CZ23005U1 - Elektronický regulátor teploty - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká nového provedení elektronického regulátoru určeného zejména k řízení topných těles akumulačních ohřívačů vody.

Dosavadní stav techniky

Pro regulaci teploty v akumulačních ohřívačích se dosud používá různých druhů regulátorů teploty neboli termostatů, které pracují na různých principech, a to mechanickém, kapalinovém, bimetalickém apod. Mechanické termostaty jsou schopny regulovat teplotu v akumulačním ohřívači na předem stanovenou teplotu. To znamená, že tento duh termostatu zajišťuje neustálý ohřev vody na danou teplotu bez ohledu na to, jestli ji odběratel potřebuje a využije, či nikoliv. Mechanické termostaty vykazuji horší možnosti regulace, a to z důvodu většího spínacího rozdílu, kdy termostat vypne při mírně vyšší teplotě, než je nastavena. Příkladem těchto termostatů je řešení popsané ve spise US 2003/0194228. V termostatu popsaném ve spise WO 2010/061214 je využíván samoučící se algoritmus, který v jednom týdnu změří spotřebovávanou energii, a podle naměřených hodnot natápí v dalších týdnech akumulační ohřívač. Nevýhodou těchto řešení je nemožnost připojení na elektrorozvodnou síť řízenou hromadným dálkovým ovládáním (HDO), která je využívána většinou spotřebitelů z důvodu levnější ceny elektrické energie.

Připojení elektronického termostatu na síť řízenou HDO řeší spis CZ 6205 Ul, kde je popisováno zapojení pro řízení, kontrolu a měření ohřevu vody elektrického bojleru, které obsahuje ovládaný silový stykač, k jehož přívodní fázi je paralelně připojen odpor, čímž se zajistí snížené napětí pro napájení termostatu. Nevýhodou tohoto řešení je stálý odběr elektrické energie nutný pro napájení termostatu a nemožnost natápění bojleru v době, kdy je vypnutý stykač HDO.

Úkolem předkládaného technického řešení je představit takové provedení termostatu, který by byl funkční jak v připojení na fázi řízené HDO, tak i při připojení na živou fázi, která je neustále napájena, a to při využívání samoučícího se mechanismu a připojení záložního zdroje elektrického proudu, který zajišťuje uchování naprogramovaných dat v termostatu i při dlouhotrvajícím výpadku rozvodné sítě.

Podstata technického řešení

Stanoveného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je elektronický regulátor teploty, zejména pro akumulační ohřívače vody, obsahující mikroprocesorovou jednotku, která je paralelně propojena jednak přes spínací relé s topným tělesem a přes tepelnou pojistku se svorkovnicovou soustavou, připojenou na rozvodnou síť elektrické energie a tvořenou alespoň svorkovnicí fázového napájení, svorkovnicí detektoru HDO, svorkovnicí nulové fáze a svorkovnicí ochrany, a jednak s teplotními čidly a s ovládacím panelem, kde podstata řešení spočívá v tom, že k mikroprocesorové jednotce jsou paralelně připojeny alespoň zdroj malého stejnosměrného napájecího napětí, který je propojen přes svorkovnici fázového napájení s přímonapájeným fázovým vodičem a který je přes svorkovnici nulové fáze propojen s nulovým vodičem, a detektor aktivace napájení HDO, který je propojen jak se zdrojem malého stejnosměrného napájecího napětí tak přes svorkovnici detektoru HDO s fázovým vodičem napájení HDO, přičemž svorkovnice fázového napájení je přes tepelnou pojistku propojena s topným tělesem a svorkovnice nulové fáze je přes tepelnou pojistku propojena se spínacím relé.

Ve výhodném provedení jsou k mikroprocesorové jednotce dále paralelně připojeny jednak detektor aktivace napájení tepelné pojistky, který je jednou větví propojen přes tepelnou pojistku a svorkovnici nulové fáze s nulovým fázovým vodičem a přes druhou větev je propojen se zdrojem malého stejnosměrného napájecího napětí, s detektorem aktivace napájení HDO a přes svorkovnici nulové fáze s nulovým vodičem, a jednak záložní bateriový zdroj elektrického proudu, který je propojen se zdrojem malého stejnosměrného napájecího napětí.

- 1 CZ 23005 U1

Je rovněž výhodné, když k mikroprocesorové jednotce je paralelně připojen informační displej a když ovládací panel je tvořen klávesnicí nebo soustavou tlačítek.

