многофункциональный тепловой счетчик

Формула изобретения

1. Многофункциональный тепловой счетчик, содержащий термодатчики, соединенные с устройством вычисления, при этом устройство вычисления содержит вычислительный блок для подсчета расхода тепла, соединенный с блоком корректирующих коэффициентов, один из термодатчиков установлен на поверхности теплоисточника, а другой термодатчик установлен на уровне нижней границы, при этом расход тепла отражается на индикаторе, отличающийся тем, что вычисление теплопотребления происходит в соответствии с формулой

Q= Q_{1 1 2}+Q₂+Q₃, где

Q₁ - часть расчетных потерь теплоты зданием, возмещаемых отопительными приборами;

₁ - коэффициент учета дополнительного теплового потока устанавливаемых отопительных приборов;

₂ - коэффициент учета дополнительных потерь теплоты отопительными приборами, расположенными у наружных ограждений;

Q₂ - дополнительные потери теплоты при остывании теплоносителя в подающих и обратных магистралях, проходящих в неотапливаемых помещениях;

Q₃ - часть расчетных потерь теплоты, возмещаемых поступлением теплоты от трубопроводов, проходящих в отапливаемых помещениях;

при этом величина Q₁ рассчитывается по формуле

Q₁=kS _mu(t_mu-t_возд)^4/3, где

k - коэффициент, состоящий из теплофизических констант;

S_mu - площадь поверхности теплоисточника;

t_mu - температура наружной поверхности теплоисточника;

t_возд - температура воздушного потока, подходящего к нижней зоне теплоисточника.

2. Многофункциональный тепловой счетчик по п.1, отличающийся тем, что вычислительный блок для подсчета расхода тепла соединен с блоком определения аварийной ситуации и отклонения от требования норм, который соединен с извещателем аварийной ситуации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для учета потребляемого тепла локальным потребителем, являющимся составной частью объединенной системы потребителей, например, в коммунальном хозяйстве для учета тепла, потребляемого отдельной квартирой в многоквартирном доме.

Известен “Способ локального контроля и учета теплопотребления” по патенту России №2105958, кл. G 01 К 17/00, 17/08, опубликован в БИ №6, 27.02.98 г.

Суть этого изобретения состоит в следующем: при помощи термопреобразователей измеряют разности температур теплоносителя на входе и выходе тепловых установок, а уровни подаваемых от термопреобразователей сигналов создают пропорциональными относительным номинальным тепловым мощностям соответствующих тепловых установок, обеспечивая пропорциональность суммарного уровня сигнала общему потреблению тепловой энергии. Устройство для реализации этого способа должно быть снабжено термопреобразователями и схемой вычисления.

Однако широкое применение этого способа нерационально по следующим причинам:

- из-за дороговизны термопреобразователей;

- практически неограниченного спектра типов термопреобразователей в связи с разнообразием установок;

- большого количества линий связи, соединяющих термопреобразователи с прибором измерения разности температур;

- разность температур на входе и выходе батарей отопления незначительна и может быть учтена только достаточно точным, а значит дорогостоящим, прибором;

- чтобы установить термопреобразователи и измерить температуру теплоносителя, надо нарушить целостность батареи или трубы отопления, что чревато протечками или даже созданием аварийной ситуации.

Известен также “Способ определения расхода тепла локальными потребителями, входящими в объединенную систему потребителей тепла” по патенту России №2138029, кл. G 01 К 17/08, опубликовано в БИ №26, 20.09.99 г.

Сущность данного изобретения заключается в следующем: определяют общий расход тепла для всего дома с помощью теплового счетчика, работающего на измерении температуры теплоносителя, затем делят эту цифру на суммарную площадь поверхности батарей (теплоисточников), установленных в доме, умноженную на разность температур между поверхностью теплоисточника и окружающей среды и на время теплоотдачи, и полученный коэффициент, называемый авторами средним коэффициентом теплоотдачи по объединенной системе, умножают на площадь поверхности теплоисточников, установленных в каждой квартире, и на разность температур, измеренных в каждой квартире.

Для определения расхода тепла, например в отдельно взятой квартире в многоэтажном многоквартирном доме с вертикальной (традиционной) или горизонтальной разводкой труб отопления, сначала определяют расход тепла по всему дому по тепловому счетчику для всего дома. С тепловым счетчиком связан домовой концентратор информации (ДКИ), в котором заложена информация о площади поверхности теплоотдачи по каждой квартире в этом доме. В ДКИ подаются данные о разности температур от приборов локальных потребителей тепла в определенные моменты времени, а также постоянно фиксируется температура на поверхности теплоотдачи относительных приборов (батарей) и температура охлаждающей среды (воздуха на уровне пола в помещении).

