Современная система теплоснабжения должна быть основана на трехступенчатой схеме, которая является лучшим техническо-экономическим компромиссом. Основными частями трехступенчатой системы теплоснабжения являются: 1. Источники тепла разных видов, соединенные между собой в единую закольцованную систему. 2. Транспорт тепла от источников на дальние расстояния при высокой температуре теплоносителя (130–150 °C) в центральные тепловые пункты (ЦТП). Плавное снижение температуры в ЦТП до максимальной температуры 110 °C. 3. Снабжение теплом индивидуальных тепловых пунктов из ЦТП. Индивидуальный тепловой пункт производит тепло уже на объекте и нагревает воду. Вся система работает по принципу двухтрубной разводки, что позволяет снизить потери тепла и электричества. Принцип экономии всех тепловых систем основан на управлении потреблением тепла. В системе теплоснабжения таким управляющим элементом является индивидуальный тепловой пункт (ИТП). Далее мы подробно рассмотрим, какими функциями должен быть оснащен современный контроллер ИТП. Рисунок. ~1~ Управление отоплением Кривая отопления Контроллер отопления управляет тепловой мощностью, изменением температуры теплоносителя. Уставка температуры теплоносителя определяется на основании температуры на улице и кривой отопления (погодозависимое управление). Кривая отопления физически определяется на основании формулы: ~2~ ~3~ Инерция здания Инерция зданий в большой степени влияет на результат погодозависимого управления отоплением. Современный контроллер ИТП должен учитывать и такой показатель. Инерция здания определяется на основании константы времени здания, которая находится в диапазоне от 10 ч у панельных домов до 35 ч у кирпичных домов. Контроллер ИТП генерирует на основании константы времени здания так называемую «комбинированную» температуру наружного воздуха, которая непосредственно воздействует на температуру внутри здания. На графике показано создание комбинированной температуры наружного воздуха: Схема. Сила ветра ~4~ Ветер также влияет на температуру помещения особенно в высотных зданиях, расположенных на открытых территориях. Если контроллер работает, компенсируя влияние ветра, то потенциал экономии составляет около 10%. Вод влиянием силы ветра снижается или повышается температура подачи. Ограничение температуры «обратки» Все описанные выше виды управления косвенно влияют на понижение температуры «обратки». Температура «обратки» является главным показателем эко номичной работы системы теплоснабжения. При различных режимах работы ИТП температура «обратки» может быть снижена при помощи функций ограничения. Однако все функции ограничения влекут за собой снижение комфорта! Их применение должно быть технически обосновано. 1. Динамическое ограничение температуры «обратки» (DRT) В независимых схемах подключения контура отопления (через теплообменник) при наличии двух температурных датчиков обратки функция ограничения контролирует, правильно ли используется тепловая энергия. Функция DRT реагирует на разницу температуры «обратки» первичного контура и контура отопления. Разница при экономичной работе теплообменника не должна превышать 5 °C. При превышении этого значения контроллер начинает тормозить открытие регулирующего клапана, и тем самым, предотвращается пиковая нагрузка. На рисунке показано действие функции DRT: Схема. ~5~ 2. Статическое ограничение температуры «обратки» TR Функция используется, если отопительные приборы в контуре отопления оборудованы термостатическими регуляторами или если необходимо гарантировать выполнение условий подключения теплового пункта к сети теплоснабжения. Функция проста и реагирует на температуру обратки. Уставкой температуры «обратки» может быть константа или плавная переменная в зависимости от температуры наружного воздуха. Контроллер при превышении температуры обратки над уставкой начинает тормозить открытие регулирующего клапана и, тем самым, ее понижает. На рисунке изображен принцип действия функции TR: Схема. ~6~ Ограничение расхода или мощности ИТП Компоненты ИТП и, тем самым, всей системы теплоснабжения рассчитаны и подобраны на основании номинальной нагрузки с определенным запасом. В динамических условиях работы системы теплоснабжения возникают пиковые нагрузки, которые значительно превышают номинальные нагрузки. Пиковые нагрузки в лучшем случае снижают экономию и срок эксплуатации компонентов, в худшем — могут вызвать сбой системы. Контроллер ИТП помогает избежать пиковых нагрузок при помощи функции ограничения мощности. Эта функция может работать при наличии узла учета, из которого получает соответствующую информацию. При обнаружении максимальной нагрузки функция начинает тормозить открытие регулирующих клапанов. Принцип действия показан на рисунке Схема. ~7~ Итак, мы рассмотрели основные алгоритмы контроллера ИТП, которые повышают КПД и надежность всей системы теплоснабжения. Именно благодаря им происходит энергосбережение. Контроллеры оснащены дополнительными функциями, которые отслеживают аварийные ситуации и помогают планировать обслуживание ИТП на основании технологических данных. Перейдем к рассмотрению подбора и управления системы ГВС. Особые функции контроллера индивидуального теплового пункта Одной из очень важных частей ИТП является система ГВС. В современной системе теплоснабжения устаревшие накопительные системы ГВС вытесняются устройствами проточного подогрева воды через быстродействующие теплообменники. Необходимость развития именно таких систем обусловлена более строгими санитарными требованиями, направленными на снижение развития бактерий легионеллы, а также попытками минимизировать потери тепла, неизбежно возникающие при медленной работе больших систем. Небольшие накопительные резервуары используются только в качестве так называемых буферов в режимах максимальных пиковых нагрузок. В соответствии с