摘要：隨著我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的不斷發(fā)展，進(jìn)一步提高嚴(yán)寒地區(qū)建筑供暖節(jié)能勢(shì)在必行。文章依托吉林建筑科技學(xué)院已建成的吉林省超低能耗示范工程——多能互補(bǔ)近零能耗建筑，創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了可再生能源復(fù)合蓄能的智能化供暖控制系統(tǒng)。為滿足不同的供暖負(fù)荷和室外氣候變化，本系統(tǒng)包含3個(gè)部分：熱源端高溫相變蓄能系統(tǒng)、末端（地板/墻面）相變蓄熱供暖系統(tǒng)、雙熱源耦合供暖系統(tǒng)。在保障采暖需求的前提下，系統(tǒng)充分節(jié)省了采暖成本，達(dá)到了最佳的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)了低能耗建筑復(fù)合供暖系統(tǒng)的智慧化運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：可再生能源利用；復(fù)合蓄能；智能化控制

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文獻(xiàn)標(biāo)志碼

0 引言

嚴(yán)寒地區(qū)冬季漫長(zhǎng)而寒冷，利用可再生能源為建筑物供暖，對(duì)北方地區(qū)節(jié)能降碳，實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值^［1-2］。文章依托吉林建筑科技學(xué)院已建成的吉林省超低能耗示范工程——多能互補(bǔ)近零能耗建筑，設(shè)計(jì)可再生能源+相變蓄能的復(fù)合式智能化供暖控制系統(tǒng)^［3］。

智能化運(yùn)行是保證低能耗建筑供暖系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)的前提，是滿足不同個(gè)性化需求的基礎(chǔ)。本文結(jié)合不同供暖負(fù)荷和室外氣候變化，研究可再生能源+蓄能形成的新型復(fù)合式供暖系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)基于移動(dòng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)自動(dòng)分析、節(jié)能診斷和實(shí)現(xiàn)低能耗建筑復(fù)合供暖系統(tǒng)的智慧化運(yùn)行^［4］。

本智能化供暖控制系統(tǒng)包含3個(gè)部分：太陽(yáng)能光熱（簡(jiǎn)稱“光熱”）+市電熱源端高溫相變蓄能系統(tǒng)、太陽(yáng)能+市電末端（地板/墻面）相變蓄熱供暖系統(tǒng)、地能+太陽(yáng)能雙熱源耦合供暖系統(tǒng)^［5］。

1 光熱+市電熱源端高溫相變蓄能系統(tǒng)

1.1 光熱+市電熱源端高溫相變蓄能系統(tǒng)的監(jiān)控方案

光熱+市電熱源端高溫相變蓄能系統(tǒng)的原理（見(jiàn)圖1）及具體運(yùn)行方式如下。

（1）相變蓄熱裝置蓄熱：在供暖前期，末端房間不需要供暖時(shí)，打開(kāi)太陽(yáng)能集熱循環(huán)，關(guān)閉末端供暖循環(huán)，加熱水箱不需要加熱，太陽(yáng)能集熱器的熱量對(duì)相變蓄熱裝置進(jìn)行蓄熱。

（2）相變蓄熱裝置放熱補(bǔ)充：當(dāng)太陽(yáng)能輻射量不能滿足末端房間供暖所需負(fù)荷時(shí)，打開(kāi)太陽(yáng)能集熱循環(huán)，打開(kāi)相變蓄熱裝置蓄熱循環(huán)，加熱水箱不需要加熱，相變裝置放熱補(bǔ)充熱量。

（3）相變蓄熱裝置直接供暖：當(dāng)無(wú)太陽(yáng)能輻射，相變蓄熱裝置的熱量能夠滿足末端房間供暖所需負(fù)荷時(shí)，關(guān)閉太陽(yáng)能集熱循環(huán)，打開(kāi)蓄熱裝置蓄熱循環(huán)，相變蓄熱裝置放出熱量對(duì)末端相變地板進(jìn)行蓄熱。

