EE201400032A - Keskküttesüsteemi autonoomne kontrollsüsteem ja keskküttesüsteemi autonoomne reguleerimismeetod - Google Patents

Abstract

Leiutis pakub maja keskküttesüsteemi autonoomse kontrollsüsteemi ja keskküttesüsteemi autonoomse reguleerimismeetodi, eesmärgiga vähendada ruumide kütmiseks kasutatavat soojusenergiat. Leiutisekohane küttesüsteem sisaldab soojusvahetit 1, milles on soojatootja poolne soojusvaheti 2, soojatarbija ehk kortermaja poolne soojusvaheti 3, termostaatventiiliga 14 varustatud radiaator 13, soojatootja küttevee vooluhulga regulaatorventiil 4, mida juhitakse juhtimis/reguleerimiskeskusest 5 saabuva signaaliga, samuti tsirkulatsioonipumpa 10, millesse on integreeritud või on sellega järjestikku ühendatud tagasivooluhulga andur 11, mis on ühendatud juhtimis/reguleerimiskeskuses paikneva elektroonikalülitusega. Juhtimis/reguleerimiskeskuses 5 paiknev elektroonikalülitus 12 on konfigureeritud võtma vastu tagasivooluhulga andurist 11 saadetavaid signaale ja reguleerima vastavalt tsirkulatsioonipumpa läbivale vooluhulgale soojatootja küttevee vooluhulga regulaatorventiili 4, millega on tagatud see, et termostaatide 15 töö alusel reguleeritakse soojatarbija poolt soojatootjalt võetava kütteenergia hulka, kusjuures termostaadid 15 reageerivad ruumi temperatuuri muutustele, seega arvestatakse küttesüsteemi töös näiteks päikese poolt ruumi tekitatavat nn vabasoojust, samuti tuule jahutavat mõju hoone tuulepoolsetele ruumidele.

Description

Tehnikavaldkond

Käesolev leiutis kuulub energia ja energia säästmise tehnoloogia valdkonda, täpsemalt maja küttesüsteemi ja selle reguleerimismeetodi valdkonda, eesmärgiga vähendada ruumide kütmiseks kulutatavat soojusenergiat.

Leiutise taust

Tüüpilise kortermaja küttesüsteem (vaata joonis Fig 1) koosneb järgmistest põhilistest osadest: keskküttetorustik (ühetorusüsteem, kahetorusüsteem), radiaatorid, kusjuures iga radiaator on varustatud radiaatoriventiiliga (edaspidi ventiil) ja radiaatoritermostaadiga (edaspidi termostaat), küttevee tsirkulatsioonipump, mida juhitakse eelseadistatud küttegraafikute alusel, küttevee reguleerimise juhtmoodul, lisaks kogu küttesüsteemi tasakaalustamiseks vajalikud erinevad reguleerventiilid, näiteks maja korrustevaheliste küttetoru püstikutele paigaldatud reguleerventiilid.

Maja küttesüsteemi töötamine seadistatakse käesoleval ajal välistemperatuuri graafikute alusel, mis ei arvesta konkreetseid maja sisetemperatuuri mõjutavaid tegureid (päike, tuul, elanike poolt ruumi kiiratav soojus jne). Lisaks on küttegraafikud tehtud ebamõistlikult suure varuga. Keskmiselt arvestatakse, et tüüpilise kortermaja ruutmeetri peale kulub aastas 150 kWh soojusenergiat.

Korterites on igal radiaatoril ventiil, mida juhitakse termostaadiga. Praegu on küttesüsteem häälestatud vastavalt välistemperatuurile, mille alusel on seadistatud küttevee peale- ja tagasivoolutemperatuurid, arvestades termostaadi temperatuurisõltuvuse graafikuga.

Küttesüsteemi osaks oleva tsirkulatsioonipumba ülesandeks on küttesüsteemi vett ringluses hoida. Vastavalt maja kütteklassile (EV määruse alusel) A 21+-1, B 21+-2 ja C21+-3 °C arvutatakse välja vajalikud küttevee vooluhulgad. Näiteks võib olla välja seadistatud, et küttevee vooluhulk on 3 liitrit sekundis, seega 10,8 m³ tunnis.

