基于TLNS的多熱源供熱工程能源監控管理系統設計與應用研究

楊前明 王均珂 劉亞瓊

（山東科技大學機械電子工程學院，青島 266590）

基于TLNS的多熱源供熱工程能源監控管理系統設計與應用研究

楊前明 王均珂 劉亞瓊

（山東科技大學機械電子工程學院，青島 266590）

為實現多熱源熱水工程（MHWP）能源監控與科學管理，達到能源綜合調配、合理利用，本文借助現代計算機信息化技術，設計并應用了多熱源熱水工程能源監控管理系統（EMMS）。該系統具有運行參數實時監測、數據信息處理、能耗分析等功能，能夠為多熱源熱水系統運行狀況、能源科學調配、運行策略選擇提供依據。

多熱源 熱水工程 能源監控 管理EMMS 數據信息處理 運行策略

引言

以太陽能、空氣能為主導的雙熱源熱水工程，由于其巨大的社會與經濟效益潛力[2]，近年來得到廣泛的應用。由于系統熱源種類與品位的差異性，現有工程中采用的控制方法難以實現目標精細化控制、能量監控與管理等技術問題，導致多熱源系統并未達到應有的最佳熱性能與能效比。基于這個問題，本文給出多熱源熱水工程（MHWP）能源監控管理系統（EMMS）的設計開發方案。

1 MHWP系統工作原理及用能原則

1.1 MHWP系統原理

MHWP（Multi heat source hot water project）系統原理如圖1所示。系統主要由太陽能集熱系統（Solar heat collecting system，SCS）、空氣源熱泵熱水機組（air heat pump system，AHPS）、廢水余熱回收系統（Waste heat recovery system，WRS）和應急電加熱系統（electric heating emergency system，EHES）4個子系統及相關輔助元件構成，綜合利用廢水余熱能、太陽能以及空氣能等低品位能源，實現了系統能源合理匹配與高效利用。

圖1 MHWP系統組成示意圖

（1）太陽能集熱系統（SCS）太陽能集熱系統采用溫差循環設定方式運行。太陽能集熱器吸收太陽能，對集熱管組的水進行加熱，當集熱器組出口溫度（T2）大于集熱水箱溫度（T3），且T2-T3＞△T（設定溫差）時，集熱循環泵P1啟動，實現熱水循環；當T2-T3＜△T時，泵P1停止。同時，集熱水箱的溫度（T3）大于恒溫水箱的溫度（T1），且T3-T1＞△Tn（設定溫差）時，泵P6啟動，將集熱水箱熱水送入恒溫水箱；當T3-T1＜△Tn時，泵P6停止。

（2）空氣源熱泵熱水機組（AHPS）空氣源熱泵熱水系統采用溫差與定時雙循環進行熱水加熱，當時間t∈[t1，t2]且恒溫水箱的溫度T3小于空氣源熱泵機組設定的啟動溫度時，循環泵P2啟動，進行冷水循環，然后空氣源熱泵運行，實現冷水加熱；當恒溫水箱的水溫T3大于空氣源熱泵機組設定的停止溫度時，空氣源熱泵機組P3、循環泵P2停止運行，如此反復，達到用戶熱水要求。

（3）余熱回收系統（WRS）恒溫水箱補水時啟動補水電磁閥，自來水流經水箱中換熱器吸收污水中的低品位熱能。其運行條件為廢水余熱溫度大于自來水溫度。

（4）應急電加熱系統（EEHS）在凍雨、連續低溫等極其寒冷條件下，機組無法工作時啟動輔助電加熱設備，保證系統正常運行。

表1 MHWP系統控制

1.2 能源廉價優先使用原則

MHWP系統將洗浴廢水余熱能作為常態能源（對自來水進行預熱），太陽能作為優先使用能源、空氣能作為主流（常規）能源、電加熱作為應急能源，以滿足系統熱負荷總量為目標，對系統組成能源進行經濟性評價，優先使用廉價能源，以獲得系統最優熱性能系數與能效比，即能源廉價優先使用原則。

