Основная особенность узлов учета тепловой энергии (УУТЭ) заключена в том, что сами по себе УУТЭ не позволяют экономить тепловую энергию, а лишь фиксируют реальный расход тепловой энергии на отопление здания и горячее водоснабжение, т.е. предоставляют потребителю и теплоснабжающей организации (ТСО) лишь информацию о работе системы отопления. Очевидно, что для того, чтобы экономить, кроме сбора информации о теплопотреблении необходимо еще осуществлять и регулирование работы системы отопления, что до недавнего времени представляло основную трудность, т.к. система, осуществляющая такое регулирование, должна быть автоматической, потому что «ручное» управление неэффективно. Создание электронной компоненты такого рода систем (регуляторов) технически не самая сложная задача, проблемы при создании регуляторов возникают на стадии выбора «идеологии», которую реализует регулятор. И именно на стадии выбора «идеологии» работы регулятора предрешается то, насколько эффективно будет регулирование и будет ли оно в принципе возможно, т.е. сможет ли регулятор удовлетворить требования, предъявляемые к работе системы отопления со стороны потребителя тепловой энергии и со стороны ТСО. Основные требования к регулятору Совокупность требований, предъявляемых к регулятору, может быть определена на основе трех критериев: o требования, предъявляемые ТСО к потребителю; o требования потребителя тепловой энергии, предъявляемые к работе системы отопления; o требования обслуживающих и монтажных организаций к монтажу, наладке и обслуживанию регулятора. Рассмотрим эти критерии. Требования потребителя. Ожидания потребителя от работы регулятора в основном сводятся к тому, чтобы: o в здании поддерживалась комфорт-ная температура (или, точнее, температура в помещениях должна соответствовать санитарным нормам); o не переплачивать за излишнюю энергию, т.е. не потреблять тепловую энергию, когда в этом нет необходимости, что в Северо-Западном регионе зачастую происходит, особенно в начале и конце отопительного сезона, когда температура наружного воздуха еще/уже относительно высока; o не нарушались параметры договора теплоснабжения и, соответственно, не было необходимости платить штрафы ТСО за нарушение режимов теплопотребления; o не возникало аварийных ситуаций, приводящих к размораживанию системы отопления. Требования ТСО. Основное требование ТСО, предъявляемое к потребителю тепловой энергии, заключается в выполнении условий договора на теплоснабжение, который обычно содержит максимальную величину расхода тепловой энергии потребителем, максимальную величину массового расхода теплоносителя на нужды отопления и ГВС, требование соблюдения температурного графика работы системы отопления. Требования монтажных и обслуживающих организаций. Эти требования в основном сводятся к тому, чтобы регулятор настраивался однократно, т.е. чтобы не возникало необходимости регулярно перенастраивать систему, например при изменении погодных условий или режима подачи теплоносителя ТСО, регулярно иметь полную информацию о работе регулятора, т.е. регулятор должен иметь возможность архивирования регистрируемых параметров и параметров, описывающих процесс управления, что имеет существенное значение при наладке регулятора. Также обслуживающие организации заинтересованы в том, чтобы при работе регулятора не возникало аварийных ситуаций, приводящих к разрушению системы отопления здания. Как показывает опыт эксплуатации существующих регуляторов, одновременное выполнение всех этих требований достаточно сложная задача и предполагает разрешение целого комплекса проблем. Во-первых, поддержание комфортной температуры в помещениях. Основная трудность в данном случае заключена в выборе «контрольного помещения», по измерениям температуры, в котором регулятор будет оценивать необходимость формирования управляющего воздействия на исполнительный механизм. Очевидно, что в здании невозможно найти помещение, температура в котором была бы «характерной» вне зависимости от изменения погодных условий и вне зависимости от режима подачи теплоносителя. Также следует учитывать, что температурный режим в различных помещениях может изменяться с течением времени в ходе различных реконструкций, ремонтов и т.