Зная расход тепла объединенной системой потребителей тепла за конкретное время (по показаниям домового теплового счетчика), ДКИ вычисляет средний коэффициент теплоотдачи по объединенной системе потребителей тепла. А затем, ДКИ вычисляет расход тепла по конкретному локальному потребителю, как произведение среднего коэффициента теплоотдачи по объединенной системе потребителей тепла на площадь теплоотдачи этого локального потребителя, на разницу температур на поверхности теплоисточника и окружающей среды локального потребителя, и умноженное на то же самое время, за которое был определен расход тепла по объединенной системе. Вычислив количество тепла по каждому локальному потребителю, ДКИ передает эту информацию на соответствующий прибор учета локального потребителя с постоянным накоплением информации по расходу тепла.

Определение расхода тепла локальным потребителем описанным выше способом не является измерением количества тепла, потребляемого конкретной квартирой, а является лишь распределением оплаты за поступившее на весь дом тепло между квартиросъемщиками пропорционально площади поверхности установленных в его квартире батарей. В случае отказа хотя бы одного из потребителей установить в его квартире термодатчики система лишается возможности применения для других потребителей в этом здании.

Изобретение решает задачу определения теплопотребления каждым локальным потребителем независимо от других потребителей.

Для решения поставленной задачи в многофункциональном тепловом счетчике, содержащем термодатчики, соединенные с устройством вычисления, которое содержит вычислительный блок для подсчета расхода тепла, соединенный с блоком корректирующих коэффициентов, вычисление теплопотребления происходит в соответствии с формулой:

Q= Q_{1 1 2}+Q₂+Q₃,

где Q₁ - часть расчетных потерь теплоты зданием, возмещаемых отопительными приборами;

₁ - коэффициент учета дополнительного теплового потока устанавливаемых отопительных приборов за счет округления сверх расчетной величины;

₂ - коэффициент учета дополнительных потерь теплоты отопительными приборами, расположенными у наружных ограждений;

Q₂ - дополнительные потери теплоты при остывании теплоносителя в подающих и обратных магистралях, проходящих в не отапливаемых помещениях, кВт, определяемые расчетом;

Q₃ - часть расчетных потерь теплоты, возмещаемых поступлением теплоты от трубопроводов, проходящих в отапливаемых помещениях, кВт.

Величина Q₁ рассчитывается из формулы Ньютона-Рихмана:

Q₁= _нар· S_mu(t_mu -t_возд),

где _нар - коэффициент теплоотдачи от нагретой поверхности теплоисточника к окружающему воздуху;

S_mu - площадь поверхности теплоисточника;

t_mu - температура наружной поверхности теплоисточника;

t_возд - температура воздушного потока, подходящего к нижней зоне теплоисточника.

Причем многофункциональный тепловой счетчик содержит один термодатчик, установленный на поверхности теплоисточника, а другой термодатчик установлен на уровне нижней границы теплоисточника.

Вычислительный блок для подсчета расхода тепла соединен с блоком определения аварийной ситуации и отклонения от требований норм, который в свою очередь соединен с извещателем аварийной ситуации.

На чертеже представлена функциональная схема заявляемого многофункционального теплового счетчика.

На каждый теплоисточник 1 приходится два термодатчика. Термодатчик 2 располагают на поверхности термоисточника 1. Термодатчик 3 располагают у нижней границы теплоисточника для измерения воздушного потока, подходящего к теплоисточнику. Термодатчики 2 и 3 подключены к вычислительному блоку 4, к другому входу которого подключен блок 5 корректирующих коэффициентов. Вычислительный блок 4 соединен также с блоком 6 определения аварийных ситуаций и отклонений от требований норм. Блок 4 соединен также с индикатором 7 показаний расхода тепла. Блок 6 соединен с извещателем 8 аварийной ситуации. Теплоисточников, которые обслуживает заявляемый тепловой счетчик, может насчитываться достаточно большое количество, например, l. Индикаторов 7 и извещателей 8 также может насчитываться некоторое количество по числу потребителей тепла, например m.

Теплоисточником 1 может являться, например, батарея центрального отопления. На каждую батарею приходится пара термодатчиков 2 и 3, которые измеряют разницу температур поверхности теплоисточника и подходящего к нему теплового потока. Вычислительный блок 4 выполняет функции подсчета расхода тепла каждой батареи, умножая упомянутую разность температур на площадь поверхности теплоисточника 1, на время и на сигнал, поступающий от блока 5. Блок 5 содержит коэффициенты, учитывающие материал, из которого выполнен теплоисточник 1, место расположения теплоисточника 1 и другие конкретные условия эксплуатации теплоисточника 1. Указанные коэффициенты приведены в специальной литературе (см. список литературы) и возможность их применения доказана авторами ниже. Вычислительный блок 4, кроме того, суммирует расход тепла от группы теплоисточников, находящихся у отдельного потребителя тепла, например, в отдельно взятой квартире. Индикаторы 7 и извещатели 8 устанавливаются по одному на потребителя, например, на одну квартиру.

