王海新， 王 巖

(哈爾濱工業(yè)大學建筑設計研究院，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大國，在工業(yè)、建筑、交通三大傳統(tǒng)高能耗領域，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)達國家，存在著非常大的節(jié)能空間。圖1為中國建筑(分項)能耗與建筑面積分布圖。

圖1 中國建筑(分項)能耗與建筑面積

2 本項目的節(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)流動性較大,在東北地區(qū)6個月的冬季采暖季中，有2個月的學生寒假離校時間以及學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化、能源利用有較大的浪費現(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，已成為設計師在節(jié)能改造時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)與云計算等高新技術(shù)進行高度融合、綜合利用，將傳統(tǒng)粗放式運行、管理與服務徹底改變?yōu)楝F(xiàn)代精細化運行、管理與服務，以提升運行管理與服務的能效水平?！爸腔酃犭姎饪刂葡到y(tǒng)”具有自感知、自學習、自分析、自診斷、自優(yōu)化、自調(diào)節(jié)、自適應等特征(相對較強的獨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)劃設計、生產(chǎn)運營、需求響應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段的室內(nèi)溫度要求(即在冬季，正常上班、上課時間段內(nèi)供熱正常運行，保證樓內(nèi)供熱系統(tǒng)在滿足舒適性的狀態(tài)下運行，而在夜間、周末以及節(jié)假日無人在樓內(nèi)活動的時間段，保障公共建筑低溫節(jié)能運行)。

采用分時分區(qū)控制策略時，在建筑入口的供回水管路上裝設末端執(zhí)行器。該末端執(zhí)行機構(gòu)主要由電動調(diào)節(jié)閥及溫度、壓力傳感裝置組成，電動調(diào)節(jié)閥的開關時間、開度及保護溫度由分時分區(qū)控制器設定，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分區(qū)控制器，實時采集回水溫度、供回水壓差，再根據(jù)計算結(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，從而實現(xiàn)過程水力的分時段、分區(qū)域的控制。圖2～3分別為學期內(nèi)、假期內(nèi)分時分區(qū)調(diào)節(jié)流程圖。

圖2 學期內(nèi)分時分區(qū)調(diào)節(jié)流程圖

圖3 假期內(nèi)分時分區(qū)調(diào)節(jié)流程圖

4 智慧供熱電氣設計簡述

本次智慧供熱改造試點共有5棟單體，含3棟教學類建筑、1棟圖書館及1棟動力站，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、熱計量表及電動調(diào)節(jié)閥等傳感設備及控制設備，電氣專業(yè)需要解決以上設備的終端設備控制需求、采集信號傳輸需求、智慧平臺的搭建、設備的供電設計等。

4.1 系統(tǒng)運行智慧控制平臺

智慧控制平臺是綜合利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算及大數(shù)據(jù)應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)運行狀況的監(jiān)控，還可實現(xiàn)整個供熱系統(tǒng)的過程管理和運行管理，提高供熱系統(tǒng)的管理效率與供熱質(zhì)量，實現(xiàn)供熱系統(tǒng)的整體節(jié)能。圖4為智慧平臺架構(gòu)拓撲圖。

圖4 智慧平臺架構(gòu)拓撲圖

其中平臺主體部分采用B/S 結(jié)構(gòu)設計，使用瀏覽器即可登錄訪問，為熱網(wǎng)運行、管理、服務提供功能支持。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)務服務應用，為供熱用戶及熱網(wǎng)管理人員提供一般管理應用及服務功能，包括客服管理、熱用戶監(jiān)督、服務保障和運行維護管理四個模塊；(2)智能運行決策，基于運行及評價策略對熱網(wǎng)運行數(shù)據(jù)進行智能化分析，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)高效服務等生產(chǎn)運行方案提供決策依據(jù)，包括數(shù)據(jù)及診斷、經(jīng)濟運行、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)安全四個模塊。(3)基礎支撐功能，為實現(xiàn)上層業(yè)務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 末端運行信息采集及控制系統(tǒng)

在各建筑熱力管網(wǎng)入口處設置溫度表、壓力表、熱計量表等信號采集設備以及電動調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行設備，信號采集設備用于采集熱力入口處的溫度值、壓力值等基礎數(shù)據(jù)，上傳至智慧平臺。在典型房間設置室溫測點，根據(jù)事先設置好的采樣周期，對典型房間進行溫度采樣，并上傳至智慧平臺。在各建筑熱力管網(wǎng)入口處設置分時分區(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、實時的氣溫數(shù)據(jù)以及事先設定好的時段供熱模式策略，進行大數(shù)據(jù)計算分析，得出最優(yōu)的判斷結(jié)果并發(fā)送至分時分區(qū)控制器，由其控制供熱管上的電動調(diào)價閥的開度，從而控制流量、有變頻泵的熱力入口，分時分區(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所示為教學樓采暖熱力入口控制示意圖。

圖5 教學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)模和運行特性要求所采用的物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)需具有強鏈接、高傳輸速率、高覆蓋、低功耗、遠距離、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設置一臺無線采集器，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 末端設備供電系統(tǒng)

末端設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，一般電池供電時間≥10年；分時分區(qū)控制器需外接交流220V電源；電動調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動器可接收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

對校園實行計量繳費，并對供熱系統(tǒng)實施智慧化改造，實現(xiàn)精準供熱、大幅降低能耗及運維水平提升，將會取得更加顯著的經(jīng)濟效益和環(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行模式，按面積加權(quán)平均的方式來計算校區(qū)的總體節(jié)能率，每個采暖期節(jié)能率平均可達到13.83%，節(jié)能量相當可觀。實施供熱系統(tǒng)智慧化改造，將進一步推進北方高校綠色校園、智慧校園建設，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)絡拓撲圖