Система и способ регулирования темпертауры и очистки окружающего воздуха в здании - RU2678881C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к системе регулирования температуры и очистки окружающего воздуха в здании, а также к способу управления такой системой.

Окружающий воздух в здании подвергается специфическим загрязнениям, связанным со многими источниками загрязняющих веществ. Положения, касающиеся энергообеспечения зданий, в соответствии с Директивой 2010/31/UE Европейского парламента и Совета Европы от 19 мая 2010 года предписывают принятие мер для обеспечения энергетической эффективности зданий. Одним из следствий является возведение зданий, герметичных по отношению к воздуху, в которых одного обновления воздуха может быть недостаточно для обеспечения чистоты окружающего воздуха, в частности, с учетом присутствия источников, выделяющих загрязняющие вещества. Качество воздуха является важным показателем в рамках охраны здоровья, который требует использования очистителей воздуха.

Известна обработка загрязненного воздуха при помощи вентиляции. Пропускную способность системы вентиляции и/или вытяжки окружающего воздуха адаптируют в зависимости от концентрации загрязнителя. Очистку производят путем обновления воздуха и/или вытяжки загрязненного воздуха, поэтому загрязнители полностью не уничтожаются. Концентрацию загрязнителей снижают за счет подачи свежего воздуха.

Для удаления загрязнителей установки обработки воздуха оборудуют фильтрами-улавливателями частиц, которые задерживают пыль из поступающего свежего воздуха и, в случае необходимости, из рециркулируемого воздуха. Другие известные установки оборудованы системами очистки, предусмотренными для уничтожения химических или биологических загрязнителей, например, системами, использующими холодную плазму, комбинацию абсорбции на активном угле и фотокатализа или комбинацию холодной плазмы и фотокатализа.

Кроме того, обработка загрязненного воздуха путем вентиляции не зависит от регулирования температуры окружающего воздуха, которое осуществляет дополнительная система, например, конвекционный вентилятор или тепловой насос.

В известных системах обработка загрязненного воздуха путем фильтрации или очистки не зависит от проблемы контроля температуры окружающего воздуха, которую вместе с тем необходимо регулировать.

В документе US-A1-2011/253359 описана система регулирования температуры окружающего воздуха в здании при помощи устройства "HVAC", включающего в себя множество компрессоров, средств нагрева, вентиляторов и механических приводов вентилей. Однако эта система регулирования не позволяет очищать окружающий воздух в здании и лишь позволяет заменить внутренний воздух наружным воздухом посредством вентиляции. Таким образом, загрязнители не проходят через обработку, а лишь удаляются.

В документе FR-A1-2 676 367 описано устройство контроля внутренней атмосферы, позволяющее одновременно регулировать температуру окружающего воздуха в здании и подавать дезинфицирующее средство или инсектицид в течение заданного времени для уничтожения бактерий и насекомых, что не позволяет очистить внутренний воздух, так как этот внутренний воздух, наоборот, загрязняется инсектицидом, то есть его необходимо заменять. Это устройство позволяет также выделять и ослаблять запах воздуха, но при этом не обеспечивает обработки загрязняющих частиц и химических или биологических загрязнителей в зависимости от концентрации этих загрязнителей в воздухе. В этом документе предусмотрено использование фильтров, которые не позволяют выделять загрязняющие вещества, такие как мелкие частицы. Наконец, в документе FR-A1-2 676 367 предложено просто заменять внутренний воздух наружным воздухом, поэтому на самом деле загрязнители просто удаляются наружу.

Задача изобретения состоит в устранении вышеуказанных недостатков за счет создания комбинированной системы регулирования температуры и очистки окружающего воздуха в здании.

В связи с этим объектом изобретения является система регулирования температуры и очистки окружающего воздуха в здании, содержащая:

- по меньшей мере один источник тепла, содержащий средства приведения в движение окружающего воздуха и средства теплообмена между окружающим воздухом и контуром теплоносителя,

- вентиль регулирования расхода теплоносителя,

- средства измерения температуры окружающего воздуха, при этом система дополнительно содержит:

- устройство очистки окружающего воздуха, включающее в себя по меньшей мере один модуль очистки, выполненный с возможностью обработки химических или биологических загрязнителей,

- средства отслеживания концентрации по меньшей мере одного загрязнителя в воздухе,

- блок управления, выполненный с возможностью управления активацией средств приведения в движение окружающего воздуха, вентиля и устройства очистки в зависимости от температуры окружающего воздуха и от концентрации загрязнителя в окружающем воздухе.

