Документ описывает изобретение относительно гидравлической системы для теплового пункта, предназначенной для более эффективного распределения тепловой энергии между потребителями. Основная задача системы - обеспечить гибкое регулирование теплоснабжения с меньшим потреблением электроэнергии по сравнению с традиционными системами. Это изобретение может существенно улучшить эффективность коммунального теплоснабжения в жилых и общественных зданиях.

1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 28729
(51) F24D 3/00 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/1216.1
(22) 17.09.2013
(45) 15.07.2014, бюл. №7
(72) Сабденов Каныш Оракбаевич; Унасбеков
Берикбай Акибаевич; Ерзада Майра
(73) Республиканское государственное предприятие
на праве хозяйственного ведения "Евразийский
национальный университет им. Л.Н. Гумилева"
Министерства образования и науки Республики
Казахстан
(56) Патент РФ №2196274, 2003
(54) ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С
ОТВОДЯЩИМ ТРУБОПРОВОДОМ ДЛЯ
ТЕПЛОВОГО ПУНКТА
(57) Предлагаемое изобретение относится к
оборудованию для поставки и распределения
тепловой энергии между потребителями.
Задачей предлагаемого изобретения является
использование в тепловых пунктах новой
гидравлической системы, позволяющей производить
более гибкое регулирование теплоснабжения зданий
и сооружений. Такие тепловые пункты будут
потреблять по сравнению с традиционными
системами меньшее количество электрической
энергии при поставке и распределении тепловой
энергии.
Технический результат изобретения заключается
в создании новых тепловых пунктов, позволяющих
регулировать тепловым режимом зданий в широком
диапазоне. При этом достаточно небольших
изменений коэффициента смешения теплоносителя
из подающего и обратного трубопровода.
(19)KZ(13)A4(11)28729

2. 28729
2
Предлагаемое изобретение относится
преимущественно к области коммунального
теплоснабжения и может быть использовано в
тепловых сетях жилых и общественных зданий, где
необходимо поддерживать заданный температурный
режим и которые питаются тепловой энергией от
внешнего источника.
В современных тепловых пунктах широко
используется гидравлическая система, где
регулирование теплоснабжением здания
производится смешением теплоносителя из прямого
и обратного трубопровода с помощью
циркуляционного насоса. Циркуляционный насос
может располагаться или на трубопроводе,
соединяющем прямой и обратный трубопроводе,
или на одном из них [Пырков В.В. Современные
тепловые пункты: Автоматика и регулирование. -
К.: IIДП «Такi справи», 2007. с.252. ил.1, с.17-27],
[Апарцев М.М. Наладка водяных систем
централизованного теплоснабжения: Справочно-
методическое пособие. М.: Энергоатомиздат, 1983.
с.204., с.60-63], [Невский В.В., Дудник Д.А.,
Семянников СВ., Сидоркин Д.А., Теняев А.Н.
Стандартные автоматизированные блочные
тепловые пункты «Danfoss»: Пособие. - М.: ООО
Данфосс, 2011. с.50., с.18-19], [4, 5]. В настоящее
время в промышленности также выпускаются
тепловые пункты и с двумя насосами, размещаемые
вместе или порознь [Невский В.В., Дудник Д.А.,
Семянников СВ., Сидоркин Д.А., Теняев А.Н.
Стандартные автоматизированные блочные
тепловые пункты «Danfoss»: Пособие. - М.: ООО
Данфосс, 2011. с.50., с.37].
Циркуляционный насос предназначен для
поддержания определенного температурного
режима в здании путем усиленной перекачки
теплоносителя в системе отопления, когда
происходят резкие перепады температуры
наружного воздуха, а городская тепловая сеть не
успевает среагировать на это из-за большой своей
тепловой инерционности. Напор, создаваемый
циркуляционным насосом, по крайней мере, должен
на 1-2 м превышать расчетные потери напора в
системе отопления и обычно находится в пределах
10-15 м [Апарцев М.М. Наладка водяных систем
централизованного теплоснабжения: Справочно-
методическое пособие. М.: Энергоатомиздат, 1983.
с.204., с.60].
Описанная выше система организации
принудительного смешения тедиюноситедя ид
подающего и обратного трубопровода имеет
существенные недостатки: циркуляционный насос
работает круглосуточно в течение всего
отопительного сезона. Следовательно, он
потребляет значительное количество
электроэнергии. Это потребление энергии быстро
возрастает с увеличением коэффициента смешения
K: отношения расхода теплоносителя через
смесительную трубу Q2 к расходу через подающий
трубопровод Qin [Зингер Н. М. Гидравлические и
тепловые режимы теплофикационных сетей: 2-е
издание, переработанное и дополненное. М.:
Энергоатомиздат, 1986, с.20-21], т.к. необходимый
напор циркуляционного насоса пропорционален
квадрату K. При этом требуемый практикой
диапазон коэффициента смешения должен быть
недопустимо широким. Большие значения
параметра K означают и большие давления в
системе отопления, здания, что может приводить к
частым разрывам трубопроводов, и, если разрыв
произошел, то из щели разрыва будет бить мощная
струя горячего теплоносителя. Это приведет к
дополнительным негативным последствиям для
помещений здания, создаст угрозу для здоровья
людей.
Приведенные эти аргументы обоснуем на
примере следующей математической задачи: из
городской сети в тепловой пункт теплоноситель
поступает с объемным расходом Qin при
температуре Tin (фиг.1). Здесь он смешивается с
охлажденной частью, поступающей из обратного
трубопровода в зону смешения с расходом Q2 В
систему отопления теплоноситель поступает с
расходом Q3. Требуемся найти температуры на
входе Tin,2 и выходе Тout,2 системы отопления.
Пусть Тn, Тhn - соответственно температуры
теплоносителя и помещений на этаже с номером п.
Расстояние между этажами h=const. Средняя
скорость течения теплоносителя в системе
отопления u. Систему отопления характеризуем
эффективным значением диаметра трубопровода
Def. Температура снаружи здания Text. Нумерация
этажей начинается сверху здания, откуда начинается
подача теплоносителя в его систему отопления.
Тогда для всех N этажей получается система из 2N
связанных друг с другом дифференциальных
уравнений [Унаспеков Б.А., Сабденов К.О.,
Кокарев М.Ж., Колобердин М.В., Игембаев Б.А.
Энергосбережение в тепловых пунктах жилых и
общественных зданий. Ч. 2. Модель обогрева здания
// Известия ТПУ. Серия Энергетика. 2012. Т. 321.
№4. c.35-39., Унаспеков Б.А., Кокарев М.Ж.,
Колобердин М.В., Игембаев Б.А. Энергосбережение
в тепловых пунктах жилых и общественных зданий.
Ч. 1. Общая модель теплового пункта // Известия
ТПУ. Серия Энергетика. 2012. Т. 321. №4. c.31-35]
(t-время)
),()( 1112,
1
hin TTTT
h
u
dt
dT
−−−= α (1)
;)()( 1111
1
qTTTT
dt
dT
exthh
h
+−−−= γα
),()( 2221
2
hTTTT
h
u
dt
dT
−−−= α
;)()( 2222
2
qTTTT
dt
dT
exthh
h
+−−−= γα
………………………………………..
),()( 1 hnnnn
n
TTTT
h
u
dt
dT
−−−= − α
;)()( nexthnhnn
hn
qTTTT
dt
dT
+−−−= γα
………………………………………….

