Устройство и способ управления открытием клапана в системе hvac
Иллюстрации
Показать всеИзобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в системах нагрева, вентиляции и кондиционирования воздуха. Для управления открытием клапана (10) в системе (100) HVAC для регулировки расхода текучей среды через устройство (2) обмена тепловой энергией системы (100) HVAC и регулировки величины энергии , которой обменивается устройство (2) обмена тепловой энергией, определяют расход через клапан (10) и разность температур между температурой притока текучей среды, поступающей в устройство (2) обмена тепловой энергией, и температурой возврата текучей среды, покидающей устройство (2) обмена тепловой энергией. Управление открытием клапана (10) осуществляется в зависимости от расхода и разности температур . Например, управление открытием клапана (10) осуществляется в зависимости от критерия управления, вычисленного из расхода и разности температур . Технический результат – повышение эффективности работы теплообменников. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 17 ил., 1 табл.
Реферат
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройству и способу управления открытием клапана в системе нагрева, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC). В частности, настоящее изобретение относится к способу и устройству управления для управления открытием клапана в системе HVAC для регулировки расхода текучей среды через устройство обмена тепловой энергией системы HVAC и, таким образом, для регулировки величины энергии, которой обменивается устройство обмена тепловой энергией.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Регулируя расход текучей среды через устройства обмена тепловой энергией системы HVAC, можно регулировать величину энергии, которой обмениваются устройства обмена тепловой энергией, например, для регулировки величины энергии, доставляемой теплообменником для нагрева или охлаждения комнаты в здании или величины энергии отбираемой охладителем для охлаждения. Хотя перенос текучей среды через трубопровод системы HVAC осуществляется с помощью одного или более насосов, расход обычно регулируется путем изменения открытия или положения клапанов, например, вручную или посредством приводов. Известно, что эффективность устройств обмена тепловой энергией снижается при высоких расходах, когда текучая среда прорывается с увеличенной скоростью через устройства обмена тепловой энергией, не приводя к значительному увеличению энергообмена.
В US 6,352,106 описан самоуравновешивающийся клапан, имеющий датчик температуры для измерения температуры текучей среды, проходящей через клапан. Согласно US 6,352,106, диапазон и, таким образом, максимальное открытие клапана регулируются динамически, в зависимости от измеренной температуры. Открытие клапана модулируется на основании сохраненного порогового значения температуры, текущей температуры текучей среды и позиции командного сигнала от регулятора нагрузки. В частности, диапазон открытия клапана периодически устанавливается регулятором положения, на основании порогового значения температуры, хранящегося на регуляторе положения, текущей температуры текучей среды и разности между ранее измеренной температуры текучей среды и текущей температуры текучей среды. В US 6,352,106 дополнительно описан альтернативный вариант осуществления с двумя датчиками температуры, один из которых расположен на приточной линии и другой расположен на обратной линии, для измерения фактического перепада температур на нагрузке, т.е. устройстве обмена тепловой энергией. Согласно US 6,352,106, в этом альтернативном варианте осуществления, пороговая температура является пороговым перепадом температур на нагрузке, определенным системными требованиями нагрузки. Таким образом, US 6,352,106 описывает управление расходом на основании изменения температуры текучей среды или изменения перепада температур на нагрузке. Соответственно, управление расходом осуществляется на основании сравнения определенных изменений температуры с фиксированными пороговыми температурами или пороговыми перепадами температур, соответственно, которые должны быть заранее заданными и храниться на регуляторе положения клапана. В результате, во избежание неверных и неэффективных настроек клапана, нужно гарантировать, во время начальной установки системы и всякий раз, когда устройства обмена тепловой энергией заменяются новыми моделями, что сохраненные пороговые температуры или пороговые перепады температур, соответственно, соответствуют типу и конструкционным параметрам устройств обмена тепловой энергией, используемых в системе HVAC.