Благодаря изобретению, система обеспечивает одновременно тепловой комфорт и борьбу с загрязнением в зависимости от потребности в тепле и от предельной концентрации загрязняющего вещества. В частности, модуль очистки позволяет обрабатывать химические или биологические загрязнители в санитарных целях, что отличается от простого дезодорирования воздуха, которое не обязательно оказывает влияние на здоровье. Кроме того, поскольку очистку воздуха осуществляют в зависимости от концентрации загрязнителей, она является более эффективной.

Согласно предпочтительным, но неограничивающим вариантам осуществления, такая система может иметь один или несколько следующих отличительных признаков, рассматриваемых в любой технически допустимой комбинации:

- интенсивность работы устройства очистки окружающего воздуха зависит от интенсивности средств приведения в движение окружающего воздуха.

- устройство очистки включает в себя фильтр-улавливатель частиц, выполненный с возможностью задержания загрязняющих частиц.

- средства отслеживания включают в себя датчик частиц, измеряющий концентрацию тонких частиц, и устройство очистки включает в себя фильтр-улавливатель тонких частиц.

- средства отслеживания включают в себя химический датчик, измеряющий концентрацию формальдегида бензола или стирола, и устройство очистки включает в себя систему, использующую холодную плазму или комбинацию абсорбции на активном угле и фотокатализа или комбинацию холодной плазмы и фотокатализа.

- средства отслеживания включают в себя биологический датчик, измеряющий концентрацию вирусов, грибков или бактерий, и устройство очистки включает в себя систему, использующую холодную плазму или комбинацию абсорбции на активном угле и фотокатализа или комбинацию холодной плазмы и фотокатализа.

- источник тепла является конвекционным вентилятором, включающим в себя электровентиляторный агрегат.

Объектом изобретения является также способ управления такой системой регулирования температуры и очистки окружающего воздуха в здании, отличающийся тем, что содержит следующие этапы:

а) блок управления регулирует открывание вентиля и интенсивность средств приведения в движение окружающего воздуха в зависимости от результата сравнения между окружающей температурой и заданной температурой,

b) блок управления подает команду на активацию модуля очистки устройства очистки для обработки загрязняющих частиц, химических и/или биологических загрязнителей в зависимости от результата сравнения концентрации загрязнителя в окружающем воздухе и предельной концентрации.

Согласно предпочтительным, но не ограничительным вариантам осуществления, такой способ может иметь один или несколько следующих отличительных признаков, рассматриваемых в любой технически допустимой комбинации:

- этапы а) и b) следуют друг за другом.

- если концентрация загрязнителя в окружающем воздухе превышает предельную концентрацию, блок управления активирует устройство очистки в течение заранее определенного времени.

- источник тепла является конвекционным вентилятором, включающим в себя электровентиляторный агрегат, и блок управления выполнен с возможностью регулирования интенсивности электровентиляторного агрегата по нескольким возрастающим скоростям, которые характеризуют параметрируемую величину в процентах от максимальной скорости вращения средств приведения в движение окружающего воздуха.

- блок управления выполнен с возможностью модулирования степени открывания вентиля по нескольким возрастающим степеням открывания вентиля, которые характеризуют параметрируемую величину в процентах от максимального открывания вентиля.

- этап b) содержит подэтап, в ходе которого блок управления сравнивает концентрацию тонких частиц с предельной концентрацией.

- система содержит химический датчик, и на этапе b) блок управления сравнивает концентрацию химического соединения, в частности, формальдегида бензола или стирола, с предельной концентрацией.

- система содержит биологический датчик, и на этапе b) блок управления сравнивает концентрацию микробиологического загрязнителя, в частности, вируса, грибка или бактерии, с предельной концентрацией.

Изобретение и его другие признаки будут более очевидны из нижеследующего, представленного исключительно в качестве примера описания системы регулирования температуры и очистки окружающего воздуха в здании, а также способа управления такой системой со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 показана схема системы регулирования в соответствии с изобретением;

на фиг. 2 представлена блок-схема способа управления системой, показанной на фиг. 1;

на фиг. 3 представлен график изменения скорости вращения вентилятора системы в зависимости от потребностей в тепловой энергии.