3. 28729
3
),()( 1 hNNNN
N
TTTT
h
u
dt
dT
−−−= − α
.)()( NexthNhNN
hN
qTTTT
dt
dT
+−−−= γα
Скорости роста температуры qn от возможных
внутренних источников тепла в дальнейшем
полагаем равными нулю, qn=0, n=1, 2, ..., N.
Рассмотрим стационарный режим. Тогда вместо (1)
имеем
( ) ( ) ,01112, =−−− hin TTTT
h
u
α
( ) ( ) ;0111 =−−− exthh TTTT γα
( ) ( ) ,02221 =−−− hTTTT
h
u
α
( ) ( ) ;0222 =−−− exthh TTTT γα
………………………………………
( ) ( ) ,01 =−−−− hnnnn TTTT
h
u
α
( ) ( ) ;0=−−− exthnhnn TTTT γα
……………………………………….
( ) ( ) ,01 =−−−− hNNNN TTTT
h
u
α
( ) ( ) .0=−−− exthNhNN TTTT γα
Из второго уравнения для температуры в
помещении следует
.
1
11 exth TTT
γα
γ
α
α
+
+
+
= (3)
Используя это в первом уравнений из (2),
находим
.
11
1
11
2,
1
h
u
TT
h
u
T
extin






++
+





+
=
γα
γα
Подставив отсюда Т1 в уравнение (3), после
простых преобразований определяем и температуру
в помещении этажа с номером 1:
.
1
1
11
2,
1
u
h
T
u
h
T
T
extin
h
γα
αγ
α
αγ
γα
αγ
+
+






++
+
=
Решение полученных первых двух уравнений из
(2) удобно записать в виде
.
1
,
1
1 2,
1
2,
1
u
h
TT
TT
u
h
TT
TT extin
exth
extin
ext
γα
αγγα
α
γα
αγ
+
+
−
+
+=
+
+
+
++=
Вторая пара уравнений в (2) имеет такую же
форму, что и первая пара уравнений. Эта вторая
пара получается из первой пары формальными
заменами Тin,2→Т1, Т1→T2, Th1→Тh2. Поэтому
решение второй пары уравнений уже получается
проще, оно имеет вид
.
1
,
1
1 2
2,
12
2,
2






