CZ30574U1 - Zařízení pro regulaci otopné soustavy - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká problematiky měření a regulace teploty vzduchu v objektech či v jeho částech s ohledem na zefektivnění spotřeby energií pro zajištění požadovaného stavu sledované teploty.

Dosavadní stav techniky

V současné době se do obydlí stále častěji zavádějí moderní technologie, které jsou součástí tzv. chytrého bydlení. Tyto technologie komunikují s domácími spotřebiči a se zařízeními v obydlí, měří a regulují veličiny určující stav prostředí v obydlí, automaticky spouštějí a vypínají zařízení tak, aby stav prostředí byl nastaven s ohledem na běžné potřeby uživatelů v obydlí. Regulovanými parametry mohou být teplota vnitřního vzduchu, relativní vlhkost, rychlost proudění vzduchu a množství CO₂. Pokud jde o vytápění, jde především o udržování teploty vnitřního vzduchu, respektive o regulaci otopné soustavy zajišťující potřebný výkon k ohřevu vzduchu.

Vlastní regulace otopné soustavy se v současné době realizuje několika způsoby. První možností je regulace podle teploty výstupní vody ze zdroje, kdy je regulována teplota přívodní vody, čidlo je většinou i s regulátorem v přívodní trubce topné vody a podle této teploty ovládá zdroj tepla. Další možností je regulace podle vnitřní teploty, kdy řízenou veličinou, která je předávána regulátoru je snímaná teplota vzduchu ve vytápěném prostoru, která je zjišťována v referenční místnosti, kde vzniklá regulační odchylka zapříčiní změnu teploty přívodní vody, čímž se začne vyrovnávat teplota i v ostatních místnostech, což působí negativně hlavně u velkých a rozlehlých objektů. Zónová regulace podle vnitřní teploty je stejný systém, ale větší objekt je rozdělen na zóny a každá zóna představuje samostatnou regulační smyčku, takže v každé zóně lze nastavit rozdílnou teplotu. Další možností je tzv. ekvitermní regulace, což je regulace podle venkovní teploty, kdy regulátor reguluje pouze teplotu topné vody v závislosti na venkovní teplotě vzduchu a pracuje na základě zadaných charakteristik, tzv. ekvitermních křivek. Ekvitermní křivka je závislost teploty topné vody na venkovní teplotě pro danou teplotu místností. Správné nastavení ekvitermní křivky většinou představuje dlouhodobý a pracný proces. Další možností je ekvitermní regulace na střední hodnotu otopné vody, kdy regulátor reguluje na průměr teplot mezi topnou a vratnou vodou otopné soustavy opět podle předem nastavené ekvitermní křivky. Ekvitermní regulace se zpětnou vazbou na vnitřní teplotu představuje jednu z modifikací, kdy vzhledem k vnitřním a vnějším tepelným ziskům vstupuje do ekvitermní regulace ještě zpětná vazba z prostoru, protože regulátor měří rovněž aktuální teplotu v referenční místnosti a koriguje výše popsaný systém ekvitermní regulace. Regulace podle zátěže představuje řízení teploty vody v závislosti na potřebě tepla bez použití venkovního nebo prostorového čidla teploty. Snímá se teplota výstupní kotlové vody a mapuje se doba chodu hořáku v časové periodě. S rostoucí kvalitou budov z hlediska tepelných vlastností má venkovní teplota na skutečnou potřebu tepla stále menší vliv. Proto je teplota kotlové či přívodní vody zpravila řízena podle křivek zátěže. Ještě vyšším stupněm optimalizace spotřeb energie je prediktivní řízení, tedy aplikování matematických nástrojů pro pokročilé algoritmy řízení s využitím předpovědi počasí a modelů budov. Jádrem je řešení optimalizační úlohy, kdy optimalizační podmínkou může být dodržení požadovaných vnitřních teplot při minimalizaci energie potřebné k vytápění. Matematický model lze získat modelováním nebo měřením, ovšem tento přístup vyžaduje pokročilé znalosti z oblastí termodynamiky budov a také podrobnější znalost stavebních detailů modelované budovy včetně degradace materiálů vlivem stárnutí, což výrazně snižuje možnosti a přesnost matematického modelování pro účely optimalizace systému řízení. V současné době je tendence k regulaci teploty pomocí prediktivního řízení, které však vyžaduje vytvoření matematického modelu, osazení regulačního systému prvky, které zahrnují dálkový příjem a zpracování informací ohledně vývoje počasí výpočetní technikou s velkým výkonem. Nevýhodou tohoto řešení je tedy potřeba prédikovat průběh fyzikálních jevů, které ovlivňují teplotu vnitřního prostředí s ohledem na změnu parametrů vnějšího a vnitřního prostředí.

-1 CZ 30574 U1

Sledování změny teploty vnitřního prostředí na základě sledování jen hodnoty jednoho parametru, jako je teplota vnitřního vzduchu, je vzhledem k tepelné setrvačnosti konstrukcí a ke změnám hodnot druhého parametru, jako je povrchová teplota, velmi neoperativní. Při regulování parametrů vnitřního prostředí nejsou podchyceny všechny změny ovlivňující proces těchto parametrů.

