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題，我國北方地區(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。空氣源熱泵相比電鍋爐具有節(jié)能優(yōu)勢，但能效比會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)合方式進行供暖，以期能夠在室外溫度較高時采用空氣源熱泵供暖達到節(jié)能效果，又能在室外溫度較低時用電鍋爐達到供暖效果[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所，單個系統(tǒng)供暖面積不大，且系統(tǒng)分布分散，現(xiàn)場管理維護人員專業(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)計了分散式煤改電遠程管理系統(tǒng)，根據(jù)室外環(huán)境溫度來調(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)計系統(tǒng)應(yīng)用于朔州地區(qū)某高速收費站，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，通過控制空氣源熱泵和電鍋爐的工作時間，協(xié)調(diào)實現(xiàn)聯(lián)合供暖，采用谷電蓄熱方式避開峰電，減少供暖費用[3]。

圖1 煤改電供暖系統(tǒng)圖

2 遠程管理系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能分析

分散式煤改電管理系統(tǒng)兼具本地自動控制和遠程管理作用，主要包括本地控制、實時監(jiān)測、遠程管理三大功能，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，需要能實現(xiàn)現(xiàn)場就地控制啟停，包括手動控制和自動控制模式，根據(jù)設(shè)備類型采用直接驅(qū)動和通信驅(qū)動方式實現(xiàn)設(shè)備運行控制。

b）實時監(jiān)測 系統(tǒng)在運行的過程中需要實時獲取各設(shè)備的運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、環(huán)境溫度、管路溫度等數(shù)據(jù)，來監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

c）遠程管理 為便于系統(tǒng)的管理，需增加遠程管理功能，可以實時監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(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)能管理功能按時間段設(shè)置空氣源熱泵和電鍋爐的供回水溫度，達到節(jié)能效果。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)功能主要包括本地控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測兩部分。

2.2.1 本地控制實現(xiàn)

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

空氣源熱泵和電鍋爐的通訊數(shù)據(jù)的類型及格式均設(shè)置為：數(shù)據(jù)長度8，停止位1，傳輸速率9 600，無校驗。MODBUS錯誤校驗采用16位CRC校驗。通過表1通訊指令可以讀取空氣源熱泵和電鍋爐的運行狀態(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)測實現(xiàn)

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

能耗數(shù)據(jù)通過讀取具有尖峰平谷功能的電表實現(xiàn)，電表采用DL/T 645—07協(xié)議，需要通過PLC自由口實現(xiàn)，數(shù)據(jù)格式設(shè)置為：波特率2 400，偶校驗。通過表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，進行數(shù)據(jù)解析得到總電量、峰平谷電量，實現(xiàn)能耗監(jiān)測。

表2 DL/T 645—07數(shù)據(jù)幀格式

2.3 遠程管理系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)通過PLC實現(xiàn)設(shè)備的本地控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測，選取4G DTU實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)存儲到云服務(wù)器，通過在云服務(wù)器部署WEB GUI，實現(xiàn)移動端、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

為了便于直觀地對系統(tǒng)運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，設(shè)計了遠程管理系統(tǒng)界面，包括系統(tǒng)運行狀態(tài)、節(jié)能設(shè)置、數(shù)據(jù)監(jiān)測界面，如圖4～圖6所示。

圖4 系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測界面

圖5 節(jié)能管理設(shè)置界面

圖6 環(huán)境溫度和逐時能耗監(jiān)測界面

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

3 監(jiān)測數(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的逐時環(huán)境溫度數(shù)據(jù)對溫度變化情況進行分析，溫度曲線如圖7所示。

圖7 單日逐時溫度變化曲線

從圖7可知，每日6—10點溫度均位于0度以下，溫度低點位于上午5—8點之間，最高溫度位于15點，變化趨勢從0點開始溫度不斷降低直到最低溫度，然后溫度持續(xù)升高，到15點達到頂點，再持續(xù)降低。

通過單日溫度變化趨勢可指導(dǎo)節(jié)能管理設(shè)置，在每日11—18點時間段溫度較高，在此時段空氣源熱泵進行蓄熱，并可將供回水溫度設(shè)置到較低水平；23—7點時間段溫度較低，但此時段為谷電時段，電價較低，在此時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30 d的耗電數(shù)據(jù)進行分析，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)通過平電和谷電蓄熱避過了電價較高的峰電時段；由于谷電時段環(huán)境溫度低于平電時段，谷電能耗略高于平電能耗；通過分析系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)，可知分散式供暖遠程管理系統(tǒng)有效減少了峰電使用量，降低了系統(tǒng)運行費用。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了分散式供暖遠程管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)狀態(tài)遠程監(jiān)測、實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠程管理功能，確保了供暖系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定運行。通過能耗數(shù)據(jù)分析，驗證了供暖管理系統(tǒng)可以有效地降低系統(tǒng)運行費用。