+
+
−
+
+=






+
+
−
+=
u
h
TT
TT
u
h
TT
TT extin
exth
extin
ext
γα
αγγα
α
γα
αγ
Легко видеть, что все пары уравнений (2) для
различных этажей взаимно симметричные
относительно замены температур Tn-2→Тn-1,
Tn-1→Тn, Thn-1→Тhn
,
1
2,
n
extin
extn
u
h
TT
TT






+
+
−
+=
γα
αγ
n
extin
exthn
u
h
TT
TT






+
+
−
+
+=
γα
αγγα
α
1
2,
. (4)
Условие (закон) сохранения энергии для зоны
смешения можно записать как [Унаспеков Б.А.,
Кокарев М.Ж., Колобердин М.В., Игембаев Б.А.
Энергосбережение в тепловых пунктах жилых и
общественных зданий. Ч. 1. Общая модель
теплового пункта // Известия ТПУ. Серия
Энергетика. 2012. Т. 321. №4. c.31-35.,
Унаспеков Б.А., Сабденов К.О., Кокарев М.Ж.,
Колобердин М.В., Игембаев Б.А. Технология
теплоснабжения жилых и общественных зданий.
Выбор автоматизированного теплового пункта //
Научное обеспечение жилищно-коммунального
хозяйства. Астана: ТОО «КазНТЦР ЖКХ» 2012.
c.80-88.]
Q3Tin,2=QinTin+Q2Tout,2
Рассматривая его совместно с условием
сохранения массы [Унаспеков Б.А., Кокарев М.Ж.,
Колобердин М.В., Игембаев Б.А. Энергосбережение
в тепловых пунктах жилых и общественных зданий.
Ч. 1. Общая модель теплового пункта // Известия
ТПУ. Серия Энергетика. 2012. Т. 321. №4. c.31-35.,
Унаспеков Б.А., Сабденов К.О., Кокарев М.Ж.,
Колобердин М.В., Игембаев Б.А. Технология
теплоснабжения жилых и общественных зданий.
Выбор автоматизированного теплового пункта //
Научное обеспечение жилищно-коммунального
хозяйства. Астана: ТОО «КазНТЦР ЖКХ» 2012.
c.80-88.]
Q3=Qin+Q2
Получим
.
2
2,2
2,
QQ
TQTQ
T
in
outinin
in
+
+
= (5)
Отношение Q2/Qin=K – коэффициент смешения,
и теперь формулу (5) запишем через параметр K:
.
1
2,
2,
K
KTT
T outin
in
+
+
= (6)
Теперь выясним, какой будет тепловой режим в
пределе больших значений коэффициента смешения
K и зависящим от K скоростью u. Если здание имеет
N этажей, то TN=Tout,2.
Тогда используя равенство (6) в первом
уравнения (4) при n=N, получим

4. 28729
4
.
1
1)( 2,
2, ext
outin
N
extout T
K
KTT
u
h
TT +
+
+
=





+
+−
γα
αγ
Отсюда находим Tout,2:
.
1
1
11
1
2,
K
K
u
h
u
h
T
K
T
T N
N
ext
in
out
+
−





