傅智瑩，饒政華

（中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

1 引言

隨著人們對(duì)建筑舒適性要求的不斷提高，以及第四代的區(qū)域供能系統(tǒng)［1］的出現(xiàn)，可再生能源的開發(fā)與應(yīng)用日益受到重視，提高能源利用效率、實(shí)現(xiàn)可再生能源規(guī)模化開發(fā)利用是能源領(lǐng)域發(fā)展的必然選擇。

目前，能源“互聯(lián)網(wǎng)＋”領(lǐng)域的發(fā)展有望突破區(qū)域供暖互聯(lián)的瓶頸［2］，近年來提出的能源路由器可用于解決區(qū)域供暖中負(fù)荷多變、曲線不平緩、小規(guī)模分布式能源點(diǎn)多、供能不穩(wěn)定等問題。然而，從現(xiàn)有技術(shù)角度來看，基于可再生能源的智慧化區(qū)域供暖仍未有具體的解決方案?，F(xiàn)有供熱模式下仍存在供需不匹配、可再生能源利用率低、熱能調(diào)控信息化程度低等弊端。

因此，本文提出一種熱能路由器和區(qū)域能源共享系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在社區(qū)中，以共享水箱為節(jié)點(diǎn)，以熱水作為載體建立熱能共享網(wǎng)絡(luò)，充分利用可再生能源和剩余熱量，消除供需不匹配，降低新能源采暖設(shè)備成本回收周期。在用戶室內(nèi)設(shè)計(jì)熱能梯級(jí)利用管路，充分利用低品位熱源。熱能路由器對(duì)區(qū)域型分布式熱能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和控制，對(duì)區(qū)域內(nèi)熱能進(jìn)行優(yōu)化配置，以手機(jī)APP為載體，實(shí)現(xiàn)熱能的路由、共享和互聯(lián)。

2 設(shè)計(jì)思路與原理

2.1 設(shè)計(jì)原理

本論文提出的熱能路由器主要包括區(qū)域熱能共享、家庭梯級(jí)熱網(wǎng)兩部分功能。

2.1.1 區(qū)域熱能共享

區(qū)域熱能共享針對(duì)安裝有各類分布式可再生能源的低層建筑社區(qū)，系統(tǒng)包括共享水箱、用戶水箱、分布式熱源、水管管路、閥門水泵、傳感器等。在社區(qū)中以共享水箱為節(jié)點(diǎn)，建立熱能共享網(wǎng)絡(luò)，以熱水作為熱能載體，將用戶熱能接入共享網(wǎng)絡(luò)。

如圖1所示，區(qū)域熱能共享系統(tǒng)中，每4位用戶共用同一共享水箱，用戶熱源為太陽能集熱器、生物質(zhì)鍋爐、熱泵等，用戶水箱與共享水箱之間、共享水箱與共享水箱之間以水管進(jìn)行連接，通過各水箱之間的熱水運(yùn)輸、循環(huán)與再熱等方式實(shí)現(xiàn)熱能共享功能。

以共享水箱為節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)共享給水、共享取熱、共享水箱再熱及共享水箱互聯(lián)四個(gè)功能。

（1）共享給水：用戶及共享水箱達(dá)成預(yù)設(shè)溫度液位條件時(shí)，路由器控制用戶水箱熱水通過供水管經(jīng)集水器送至共享水箱。遠(yuǎn)傳水表記錄共享給水流量，對(duì)共享用戶進(jìn)行流量計(jì)費(fèi)。

（2）共享取熱：共享水箱熱水經(jīng)分水器由用水管直接輸送到用戶負(fù)載端，供用戶使用。遠(yuǎn)傳水表記錄取水流量，對(duì)用水用戶進(jìn)行流量計(jì)費(fèi)。

（3）共享水箱再熱：當(dāng)共享水箱水溫較低且水位較高無法注入高溫?zé)崴畷r(shí)，路由器控制回水管及供水管同時(shí)工作，將用戶水箱及共享水箱中的水進(jìn)行循環(huán)換熱，通過換水換熱模式將共享水箱熱水再熱，同時(shí)降低用戶水箱溫度，更高效率利用太陽能等資源。