Tehnika tase

CA1313558 avalikustab vesiküttesüsteemi installeeritud tsirkulatsioonipumba tootlikkuse reguleerimise meetodi, kusjuures pump on reguleeritav muudetava pöörete arvuga elektrimootori abil. Meetodi kohaselt mõõdetakse süsteemis voolava küttevee kiirust, muundatakse see kiirusele vastavaks elektrisignaaliks ja rakendatatakse see pinge regulaatorile, millega reguleeritakse pumba elektrimootori tööd.

Tänapäeval kasutatavates tuntud küttesüsteemides reguleeritakse hoonete soojusenergia tarbimist nn küttegraafiku järgi. See graafik on lineaarne ja paneb paika igale välisõhu temperatuuri väärtusele küttesüsteemi küttevee pealevoolu temperatuuri väärtuse. Seega, hoonesisese temperatuuri määrab sisuliselt vaid üks muutuv parameeter - välisõhu temperatuur.

Kuid paljud uuringud on näidanud, et lisaks välisõhu temperatuurile sõltub hoone soojusenergia tarve oluliselt ka teistest ilmastikufaktoritest. Näiteks tugev tuul suurendab energiatarvet kuni 30%, teisalt võib päikesekiirgus mingil ajaperioodil kompenseerida kuni 100% hoone kütmiseks vajaminevast soojusenergiast. Nendele faktoritele olemasolev (traditsiooniline) küttesüsteem ei reageeri üldse ja selle tõttu on tarbija teatud tingimustel sunnitud varuga tõstma küttevee pealevoolu temperatuuri või teatud tingimustel teadlikult jahutama liiga soojaks köetavaid ruume. Ülalmainitud erinevate ilmastikutegurite näited on ühed põhjused, miks toimub hoonete ülekütmine ja soojusenergia mittepõhjendatud keskmiselt 10-20%-line ületarbimine kütteperioodi jooksul. Olukorda peaks parandama küttesüsteemi radiaatorite reguleerimine termostaatidega juhitavate ventiilide abil. Kuid eespool kirjeldatud küttesüsteemi reguleerimismeetod välistemperatuuri alusel praktiliselt üldse ei reageeri termostaatide tööle. Seega kütteenergia säästu potentsiaal, mida võiks saavutada termostaatide abil ülekütmise vältimiseks, jääb kasutamata.

Leiutise olemus

Vastavalt ruumi temperatuurile termostaadid kas avavad ventiile rohkem või sulgevad. See mõjutab kogu maja küttevee vooluhulka. Tänapäevastel tsirkulatsioonipumpadel on võimalik vaadata, milline on hetkeline reaalne vooluhulk (näiteks arvestatuna tunni peale), lisaks saab vaadata, milline on süsteemi rõhuerinevus. Nendest tsirkulatsioonipumba näitajatest saab arvutuslikult tuletada selle, milline võiks olla küttevee optimaalne peale- ja tagasijooksu temperatuur. Hetkel puudub tuntud küttesüsteemides taoline võimalus, et maja küttesüsteemi reguleerimine toimub mitte välisõhu temperatuuri alusel vaid sisetemperatuuri alusel. Leiutisekohase küttesüsteemi termostaatide töö tulemusena küttesüsteemi küttevee vooluhulga muutus, mis on mõõdetav kas otse tsirkulatsioonipumba abil või sellega järjestikku paigaldatud tagasivooluhulga mõõturiga, genereerib tsirkulatsioonipumbalt tagasiside küttevee juhtimis/reguleerimiskeskusele, mis omakorda reguleerib soojatootja poolt võetava soojusenergia hulka. Sellise tagasiside paigaldamine ja selle alusel juhtsüsteemi ja selles oleva kontrolleri abil küttevee täiendav automaatne reguleerimine võimaldab reageerida köetavates ruumides ruumi temperatuuri muutustele (näiteks tuule jahutav mõju) ja arvesse võtta nn vabasoojust (eelkõige päikeseenergia), millega saab oluliselt küttekulusid kokku hoida.

Samas arvestab leiutise küttesüsteem maja üksikute korterite eripäradega (näiteks ühest suunast puhuv tugev tuul võib teatud kortereid üle mõistliku piiri alla jahutada ja traditsiooniline küttesüsteemi küttevee juhtsüsteem ei suuda sellele reageerida).

Illustratsioonide loetelu

Käesolevast leiutisest saab täielikuma ülevaate järgneva näidisteostuse detailse kirjelduse lugemisega koos juurdelisatud joonistega, kus:

joonis FIG 1 kujutab käesoleva leiutise keskküttesüsteemi põhilisi osasid ja keskküttesüsteemi reguleerimise vahendeid;

joonis FIG 2 kujutab termostaatventiili töögraafikuid ja termostaatventiili vooluhulga ning temperatuuri sõltuvust vastavalt ventiili erinevatele eelseadetele;

joonis FIG 3 kujutab tsirkulatsioonipumba vooluhulga ja vedeliku rõhulangu sõltuvust.

Leiutise teostamise näide

Leiutisekohane küttesüsteem, mis eelistatud teostuses käsitleb kortermaja küttesüsteemi, sisaldab järgmiseid põhilisi osi (vaata joonis FIG 1): soojusvahetit 1, milles on soojatootjapoolne soojusvaheti 2, soojatarbija ehk kortermaja poolne soojusvaheti 3, soojatootja küttevee vooluhulga regulaatorventiil 4, mida juhitakse juhtimis/reguleerimiskeskusest 5 saabuva signaaliga. Soojatootja soojusvaheti 2 küttevesi läbib veekulumõõtja 6, millega on ühendatud soojamõõtja 7, mis on ühendatud kahe temperatuurianduriga 8, 9, nii et temperatuuriandur 8 mõõdab soojatootja soojusvahetist tarbijale mineva küttevee temperatuuri ja temperatuuriandur 9 mõõdab soojatootja küttevee temperatuuri pärast soojusvahetist väljumist. Soojatarbijapoolne küttesüsteemi osa sisaldab tsirkulatsioonipumpa 10, millesse on integreeritud või on sellega järjestikku ühendatud vooluhulga andur 11, mis on ühendatud juhtimis/reguleerimiskeskuses 5 paikneva elektroonikalülitusega 12 (näiteks kontroller, eelistatud teostuses PID-regulaator ehk Proportsionaalne-integraal-tuletise kontroller ehk PID-kontroller). Soojatarbijad on ruumides paiknevad radiaatorid 13, mis on varustatud termostaatventiiliga 14 ja termostaadiga 15. Soojatarbija küttevee temperatuuri mõõdetakse pealevoolu temperatuurianduriga 16, mis on samuti ühendatud juhtimis/reguleerimiskeskusega 5. Leiutise alternatiivses teostuses on välistemperatuuri mõõtmiseks hoone välisseinale 17 paigaldatud temperatuuriandur 18. Soojatarbija poolses torustikus oleva küttevee võimalikust paisumisest tingitud küttevee ruumala muutust kompenseerib süsteemi ühendatud paisupaak 19. Juhtimis/reguleerimiskeskuses 5 paiknev elektroonikalülitus 12 on konfigureeritud võtma vastu vooluhulgaandurist 11 saadetavaid signaale ja reguleerima vastavalt tsirkulatsioonipumpa läbivale vooluhulgale soojatootja küttevee vooluhulga regulaatorventiili 4, millega on tagatud see, et termostaatide 15 töö alusel reguleeritakse soojatarbija poolt soojatootjalt võetava kütteenergia hulka, kusjuures termostaadid 15 reageerivad ruumi temperatuuri muutustele, seega nende töö sõltub näiteks päikese poolt ruumis tekitatavast nn vabasoojusest, aga teisalt sõltub termostaatide 15 töö tuule jahutavast mõjust hoone tuulepoolsetele ruumidele. Elektroonikalülitus 12 (näiteks kontroller) on ühendatud ka hoone välisseinal paikneva välistemperatuurist sõltuva temperatuurianduriga 18. Juhtimis/reguleerimiskeskuses 5 paiknev elektroonikalülitus 12 on ühel juhul konfigureeritud reguleerima regulaatorventiili 4, võttes aluseks vooluhulgaandurist 11 saabuvad juhtsignaalid. Sel juhul välisõhu temperaruuriandurist 18 saabuvad signaalid võivad olla kuvatud juhtimis/reguleerimiskeskuses 5 infona, mille alusel oleks näha, millises ulatuses regulaatorventiili 4 reguleerimine oleks toimunud arvestades ainult välistemperatuuri. Alternatiivselt on võimalik regulaatorventiili 4 tööd juhtida, võttes aluseks vooluhulgaanduri 11, välisõhu temperatuuri anduri 18 ja pealevoolu temperatuuri anduri 16 signaalid.