Termostat v novém provedení může pracovat funkční jak v připojení na fázi řízené HDO, tak i při připojení na živou fázi a v obou režimech je schopen využívat samoučící se mechanismus a 5 poskytovat uživateli úsporu nejen v nižší spotřebě elektrické energie, ale i využívat levnější tarif v určitém denním období.

Popis obrázků na připojených výkresech

Konkrétní příklady provedení elektronického regulátoru teploty jsou schematicky zobrazeny na připojených výkresech, kde:

io obr. 1 je schéma základního provedení termostatu se zabudovaným záložním bateriovým zdrojem elektrického proudu a informačním displejem a se znázorněním připojení na topné těleso a rozvodnou síť elektrické energie, a obr. 2 je schéma alternativního zjednodušeného provedení termostatu z obr. 1 bez záložního bateriového zdroje elektrického proudu, informačního displeje a detektoru aktivace napájení HDO.

Výkresy, které znázorňují technické řešení, a následně popsané příklady konkrétních provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu technického řešení.

Příklady provedení technického řešení

Termostat v základním provedení podle obr. 1 sestává z mikroprocesorové jednotky 1 opatřené 20 hodinami reálného času, která je přes spínací relé 2 propojena s topným tělesem 3, například ohřívačem vody, a k níž jsou paralelně připojeny detektor 4 aktivace napájení tepelné pojistky 5, zdroj 6 malého stejnosměrného napájecího napětí, detektor 7 aktivace napájení HDO, záložní bateriový zdroj 8 elektrického proudu se zpětnou vazbou a propojením se zdrojem 6 malého stejnosměrného napájecího napětí, soustava teplotních čidel 9 propojených s definovanými pozicemi 25 topného tělesa 3, ovládací panel 10 tvořený například klávesnicí nebo soustavou tlačítek a informační displej 11, přičemž citované funkční prvky 2, 4, 6, 7, 8, 9, 10 a 11 jsou součástí a jsou zabudovány v termostatu. Směrem vně je termostat kromě k topnému tělesu 3 připojen přes svorkovnicovou soustavu sestávající ze svorkovnice 12 fázového napájení, svorkovnice 13 detektoru HDO, svorkovnice 14 nulové fáze a svorkovnice 15 ochrany k elektrické rozvodné síti, a 30 to několika způsoby. Mikroprocesorová jednotka 1 je přes spínací relé 2 propojena kromě topného tělesa 3 přes tepelnou pojistku 5 a svorkovnici 14 nulové fáze s nulovým vodičem 16, přičemž topné těleso 3 je přes stejnou tepelnou pojistku 5 a svorkovnici 12 fázového napájení propojeno s přímonapájeným fázovým vodičem 17. K nulovému vodiči 16 jsou přes svorkovnici 14 nulové fáze rovněž přímo paralelně připojeny detektor 4 aktivace napájení tepelné pojistky 5, zdroj 6 35 malého stejnosměrného napájecího napětí, přičemž zdroj 6 malého stejnosměrného napájecího napětí je přes svorkovnici 12 fázového napájení přímo připojen na přímonapájený fázový vodič 17 a detektor 7 aktivace napájení HDO je přes svorkovnici 13 detektoru HDO přímo připojen k fázovému vodiči 18 napájení HDO.

Z funkčního hlediska je pak logické, že svorkovnice 15 ochrany je připojena k ochrannému vodi40 či 19.

Zjednodušené provedení termostatu v alternativním provedení podle obr. 2 obsahuje analogické uspořádání a propojení funkčních prvků, když pouze neobsahuje záložní bateriový zdroj 8 elektrického proudu, informační displej 11 a detektor 7 aktivace napájení HDO.

Termostat může fungovat jak v připojení na fázi řízené HDO, tak být připojen na živý přímona45 pájený fázový vodič 17, tedy fázi, která je neustále napájena. V obou těchto případech je termostat schopen využívat samoučící se mechanismus a poskytovat uživateli úsporu nejen v nižší spotřebě energie, ale i využívat levnější tarif řízený HDO. Další možností je samoučící algorit

-2CZ 23005 Ul mus aplikovat i při připojení pouze k fázovému vodiči 18 napájení HDO, tedy fázi řízenou HDO ovládáním. Princip samoučícího mechanismu spočívá v tom, že první týden je termostat zapojen v režimu učení, kdy z teplotních čidel 9 jsou přijímány informace o změnách teploty, a tím i o spotřebě vody z topného tělesa 3, tedy elektrického bojleru. V tomto týdnu termostat natopí bojler na přednastavenou maximální teplotu. V následujících týdnech termostat již nenatopí bojler na maximální teplotu, ale využívá předchozích dat a dohrivá vodu pouze před okamžikem očekávané spotřeby nebo na naprogramovanou minimální hodnotu. Výhodou tohoto řešení je úspora elektrické energie potřebné pro nahrátí dostatečného množství vody. Další výhodou termostatu proti klasickým typům je připojení na záložní bateriový zdroj 8, který dokáže uchovat důležitá data i při déle trvajícím výpadku proudu, a tedy nedochází k tomu, že by termostat byl neustále ve fázi učení kdy je natápěna voda na vyšší teplotu, než při následné regulaci, a dochází tedy ke ztrátám energie.

Elektronický termostat může fungovat v následujících režimech:

- Režim programování - uživatel sám naprogramuje dobu, na kterou bude voda ohřátá na předem stanovenou teplotu, přičemž cyklus je většinou týdenní.

- Režim využívající samoučící se algoritmus - pomocí samoučícího se režimu algoritmus elektronického regulátoru teploty připraví potřebné množství ohřáté vody, a to včetně rezervy pro nepravidelné odběry ohřáté vody, na potřebnou dobu bez zásahu uživatele.

- Režim využívající samoučící se algoritmus připojený na fázi řízenou HDO - totéž, jako v předchozím režimu, ale s tím rozdílem, že k ohřevu vody dochází v čase dodávky energie s nižším, zpravidla nočním, tarifem. V čase, kdy ve fázi řízené HDO není elektrický proud, nedochází k nahřívání vody, pokud nedojde k přepnutí na jiný režim, nebo nedojde k odběru vody pod minimální pojistnou zásobu.

- Režim klasického připojení k HDO - k ohřevu dochází pouze v čase dodávky energie s nižším tarifem.

- Kombinovaný režim - kombinace předchozích režimů, zvolený uživatelem.

- Režim dovolené - elektronický regulátor teploty na požadovanou dobu, kdy uživatel nevyužívá akumulačního ohřívače vody, pouze monitoruje teplotu a v případě, že teplota vody v akumulačním ohřívači poklesne pod 5 °C, provede ohřev.

- Automatický režim ochrany proti legionele - uživatelem zvolený přídavný režim, který bez jeho zásahu zajišťuje pravidelným ohřevem vody v topném tělese 3 nad 70 °C ochranu proti vzniku a rozvoji bakterií ve vodě.

Elektronický regulátor teploty také nabízí režimy klasického regulátoru teploty, kdy se neustále zajišťuje ohřev na předem stanovenou teplotu.

Elektronický regulátor umožňuje využít tři typy připojení, a to:

1) Připojení na přímonapájený fázový vodič 17 bez detekce HDO:

Při tomto připojení je přímonapájený fázový vodič 17 přiveden na svorkovnici 12 fázového napájení, kde se rozvětví a jedna větev napájí přes tepelnou pojistku 5 topné těleso 3. Druhá větev je připojena ke zdroji 6 malého stejnosměrného napájecího napětí, který napájí mikroprocesorovou jednotku 1 a vede také do záložního bateriového zdroje 8, jež řídí proces spínání a vypínání topného tělesa 3, Nulový vodič 16 je přiveden na svorkovnici 14 nulové fáze, kde se větví a jedna větev jde do tepelné pojistky 5 a z ní se dále větví na vodič vedoucí do detektoru 4 aktivace napájení tepelné pojistky 5 a dále do mikroprocesorové jednotky 1. Druhá větev je vedena z tepelné pojistky 5 přes spínací relé 2 do topného tělesa 3. Ze svorkovnice 14 nulové fáze je vedena další větev nulového vodiče 16, která vede do detektoru 4 aktivace napájení tepelné pojistky 5, zdroje 6 malého stejnosměrného napájecího napětí a detektoru 7 aktivace napájení HDO. Všechny jmenované prvky 4, 6 a 7 jsou připojeny k mikroprocesorové jednotce 1. Mikroproceso

-3CZ 23005 Ul rová jednotka 1 je dále spojena se záložním bateriovým zdrojem 8 a s výstupy ovládacího panelu W, displejem 11 a teplotními čidly 9.

2) Trvalé připojení s HDO:

Připojení je identické s předchozím typem, jediný rozdíl je, že na svorkovnici 13 detektoru HDO s je připojen fázový vodič 18 napájení HDO spínaný signálem HDO. Tento fázový vodič 18 dále pokračuje a je připojen na detektor 7 aktivace HDO, který umožňuje využívat k natopení vody levnější tarif řízený HDO.

