Отопительная система - RU2676579C1

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к отопительной системе для жилых помещений, содержащей теплообменник, имеющий первичный контур и вторичный контур, причем первичный контур соединен с тепловым источником, а вторичный контур соединен с отопительной установкой, содержащей множество ветвей, причем каждая ветвь имеет теплообменное устройство.

Тепло, подаваемое тепловым источником, передается жидкому теплоносителю на вторичном контуре теплообменника. Жидкий теплоноситель применяется для передачи тепла к теплообменным устройствам, например, радиаторам, устройствам нагрева пола, и т.д., применяемым, например, для отопления помещений в здании.

Тепловой источник в первичном контуре может представлять собой, например, систему централизованного теплоснабжения. Однако возможны другие типы тепловых источников, например, солнечная энергия и т.д.

Теплообменными устройствами в ветвях обычно управляют посредством клапанов. Клапаны могут быть настроены вручную пользователем в помещении. В большинстве случаев клапаны приводятся в действие термостатическими головками так, что потребление тепла может быть адаптировано к фактическим потребностям, следовательно, энергопотребление может поддерживаться на низком уровне.

Задачей настоящего изобретения является минимизация потребления тепла или максимизация эффективности энергопотребления.

Данная задача решается с помощью описанной выше отопительной системы для жилых помещений, в которой в линии между теплообменником и ветвями расположено клапанное устройство, имеющее клапан управления потоком и клапан регулирования давления, поддерживающий постоянную разность давлений на клапане управления потоком.

Другими словами, клапанное устройство управляет суммарным потоком всех ветвей, но ниже по потоку от теплообменника. Таким образом, обеспечена возможность настраивать поток, подаваемый во все ветви, чтобы, с одной стороны, удовлетворить потребности, а с другой стороны, свести к минимуму количество подаваемого в ветви тепла. Управление самим клапаном управления потоком может быть довольно простым, так как достаточно настроить степень открытия клапана управления потоком. Поток через клапан управления потоком зависит от степени открытия, например, от расстояния между клапанным элементом и седлом клапана, а также от разности давлений на клапане управления потоком. Разность давлений может поддерживаться на постоянном уровне с помощью клапана регулирования давления. Таким образом, для управления требуемым потоком необходимо только настроить расстояние между клапанным элементом и седлом клапана. Клапан управления потоком и клапан регулирования давления могут быть объединены в общий блок, так что термин "клапан управления потоком" также можно заменить термином "секция управления потоком", а термин "клапан регулирования давления" - термином "секция регулирования давления".

В одном из вариантов осуществления изобретения клапан управления потоком приводится в действие с помощью исполнительного устройства, управляемого регулятором, причем регулятор соединен с датчиком температуры в обратной линии ветвей. Регулятор может управлять требуемым потоком в ветвях. Однако, в некоторых случаях заданное значение, соответствующее, например, расчетному расходу, слишком велико, поэтому не все тепло, подаваемое в теплообменные устройства, используется для отопления помещения. В этой ситуации температура в обратной линии всех ветвей слишком высока, и клапан управления потоком может реагировать соответствующим образом путем уменьшения расхода.

В одном из вариантов осуществления изобретения регулятор соединен с датчиком температуры в линии подачи выше по потоку от ветвей. В данном варианте осуществления обеспечена возможность считывания ΔТ или, другими словами, разности температур, измеренной на клапанном устройстве, например, температуры, измеренной в линии подачи и, соответственно, обратной линии и, таким образом, отображающей изменение температуры в ветвях. Затем результат ΔТ измерения можно использовать для дополнительной настройки расхода.

В одном из вариантов осуществления изобретения датчик температуры в линии подачи расположен выше по потоку от клапанного устройства. Измеренный перепад температур (например, в ветвях и подключенных к ним теплообменниках) дополнительно используется для настройки расхода.