+
+
−











+
++
+
=
γα
αγ
γα
αγ
Отсюда в пределе K→∞ и с учетом равенства
,
4
)1( 2
ef
in
D
Q
Ku
π
+=
являющегося следствием закона сохранения массы и
равенств Q2=KQin, Q3=
2
efDπ u/4, после простых
расчетов получим
.
1
)(
*
*
*2,
u
hN
u
hN
TT
TKT
extin
out
γα
αγ
γα
αγ
+
+
+
+
==∞=
Из (6) следует Tin,2(K=∞)=Т*-предельная
температура при бесконечно большом
коэффициенте смешения.
Комплекс hN=L-это высота здания. Поэтому
формулу для предельной температуры Т* запишем
как
.,
1 *
*
*
*
*
u
LTT
T extin
γα
αγ
χ
χ
χ
+
=
+
+
=
Все представленные ниже результаты расчета
получены со следующими исходными параметрами
(9-этажное здание) [Унаспеков Б.А., Сабденов К.О.,
Кокарев М.Ж., Колобердин М.В., Игембаев Б.А.
Энергосбережение в тепловых пунктах жилых и
общественных зданий. Ч. 2. Модель обогрева здания
// Известия ТПУ. Серия Энергетика. 2012. Т. 321.
№4. с.35-39., Унаспеков Б.А., Сабденов К.О.,
Кокарев М.Ж., Колобердин М.В., Игембаев Б.А.
Технология теплоснабжения жилых и
общественных зданий. Моделирование системы
отопления // Научное обеспечение жилищно-
коммунального хозяйства. Астана: ТОО «КазНТЦР
ЖКХ» 2012. с.88-95.
Qin=0,4 м3
/мин; Tin=363 K; Тext=273 K; h=2,8 м;
L=25 м; α=0,37 мин-1
; γ=0,6 мин-1
; Def=0,1 м.
На фиг.2 приведен график зависимости
температур на входе Тin,2 и выходе Tout,2 системы
отопления от коэффициента смешения K в случае
использования традиционных тепловых пунктов с
переменной скоростью u.
Отсюда видно, что терморегулирование в здании
может быть эффективно при K<4÷5, дальнейшее
увеличение коэффициента смешения уже слабо
влияет на тепловой режим здания, т.к. температуры
Тin,2 и Tout,2 стремятся к предельному значению T*.
Задачей предлагаемого изобретения является
изменение конструкции гидравлической системы
теплового пункта таким образом, что позволяет
снизить затраты энергии на регулирование
теплового режима в здании.
Решение поставленной задачи достигается
внедрением отводящего трубопровода, один конец
которого соединен с подающим трубопроводом
между смесительной трубой и системой отопления,
а другой конец соединен с обратным трубопроводом
между смесительной трубой и городской сетью,
причем вентиль на отводящем трубопроводе
кинематически сопряжен с вентилем смесительной
трубы.
Признаки, введенные в отличительную часть
формулы изобретения, являются новыми, не
имеются ни у аналогов, ни у прототипа,
характеризуются возможностью технической
реализации и в полной мере обеспечивают
достижение поставленной цели.
Сущность предлагаемого изобретения новой
конструкции теплового пункта в отапливаемом
здании и принцип регулирования тепловым
режимом поясняется по схеме, изображенной на
фиг.3.
Основная часть гидравлической системы
теплового пункта состоит из подающего 1 и
обратного 2 магистральных трубопроводов,
смесительного 3 и отводящего 4 трубопровода,
кинематически сопряженных вентилей V2, V3.
Регулировка теплоснабжения отапливаемого здания
производится одновременным открытием (или
закрытием) вентилей V2, V3. Диаметры
трубопроводов 3 и 4 подбираются таким образом,
чтобы расходы Q2, Q3 все время оставались
одинаковыми. В этом случае скорость движения
теплоносителя в системе отопления u
поддерживается постоянной по величине вне
зависимости от температуры окружающего воздуха
и температуры теплоносителя в городской сети. Это
позволяет температуре теплоносителя на входе и
выходе системы отопления, и, следовательно, и
внутри помещений, изменяться в достаточно
широких пределах.
На фиг.4 приведены зависимости температур Тin,2
и Tout,2 от коэффициента смешения при постоянном
значении и. Сравнивая результаты, представленные
на фиг.2 и 4, видим, что при наличии трубопровода
4 и синхронном изменении расходов Q2, Q3
достигается лучшая вариация температур Тin,2 и
Tout,2. Их предельное значение при K→∞ будет
равно Text.
Таким, образом, приведенные выше оценки по
математической модели показывают
жизнеспособность изобретения в качестве теплового
пункта с возможностью гибкого регулирования
температурным режимом в отапливаемом здании.
Использование предлагаемого изобретения в
сравнении с известными устройствами позволяет
улучшить характеристики тепловых пунктов,
использовать в них более простую систему
автоматического регулирования теплоснабжением
за счет упрощения алгоритма управления.
Изобретение позволяет экономить электроэнергию
на работу циркуляционного насоса за счет снижения

5. 28729
5
их мощности, т.к. можно ограничиться небольшими
значениями коэффициента смешения.
Конструктивная простота изобретения делает его
высоконадежной системой с минимальным
количеством узлов и деталей.
Изобретение наиболее целесообразно
использовать в жилых и общественных зданиях
тепловых пунктов с зависимой и независимой
системой отопления.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Гидравлическая система теплового пункта в
системе коммунального отопления, содержащая
подающий и обратный трубопроводы, насос для
создания циркуляции теплоносителя из обратного
трубопровода к подающему трубопроводу, одну
смесительную трубу между прямым и обратным
трубопроводами с вентилем, отличающаяся тем,
что содержит отводящий трубопровод, один конец
которого соединен с подающим трубопроводом
между смесительной трубой и системой отопления,
а другой конец соединен с обратным трубопроводом
между смесительной трубой и городской сетью,
причем вентиль на отводящем трубопроводе
кинематически сопряжен с вентилем смесительной
трубы.

6. 28729
6
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор Е. Барч