某高校智慧供熱改造試點(diǎn)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王海新， 王 巖

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150090)

1 節(jié)能減排背景

我國目前是全球第一能源消費(fèi)大國，在工業(yè)、建筑、交通三大傳統(tǒng)高能耗領(lǐng)域，建筑能耗所占的比重正不斷上升，占全社會總能耗的比重約為三分之一，因此，在政策層面，建筑節(jié)能已成為成國家的重點(diǎn)課題。

北方地區(qū)的冬季采暖在建筑能耗中占據(jù)了很大的比重，雖大部分已經(jīng)做到集中供暖，但都屬于粗放型供熱，節(jié)能控制技術(shù)落后于發(fā)達(dá)國家，存在著非常大的節(jié)能空間。圖1為中國建筑(分項(xiàng))能耗與建筑面積分布圖。

圖1 中國建筑(分項(xiàng))能耗與建筑面積

2 本項(xiàng)目的節(jié)行可能性分析

公共建筑中的高校類建筑占地面積大，建筑物種類多、數(shù)量多，校園用能系統(tǒng)面積廣、數(shù)量大,而且人員隨季節(jié)流動(dòng)性較大,在東北地區(qū)6個(gè)月的冬季采暖季中，有2個(gè)月的學(xué)生寒假離校時(shí)間以及學(xué)生在校期間一些非居住類建筑的夜間供暖都是非必要的，造成校園能耗管理不夠細(xì)化、能源利用有較大的浪費(fèi)現(xiàn)象產(chǎn)生。

基于如今快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自控技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等，考慮借助某些技術(shù)或措施對校園能耗管理加以調(diào)控，從而減少能源消耗，已成為設(shè)計(jì)師在節(jié)能改造時(shí)需要著重思考的問題。

3 智慧供熱電氣控制系統(tǒng)

“智慧供熱電氣控制系統(tǒng)”是新時(shí)代對集中供熱的新要求，基于供熱系統(tǒng)“源—網(wǎng)—荷—儲”全過程，對熱能動(dòng)力、暖通、自控等工藝與人工智能、互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)與云計(jì)算等高新技術(shù)進(jìn)行高度融合、綜合利用，將傳統(tǒng)粗放式運(yùn)行、管理與服務(wù)徹底改變?yōu)楝F(xiàn)代精細(xì)化運(yùn)行、管理與服務(wù)，以提升運(yùn)行管理與服務(wù)的能效水平?！爸腔酃犭姎饪刂葡到y(tǒng)”具有自感知、自學(xué)習(xí)、自分析、自診斷、自優(yōu)化、自調(diào)節(jié)、自適應(yīng)等特征(相對較強(qiáng)的獨(dú)立自主解決問題的能力)，是能夠支撐供熱的政府監(jiān)管、規(guī)劃設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)營、需求響應(yīng)過程中人的思考決策的新一代系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的基本控制策略是保障滿足公共建筑在不同時(shí)段的室內(nèi)溫度要求(即在冬季，正常上班、上課時(shí)間段內(nèi)供熱正常運(yùn)行，保證樓內(nèi)供熱系統(tǒng)在滿足舒適性的狀態(tài)下運(yùn)行，而在夜間、周末以及節(jié)假日無人在樓內(nèi)活動(dòng)的時(shí)間段，保障公共建筑低溫節(jié)能運(yùn)行)。

采用分時(shí)分區(qū)控制策略時(shí)，在建筑入口的供回水管路上裝設(shè)末端執(zhí)行器。該末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及溫度、壓力傳感裝置組成，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開關(guān)時(shí)間、開度及保護(hù)溫度由分時(shí)分區(qū)控制器設(shè)定，用于控制流入不同類型建筑的熱媒流量。而傳感器的作用是將溫度、壓力信號上傳到分時(shí)分區(qū)控制器，實(shí)時(shí)采集回水溫度、供回水壓差，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果，發(fā)出調(diào)節(jié)指令，控制建筑入口閥門開度，避免調(diào)節(jié)過程中不同類型用戶之間互相影響，從而實(shí)現(xiàn)過程水力的分時(shí)段、分區(qū)域的控制。圖2～3分別為學(xué)期內(nèi)、假期內(nèi)分時(shí)分區(qū)調(diào)節(jié)流程圖。

圖2 學(xué)期內(nèi)分時(shí)分區(qū)調(diào)節(jié)流程圖

圖3 假期內(nèi)分時(shí)分區(qū)調(diào)節(jié)流程圖

4 智慧供熱電氣設(shè)計(jì)簡述

本次智慧供熱改造試點(diǎn)共有5棟單體，含3棟教學(xué)類建筑、1棟圖書館及1棟動(dòng)力站，都是已經(jīng)建成二十年左右的建筑，暖通專業(yè)需要在單體的熱力入口供熱干管上加裝壓力表、溫度表、熱計(jì)量表及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等傳感設(shè)備及控制設(shè)備，電氣專業(yè)需要解決以上設(shè)備的終端設(shè)備控制需求、采集信號傳輸需求、智慧平臺的搭建、設(shè)備的供電設(shè)計(jì)等。

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行智慧控制平臺

智慧控制平臺是綜合利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)應(yīng)用的供熱管理及控制一體化的綜合管理平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)從市政管網(wǎng)到熱用戶供熱系統(tǒng)運(yùn)行狀況的監(jiān)控，還可實(shí)現(xiàn)整個(gè)供熱系統(tǒng)的過程管理和運(yùn)行管理，提高供熱系統(tǒng)的管理效率與供熱質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的整體節(jié)能。圖4為智慧平臺架構(gòu)拓?fù)鋱D。

