Автоматизация тепловых пунктов (ИТП, ЦТП) для оптимального использования преимуществ централизованного теплоснабжения

Системы централизованного теплоснабжения идеально подходят для размещения в центре крупного города или района.

В условиях плотной городской застройки, где потребность в тепле неизбежно высока, они являются идеальным средством использования имеющихся на месте источников тепловой энергии.

Такие системы обеспечивают значительное снижение потребления первичной энергии, сокращают выбросы CO₂ и обеспечивают гражданам высокий уровень комфорта и надежности.

Условия эксплуатации ИТП и тепловых сетей и проектирование тепловых пунктов

Сети централизованного теплоснабжения в городах и поселковых зонах различаются по размеру, планировке и условиям эксплуатации.

Для достижения идеального уровня производительности и комфорта пользователей необходимо соблюдать температурные настройки, уровень рабочего давления, а также технические требования подключения к зданию, чтобы обеспечить надежное теплоснабжение и безопасность эксплуатации.

Влияние тенденций технического развития и автоматизации ИТП

Сегодня на сектор теплоснабжения влияют многочисленные тенденции. Они обусловлены возросшими ожиданиями пользователей в отношении комфорта и надежности теплоснабжения, дизайна и практичности продукции, а также энергоэффективных характеристик, предписанных законодательством.

Это привело к необходимости разработки систем централизованного теплоснабжения, которые должны обеспечивать:

• Пониженные уровни температуры и давления в сетях централизованного теплоснабжения.
• Энергоэффективную эксплуатацию с высоким уровнем контроля.
• Мониторинг энергопотребления и выставление счетов в соответствии с индивидуальным потреблением.
• Надежное теплоснабжение.

Соответствие систем централизованного теплоснабжения инфраструктуре и доступным источникам тепловой энергии

При наличии доступных источников тепловой энергии централизованное теплоснабжение является лучшим источником тепла, который может быть выбран.

Централизованное теплоснабжение выгодно с финансовой точки зрения и для инфраструктуры в целом. Там, где централизованное теплоснабжение недоступно, старайтесь наилучшим образом использовать имеющиеся альтернативы, особенно возобновляемые источники энергии.

Примеры того, как системы автоматического управления оптимизируют работу ИТП

1. Адаптация к температуре наружного воздуха

Когда температура теплоносителя в системе отопления соответствует температуре наружного воздуха, пользователь теплового пункта получает как повышенный комфорт, так и меньшие счета за отопление. В домах на одну семью ожидаемая экономия энергии за счет компенсации погодных условий составляет в среднем 10% и может достигать 40%.

2. Использование доступных источников энергии

Независимо от того, используется ли в здании один или несколько источников тепла, система автоматического управления тепловыми пунктами обеспечивает оптимальную мощность и соответствие энергоснабжения фактическим потребностям здания. Таким образом, сохраняется высокий уровень комфорта и низкое энергопотребление.

3. Сбалансированность экономии и комфорта

Правильно подобранная гидравлическая система теплового пункта обеспечивает необходимую мощность обогрева всех помещений независимо от условий нагрузки. Экономия энергии достигается за счет того, что температура соответствует потребностям в каждой части системы отопления.

Подробный обзор тепловых пунктов

При подключении здания к системе централизованного теплоснабжения доступны различные варианты тепловых пунктов для отопления и подготовки горячей воды.

Цель данной статьи — дать исчерпывающий обзор различных областей применения тепловых пунктов, уделив особое внимание областям применения, рекомендованными производителями теплового оборудования и тепловой автоматики.

Все варианты реализации тепловых пунктов проиллюстрированы и описаны, в том числе, как они работают и какие опции доступны. В рекомендуемых схемах применения вы найдете ключевые преимущества и ограничения, сравнительный анализ, сравнение различных применений и документально подтвержденные параметры и характеристики.

