управление отопительной системой на основе требуемой тепловой мощности

Формула изобретения

1. Система управления, предназначенная для управления отопительной системой внутри помещения для окружающей среды внутри помещения в соответствии с требуемой температурой внутри помещения, содержащая:

датчик (18) для детектирования наружной температуры,

датчик (17) для детектирования обратной температуры Т _rеturn среды теплоносителя, циркулирующей в системе распределения тепла с определенным расходом потока,

контроллер (13), выполненный с возможностью:

определять требуемую тепловую мощность P_req, которую требуется подавать с помощью упомянутой системы распределения тепла для поддержания баланса тепловой энергии в соответствии с P_req=P_loss -P_source, где P_loss представляет собой аппроксимацию потерь тепловой мощности в упомянутом здании и включает в себя динамическую аппроксимацию переноса тепловой мощности через стены здания на основе, по меньшей мере, упомянутой требуемой температуры внутри помещения (T_room), упомянутой детектируемой наружной температуры (Т_amb), коэффициента (kA) теплопередачи стен и теплоемкости (Мc_р) стен, и P_source представляет собой аппроксимацию источников тепловой энергии, внешних для упомянутой отопительной системы, и

на основе детектируемой обратной температуры управлять комбинацией температуры прямого потока и расхода потока для обеспечения передачи с помощью системы распределения упомянутой требуемой тепловой мощности.

2. Система управления по п.1, дополнительно содержащая датчик (16) потока, предназначенный для детектирования упомянутого расхода потока, и в которой контроллер выполнен с возможностью управления температурой прямого потока на основе детектируемого расхода потока.

3. Система управления по п.2, в которой температуру прямого потока T_forward определяют в соответствии с соотношением



где c_р представляет собой удельную теплоемкость теплоносителя, flow представляет собой детектируемый расход потока и T_return представляет собой детектируемую обратную температуру теплоносителя.

4. Система управления по п.1, в которой контроллер выполнен с возможностью управления массовым расходом на основе заданной температуры прямого потока.

5. Система управления по п.4, в которой массовый расход (flow) определяют в соответствии с соотношением



где c_р представляет собой удельную теплоемкость теплоносителя, T_forward представляет собой температуру прямого потока и T_return представляет собой детектируемую обратную температуру теплоносителя.

6. Система управления по п.1, в которой упомянутый контроллер соединен с запоминающим устройством (15), которое хранит параметры для определения модели упомянутого баланса тепловой энергии, упомянутая модель обеспечивает возможность аппроксимации упомянутых потерь тепловой мощности и источников тепловой мощности.

7. Система управления по любому из предыдущих пунктов, в которой упомянутый перенос тепловой мощности P₁ из упомянутой среды внутри помещения аппроксимируют в соответствии с:



где k представляет собой удельный коэффициент теплопередачи для всей стены, А представляет собой площадь стены, T_{room_sp} представляет собой требуемую температуру внутри помещения и T_wall представляет собой температуру в середине стены.

8. Система управления по п.7, в которой контроллер выполнен с возможностью рекурсивного определения T _wall в соответствии с



где T_{room_sp} представляет собой требуемую температуру внутри помещения, T_amb представляет собой детектируемую внешнюю температуру, k представляет собой удельный коэффициент теплопередачи всей стены, А представляет собой площадь стены, M_wall представляет собой массу стены и c_р представляет собой удельную теплоемкость стены.

9. Система управления по п.8, в которой контроллер выполнен с возможностью использования в качестве исходного значения.

10. Система управления по п.1, в которой система управления дополнительно содержит датчик (19), предназначенный для детектирования фактической температуры внутри помещения, и в которой контроллер дополнительно выполнен с возможностью применения члена управления температурой на основе упомянутой детектируемой температуры внутри помещения при определении требуемой тепловой мощности.

11. Система управления по п.10, в которой упомянутый член управления представляет собой

где =T_{room_sp}-T_room, где T_{room_sp} представляет собой требуемую температуру внутри помещения и T_room представляет собой детектируемую температуру внутри помещения.