В одном из вариантов осуществления изобретения регулятор соединен с датчиками температуры в помещении. Как упомянуто выше, когда теплообменными устройствами, такими как радиаторы или устройства нагрева пола, управляют с помощью терморегулируемого клапана, доступна информация о температуре в помещении. Данная информация о температуре в помещении может быть передана в регулятор. После этого регулятор может использовать температуру в помещении во множестве помещений или во всех помещениях, чтобы настроить поток в ветвях, управляемый с помощью клапана управления потоком.

В одном из вариантов осуществления изобретения датчики температуры в помещении являются частью устройств управления, управляющих потоком через теплообменные устройства. Как упомянуто выше, во многих клапанах или других устройствах управления потоком уже имеются термочувствительные устройства, применяемые для регулирования потока в каждом отдельном теплообменном устройстве.

В одном из вариантов осуществления изобретения ниже по потоку от вторичного контура теплообменника расположен клапан управления подачей и соединен с датчиком температуры на впускном отверстии первичного контура теплообменника. Таким образом, клапан управления подачей может использоваться для дополнительного управления потоком жидкого теплоносителя в ветвях в зависимости от температуры во впускном отверстии первичного контура теплообменника.

Варианты осуществления изобретения описаны более подробно ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, причем:

на фиг. 1 показано схематическое изображение первого варианта осуществления отопительной системы для жилых помещений;

на фиг. 2 показано схематическое изображение клапанного устройства; и

на фиг. 3 показан второй вариант осуществления отопительной системы для жилых помещений.

На фиг. 1 схематично показана отопительная система 1 для жилых помещений. Отопительная система 1 содержит теплообменник 2, имеющий первичный контур 3 и вторичный контур 4. Первичный контур 3 соединен с тепловым источником 5. Тепловой источник может представлять собой, например, систему централизованного теплоснабжения, солнечную энергию, геотермальное тепло и т.д. В альтернативных вариантах осуществления устройство 2 может представлять собой не теплообменник, а сам тепловой источник, например, котел, электрический нагреватель и т.д.

Вторичный контур 4 соединен с отопительной установкой. Отопительная установка содержит множество ветвей 6, 7. В данной отопительной системе показаны только две ветви 6, 7. Однако отопительная система может являться частью здания, имеющего большее число помещений. Таким образом, может иметься не две, а большее число ветвей 6, 7.

Ветвь 6 содержит теплообменное устройство 8, а ветвь 7 содержит теплообменное устройство 9. Теплообменные устройства 8, 9 могут представлять собой, например, радиаторы, устройства нагрева пола, и т.д. Каждое теплообменное устройство 8, 9 соединено с клапаном 10, 11. Клапаны 10, 11 представляют собой, например, терморегулируемые клапаны или клапаны с электрическим управлением, также выполненные с возможностью управления температурой в зависимости от результата измерения температуры. На чертеже для каждого клапана 10, 11 показан датчик 12, 13 температуры, но в альтернативных вариантах осуществления все или некоторые из датчиков могут быть отделены от клапанов и работать исключительно для измерения температуры, например, в помещении (см. также описанные ниже варианты осуществления). В любом случае, датчик 12, 13 температуры считывает температуру в помещении, отапливаемом посредством теплообменного устройства 8, 9, и соединен с регулятором 26 для передачи данных, относящихся к соответствующим измеряемым температурам.

Показанное клапанное устройство 14 расположено в линии 15 между вторичным контуром 4 теплообменника 2 и ветвями 6, 7, т.е. ниже по потоку от теплообменника, но альтернативно оно может быть расположено, например, в обратной линии, например, в общей обратной линии 28. Клапанное устройство 14 содержит клапан 16 управления потоком и клапан 17 регулирования давления. Клапан 17 регулирования давления поддерживает по существу постоянную разность давлений между двумя точками отопительной системы 1 для жилых помещений, согласно показанному варианту осуществления - на клапане 16 управления потоком.