Принцип и цель сравнительного анализа различных схем ИТП

В материал включены как качественные, так и количественные показатели, помогающие понять преимущества и ограничения различных схем ИТП. Цель не состоит в том, чтобы предоставить информацию о конкретном оборудовании или подробную теорию, лежащую в основе компонентов или схем ИТП. Для получения информации об оборудовании или автоматике мы ссылаемся к техническим паспортам, относящимся к различным схемам. Для получения подробной теоретической информации мы ссылаемся к техническим статьям и соответствующим научным материалам в целом.

Общие принципы построения систем теплоснабжения

Безупречная работа систем централизованного теплоснабжения напрямую зависит от конструкции вторичной системы отопления, теплообменника и оборудования управления на стороне первичной сети централизованного теплоснабжения.

Суточные и сезонные колебания потребления приводят к заметным колебаниям перепада давления при изменении расхода в первичной сети. Это влияет на управление подачей тепловой энергии в тепловой пункт здания.

По этой причине необходимо соблюдать особые требования к управлению и гидравлической балансировке теплосети и тепловых пунктов. Необходимый расход воды теплосетей определяется потребностью в тепле подключенных зданий.

Потребность в тепле обычно определяется тремя параметрами: центральным отоплением в помещении, вентиляцией и потребностями в горячем водоснабжении (ГВС).

• Гидравлическая балансировка.
  • Типы управления.
  • Функции управления.
  • Функции холостого хода только для ГВС.
• Компенсация погодных условий.

Типы управления: регуляторы расхода, регуляторы перепада давления и ограничители расхода

Целью применения в тепловых пунктах регуляторов перепада давления (dP), регуляторов расхода и ограничителей расхода является обеспечение хорошего гидравлического баланса в теплосети. Хороший гидравлический баланс в теплосети означает, что каждый тепловой пункт имеет необходимый расход в соответствии со спецификацией, без превышения общего расхода теплосети. Благодаря использованию контроллера dP условия работы регулирующего клапана значительно улучшаются.

Преимущества:

• Четко определенные технические требования к размерам клапанов.
• Простая настройка теплового пункта.
• Стабилизация температурного режима.
• Снижение уровня шума в системе.
• Увеличение срока службы оборудования.
• Оптимальное распределение воды по сети.
• Определение количества циркулирующей воды в сети.

Регулятор расхода. Регулирование расхода для ИТП с непрямым подключением

Регулятор расхода гарантирует, что максимальный заданный расход при подаче теплосети не будет превышен. Регулирование расхода используется в системах, где перепад давления невелик и где не следует превышать максимальный расход теплосети, независимо от перепада давления в системе.

Как правило, этот регулятор используется в тепловых пунктах с непрямым подключением, где максимальная скорость потока используется как в тарифной системе, так и в системах, где максимальное ограничение расхода ниже максимальной мощности системы, т.е. там, где применяется функция приоритета ГВС.

Регулятор перепада давления. Регулятор перепада давления в сети ИТП с системой отопления и ГВС

Регулятор перепада давления поддерживает постоянный перепад давления во всей системе. Это обеспечивает лучшую управляемость клапанов и улучшает гидравлический баланс в сети ИТП. Для регулирования перепада давления используется регулятор dP.

Комбинированный ограничитель расхода и регулятор перепада давления в теплосети

Данная функция, по сути, представляет собой контроллер dP со встроенным ограничителем. Он управляет перепадом давления через ряд сопротивлений (клапаны, теплообменники и т.д.), в состав которых также входит регулировочный ограничитель. В непрямых установках, где максимальный расход является основой для распределения тарифа, следует устанавливать ограничитель расхода.

Комбинированный регулятор расхода и перепада давления в ИТП с прямым подключением

Контроллер dP поддерживает постоянное значение dP в системе с помощью нижней уставки. Верхняя уставка предназначена для регулирования расхода. Он поддерживает постоянное значение dP в регулируемом максимальном ограничении расхода независимо от значения dP в системе.