12. Система управления по п.6, в которой упомянутая модель включает в себя аппроксимацию вырабатываемой внутри помещения тепловой мощности P_int как константы в соответствии с выражением



где k представляет собой удельный коэффициент теплопередачи всей стены, А представляет собой площадь стены и T_eq представляет собой получаемую разность между температурой внутри помещения и внешней температурой, без какого-либо вклада тепловой энергии от отопительной системы.

13. Система управления по п.6, в которой упомянутая модель включает в себя аппроксимации внешних потоков тепловой мощности, включающих в себя, по меньшей мере, одно из группы, состоящей из вентиляции, солнечного излучения, водопроводной воды, электрических бытовых устройств и людей.

14. Способ управления отопительной системой внутри помещения для окружающей среды внутри помещения в соответствии с требуемой температурой внутри помещения содержащий этапы, на которых:

детектируют внешнюю температуру;

детектируют обратную температуру T_return среды теплоносителя, циркулирующей в системе распределения тепла с определенным расходом потока;

определяют требуемую тепловую мощность P _req, которая должна быть передана упомянутой системой распределения тепла для поддержания баланса тепловой энергии в соответствии с P_req=P_loss-P_source, включающий в себя этапы, на которых:

аппроксимируют перенос тепловой мощности через стены здания на основе, по меньшей мере, упомянутой требуемой температуры внутри помещения (T_room), упомянутой детектируемой внешней температуры (T_amb), коэффициента теплопередачи стены (kA) и теплоемкости стены (Мc_р ), и

аппроксимируют источники тепловой энергии, внешние для упомянутой отопительной системы; и

на основе детектируемой обратной температуры управляют комбинацией из температуры прямого потока и расхода потока для обеспечения передачи системой распределения упомянутой требуемой тепловой мощности.

15. Способ по п.14, дополнительно содержащий этап, на котором детектируют упомянутый расход потока и управляют температурой прямого потока на основе детектируемого расхода потока.

16. Способ по п.14, дополнительно содержащий этап, на котором управляют массовым расходом на основе заданной температуры прямого потока.

17. Способ по п.14, в котором упомянутую теплопередачу тепловой мощности P₁ из упомянутой среды внутри помещения аппроксимируют в соответствии с



где k представляет собой удельный коэффициент теплопередачи всей стены, А представляет собой площадь стены, T_{room_sp} представляет собой требуемую температуру внутри помещения и T_wall представляет собой температуру в середине стены.

18. Способ по п.17, в котором T_wall определяют рекурсивно в соответствии с



где T_{room_sp} представляет собой требуемую температуру внутри помещения, T_amb представляет собой детектируемую внешнюю температуру, k представляет собой удельный коэффициент теплопередачи всей стены, А представляет собой площадь стены, M_wall представляет собой массу стены и c_р представляет собой удельную теплоемкость стены.

19. Способ по любому из пп.14-18, дополнительно содержащий этап, на котором детектируют фактическую температуру внутри помещения и применяют член управления температурой на основе упомянутой детектируемой температуры внутри помещения при определении требуемой тепловой энергии.

20. Способ по п.14, дополнительно содержащий этап, на котором аппроксимируют вырабатываемую внутри помещения тепловую мощность P_int как константу в соответствии с



где k представляет собой удельный коэффициент теплопередачи всей стены, А представляет собой площадь поверхности стены и T_eq представляет собой получаемую разность между температурой внутри помещения и внешней температурой, без какого-либо вклада тепловой мощности от отопительной системы.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к отопительным системам и, более конкретно, к отопительным системам, в которых центральный модуль отопления управляет потоком среды теплоносителя в системе распределения тепла.

Уровень техники

Традиционное управление температурой внутри помещения, такое как воплощено на основе водяной отопительной системы, основано на простой взаимозависимости между наружной температурой и температурой прямого теплоносителя. Обычно предусмотрен контроллер с множеством заданных кривых, часто состоящих из одной или нескольких линий с определенным наклоном со смещением, и, возможно, точками пересечения. Пользователь затем выбирает кривую, которая соответствует характеристикам здания. Оптимизацию обычно выполняют методом проб и ошибок во время периода калибровки.

Проблема при такой калибровке состоит в том, что здание редко когда находится в равновесном состоянии с окружающей средой (изменения погоды обычно происходят быстрее, чем постоянные времени здания). Поэтому типично очень трудно определить соответствующие наклон и смещение.

В последние годы было предложено моделирование переноса тепла между зданием и окружающей средой и использование этой модели в процессе управления. Один пример такого подхода описан Шведским институтом метрологии и гидрологии (SMHI, ШИМГ) и внедрен на рынок компанией Honeywell под названием Weathergain. В соответствии с этой системой модель здания и результаты прогнозирования будущих вариаций погоды используют для преобразования текущей температуры внутри помещения в "эквивалентную" наружную температуру. Такую "эквивалентную" наружную температуру затем подают в обычную систему управления, что делает ее несколько более эффективной.

Другой пример представлен в US 6439469, где описана модель теплообмена здания, и результаты прогноза погоды используют для предикативного управления температурой потока.

В документе WO 91/16576 описан способ управления теплогенерирующей установкой на основе отслеживания температуры потока и температуры обратной нагретой текучей среды, расхода потока, температуры внутри помещения и внешней окружающей температуры.

В документе US 4089462 описана система управления температурой, выполненная с возможностью сдвига точки управления в соответствии с окружающей температурой и K-фактором помещения, в котором работает система.

Сущность изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы устранить некоторые из упомянутых проблем и обеспечить улучшенную систему управления для отопительной системы, работающей внутри помещения, обеспечивая более эффективное отопление внутри помещения.

Эти и другие задачи решаются с помощью системы управления, предназначенной для управления отопительной системой внутри помещения для здания в соответствии с требуемой температурой внутри помещения, содержащей:

датчик для детектирования наружной температуры,

датчик для детектирования обратной температуры среды теплоносителя, циркулирующей в системе распределения тепла с расходом потока,

контроллер, выполненный с возможностью:

определять требуемую тепловую мощность P_req, которую требуется подавать с помощью упомянутой системы распределения тепла для поддержания баланса тепловой энергии в соответствии с P_req=P_loss - P_source, где P_loss представляет собой аппроксимацию потерь тепловой мощности в здании и включает в себя динамическую аппроксимацию переноса тепловой мощности через стены здания на основе, по меньшей мере, упомянутой требуемой температуры внутри помещения, упомянутой детектируемой наружной температуры, коэффициента теплопередачи стен и теплоемкости стен, и P_source представляет собой аппроксимацию источников тепловой энергии, внешних для упомянутой отопительной системы, и

на основе детектируемой обратной температуры управлять комбинацией температуры прямого потока и расхода потока для обеспечения передачи с помощью системы распределения упомянутой требуемой тепловой мощности.

В соответствии с изобретением потери тепловой мощности и тепловую мощность источника, соответствующую для здания, аппроксимируют путем учета, по меньшей мере, требуемой температуры внутри помещения и детектируемой наружной температуры. Это позволяет определять требуемую тепловую мощность. Система управления затем управляет комбинацией температуры прямого потока и расхода потока для управления тепловой мощностью, передаваемой в среду теплоносителя и поэтому в здание.

Это отличается от предшествующего уровня техники, где любая информация из модели дома или тому подобное используется для помощи в работе обычной модели управления на основе кривой температуры, то есть взаимозависимости между T _forward и наружной температурой.

Также в решениях предшествующего уровня техники, таких как система Weathergain, как известно, предложено определять тепловую мощность, передаваемую в окружающую среду, и использовать ее для определения требуемой тепловой мощности. Однако в соответствии с системой предшествующего уровня техники тепловой мощностью не управляют непосредственно, а только опосредованно, используя кривую температуры с модифицированной внешней температурой.

В соответствии с настоящим изобретением динамическая модель баланса тепловой энергии здания используется для управления тепловой мощностью, подаваемой отопительной системой. В результате улучшается управление по сравнению со схемой управления, основанной только на управлении температурой потока, которое основано на внешней температуре.

Для того чтобы лучше понять различие между управлением предшествующего уровня техники и настоящим изобретением, рассмотрим здание с заданным количеством радиаторов. В системе предшествующего уровня техники систему калибруют так, чтобы она соответствовала характеристикам здания. Температуру прямого потока затем определяют по внешней температуре, возможно, с коррекциями, на основе оценки теплопередачи между зданием и окружающей средой. Теперь предположим, что радиатор добавлен в помещение здания. Это увеличение мощности радиаторов немедленно увеличивает передаваемую тепловую мощность при заданной температуре прямого потока. Управление температурой потока не будет выполнено, что приводит к увеличенной температуре внутри помещения. Как следствие, система должна быть повторно откалибрована каждый раз, когда изменяется емкость радиаторов (когда радиатор добавляют или удаляют).

В соответствии с настоящим изобретением вместо этого определяют температуру прямого потока и/или расход потока на основе передаваемой тепловой мощности. Когда добавляют радиатор, увеличенная передача тепловой мощности приведет к понижению обратной температуры. Контроллер поэтому немедленно понизит температуру прямого потока (и/или уменьшит расход потока) и таким образом отрегулирует изменение мощности радиаторов.

Путем управления отопительной системой с поддержанием баланса тепловой энергии здания можно уменьшить колебания температуры внутри помещения. Если происходят колебания температуры внутри помещения, ожидается, что пользователь отрегулирует систему таким образом, чтобы самая низкая температура находилась на приемлемом уровне. В результате возникают периоды перегрева и, таким образом, бесполезного расхода энергии. Благодаря улучшению управления обогревом в соответствии с настоящим изобретением для вариаций температуры внутри помещения можно снизить потребление энергии.

Дополнительное преимущество состоит в том, что система управления в соответствии с изобретением лучше адаптирована для отработки динамических изменений. Контроллер не будет реагировать непосредственно на изменение температуры окружающей среды, но на баланс тепловой энергии динамической модели здания. В результате гораздо меньшие пределы рабочих характеристик требуются для обеспечения удовлетворительного климата внутри помещения. Меньшие пределы рабочих характеристик, в свою очередь, позволяют уменьшить требуемую прямую температуру и понизить обратную температуру. Более низкая обратная температура является предпочтительной с перспективы эффективности использования энергии, поскольку обеспечивает более высокий коэффициент полезного действия по мощности во многих отопительных системах (например, в теплообменниках, в тепловых насосах и т.д.).

В ситуации, в которой расход потока фиксирован или им управляют отдельно, контроллер может быть выполнен с возможностью управления только прямой температурой T_forward, предпочтительно в соответствии с выражением , где P_req представляет собой требуемую мощность нагрева, c_p представляет собой удельную теплоемкость теплоносителя, flow представляет собой массовый расход теплоносителя и T_return представляет собой обратную температуру теплоносителя.

В качестве альтернативы, контроллер также выполнен с возможностью управления расходом потока. Это обеспечивает возможность адаптации скорости расхода потока, что позволяет обеспечить предпочтительную температуру прямого потока. Например, малый расход потока требует более высокой прямой температуры, но может обеспечить возможность получения более низкой обратной температуры, что может быть предпочтительным, например, в отопительной системе района.

В холодные дни, кроме того, может быть предпочтительно увеличить расход потока для того, чтобы исключить необходимость чрезмерного повышения температуры прямого потока. Это может быть воплощено путем увеличения температуры прямого потока до тех пор, пока она не достигнет заданного порогового значения, например 80°C, и затем вместо этого путем увеличения расхода потока.

Система управления, предпочтительно, подключена к запоминающему устройству, в котором сохранены параметры для определения модели упомянутого баланса тепловой энергии, и эта модель обеспечивает аппроксимацию потерь тепловой энергии и источников тепловой энергии.

Модель также может включать в себя аппроксимации внешних потоков тепловой мощности, включающие в себя, по меньшей мере, один из группы, состоящей из вентиляции, солнечного излучения, водопроводной воды, электрических бытовых устройств и людей. Это дополнительно улучшает рабочие характеристики системы.

Краткое описание чертежей

Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут описаны ниже более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, на которых представлен предпочтительный в данный момент вариант воплощения изобретения.

На фиг. 1 схематично показано здание с отопительной системой в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения.

На фиг. 2 показана блок-схема центрального модуля отопления по фиг. 1.

На фиг. 3 показана модель переноса тепла между зданием и окружающей средой.

На фиг. 4 показана схема отопительной системы для множества зданий в соответствии со вторым вариантом воплощения настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 показано здание 1, в котором предусмотрена отопительная система, в данном случае водяная отопительная система. Система включает в себя центральный модуль 2 отопления, радиаторы 3 в каждом помещении здания 1 и систему 4 распределения, состоящую из труб для переноса среды теплоносителя, такой как вода, из центрального модуля 2 отопления в радиатор 3. Следует отметить, что, хотя следующее описание относится к системе на основе воды, это не представляет собой ограничение изобретения, которое пригодно также для других сред теплоносителя и систем распределения.

Настоящее изобретение основано на динамической модели потерь тепловой мощности P_loss и источников тепловой мощности P_source и предназначенной для определения требуемой тепловой мощности P_req, которая обеспечивается отопительной системой для поддержания баланса тепловой энергии. Такой баланс тепловой энергии зависит от взаимодействия между зданием и окружающим климатом, который определяется свойствами здания и климатическими условиями (в основном внешней температурой, в результате чего возникает перенос из окружающей среды внутри помещения через стены 7 здания, но также другими факторами, такими как ветер и излучение солнца). Баланс также зависит от других связанных с деятельностью человека потоков тепловой мощности, таких как тепло тела человека, тепло, вырабатываемое электрическими бытовыми приборами, потоком горячей воды и т.д. Вентиляция представляет собой другой фактор, который может влиять на баланс тепловой энергии.

Отопительной системой 1 затем управляют для обеспечения требуемой тепловой мощности для здания, поддерживая, таким образом, баланс тепловой энергии и требуемую температуру внутри помещения.

Пример модуля 2 отопления более подробно показан на фиг. 2.

Модуль 2 отопления имеет нагреватель 10, предназначенный для нагрева воды до температуры прямого потока T_forward, и насос 11, предназначенный для циркуляции воды через трубы 4 распределения. Вода протекает через радиаторы 3, в которых происходит перенос тепла в различные помещения в результате процесса теплообмена. Вода затем циркулирует обратно в модуль 2 отопления, теперь с более низкой обратной температурой T_return.

Нагреватель может представлять собой простой бойлер, в котором электроэнергия и/или ископаемое топливо используется для нагрева воды. В качестве альтернативы, нагреватель выполнен как тепловой насос, использующий внешнюю энергию из земли или воздуха для нагрева воды. Еще одна альтернатива состоит в том, чтобы подогревать воду, используя централизованное теплоснабжение района и теплообменник. Подробности различных принципов нагрева не имеют конкретного отношения к настоящему изобретению и не будут подробно описаны здесь.

Контроллер 13 включает в себя процессор 14 и запоминающее устройство 15, в котором содержится программное обеспечение и параметры данных. Контроллер 13 выполнен с возможностью управления температурой прямого потока и/или расходом потока в системе и выполнен с возможностью передачи сигнала 8, 9 управления в нагреватель 10 и/или в насос 11, как будет описано ниже.

Контур 12 обратной связи, например, воплощающий регулирование, может быть предусмотрен для поддержания требуемой прямой температуры. В качестве альтернативы обычному контуру управления можно использовать управление на основе тепловой мощности. Такое управление описано в публикации WO 02/090832, которая приведена здесь в качестве ссылочного материала.

Датчик 16 потока может быть установлен в системе 4 распределения для передачи в контроллер 13 информации о расходе потока (flow) теплоносителя в системе распределения. Для определения тепловой мощности, передаваемой отопительной системой, этот поток представлен как массовый расход, который представляет собой соответствующий показатель. Поэтому меру объемного потока, представляемую датчиком 16, преобразуют в массовый расход на основе (зависимой от температуры) плотности теплоносителя. Это преобразование может быть обеспечено непосредственно в датчике 16 потока или в контроллере 13.

Датчик 17 температуры передает в контроллер 13 информацию об обратной температуре T_return воды. Другой датчик 18 температуры предоставляет в контроллер информацию о текущей внешней (окружающей) температуре T_amb. И наконец, интерфейс 20 пользователя представляет в контроллер информацию о требуемой температуре внутри помещения T_{room_sp} и требуемых параметрах данных, которые должны быть сохранены в запоминающем устройстве 15.

В случае необходимости дополнительный датчик 19 предоставляет в контроллер информацию о текущей температуре T_room внутри помещения.

Программное обеспечение в запоминающем устройстве 15 выполнено с возможностью расчета требуемой тепловой мощности путем моделирования баланса тепловой энергии для здания. Модель включает в себя различные взаимозависимости, такие как аппроксимация переноса тепловой энергии из окружающей среды внутри помещения. Примеры взаимозависимостей, которые можно использовать в модели, будут описаны ниже.

На основе требуемой тепловой мощности и детектируемой обратной температуры контроллер предоставляет в нагреватель 10 сигнал 8 управления, обозначающий точку установки прямой температуры, и/или передает в насос 11 сигнал 9 управления, обозначающий точку установки потока.

Набор параметров включает в себя различные постоянные модели, требуемые для моделирования баланса тепловой энергии здания, такие как коэффициент kA теплопередачи для стен здания (состоит из удельного коэффициента k теплопередачи и общей площади A стен), теплоемкость M_wallc_p стен (состоит из массы M_wall стен и их удельной теплоемкости c _p), разности внутренней температуры и внешней температуры T_eq, которые могли бы быть получены без какой-либо отопительной системы, и пропорциональный прирост P и время T _i интегрирования ПИ-регулирования. Этот список не является ни ограничительным, ни исчерпывающим и предназначен только для представления примера параметров, которые могут быть предусмотрены. Параметры, требуемые фактически, будут зависеть от сложности используемой модели.

Далее со ссылкой на фиг. 3 будет описана простая модель баланса тепловой энергии здания.

Потери тепловой энергии

Основной вклад в потери тепловой энергии, как предполагается, представляет перенос тепла через стены из-за более высокой температуры внутри помещения, чем снаружи. Этот процесс можно смоделировать с использованием мощности P1, перенос которой происходит из внутренней окружающей среды в стену 7, и мощности P2, перенос которой происходит из стен в наружную окружающую среду. Если предположить, что T _wall представляет собой температуру стены на половине пути через стену и T_{room_sp} представляет собой требуемую температуру внутри помещения, мощность P1 может быть аппроксимирована как 2kA·(T_{room_sp} - T_wall), где kA представляет собой коэффициент теплопередачи стен (содержит удельный коэффициент k теплопередачи стен и площадь A стены). Здесь предполагается, что стена 7 является однородной, поэтому коэффициент теплопередачи для половины стены равен удвоенному значению для всей стены.

В случае общего равновесия P₁ будет равна P₂ и температура стены будет просто равна среднему значению температуры внутри помещения и внешней температуры. Однако в динамическом случае P₁ не равна P₂ и производная по времени температуры стены будет зависеть от этих величин в соответствии со следующей зависимостью:

где M_wall представляет собой массу стены и c_p представляет собой удельную теплоемкость стены.

Выделение производной по времени температуры стены и интеграция результатов позволяют получить:

Это выражение может быть определено рекурсивно с помощью процессора 14 в соответствии с:

Любое значение можно использовать как исходную точку, но можно использовать как соответствующую исходную точку.

Следует отметить, что в приведенных выше выражениях была использована требуемая температура внутри помещения. Это позволяет получить удовлетворительные результаты, но, если система управления включает в себя датчик температуры внутри помещения (как обозначено на фиг. 2), требуемая температура внутри помещения может быть заменена фактически детектируемой температурой внутри помещения.

Можно отметить, что температура стены изменяется только постепенно, при изменениях температуры окружающей среды. Это означает, что теплопередача в стену поддерживается некоторое время и затем увеличивается/уменьшается по мере изменения температуры стены. Таким образом, понятно, что имеется достаточно времени для регулировки мощности радиатора при изменении окружающей температуры.

Конечно, такая модель стены, разделенной на две половины, является упрощенной. В реальности она представляет собой континуум и должна быть моделирована с большим количеством слоев, например, используя методику FEM (МКЭ, моделирование методом конечных элементов). Градиент температуры на внутренней поверхности стены будет затем определять поток тепла в стену в любой момент времени.

В качестве дополнительного улучшения модель может включать в себя внутренние стены и даже объекты внутри здания, имеющие свое собственное количество теплоты и коэффициент теплопередачи. Такое внутреннее количество теплоты можно не учитывать, если только внутренняя температура остается постоянной, но будет учитываться как компенсирующее количество теплоты при изменениях внутренней температуры. Это может оказывать относительно значительное влияние, если внешняя температура повышает внутреннюю температуру выше установленной точки, в этом случае внутреннее количество теплоты будет "заряжено" теплом. В результате моделирования этого эффекта становится возможным лучше определить, когда требуется начинать добавлять мощность с помощью радиаторов при падении наружной температуры.

В простой модели общая потеря тепловой мощности P_loss может быть аппроксимирована с помощью переноса тепла P₁ . В действительности, однако, несколько других процессов также представляют потери тепловой энергии.

Один относительно важный фактор представляет собой вентиляцию, и в улучшенной модели потерю тепловой энергии через вентиляцию можно отслеживать и моделировать. В такой модели потеря тепла из-за вентиляции P _vent может быть аппроксимирована с помощью выражения

где flow представляет собой массовый расход воздуха, T_in представляет собой температуру поступающего воздуха, T_out представляет собой температуру выпускаемого воздуха и c_p представляет собой удельную теплоемкость воздуха. Контроллер может быть подключен к датчику потока, установленному в каналах вентиляции здания для того, чтобы получать информацию о расходе воздуха во время вентиляции. В простых случаях T_in может быть аппроксимирована на основе T_amb и T_out, T_room (или T_{room_sp}). В более сложной системе, включающей в себя, например, нагреватель для подогрева поступающего воздуха вентиляции или теплообменник, подключенный к исходящему воздуху, могут быть предусмотрены датчики для измерения T_in и T_out и, возможно, также рабочих характеристик теплообменника.

Другой процесс представляет собой водопроводная вода, где тепло может быть передано из горячей воды в окружающую среду здания. В принципе, это может быть смоделировано аналогичным способом, детектируя поток и температуру. Однако энергия нагрева от водопроводной воды представляет собой сложный процесс, и ее предпочтительно моделируют простым способом, используя основные предположения структуры потребления горячей воды.

Источники тепловой энергии

Внутренние источники P_int энергии могут быть аппроксимированы как константа kA T_eq, где kA снова представляет собой коэффициент теплопередачи стены и T_eq представляет собой разность температур при равновесии (T_room - T_amb), которая может быть получена без какого-либо дополнительного нагрева. (Если, например, будет получена температура внутри помещения 21°C, когда наружная температура составляет 16°C, вырабатываемая внутри тепловая энергия составляет 5kA.)

Конечно, в действительности P_int не постоянна, но зависит от активности внутри здания (количества человек в доме, работающей бытовой техники и т.д.). В улучшенной модели такие факторы можно отслеживать и моделировать. Тепловая энергия от электрических бытовых устройств, например, может быть аппроксимирована по потребляемой электроэнергии, в частности, поскольку вся потребляемая электроэнергия в некоторый момент будет преобразована в тепло.

В дополнение к этому источники тепловой энергии включают в себя внешние источники P_ext, такие как падающие лучи солнца. Внешние источники также можно отслеживать и моделировать, например, путем подключения к контроллеру датчиков солнечного света.

Тепловой баланс

Используя приведенные выше упрощенные выражения для P_loss и P_source , получают требуемую тепловую энергию

Для дополнительного улучшения рабочих характеристик выражение для P_req можно заполнить членом управления температурой. В случае простого управления ПИ-регулирования, такой член управления будет иметь следующий вид:

где представляет собой температурную погрешность T_room - T_{room_sp}, P представляет собой пропорциональный прирост и T_i представляет собой время интегрирования для И-части ПИ-регулятора.

При определенном значении P_req контроллер теперь может перейти к определению требуемой комбинации температуры прямого потока и расхода потока системы для того, чтобы передать эту тепловую энергию зданию. Взаимозависимость, используемая для этого, представляет собой:

где c_p представляет собой удельную теплоемкость теплоносителя и flow представляет собой массовый расход.

Как снова показано на фиг. 2, в каждом здании предусмотрен его собственный нагреватель, и, таким образом, здесь можно регулировать температуру прямого потока.

В соответствии с одним вариантом воплощения расход потока является фиксированным или, по меньшей мере, им не управляют с помощью системы нагрева. В этом случае управление выполняют только по прямой температуре в соответствии с выражением:

Такую точку установки прямой температуры передают в нагреватель с помощью сигнала 8 управления и поддерживают с помощью нагревателя с использованием обратного контура 12.

Если контроллер выполнен с возможностью управления также расходом потока, точка установки расхода потока будет передана в насос 11 с помощью сигнала 9 управления. Путем увеличения расхода потока можно предотвратить чрезмерное увеличение температуры прямого потока.

На фиг. 4 показана система отопления в соответствии с дополнительным вариантом воплощения изобретения. В этом случае модуль 21 отопления каждого здания не управляет температурой среды теплоносителя. Вместо этого центральная система 22 отопления управляет температурой прямого потока среды теплоносителя, распределяемой в различные здания во всем блоке или тому подобное.

Центральная система 22 отопления может содержать теплообменник, соединенный с системой теплоснабжения района или местной отопительной установкой, которая работает, например, от электричества или другого топлива.

В каждом здании предусмотрен модуль 21 отопления, в котором установлен контроллер 23, в соответствии с другим вариантом воплощения изобретения. Аналогично контроллеру по фиг. 2 датчики 24, 25 и 26 передают в контроллер информацию об обратной температуре, температуре внутри помещения и наружной температуре. Кроме того, датчик 27 предоставляет в контроллер информацию о температуре прямого потока, которая в данном случае находится за пределами управления контроллера. Выход контроллера соединен с клапаном 28 потока, который выполнен с возможностью регулировать расход потока системы распределения тепла здания.

Контроллер определяет требования к тепловой мощности простым способом, как описано выше. Для передачи требуемой тепловой мощности контроллер регулирует расход потока системы распределения, используя клапан потока. Расход потока затем может быть определен в соответствии с уравнением:

В системе центрального отопления, кроме того, может быть предусмотрен контроллер 30 в соответствии с еще одним вариантом воплощения изобретения. Этот контроллер может быть выполнен с возможностью определения требований к тепловой мощности для всего комплекса здания, предпочтительно используя информацию, передаваемую по каналу 31 передачи данных, который соединяет контроллеры 23 в каждом здании. На основе таких требований к тепловой мощности контроллер может регулировать температуру прямого потока среды теплоносителя на основе расхода потока и обратной температуры аналогично тому, как было описано выше.

Изобретение можно использовать в любой отопительной системе, где можно управлять основной частью источников тепла, включающих в себя все системы центрального отопления, работающие с использованием среды в жидкой и/или газообразной форме. В некоторых зданиях используется комбинация систем воздушного и водяного отопления. В таких случаях требуется определенная тепловая энергия для нагрева воздуха до требуемой температуры на основе текущего значения потока воздуха и тепла поступающего воздуха. Только затем используют описанные выше принципы для определения требуемой энергии нагрева, излучаемой радиатором. Энергию тепла, доставляемую воздухом, с помощью которого обеспечивается отопление, тогда рассматривают как внутренний источник тепловой энергии.

Для специалистов в данной области техники будет понятно, что в описанных выше вариантах воплощения могут быть выполнены модификации без выхода за пределы изобретательской концепции, которая определена приложенной формулой изобретения. Например, компоненты отопительной системы по фиг. 2 и 4 могут быть заменены и/или перекомпонованы, если только может быть выполнена предполагаемая функция. Аналогично описание модели баланса тепловой энергии для здания представляет собой пример. Множество взаимозависимостей и предположений может быть заменено, если только будет обеспечена требуемая тепловая мощность.