（4）電加熱棒輔助水箱加熱：當(dāng)太陽(yáng)能輻射不能滿足相變蓄熱裝置的溫度時(shí)，加熱水箱進(jìn)行加熱，同時(shí)采用電加熱棒對(duì)水箱輔助加熱，打開(kāi)蓄熱裝置蓄熱循環(huán)，加熱水箱對(duì)相變蓄熱裝置蓄熱。

1.2 光熱+市電熱源端高溫相變蓄能系統(tǒng)的監(jiān)控硬件組成

系統(tǒng)通過(guò)兩部分搭配組合起來(lái)搭建，中間通過(guò)管件連接，管件外層包裹兩層保溫材料，系統(tǒng)實(shí)景如圖2所示。從圖中可以看出，相變儲(chǔ)能裝置是系統(tǒng)的中心部分。將填充相變材料的螺旋翅片管交叉排列在裝置內(nèi)，儲(chǔ)能箱體和螺旋翅片管組成相變儲(chǔ)能系統(tǒng)。

光熱與相變儲(chǔ)能復(fù)合裝置主要是由太陽(yáng)能集熱器、蓄熱水箱、電加熱棒、電磁流量計(jì)、變頻器、相變蓄熱裝置、溫度傳感器、蓄熱水泵、循環(huán)水泵、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集模塊+電腦等組成。

相變蓄熱裝置主要由帶螺旋翅片的U型紫銅盤(pán)管和儲(chǔ)能箱內(nèi)組成，儲(chǔ)能箱體為自制箱體。相變蓄熱裝置，將源側(cè)換熱管與負(fù)荷側(cè)換熱管交叉布置，相變裝置內(nèi)紫銅盤(pán)管的實(shí)景如圖3所示。

1.3 光熱+市電熱源端高溫相變蓄能系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

光熱+市電熱源端高溫相變蓄能系統(tǒng)界面包括：模式選擇、自動(dòng)操作區(qū)、手動(dòng)操作區(qū)、溫度設(shè)定、溫度監(jiān)測(cè)。其中，手動(dòng)操作區(qū)功能有（1）加熱：市電使用電加熱方式給集熱水箱加熱；（2）泵M1：給集熱水箱供水；（3）泵M2：給相變蓄熱水箱供水；（4）泵M3：給末端房間供水。

2 太陽(yáng)能+市電末端（地板/墻面）相變蓄熱供暖系統(tǒng)

2.1 太陽(yáng)能+市電末端（地板/墻面）相變蓄熱供暖系統(tǒng)監(jiān)控方案

2.1.1 光熱+市電相變蓄熱地板熱水供暖系統(tǒng)

白天太陽(yáng)光充足的時(shí)候，可完全利用太陽(yáng)能光熱的熱水進(jìn)行室內(nèi)供暖，相變蓄熱地板吸熱，做到零能耗供暖。持續(xù)供暖至沒(méi)有太陽(yáng)光，或者太陽(yáng)能光熱為房間提供溫度不足時(shí)，相變蓄熱地板開(kāi)始進(jìn)行放熱，并啟動(dòng)市政電為蓄熱水箱中的熱水直熱電供暖，在夜間可以利用市政夜間低價(jià)谷電啟動(dòng)加熱進(jìn)行供暖，節(jié)省用電成本，當(dāng)蓄熱水箱水溫足夠給房間供暖時(shí)，關(guān)閉電加熱，如此進(jìn)行采暖循環(huán)。

2.1.2 光伏+市電相變蓄熱墻面無(wú)水直熱電供暖系統(tǒng)

白天太陽(yáng)光充足的時(shí)候，可完全利用太陽(yáng)能光伏電加熱進(jìn)行室內(nèi)供暖，相變蓄熱墻面吸熱，做到零能耗供暖。持續(xù)供暖至沒(méi)有太陽(yáng)光，或者太陽(yáng)能光伏為房間提供溫度不足時(shí)，相變蓄熱墻面開(kāi)始進(jìn)行放熱，并啟動(dòng)市政電直熱電供暖，在夜間可以利用市政夜間低價(jià)谷電啟動(dòng)加熱電纜進(jìn)行供暖，節(jié)省用電成本。直至第二天太陽(yáng)光照可以啟動(dòng)光伏直驅(qū)供暖，如此進(jìn)行采暖循環(huán)。