п. Следовательно, для получения адекватной информации о температуре внутри здания, а не внутри «контрольного помещения», необходимо иметь большое количество датчиков температуры, данные с которых усреднялись бы. При этом датчики внутри здания должны располагаться так, чтобы учитывались расположение нагревательных элементов системы отопления, особенности циркуляции воздуха внутри здания, а также воздействие внешних факторов, таких как солнце, преимущественное направление ветра и т.п. Правильное расположение датчиков и большое их количество позволят не только поддерживать комфортную температуру внутри здания, но и эффективно выбирать режим работы системы отопления, при котором теплопотребление будет минимальным. Это означает, что регулятор должен иметь возможность изменять температуру внутри здания в зависимости от времени суток и дня недели. Такая возможность может быть реализована за счет изменения режимов теплопотребления «день/ночь» и «выходной день», при этом регулятор должен обеспечивать выход из режима «ночь» с учетом температуры наружного воздуха, что будет определять степень экономии тепловой энергии. Во-вторых, основной трудностью для потребителя является выполнение требования ТСО соблюдать температурный график, т.е. не превышать температуру теплоносителя в обратном трубопроводе при заданной температуре теплоносителя в подающем трубопроводе системы отопления. Проблема состоит в том, что температурные графики, выдаваемые ТСО потребителям, нелинейные и во многих случаях имеют ступенчатый характер (рис. 1). Для выполнения этого требования необходимо регулировать расход теплоносителя в системе отопления при изменении режима подачи теплоносителя со стороны ТСО таким образом, чтобы температура теплоносителя в обратном трубопроводе не превышала заданную по графику. Для этого в регулятор должен вводиться конкретный температурный график конкретного источника тепловой энергии (ТЭЦ, ЦТП или индивидуальной котельной), причем линеаризация недопустима, т.к. такой метод задания температурного графика может привести к превышению температуры в обратном трубопроводе и, соответственно, штрафным санкциям со стороны ТСО. В-третьих, для предотвращения «размораживания» системы отопления потребителя регулятор должен иметь ограничение по нижнему пределу изменения расхода теплоносителя. Это ограничение может быть заложено на программном уровне, но, как показывает опыт эксплуатации, наиболее эффективно дублировать программное ограничение механическим ограничением на ход исполнительного механизма. То же касается верхнего ограничения на расход теплоносителя в системе отопления, т.к. превышение договорного расхода приведет к наложению штрафных санкций на потребителя со стороны ТСО. Для того чтобы реализовать эти ограничения на программном уровне в регуляторе, необходимо иметь информацию о текущем расходе теплоносителя, данная проблема относительно легко разрешается. Априори, регулятор имеет смысл использовать лишь при наличии УУТЭ, т.е. в ситуации, когда на трубопроводах уже установлены расходомеры. При этом информация о расходе теплоносителя может быть получена непосредственно с расходомеров (в некоторых случаях) или из тепловычислителя. В большинстве современных тепловычислителей реализован канал связи с внешними устройствами на основе порта RS232, и многие производители тепловычислителей «открывают» протокол обмена, что позволяет при регулировании теплопотребления использовать данные о параметрах теплопотребления, которые в дальнейшем будут представляться в ТСО в виде отчета о теплопотреблении, что немаловажно для потребителя и, кроме того, дает возможность косвенно получать данные о работе регулятора для анализа. Т.е. регулятор должен иметь канал связи с тепловычислителем и должен «уметь» считывать данные о текущем режиме теплопотребления из тепловычислителя. Кроме вышеперечисленных условий, существенное значение имеет наличие архива данных измеряемых параметров и данных о процессе регулирования в самом регуляторе. Проверка качества регулирования имеет существенное значение при наладке и дальнейшей эксплуатации регулятора. При этом такая проверка должна производиться не только по косвенным вычислениям (по данным тепловычислителя), но и непосредственно. Более того, как показывает опыт эксплуатации, архивирование текущих измеряемых регулятором параметров позволяет найти неисправности в оборудовании УУТЭ, проявляющиеся в течение короткого времени, т.