（4）共享水箱互聯(lián)：共享水箱無水或水溫較低時(shí)，由路由器控制鄰近共享水箱向該水箱進(jìn)行供熱供水，包含換熱換水與僅供水兩種模式。通過水箱互聯(lián)將整個(gè)社區(qū)連接成共享熱水網(wǎng)絡(luò)，各共享水箱作為節(jié)點(diǎn)保障熱能的流動(dòng)和傳輸。

2.1.2 家庭梯級(jí)熱網(wǎng)

家庭梯級(jí)熱網(wǎng)是在熱能路由器控制下的用戶側(cè)熱能高效消納模式。圖2為家庭梯級(jí)熱網(wǎng)系統(tǒng)概貌圖。用戶在廚房、衛(wèi)生間、臥室等安裝符合自身需求的熱水盤管，構(gòu)建健康起居及舒適洗浴等模式（可自行增減）。以閉式循環(huán)形式將盤管內(nèi)熱水以輻射、導(dǎo)熱等形式放熱實(shí)現(xiàn)暖衣暖鞋、毛巾加熱、早餐預(yù)熱等功能，達(dá)成相應(yīng)功能后熱水冷卻到人體舒適溫度，再進(jìn)行開式供水，實(shí)現(xiàn)熱能梯級(jí)利用。

2.2 裝置設(shè)計(jì)思路

如圖3所示，本裝置以熱能路由器為核心，實(shí)現(xiàn)區(qū)域熱能共享及家庭梯級(jí)熱網(wǎng)的應(yīng)用，通過手機(jī)APP與路由器互聯(lián)實(shí)現(xiàn)熱能智慧管控。

圖3 熱能路由器設(shè)計(jì)思路圖

2.2.1 裝置硬件結(jié)構(gòu)

熱能路由器以STM32F103單片機(jī)為核心，包含通信接口、分布式能源接口、儲(chǔ)熱水箱、動(dòng)力及閥門裝置、參數(shù)檢測(cè)模塊。

2.2.2 裝置軟件設(shè)計(jì)

熱能路由器及其對(duì)應(yīng)熱網(wǎng)是本裝置設(shè)計(jì)的主體部分，包括：集熱器加熱算法設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（1）集熱器加熱算法設(shè)計(jì)：熱能路由器從氣象局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)逐時(shí)采集當(dāng)天太陽預(yù)測(cè)輻照度及環(huán)境溫度，并通過優(yōu)化算法得出當(dāng)天不同時(shí)段的最理想供熱溫度（每小時(shí)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)更新）。輻照資源豐富時(shí)，理想供熱溫度升高，相應(yīng)給水水溫升高；輻照強(qiáng)度較低時(shí)，降低集熱器循環(huán)頻率，加熱相對(duì)較少熱水到60℃（人體舒適水溫），滿足用熱基本需求。通過此算法充分匹配輻照資源與共享熱水，既提高太陽能利用率，又保障低輻照強(qiáng)度下高品質(zhì)熱水的需求。

（2）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：控制系統(tǒng)是能源路由器運(yùn)作的核心，以STM32F103微控制器為處理器，收集溫度、液位傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，再通過2.4G通信接口與用戶手機(jī)進(jìn)行互聯(lián)。

3 可行性及效益分析

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺抡婺M

如圖4所示，搭建區(qū)域熱能共享實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，運(yùn)行區(qū)域熱能共享四項(xiàng)功能。如圖5所示，運(yùn)用TRNSYS軟件構(gòu)建家庭梯級(jí)熱網(wǎng)模型，對(duì)熱網(wǎng)效益進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖4 區(qū)域熱能共享實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖5 家庭梯級(jí)熱網(wǎng)模型圖