2.2 太陽(yáng)能+市電末端（地板/墻面）相變蓄熱供暖系統(tǒng)的監(jiān)控硬件組成

2.2.1 光熱+市電相變蓄熱地板熱水供暖系統(tǒng)

地板結(jié)構(gòu)包括：相變水泥砂漿地板、地板內(nèi)部通風(fēng)管道及風(fēng)機(jī)、加熱水管、加熱電纜、控制設(shè)備等。系統(tǒng)在供暖地板內(nèi)部嵌入通風(fēng)管道，使地板內(nèi)部存儲(chǔ)的熱量在風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下快速排至室內(nèi)，從而靈活調(diào)節(jié)地板蓄熱量和房間的加熱速率。

2.2.2 光伏+市電相變蓄熱墻面無(wú)水直熱電供暖系統(tǒng)

光伏+市電相變蓄熱供暖系統(tǒng)由交直流混用電纜、光伏板、交直流電源智能切換箱、熱電偶、隔熱板、反射膜、加固網(wǎng)等組成。

將太陽(yáng)能光伏板的輸電線路和市政交流電的輸電線路連接到交直流自動(dòng)切換裝置；敷設(shè)好加熱電纜后，將加熱電纜連接到交直流自動(dòng)切換裝置；再在加熱電纜上覆蓋加固網(wǎng)和復(fù)合地板/墻面，供暖原理如圖4所示，墻面實(shí)物如圖5所示。

2.2.3 相變蓄熱供暖系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：傳感器部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、計(jì)算機(jī)軟件分析平臺(tái)等部分。

傳感器部分主要有：壓力變送器、流量計(jì)、液位傳感器、溫度傳感器、黑球溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、熱流計(jì)、電量表等。

數(shù)據(jù)傳輸部分主要使用485通信方式，數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)485數(shù)據(jù)采集儀直接將數(shù)據(jù)發(fā)送至電腦端并進(jìn)行存儲(chǔ)。優(yōu)點(diǎn)是每路通信線可以帶32個(gè)數(shù)據(jù)傳感器，布線簡(jiǎn)單方便。

2.2.4 相變蓄熱供暖系統(tǒng)控制系統(tǒng)

使用相變蓄熱供暖的控制系統(tǒng)，對(duì)相變蓄熱供暖系統(tǒng)房間的光熱、光伏和市電等設(shè)備進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：控制柜（如圖6所示）、執(zhí)行元件等?？刂乒癜狐c(diǎn)控按鍵、繼電器、交流接觸器等。執(zhí)行元件包括：電磁閥、機(jī)組、水泵、加熱電纜、PID溫控器、風(fēng)機(jī)調(diào)速器等。

2.3 太陽(yáng)能+市電相變蓄熱供暖系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)

2.3.1 發(fā)電控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)發(fā)電先開(kāi)啟離網(wǎng)模式，即先給蓄電池充電。當(dāng)蓄電池充滿電以后，系統(tǒng)自行切換至并網(wǎng)模式。此時(shí)，離網(wǎng)蓄電池可以向用電器進(jìn)行供電。當(dāng)檢測(cè)到離網(wǎng)電池電量不足時(shí)，系統(tǒng)可以自行切換回離網(wǎng)供電模式，繼續(xù)為蓄電池供電。

2.3.2 房間溫度等參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

使用Agilent軟件對(duì)房間的溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 地能+太陽(yáng)能雙熱源耦合供暖系統(tǒng)