Заявленная система регулирования температуры и очистки окружающего воздуха в здании В представлена на фиг. 1 и содержит по меньшей мере один источник 10 тепла, выполненный с возможностью регулирования температуры окружающего воздуха, то есть с возможностью нагрева или охлаждения воздуха. Например, речь может идти о конвекционном вентиляторе, включающем в себя средства 11 приведения в движение окружающего воздуха, например, электровентиляторный агрегат, содержащий двигатель 111, приводящий в действие вентилятор 112, выполненный с возможностью обеспечения циркуляции воздуха и его направления на средства 12 теплообмена воздух/вода между окружающим воздухом и контуром 13 теплоносителя, например, на одну или несколько теплообменных батарей. Теплоноситель может нагреваться и/или охлаждаться при помощи блока 14 нагрева и/или охлаждения, например, теплового насоса, в частности, реверсивного теплового насоса. Теплоносителем может быть вода, в случае необходимости, с добавками.

Во время активации электровентиляторного агрегата 11 окружающий воздух всасывается и входит в контакт с теплообменной батареей 12, что приводит к повышению или к понижению температуры окружающего воздуха в зависимости от того, работает тепловой насос 14 в режиме нагрева и/или охлаждения. Затем воздух поступает в здание В через рассеивающий узел 15.

Электровентиляторный агрегат 11 может работать на нескольких скоростях вращения, например, на трех скоростях вращения, а именно на первой низкой скорости VI, ограничивающей шумовые явления, на второй или средней скорости V2, обеспечивающий средний уровень теплового комфорта, и на третьей или высокой скорости V3 для быстрого кондиционирования комнаты по температуре в ущерб акустическому комфорту.

Скорости VI, V2 и V3 являются возрастающими и не равны нулю и характеризуют параметрируемую величину в процентах от максимальной скорости вращения вентилятора 112. Нулевая скорость вентилятора 112 обозначается V0.

Вентилятор 112 предназначен для принудительного приведения в движение окружающего воздуха в источнике 10 тепла и не обеспечивает обновления окружающего воздуха, называемого обычно «вентиляцией».

В варианте конвекционный вентилятор 10 можно заменить внутренним блоком кондиционирования.

Устройство 20 очистки окружающего воздуха является частью системы. Речь идет о модуле очистки, выполненном с возможностью обработки химических и/или биологических загрязнителей. Например, химические и/или биологические загрязнители можно уничтожать при помощи системы, использующей холодную плазму или комбинацию абсорбции на активированном угле и фотокатализа. В варианте речь может идти о системе, использующей комбинацию холодной плазмы и фотокатализа. Устройство очистки может также содержать модуль очистки, выполненный с возможностью обработки загрязняющих частиц, такой как фильтр-улавливатель частиц, выполненный с возможностью задержания загрязняющих частиц, иногда называемых «тонкими частицами», то есть частицами, размер которых меньше 2,5 мкм.

Устройство очистки может содержать комбинацию нескольких из этих устройств очистки.

Средства измерения концентрации загрязнителя в окружающем воздухе включают в себя по меньшей мере один датчик 30 загрязнения, измеряющий концентрацию Р конкретного загрязнителя. Датчик 30 загрязнения может быть химическим датчиком, датчиком частиц и/или биологическим датчиком. Концентрация Р конкретного загрязнителя является, например, концентрацией частиц и, в частности, тонких частиц, если речь идет о датчике частиц, концентрацией химического соединения, в частности, формальдегида бензола или стирола, если речь идет о химическом датчике, и концентрацией микробиологического загрязнителя, такого как вирус, грибок или бактерия, если речь идет о биологическом датчике.

Понятно, что очистку окружающего воздуха можно производить без подачи воздуха снаружи здания и что система не удаляет загрязнители наружу здания.

Блок 50 управления выполнен с возможностью управления источником 10 тепла в зависимости от разности между заданной температурой Тс, запрограммированной в запоминающем устройстве блока 50 управления, и температурой Т окружающего воздуха, измеряемой средствами измерения температуры окружающего воздуха, например, температурным датчиком 40.

Блок 50 управления выполнен также с возможностью управления устройством 20 очистки в зависимости от разности между концентрацией Р загрязнителя и предельной концентрацией Рс загрязнителя, запрограммированной в запоминающем устройства блока 50 управления.

Потребность в тепловой энергии здания В пропорциональна расходу теплоносителя 13 источника 10 тепла. Блок 50 управления управляет вентилем 60 регулирования расхода в зависимости от разности между температурами Тс и Т для обеспечения нагрева или охлаждения окружающего воздуха.

Интенсивность работы устройства 20 очистки окружающего воздуха зависит от интенсивности вентилятора 112. Действительно, чем выше скорость вентилятора 112, тем больше объем воздуха, обрабатываемого устройством 20 очистки.