к. тепловычислители, входящие в состав УУТЭ, архивируют только средние значения за интервал интегрирования. Таким образом, можно сформулировать основные принципы работы регулятора: 1) Поддержание комфортной температуры в здании, а не в «контрольном помещении». 2) Поддержание нескольких режимов работы — день/ночь/выходной день. 3) Поддержание температурного графика работы системы отопления. 4) Контроль расхода теплоносителя с целью предотвращения превышения договорных значений, а также с целью предотвращения аварийных ситуаций в системе отопления. 5) Взаимодействие с тепловычислителем, входящим в состав УУТЭ. 6) Архивирование измеряемых параметров работы системы отопления и данных о процессе регулирования. Очевидно, что любой регулятор должен удовлетворять всем вышеперечисленным требованиям одновременно, т.е. обеспечивать компромисс между потребителем тепловой энергии, ТСО и обслуживающей организацией, что представляет собой «камень преткновения» для существующих регуляторов. Проблемы существующих регуляторов теплопотребления На сегодняшний день регуляторы теплопотребления, доступные в России, условно можно разделить на две группы: o регуляторы в составе тепловычислителя; o регуляторы, работающие независимо от тепловычислителя, в т.ч. регуляторы импортные (европейских производителей). Об импортных регуляторах можно вообще ничего не говорить, т.к. они рассчитаны на работу в системах отопления с количественным принципом регулирования подачи теплоносителя. В Европе принято из соображений безопасности подавать теплоноситель с температурой не выше 45°С, а объем подаваемой теплоэнергии регулируется путем изменения количества теплоносителя. Такое деление обусловлено тем, что регулировать теплопотребление экономически нецелесообразно без УУТЭ, т.к. при отсутствии УУТЭ расчеты между потребителем и ТСО осуществляются согласно договору вне зависимости от того, сколько реально потребитель использовал тепловой энергии. Сразу следует отметить проблему регуляторов первой группы — экономическая перспективность в настоящее время представляется сомнительной. Это связано с тем, что вероятность того, что потребители, имеющие УУТЭ, будут реконструировать узел учета ради установки регулятора теплопотребления, низка, а именно с такой необходимостью может столкнуться потребитель при использовании регуляторов первой группы. Кроме того, при последующей реконструкции УУТЭ, имеющего в своем составе регулятор, потребителю придется одновременно реконструировать и систему регулирования. Регуляторы второй группы лишены такого недостатка, т.к. могут устанавливаться на объектах уже оснащенных УУТЭ. Основная особенность вышеперечисленных регуляторов заключается в реализуемом в них принципе регулирования. Чаще всего в регуляторах используются принципы ПИД, ПИ или ПД регулирования. Это и является главным недостатком существующих регуляторов, т.к. регулирование, основанное на таких принципах, осуществляется по одному параметру, а как было показано выше, регулятор должен обеспечивать регулирование по нескольким параметрам для того, чтобы удовлетворить одновременно требованиям ТСО и потребителя. Также к недостаткам существующих регуляторов можно отнести ограниченность выбора контрольного помещения для измерения температуры, т.к. количество подключаемых датчиков температуры в помещении ограничивается одним-двумя, что существенно снижает качество регулирования, потому что такое количество датчиков не может обеспечить адекватную информацию о температурном режиме в здании. Далее, ни один регулятор не имеет «защиты от размораживания», т.е. в соответствии с информацией о режиме теплопотребления, получаемой регулятором от датчиков, возможна ситуация, при которой регулятор остановит циркуляцию теплоносителя в системе отопления, что соответственно может привести к «размораживанию» системы отопления. Большинство регуляторов не регистрируют информацию о расходе теплоносителя в системе отопления и, соответственно, не используют ее в процессе регулирования, что может привести к перерасходу теплоносителя на нужды отопления и штрафным санкциям со стороны ТСО по отношению к потребителю. Также большинство регуляторов не позволяют задать оператору индивидуальный температурный график и используют при регулировании температурный график, данный в СНиП, который имеет линейный характер, что никак не соответствует реальным температурным графикам ТСО, особенно в зоне низких температур теплоносителя (t1 = 63–102°С) в подающем трубопроводе, в которой в основном и должен работать регулятор, т.