3.1 地能+太陽(yáng)能雙熱源耦合供暖系統(tǒng)的監(jiān)控方案

若太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)直供供暖2 h后，室內(nèi)溫度還不滿足要求，太陽(yáng)能直供已無(wú)法滿足時(shí)，采取太陽(yáng)能-地源熱泵二者耦合供暖模式，使太陽(yáng)能為機(jī)組源測(cè)升溫。機(jī)組啟動(dòng)順序：先啟動(dòng)源測(cè)水泵以及負(fù)荷側(cè)水泵。10 min后，啟動(dòng)熱泵機(jī)組。當(dāng)熱泵機(jī)組負(fù)荷側(cè)供水溫度達(dá)到45 ℃時(shí)，啟動(dòng)毛細(xì)管循環(huán)泵為室內(nèi)供暖。當(dāng)室內(nèi)溫度均滿足后，關(guān)閉供暖。關(guān)閉順序：當(dāng)室內(nèi)溫度滿足要求后，先關(guān)閉蓄熱水箱室內(nèi)循環(huán)泵（若在運(yùn)行期間，水箱溫度先低于20 ℃，則可以提前關(guān)閉水泵，停止循環(huán)），然后關(guān)閉熱泵機(jī)組和源側(cè)循環(huán)泵，而負(fù)荷側(cè)循環(huán)泵和毛細(xì)管循環(huán)泵仍應(yīng)繼續(xù)運(yùn)行半小時(shí)左右，最后關(guān)閉負(fù)荷側(cè)循環(huán)泵與毛細(xì)管循環(huán)水泵。地能+太陽(yáng)能雙熱源耦合供暖系統(tǒng)如圖7所示。

3.2 地能+太陽(yáng)能雙熱源耦合供暖系統(tǒng)的監(jiān)控硬件組成

3.2.1 地源熱泵系統(tǒng)

地源測(cè)土壤溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：由各深度溫度傳感器和溫度數(shù)據(jù)采集器組成，地溫井中每隔20～30 m設(shè)置一處溫度傳感器，可以反映整體地下100 m的各層溫度情況。在非取熱區(qū)域設(shè)有一個(gè)的地下土壤溫度專用測(cè)溫井，在取熱區(qū)域也設(shè)有一個(gè)地下土壤溫度專用測(cè)溫井。通過(guò)對(duì)比土壤未被取熱和已被取熱的實(shí)時(shí)溫度狀態(tài)，合理調(diào)度井群運(yùn)行或啟動(dòng)太陽(yáng)能光熱補(bǔ)熱。

地源熱泵溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要為：地源測(cè)供回水溫度、地源熱泵機(jī)組供回水溫度、負(fù)荷側(cè)供回水溫度。通過(guò)監(jiān)測(cè)以上溫度，系統(tǒng)可以計(jì)算出熱泵機(jī)組的效率及負(fù)荷側(cè)板式換熱器的轉(zhuǎn)換效率。

地源熱泵系統(tǒng)管道壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要為：地源測(cè)供回水管道壓力、地源熱泵機(jī)組管道壓力、負(fù)荷側(cè)供回水管道壓力、各系統(tǒng)補(bǔ)水灌壓力。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的壓力數(shù)據(jù)主要用來(lái)監(jiān)測(cè)管道壓力是否正常，是否有漏水的情況發(fā)生。

地源熱泵管道流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要為：地源測(cè)供回水管道流量、地源熱泵機(jī)組管道流量、負(fù)荷側(cè)供回水管道流量。控制系統(tǒng)可根據(jù)各部分溫度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從而調(diào)整各部分的管道流量。

地源熱泵能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要為：地源測(cè)水泵及變頻器能耗、機(jī)組能耗、負(fù)荷側(cè)水泵及變頻器能耗、補(bǔ)水泵能耗。

地源熱泵控制系統(tǒng)：此系統(tǒng)通過(guò)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的溫度、壓力、流量、地源測(cè)地溫、室內(nèi)溫度等數(shù)據(jù)，從而控制各節(jié)點(diǎn)控制單元的啟停狀態(tài)。

3.2.2 太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)

太陽(yáng)能光熱溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要為：太陽(yáng)能集熱箱溫度、太陽(yáng)能室外管道溫度、太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)室外循環(huán)供回水溫度、集熱水箱溫度、太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)直供板換供回水溫度。系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)以上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度，可以計(jì)算出光熱系統(tǒng)的熱效率、直供板式換熱器的轉(zhuǎn)換效率和光熱系統(tǒng)對(duì)供暖或補(bǔ)熱的貢獻(xiàn)率。

太陽(yáng)能光熱管道壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要為：太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)室外循環(huán)管道壓力、集熱水箱壓力、太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)直供板換供回水管道壓力。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的壓力數(shù)據(jù)，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)管道是否有漏水的情況。