3.2 節(jié)能效益分析

3.2.1 熱能共享模塊

以唐山地區(qū)一戶安裝太陽能集熱器的三口之家為例，查得局部熱水供應(yīng)系統(tǒng)人均日用30～40 L［3］，此處取35 L，即例中熱水需求為105 L／d。全年熱水負(fù)荷需滿足冬天水溫溫升最大時(shí)的使用，同時(shí)考慮最合理地利用集熱器，選取4 m2太陽能集熱板。如圖6所示，區(qū)域熱能共享模式中水溫（見柱狀圖）較傳統(tǒng)模式能完全達(dá)到用戶需求；產(chǎn)水量（見折線圖）也遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)模式及單戶用戶需求。如圖7所示，區(qū)域熱能共享模式月均日太陽能利用熱量均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)模式及單戶用戶需求熱量。

圖6 傳統(tǒng)與共享水溫水量對(duì)比

圖7 熱量利用情況

傳統(tǒng)分散式供熱模式中，每位太陽能用戶每年可利用平板集熱器產(chǎn)熱8 071 MJ，所產(chǎn)60℃的39 150 L熱水全部供給用戶自家熱負(fù)載；區(qū)域熱能共享系統(tǒng)中，每位太陽能用戶每年可利用平板集熱器產(chǎn)熱年共產(chǎn)熱16 140 MJ，產(chǎn)水81 390 L（大于等于60℃），由區(qū)域內(nèi)用戶共同消納。在區(qū)域熱能共享系統(tǒng)中，每年每戶多利用太陽能熱量8 069 MJ，折算電能約為2 241 kWh，相當(dāng)于節(jié)省約717.1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，減少CO2排放約2 629 kg。

3.2.2 家庭梯級(jí)熱網(wǎng)模塊

傳統(tǒng)的用戶端生活用水利用方式單一，大部分熱能供應(yīng)來源于電能，梯級(jí)熱網(wǎng)模式中實(shí)現(xiàn)的干衣、加熱毛巾、預(yù)熱食物等功能均需要一定的電器實(shí)現(xiàn)。根據(jù)TRNSYS軟件模擬分析，家庭梯級(jí)熱網(wǎng)模式對(duì)比傳統(tǒng)家居模式可以有效減少能耗，與目前市場(chǎng)中相應(yīng)電器耗能對(duì)比效果如圖8所示。

圖8 家庭梯級(jí)熱網(wǎng)兩種模式節(jié)能效果

對(duì)上圖數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，家庭梯級(jí)熱網(wǎng)運(yùn)行一次相較于傳統(tǒng)的熱能利用方式可節(jié)省能量12 779 kJ，按一年運(yùn)行120 d計(jì)算，一個(gè)系統(tǒng)年節(jié)能效果達(dá)1 533 MJ，大致為136 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于減少CO2排放約500 kg，折算為電能則平均每年每戶節(jié)約426 kWh。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)計(jì)算，一套熱能路由器成本約為1 481元。參照上文節(jié)能效益，在家庭梯級(jí)熱網(wǎng)中每戶每年等效節(jié)電426 kWh，等效收益206元［4］。對(duì)于擁有太陽能熱水器的用戶，年收入總計(jì)1 135.28元，即1年4個(gè)月內(nèi)可回收成本；對(duì)于只有電加熱水的用戶，每日使用共享熱水40 L即可完全消納太陽能用戶共享熱水，每年可節(jié)約熱水成本464元，年收入總計(jì)670元，預(yù)計(jì)2年3個(gè)月內(nèi)回收成本。

4 結(jié)論與應(yīng)用前景

能源互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)和能源系統(tǒng)深度融合的產(chǎn)業(yè)新形態(tài)，構(gòu)建新一代綠色低碳、安全高效、開放共享的智慧能源系統(tǒng)，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，也是能源領(lǐng)域繼智能電網(wǎng)后又一前沿發(fā)展方向［5］。本文提出了一種區(qū)域分布式熱能網(wǎng)絡(luò)管控裝置，實(shí)現(xiàn)了太陽能資源的最大化利用，可覆蓋我國(guó)大范圍農(nóng)村地區(qū)，節(jié)能減排效果明顯、經(jīng)濟(jì)性好，為基于可再生能源的智慧化區(qū)域供暖提供了一種可行性方案，具有廣闊的應(yīng)用前景。