е. возможны ситуации, при которых потребитель будет нарушать температурный график, что приведет к штрафным санкциям со стороны ТСО. Использование ПИ, ПД или ПИД-принципов регулирования также негативно сказывается на возможности экономии тепловой энергии, т.к. системы отопления имеют большую инерционность. Поэтому в большинстве регуляторов период выхода в «новый» режим при изменении, например режима подачи теплоносителя или при смене режима работа регулятора «день/ночь», составляет 6–8 часов, т.е. можно говорить о том, что переходные процессы в системе отопления занимают от 12 до 16 часов. Следовательно, существенно снижается эффективность регулирования с точки зрения экономии тепловой энергии. Кроме того, при столь длительном переходном процессе в системе отопления регулятор активно воздействует на исполнительный механизм (клапан с приводом или гидроэлеватор) в течение длительного периода времени, что не может не сказаться негативно на ресурсе работы исполнительного механизма. Многие производители регуляторов предлагают потребителям самостоятельно определять настроечные параметры ПИД-регулирования, подбирая их экспериментально! Поэтому многие регуляторы требуют постоянных настроек в процессе эксплуатации и, соответственно, их трудно назвать автоматическими, т.к. подбор параметров ПИД регулирования на реальных системах отопления может занимать до нескольких месяцев, а зачастую такая настройка становится в принципе невозможна. Кроме недостатков, связанных с принципами регулирования, следует также отметить, что многие регуляторы созданы для систем отопления, в которых используется «количественная» схема теплоснабжения, т.е. предполагается, что температура теплоносителя в подающем трубопроводе постоянна, а количество потребляемого тепла определяется расходом теплоносителя в системе отопления. На работу с такой схемой теплоснабжения рассчитаны в основном европейские образцы регулято-ров, т.к. в Европе используется именно такая схема теплоснабжения. В российских системах отопления используется «качественная» схема теплоснабжения, т.е. схема, при которой расход теплоносителя неизменен, а изменяется его температура. Наиболее известный в России регулятор, предназначенный для работы в системах отопления с «количественной» схемой теплоснабжения — Danfoss. Как показывает опыт эксплуатации таких регуляторов, они относительно неплохо работают в коттеджах или других небольших зданиях после ЦТП, при этом для зданий с большой тепловой нагрузкой в этих регуляторах начинают проявляться все выше перечисленные недостатки. Таким образом, можно сделать вывод о том, что большинство существующих регуляторов не в состоянии обеспечить эффективное регулирование, а во многих случаях просто не в состоянии осуществить регулирование потребления тепловой энергии. Решение поставленных задач На основе анализа данных, полученных в ходе эксплуатации регуляторов, а также сведений, почерпнутых из описаний регуляторов, обнаружено, что большинство существующих регуляторов не удовлетворяют сформулированным принципам или удовлетворяют им частично. Именно это и побудило нашу организацию к созданию регулятора, отвечающего требованиям хотя бы Северо-Западного региона, а именно Санкт-Петербурга и Ленобласти. Вначале было разработано техническое задание на создание требуемого устройства, с которым мы обратились в одну из организаций, занимающихся производством расходомеров и теплосчетчиков. После изучения наших материалов они отказались заняться производством, т.к. запускают в серию свой регулятор, который отвечает тем параметрам, которые изложили мы. Некоторое время спустя для широкого круга стало доступно описание их регулятора и, к «счастью», выяснилось, что они, как и многие до них, пошли по пути, проторенному иностранными производителями. В таких условиях мы и решили начать производство самостоятельно. В результате появился на свет регулятор подачи теплоносителя на объект серии «НОРМА», который удовлетворяет сформулированным выше принципам и обеспечивает: 1) Точность информации — данные о расходе и температуре теплоносителя получены от тепловычислителя. 