圖4 智慧平臺架構(gòu)拓?fù)鋱D

其中平臺主體部分采用B/S 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用瀏覽器即可登錄訪問，為熱網(wǎng)運(yùn)行、管理、服務(wù)提供功能支持。因主體部分模塊較多、規(guī)模較大，其包含的模塊可劃分為三大類：(1)業(yè)務(wù)服務(wù)應(yīng)用，為供熱用戶及熱網(wǎng)管理人員提供一般管理應(yīng)用及服務(wù)功能，包括客服管理、熱用戶監(jiān)督、服務(wù)保障和運(yùn)行維護(hù)管理四個(gè)模塊；(2)智能運(yùn)行決策，基于運(yùn)行及評價(jià)策略對熱網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析，為熱網(wǎng)控制與調(diào)度、供熱系統(tǒng)狀態(tài)分析、事故分析與處理、優(yōu)質(zhì)高效服務(wù)等生產(chǎn)運(yùn)行方案提供決策依據(jù)，包括數(shù)據(jù)及診斷、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)安全四個(gè)模塊。(3)基礎(chǔ)支撐功能，為實(shí)現(xiàn)上層業(yè)務(wù)功能而需具備的支撐功能，包括平臺的管理、配置、信息交互以及與外部系統(tǒng)的接口。

4.2 末端運(yùn)行信息采集及控制系統(tǒng)

在各建筑熱力管網(wǎng)入口處設(shè)置溫度表、壓力表、熱計(jì)量表等信號采集設(shè)備以及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行設(shè)備，信號采集設(shè)備用于采集熱力入口處的溫度值、壓力值等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，上傳至智慧平臺。在典型房間設(shè)置室溫測點(diǎn)，根據(jù)事先設(shè)置好的采樣周期，對典型房間進(jìn)行溫度采樣，并上傳至智慧平臺。在各建筑熱力管網(wǎng)入口處設(shè)置分時(shí)分區(qū)控制器。

智慧平臺根據(jù)上傳的熱力入口處和典型房間的溫度樣本、實(shí)時(shí)的氣溫?cái)?shù)據(jù)以及事先設(shè)定好的時(shí)段供熱模式策略，進(jìn)行大數(shù)據(jù)計(jì)算分析，得出最優(yōu)的判斷結(jié)果并發(fā)送至分時(shí)分區(qū)控制器，由其控制供熱管上的電動(dòng)調(diào)價(jià)閥的開度，從而控制流量、有變頻泵的熱力入口，分時(shí)分區(qū)控制器還可控制泵的變頻柜，改變泵的流量，通過以上手段調(diào)節(jié)樓內(nèi)的供熱流量。圖5所示為教學(xué)樓采暖熱力入口控制示意圖。

圖5 教學(xué)樓采暖熱力入口控制示意圖

4.3 信號傳輸系統(tǒng)

鑒于本工程都是已建建筑，建筑密度低、區(qū)域跨度大，如果使用有線數(shù)據(jù)采集，線纜鋪設(shè)工作量極大，可行性不高，客觀條件不具備引接有線通訊線路，因此本工程通訊系統(tǒng)主要采用無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(Internet of Things，IoT)。表1所示，為有線通訊與無線通訊優(yōu)劣勢對比表。

有線通訊與無線通訊優(yōu)劣勢對比表 表1

物聯(lián)網(wǎng)的無線通訊技術(shù)可分為兩大類：一類是短距離通訊技術(shù)(如ZigBee、Wi-Fi、藍(lán)牙、Z-Wave 等)；另一類是低功耗廣域網(wǎng)通訊技術(shù)(LPWAN - Low-Power Wide-Area Network)。由于城市集中供熱系統(tǒng)本身的規(guī)模和運(yùn)行特性要求所采用的物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)需具有強(qiáng)鏈接、高傳輸速率、高覆蓋、低功耗、遠(yuǎn)距離、大數(shù)據(jù)量、低成本的特征，因此本工程采取的是第二類通訊技術(shù)，即低功耗廣域網(wǎng)通訊技術(shù)。

本工程在主樓的制高點(diǎn)設(shè)置一臺無線采集器，用于各終端與數(shù)據(jù)中心通訊的中繼，由各終端至無線采集器采用自組網(wǎng)無線通訊，由無線采集器至數(shù)據(jù)中心采用4G無線網(wǎng)或有線局域網(wǎng)通訊。

4.4 末端設(shè)備供電系統(tǒng)

末端設(shè)備分為自帶電源與外接電源兩種，其中，壓力表、溫度表、室內(nèi)溫度采集器采用自帶干電池電源的方式供電，一般電池供電時(shí)間≥10年；分時(shí)分區(qū)控制器需外接交流220V電源；電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動(dòng)器可接收0～20mA、4～20mA、0～10V、2～10V中的任一種控制信號；輸出信號為0～10V或2～10V。

5 結(jié)束語

對校園實(shí)行計(jì)量繳費(fèi)，并對供熱系統(tǒng)實(shí)施智慧化改造，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)供熱、大幅降低能耗及運(yùn)維水平提升，將會取得更加顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。本工程經(jīng)初步測算，若均能采用合理的按需供熱運(yùn)行模式，按面積加權(quán)平均的方式來計(jì)算校區(qū)的總體節(jié)能率，每個(gè)采暖期節(jié)能率平均可達(dá)到13.83%，節(jié)能量相當(dāng)可觀。實(shí)施供熱系統(tǒng)智慧化改造，將進(jìn)一步推進(jìn)北方高校綠色校園、智慧校園建設(shè)，助力我國的整體節(jié)能減排事業(yè)發(fā)展，踐行可持續(xù)發(fā)展理念。

圖6 無線通訊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D