楊前明 王均珂 劉亞瓊

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266590）

基于TLNS的多熱源供熱工程能源監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究

楊前明 王均珂 劉亞瓊

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266590）

為實現(xiàn)多熱源熱水工程（MHWP）能源監(jiān)控與科學(xué)管理，達(dá)到能源綜合調(diào)配、合理利用，本文借助現(xiàn)代計算機(jī)信息化技術(shù)，設(shè)計并應(yīng)用了多熱源熱水工程能源監(jiān)控管理系統(tǒng)（EMMS）。該系統(tǒng)具有運行參數(shù)實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)信息處理、能耗分析等功能，能夠為多熱源熱水系統(tǒng)運行狀況、能源科學(xué)調(diào)配、運行策略選擇提供依據(jù)。

多熱源 熱水工程 能源監(jiān)控 管理EMMS 數(shù)據(jù)信息處理 運行策略

引言

以太陽能、空氣能為主導(dǎo)的雙熱源熱水工程，由于其巨大的社會與經(jīng)濟(jì)效益潛力[2]，近年來得到廣泛的應(yīng)用。由于系統(tǒng)熱源種類與品位的差異性，現(xiàn)有工程中采用的控制方法難以實現(xiàn)目標(biāo)精細(xì)化控制、能量監(jiān)控與管理等技術(shù)問題，導(dǎo)致多熱源系統(tǒng)并未達(dá)到應(yīng)有的最佳熱性能與能效比?；谶@個問題，本文給出多熱源熱水工程（MHWP）能源監(jiān)控管理系統(tǒng)（EMMS）的設(shè)計開發(fā)方案。

1 MHWP系統(tǒng)工作原理及用能原則

1.1 MHWP系統(tǒng)原理

MHWP（Multi heat source hot water project）系統(tǒng)原理如圖1所示。系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)（Solar heat collecting system，SCS）、空氣源熱泵熱水機(jī)組（air heat pump system，AHPS）、廢水余熱回收系統(tǒng)（Waste heat recovery system，WRS）和應(yīng)急電加熱系統(tǒng)（electric heating emergency system，EHES）4個子系統(tǒng)及相關(guān)輔助元件構(gòu)成，綜合利用廢水余熱能、太陽能以及空氣能等低品位能源，實現(xiàn)了系統(tǒng)能源合理匹配與高效利用。

圖1 MHWP系統(tǒng)組成示意圖

（1）太陽能集熱系統(tǒng)（SCS）太陽能集熱系統(tǒng)采用溫差循環(huán)設(shè)定方式運行。太陽能集熱器吸收太陽能，對集熱管組的水進(jìn)行加熱，當(dāng)集熱器組出口溫度（T2）大于集熱水箱溫度（T3），且T2-T3＞△T（設(shè)定溫差）時，集熱循環(huán)泵P1啟動，實現(xiàn)熱水循環(huán)；當(dāng)T2-T3＜△T時，泵P1停止。同時，集熱水箱的溫度（T3）大于恒溫水箱的溫度（T1），且T3-T1＞△Tn（設(shè)定溫差）時，泵P6啟動，將集熱水箱熱水送入恒溫水箱；當(dāng)T3-T1＜△Tn時，泵P6停止。

（2）空氣源熱泵熱水機(jī)組（AHPS）空氣源熱泵熱水系統(tǒng)采用溫差與定時雙循環(huán)進(jìn)行熱水加熱，當(dāng)時間t∈[t1，t2]且恒溫水箱的溫度T3小于空氣源熱泵機(jī)組設(shè)定的啟動溫度時，循環(huán)泵P2啟動，進(jìn)行冷水循環(huán)，然后空氣源熱泵運行，實現(xiàn)冷水加熱；當(dāng)恒溫水箱的水溫T3大于空氣源熱泵機(jī)組設(shè)定的停止溫度時，空氣源熱泵機(jī)組P3、循環(huán)泵P2停止運行，如此反復(fù)，達(dá)到用戶熱水要求。

（3）余熱回收系統(tǒng)（WRS）恒溫水箱補水時啟動補水電磁閥，自來水流經(jīng)水箱中換熱器吸收污水中的低品位熱能。其運行條件為廢水余熱溫度大于自來水溫度。

（4）應(yīng)急電加熱系統(tǒng)（EEHS）在凍雨、連續(xù)低溫等極其寒冷條件下，機(jī)組無法工作時啟動輔助電加熱設(shè)備，保證系統(tǒng)正常運行。

表1 MHWP系統(tǒng)控制

1.2 能源廉價優(yōu)先使用原則

MHWP系統(tǒng)將洗浴廢水余熱能作為常態(tài)能源（對自來水進(jìn)行預(yù)熱），太陽能作為優(yōu)先使用能源、空氣能作為主流（常規(guī)）能源、電加熱作為應(yīng)急能源，以滿足系統(tǒng)熱負(fù)荷總量為目標(biāo)，對系統(tǒng)組成能源進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價，優(yōu)先使用廉價能源，以獲得系統(tǒng)最優(yōu)熱性能系數(shù)與能效比，即能源廉價優(yōu)先使用原則。