Далее следует описание способа управления показанной на фиг. 1 системой регулирования температуры и очистки окружающего воздуха в здании В. Речь идет об управлении по многим критериям, которое обеспечивает тепловой комфорт и контроль загрязнения в зависимости от потребности в тепле и от предельной концентрации Рс загрязнителя.

На первом этапе 1 блок 50 управления сравнивает окружающую температуру Т с заданной температурой Тс.

На втором этапе 2, если окружающая температура Т отличается от заданной температуры Тс, блок 50 управления приводит в действие вентиль 60 для регулирования расхода теплоносителя 13.

На этом этапе 2 блок управления модулирует степень открывания М вентиля 60 в зависимости от разности между окружающей температурой Т и заданной температурой Тс. Вентиль 60 открывают максимально, если потребность в тепловой энергии является очень большой, и его открывают частично и даже оставляют закрытым, если эта потребность является низкой или нулевой. График на фиг. 3 показывает изменение скорости V вентилятора в об/мин в зависимости от степени открывания М вентиля 60, выражаемой в процентах.

Пять степеней открывания М вентиля 60, которые отображают параметрируемую величину в процентах от максимального открывания, обозначены М0, M1, М2, М3 и М4. Степени М0-М4 пропорциональны уровням потребности в тепловой энергии здания В. Уровни М0 и М4 соответственно равны 0% и 100%. Например, степень Ml равна 25%, М2 равна 50%, М3 равна 75%.

Кривая С1, показанная пунктирной линией между А и D, соответствует постепенному открыванию вентиля 60, когда необходимо добавление теплой или холодной тепловой энергии для обогрева или охлаждения окружающего воздуха здания В в зависимости от того, работает система в режиме обогрева или охлаждения.

Обозначим А первую рабочую точку, при которой скорость V вентилятора 112 равна V0 и степень открывания вентиля равна степени Ml. Если степень открывания М вентиля 60 превышает степень Ml, блок 50 управления управляет вентилятором так, чтобы он перешел на низкую скорость V1 во второй рабочей точке В для обеспечения теплового комфорта и одновременного ограничения акустического дискомфорта. Пока степень открывания М вентиля 60 находится в пределах между Ml и М3, вентилятор 112 остается в режиме низкой скоростиУ1.

Когда степень открывания М вентиля 60 превышаетМ3, вентилятор 112 переходит на среднюю скорость V2, как показано в рабочей точке С. Пока степень открывания М вентиля 60 находится в пределах между М3 и М4, вентилятор 112 остается в режиме средней скорости V2.

Как только появляется необходимость в дополнительной тепловой энергии, вентилятор 112 переходит на высокую скорость, как показано в рабочей точке D.

Кривая С2, показанная сплошной линией между точками D и G, соответствует постепенному закрыванию вентиля 60 в случае избытка тепловой энергии в здании В, то есть когда воздух является слишком теплым по отношению в заданной температуре Тс и установка работает в режиме обогрева или когда воздух является слишком холодным по сравнению с заданной температурой Тс и установка работает в режиме охлаждения.

В рабочей точке D, пока степень открывания М вентиля 60 остается междуМ3 и М4, вентилятор 112 остается на высокой скорости V3.

Как только степень открывания М становится нижеМ3, блок 50 управления управляет вентилятором 112 таким образом, чтобы он перешел на среднюю скорость V2 в рабочей точке Е, параметры которой идентичны параметрам рабочей точки С.

Пока степень открывания М вентиля 60 находится между М2 иМ3, вентилятор 112 остается на средней скорости V2.

Когда степень открывания М становится ниже М2, вентилятор 112 переходит на низкую скорость VI, как показано в рабочей точке F. Пока степень открывания М вентиля 60 остается между М0 и Ml, вентилятор 112 остается на низкой скорости VI.

Когда избыток тепловой энергии приходит к нулю, вентиль 60 переходит к степени открывания М0.

Таким образом, этапы 1 и 2 предпочтительно соответствуют этапу а), на котором блок 50 управления регулирует 2 открывание вентиля 60 и интенсивность работы средств 112 приведения в движение окружающего воздуха в зависимости от результата сравнения 1 между окружающей температурой Т и заданной температурой Тс.

По завершении этапов 1 и 2 степень открывания М вентиля 60 регулируют в соответствии с потребностями обогрева или охлаждения здания В. Далее способ, продолжение которого соответствует этапу b), позволяет регулировать интенсивность устройства очистки в зависимости от концентрации Р загрязнителя.

На третьем этапе 3, следующем за этапами 1 и 2, блок 50 управления сравнивает уровень Р загрязнения с предельной концентрацией Рс загрязнителя.

