分散式供暖遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金育蘅

（山西交投高速公路有限公司，山西 太原 030006）

為有效減少冬季供暖期霧霾污染問(wèn)題，我國(guó)北方地區(qū)大面積推廣“煤改電”清潔能源供暖。目前主流的煤改電取暖方式主要為空氣源熱泵、電鍋爐?？諝庠礋岜孟啾入婂仩t具有節(jié)能優(yōu)勢(shì)，但能效比會(huì)隨著冬季溫度降低而減小，在極寒天氣下甚至停止工作[1]。針對(duì)此情況，在北方高寒地區(qū)，采用空氣源熱泵和電鍋爐聯(lián)合方式進(jìn)行供暖，以期能夠在室外溫度較高時(shí)采用空氣源熱泵供暖達(dá)到節(jié)能效果，又能在室外溫度較低時(shí)用電鍋爐達(dá)到供暖效果[2]。

目前的煤改電供暖系統(tǒng)主要應(yīng)用于不便于集中供暖的場(chǎng)所，單個(gè)系統(tǒng)供暖面積不大，且系統(tǒng)分布分散，現(xiàn)場(chǎng)管理維護(hù)人員專業(yè)水平不高。為有效提高空氣源熱泵和電鍋爐聯(lián)合供暖系統(tǒng)的工作效率，本文設(shè)計(jì)了分散式煤改電遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，根據(jù)室外環(huán)境溫度來(lái)調(diào)整系統(tǒng)供回水溫度，合理配置空氣源熱泵和電鍋爐的工作時(shí)間，確保系統(tǒng)高效工作。

1 煤改電供暖系統(tǒng)

煤改電供暖目前主要采用空氣源熱泵、電鍋爐為制熱源，根據(jù)環(huán)境溫度選取單一空氣源供暖或空氣源-電鍋爐復(fù)合供暖。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用于朔州地區(qū)某高速收費(fèi)站，面積約3 000 m2，為小型的供暖系統(tǒng)，末端為地暖，根據(jù)當(dāng)?shù)販囟惹闆r采用空氣源-電鍋爐復(fù)合方式供暖。

煤改電供暖系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括空氣源熱泵、電鍋爐、蓄熱水箱、蓄熱循環(huán)泵、供暖循環(huán)泵，通過(guò)控制空氣源熱泵和電鍋爐的工作時(shí)間，協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合供暖，采用谷電蓄熱方式避開(kāi)峰電，減少供暖費(fèi)用[3]。

圖1 煤改電供暖系統(tǒng)圖

2 遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能分析

分散式煤改電管理系統(tǒng)兼具本地自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程管理作用，主要包括本地控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程管理三大功能，具體功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能分析圖

a）本地控制 供暖系統(tǒng)包括空氣源熱泵、電鍋爐、循環(huán)泵等設(shè)備，需要能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)就地控制啟停，包括手動(dòng)控制和自動(dòng)控制模式，根據(jù)設(shè)備類(lèi)型采用直接驅(qū)動(dòng)和通信驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行控制。

b）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中需要實(shí)時(shí)獲取各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、環(huán)境溫度、管路溫度等數(shù)據(jù)，來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

c）遠(yuǎn)程管理 為便于系統(tǒng)的管理，需增加遠(yuǎn)程管理功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；能耗管理功能記錄系統(tǒng)每日能耗數(shù)據(jù)，以用于系統(tǒng)耗電性能分析；節(jié)能管理功能按時(shí)間段設(shè)置空氣源熱泵和電鍋爐的供回水溫度，達(dá)到節(jié)能效果。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)功能主要包括本地控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)兩部分。

2.2.1 本地控制實(shí)現(xiàn)

本地控制利用可編程邏輯控制器（PLC）通過(guò)電氣控制手段實(shí)現(xiàn)循環(huán)泵、空氣源熱泵、電鍋爐的啟停。其中循環(huán)泵的啟停通過(guò)接觸器、熱繼電器實(shí)現(xiàn)，空氣源熱泵和電鍋爐通過(guò)MODBUS通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

空氣源熱泵和電鍋爐的通訊數(shù)據(jù)的類(lèi)型及格式均設(shè)置為：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度8，停止位1，傳輸速率9 600，無(wú)校驗(yàn)。MODBUS錯(cuò)誤校驗(yàn)采用16位CRC校驗(yàn)。通過(guò)表1通訊指令可以讀取空氣源熱泵和電鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)，控制設(shè)備的啟停，設(shè)置供回水溫度。