Ve spisu EP 3 021.184 je popsán systém tzv. chytrého domu, tedy inteligentní systém pro obydlí, který komunikuje s mnoha elektrickými zařízeními nacházejícími se v obydlí a reguluje například jas lampy, hlasitost reproduktorů, teplotu klimatizace, rychlost větráku apod. Systém dokáže zaznamenat do paměti informace a také identifikovat uživatele nacházející se v obydlí za účelem modulace různých veličin elektrických zařízení a nastavení požadovaného stavu prostředí podle běžných požadavků konkrétního uživatele nebo uživatelů.

Systém obsahuje zařízení pro identifikaci uživatelů, zařízení na změnu polohy elektrických zařízení vůči uživateli, záznamník času, zařízení pro snímání veličin prostředí, ovládací jednotku a pak jednotku obsahující paměťovou jednotku, rozhodovací jednotku, třídící jednotku a vyhodnocovací jednotku, přičemž každá jednotka zajišťuje jeden konkrétní krok inteligentní regulace, jako je identifikace a lokalizování uživatele při jeho vstupu do obydlí, záznam údajů o uživateli, snímání aktuálních regulovaných veličin atd.

Jedná se o složité a drahé systémy, které nejsou zaměřeny na úsporu energie vynaložené na zajišťování tepelné pohody, ale jedná se pouze o zvýšení komfortu pro uživatele. Tepelná pohoda je stav, kdy uživatel vnímá prostředí jako komfortní, resp. nemusí se jeho termoregulační schopnost vyrovnávat s tepelnou zátěží v podobě horka, chladu.

Cílem technického řešení je představit systém regulace veličin, primárně teploty, který by byl jednoduchý, sledoval regulovanou veličinu v prostředí, kde dochází k termodynamickým procesům, a který by při změně regulované veličiny včasným zásahem regulačního zařízení zajistil úsporu energie.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zařízení pro regulaci otopné soustavy podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že ke zdroji tepla a k předavateli teplaje napojen odesílatel dat, který je také spojen s regulátorem, přičemž regulátor je dále připojen na sběrnici dat, která je spojena s alespoň jedním prvním teplotním čidlem pro sledování teploty vnitřního vzduchu a s alespoň jedním druhým teplotním čidlem pro sledování povrchových teplot obvodové konstrukce a zároveň s předavatelem tepla a se zdrojem tepla.

Objasnění výkresu

Technické řešení bude blíže vysvětleno pomocí výkresů, na kterých obr. 1 představuje schéma zařízení pro regulaci otopné soustavy podle technického řešení a na obr. 2 je schematické znázornění časové osy provozu zařízení dle technického řešení.

Příklad uskutečnění technického řešení

Na obr. 1 je zobrazeno schéma zařízení i pro automatickou regulaci otopné soustavy podle technického řešení. Uvnitř obydlí, respektive v objektu, je uspořádán předavatel 2 tepla, který předává teplo vzduchu v prostoru obydlí. Předavatel 2 tepla, což je obvykle radiátor, je připojený na zdroj 3 tepla, což může být například kotel.

Řešení vychází z úvahy, že ke změně tepelné zátěže dochází se změnou parametrů vnějšího i vnitřního prostředí. Takže tepelná zátěž prostředí na uživatele se sestává z přenosu tepla vedením, prouděním mezi uživatelem a vzduchem, zároveň sáláním mezi uživatelem a stěnou. Z výše uvedeného je zřejmé, že regulovat pouze na teplotu vnitřního vzduchu není dostatečné. Regulace se musí odehrávat i v návaznosti na povrchové teploty.

Vnitřní prostředí je sledováno prvním čidlem 8. Například při poklesu teploty vnějšího vzduchu dojde nejprve k ochlazení vnější strany obvodové konstrukce a poté dochází k prochlazování konstrukce, až se tato změna projeví na jejím vnitřním povrchu. Teplota vnější konstrukce je

-2CZ 30574 Ul sledována druhým čidlem 5. Z toho je zřejmé, že teplota, na kterou je potřeba provádět regulaci není teplota vnitřního vzduchu, ale součtová teplota, která se sestává z teploty vnitřního vzduchu a teploty na povrchu prostoru, který tvoří místnost respektive povrchové teploty stěn.

Vzhledem k tomu, že při prostupu tepla konstrukcemi dochází k fázovému zpoždění, které se pohybuje například v řádu hodin, je zřejmé, že změna teploty na vnitřním povrchu konstrukce se projeví později, než došlo k její změně na vnějším povrchu.

S ohledem na výše uvedené je z obr. 1 zřejmé, že ke zdroji 3 tepla a k předavateli 2 teplaje napojen odesílatel 7 dat. Odesílatel 7 dat, je také spojen s regulátorem 4 a odesílá regulovaná data zdroji 3 tepla a předavateli 2 tepla. Regulátor 4 je dále připojen na sběrnici 6 dat, která sbírá data z alespoň jednoho druhého teplotního čidla 5 povrchových teplot obvodové konstrukce a z alespoň jednoho prvního teplotního čidla 8 sledujícího teplotu vnitřního vzduchu.