太陽(yáng)能集熱水箱液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以通過(guò)侵入式液位計(jì)或者壓力式液位計(jì)監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)水箱液位數(shù)據(jù)，可以控制水箱的補(bǔ)水系統(tǒng)啟停。

太陽(yáng)能光熱管道流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要為：太陽(yáng)能光熱室外循環(huán)供回水管道流量、太陽(yáng)能光熱直供供回水管道流量。整體控制系統(tǒng)可根據(jù)各部分溫度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整各部分的管道流量。

太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)：太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)伴熱帶能耗、太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)室外循環(huán)水泵及變頻器能耗、太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)直供循環(huán)水泵及變頻器能耗。

太陽(yáng)能光熱控制系統(tǒng)：通過(guò)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的溫度、壓力、流量、室內(nèi)溫度等數(shù)據(jù)，從而控制各節(jié)點(diǎn)控制單元的啟停狀態(tài)。

3.3 地能+太陽(yáng)能雙熱源耦合供暖系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)

可視化平臺(tái)，采用每10 s一次的全量數(shù)據(jù)更新方式。后端數(shù)據(jù)獲取來(lái)自機(jī)房及建筑內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的傳感器。各傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)主動(dòng)或被動(dòng)方式上傳至專用計(jì)算機(jī)，專用計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)和云端數(shù)據(jù)庫(kù)?？梢暬脚_(tái)從云端數(shù)據(jù)庫(kù)獲取各測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖8所示。

可視化平臺(tái)所用數(shù)據(jù)庫(kù)：可視化平臺(tái)后端數(shù)據(jù)支持來(lái)源于本地/云端兩處數(shù)據(jù)庫(kù)，均采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)一編碼格式?？梢暬脚_(tái)讀取數(shù)據(jù)前，另有加密程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)中各表數(shù)據(jù)進(jìn)行加密后生成API供可視化平臺(tái)解密后使用。

4 結(jié)語(yǔ)

建筑供暖節(jié)能智能化控制，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展意義重大，針對(duì)當(dāng)前工作中的不足之處，應(yīng)積極轉(zhuǎn)換思維、大膽創(chuàng)新實(shí)踐，以先進(jìn)技術(shù)和控制策略引導(dǎo)，穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)建筑供暖節(jié)能的發(fā)展。

本文依托吉林建筑科技學(xué)院已建成的吉林省超低能耗示范工程——多能互補(bǔ)近零能耗建筑，就太陽(yáng)能+市電熱源端高溫相變蓄能系統(tǒng)、太陽(yáng)能+市電末端（地板/墻面）相變蓄熱供暖系統(tǒng)、地能+太陽(yáng)能雙熱源耦合供暖系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)研究。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，本智能化控制系統(tǒng)運(yùn)行良好。在保障采暖需求的前提下，本研究充分節(jié)省采暖成本，使系統(tǒng)達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)踐可為我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)類似項(xiàng)目提供借鑒與參考。

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［5］步紅麗，白婉凝，張曉宇，等.可再生能源在近零能耗建筑中的應(yīng)用研究［J］.低碳世界，2020（10）：21-22.

（編輯 王永超）

Research on intelligent control of renewable energy compound energy storage heating system

Wang Shuting， Qu Na， Tao Jin

（Jilin University of Architecture and Technology， Changchun 130114， China）

Abstract： With the continuous development of China’s “double carbon” strategic goal， it is imperative to further improve the energy saving of building heating in cold areas. Based on the super-low energy consumption demonstration project-multi-energy complementary near-zero energy consumption building built by Jilin University of Architecture and Technology， this paper innovatively designs an intelligent heating control system with renewable energy and compound energy storage.In order to meet different heating loads and outdoor climate changes， the system consists of three parts： high temperature phase change energy storage system at the heat source， phase change heat storage heating system at the end （floor/Wall） ， and dual heat source coupled heating system.On the premise of ensuring the heating demand， the system fully saves the heating cost， achieves the best economic， ecological and social benefits， and realizes the intelligent operation of the low-energy-consumption building composite heating system.

Key words： renewable energy utilization; compound energy storage; intelligent control