表1 MODBUS控制表

2.2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、供回水溫度、環(huán)境溫度、能耗數(shù)據(jù)。循環(huán)泵運(yùn)行和故障利用PLC通過(guò)檢測(cè)接觸器狀態(tài)即可實(shí)現(xiàn)，空氣源熱泵和電鍋爐運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)通過(guò)MODBUS協(xié)議讀取參數(shù)可實(shí)現(xiàn)。供回水溫度通過(guò)讀取管路上的4～20 mA溫度變送器實(shí)現(xiàn)。環(huán)境溫度通過(guò)讀空氣源熱泵室外溫度參數(shù)來(lái)獲取。

能耗數(shù)據(jù)通過(guò)讀取具有尖峰平谷功能的電表實(shí)現(xiàn)，電表采用DL/T 645—07協(xié)議，需要通過(guò)PLC自由口實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)格式設(shè)置為：波特率2 400，偶校驗(yàn)。通過(guò)表2通訊指令讀取電表總的耗電量和上1月耗電量。

PLC獲取電表耗電量數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析得到總電量、峰平谷電量，實(shí)現(xiàn)能耗監(jiān)測(cè)。

表2 DL/T 645—07數(shù)據(jù)幀格式

2.3 遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)設(shè)備的本地控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，選取4G DTU實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到云服務(wù)器，通過(guò)在云服務(wù)器部署WEB GUI，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端、PC端的設(shè)備管理，數(shù)據(jù)流向如圖3所示[4]。

圖3 數(shù)據(jù)流向圖

為了便于直觀地對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)界面，包括系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、節(jié)能設(shè)置、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面，如圖4～圖6所示。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面

圖5 節(jié)能管理設(shè)置界面

圖6 環(huán)境溫度和逐時(shí)能耗監(jiān)測(cè)界面

圖4系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)可實(shí)時(shí)在線顯示空氣源熱泵、循環(huán)泵運(yùn)行及故障狀態(tài)、空氣源熱泵工作參數(shù)、上一日的耗電量及電費(fèi)情況；圖5節(jié)能管理設(shè)置界面可分時(shí)段設(shè)置空氣源熱泵的進(jìn)出水溫度，管理人員可根據(jù)環(huán)境溫度設(shè)置不同時(shí)間段的進(jìn)出水溫度從而起到節(jié)能效果；圖6環(huán)境溫度和逐時(shí)能耗監(jiān)測(cè)界面可查看每小時(shí)的室外環(huán)境溫度、熱泵進(jìn)出水溫度、小時(shí)耗電量等數(shù)據(jù)，為節(jié)能研究提供更詳細(xì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 環(huán)境溫度數(shù)據(jù)分析

選取2020年1月6日至10日共5 d的逐時(shí)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)對(duì)溫度變化情況進(jìn)行分析，溫度曲線如圖7所示。

圖7 單日逐時(shí)溫度變化曲線

從圖7可知，每日6—10點(diǎn)溫度均位于0度以下，溫度低點(diǎn)位于上午5—8點(diǎn)之間，最高溫度位于15點(diǎn)，變化趨勢(shì)從0點(diǎn)開(kāi)始溫度不斷降低直到最低溫度，然后溫度持續(xù)升高，到15點(diǎn)達(dá)到頂點(diǎn)，再持續(xù)降低。

通過(guò)單日溫度變化趨勢(shì)可指導(dǎo)節(jié)能管理設(shè)置，在每日11—18點(diǎn)時(shí)間段溫度較高，在此時(shí)段空氣源熱泵進(jìn)行蓄熱，并可將供回水溫度設(shè)置到較低水平；23—7點(diǎn)時(shí)間段溫度較低，但此時(shí)段為谷電時(shí)段，電價(jià)較低，在此時(shí)段空氣源熱泵也可蓄熱，并將供回水溫度設(shè)置到較高水平。

3.2 日能耗數(shù)據(jù)分析

選取2019-12-24至2020-01-23共計(jì)30 d的耗電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，耗電量曲線如圖8所示。

圖8 日耗電曲線

觀察日耗電曲線可知，系統(tǒng)峰電能耗較低，每日能耗約為40 kW·h，系統(tǒng)通過(guò)平電和谷電蓄熱避過(guò)了電價(jià)較高的峰電時(shí)段；由于谷電時(shí)段環(huán)境溫度低于平電時(shí)段，谷電能耗略高于平電能耗；通過(guò)分析系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)，可知分散式供暖遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)有效減少了峰電使用量，降低了系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了分散式供暖遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程管理功能，確保了供暖系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)能耗數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了供暖管理系統(tǒng)可以有效地降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。