Termostaat reguleerib küttevee voogu läbi radiaatori vastavalt ruumi temperatuurile, kuid see protsess ei toimu lineaarselt. Termostaadi tööd iseloomustab sulgemispunkt, mis määrab, alates millisest ruumi temperatuurist termostaat hakkab intensiivselt piirama küttevee voogu läbi radiaatori, kusjuures seda sulgemispunkti väärtust annab termostaatventiilil muuta. Joonisel FIG 2 on toodud termostaatventiili töögraafikud erinevate sulgemispunktidega GN (andmed on esitatud termostaatide tootjate poolt). Graafikutest selgub, et vahemik alates sulgemispunktist kuni termostaadi peaaegu täieliku sulgemiseni vastab ruumi temperatuuri tõusule vaid kahe kraadi võrra. Samas küttevee voog langeb selles vahemikus 0,8Gmaks-0,25Gmaks praktiliselt lineaarselt. Näiteks kõver a vastab sellisele termostaadi seadistusele, kus ruumi sisetemperatuur kõigub vahemikus +18 kuni +20 °C. Eesti Vabariigi seadusega määratud A-klassi küttesüsteemi parameetrid ( t= +22 °C ± 1 °C ) võib saavutada, kui valida termostaadil sulgemispunkt +21 °C (joon a'). Termostaadi optimaalne töötsoon asub vahemikus 0,8Gmaks-0,5Gmaks , kus Gmaks on maksimaalne küttevee vooluhulk. Sellisel režiimil temperatuur ruumis püsib (kõikudes pluss miinus 1 °C piires) ja võimaldab tagada nii mugavuse kui ka säästlikkuse. Kuid nagu juba öeldud, olemasolevad hoone küttesüsteemid ja reguleerimissüsteemid ei ole võimelised seda tagama.

Termostaadi kolvi (ei ole joonistel kujutatud) sulgemine ja avamine toimub teatud vahemikus lineaarselt. See protsess tagab ka kogu küttesüsteemi takistuse muutmise lineaarse seaduse järgi. Kuid kolvi sulgemine võib tekitada ka ebameeldiva müra süsteemis, eriti siis, kui voog langeb alla 0,5Gmaks. Selleks et kõrvaldada seda negatiivset efekti, on välja töötatud spetsiaalsed sagedusmuunduriga tsirkulatsioonipumbad, mis tagavad küttesüsteemis nn püsiva rõhu vahe. Taolise tsirkulatsioonipumba erinevate variantide graafikud on toodud joonisel FIG 3A, B, C. Kui hoone termostaadid on seadistatud töötama lineaarses vahemikus, nagu eespool kirjeldatud, ja siseruumide temperatuur hakkab kasvama, siis kogu süsteemi takistus hakkab tõusma. Pumba automaatika reageerib sellele takistuse kasvule ja vähendab pumba pöördeid ning selle tulemusena küttevee vooluhulka selleks, et süsteemi rõhulang jääks konstantseks. Kui ruumi temperatuur ületab termostaadi sulgemispunkti, siis hakkab kütte vooluhulk langema kogu süsteemis lineaarse seaduse järgi, nagu näidatud joonisel FIG 2.

Teades küttesüsteemi vooluhulga projektandmeid Gmaks ja hoone termostaatide sulgemispunkti väärtuseid, võib ehitada küttesüsteemi, milles küttevee vooluhulk on sõltuvuses hoone sisetemperatuurist.

Näiteks, kui hoone Gmaks on 10 m³/h ja sulgemispunkt GN +21 °C, siis võib eeldada, et kui keskmine sisetemperatuur ruumides on +21 °C, siis vooluhulk süsteemis võrdub 8 m³/h, kui keskmine sisetemperatuur ruumides on +22 °C, siis vooluhulk süsteemis võrdub 5 m³/h.