В документе DE 10 2009 004319 раскрыт способ эксплуатации системы нагрева или охлаждения, что позволяет регулировать разность температур между температурой притока и температуры возврата или только температуру возврата, благодаря чему, достигается гидравлическая балансировка каждого теплообменника системы нагрева или охлаждения в зависимости от значений температуры. Балансировка вновь регулируется и оптимизируется при каждом изменении условий эксплуатация. Хотя для управления используется разность температур между температурой притока и температуры возврата, не раскрыты ни расходомер, ни измерение потока энергии через теплообменник, ни определение функциональной зависимости потока энергии от массового расхода теплоносителя или хладагента.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача данного изобретения состоит в создании способа и устройства управления для управления открытием клапана в системе HVAC, причем эти способ и устройство управления не имеют по меньшей мере некоторых из недостатков уровня техники. В частности, задачей настоящего изобретения является обеспечение способа и устройства управления для управления открытием клапана в системе HVAC для регулировки расхода текучей среды через устройство обмена тепловой энергией для эффективной работы теплообменника.
Согласно настоящему изобретению, решение этих задач отражено признаками независимых пунктов формулы изобретения. Кроме того, дополнительные преимущественные варианты осуществления вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения и описания.
Согласно настоящему изобретению, решение вышеупомянутых задач, в частности, состоит в управлении открытием (или положением или размером отверстия) клапана в системе HVAC для регулировки расхода текучей среды через устройство обмена тепловой энергией системы HVAC и, таким образом, регулировке величины энергии , которой обменивается устройство обмена тепловой энергией, при том, что измеряется расход через клапан и определяется разность температур между температурой притока текучей среды, поступающей в устройство обмена тепловой энергией, и температурой возврата текучей среды, покидающей устройство обмена тепловой энергией. Управление открытием клапана осуществляется в зависимости от расхода и разности температур . В частности, на основании расхода и разности температур , критерий управления определяется с использованием функции , которая требует увеличения значения расхода с увеличением значения разности температур , чтобы критерий управления оставался постоянным, и управление открытием клапана осуществляется в зависимости от результата сравнения критерия управления с пороговым значением. Например, критерий управления вычисляется с использованием функции .
Согласно варианту осуществления, критерий управления определяется с использованием расхода , разности температур и параметров коррекции ,; и управление открытием клапана осуществляется в зависимости от результата сравнения критерия управления с пороговым значением.
Согласно варианту осуществления, критерий управления является адаптивным критерием управления, и параметры , коррекции определяются с использованием характеристик окружающей среды в пространстве, где размещено устройство обмена тепловой энергией, включающих в себя температуру воздуха, расход воздуха, влажность воздуха и/или температуру притока. Альтернативно, параметры , коррекции являются сохраненными значениями, которые задаются, например, после установки системы HVAC, например, в зависимости от системных измерений, осуществляемых в ходе фазы калибровки.
Хотя этот критерий или управления, соответственно, до некоторой степени может зависеть от типа устройства обмена тепловой энергией, на него также оказывают влияние характеристики окружающей среды, где располагается устройство обмена тепловой энергией, например, расход и влажность воздуха в окружающей среде устройства обмена тепловой энергией. Пороговое значение определяется и сохраняется в ходе начальной фазы обучения и задает, в отношении критерия управления, предел, в случае превышения которого считается, что устройство обмена тепловой энергией уже не работает эффективно, поскольку больше не достигает достаточного энергообмена.
Например, в случае, когда устройство обмена тепловой энергией системы HVAC является теплообменником, управление открытием клапана осуществляется для регулировки расхода текучей среды через теплообменник системы HVAC. Критерий управления определяется во время увеличения или уменьшения открытия клапана. Управление открытием клапана осуществляется путем сравнения критерия управления с пороговым значением и путем остановки увеличения или уменьшения открытия, когда критерий управления достигает порогового значения (или превышает) его. В случае, когда устройство обмена тепловой энергией системы HVAC является охладителем, управление открытием клапана осуществляется для регулировки расхода текучей среды через охладитель системы HVAC. Управление открытием клапана осуществляется путем сравнения критерия управления с верхним пороговым значением и нижним пороговым значением и путем остановки уменьшения или увеличения открытия, когда критерий управления выше верхнего порогового значения или ниже нижнего порогового значения, соответственно.
В предпочтительном варианте осуществления, в частности для вычисления критерия управления, одновременно измеряются температура притока, температура возврата и расход через клапан.
Согласно варианту осуществления, влажность и/или расход воздуха измеряются в пространстве, где располагается устройство обмена тепловой энергией, управление открытием клапана осуществляется в зависимости от влажности и/или расхода воздуха, и/или пороговое значение регулируется на основании влажности и/или расхода воздуха.
В дополнительных вариантах осуществления, управление открытием клапана осуществляется в зависимости от температуры притока, и/или пороговое значение регулируется на основании температуры притока.
В дополнительном варианте осуществления, уровни сигнала управления, которые используются для управления приводом клапана для открытия клапана, калибруются путем установления сигнала управления на заданное максимальное значение для перевода клапана в максимально открытое положение, уменьшения значения сигнала управления для уменьшения открытия клапана одновременно с определением критерия управления, и назначения максимального значения сигнала управления настройке открытия клапана при которой критерий управления становится большим или равным пороговому значению.
Помимо способа управления открытием клапана в системе HVAC, настоящее изобретение также относится к устройству управления для управления открытием клапана для регулировки расхода текучей среды через устройство обмена тепловой энергией системы HVAC и регулировки величины энергии , которой обменивается устройство обмена тепловой энергией, в связи с чем, устройство управления содержит процессор, выполненный с возможностью вычисления критерия управления с использованием измерения расхода через клапан (10) и разности температур , определенной между температурой притока текучей среды, поступающей в устройство (2) обмена тепловой энергией, и температурой возврата текучей среды, покидающей устройство (2) обмена тепловой энергией, и с использованием функции , которая требует увеличения значения расхода с увеличением значения разности температур , чтобы критерий управления оставался постоянным; и управления открытием клапана (10) в зависимости от результата сравнения критерия управления с пороговым значением.
Кроме того, настоящее изобретение также относится к компьютерному программному продукту, содержащему постоянный машиночитаемый носитель, на котором хранится компьютерный программный код, выполненный с возможностью предписывать процессору устройства управления управлять открытием клапана в системе HVAC. В частности, компьютерный программный код выполнен с возможностью предписывать процессору устройства управления управлять открытием клапана в системе HVAC и регулировать величину энергии, которой обменивается устройство обмена тепловой энергией посредством: вычисления критерия управления с использованием измерения расхода через клапан (10) и разности температур , определенной между температурой притока текучей среды, поступающей в устройство (2) обмена тепловой энергией, и температурой возврата текучей среды, покидающей устройство (2) обмена тепловой энергией, и с использованием функции , которая требует увеличения значения расхода с увеличением значения разности температур , чтобы критерий управления оставался постоянным; и управлять открытием клапана (10) в зависимости от результата сравнения критерия управления с пороговым значением.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение будет объяснено более подробно в качестве примера со ссылкой на чертежи, в которых:
Фиг. 1: блок-схема, схематически демонстрирующая систему HVAC с трубопроводом, содержащим насос, клапан и устройство обмена тепловой энергией и устройство управления для управления открытием клапана для регулировки величины энергии, которой обменивается устройство обмена тепловой энергией.
Фиг. 2a: блок-схема, демонстрирующая иллюстративную последовательность этапов для управления открытием клапана.
Фиг. 2: блок-схема, демонстрирующая иллюстративную последовательность этапов для управления открытием клапана.
Фиг. 3: блок-схема, демонстрирующая иллюстративную последовательность этапов для определения температурного коэффициента расхода устройства обмена тепловой энергией.
Фиг. 4: блок-схема, демонстрирующая иллюстративную последовательность этапов для определения разности температур между температурой притока в и температурой возврата из устройства обмена тепловой энергией в данный момент времени.
Фиг. 5: блок-схема, демонстрирующая иллюстративную последовательность этапов для управления открытием клапана, включающих в себя проверку эффективности переноса энергии в трубопроводе.
Фиг. 6: блок-схема, демонстрирующая иллюстративную последовательность этапов для проверки эффективности переноса энергии в трубопроводе.
Фиг. 7: блок-схема, демонстрирующая иллюстративную последовательность этапов для определения пороговых значений и/или калибровки сигналов управления, используемых для управления открытием клапана.
Фиг. 8: блок-схема, демонстрирующая иллюстративную последовательность этапов для определения пороговых значений, используемых для управления открытием клапана.
Фиг. 8a: блок-схема, демонстрирующая иллюстративную последовательность этапов для определения пороговых значений, используемых для управления открытием клапана.
Фиг. 8b: блок-схема, демонстрирующая иллюстративную последовательность этапов для определения пороговых значений, используемых для управления открытием клапана.
Фиг. 9: блок-схема, демонстрирующая иллюстративную последовательность этапов для калибровки сигналов управления, используемых для управления приводом клапана.
Фиг. 10: блок-схема, демонстрирующая иллюстративную последовательность этапов для управления открытием клапана в трубопроводе с теплообменником.
Фиг. 11: блок-схема, демонстрирующая иллюстративную последовательность этапов для управления открытием клапана в трубопроводе с охладителем.
Фиг. 12: график, демонстрирующий пример кривой зависимости энергии от расхода с разными уровнями расхода и соответствующими величинами энергии, которой обменивается устройство обмена тепловой энергией.
Фиг. 13: график, демонстрирующий пример кривой зависимости разности температур от расхода с разными уровнями расхода и соответствующими значениями разности температур.
Фиг. 14: график, демонстрирующий пример с множеством измерений зависимости энергии от расхода и соответствующей аппроксимирующей кривой зависимости энергии от расхода, а также верхней огибающей зависимости энергии от расхода и нижней огибающей зависимости энергии от расхода, используемых для определения пороговых значений для управления открытием клапана.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1, ссылочная позиция 100 обозначает систему HVAC с трубопроводом 101, содержащим насос 3, клапан 10, устройство 2 обмена тепловой энергией, например, теплообменник для нагрева или охлаждения комнаты, и, дополнительно или альтернативно, еще одно устройство обмена тепловой энергией в форме охладителя 5, которые соединены между собой посредством труб. Клапан 10 снабжен приводом 11, например электрическим двигателем, для открытия и закрытия клапана 10 и, таким образом, управления расходом через трубопровод 101, с использованием разных положений (или размеров отверстия) клапана 10. Дополнительно, насос(ы) 3 могут сами изменять расход через трубопровод 101. Как схематически показано, система 100 HVAC дополнительно содержит систему 4 управления зданием, соединенную с клапаном 10 или приводом 11, соответственно. Специалисту в данной области техники понятно, что изображение системы 100 HVAC является очень упрощенным, и что система 100 HVAC может включать в себя множество трубопроводов 101, имеющих в каждом случае один или более насосов 3, клапанов 19, устройств 2 обмена тепловой энергией и необязательных охладителей 5. Например, текучая среда является жидким теплоносителем, например водой, и система 100 HVAC дополнительно включает в себя нагреватель для нагрева жидкости.
Как схематически показано на фиг. 1, устройство 2 обмена тепловой энергией снабжено двумя датчиками 21, 22 температуры, размещенными на входе устройства 2 обмена тепловой энергией, для измерения температуры притока текучей среды, поступающей в устройство 2 обмена тепловой энергией, и на выходе устройства 2 обмена тепловой энергией, для измерения температуры возврата текучей среды, покидающей устройство 2 обмена тепловой энергией. Специалисту в данной области техники понятно, что датчики 21, 22 температуры могут располагаться в разных местах, например, датчик температуры 21 для измерения температуры притока может располагаться на клапане 10 или на выходе нагревателя.
Трубопровод 101 дополнительно содержит датчик 13 расхода для измерения расхода , т.е. скорости потока текучей среды, через клапан 10 или трубопровод 101, соответственно. В зависимости от варианта осуществления, датчик 13 расхода располагается в или на клапане 10, или в патрубке 12, соединенном с клапаном 10, или на нем. Например, датчик 13 расхода является ультразвуковым датчиком или датчиком теплопередачи.
На фиг. 1, ссылочная позиция 1 обозначает устройство управления для управления клапаном 10 или приводом 11, соответственно, для регулировки открытия (или положения или размера отверстия) клапана 10. Соответственно, устройство 1 управления регулирует расход , т.е. скорость потока текучей среды, через клапан 10 и, таким образом, через устройство 2 обмена тепловой энергией. В результате, устройство 1 управления регулирует величину тепловой энергии, которой устройство 2 обмена тепловой энергией обменивается со своей окружающей средой. В зависимости от варианта осуществления, устройство 1 управления располагается на клапане 10, например как неотъемлемая часть клапана 10, или присоединено к клапану 10, или устройство 1 управления располагается на патрубке 12, соединенном с клапаном 10.
Устройство 1 управления содержит процессор 14, например, операционный микропроцессор с памятью программ и данных или другую программируемую схему. Устройство 1 управления содержит компьютерный программный код, выполненный с возможностью предписывать процессору 14 или другой программируемой схеме устройства 1 управления осуществлять различные функции, что будет более подробно объяснено позже. Компьютерный программный код хранится на постоянном машиночитаемом носителе, который соединен с устройством 1 управления стационарно или с возможностью удаления. Однако специалист в данной области техники должен понимать, что в альтернативных вариантах осуществления, функциональные модули, выполненные с возможностью осуществления упомянутых функций можно реализовать частично или полностью посредством аппаратных компонентов. Кроме того, в альтернативных вариантах осуществления, процессор 14 располагается в разных компонентах системы 100 HVAC, например, в приводе 11, датчике 13 расхода или системе 4 управления зданием.
Согласно фиг. 1, датчик 13 расхода соединен с устройством 1 управления для обеспечения актуальных или текущих значений измерения расхода устройству 1 управления. Кроме того, устройство 1 управления соединено с приводом 11 для подачи сигналов Z управления на привод 11 для управления приводом 11 для открытия и/или закрытия клапана 10, т.е. для регулировки открытия (или положения или размера отверстия) клапана 10.
Кроме того, датчики 21, 22 температуры устройства 2 обмена тепловой энергией соединены с устройством 1 управления для обеспечения устройству 1 управления актуальных или текущих значений измерения температуры притока и температуры возврата текучей среды, поступающей в или покидающей устройство 2 обмена тепловой энергией, соответственно.
Предпочтительно, устройство 1 управления дополнительно соединено с системой 4 управления зданием для приема из системы 4 управления зданием сигналов s управления и/или параметров, например, пользовательских настроек для желаемой температуры в комнате и/или значений измерения, например, требуемой нагрузки (например, от нуля BTU до максимума BTU) или энергии переноса, используемой в данный момент насосом 3, для переноса текучей среды через трубопровод 101, который измеряется блоком 31 измерения энергии. На основании энергии переноса, используемой множеством насосов 3 и принятой в системе 4 управления зданием из множества трубопроводов 101 (посредством передачи в режиме нагнетания или отвода в режиме отсоса), система 4 управления зданием выполнен с возможностью оптимизации общей эффективности системы 100 HVAC, например, путем установления расхода через клапан 10 одного или более трубопроводов 101 на основании суммарного значения энергии переноса, используемой всеми насосами 3 системы 100 HVAC. В альтернативном или дополнительном варианте осуществления, датчик энергии, размещенный на насосе 3, соединен непосредственно с устройством 1 управления для обеспечения текущего значения измерения энергии переноса устройству 1 управления.
Согласно варианту осуществления, система 100 HVAC дополнительно содержит датчики, которые размещены в пространстве, где располагается устройство 2 обмена тепловой энергией, например, датчик влажность, для измерения влажности воздуха в комнате, где располагается устройство 2 обмена тепловой энергией, датчик температуры для измерения температуры воздуха в пространстве вокруг теплообменника 2, и/или датчик расхода воздуха, для измерения расхода воздуха на устройстве 2 обмена тепловой энергией.
В нижеследующих абзацах, со ссылкой на фиг. 2a и 2-11, описаны возможные последовательности этапов, осуществляемых процессором 14 устройства 1 управления для управления открытием (или положением или размером отверстия) клапана 10 для регулировки расхода через устройство 2 обмена тепловой энергией.