2 TLNS能源監(jiān)控管理系統(tǒng)

能源監(jiān)控管理系統(tǒng)以系統(tǒng)控制目標(biāo)為依據(jù)，運用計算機(jī)監(jiān)測與管理技術(shù)，實現(xiàn)能源控制和管理，并通過系統(tǒng)采集的實時能源數(shù)據(jù)進(jìn)行能源平衡的改進(jìn)和優(yōu)化，實現(xiàn)管控一體化系統(tǒng)。將傳統(tǒng)的獨立分散式能源管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為集中一貫式管理方式，實現(xiàn)能源監(jiān)管系統(tǒng)的管控一體化，有利于系統(tǒng)的全局調(diào)度和管理。TLNS（Three Layer Network Structure）能源監(jiān)控管理系統(tǒng)，采用嚴(yán)格系統(tǒng)分層方法，實現(xiàn)由計量節(jié)能（終端設(shè)備）、系統(tǒng)優(yōu)化（傳輸能源層面）到管理節(jié)能的轉(zhuǎn)變，消除了不同層次間組件相互依賴性和跨越多層造成的不良影響。

2.1 硬件設(shè)計

依據(jù)集散控制理論，多熱源熱水工程能源監(jiān)控管理系統(tǒng)總體采用多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，劃分為底層現(xiàn)場設(shè)備控制層、中間層為運行管理層，頂層為遠(yuǎn)程系統(tǒng)能源監(jiān)控管理層的TLNS能源監(jiān)控管理系統(tǒng)。

（1）現(xiàn)場設(shè)備控制層MHWP系統(tǒng)包括太陽能熱水、空氣源熱泵、余熱回收與電熱應(yīng)急4個子系統(tǒng)。圖3所示是現(xiàn)場設(shè)備控制層示意圖，用于系統(tǒng)運行控制和能耗計量。它以PLC為控制核心，采用智能監(jiān)測，對系統(tǒng)用水量、電能等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過RS485總線傳輸給運行管理層監(jiān)控計算機(jī)。各子系統(tǒng)的運行狀況通過PLC傳輸給過程系統(tǒng)運行管理層。

圖3 現(xiàn)場設(shè)備控制層

（2）運行管理層通過RS485總線建立通信環(huán)網(wǎng)，將各子系統(tǒng)運行的實時數(shù)據(jù)傳輸給運行管理層，及時反應(yīng)系統(tǒng)運行情況，并將數(shù)據(jù)信息處理和儲存。運行管理層將能耗數(shù)據(jù)、運行設(shè)備以及實時報警等有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成完整的過程系統(tǒng)可視化監(jiān)控層。工業(yè)計算機(jī)通過基于TCP/IP的工業(yè)以太網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳送給能源管理層，并進(jìn)行針對性的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)布。圖4是運行管理層的通信網(wǎng)絡(luò)。

能源監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)將各子系統(tǒng)串聯(lián)在一起，為系統(tǒng)構(gòu)建了信息傳輸框架。各子系統(tǒng)的距離較遠(yuǎn)，需要構(gòu)建大范圍的通信網(wǎng)絡(luò)，而施工范圍大，涉及的外界影響因素較多，因此在設(shè)計的過程中，應(yīng)確保通信網(wǎng)絡(luò)能夠長期工作。通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性極大的影響了系統(tǒng)運行的準(zhǔn)確性、一致性，是聯(lián)系各層間的橋梁。

圖4 過程系統(tǒng)運行管理層的通信網(wǎng)絡(luò)

（3）遠(yuǎn)程系統(tǒng)能源監(jiān)控管理層圖5所示為能源管理監(jiān)控層。采用世紀(jì)星組態(tài)軟件開發(fā)了“高度集成”的能源監(jiān)控管理層。能源監(jiān)控管理層分為兩大模塊，即能源監(jiān)控模塊和能源管理模塊。

圖5 能源監(jiān)控管理層

①能源監(jiān)控模塊。主要實現(xiàn)能源實時監(jiān)控和調(diào)度功能，通過組態(tài)軟件設(shè)計開發(fā)的SCADA系統(tǒng)具有實時運行監(jiān)控、設(shè)備控制管理、系統(tǒng)檢測、故障報警、數(shù)據(jù)歸納與匯總等功能。

②能源管理模塊。主要實現(xiàn)能源基礎(chǔ)管理和能源決策分析模塊。前者包括數(shù)據(jù)維護(hù)、系統(tǒng)參數(shù)管理等，后者解決能源成本管理、報表管理、能耗分析、能效綜合評價等技術(shù)問題。

