного или отопительно-бытового температурного графика.

Устройство теплового пункта по фиг. 7 с уменьшением температуры теплоноси- теля в узле насосного смешивания 13 имеет расположение подмешивающего насо- са(ов) 14 на трубопроводе подмешивания с предотвращающим обратный поток тепло- носителя (обратным) клапаном 16 между трубопроводом 17 поступающего извне теп- лоносителя, на котором до точки смешения 18 размещен основной регулирующий кла- пан(ны) 10, и обратным трубопроводом системы отопления 19, причем для регулиро- вания предлагаемым способом по фиг.5 в схему введен дополнительный регулирую- щий клапан(ны) 20 на подающем и/или обратном трубопроводе системы отопления и/или регулятор(ы) 12 насоса(ов) 14, а вместо регулирующего клапана(ов) 10 может ус- танавливаться в точке смешения 18 трехходовой регулирующий клапан, и на подающем и обратном трубопроводах системы отопления установлены датчики параметров теп- лоносителя, в том числе, но не исключительно, датчики температур T _co i и Т _со2 .

Устройство теплового пункта по фиг. 8 и 9 с уменьшением температуры теплоно- сителя в узле насосного смешивания 13 имеет трубопровод 17 поступающего извне те- плоносителя, на котором до точки смешения 18 с потоком обратного теплоносителя по трубопроводу подмешивания 15 через предотвращающий обратный поток теплоноси- теля (обратный) клапан 16, размещен основной регулирующий клапан(ы) 10, а цирку- ляционный насос(ы) 21 расположен(ы) на подающем трубопроводе 9 (фиг. 8) или об- ратном трубопроводе 19 (фиг. 9} системы отопления, причем для регулирования в схе- му введен дополнительный регулирующий клапан(ы) 20 на подающем или обратном трубопроводе системы отопления и/или регулятор(ы) 12 циркуляционного насоса(ов) 21, а вместо основного регулирующего клапана(ов) 10 в точке смешения 18 может уста- навливаться трехходовой регулирующий клапан и на трубопроводах системы отопле- ния установлены датчики параметров теплоносителя, в том числе, но не исключитель- но, датчики температур T _coi и Т _со2 .

Схемы устройства тепловых пунктов по фиг. 7, 8 и 9 реализуют способ регулиро- вания отпуска тепла на отопление по фиг. 5. Они работают следующим образом. Основ- ной регулирующий клапан(ы) 10, изменяя расход поступающего извне потока теплоно- сителя 17 в точку смешения 18 регулирует, в основном, температуру потока теплоноси- теля 9, подаваемого в систему отопления, а дополнительный регулирующий клапан(ы) 20, изменяя гидравлическое сопротивление контура системы отопления 1 здания 2 и расход через подмешивающий насос(ы) 14 (фиг. 7) и предотвращающий обратный по- ток теплоносителя (обратный) клапан 16 в точку смешения 18 или расход через цирку- ляционный насос(ы) 21 (фиг. 8, 9) регулирует, в основном, расход потока теплоносителя в подающем трубопроводе 9 в систему отопления 1. Также, расход теплоносителя через подмешивающий насос(ы) 14 (фиг. 7) или через циркуляционный насос(ы) 21 (фиг. 8, 9) и, соответственно, расход потока теплоносителя 9 в систему отопления 1 могут регули- роваться изменением напорной характеристики подмешивающего насоса(ов) 14 или циркуляционного насоса(ов) 21 при применении регулятора(ов) 19 насоса(ов), а также изменением количества работающих насосов.

Устройство теплового пункта по фиг. 10 с уменьшением или с сохранением (пре- небрегая температурным напором теплопередачи) температуры подаваемого теплоно- сителя при независимом подключении системы отопления к внешней сети (источнику теплоты) через подогреватель отопления 22 имеет трубопровод 17 поступающего извне теплоносителя, на котором до и/или после подогревателя 22 размещен основной регу- лирующий клапан(ы) 10, а циркуляционный насос(ы) 21 расположен на трубопроводе контура системы отопления, причем для регулирования способом по фиг.5 в схему вве- ден дополнительный регулирующий клапан(ы) 20 на подающем и/или на обратном трубопроводах системы отопления и/или регулятор(ы) 12 циркуляционного насоса(ов) 20, а на трубопроводах системы отопления установлены датчики параметров теплоно- сителя, в том числе, но не исключительно, датчики температур T _co i и Т _со2 .

Схема по фиг. 10 работает следующим образом. Основной регулирующий кла- пан(ы) 10, изменяя расход поступающего извне потока теплоносителя 17 в подогрева- тель отопления 22 регулирует температуру потока 9, подаваемого в систему отопления, а дополнительный регулирующий клапан(ы) 20, изменяя гидравлическое сопротивле- ние контура системы отопления регулирует расход потока 9 в системе отопления 1. Также, расход теплоносителя через циркуляционный насос(ы) 21 и, соответственно, в системе отопления может регулироваться изменением напорной характеристики цир- куляционного насоса(ов) 21 при применении регулятора(ов) 12 насоса(ов), а также из- менением количества работающих насосов.

Источники информации

1. Правила предоставления коммунальных услуг гражданам.

2. СП 60.13330.2012 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха (акт. ред. СНиП 41-01-2003).

3. Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление: Учебник для вузов. - М: Издательство АСВ, 2008. - 576 с.:ил.

4. Пятин А.А. Уравнение режимов отопления здания. Часть 2. Вывод и проверка соответствия [Электронный ресурс] // ОБЩЕСТВО, НАУКА, ИННОВАЦИИ. (НПК- 2015) :Bcepoc. ежегод. науч.-практ. конф. :сб. статей, 13-24 апреля 2015 г. / ВятГУ. - Ки- ров, 2015. - 2794 с. - с.873-878.

5. Пятин А.А. Уравнение режимов отопления здания. Часть 3. Оптимальное управление [Электронный ресурс] // ОБЩЕСТВО, НАУКА, ИННОВАЦИИ. (НПК-

2016) :Всерос. ежегод. науч.-практ. конф. :сб. статей, 18-29 апреля 2016 г. / ВятГУ. - Ки- ров, 2016. - 5660 с. - с.1812-1823.

6. Пятин А.А. Уравнение режимов отопления здания и его применение для ана- лиза теплоснабжения [Электронный ресурс] // ОБЩЕСТВО, НАУКА, ИННОВАЦИИ. (НПК- 2014):Всерос. ежегод. науч.-практ. конф. :сб. статей, 15-26 апреля 2014 г. / ВятГУ. - Ки- ров, 2014. - 2206 с. - с.1910-1916.