2) Объективность информации — температура измеряется не в одном «контрольном помещении», а по всему зданию (количество подключаемых датчиков не ограничено). 3) Удобство наблюдения — подвалы зачастую очень плохо освещены, поэтому наличие светодиодной сигнализации позволяет визуально контролировать работу регулятора, а именно: o режим работы РТ — день/ночь/выходной день; o сигнализацию наличия или отсутствия питания; o сигнализацию наличия аварии; o состояние объекта регулирования — в норме, выше нормы, ниже нормы; o сигнализацию об угрозе размораживания системы отопления. 4) Контроль работы тепловычислителя — ведутся архивы как измеренных, так и полученных от тепловычислителя данных, что позволяет обнаружить неисправность оборудования, не диагностируемую тепловычислителем. 5) Наличие собственных архивов — регулятор имеет суточные, часовые и так называемые архивы текущего времени, которые помогают анализировать работу регулятора по итогам сеансов опроса датчиков и тепловычислителя, а также узнать направление и величину смещения штока исполнительного механизма. 6) Контроль расхода теплоносителя — не допускается превышение договорных расходов и «остановка» системы отопления. 7) Контроль за поддержанием температурного графика — выдерживается зависимость t2 от t1 по графику, заданному энергоснабжающей организацией. 8) Минимум монтажа в теплоцентре — на элеваторном узле устанавливается только исполнительный механизм — клапан или осевой элеватор, что значительно снижает стоимость монтажных работ. 9) Простоту монтажа датчиков в помещениях — линию связи можно прокладывать обычным телефонным проводом. 10) Использование цифровых датчиков температуры позволило подключить их по одному шлейфу, а их помехозащищенность позволила использовать недорогой провод ТРП, известный как телефонный или «лапша». 11) Простоту и логичность вводимой базы данных. 12) Все параметры, необходимые для создания модели здания, определяются регулятором автоматически, без необходимости рассчитывать их вручную или экспериментально. 13) Параметры, определяющие настройку регулятора под конкретный объект, просты и понятны любому пользователю. 14) Защита базы данных паролем предотвращает несанкционированное вмешательство неквалифицированного персонала. 15) При выходе из строя тепловычислителя или на время проведения его госповерки регулятор «НОРМА» продолжает работать в режиме обычного ПИД-регулятора. Регуляторы серии «НОРМА» были установлены на нескольких объектах Санкт-Петербурга. Подвергнем подробному анализу работу регулятора на одном из них. Ниже представлены зависимости, характеризующие работу регулятора «НОРМА», установленного в типовом здании детского сада. Договорной расход теплоносителя составляет 3,15 т/ч, подключенная тепловая нагрузка — 0,19 Гкал/ч, температурный график — 130/70 при tнв = –26°С, в качестве исполнительного механизма использовался электронный гидроэлеватор ЭГО. Из зависимости (рис. 2, см. стр. 42) хорошо видно, что до использования регулятора «НОРМА» схема теплоснабжения здания является «качественной», т.к. расход теплоносителя в системе отопления остается относительно постоянным вне зависимости от времени суток. При использовании регулятора «НОРМА», настроенного на работу в режиме день/ночь (днем в здании поддерживается заданная комфортная температура, а ночью пониженная температура), схема теплоснабжения становится «качественно-количественной» (рис. 3, 4). Так, в течение ночи с 19:00 до 6:30 расход теплоносителя поддерживался на таком уровне, чтобы температура в здании соответствовала заданной, при этом расход теплоносителя ограничивался снизу для того, чтобы избежать полной остановки системы и сверху, для того, чтобы потребитель не превысил договорное значение расхода теплоносителя более чем на 5%. С 6:30 регулятор перешел на режим «день» и, соответственно, начал осуществлять повышение температуры в здании за счет увеличения расхода теплоносителя в системе отопления (с 6:30 до 10:00) не превышая при этом договорного расхода. Как видно из графика (рис. 3, 4), процесс увеличения температуры в здании при переходе из режима «ночь» в режим «день» занимает не более 2–3 часов, а обратный переход занимает 1–2 часа. Это происходит благодаря тому, что регулятор при «принятии решения» на открытие/закрытие исполнительного механизма