Käesoleva leiutise küttesüsteemi ja selle reguleerimise meetodi aluseks on võetud see põhimõte, et hoone küttesüsteemi reguleeritavad termostaadid on ühtemoodi seadistatud ja süsteemi küttevee pealevoolu temperatuuri reguleeritakse niiviisi, et need termostaadid töötavad kogu aeg optimaalses režiimis. Selle eesmärgi saavutamiseks paigaldatakse süsteemi püsivat rõhuvahet hoidev tsirkulatsioonipump ja sellega järjestikku küttevee vooluhulga andur, mis on ühendatud süsteemi reguleerimis- ja juhtimiskeskusega (vaata joonis FIG 1), millega juhitakse soojusvaheti primaarset osa, ehk soojusenergiat vahendava firma ehk soojatootja poolset soojusvahetit. Küttesüsteemi reguleerimis- ja juhtimiskeskuses oleva kontrolleri abil tõstetakse või langetatakse pealevoolu temperatuuri nii, et küttevee vooluhulk oleks näiteks kogu aeg vahemikus 0,5Gmaks -0,8Gmaks.

Kuna süsteemi küttevee vooluhulga muutus on sisuliselt hoone ruumide sisetemperatuuride funktsioon, siis tähendab see seda, et maja küttesüsteemi reguleerimine toimub mitte välisõhu temperatuuri alusel, vaid sisetemperatuuri alusel. Seega genereeritakse tsirkulatsioonipumba 10 töörežiimide alusel (tagasivooluhulga andurist 11 elektroonikalülitusse 12 saadetavate signaalide abil) juhtsignaalid, millega on võimaldatud otse kontrollida/juhtida hoone sisekliimat. Kuna hoone ruumide sisetemperatuur ei ole ainult raadiaatoriga kütmise tulemus, vaid ka nn vabasoojuse (näiteks päikese) mõju tulemus, võimaldab uus süsteem ja meetod maksimaalselt ära kasutada ka nende allikate energiapotentsiaali.

Claims (6)

1. 1. Keskküttesüsteemi autonoomne kontrollsüsteem, milles on soojusvaheti (1), mis sisaldab soojatootja poolset soojusvahetit (2) ja soojatarbija poolset soojusvahetit (3), soojatootja küttevee vooluhulga regulaatorventiil (4), juhtimis/reguleerimiskeskus (5), tsirkulatsioonipump (10), termostaatidega varustatud radiaatorid (13), mis erineb selle poolest, et tsirkulatsioonipumpa on integreeritud või sellega järjestikku on ühendatud tagasivooluhulga andur (11), mis on ühendatud elektroonikalülitusega (12), mis on konfigureeritud autonoomselt, ilma välisõhu andurita, tagasivooluhulga andurilt (11) saabuva signaali alusel juhtima soojatootja küttevee vooluhulga regulaatorventiili (4).
2. 2. Keskküttesüsteemi autonoomne kontrollsüsteem vastavalt nõudluspunktile 1, mis erineb selle poolest, et elektroonikalülitus (12) on kontroller.
3. 3. Keskküttesüsteemi autonoomne kontrollsüsteem vastavalt nõudluspunktile 1, mis erineb selle poolest, et elektroonikalülitus (12) on proportsionaalne-integraal-tuletise kontroller ehk PID-kontroller.
4. 4. Keskküttesüsteemi autonoomne kontrollsüsteem vastavalt nõudluspunktile 1, mis erineb selle poolest, et tsirkulatsioonipump (10) on reguleeritud hoidma küttevee vooluhulka nii, et termostaatventiilid on lineaarses osas vahemikus 0,8Gmaks - 0,5Gmaks.
5. 5. Keskküttesüsteemi autonoomne reguleerimismeetod, milles juhtimis/reguleerimiskeskusesse (5) saabuvate küttesüsteemi parameetrite alusel juhitakse soojatootja poolt tarbitava soojusenergia hulka, mis erineb selle poolest, et sisaldab järgmisi samme: - ruumide radiaatorite termostaatide ventiilid reguleeritakse töötama vahemikus, kus küttevee vooluhulga ja ruumi temperatuuri vaheline sõltuvus on lineaarne; - mõõdetakse tsirkulatsioonipumpa läbiva küttevee kogust; - edastatakse mõõteandmed juhtimis/reguleerimiskeskuse (5) elektroonikalülitusse; - juhtimis/reguleerimiskeskuses genereeritakse juhtsignaal; - juhtsignaaliga juhitakse soojatootja küttevee vooluhulga regulaatorventiili(4).
6. 6. Maja keskküttesüsteemi reguleerimismeetod vastavalt nõudluspunktile 6, mis erineb selle poolest, et juhtimis/reguleerimiskeskuse(5) elektroonikalülitusega juhitakse pealevoolu temperatuuri.