На фиг. 2 схематично показано клапанное устройство 14, клапан 16 управления потоком и клапан 17 регулирования давления, объединенные в общем корпусе. Таким образом, термин "клапан 16 управления потоком" можно заменить термином "секция управления потоком" или "часть управления потоком", а термин "клапан регулирования давления" - термином "секция регулирования давления" или "узел регулирования давления".

Клапан 16 управления содержит клапанный элемент 18 и седло 19 клапана. Если разность давлений в зазоре между клапанным элементом 18 и седлом 19 клапана постоянна, то поток определяется расстоянием между клапанным элементом 18 и седлом 19 клапана. Однако, во многих случаях разность давлений на клапанном устройстве 14 сама по себе не постоянна. Она зависит, например, от степени открытия клапанов 10, 11 в ветвях 6, 7, а также от перепада давления, вызванного данными клапанами 10, 11.

Для поддерживания постоянной разности или перепада давлений в зазоре между клапанным элементом 18 и седлом 19 клапана предусмотрен клапан 17 регулирования давления, содержащий клапанный элемент 20 и седло 21 клапана. Клапанный элемент 20 приводится в действие с помощью мембраны 22. С одной стороны (со стороны, обращенной к клапанному элементу 18) мембрана 22 нагружена промежуточным давлением Р2, а с противоположной стороны (со стороны, обращенной в направлении от клапанного элемента 18) - давлением Р3 в выпускном отверстии 23 клапанного устройства 14 или другом отверстии, расположенном ниже по потоку от клапанного устройства 14. Промежуточное давление Р2 зависит от расстояния между клапанным элементом 20 и седлом 21 клапана 17 регулирования давления, которое в свою очередь зависит от разности давлений Р2 и Р3. Основная конструкция такого клапана известна. Клапан 17 регулирования давления поддерживает по существу постоянную разность давлений на клапане 16 управления потоком.

В этом случае клапанный элемент 18 клапана 16 управления потоком соединен, например, со штоком 24 клапана, соединенным с исполнительным устройством 25. Исполнительным устройством 25 управляют с помощью регулятора 26. Регулятор 26 может быть частью исполнительного устройства 25, или он может быть соединен с исполнительным устройством 25.

Регулятор 26 может получать, например, заданное значение требуемого суммарного потока через все ветви 6, 7.

Однако, как показано на фиг. 1, регулятор 26 соединен с датчиком 27 температуры в обратной линии 28 всех ветвей 6, 7. Таким образом, регулятор 26 может управлять суммарным потоком через все ветви 6, 7 так, что температура в обратной линии 28 не превышает заданного значения.

Кроме того, регулятор 26 соединен с датчиком 29 температуры в линии подачи выше по потоку от ветвей 6, 7 и выше по потоку от клапанного устройства 14. Вместе с датчиком 29 температуры в линии подачи датчик 27 температуры в обратной линии может считать разность ΔT температур в ветвях 6, 7. Таким образом, клапанное устройство 14 может настраивать общий поток в отопительной установке в зависимости от требуемой разности ΔТ температур.

На фиг. 3 показан немного отличающийся вариант осуществления той же системы, но здесь клапан 17 регулирования давления поддерживает по существу постоянную разность давлений между двумя точками отопительной системы 1 для жилых помещений, причем согласно показанному варианту осуществления он соединен с другой точкой с помощью соединенительного средства 33 со связью по давлению, например, с помощью импульсной трубки, капиллярной трубки и т.п. В показанном варианте осуществления соединительное средство проходит к обратной линии 28, однако оно может проходить к быть на любой линии. Кроме того, оба соединительных средства по давлению могут быть присоединены к различным точкам в отопительной системе 1 для жилых помещений, например, с помощью соединительного средства 33 со связью по давлению, например, с помощью импульсных трубок, капиллярных трубок и т.д. В остальном показанный вариант осуществления работает так же, как вариант осуществления с фиг. 1 и 2, только чтобы поддерживать постоянную разность давлений или перепад давления между двумя точками отопительной системы 1 для жилых помещений.