Уровень Р загрязнения, сравниваемый на этапе 3, является концентрацией химического и/или биологического загрязнителя. В частности, во время этапа 3 блок управления сравнивает концентрацию химического соединения, в частности, формальдегида бензола или стирола, если речь идет о химическом датчике, или микробиологического загрязнителя, такого как вирус, грибок или бактерия, если речь идет о биологическом датчике, с предельной концентрацией Рс.

Можно также измерять другие загрязнители и сравнивать с предельной концентрацией Рс: концентрацию частиц и, в частности, тонких частиц, если речь идет о датчике частиц. Таким образом, этап 3 содержит подэтап, в ходе которого блок управления сравнивает концентрацию (Р) тонких частиц с предельной концентрацией (Рс).

Если концентрация Р загрязнителя ниже предельной концентрации Рс, блок 50 управления опять активирует первый этап 1, не меняя состояния устройства 20 очистки.

Если уровень Р загрязнения превышает предельную концентрацию Рс, блок 50 управления активирует четвертый этап 4.

На четвертом этапе 4, если устройство 20 очистки не включено, блок 50 управления активирует пятый этап 5, на котором блок 50 управления активирует устройство 20 очистки в течение первого заранее определенного времени D1, например, в течение 3 минут. Таким образом, концентрация Р снижается, что улучшает качество воздуха.

На этапе 5 блок 50 управления активирует, в частности, модуль очистки для обработки химических и/или биологических загрязнителей, как было указано выше.

Шестой этап 6 активируют, если на четвертом этапе 4 устройство 20 очистки активно. Шестой этап активируют также в конце времени активации D1 устройства очистки по завершении пятого этапа 5.

На шестом этапе 6 блок 50 управления сравнивает скорость V вентилятора 112 со средней скоростью V2. Если скорость V ниже средней скорости V2, активируют седьмой этап 7, на котором блок 50 управления активирует среднюю скорость V2 вентилятора 112 в течение второго заранее определенного времени D2, например, в течение 3 минут. Если скорость V превышает или равна средней скорости V2, блок 50 управления не меняет скорость V.

В конечном итоге этапы 3-7 соответствуют этапу b), на котором блок 50 управления подает команду на активацию устройства 20 очистки в зависимости от результата сравнения 3 между концентрацией Р загрязнителя в окружающем воздухе и предельной концентрацией Рс.

Тот факт, что этап b) и, в частности, этапы 3 и 5 следуют за этапами 1 и 2, то есть за этапом а), позволяет отдавать приоритет управлению температурой окружающего воздуха, чтобы в первую очередь обеспечить комфорт пользователя и только во вторую очередь очистку воздуха в санитарных целях. Действительно, как правило, пользователь в большей степени ощущает дискомфорт, который может возникнуть при неадекватной температуре, поскольку температура вызывает у этого пользователя ощущение жары или холода. Что касается повышенного уровня загрязнения, он может не ощущаться пользователем, хотя такое загрязнение может иметь серьезные последствия для его здоровья.

По завершении этапов 1-7 блок 50 управления опять активирует первый этап 1. Таким образом, этапы 1-7 повторяются циклично.

В варианте конвекционный вентилятор 10 можно заменить внутренним блоком кондиционирования.

В рамках изобретения различные варианты можно комбинировать между собой.

Реферат

Изобретение относится к системе регулирования температуры и очистки окружающего воздуха в здании, содержащей по меньшей мере один источник тепла, содержащий средства приведения в движение окружающего воздуха и средства теплообмена между окружающим воздухом и контуром теплоносителя, вентиль регулирования расхода теплоносителя, средства измерения температуры окружающего воздуха, устройство очистки окружающего воздуха, включающее в себя по меньшей мере один модуль очистки, выполненный с возможностью обработки химических или биологических загрязнителей, средства отслеживания концентрации по меньшей мере одного загрязнителя в воздухе, блок управления, выполненный с возможностью управления активацией средств приведения в движение окружающего воздуха, вентиля и устройства очистки в зависимости от температуры окружающего воздуха и от концентрации загрязнителя в окружающем воздухе. Объектом изобретения является также способ управления такой системой, содержащий этапы, на которых блок управления регулирует открывание вентиля в зависимости от результата сравнения между окружающей температурой и заданной температурой, и блок управления подает команду на активацию устройства очистки и регулирует интенсивность работы средств приведения в движение окружающего воздуха в зависимости от результата сравнения между концентрацией загрязнителя в окружающем воздухе и предельной концентрацией. Это позволяет создать комбинированную систему регулирования температуры и очистки воздуха в здании. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула