Індивідуальний тепловий пункт

Реферат: Винахід належить до систем централізованого теплопостачання будинків і споруд. Індивідуальний тепловий пункт має теплообмінник (11) між централізованою тепломережею і спорудою, бак-акумулятор (4), підключений у верхній частині до згаданого теплообмінника і змішувального вузла (6) на вході в будівлю, а також до електрокотла (3). На виході з будівлі також встановлений змішувальний вузол (10). Вхід електрокотла підключений до нижньої частини бака-акумулятора через насос (5). Вихід електрокотла підключений до входу у бакакумулятор. Змішувальні вузли (6 і 10) забезпечують регулювання потоку теплоносія, що надходить до будівлі, через теплообмінник (11) і/або через бак-акумулятор (4). Нагрівання теплоносія у баку-акумуляторі здійснюють у час дії нічного тарифу за електрику. Також можливе догрівання теплоносія при його недостатній температурі у централізованій системі. Винахід сприяє підвищенню економічності і енергетичної ефективності теплопостачання. UA 106184 C2 (12) UA 106184 C2 UA 106184 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до техніки і технологій комунальної енергетики і може бути використаний для автоматизації систем теплопостачання будинків і споруд. Відомий індивідуальний тепловий пункт на базі пункту автоматичного регулювання теплопостачання корпорації "Укртеплоенерго", який містить систему теплообмінників, насосів, запірно-вентильної апаратури і блока автоматики, яка забезпечує регулювання параметрів теплоносія в тепловій мережі в залежності від температури повітря зовні і теплогідравлічних характеристик систем опалювання, які змінюються в процесі роботи [Каталог модульных теплопунктов, 2009]. Недоліком цього індивідуального теплового пункту є, по-перше, неможливість забезпечення сталої роботи системи теплопостачання при різких коливаннях температури і тиску в мережі централізованого теплопостачання і при аварійних ситуаціях; подруге - неможливість підтримувати параметри теплоносія в залежності від температури приміщення; по-третє - неможливість забезпечення комфортної температури в приміщенні при знижених параметрах теплоносія в тепловій мережі, зокрема, при пониженому температурному графіку тепломережі (при недогріві). Частково цих недоліків позбавлено технічне рішення [пат. України на корисну модель № 38541, кл. МПК (2006) G05D 27/00, опубл. 12.01.2009], яке взяте нами за прототип. З метою вдосконалення згаданого вище індивідуального теплового пункту на базі блока автоматичного регулювання теплопостачання корпорації "Укртеплоенерго" і забезпечення сталої його роботи при коливаннях температури і тиску в мережі централізованого теплопостачання і при аварійних ситуаціях, до складу індивідуального теплового пункту був включений блок генерування теплової енергії і гарячої води у вигляді паралельно підключених електрокотлів різної потужності, що дозволяє в випадку знижених параметрів теплоносія, який надходить з тепломережі (недогріву) або аварійного режиму (наприклад, при прориві теплотраси) або при профілактичних ремонтах систем теплопостачання, генерувати теплову додаткову теплову енергію електрокотлами необхідної потужності. При цьому блок автоматики дозволяє також суттєво (до 25 %) знизити витрати енергії на опалювання за рахунок автоматизації вибору величини потужності в залежності від установки температури опалювання конкретного абонента (температури приміщення) і зовнішньої температури. Недоліками вказаного індивідуального теплового пункту є те, що, по-перше, додаткове джерело теплової енергії при регулюванні параметрів теплоносія в тепловій мережі (наприклад, у випадку зниженого температурного графіка теплоносія) - електрокотли - живляться відносно "коштовною" електричною енергією. Як відомо [Стратегія енергозбереження в Україні, 2006, т.1, с.38, табл. 1.3; с. 372], питомі фактичні витрати умовного палива на вироблення одиниці електричної енергії (але без урахування  50 % частки атомної генерації в електроенергобалансі України) складають 372,6 г у.п./ кВтг. Ця величина більш ніж вдвічі (2,22,4 рази) вище витрат умовного палива на вироблення одиниці теплової енергії (136-142 г у.п./кВтг) [Стратегія енергозбереження в Україні, 2006, т.1, с 365-366]. Тобто, підтримування електрообігрівом комфортної температури при хронічно зниженому температурному графіку тепломережі (такий недогрів є характерним явищем для сучасного ЖКГ) у відомому технічному рішенні є економічно неефективним. По-друге, система теплопостачання повністю припиняє своє функціонування у випадку виникнення аварійноїситуації в тепломережі. По-третє, відома система теплопостачання не здатна функціонувати при відключенні електроенергії і тепломережі унаслідок відсутності резервних об'ємів гарячого теплоносія (у багатьох випадках, наприклад, в інвентарних спорудах, акумуляційних здатностей огороджувальних конструкцій яких буде недостатньо для компенсування тепловитрат при відключенні енергії). Також не вирішується проблема недогріву приміщень. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення індивідуального теплового пункту шляхом оснащення його баком-акумулятором, вхід і вихід якого розташовані у верхній частині, та змішувальними вузлами, при цьому бак-акумулятор послідовно підключений до подавального трубопроводу через змішувальний вузол, другий вхід якого підключений до зворотного трубопроводу, а електрокотел підключений до бака-акумулятора, що забезпечить підвищення економічної та енергетичної ефективності системи теплопостачання будинків і споруд при знижених параметрах тепломережі і у випадку виникнення аварійних ситуацій в електричній або тепловій мережах. Поставлена задача вирішується тим, що індивідуальний тепловий пункт, що містить комплекс обладнання, до складу якого входить теплообмінник (11) з боку мережі централізованого теплопостачання, насоси, електрокотел, запірно-вентильну апаратуру, згідно з винаходом, додатково містить бак-акумулятор (4), вхід і вихід якого розташовані в його верхній частині, змішувальні вузли (6), (10), при цьому бак-акумулятор (4) послідовно підключений через змішувальний вузол (6) до подавального трубопроводу, через змішувальний вузол (10) 1 UA 106184 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 підключений до зворотного трубопроводу та теплообмінника (11), вихід електрокотла (3) підключений до входу бака-акумулятора (4), а вхід електрокотла (3) через циркуляційний насос (5) підключений до нижньої (холодної) частини бака-акумулятора. Компенсація знижених параметрів теплоносія в тепловій мережі шляхом генерування теплової енергії електрокотлами, послідовне підключення бака-акумулятора до контуру циркуляції систем теплопостачання дозволяє споживати електроенергію в години, коли діють 00 00 пільгові тарифи на електроенергію (з 23 до 6 , або протягом 29 % тривалості доби), тобто завантажити нічну зону та вирівняти добовий графік споживання електроенергії. Відоме технічне рішення здатне використовувати електроенергію як більш дешевий енергоресурс для одержання теплоенергії лише обмежений час (не більш ніж 7/24=0,29  29 % тривалості доби). На схемі представлена реалізація системи теплопостачання на прикладі системи опалювання. Інші системи теплопостачання (системи гарячого водопостачання, інші системи обігріву) реалізуються аналогічно. На схемі не показані загальновідомі пристрої, які необхідні для забезпечення нормальної роботи будь-якого індивідуального теплового пункту, у тому числі, регуляторів перепаду тиску, запірної арматури, кульових, регулюючих кранів, запобіжноскидних клапанів, вузлів обліку, сітчастих фільтрів, грязьовиків, регуляторів тиску "до себе", насоса підживлювання системи опалювання, датчиків сухого ходу, розширювального бака, штуцерів із запірною арматурою для випуску повітря у вищих точках усіх трубопроводів та спуску води в нижчих точках трубопроводів води і конденсату. Індивідуальний тепловий пункт містить зовнішнє огородження будинку або споруди (1); блок автоматики (електронний регулятор) (2); електрокотел (3); бак-акумулятор (4); насос (5) для подачі води з бака-акумулятора; змішувальний вузол, який є триходовим перемикаючим краном (6) з сервоприводом; систему опалювання (7) насос (8) для подачі теплоносія в систему опалювання (7) дві перемички між подавальним та зворотним трубопроводами (9', 9") системи опалювання; регулюючий триходовий перемикаючий кран (10) з сервоприводом; пластинчастий теплообмінник (11); зворотний клапан (12). Індивідуальний тепловий пункт також оснащений приладами вимірювання, які приєднані до блока автоматики (електронного регулятора) 2: лічильником теплоти ЛТ, призначеним для обліку спожитої теплової енергії, та датчиками контролю режимів температури зовнішнього середовища Т1, повітря приміщення Т2 (кімнатним датчиком), теплоносія на вході подавального трубопроводу тепломережі Т1, температури теплоносія в баку-акумуляторі Т4, теплоносія на вході та виході опалювальних приладів Т5, Т6. На схемі пунктиром показані сигнальні канали; круглими точками зі стрілками показані електричні лінії управління регуляторами потужності, клапанами, кранами, сервоприводами і т.п. Огороджувальні конструкції (1) відділяють простір приміщень, що опалюються (на схемі визначений знаком ) від зовнішнього середовища (визначеного на схемі знаком Θ). Теплообмінник (11) забезпечує роботу системи теплопостачання за двоконтурною схемою, яка надає гідравлічну незалежність замкнутому контуру систем опалювання від теплових мереж. У перший контур теплообмінника (11') (нагрівальну частину теплообмінника 11) подається прямий теплоносій з тепломережі - вода з високими параметрами. Другий замкнутий контур є основним контуром циркуляції індивідуального теплового пункту. Він складається з частини теплообмінника (11") що нагрівається, бака-акумулятора, подавального трубопроводу, системи опалювання (7), зворотного трубопроводу, насоса (8) для організації циркуляції теплоносія в системі опалювання. У цьому контурі між подавальним і зворотним трубопроводами встановлені перемички 9. Бак-акумулятор послідовно підключений до змішувального вузла (6). Змішувальний вузол є триходовим перемикальним краном з сервоприводом, другий вхід якого через перемичку (9') підключений до зворотного трубопроводу. Перемичка (9') з краном (6) за командою блока автоматики (2) забезпечує перемішування гарячого теплоносія від бака-акумулятора (4) з холодним із зворотної труби системи опалювання (7) і отримання розрахункової температури на вході в систему опалювання (7). Перемичка (9") встановлена паралельно теплообміннику (11). Перемичка (9") через регулюючий триходовий перемикальний кран з сервоприводом може прийняти на себе повний потік теплоносія із зворотної труби системи опалювання (7). Це необхідно у випадку, коли температура в тепломережі знизиться до температури нижче кімнатної при нештатній роботі тепломережі і виникає потреба відокремитися від тепломережі. Бак-акумулятор (4), електрокотел (3), насос (5), зворотний клапан (12) утворюють додатковий контур циркуляції. Теплоносій у баку-акумуляторі (4) гідравлічно з'єднаний з контуром примусової циркуляції, що організується за допомогою насоса (8). Таким чином бак-акумулятор (4) послідовно включений до основного контуру циркуляції індивідуального теплового пункту. При цьому насос (8) 2 UA 106184 C2 5 основного контуру циркуляції керується блоком автоматики (2) для забезпечування подачі теплоносія за нормативним або заданим температурним графіком системи опалювання (7) і з урахуванням температури приміщення Т2 та погодних умов Т1. Індивідуальний тепловий пункт працює наступним чином. Варіант 1 (визначимо цей варіант надрядковим індексом 1; підрядковий індекс відповідає 1 номеру датчика контролю режимів температури). Температура в тепломережі 3 нижче 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1 1 номінальної. Тоді температури на подавальному і зворотному трубопроводах 5 , 6 нижче номінальних значень Τ5Η0Μ, Т6ном і система опалювання працює в режимі недогріву, система 1 опалювання не здатна забезпечити комфортну температуру приміщення Т2комф (Т 2 < Т2комф). Згідно з технічним рішенням, що пропонується, спочатку блок автоматики (2) включає електрокотел (3), якій звичайно програмується на роботу у години нічного провалу добового 00 00 графіка навантажень енергосистеми(з 23 до 6 ). Електрокотел забезпечує незалежне нагрівання теплоносія у баку-акумуляторі. Електрокотел (3) підключений до входу бакаакумулятора (4) (тобто до верхніх шарів теплоносія). За допомогою насоса (5) в електрокотел (3) подається холодна вода з нижніх, тобто, холодних шарів бака-акумулятора. Теплоносій проходить через електрокотел (3), нагрівається, а потім через зворотний клапан 12 (якій запобігає попаданню теплоносія в електрокотел з тракту системи опалювання), надходить до контуру циркуляції, потім - до бака-акумулятора, де розподіляється на дві частини. Одна частина надходить на вихід бака-акумулятора (4), потім через вузол змішування (6) і далі в систему опалювання (7). Друга частина поглинається основною масою теплоносія в бакуакумуляторі, тобто просто змішується всередині з основною масою теплоносія. За рахунок термосифонного ефекту найвища температура теплоносія природним чином завжди накопичується у верхніх шарах бака-акумулятора. Таким чином теплоносій в баку-акумуляторі, починаючі з верхніх шарів, поступово нагрівається. Блок автоматики вимикає електрокотел по закінченні інтервалу пільгових тарифів (тобто у 6°) або коли температура теплоносія в баку-акумуляторі досягне встановленої граничної температури нагрівання бака-акумулятора (90 °C). В основному контурі системи опалювання за допомогою насоса (8), який вмикається/вимикається за командою блока автоматики (2) здійснюється примусова циркуляція теплоносія. Інтенсивність її циркуляції встановлюються відповідно показань датчиків температури Т1-Τ6 за допомогою блока автоматики (електронного регулятора) (2), якій виробляє також сигнали управління на сервоприводи кранів (6, 10), які здатні за рахунок зміни прохідних перетинів регулювати співвідношення гарячого та холодного теплоносія в циркуляційному контурі. Блок автоматики (2) в залежності від температур як зовнішнього середовища Т1, так і температур внутрішнього приміщення (2), теплоносія на вході тепломережі Т3, температури теплоносія в баку-акумуляторі (4) забезпечує автоматичне регулювання кількості подавання теплової енергії від тепломережі і з бака-акумулятора до подавальної труби системи опалювання (7) відповідно до температурного графіка теплоносія на приладах опалювання системи (7). Температурний графік контролюється показаннями датчиків температури Т5/Т6, встановлених на подавальній та зворотній трубах системи опалювання (7). Усі температурні параметри можуть задаватися програмою на блоці автоматики (2), який може регулювати температуру системи опалювання в режимі реального часу в добовому та тижневому циклах (день - ніч, робочі дні - вихідні дні). Якщо температури на вході і на виході з системи опалювання менше номінальних значень 1 1 Т 5 < Т5ном, Т 6 Т2комф блок автоматики 2 надасть команду перекрити прохідний перетин змішувального вузла 6 в положенні Б. Оскільки в баку-акумуляторі накопичується теплоносій, нагрітий електроенергією за пільговими тарифами, то послуга опалювання стає більш дешевою. У порівнянні з прототипом ефективність теплопостачання зростає на 71 %, оскільки пільгові тарифи використовуються в еквівалентному обсязі цілої доби, а не 7 годин. 3 UA 106184 C2 5 10 15 Варіант 2 (позначимо цей варіант індексом 2): при незмінних початкових умовах, 2 температура в тепломережі Т 3 дорівнює номінальній. Тоді система опалювання (7) повністю 2 забезпечує комфортну температуру приміщення Т 2, а температури на подавальному і 2 2 2 2 зворотному трубопроводах Τ 5, Τ 6 сягають номінальних значень Т5Т 5ном, Т6Т 6ном· За командою блока автоматики (2) прохідний переріз триходового клапана (10) в положенні А збільшиться, а прохідний переріз в положенні Б зменшиться. Тоді пропорційно зменшаться витрати "дорогої" енергії за рахунок використання "дешевої "енергії, накопиченої в бакуакумуляторі при роботі елект-рокотла в інтервалі дії пільгових тарифів. При цьому частка "дешевої "енергії, накопиченої в баку-акумуляторі при роботі електрокотла в інтервалі дії пільгових тарифів пропорційна ємності бака-акумулятора. Варіант 3 (позначимо цей варіант індексом 3)відповідає випадку, коли температура в 3 тепломережі Т 3 не тільки нижче номінальної (як у варіанті 1), але і нижче номінальних значень : 3 3 температур на подавальному і зворотному трубопроводах Т 5ном, Т6ном Т 3< Т5ном або Т 3 < Т6ном. За командою блока автоматики (2) прохідний переріз триходового клапана (10) в положенні А збільшиться до максимуму, а прохідний переріз в положенні Б зменшиться до мінімуму. Це робиться для того, щоб запобігти передачі теплової енергії від приміщення, яке обігрівається, в тепломережу. Система опалювання працює цілком за рахунок дешевої енергії, накопиченої в баку-акумуляторі при роботі електрокотла в інтервалі дії пільгових тарифів в межах ємності бака-акумулятора. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 Індивідуальний тепловий пункт, що містить комплекс обладнання, до складу якого входить теплообмінник (11) з боку мережі централізованого теплопостачання, насос (5), електрокотел (3), запірно-вентильна апаратура, який відрізняється тим, що додатково містить бакакумулятор (4), вхід і вихід якого розташовані в його верхній частині, змішувальні вузли (6, 10), при цьому бак-акумулятор (4) послідовно підключенийчерез змішувальний вузол (6) до подавального трубопроводу, а через змішувальний вузол (10) - до зворотного трубопроводу та теплообмінника (11), а вхід електрокотла (3) через циркуляційний насос (5) підключений до нижньої (холодної) частини бака-акумулятора. 4 UA 106184 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5