использует информацию о величине расхода теплоносителя из тепловычилителя. Следует отметить, что в ночные часы наблюдается уменьшение потребления тепловой энергии, по сравнению с дневным потреблением (рис. 3, 4), чего не происходило до использования регулятора (рис. 2). В регуляторе «НОРМА» также реализована возможность работы в режиме «выходного дня» — это режим, при котором в здании поддерживается минимальное заданное значение температуры в течение нескольких дней, считающимися выходными. В этом режиме регулятор также снижает расход теплоносителя в системе отопления, что, соответственно, приводит к уменьшению теплопотребления (рис. 3, 4). То, что схема теплоснабжения является качественной, хорошо видно из графика зависимости (рис. 6) по характеру изменения температуры в подающем трубопроводе t1 (эта температура определяется ТСО), при этом расчетное значение температуры в обратном трубопроводе системы отопления t2 получено из температурного графика, предоставленного ТСО, а реальное значение t2 измерено в системе отопления при работе регулятора «НОРМА». Как следует из графиков (рис. 5), регулятор «НОРМА» успешно выдерживает температурный график, т.е. не допускает увеличения температуры t2 выше расчетной и, следовательно, обеспечивает полное удовлетворение требований, предъявляемых ТСО к потребителю по режиму работы системы отопления. Локальные минимумы t2 соответствуют работе регулятора в режиме «ночь». При этом температура в здании поддерживается на уровне 20±1°С. При этом наблюдается следующая интересная закономерность: при отсутствии людей в здании и закрытых дверях и окнах снижение расхода до 30% от расчетного, существенного влияния на температуру в здании не оказывает. Таким образом, рекомендуемая многими производителями регуляторов величина снижения температуры ночью до 15–16°С вызывает, по меньшей мере, удивление. Она просто не сможет упасть до этого уровня. Если, конечно, здание надлежащим образом утеплено. Подобный эффект наблюдался и на другом объекте, где средняя температура по зданию составляла 26°С и потребовалось 4 дня для доведения ее до уровня 20°С. Испытана возможность работы регулятора без тепловычислителя. Как видно из приведенного графика (рис. 7), его работа ничем не отличается от работы обычного регулятора, ориентированного на поддержание температуры внутри помещения. При этом расход теплоносителя не ограничивается договорными значениями и превышает их, что может негативно сказаться как на работе котельного оборудования, так и на работе системы отопления. Кроме того, время установления температуры внутри помещения при переходе из режима в режим одинаково для перехода «день/ночь» и «ночь/день» и составляет около 6 часов, что свидетельствует о принципиальной необходимости получения информации о расходе теплоносителя для осуществления эффективного регулирования теплопотребления. Из зависимостей температуры от времени (рис. 5) и расхода теплоносителя от времени (рис. 6) видно, что регулятор обеспечивает стабильное регулирование теплопотребления, а также осуществляет эффективную смену режимов теплопотребления «день/ночь» и режима «выходной день». Количественную оценку экономии тепловой энергии можно сделать на основе данных представленных гистограмм (рис. 8). Так, теплопотребление за отопительный сезон 2003–2004 гг. по рассмотренному объекту составило 230 Гкал. При этом теплопотребление за сезон 2002–2003 гг. составило 312 Гкал, т.е. регулятор «НОРМА» обеспечил экономию 82 Гкал тепловой энергии или 26%. Но, вместе с тем, такой метод определения эффективности работы регулятора необъективен, т.к. температура наружного воздуха не повторяется от сезона к сезону. Так как системы отопления рассчитаны на постоянный расход, то и подсчитать эффективность работы регулятора корректнее по расходу теплоносителя. Из приведенной гистограммы (рис. 8) видно, что эффективность регулятора составила 31%. Средний коэффициент эффективности составил 28,5%. Абонент сэкономил 52 тыс. руб. и окупил затраты на приобретение оборудования за 3,5 месяца, что является отличным результатом, учитывая малую тепловую нагрузку (0,19 Гкал/ч). Таким образом, созданный фирмой «Тепломер» регулятор серии «НОРМА» удовлетворяет всем сформулированным выше принципам и является точным инструментом регулирования подачи теплоэнергии на объект.