Отопительная система согласно второму варианту осуществления отопительной системы 1 для жилых помещений отличается от отопительной системы с фиг. 1 тем, что регулятор 26 дополнительно соединен с датчиками 12, 13 температуры в ветвях 6, 7, где они не образуют часть термостатических клапанов. Клапаны 10, 11 могут управляться с помощью исполнительных устройств 35, 36, опционально также в сочетании с регулятором 26.

Таким образом, для оптимизации расхода регулятор может использовать не только температуру в обратной линии или ΔT в качестве информации об обмениваемой энергии. Дополнительно он может использовать информацию о фактической измеренной температуре (например, температуре в помещении), чтобы оптимизировать поток через отопительную систему с минимально возможной энергией с обеспечением при этом требуемой энергии. Отопительная система может быть самообучающейся и оптимизировать потребление энергии в ответ на то, что происходит в связи с теплообменными устройствами.

Результат измерения температуры может использоваться несколькими способами.

Расчетный поток, связанный с определенными условиями отопления, рассчитывается или определяется другими способами.

Расчетный поток представляет собой суммарный поток, проходящий через все ветви 6, 7.

Когда при частичной нагрузке требуется поток меньше расчетного потока, некоторые клапаны 10, 11 теплообменных устройств 8, 9 закрываются из-за изменения потребности в теплоте (например, при более низкой или нулевой потребности в теплоте), а поток через другие клапаны получается слишком большим, что приводит к слишком высокой температуре в обратной линии. Это регистрируется датчиком 27 температуры в обратной линии 28. После этого суммарный поток уменьшается, и обеспечивается динамический баланс для частичной нагрузки.

Если расчетный поток основан на расчете расчетной потребности в теплоте, поток рассчитывается на основе выбранной разности ΔT температур. Из-за нескольких коэффициентов безопасности, включенных в расчет потребности в теплоте, реальная потребность в теплоте, как правило, оказывается ниже. В результате фактическая температура в обратной линии оказывается выше, чем ожидается. Таким образом, дополнительное управление температурой в обратной линии для балансировки ΔT с тем же эффектом позволяет оптимизировать систему с автоматическим достижением требуемой температуры в обратной линии. Это справедливо для всех нагрузок. Это означает, что в ответ на измеренную ΔT отопительная система 1 с помощью регулятора 26 может быстро скорректировать требования системы посредством настройки потока по отношению к расчетному потоку.

Часто при повышении температуры окружающего воздуха, например, температуры воздуха снаружи здания, температура в линии подачи падает, и в одном из вариантов осуществления одновременно также будет уменьшаться ожидаемая температура в обратной линии или заданное значение температуры в обратной линии 28, хотя и не обязательно в той же степени. Таким образом, в данном варианте осуществления управление может выполняться до ΔT, которая уменьшается при понижении температуры в линии подачи и/или температуры окружающего воздуха.

В варианте осуществления изобретения с фиг. 3 система может непрерывно оптимизироваться. Датчики 12, 13 температуры измеряют локальные температуры, например, в помещении, и передают соответствующие данные в регулятор 26. В данном варианте осуществления датчики 12, 13 температуры не сообщаются непосредственно с клапанами 10, 11 управления потоком (которые в некоторых вариантах осуществления могут вообще отсутствовать) и, таким образом, не образуют часть термостатов, а работают для измерения температур в качестве входных данных для регулятора 26. Без коррекции температура воды потока будет настроена в соответствии с самым важным помещением в здании, что означает, что другие помещения получат слишком высокую производительность, т.е. слишком большой поток и/или слишком высокую температуру воды потока. Благодаря управлению температурой в обратной линии управление каждой из ветвей 6, 7 будет оптимизировано динамически, так как, если температура в обратной линии или разность ΔT температур слишком велика, поток будет уменьшен. Если указанные выше значения слишком низки, поток будет увеличен. Результаты измерения температуры (в помещении), полученные от датчиков 12, 13, будут использоваться регулятором 26 для контроля того, что каждая из обогреваемых областей (каждое из помещений) получает достаточное количество тепловой энергии, например, путем контроля температур, которые должны соответствовать заданным температурам.