Таким образом, можно установить максимальный расход. Комбинированный регулятор расхода и dP рекомендуется для ИТП прямого регулирования, где расход теплосети является частью тарификации и где перепад давления может изменяться.

Функции управления. Автономный и электронный контроль температуры в ИТП

Существуют различные варианты регулирования температуры на выходе вторичного контура теплового пункта. Выбор правильного метода управления в основном зависит от параметров теплосети. Чем больше меняется температура подачи и перепад давления, тем более сложный контроллер необходим для оптимального регулирования температуры на выходе со стороны вторичного источника тепла. Для небольших систем обычно применяются автономные контроллеры. Электронные контроллеры используются для более крупных систем и в тех случаях, когда требуется компенсация погодных условий.

Термостатическое управление ИТП (отопление и ГВС)

Термостатический регулятор используется в системах централизованного теплоснабжения с умеренным изменением температуры подачи и перепада давления в системе отопления, а также в тех случаях, когда требуется комфортное управление в режиме ожидания. Следует ожидать незначительного «пропорционального» отклонения температуры в системах отопления и ГВС.

Как это работает

Назначение термостатического контроллера — поддерживать постоянную температуру в системе отопления и ГВС. Когда контроллер регистрирует изменение температуры, он либо открывает, либо закрывает регулирующий клапан в зависимости от того, является ли отклонение (заданная температура по сравнению с фактической температурой) положительным или отрицательным соответственно.

Электронный контроллер ИТП (отопление и ГВС)

Можно использовать электронный контроллер теплового пункта с функцией компенсации погодных условий. Решения варьируются от простого пользовательского интерфейса до более расширенного набора функций и опций. К ним относятся стандартные средства связи и параметры автоматического управления для настройки температуры ГВС и отопления. Электронные контроллеры могут быть адаптированы для множества различных применений в системах отопления и ГВС. Электронный контроллер определяет скорость потока в системе (например, в теплообменнике), приводя в действие регулирующий клапан с электроприводом.

Комбинированное пропорциональное регулирование расхода и dP-регулирование ИТП (ГВС)

Комбинированный регулятор пропорционального расхода и перепада давления используется в системах ГВС с небольшим изменением температуры подачи, но с переменным или высоким перепадом давления в системе. Если регулятор dP не установлен, колебания перепада давления от источника ГВС приведут к значительным колебаниям температуры ГВС.

Как это работает

Принцип действия регулятора пропорционального расхода и dP заключается в установлении пропорционального соотношения между вторичным и первичным расходами. Таким образом, достигается постоянная температура ГВС, если температура первичной подачи и перепад давления постоянны. Когда контроллер теплового пункта регистрирует расход на вторичной стороне, он открывает первичный клапан пропорционально расходу на вторичной стороне. Встроенный контроллер dP поддерживает постоянный перепад давления на встроенном регулирующем клапане, что обеспечивает точное регулирование расхода.

Комбинированный пропорциональный регулятор расхода, температуры и перепада давления ИТП (ГВС)

Комбинированный пропорциональный регулятор расхода, температуры и dP используется в системах ГВС с изменяющейся температурой подачи и высоким и непостоянным перепадом давления.

Как это работает

Принцип работы пропорционального регулятора расхода заключается в установлении пропорционального соотношения между вторичным и первичным потоками. Таким образом, достигается постоянная температура ГВС, если температура первичной подачи и перепад давления постоянны. Когда контроллер теплового пункта регистрирует расход на стороне вторичного контура, он открывает клапан первичного контура пропорционально расходу вторичного контура. Термостатический контроллер ограничивает первичный контур в тех случаях, когда вклад пропорционального регулятора в расход слишком велик по сравнению с заданным значением требуемой температуры. Контроллер dP поддерживает постоянный перепад давления на встроенном регулирующем клапане, что обеспечивает точное регулирование расхода.