3) Pouze připojení na HDO:

Při tomto připojení je na svorkovnici 13 detektoru HDO přímo přiveden fázový vodič 18 napájelo ní HDO spínaný signálem HDO, tedy prímonapájený fázový vodič 17 je nahrazen fázovým vodičem 18. Svorkovnice 12 fázového napájení a svorkovnice 13 detektoru HDO jsou vzájemně propojené a ostatní připojení je shodné s případem adl).

V tomto případě termostat umožňuje ohřev vody pouze pokud je v síti napětí řízené HDO. Mimo tuto dobu je termostat napájen ze záložního bateriového zdroje 8, což umožní nastavování pro15 gramů a čtení informací z displeje 11.

Popsaný typ elektronického regulátoru umožňuje provoz v těchto režimech:

- NORMÁL - režim ve kterém regulátor udržuje ohřívač na konstantní uživatelem nastavené teplotě v rozmezí 5 až 70 °C.

- ECO - stejná funkce jako v režimu NORMÁL, pouze je omezena maximální dosažitelná teplota 20 na 55 °C.

- SMART - v tomto režimu regulátor prochází dvěma fázemi. V první se během jednoho kalendářního týdne udržuje konstantní teplota ohřívače v režimu NORMÁL a sleduje se chování uživatele z hlediska odběru vody. Tyto informace se zaznamenávají a následně zpracovávají. V druhé fázi regulátor aplikuje informace získané z první fáze tak, aby připravil pouze takové množství vody, které uživatel v daném čase spotřebuje s určitou rezervou pro případ nečekaného odběru vody. V této fázi nadále dochází ke sběru a vyhodnocování informací o odběrech vody. Takto získané informace se aplikují takovým způsobem, aby docházelo k nepřetržitému přizpůsobování se požadavkům uživatele.

- HDO - regulátor udržuje ohřívač na konstantní uživatelem nastavené teplotě v rozmezí 5 až

70 °C pouze v době kdy je detekován nízký cenový tarif elektrické energie.

- SMART HDO - podobně jako v režimu 3 dochází ke shromažďování informací o odběrech vody. Pouze doba kdy je potřeba zapnout topné těleso je směřována do času s nízkým cenovým tarifem elektrické energie.

- PROG - režim odstavení provozu ohřívače. Zde je pouze zabezpečeno, že teplota vody v ohří35 vači neklesne pod 5 °C. V tomto režimu se provádí nastavování termostatu.

Zjednodušené provedení termostatu v alternativním provedení podle obr. 2 obsahuje analogické uspořádání a propojení funkčních prvků, když pouze neobsahuje záložní bateriový zdroj 8 elektrického proudu, informační displej 11 a detektor 7 aktivace napájení HDO. Úspory elektrické energie je v něm dosaženo způsobem regulace, kdy se samoučící algoritmus naučí na pravidelné 40 chování uživatelů a připravuje teplou užitkovou vodu podle odběrů v předchozím týdnu. Regulátor poskytuje informace o svých provozních stavech pomocí LED indikátorů. Uživatel může nastavovat jednotlivé provozní režimy a veličiny pomocí tří tlačítek. Regulátor ke své činnosti vyžaduje připojení alespoň dvou teplotních čidel 9, které jsou umístěny v definovaných pozicích na akumulačním ohřívači. Regulátor je zjednodušenou verzí předchozího základního typu.

Elektronický regulátor tohoto typu umožňuje využít dva typy připojení, a to:

1) Připojení na prímonapájený fázový vodič 17 bez detekce HDO:

-4CZ 23005 Ul

Při tomto připojení je primonapájený fázový vodič 17 přiveden na svorkovnici 12 fázového napájení, kde se rozvětví a jedna větev napájí přes tepelnou pojistku 5 topné těleso 3. Druhá větev je připojena ke zdroji 6 malého stejnosměrného napájecího napětí, který napájí mikroprocesorovou jednotku X, která řídí pře spínací relé 2 proces spínání a vypínání topného tělesa 3. Nulový vodič 16 je přiveden na svorkovnici 14 nulové fáze, kde se větví a jedna větev jde do zdroje 6 malého stejnosměrného napájecího napětí a detektoru 7 aktivace napájení HDO. Jmenované prvky 6 a 7 jsou připojeny k mikroprocesorové jednotce L Druhá větev nulového vodiče 16 jde ze svorkovnice 14 nulové fáze do tepelné pojistky 5 a pres spínací relé 2 je propojena s topným tělesem 3. Mikroprocesorová jednotka 1 je dále spojena s teplotními čidly 9 a s ovládacím panelem 10 realizovaným ve formě tlačítkového ovládání.