Výše uvedené nedostatky stávajících metod regulace lze odstranit metodou dle technického řešení, kdy sledovanou veličinou je součtová teplota vnitřního prostředí, tedy sledovaným parametrem je teplota vnitřního vzduchu sledovaná čidly 8 a povrchová teplota stěn na vnitřním povrchu sledovaná pomocí čidel 5.

Požadavky na tepelný výkon tedy respektují fyzikální jevy, které mají vliv na sledovanou veličinu, kterou je součtová teplota. Těmito fyzikálními jevy je přestup tepla mezi vnějším prostředím a vnějším povrchem obvodové konstrukce, prostup tepla konstrukcí, přestup tepla mezi vnitřním povrchem a vnitřním prostředím, akumulace tepla v konstrukcích, prostorách a jejich vzájemná interakce.

Tím jsou průběžně sledovány parametry, které přímo ovlivňují sledovanou veličinu a jejich hodnoty jsou sledovány v prostředí, kde dochází k termodynamickým procesům souvisejícím se změnou těchto hodnot, dochází k vyloučení nepřesností vznikajících potřebou matematicky definovat a posléze počítat modely, které tyto změny popisují s tím, že pro každé prostředí, pro každou budovu a režim jejího používání je potřeba tyto modely definovat znovu.

Naopak využitím principu regulace podle technického řešení se otevírá cesta k tomu, že na základě historie naměřených dat sledovaných parametrů v konkrétním prostředí dochází k neustálému zpřesňování modelu řízení. Dále není třeba znalost předpovědi počasí, zajištění transferu těchto informací do regulační soustavy, zmenšují se nároky na výpočetní techniku.

Regulace na součtovou teplotu spočívá ve využití skutečnosti, že veškeré změny mají dopad na regulovanou veličinu se zpožděním. Regulace dle technického řešení předchází prodlení včasným zásahem regulačního zařízení již v okamžiku zaznamenání trendu vývoje regulované veličiny v reakci na změnu teploty a konečně tím i možnost využití sledování a adaptace na chování uživatele nebo uživatelů systému z hlediska efektivně zvoleného času spouštění, regulace a času vypínání regulovaného zařízení, a tím ještě více snížit vynaloženou energetickou spotřebu na zajištění požadovaného stavu sledované veličiny, tedy teploty.

Příklad takovéhoto využití je znázorněn na grafu na obr. 2, kde je znázorněna časová osa 9. Na této oseje plnou čarou zobrazena doba 12 přítomnosti uživatele v místnosti, například v koupelně nebo v obývacím pokoji, která začíná časem 10 příchodu uživatele a končí časem 11 odchodu uživatele z místnosti. Doba 15 provozu předavatele 2 tepla je znázorněna čerchovanou čarou se dvěma tečkami a začíná časem 13 spuštění předavatele 2 tepla a končí časem 14 vypnutí předavatele 2 tepla. Vzhledem k tomu, že při prostupu tepla konstrukcemi a při prohřívání místnosti dochází k fázovému zpoždění, je čas 13 spuštění předavatele 2 tepla situován na časové ose 9 ještě určitou dobu před časem 10 příchodu uživatele do místnosti a tato doba 16 náběhu předavatele 2 tepla, je zde znázorněna a tečkovanou čarou. Zařízení 1 je orientováno na úsporu energie, proto je čas 14 vypnutí předavatele 2 tepla situován ještě nějakou dobu před předpokládaným časem Π. odchodu uživatele z místností, takže je využita setrvačná fáze 17 předavatele 2 tepla, která je na obr. 2 znázorněna čárkovanou čarou, kdy už je předavatel 2 tepla vypnut. Čas 10 příchodu uživatele do místnosti a čas Π. odchodu uživatele z místnosti je získán podle předchozího chování uživatele, vůči předavateli 2 tepla, přičemž na toto chování uživatele se jednotlivé prvky zařízení 1 adaptují.

-3CZ 30574 U1

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro regulaci otopné soustavy lze využít ve všech typech objektů pro vytápění prostor a místností tam, kde je třeba udržovat nastavenou teplotu vnitřního vzduchu s využitím adaptace zařízení na běžné chování uživatele při současném požadavku na zefektivnění energetické po5 třeby na zajištění požadovaného stavu sledované veličiny, tedy teploty.

Claims (1)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení (1) pro regulaci otopné soustavy, obsahující zdroj (3) tepla spojený s předavatelem (2) tepla a první čidlo (8) pro sledování teplot vnitřního vzduchu, vyznačující se tím, že ke zdroji (3) tepla a k předavateli (2) tepla je napojen odesílatel (7) dat, který je také

   10 spojen s regulátorem (4), přičemž regulátor (4) je dále připojen na sběrnici (6) dat, která je spojena s alespoň jedním prvním teplotním čidlem (8) pro sledování teploty vnitřního vzduchu a s alespoň jedním druhým teplotním čidlem (5) pro sledování povrchových teplot obvodové konstrukce a zároveň s předavatelem (2) tepla se zdrojem (3) tepla.