Заявляемый многофункциональный тепловой счетчик работает следующим образом. Вычислительный блок 4 периодически посылает сигнал запроса на все подключенные к нему термодатчики. Сигналы от теплодатчиков 2 и 3 и других термодатчиков поступают на вычислительный блок 4, который определяет расход тепла в каждом теплоисточнике 1. Информация о количестве тепла высвечивается индикатором 7. Кроме того, эта информация может передаваться на базовую станцию в контролирующую организацию. Вычислительный блок 4 контролирует соответствие параметров температуры воздуха в помещении и параметров теплоисточника требованиям норм и учитывает, в течение какого времени нарушались эти требования. Вычислительный блок 4 на основании показаний термодатчиков может выявлять аварийную ситуацию и выдавать сигнал на блок 6 и извещатель 8. Извещателем может являться сирена, световой сигнал, кроме того, аварийный сигнал может подаваться непосредственно в аварийные службы. Конструктивно функции блоков 4, 5, 6 выполняет микропроцессор.

Вычисление теплопотребления происходит в соответствии с формулой, которая приводится в [1]

Q= Q_{1 1 2}+Q₂+Q₃,

где Q₁ - часть расчетных потерь теплоты зданием, возмещаемых отопительными приборами;

₁ - коэффициент учета дополнительного теплового потока устанавливаемых отопительных приборов за счет округления сверх расчетной величины;

₂ - коэффициент учета дополнительных потерь теплоты отопительными приборами, расположенными у наружных ограждений;

Q₂ - дополнительные потери теплоты при остывании теплоносителя в подающих и обратных магистралях, проходящих в не отапливаемых помещениях, кВт, определяемые расчетом;

Q₃ - часть расчетных потерь теплоты, возмещаемых поступлением теплоты от трубопроводов, проходящих в отапливаемых помещениях, кВт.

Величина Q₁ рассчитывается из формулы Ньютона-Рихмана:

Q₁= _нар· S_mu(t_mu -t_возд),

где _нар - коэффициент теплоотдачи от нагретой поверхности теплоисточника к окружающему воздуху;

S_mu - площадь поверхности теплоисточника;

t_mu - температура наружной поверхности теплоисточника;

t_возд - температура воздушного потока, проходящего к нижней зоне теплоисточника.

Из [2, 3] известно выражение:

Nu=с· (Gr· Pr)^h,

где Nu - число Нуссельта,

Gr - число Граегофа,

Pr - число Прандтля,

с - константа для свободной конвекции;

h - высота стенки теплоисточника.

Число Нуссельта выражается в виде

где _возд - коэффициент теплопроводности воздуха.

Число Граегофа можно выразить:

где g - ускорение свободного падения,

- коэффициент объемного расширения воздуха,

Т_абс - абсолютная температура воздуха,

T=t_mu-t_возд - см. выше,

- коэффициент кинематической вязкости воздуха.

Число Прандтля можно выразить

где а - коэффициент теплопроводности воздуха.

Указанные выше значения g, _возд, , a, Pr являются табличными данными, опубликованными в [2].

Известно выражение (см. [2]).

где с - константа для свободной конвекции,

n - показатель степени влияния,

Используемые выше значения g, _возд, , а, Pr - есть табличные данные [4].

В свою очередь известно соотношение [2]

где n - показатель степени влияния,

откуда можно найти

Для свободной конвекции у вертикальной нагретой поверхности при

(Gr· Pr)>2· 10⁷,

c=0,135;

т.е. можно записать

или _нар=k· (t_mu-t_возд) ^1/3,

где k - коэффициент, состоящий из теплофизических констант и выражаемый как

С учетом вышеприведенного

Q= _нарS_mu(t_mu-t_возд)

получаем

Q₁=kS_mu(t_mu -t_возд)^4/3.

Поскольку k является коэффициентом, определяемым выше через константы, S_mu известно, то Q₁ однозначно определяется через разность (t_mu-t_возд).

Предлагаемый способ позволяет учитывать теплопотребление каждого потребителя с учетом его конкретных условий.

Заявляемый многофункциональный тепловой счетчик является недорогим прибором, доступным для каждого потребителя, может быть установлен в любом здании, в том числе, многоквартирном доме, независимо от желания других потребителей. Заявляемый тепловой счетчик позволяет своевременно определять наличие аварийной ситуации и сообщать о ней потребителю и аварийным службам.

Литература

1. СНиП 2.04.05-91. Приложение 12.

2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М., 1982 - 320 с.

3. Теплотехнический справочник. Т.1. М., 1976.

4. Отопление и вентиляция. Ч.1. М., 1975.