2) Trvalé připojení s HDO:

Připojení je identické s předchozím typem, jediný rozdíl jc, žc na svorkovnici 13 detektoru HDO je připojen fázový vodič 18 napájení HDO spínaný signálem HDO. Tento fázový vodič 18 dále pokračuje a je připojen na detektor 7 aktivace HDO, který umožňuje využívat k natopení vody levnější tarif řízený HDO.

Popsaný typ alternativního provedení elektronického regulátoru umožňuje provoz v těchto režimech:

- NORMÁL - režim ve kterém regulátor udržuje ohřívač na konstantní uživatelem nastavené teplotě v rozmezí 5 až 70 °C.

- SMART - v tomto režimu regulátor prochází dvěma fázemi. V první se během jednoho kalendářního týdne udržuje konstantní teplota ohřívače v režimu NORMÁL a sleduje se chování uživatele z hlediska odběru vody. Tyto informace se zaznamenávají a následně zpracovávají, V druhé fázi regulátor aplikuje informace získané z první fáze tak, aby připravil pouze takové množství vody, které uživatel v daném čase spotřebuje s určitou rezervou pro případ nečekaného odběru vody. V této fázi nadále dochází ke sběru a vyhodnocování informací o odběrech vody. Takto získané informace se aplikují takovým způsobem, aby docházelo k nepřetržitému přizpůsobování se požadavkům uživatele.

- HDO - regulátor udržuje ohřívač na konstantní uživatelem nastavené teplotě v rozmezí 5 až 70 °C pouze v době kdy je detekován nízký cenový tarif elektrické energie.

- HOLIDAY - režim odstavení provozu ohřívače. Zde je pouze zabezpečeno, že teplota vody v ohřívači neklesne pod 5 °C.

Průmyslová využitelnost

Elektronický regulátor teploty podle technického řešení lze využít nejen k regulaci teploty akumulačních ohřívačů vody, ale také k regulaci teploty jiných zařízení např. akumulačních kamen, klimatizací apod., tedy tam, kde je teplota regulována pomocí čidel, které předávají informaci regulátoru, který řídí funkci ohřívacího tělesa.

Claims (4)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Elektronický regulátor teploty, zejména pro akumulační ohřívače vody, obsahující mikroprocesorovou jednotku (1), která je paralelně propojena jednak přes spínací relé (2) s topným tělesem (3) a přes tepelnou pojistku (5) se svorkovnicovou soustavou, připojenou na rozvodnou síť elektrické energie a tvořenou alespoň svorkovnicí (12) fázového napájení, svorkovnicí (13) detektoru HDO, svorkovnicí (14) nulové fáze a svorkovnicí (15) ochrany, a jednak s teplotními čidly (9) a s ovládacím panelem (10), vyznačující se tím, že k mikroprocesorové

   -5CZ 23005 U1 jednotce (1) jsou paralelně připojeny alespoň zdroj (6) malého stejnosměrného napájecího napětí, který je propojen přes svorkovnici (12) fázového napájení s primonapájeným fázovým vodičem (17) a který je přes svorkovnici (14) nulové fáze propojen s nulovým vodičem (16), a detektor (7) aktivace napájení HDO, který je propojen jak se zdrojem (6) malého stejnosměrného napájecího napětí tak přes svorkovnici (13) detektoru HDO s fázovým vodičem (18) napájení HDO, přičemž svorkovnice (12) fázového napájení je přes tepelnou pojistku (5) propojena s topným tělesem (3) a svorkovnice (14) nulové fáze je přes tepelnou pojistku (5) propojena se spínacím relé (2).
2. 2. Elektronický regulátor teploty podle nároku 1, vyznačující se tím, žek mikroprocesorové jednotce (1) jsou dále paralelně připojeny jednak detektor (4) aktivace napájení tepelné pojistky (5), který je jednou větví propojen přes tepelnou pojistku (5) a svorkovnici (14) nulové fáze s nulovým fázovým vodičem (16) a přes druhou větev je propojen se zdrojem (6) malého stejnosměrného napájecího napětí, s detektorem (7) aktivace napájení HDO a přes svorkovnici (14) nulové fáze s nulovým vodičem (16), a jednak záložní bateriový zdroj (8) elektrického proudu, který je propojen se zdrojem (6) malého stejnosměrného napájecího napětí.
3. 3. Elektronický regulátor teploty podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, žek mikroprocesorové jednotce (1) je paralelně připojen informační displej (11).
4. 4. Elektronický regulátor teploty podle některého z nároků laž3, vyznačující se tím, že ovládací panel (10) je tvořen klávesnicí nebo soustavou tlačítek.