современным гидравлическим решением нагрева ГВС формируются требования к автоматизации: ❏ стабильная температура ГВС без скачков; ❏ энергосбережение с использованием тепловой энергии отопления; ❏ надежная и долгосрочная работа исполнительных инструментов автоматики; ❏ снижение затрат на обслуживание загрязненных теплообменников; ❏ планирование обслуживания (создание сообщений контроллером в случае аварийных ситуаций и необходимости обслуживания); ❏ работа системы ГВС без сбоев. Управление нагревом горячей воды (ГВС) Схема. Схема проточной системы ГВС ~8~ Исполнительные компоненты автоматики Автоматизация всегда состоит из набора нескольких компонентов. Ошибочно полагать, что автоматика — это только контроллер, на конечный результат влияет правильный подбор всех компонентов. Контроллер не может компенсировать недостатки других компонентов системы. Регулирующий клапан и привод Качество исполнения клапана и привода в значительной степени влияет на качество автоматики. Важную роль играет диапазон управления клапана, время срабатывания привода и срок службы привода, который должен выдерживать большое количество перемещений. С учетом этих жестких требований Siemens разработал новые технологии клапанов и приводов, которые по своим характеристикам в несколько раз превосходят аналоги именно в проточных системах ГВС. В приводах используется электрогидравлическая или электромагнитная технология, что позволяет избежать механического износа внутренних деталей. Срок службы привода увеличивается в два раза. Благодаря новым технологиям также увеличена мощность, увеличено усилие или снижено время срабатывания приводов (от 2 до 15 с), что необходимо для систем ГВС. Датчики температуры Эффект использование качественных датчиков по непонятным причинам недооценивается. Датчики должны быть не только надежными, но и, что важно для систем ГВС, быстродействующими! Рекомендуемая константа по времени датчика температуры — менее 4 с в зависимости от нагрузки. Интересно, что при замене датчика с константой 8 мс на датчик с константой 4 с срок службы привода увеличится на 40 %. При подборе качественного датчика температуры нет смысла экономить копейки. В системах ГВС с циркуляцией рекомендуется использовать также датчик температуры холодной воды, который предварительно информирует контроллер об изменении нагрузки и, тем самым, влияет на качество управления. Контроллер Контроллер системы должен работать по принципу PID контроллера. Кроме того, контроллер должен быть оснащен функциями адаптации и оптимизации, которые описаны в следующих разделах. Адаптация хода штока регулирующего клапана ГВС Условия работы регулирующего клапана ГВС очень жесткие. Клапан должен быстро и точно реагировать на большие изменения нагрузки в контуре ГВС. Контроллер управляет клапаном при помощи PID алгоритма. Правильное наложение констант PID влияет на точность, стабильность и, тем самым, на срок эксплуатации привода-клапана. При этом работа контроллера усложняется еще различной температурой подачи в первичном контуре в зависимости от отопительного сезона. Схема. ~9~ Контроллер должен быть оснащен функцией адаптации управления клапаном ГВС. Контроллер постоянно оценивает максимальный ход штока клапана (< 100 %) и определяет диапазон управления клапана. Таким образом, достигается стабильная работа контроллера в течение всего года. Если у контроллера нет функции адаптации, в зимнем режиме он будет работать нестабильно. Приоритет нагрева ГВС При наличии ИТП в системе теплоснабжения не рекомендуется подбирать трубопроводы, ориентируясь на полную нагрузку отопления и ГВС, а следует рассчитывать только на 70 %, поскольку предусматривается несовместимость нагрузок отопления и ГВС, а также пиковое поведение системы ГВС. При пиковом потреблении горячей воды контроллер кратковременно понижает потребление тепловой энергии в контуре отопления. Ограниченное снижение мощности в отоплении не влияет на снижение температуры (комфорта) в помещениях здания. Схема ИТП с параллельным подключением контура отопления и ГВС: Схема. ~10~ Контроллер ИТП распознает пиковую нагрузку в системе ГВС без дополнительных датчиков. Пиковая нагрузка определяется только на основании поведения температуры подачи ГВС (датчик B3). Если при полном открытии регулирующего клапана ГВС (Y5/Y6) температура ГВС опускается ниже желаемой температуры (в примере 48 °C), то контроллер начинает определять степень пиковой нагрузки при помощи температурного интеграла «a» (см. картинку). Значение интеграла преобразуется на процент закрытия управляющего клапана отопления (Y1/Y2). Схема. ~11~ Использование оставшейся тепловой энергии отопления для нагрева горячей воды Задача решается либо чисто гидравлически, либо при помощи управления контроллером. При гидравлическом решении используются два теплообменника ГВС или специальные двойные теплообменники. Такие системы экономят энергию, а также снижают загрязнение теплообменника ГВС. ~12~ Снижение загрязнения пластин теплообменника Качество автоматики определенным образом влияет на загрязнение пластин теплообменника. Загрязнение происходит из-за наличия отложений в нагреваемой воде и значительно снижает стабильность работы системы ГВС, а также экономию. Степень загрязнения зависит от концентрации отложений и разности температур на пластинах теплообменника между нагреваемой и греющейся водой. Правильный подбор компонентов автоматики оказывает значительное влияние на разность температур на пластинах теплообменника. С точки зрения загрязнения пластин к автоматике предъявляются следующие требования: ❏ очень быстрый привод регулирующего клапана. Рекомендуется электромагнитный клапан; ❏ использование второго датчика температуры холодной воды; ❏ снижение температуры (смешивание) воды, входящей в теплообменник. Рекомендуется так называемое подключение с двумя клапанами ГВС. ❏