Функции холостого хода ИТП. Только для регулирования температуры ГВС

Общее требование к комфорту при приготовлении ГВС, например, в домах на одну семью или квартирах заключается в том, что желаемая температура должна быть достигнута без задержек. Для достижения этой цели используются функции холостого хода теплового пункта, позволяющие поддерживать подающие трубопроводы и/или теплообменник в тепле в периоды отсутствия разбора. Это достигается за счет того, что небольшой поток либо обходит теплообменник, либо проходит через него в периоды отсутствия разбора. В зависимости от требуемого уровня комфорта в тепловых пунктах могут использоваться различные режимы холостого хода.

Пропорциональный регулятор

Теплообменник теплового пункта и линия подачи ГВС охлаждаются на холостом ходу.

Термостатический регулятор

Теплообменник теплового пункта и линия подачи ГВС нагреваются на холостом ходу.

Регулятор холостого хода в обход линии подачи

Теплообменник теплового пункта охлаждается и линия подачи ГВС нагревается на холостом ходу, температура регулируется в соответствии с потребностями.

Регулятор холостого хода в обход регулирующего клапана

Теплообменник теплового пункта и линия подачи ГВС нагреваются на холостом ходу и регулируются по температуре в зависимости от потребностей.

Регулирующий клапан с пониженной температурой на холостом ходу

Теплообменник теплового пункта и линия подачи ГВС нагреваются на холостом ходу.

Компенсация погодных условий в системах управления тепловыми пунктами

Погода является основным фактором, влияющим на потребность зданий в тепле. В холодные периоды зданию требуется больше тепла, и наоборот. Поскольку погода постоянно меняется, увеличивается и тепловая нагрузка, необходимая для обогрева здания. Таким образом, компенсация влияния погодных условий является рациональным и надежным способом экономии энергии.

Оптимальное теплоснабжение здания обеспечивается при удовлетворении потребностей и отсутствии избытка тепла. Интеллектуальный электронный контроллер ИТП для компенсации погодных условий в системе отопления может заблаговременно регулировать подачу тепла, чтобы поддерживать его точно на заданном уровне, обнаруживая изменения погодных условий на улице.

С другой стороны, система отопления без погодного компенсатора будет реагировать только на текущую температуру в помещении и, следовательно, может запаздывать при изменении температуры снаружи. Это негативно сказывается как на комфорте пользователя, так и на энергоэффективности.

Погодный компенсатор теплового пункта получает сигнал от датчика температуры наружного воздуха, расположенного на теневой стороне здания. Датчик регистрирует фактическую температуру, и, при необходимости, электронный контроллер регулирует подачу тепла (температуру теплоносителя) в соответствии с новыми условиями. Контроллер ИТП также регулирует подачу тепла к радиаторам и обеспечивает поддержание постоянной температуры в помещении. Пользователь, по сути, даже не заметит, что погода на улице изменилась, и будет постоянно ощущать одну и ту же температуру и комфорт.

Согласно исследованиям предполагаемая экономия энергии при использовании электронных погодных компенсаторов в домах на одну семью составляет 10%, а в некоторых случаях достигает 40%. Согласно отчету, дома на одну семью с большим потреблением тепла получают особенно быструю отдачу от инвестиций после установки электронных компенсаторов погодных условий. Кроме того, законодательные нормы для многоквартирных и коммерческих зданий предписывают компенсацию погодных условий в тепловых пунктах.

Система отопления с электронной компенсацией погодных условий может иметь дополнительные функции управления, такие как:

• Ограничение расхода и производительности.
• Возможно ограничение температуры для температуры первичного возврата и/или вторичного потока.
• Может быть установлена функция безопасности.
• Функция периодического отключения системы.
• Возможность передачи данных, например, в SCADA-систему или через веб-портал.
• Регистрация данных о потреблении энергии.

Системы с компенсацией погодных условий в основном используются в системах радиаторного и напольного отопления.

Графический дисплей отображает все значения температуры, а также информацию о состоянии и используется для настройки всех параметров управления. Навигация, просмотр и выбор текущего пункта меню осуществляется с помощью панели оператора.