Как показано на фиг. 2 и 2a, на этапе S3, устройство 1 управления управляет открытием клапана 10, например, в ответ на сигналы s управления, принятые из системы 4 управления зданием, для выполнения требований, предъявляемых системой 4 управления зданием. В частности, на этапе S31a, показанном на фиг. 2a, процессор 14 определяет расход через клапан 10, как описано позже в отношении этапа S311, и процессор 14 определяет разность температур между температурой притока и температурой возврата , как описано позже в отношении этапа S312. В частности, на этапе S32a, процессор 14 управляет открытием клапана 10, в ответ на сигналы s управления, принятые из системы 4 управления зданием, для выполнения требований, предъявляемых системой 4 управления зданием, в зависимости от расхода и разности температур , т.е. в зависимости от критерия управления, вычисленного из расхода и разности температур . В частности, процессор 14 управляет открытием клапана 10 в зависимости от расхода и разности температур с использованием одного или более пороговых значений.
Как показано на фиг. 7, этапу S3, для управления открытием клапана, предшествует необязательный этап S1, для определения одного или более пороговых значений.
Согласно варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг. 8, для определения порогового(ых) значения(й) для управления открытием клапана, на этапе S10, процессор 14 открывает клапан из начального закрытого положения. В частности, на этой начальной фазе, клапан 10 открывается до заданного уровня открытия и/или с заданным приращением значения сигнала Z управления.
На этапе S11, в ходе этой начальной фазы, процессор 14 определяет градиент энергии по расходу (или первую производную ) в начальный момент времени (см. фиг. 12).
На этапе S12, процессор 14 устанавливает пороговое(ые) значение(я) на основании градиента энергии по расходу , определенно в начальный момент времени . Например, для теплообменника, пороговое значение наклона устанавливается равным заданному проценту градиента энергии по расходу , например . Соответственно, для охладителя 5, нижнее пороговое значение наклона и верхнее пороговое значение наклона устанавливаются в каждом случае равным заданному проценту , градиента энергии по расходу , например, , и , например . Альтернативно, пороги , , наклона задаются как (постоянные) значения, назначенные, в частности, устройству 2 обмена тепловой энергией, например, зависящие от типа постоянные, введенные и/или хранящиеся в хранение данных устройства 1 управления или устройства 2 обмена тепловой энергией. Согласно варианту осуществления, процессор 14 выполнен с возможностью регулировки пороговых значений , , наклона на основании текущих условий окружающей среды, включающих в себя влажность , температуру и расход воздуха в комнате, где располагается устройство 2 обмена тепловой энергией. В дополнительном варианте осуществления, процессор 14 выполнен с возможностью регулировки пороговых значений , , наклона на основании температуры притока .
Как показано на фиг. 12, пороговое значение наклона задает точку Plim, где для расхода и величины энергии , которой обменивается устройство 2 обмена тепловой энергией, градиент энергии по расходу равен пороговому значению наклона.
Как показано на фиг. 13, согласно , при расходе , точка Plim кривой зависимости энергии от расхода соответствует P’lim кривой зависимости разности температур от расхода, где разность температур равна .
С использованием пороговых значений и , процессор 14 вычисляет пороговое значение для критерия для управления открытием клапана, например, пороговое значение с использованием температурного коэффициента расхода в качестве критерия управления . Соответственно, для охладителя 5, процессор 14 вычисляет пороговые значения для критерия для управления открытием клапана, например, нижнее и верхнее пороговое значение , для температурного коэффициента расхода , с использованием нижнего и верхнего пороговых значений , наклона. В данном случае, термин “температурный коэффициент расхода” используется как сокращение термина “отношение расхода к разности температур” или “отношение расхода к перепаду температур” .
Согласно вариантам осуществления, проиллюстрированным на фиг. 8a и 8b, для определения порогового(ых) значения(й) для управления открытием клапана, на этапе S10a или 10b, соответственно, процессор 14 регистрирует набор точек измерения зависимости энергии от расхода P, как показано на фиг. 14 (черные квадратики). Это множество точек измерения зависимости энергии от расхода P регистрируются для различных условий системы 100 HVAC и ее окружающей среды, включающих в себя разные значения расхода через клапан 10, температуры притока, температуры возврата воздуха,