Однако, если отдельная ветвь 6, 7 содержит температурный узел и результат измерения температуры по фактической измеренной температуре (в помещении), то результаты измерения также могут быть переданы в регулятор 26 и учтены, чтобы обеспечить получение каждой ветвью 6, 7 достаточного потока.

Таким образом, отопительная система с фиг. 1 и 3 объединяет в себе низкую температуру и оптимальный комфорт, достигаемый с высокой эффективностью.

В показанном варианте осуществления клапан 30 управления подачей может быть установлен в линии 15 ниже по потоку от вторичного контура 4 теплообменника 2. Клапан 30 управления подачей соединен с датчиком 31 температуры на впускном отверстии 32 первичного контура 3 теплообменника 2. Таким образом, для управления потоком в ветвях 6, 7 можно дополнительно использовать информацию о температуре на впускном отверстии 32 первичного контура 3 теплообменника 2.

На чертежах видны две ветви 6, 7, однако число ветвей может быть любым. Одно такое клапанное устройство 14 может управлять любым числом ветвей 6, 7, а в других вариантах осуществления оно может управлять любыми параллельными группами отопительных систем 1, соединенных с одним и тем же источником тепла и либо имеющих общий теплообменник 2, либо в каждом случае имеющих свой собственный локальный теплообменник 2. В данном варианте осуществления с параллельными группами каждая из параллельных отопительных систем 1 может иметь свое собственное клапанное устройство 14, или в специальном варианте осуществления выше по потоку от каждой из параллельных отопительных систем 1 расположено одно такое клапанное устройство 14, обслуживающее все эти системы.

Кроме того, на фиг. 3 показано, что с некоторыми или всеми устройствами, такими как исполнительные устройства 34, 35, датчики 12, 13, 27, 29 температуры, регуляторы 26 и т.д., может быть соединен внешний регулятор 36. Это может иметь место в случае любого из показанных вариантов осуществления, в особенности любого из вариантов осуществления с параллельными отопительными системами 1. В этом случае внешний регулятор 36 может управлять объединенной системой, например, устанавливать расчетный поток, например, в соответствии с наиболее критичным из теплообменных устройств 8, 9 всех ветвей 6, 7 всех параллельно соединенных отопительных систем 1. В этом случае клапанное устройство 14 (клапанные устройства) (одно, общее для всех и/или одно, соединенное с каждой из параллельных отопительных систем 1) корректирует поток в соответствии с измеренным ΔT и согласно описанным выше вариантам осуществления изобретения.

Настоящее изобретение не ограничивается проиллюстрированными вариантами осуществления, и для специалиста в данной области техники очевидно, что можно комбинировать элементы из каждого варианта осуществления, например, варианта осуществления с фиг. 1, где датчики температуры 12, 13, как на фиг. 3, не являются частью термостатов.

Реферат

Описана отопительная система (1) для жилых помещений, содержащая теплообменник (2), имеющий первичный контур (3) и вторичный контур (4), причем первичный контур (3) соединен с тепловым источником, а вторичный контур (4) соединен с отопительной установкой, содержащей множество ветвей (6, 7), причем каждая ветвь (6, 7) имеет теплообменное устройство (8, 9). Такая отопительная система для жилых помещений должна минимизировать потребление тепла. Для этого в линии (15) между теплообменником (2) и ветвями (6, 7) расположено клапанное устройство (14), имеющее клапан (16) управления потоком и клапан (17) регулирования давления, поддерживающий постоянную разность давлений на клапане (16) управления потоком. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула