Аккумулятор тепла - RU2459154C2
Код документа: RU2459154C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к аккумулятору тепла (тепловому аккумулятору), и в особенности к аккумулятору горячей воды, предназначенному для использования с комбинированной установкой, вырабатывающей тепловую и электрическую энергию.
Уровень техники
Аккумуляция теплоты желательна во многих случаях, например, как средство обеспечения теплоты или горячей воды для дальнейшего использования. Аккумулированная теплота может использоваться для отопления зданий и т.п. Системы аккумуляции теплоты обычны при одновременном производстве теплоты и энергии, когда и теплота, и энергия вырабатываются одной установкой, например, комбинированной теплоэлектростанцией (ТЭС) с двигателем внутреннего сгорания или топливным элементом. Энергия может вырабатываться в виде механической энергии, но обычно она вырабатывается в виде электроэнергии. При производстве энергии возникают тепловые «потери». Иногда эту теплоту можно использовать по мере ее выработки, но, как правило, потребность в электроэнергии не соответствует потребности в теплоте, поэтому желательно аккумулировать теплоту, когда потребность в ней низка, и отпускать ее, когда потребность в ней высока.
Теплота часто аккумулируется в виде горячей воды, поскольку воду легко транспортировать в системе теплоэлектростанции от аккумулятора к установке теплоэлектростанции для ее охлаждения и затем обратно к аккумулятору. При этом могут производиться обычные сантехнические работы, и горячая вода может использоваться для мытья и т.п. Однако для аккумуляции теплоты может также применяться масло или другие жидкости, и далее следует обсудить включение таких альтернатив там, где возможна замена воды на эти жидкости. При использовании для аккумуляции теплоты такой жидкости, как вода, нужно знать, когда достигается максимальная емкость аккумулятора. Как правило, это момент, когда вся вода в резервуаре (например, баке или баках) аккумулятора имеет максимальную температуру. Обычно имеются также и иные требования, например, минимальной величины теплоты, аккумулированной для удовлетворения аккумулятором ожидаемой потребности в теплоте.
При использовании комбинированной теплоэлектростанции вода, охлаждающая установку ТЭС, нагревается, и эта нагретая вода затем аккумулируется для дальнейшего использования. В этих условиях полезно знать, насколько велики остающиеся возможности охлаждения комбинированной установки, т.е. сколько еще сможет вместить аккумулятор до того момента, когда возможности полезной аккумуляции теплоты, произведенной установкой, окажутся исчерпаны, или до того момента, когда эксплуатация комбинированной установки станет невозможной ввиду отсутствия емкостей для охлаждения. Возможность аккумулировать теплоту делает использование комбинированной установки эффективным. Если аккумулировать теплоту нельзя, то более эффективным может быть применение альтернативного источника энергии, а не комбинированной энергетической установки, в которой нельзя использовать уходящую в потери теплоту. Кроме того, имеется минимальное требование по наличию охлаждающей воды для эффективного запуска комбинированной установки. Если охлаждающей воды слишком мало, то комбинированную установку не удастся эксплуатировать достаточно долго для того, чтобы имело смысл ее запускать, так как запуск установки связан с энергетическими затратами.
В известных аккумуляторных системах горячая вода аккумулируется в одной крайней части аккумулятора, например бака или аналогичного устройства, а холодная вода - в другой крайней части. Так, например, в простейшем варианте устройства одиночный вертикальный бак может аккумулировать горячую воду в верхней части, а холодную - в донной, вследствие разности плотностей воды при различных температурах. По мере нагрева воды холодная вода выпускается из донной части бака, а горячая поступает в верхнюю часть. Таким образом, граница горячей/холодной воды сдвигается книзу бака. Следует учитывать, что через эту границу происходит определенное смешение горячей и холодной воды, так что имеет место не ступенчатое изменение температуры, а некий температурный градиент перехода от горячей воды к холодной.
В таких системах оценка аккумулированной теплоты упрощается при использовании датчиков температуры, размещенных по высоте бака для замера значений параметров, используемых при управлении системой. Верхний датчик может использоваться для указания требуемой минимальной емкости аккумулятора, а нижний - для указания требуемой минимальной емкости охлаждения, чтобы комбинированную установку можно было эксплуатировать определенное минимальное время. Когда граница горячей/холодной воды достигает места расположения датчика, количество аккумулированной теплоты становится известно благодаря тому, что известно расположение датчика. Следует учитывать, что, поскольку на границе горячей/холодной воды не происходит ступенчатого изменения температуры, в таких системах имеет место некоторое отставание пороговой точки срабатывания датчика температуры, которой может быть любая выбранная точка в пределах перепада температур от «горячей» до «холодной».
Желаемые параметры, индицируемые местами расположения датчиков, обозначаются T1 и Т2, где T1 - это величина требуемой минимальной аккумулированной теплоты аккумулятора, a T2 - величина максимальной аккумулированной теплоты или эквивалентная ей величина минимальной емкости охлаждения, позволяющая эксплуатировать комбинированную установку. Таким образом, величина T1 должна обеспечивать достаточное количество горячей воды для покрытия пикового потребления теплоты, а величина T2 должна позволить эксплуатировать комбинированную установку некоторое минимальное время, которое может быть определено в зависимости от типа комбинированной установки и прочих характеристик системы.
Обычно датчик температуры устанавливается также у верха аккумулятора горячей воды. Этот датчик, обозначаемый К0, показывает, когда в аккумуляторе полностью отсутствует горячая вода или когда граница горячей/холодной воды приближается к верху, в зависимости от выбранной в качестве порогового значения К0 точки в пределах перепада температур от горячей до холодной. Таким образом, датчик К0 может быть использован для выдачи сигнала запуска комбинированной установки на выработку теплоты, именно, в случае, когда требуется теплота, а аккумулятор пуст. В некоторых системах вместе с комбинированной установкой используется котел; в этом случае датчик К0 может быть использован для выдачи сигнала запуска котла, именно, в случае, когда требуется теплота, а электроэнергия не нужна. Кроме того, может применяться еще один датчик, обозначаемый K1. Этот датчик обычно располагается очень близко к К0 и используется для создания гистерезиса в системе управления котла. Т.е. когда котел отключен и К0 - холодный, котел может быть включен для удовлетворения потребности в теплоте. Когда котел включен и тепловой аккумулятор наполняется (например, если для удовлетворения потребности в электроэнергии была запущена комбинированная установка), котел при горячем K1 может быть отключен, так как в этом случае теплота может отпускаться комбинированной установкой и/или из теплового аккумулятора.
В общем случае датчик K1 управляет котлом, в то время как датчик T1 управляет комбинированной установкой. Таким образом, эксплуатация комбинированной установки обычно производится, когда датчик T1 холодный, а в случае, когда холодный и К0, может эксплуатироваться также и котел. Если затем K1 становится горячим, котел отключается, а эксплуатация комбинированной установки продолжается, по меньшей мере, до момента, когда датчик T1 становится горячим, после чего ее эксплуатация определяется оптимальным режимом производства тепловой и электрической энергии.
Следовательно, параметры K1, T1 и Т2 очень важны для эффективной и экономичной эксплуатации теплового аккумулятора, и поэтому важно надлежащее расположение датчиков, замеряющих эти параметры.
Раскрытие изобретения
В первом аспекте настоящее изобретение предлагает термочувствительное устройство для устройства аккумуляции воды, в котором количество аккумулированной горячей воды может быть определено по высоте положения границы горячей или холодной воды, включающее несколько датчиков температуры для установки на разных уровнях в устройстве аккумуляции воды; и блок управления, выполненный с возможностью выбора одного из используемых датчиков температуры для индикации параметра аккумуляции горячей воды и для оптимизации значения этого параметра выбором датчика на другом уровне, исходя из требуемых условий работы.
Параметром аккумуляции горячей воды может быть T1 или Т2, с соответствующим выбором условий работы. Как будет ясно из дальнейшего, величины параметров аккумуляции горячей воды задаются расположением датчиков в аккумуляторном устройстве. В известных системах при монтаже необходимо определять минимальное требуемое количество аккумулированной теплоты и минимальную емкость для охлаждения конкретной системы - и физически располагать датчики в устройстве аккумулятора воды соответствующим образом. При этом оптимальное их расположение диктуется взаимодействием ряда факторов, в частности типом системы и характером ее эксплуатации. Если упомянутые величины определены неверно или изменился характер эксплуатации системы, следствием будет неэффективная работа системы, которую трудно отрегулировать, так как для передвижки датчиков необходим доступ внутрь устройства аккумулятора.
Посредством применения нескольких установленных на разных уровнях датчиков, которые могут выбираться и перевыбираться блоком управления, в настоящем изобретении преодолеваются указанные затруднения и обеспечивается задание оптимальных значений параметров, которые к тому же могут потом регулироваться по мере необходимости. Уровень датчика соответствует его положению в устройстве аккумуляции воды относительно перемещения границы горячей/холодной воды. В простейшем случае одиночного бака этот уровень соответствует высоте расположения датчика. При наличии нескольких баков уровень датчика зависит от высоты датчика в каждом баке, а также от порядка расположения баков.
Процесс оптимизации работы и регулировки может легко и автоматически управляться без необходимости привлечения квалифицированного монтажника. Для этого используется ряд физических датчиков температуры, и выбранные датчики обозначаются как «виртуальные» датчики, исполняющие роль датчиков T1, или T2, или других параметров.
Причем датчиков температуры может быть всего два, - это минимальное количество датчиков, позволяющее в определенной мере оптимизировать некоторый параметр. Предпочтительно, однако, иметь более двух датчиков температуры, например четыре или более. В нижеследующем описании указывается, что для оптимизации значения параметра выбирается датчик более высокого или более низкого уровня. Это следует понимать в том смысле, что выбирается датчик более высокого или более низкого уровня, если таковой имеется. Очевидно, что если используется самый высокий датчик, его уже не удастся переместить на более высокий уровень, а если используется самый низкий датчик, его уже не удастся переместить на более низкий уровень. Количество датчиков предпочтительно выбирать так, чтобы датчики можно было расположить в пределах от наинизшего до наивысшего уровня с интервалами, соответствующими уровням аккумулированной горячей воды выше и ниже наивысшего и наинизшего значений параметра аккумуляции горячей воды. Отсчеты «более высокий» и «более низкий» производятся относительно уровня границы горячей/холодной воды и, следовательно, не относятся к абсолютному значению высоты. Так, например, в системе с двумя смежными однотипными баками самый нижний датчик в первом баке будет находиться на меньшей абсолютной высоте, чем датчики во втором баке, но относительно движения уровня границы горячей/холодной воды ниже будет уровень датчиков во втором баке.
Если параметром является T1, желаемым условием работы может быть количество аккумулированной теплоты, достаточное для удовлетворения потребности, и может быть дополнительное условие нежелательности слишком большого избытка аккумулированной теплоты. В этом случае блок управления может быть настроен на выбор датчика более высокого уровня при избытке аккумулированной теплоты, и на выбор датчика более низкого уровня при недостатке аккумулированной теплоты. Оценка этого эксплуатационного условия может основываться на определении исчерпания или приближения исчерпания аккумулированной теплоты в тепловом аккумуляторе. Такое определение может проводиться с заданным интервалом периодичности, предпочтительно суточным. Сутки соответствуют самому короткому циклу теплопотребления для большинства потребителей.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения это обеспечивается датчиком температуры, устанавливаемым на горячем краю устройства аккумулятора, например, у верха бака, в положении, соответствующем описанному выше датчику К0; при этом если К0 - холодный, для T1 выбирается более низкий датчик, а если К0 не обнаруживает тенденций остывания, для T1 выбирается более высокий датчик.
Как описано выше, датчик в баке может также обозначаться как K1. В этом случае, в качестве альтернативного к вышеописанному варианта, условие может быть следующим: если К0 - холодный, для T1 выбирается более низкий датчик, а если K1 не обнаруживает тенденций остывания, для T1 выбирается более высокий датчик.
Если используется K1, это может быть параметр, оптимизируемый выбором соответствующего датчика, как описано выше. Тогда условием работы может быть наименьшее заранее заданное время, за которое количество горячей воды достигает K1 от состояния опорожнения (т.е. время от К0 до K1). При этом можно позволить котлу, управляемому как описано выше, работать, по меньшей мере, заранее заданное время, например не менее 10 минут, и таким образом избежать избыточных переключений котла. Блок управления может быть настроен на выбор датчика более низкого уровня для K1, если время, за которое количество горячей воды достигает K1 от состояния опорожнения окажется слишком коротким. Кроме того или в качестве альтернативного варианта, может быть условие максимально допустимого времени, за которое количество горячей воды достигает K1 от состояния опорожнения, и блок управления может быть настроен на выбор датчика более высокого уровня для K1, если время, за которое количество горячей воды достигает K1 от состояния опорожнения, окажется слишком долгим.
Блок управления может быть выполнен так, чтобы пользователь мог потребовать полного заполнения аккумулятора к определенному моменту времени. Так, например, владелец отеля может потребовать полного заполнения аккумулятора утром, чтобы не было риска недостатка горячей воды в то время, когда большинство гостей принимают душ или ванну. В этом случае блок управления может в назначенное время выбрать более высокий уровень датчика для К1, чтобы запустить котел на одновременную работу с комбинированной установкой и тем самым обеспечить максимальную аккумуляцию теплоты. Блок управления может также обеспечивать абсолютный минимум аккумулированной теплоты, чтобы пользователь всегда имел в распоряжении этот минимум, даже ценой менее эффективной работы системы.
Если параметр - Т2, желаемым условием работы является сохранение емкости для охлаждения, когда Т2, индицируемая выбранным датчиком температуры, достаточна для того, чтобы позволить комбинированной установке, соединенной с тепловым аккумулятором, работать желаемое время, т.е. в случае, когда теплоаккумулирующим агентом является вода, - требование определенного уровня холодной воды в устройстве теплового аккумуляторе. Таким образом, блок управления может быть выполнен так, чтобы в случае, когда время между достижением Т2, индицируемой выбранным датчиком температуры, и исчерпанием емкости для охлаждения (т.е. заполнением устройства аккумуляции воды горячей водой) меньше нижнего предела времени, для T2 выбирался более высокий уровень датчика, а в случае, когда это время больше верхнего предела времени, для T2 выбирался более низкий уровень датчика.
Параметр Т3, являющийся индикатором наполнения аккумулятора, может использоваться для определения времени от момента, когда датчик T2 становится горячим, до момента наполнения аккумулятора; в альтернативном варианте время исчерпания емкости для охлаждения может быть получено экстраполяцией по времени достижения границей горячей/холодной воды следующего датчика и общему количеству остающихся датчиков до наполнения аккумулятора. Параметр Т3 может индицироваться физическим датчиком температуры, расположенным у отверстия выпуска холодной воды из устройства аккумуляции воды. Предпочтительно, однако, чтобы датчик Т3 был воображаемым (т.е. чтобы физического датчика температуры не было) и включенным, т.е. становящимся горячим, когда клапан охлаждения комбинированной установки полностью открыт, а потребность в дополнительном охлаждении сохраняется в течение заданного времени, например, 30 секунд. Воображаемый датчик Т3 снова выключается, т.е. становится холодным, когда клапан открыт уже неполностью. В этом варианте исполнения предпочтительно избежать необходимости установки физического датчика температуры в месте максимальной аккумуляции теплоты.
Следует понимать, что, хотя верхний и нижний пределы времени могут совпадать, предпочтительно, чтобы между верхним и нижним пределами времени имелся некоторый интервал для более плавной работы системы. Это соображение плавности работы относится также к оценке количества аккумулированной теплоты для оптимизации T1, - хотя и в меньшей степени, если величиной T1 управляют на основе замеров двух датчиков, К0 и K1, поскольку использование двух датчиков дает эффект гистерезиса. Таким образом, петля гистерезиса может быть использована в блоке управления, чтобы избежать избыточных переключений и вибраций при выборе датчиков для T1 и/или Т2. Такая петля гистерезиса может быть осуществлена в системе управления традиционным способом, а в отношении Т2 это может быть сделано простым заданием подходящей разности между верхним и нижним пределами времени.
В одном из альтернативных предпочтительных вариантов управление датчиком, выбранным для Т2, осуществляется исходя из ожидаемого изменения емкости для охлаждения в случае выбора датчика более высокого или более низкого уровня. В этом варианте осуществления текущая емкость для охлаждения, которая может быть измерена или экстраполирована, делится на количество датчиков, расположенных ниже Т2, чтобы можно было определить ожидаемое изменение. И выбирается датчик более высокого или более низкого уровня, если ожидается, что этот новый датчик даст большее приближение емкости для охлаждения к требуемой минимальной, которая может быть достаточной для охлаждения в течение 20 минут. Для примера, если требуется, по меньшей мере, 20 минут охлаждения, время от «горячего» Т2 до «горячего» Т3 - 24 минуты, а время на каждый датчик - 3 или 4 минуты (т.е. при 8 или 6 датчиках ниже Т2), то Т2 может быть сдвинут вниз до следующего физического датчика. Однако Т2 не сдвигается, если время на датчик больше разницы между действительным и желаемым временем, т.е. никогда не допускается, чтобы экстраполированное время было меньше минимального. Следовательно, при требуемом времени 20 минут и действительным 24 минуты, датчик не сдвигается, если время на датчик больше 4 минут.
Такое термочувствительное устройство может оптимизировать множественные параметры, например оба параметра T1 и Т2, и в этом случае блок управления выполняется так, чтобы выбирать датчик для каждого параметра и оптимизировать параметры регулировкой уровня датчика в соответствии с заранее определенным условием по каждому параметру. Очевидно, что для оптимизации обоих параметров, T1 и Т2, недопустимо, чтобы T1 был ниже Т2. Блок управления предпочтительно выполняется так, чтобы Т2 имел приоритет, так что если определено, что Т2 следует передвинуть на датчик более высокого уровня, а текущий замер этого датчика - T1, то, следовательно, и T1 передвигается на датчик более высокого уровня. Аналогично, если используется K1, то предпочтительно чтобы T1 имел приоритет перед K1, при необходимости выталкивая K1 на более высокий уровень. Если передвижение T1 этого требует, то датчик T1, будучи «виртуальным» датчиком, может быть тем же физическим датчиком, что и K1, т.е. К0, следовательно, реализуется верхним датчиком, в то время как K1 и T1 оба занимают следующий нижний датчик. Далее, если требуется передвинуть T1 вверх (например, из-за передвижения T2), то К0, K1 и T1 могут все размещаться в верхнем датчике.
Если K0, K1 и T1 вытолкнуты на использование одного и того же физического датчика, то предпочтительно, чтобы, при уходе T1 от К0, K1 автоматически следовал за ним. В качестве примера предпочтительного варианта осуществления К0, K1 и T1 могут быть вытолкнуты на использование одного и того же физического датчика передвижкой Т2, имеющего приоритет. Если условия требуют отдельного физического датчика для T2, то Т2 снова уйдет, и эта передвижка Т2 оставит некоторую свободу манипулирования T1. Через какое-то время после этого может потребоваться передвинуть T1 на один датчик вниз, и если это произойдет, K1 последует за T1, так что К0 будет занимать верхний физический датчик, а K1 и T1 делить следующий физический датчик. В этот момент T2 может уже быть передвинут дальше вниз по устройству аккумулятора. И в следующий раз, когда T1 сдвинется вниз на датчик, K1 не обязан следовать за ним, так как теперь у него есть пространство, чтобы он мог занять свой собственный датчик. Таким образом, K0, K1 и T1 размещаются на трех верхних датчиках. Если T1 сдвигается дальше вниз, K1, имея свободу передвижки, может быть при необходимости передвинут.
Предпочтительно, чтобы оптимизация T1 и/или T2 позволяла сохранять максимально возможную дистанцию между двумя этими датчиками, допустимую для эффективной работы теплоаккумулирующей системы. Использование этой теплоаккумулирующей системы в сочетании с комбинированной установкой, вырабатывающей тепловую и электрическую энергию, обеспечивает наиболее широкий возможный диапазон, в котором комбинированная установка может эксплуатироваться без ограничений, и, следовательно, эффективность работы может быть оптимизирована. Происходит это потому, что выше T1 комбинированная установка должна работать для нового заполнения аккумулятора до требуемого минимального уровня, а ниже Т2 комбинированная установка может по необходимости работать на нагрузку ниже оптимальной и/или останавливаться во избежание эксплуатации без охлаждения. Как отмечено выше, запускать комбинированную установку в эксплуатацию, когда имеющаяся емкость для охлаждения меньше определенной величины, нерентабельно, так как запуск комбинированной установки связан с энергетическими затратами.
Аналогично, оптимизация K1 позволяет более эффективно эксплуатировать котел или подобное устройство для удовлетворения потребности в теплоте.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения блок управления выполнен так, что позволяет выбрать новые датчики для К0, K1 и/или Т2 на основе непрерывной оценки работы теплоаккумулирующего устройства с учетом желаемых условий работы. Это позволяет непрерывно оптимизировать указанные параметры. Для T1 блок управления предпочтительно выполнен так, чтобы определять, должен ли быть выбран другой датчик в расчете на полные сутки работы, т.е. передвижки T1 на более высокий или более низкий датчик ограничены одной передвижкой в сутки. Причина этого в том, что требуется минимум аккумулированной теплоты, т.е. желаемое условие работы для T1 зависит от максимального потребления теплоты в пользовательском цикле потребления, который обычно представляет собой суточный цикл. Таким образом, если К0 остывает один или несколько раз в сутки, то T1 должен быть передвинут на более низкий датчик, чтобы обеспечить большую величину аккумулированной теплоты на следующие сутки. Исключение представляет случай, когда Т2 имеет приоритет перед T1 и передвижка Т2 может потребовать передвижки T1, как описано выше. Эта передвижка может произойти в дополнение к обычному суточному циклу для T1.
Если должны быть оптимизированы два или несколько параметров, то количество датчиков влияет на степень оптимизации. Предпочтительно, чтобы устройство включало, по меньшей мере, четыре датчика, более предпочтительно, по меньшей мере, восемь датчиков. В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения датчики объединены в группы по четыре, и для каждой группы имеется своя цепь управления.
Устройство обладает тем преимуществом, что не требуется направления в блок управления какой-либо информации о датчиках температуры после их установки, так как перед оптимизацией они могут быть выбраны произвольно. В одном из предпочтительных вариантов осуществления блок управления выполнен так, что выбирает исходный датчик для соответствующего - или каждого - параметра аккумуляции горячей воды, исходя из порядка, в котором датчики нагреваются в процессе работы устройства аккумуляции воды. Предпочтительно, чтобы в число датчиков температуры входил датчик температуры, устанавливаемый у верха аккумуляторного устройства, а блок управления был выполнен так, чтобы идентифицировать этот датчик как датчик, нагревающийся первым.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается устройство аккумуляции воды, в котором количество аккумулированной горячей воды может быть определено по высоте положения границы горячей/холодной воды, причем устройство аккумуляции воды оснащено термочувствительным устройством, описанным выше.
Таким образом, устройство аккумуляции воды включает несколько датчиков температуры, установленных на разных уровнях, и блок управления, выполненный для оптимизации параметра аккумуляции воды.
Устройство аккумуляции воды может представлять собой водяной бак или ряд последовательно соединенных водяных баков. Использование предлагаемого термочувствительного устройства обеспечивает гибкость компоновки баков и возможность оптимизации таких параметров, как оставшаяся емкость для охлаждения или минимальное требуемое количество аккумулированной теплоты, для нескольких баков тем же блоком управления, который может оптимизировать те же параметры в одиночном баке.
Блок управления может быть предпочтительно выполнен так, чтобы узнавать положение датчиков температуры, используя порядок, в котором нагреваются или охлаждаются различные уровни устройства аккумуляции воды, например бака или баков, а также может быть выполнен так, чтобы оптимизировать параметры регулировкой уровня выбранного датчика. Например, датчик на горячем краю аккумулирующей системы, который может быть верхним датчиком К0 в баке или в первом из нескольких баков, может быть идентифицирован как датчик, нагревающийся первым. Как отмечалось выше, при наличии нескольких баков датчик температуры в одном из баков ряда, в котором есть предшествующий бак, может считаться расположенным на более высоком уровне, чем датчик в предшествующем баке, так что последовательность уровней датчиков идет от наинизшего датчика в данном баке до наивысшего датчика в предшествующем баке. В каждом баке может находиться одна группа или несколько групп датчиков, причем порядок датчиков в каждой группе известен, но порядок групп неизвестен. В этом случае система может быть выполнена так, чтобы определять порядок групп датчиков исходя из порядка, в котором они регистрируют изменение температуры.
Во втором аспекте настоящее изобретение предлагает способ управления устройством аккумуляции воды, в котором количество аккумулированной горячей воды может быть определено по высоте положения границы горячей или холодной воды, включающий: использование одного из множества датчиков температуры для индикации параметра аккумуляции горячей воды, причем датчики температуры установлены на разных уровнях в устройстве аккумуляции воды, и оптимизацию значения этого параметра выбором датчика на другом уровне на основе требуемых условий работы.
Как в устройстве, описанном выше, параметром аккумуляции горячей воды может быть T1, K1 или Т2 - с соответствующим выбором условий работы, а способ включает шаги, соответствующие действиям описанного выше блока управления.
Таким образом, в одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения параметром является T1. В этом случае способ может включать выбор датчика более высокого уровня, если аккумулировано слишком много теплоты, и выбор датчика более низкого уровня, если аккумулировано слишком мало теплоты. Это может быть достигнуто на шаге определения исчерпания или приближения к исчерпанию аккумулированной теплоты в тепловом аккумуляторе.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения параметром является T2. Способ может включать определение времени между моментом индикации Т2, выбранным датчиком температуры, и исчерпанием емкости для охлаждения с последующим выбором для T2 датчика более высокого уровня, если это время меньше нижнего предела времени, или выбором для Т2 датчика более низкого уровня, если это время больше верхнего предела времени. Как указывалось выше, верхний и нижний пределы времени могут совпадать, однако предпочтительно, чтобы имелся некоторый интервал между верхним и нижним пределами времени.
Предлагаемый способ может включать выбор датчиков температуры для множественных параметров и оптимизацию каждого из этих множественных параметров. В одном из предпочтительных вариантов осуществления множественные параметры - это T1 и T2, и в этом случае этап выбора датчика для T1 включает обеспечение такого положения, чтобы этот датчик был над датчиком, выбранным для Т2, которому придается приоритет, как описано выше.
Предпочтительно, чтобы способ включал выбор исходного датчика для каждого параметра аккумулятора горячей воды, основанный на порядке, в котором датчики нагреваются в процессе работы устройства аккумуляции воды. Предпочтительно, чтобы в число датчиков температуры входил датчик температуры у верха устройства аккумуляции и чтобы этот датчик идентифицировался как первый нагреваемый датчик.
Способ может включать эксплуатацию комбинированной установки, например, дизельной ТЭС, на основе параметров, замеренных выбранными датчиками. Так, комбинированная установка может эффективно использоваться в соответствии с емкостью теплового аккумулятора и емкостью для охлаждения, имеющимися в устройстве аккумуляции воды.
В третьем аспекте настоящее изобретение предлагает компьютерный программный продукт, включающий команды, которые, при их выполнении в блоке управления термочувствительного устройства, обеспечивают осуществление способа согласно второму аспекту изобретения посредством указанного блока управления.
Предпочтительно, чтобы термочувствительное устройство согласно этому аспекту соответствовало устройству в соответствии с первым аспектом.
Сами по себе термочувствительное устройство и способ, в котором последовательность или расположение некоторых или всех датчиков может определяться автоматически, полагаются обладающими признаками изобретения.
Таким образом, согласно четвертому аспекту настоящее изобретение предлагает термочувствительное устройство для устройства аккумуляции воды, в котором количество аккумулированной горячей воды может быть определено по высоте положения границы горячей или холодной воды, включающее: несколько датчиков температуры для установки на разных уровнях в устройстве аккумуляции воды; и блок управления для определения относительного расположения используемых датчиков на основе порядка, в котором эти датчики регистрируют изменение температуры в процессе работы устройства аккумуляции воды.
Следовательно, после установки датчиков температуры блок управления не имеет информации о расположении всех датчиков температуры, т.е. после установки относительное расположение, по крайней мере, некоторых датчиков температуры неизвестно. Вместо этого относительное расположение указанных датчиков определяется на основе информации, получаемой блоком управления при их первом использовании, т.е. тогда, когда они регистрируют изменение температуры. Таким образом, система использует известное поведение границы горячей/холодной воды (обычно - линейное вертикальное перемещение), допуская исходную неопределенность расположения некоторых или всех датчиков и определяя это расположение в процессе работы. Это упрощает монтаж, поскольку не требуется, чтобы определенные датчики располагались в определенных местах, и для эффективной эксплуатации устройства не требуется наличия после монтажа входного сигнала, передаваемого в блок управления. Кроме того, данное устройство допускает последовательное соединение нескольких баков без необходимости программирования их последовательности в блоке управления после монтажа.
Оценка расположения датчика температуры может быть выполнена в процессе изменения температуры, вызванного как нагревом, так и охлаждением воды, т.е. как при наполнении теплового аккумулятора горячей водой, так и при ее отпуске из аккумулятора. Как отмечалось выше, имеется некоторый градиент перехода через границу горячей/холодной воды, следовательно, определение изменения температуры предпочтительно осуществлять посредством определения момента достижения заранее заданной пороговой температуры. Расположение датчиков предпочтительно определять в процессе нагревания, так как это может выполняться нагревом бака от холодного состояния, при этом расположение датчика будет определено по отношению к опорожненному состоянию. Если же использовать последовательность охлаждения для получения абсолютной точки отсчета, то начинать придется с максимальной емкости теплового аккумулятора, что, вероятно, приведет к ненужному расходованию энергии.
Предпочтительно, чтобы в число датчиков температуры входил датчик температуры, монтируемый у верха аккумуляторного устройства, а блок управления был выполнен так, чтобы этот датчик идентифицировался как первый нагреваемый датчик.
Датчики температуры могут быть объединены в группы, в которых порядок расположения датчиков известен, но порядок, в котором расположены группы датчиков в аккумуляторном устройстве, неизвестен. В этом случае блок управления может быть выполнен так, чтобы определять относительное расположение датчиков исходя из порядка, в котором группы датчиков нагреваются. В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения датчики объединены в группы по четыре. Каждая группа датчиков может иметь цепь управления и, предпочтительно, также связанное с группой сетевое подсоединение. Цепь управления и сетевое подсоединение могут быть выполнены так, чтобы допускать соответствующее расположение датчиков в группе датчиков относительно других сетевых приборов, которые могут включать блок управления.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления термочувствительное устройство встроено в устройство аккумуляции воды, в котором количество аккумулированной горячей воды может быть определено по высоте положения границы горячей/холодной воды.
Датчики температуры могут включать датчики для установки в устройстве аккумуляции воды, включающем несколько аккумуляторных баков. В этом случае блок управления может определять последовательность датчиков в нескольких баках тем же способом, что и в одиночном баке. Определение относительного расположения датчиков в этом случае может просто сводиться к определению относительного расположения датчиков в тепловом аккумуляторе посредством определения последовательности ряда баков. Таким образом, в каждом баке может быть всего один датчик или одна группа датчиков. Если же в каждом баке будет больше одного датчика или одной группы датчиков, то система также может определить порядок этих датчиков в каждом баке.
Использование этой системы для определения последовательности баков выгодно в тех случаях, когда необходимо заменить аккумуляторный бак в тепловом аккумуляторе или добавить аккумуляторный бак к тепловому аккумулятору. Термочувствительное устройство предпочтительно выполнено так, чтобы сохранять информацию об известном расположении датчиков, соединенных с устройством, и чтобы определять относительное расположение новых датчиков, добавленных к системе, исходя из порядка, в котором эти новые датчики нагреваются или охлаждаются, - относительно известных датчиков. Для этого блок управления может включать запоминающее устройство или может быть подсоединен к запоминающему устройству, сохраняющему информацию об идентификации расположения датчиков, когда это расположение определяется - или определялось блоком управления.
Так, например, в тепловом аккумуляторе с четырьмя теплоаккумулирующими баками система может знать порядок баков номер один, два, три и четыре. Если добавляется новый бак, вставляемый для удобства между баками три и четыре, то при наполнении теплового аккумулятора система обнаружит, что датчик (или датчики) температуры в новом баке нагревается после датчика (датчиков) в баке три, но до датчиков в баке четыре. Аналогично, если бак изымается и заменяется, например, если изымается бак номер два, порядок баков в новой системе определяется исходя из порядка нагрева (или, вообще говоря, охлаждения) новых (неизвестных) датчиков относительно расположения известных датчиков в оставшихся баках один, три и четыре.
Предпочтительно, чтобы, благодаря сохранению информации о расположении датчиков, позиции которых уже были определены, не было необходимости полностью нагревать или охлаждать систему для нахождения позиций датчиков в новом баке. Например, позиции датчиков в баке, помещенном между существующими баками один и два, могут быть найдены без необходимости полностью нагревать бак два, а последующие баки вообще нет необходимости нагревать.
В пятом аспекте изобретение предлагает способ управления устройством аккумуляции воды, в котором количество аккумулированной горячей воды может быть определено по высоте положения границы горячей или холодной воды, включающий: нагревание воды в устройстве аккумуляции и определение относительного расположения датчиков температуры, установленных на разных уровнях в устройстве аккумуляции воды, на основе порядка, в котором эти датчики регистрируют изменение температуры в процессе работы устройства аккумуляции воды.
Предпочтительно, чтобы в число датчиков температуры входил датчик температуры, установленный у верха аккумуляторного устройства, и чтобы этот датчик идентифицировался как первый нагреваемый датчик. В системе могут быть датчики, установленные в нескольких последовательно соединенных баках, и эти датчики могут быть идентифицированы аналогичным образом, так как они все равно будут изменять температуру в последовательности, соответствующей изменению количества аккумулированной горячей воды. В этом случае разные уровни датчиков температуры будут последовательны по всему ряду баков.
Способ может включать эксплуатацию комбинированной установки, например, дизельной ТЭС, на основе параметров, замеренных выбранными датчиками. Управление комбинированной установкой может быть основано на информации датчиков в устройстве аккумуляции воды - без необходимости предварительного знания последовательности датчиков.
Способ может включать элементы, соответствующие предпочтительным вариантам устройства согласно четвертому аспекту настоящего изобретения, как описано выше.
В шестом аспекте настоящее изобретение предлагает компьютерный программный продукт, включающий команды, которые, при их выполнении в блоке управления термочувствительного устройства, обеспечивают осуществление способа согласно пятому аспекту посредством указанного блока управления.
Предпочтительно, чтобы термочувствительное устройство согласно этому аспекту соответствовало устройству согласно четвертому аспекту.
Краткое описание графических материалов
Ниже предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения описываются исключительно на примерах со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых представлены:
На Фиг.1 показана схема водяного бака с датчиками,
На Фиг.2 изображена схема системы с двумя баками.
Осуществление изобретения
В варианте осуществления, изображенном на Фиг.1, система 10 аккумуляции воды включает бак 1, который показан частично заполненным горячей водой 2, в то время как оставшаяся часть бака содержит холодную воду 3. Горячая и холодная вода разделены границей 4 горячей/холодной воды, как описано выше. Действительная температура горячей воды 2 и холодной воды 3 будет варьироваться в зависимости от окружающей температуры и конкретного устройства нагрева воды. Устройство нагрева воды, не показанное на чертеже, может представлять собой комбинированную установку, например дизельную ТЭС. Сочетание ТЭС с бензиновым двигателем и цилиндрического аккумуляторного бака горячей воды обычно используется для теплового снабжения и электроснабжения зданий коммунально-бытового назначения. Аналогичные системы соответствующего масштаба используются для промышленных нужд.
Горячая вода поступает в бак 1 и выпускается из бака в его верхней части, например, через трубу 5 или подобное устройство, детали которого известны и не показаны. Аналогично, холодная вода поступает в бак 1 и выпускается из бака в его донной части, например, через трубу 5 или подобное устройство.
Датчики 7 температуры размещены на разных уровнях в баке. Эти датчики 7 могут быть установлены в баке 1 при монтаже или, возможно, при выполнении процедур техобслуживания. Каждый из датчиков 7 соединен с блоком управления, который не показан на Фиг.1.
Во время первого сеанса эксплуатации блок управления регистрирует моменты нагрева датчиков 7. Горячая вода 2 поступает в верхнюю часть бака 1, и бак 1 заполняется горячей водой 2 сверху вниз по мере работы комбинированной установки. Таким образом, первым нагревается самый верхний датчик бака, поэтому блок управления идентифицирует его как K0, который может использоваться, как описано выше, для указания на то, что в баке нет горячей воды или что он близок к такому состоянию. Уровни остальных датчиков 7 в баке 1 могут быть определены по последовательности, в которой они нагреваются, каковая указывает на последовательность их достижения границей 4 горячей/холодной воды. Датчики 7 могут быть объединены в группы, причем порядок, в котором датчики 7 расположены в группе, известен. В этом случае система использует порядок, в котором датчики 7 нагреваются, для идентификации последовательности групп датчиков 7.
Блок управления может затем выбирать датчики 7 для использования в качестве исходных датчиков для параметров K1, T1 и T2. Этот выбор может быть основан на оценке, использующей данные по известным аналогичным системам, или исходить из более простых критериев, например, датчик, соседний с К0, выбирается в качестве датчика K1, второй датчик от К0 - в качестве датчика T1, а 6-й от К0 - в качестве датчика Т2. Блок управления может предоставлять технику, монтирующему систему, возможность указывать исходный набор датчиков, используемых для конкретных параметров.
В процессе дальнейшего использования горячей воды, аккумулированной в баке 1, блок управления оптимизирует выбор датчиков для T1 и T2 исходя из замеров условий работы. Как описано выше, T1 представляет минимальное требуемое количество аккумулированной горячей воды, a T2 - параметр минимальной емкости охлаждения, которая может быть оставлена для возможности эксплуатировать комбинированную установку. Например, величина Т2 может быть выбрана так, чтобы обеспечить эксплуатацию комбинированной установки в течение не менее 20 минут.
Таким образом, K0, K1, T1 и Т2, - это в самом деле «виртуальные» датчики, которые могут быть назначены любым физическим датчикам 7.
Если в процессе использования теплоты или горячей воды К0 демонстрирует тенденцию к остыванию, блок управления выбирает для T1 более низкий датчик. Это ведет к понижению границы горячей/холодной воды при T1, и, следовательно, к большему количеству аккумулированной теплоты в качестве минимально требуемой. Наоборот, если обнаружится, что количество аккумулированной теплоты избыточно, т.е. если K1 не обнаруживает тенденций остывания, то для T1 выбирается датчик более высокого уровня, что ведет к повышению границы горячей/холодной воды при T1.
В отношении Т2: если время работы комбинированной установки между достижением Т2, индицируемой выбранным датчиком температуры, и исчерпанием емкости для охлаждения меньше нижнего предела времени, например, 20 минут, то для T2 выбирается более высокий уровень датчика, чтобы емкость для охлаждения при T2 возросла. Наоборот, если это время больше верхнего предела времени - или если расчет на основе времени, приходящегося на один датчик, того требует, - для Т2 выбирается более низкий уровень датчика.
На Фиг.2 представлен пример варианта осуществления настоящего изобретения, в котором устройство 10 аккумуляции воды включает несколько баков, в данном случае два бака: 1 и 1'. Устройство аккумуляции воды частично заполнено горячей водой 2, так что первый бак 1 частично заполнен горячей водой, в то время как оставшаяся часть бака 1 содержит холодную воду 3, а второй бак 1' полностью заполнен холодной водой 3. Горячая и холодная вода разделены границей 4 горячей/холодной воды, как описано выше.
Горячая вода поступает в устройство 10 аккумуляции воды и выпускается из него в верхней части бака 1, например, через трубу 5. Холодная вода поступает в устройство 10 аккумуляции воды и выпускается из него в донной части бака 1', например, через трубу 6. Первый бак 1 и второй бак 1' соединены трубой 8, причем верх второго бака 1' соединен с дном первого бака 1.
Датчики 7 температуры размещены на разных уровнях в обоих баках 1, 1'. Каждый из датчиков 7 соединен с единственным блоком управления.
При эксплуатации устройства 10 аккумуляции воды, изображенного на Фиг.2, первый бак 1 нагревается первым, поэтому датчик 7 у верха первого бака идентифицируется как К0. Далее датчики 7 нагреваются в порядке их высот в первом баке 1, а затем в порядке их высот во втором баке 1'. T1 и Т2 могут быть идентифицированы, как показано, а затем оптимизированы, как описано выше. Таким образом, предлагаемое изобретение может применяться при наличии нескольких баков без каких-либо модификаций основной концепции. Следует понимать, что возможно также последовательное подсоединение дополнительных баков. Аналогично, не являются принципиальными размеры и емкости баков, так как предлагаемые блок управления и размещение датчиков могут применяться при любых емкостях.
Параметр Т3 используется для указания момента исчерпания емкости для охлаждения в устройстве 10 аккумуляции воды, т.е. момента полного заполнения устройства горячей водой. Это воображаемый датчик, который включен, т.е. становится горячим, когда клапан охлаждения комбинированной установки полностью открыт, а потребность в дополнительном охлаждении сохраняется в течение заданного времени, например, 30 секунд. Воображаемый датчик Т3 снова выключается, т.е. становится холодным, когда клапан открыт уже неполностью.
Оптимизация позиций датчиков T1 и Т2 выполняется после монтажа и первого сеанса использования, но повторяется также и в процессе работы. Таким образом, позиции датчиков могут регулироваться с изменением условий работы, так, например, минимальное требуемое количество аккумулированной теплоты может регулироваться ежедневно, чтобы отслеживать сезонные колебания потребности в теплоте.
Помимо оптимизации T1 и Т2 блок управления может также осуществлять использование исторических данных по применению системы аккумуляции воды для предсказания работы системы. Датчик К0 поставляет данные по входной температуре горячего края устройства 10 аккумуляции воды. Последний датчик также может быть идентифицирован, например, полным нагревом устройства 10 аккумуляции воды и регистрацией нагрева последнего датчика. Этот датчик поставляет данные по температуре выпускаемой воды, - обычно это температура холодной воды, - и таким образом обеспечивает индикацию температуры охлаждающей воды. Данные по температуре поступающей и выпускаемой воды в каждый конкретный момент времени, наряду с прочими данными, например, температурой окружающей среды и выходной электрической мощностью комбинированной установки, могут быть проанализированы и сопоставлены с историческими данными. Количество холодной воды, оставшейся в баке, известно по уровню, указываемому датчиками температуры. Таким образом, можно определить оставшееся время охлаждения для конкретных значений выходной мощности комбинированной установки и температуры окружающей среды. Аналогично, может быть предсказано и время работы комбинированной установки для наполнения устройства аккумуляции воды минимально требуемым количеством горячей воды, т.е. время работы, требуемое для достижения T1.
Реферат
Термочувствительное устройство для устройства аккумуляции воды, в котором количество аккумулированной горячей воды может быть определено по высоте положения границы горячей/холодной воды, включающее: несколько датчиков температуры для установки на разных уровнях в устройстве аккумуляции воды и блок управления для определения расположения используемого датчика на основе порядка, в котором датчики регистрируют изменение температуры в процессе работы устройства аккумуляции воды. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.