2.2 系統(tǒng)軟件功能

能源監(jiān)控管理系統(tǒng)是集散式全分布的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括系統(tǒng)運行監(jiān)控、報警、能源管理等功能。

（1）系統(tǒng)運行監(jiān)控。圖6所示為采用世紀(jì)星組態(tài)軟件設(shè)計開發(fā)的多熱源熱水工程能源監(jiān)控管理界面，方便用戶隨時了解系統(tǒng)的運行情況和工作動態(tài)。

（2）報警功能。設(shè)計報警功能的主要目的是當(dāng)運行狀況發(fā)生異常時，監(jiān)控管理系統(tǒng)會實時警報、提醒用戶采取相應(yīng)措施。圖7為組態(tài)系統(tǒng)報警界面。

（3）能源管理。能源管理包括能源計劃與實績管理，能源計劃管理是制定能源計劃，并在系統(tǒng)運行過程中，對能源消耗進(jìn)行追蹤，與設(shè)定計劃進(jìn)行比較，通過對比，對系統(tǒng)進(jìn)行用能優(yōu)化，實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)能效比。能源實績管理是設(shè)計將各時段的能源數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納、整理、統(tǒng)計為一體的管理軟件，通過歷史數(shù)據(jù)報表顯示，便于運行能效管理查閱和參考。在能源實績與成本分析時，用數(shù)據(jù)表述節(jié)能效果。

圖6 多熱源熱水工程實時監(jiān)控圖

圖7 組態(tài)系統(tǒng)報警

圖8 水量消耗報表

預(yù)測分析SCADA系統(tǒng)對最基本的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)的完整性受到多方面因素的影響，有較大的數(shù)據(jù)誤差存在。利用預(yù)測分析技術(shù)可以在有限的測量數(shù)據(jù)下，對系統(tǒng)（能耗、電力負(fù)荷等）的變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，讓用戶了解能源消耗的趨勢。

（4）用能原則實現(xiàn)。通過“智能儀器儀表、傳感器+PLC+上位機(jī)”的方式，實現(xiàn)了能源的監(jiān)控管理，達(dá)到了節(jié)能的目的，系統(tǒng)用能分為三種模式：即晴天狀況、陰雨天狀況以及晴轉(zhuǎn)多云。系統(tǒng)熱負(fù)荷總量的表達(dá)如下：

式中，P集熱（t）為太陽能熱功率，單位是W；P熱泵（t）為空氣源熱泵熱功率，W；k1為太陽能制熱加熱系數(shù)；k2為空氣能制熱加熱系數(shù)。

上式用能思想是余熱回收作為常態(tài)能源，太陽能作為優(yōu)先能源，空氣能作為主導(dǎo)熱源，即在光照條件良好的氣候條件下，以余熱、太陽能集熱為基礎(chǔ)熱源，空氣能補充；當(dāng)陰雨低溫條件下，以余熱為輔，空氣能作為主導(dǎo)熱源；特殊氣候條件（如連續(xù)凍雨）使用電能作為應(yīng)急加熱。

3 結(jié)論

本文以多熱源聯(lián)合供熱系統(tǒng)能源監(jiān)控與管理為研究對象，對能源監(jiān)控管理系統(tǒng)用能策略與實現(xiàn)方法進(jìn)行了討論。根據(jù)“能源廉價優(yōu)先”原則，給出了基于TLNS能源監(jiān)控管理系統(tǒng)的計算機(jī)監(jiān)控管理硬件、軟件設(shè)計方法，利用檢測儀器儀表與PLC構(gòu)成的通信環(huán)網(wǎng)對系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控和能耗信息管理，實現(xiàn)了多熱源熱水工程能源的合理調(diào)配和科學(xué)管理；通過對3個示范工程系統(tǒng)運行記錄數(shù)據(jù)分析評價，多熱源聯(lián)合供熱監(jiān)控管理系統(tǒng)運行穩(wěn)定、全年運行平均COP系數(shù)達(dá)到3.6，光照強(qiáng)度理想條件下最高可達(dá)4.52。

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The Design and Application of Energy Monitoring and Management System for Multi-heatsource Hot Water Project Based on TLNS

YANG Qianming,WANG Junke,LIU Yaqiong

（College of Mechanical&Electronic Engineering,Shandong University of Science&Technology,Qingdao 266590）

In order to achieve the comprehensive deployment and reasonable use of the thermal load energy,the energy monitoring and management system（EMMS）has been designed and applied aiming at realizing energy monitoring and scientific management of the multi-heatsource hot water project（MHWP）based on modern computer information technology.The system has the function of real time monitoring of operating parameters and data information processing as well as energy consumption analysis.It could provide a basis for the selection of operation status of multi heat source hot water systemand energy science deployment as well as operation strategy.

multi-heat source hot water project,energy monitoring and management EMMS,data information,operation strategy