2 TLNS能源監控管理系統

能源監控管理系統以系統控制目標為依據，運用計算機監測與管理技術，實現能源控制和管理，并通過系統采集的實時能源數據進行能源平衡的改進和優化，實現管控一體化系統。將傳統的獨立分散式能源管理系統轉化為集中一貫式管理方式，實現能源監管系統的管控一體化，有利于系統的全局調度和管理。TLNS（Three Layer Network Structure）能源監控管理系統，采用嚴格系統分層方法，實現由計量節能（終端設備）、系統優化（傳輸能源層面）到管理節能的轉變，消除了不同層次間組件相互依賴性和跨越多層造成的不良影響。

2.1 硬件設計

依據集散控制理論，多熱源熱水工程能源監控管理系統總體采用多層網絡結構，劃分為底層現場設備控制層、中間層為運行管理層，頂層為遠程系統能源監控管理層的TLNS能源監控管理系統。

（1）現場設備控制層MHWP系統包括太陽能熱水、空氣源熱泵、余熱回收與電熱應急4個子系統。圖3所示是現場設備控制層示意圖，用于系統運行控制和能耗計量。它以PLC為控制核心，采用智能監測，對系統用水量、電能等參數進行數據采集，通過RS485總線傳輸給運行管理層監控計算機。各子系統的運行狀況通過PLC傳輸給過程系統運行管理層。

圖3 現場設備控制層

（2）運行管理層通過RS485總線建立通信環網，將各子系統運行的實時數據傳輸給運行管理層，及時反應系統運行情況，并將數據信息處理和儲存。運行管理層將能耗數據、運行設備以及實時報警等有機結合，構成完整的過程系統可視化監控層。工業計算機通過基于TCP/IP的工業以太網，將數據傳送給能源管理層，并進行針對性的遠程數據發布。圖4是運行管理層的通信網絡。

能源監控網絡將各子系統串聯在一起，為系統構建了信息傳輸框架。各子系統的距離較遠，需要構建大范圍的通信網絡，而施工范圍大，涉及的外界影響因素較多，因此在設計的過程中，應確保通信網絡能夠長期工作。通信網絡的穩定性極大的影響了系統運行的準確性、一致性，是聯系各層間的橋梁。

圖4 過程系統運行管理層的通信網絡

（3）遠程系統能源監控管理層圖5所示為能源管理監控層。采用世紀星組態軟件開發了“高度集成”的能源監控管理層。能源監控管理層分為兩大模塊，即能源監控模塊和能源管理模塊。

圖5 能源監控管理層

①能源監控模塊。主要實現能源實時監控和調度功能，通過組態軟件設計開發的SCADA系統具有實時運行監控、設備控制管理、系統檢測、故障報警、數據歸納與匯總等功能。

②能源管理模塊。主要實現能源基礎管理和能源決策分析模塊。前者包括數據維護、系統參數管理等，后者解決能源成本管理、報表管理、能耗分析、能效綜合評價等技術問題。

2.2 系統軟件功能

能源監控管理系統是集散式全分布的計算機監控系統，主要包括系統運行監控、報警、能源管理等功能。

（1）系統運行監控。圖6所示為采用世紀星組態軟件設計開發的多熱源熱水工程能源監控管理界面，方便用戶隨時了解系統的運行情況和工作動態。

（2）報警功能。設計報警功能的主要目的是當運行狀況發生異常時，監控管理系統會實時警報、提醒用戶采取相應措施。圖7為組態系統報警界面。

（3）能源管理。能源管理包括能源計劃與實績管理，能源計劃管理是制定能源計劃，并在系統運行過程中，對能源消耗進行追蹤，與設定計劃進行比較，通過對比，對系統進行用能優化，實現系統最優能效比。能源實績管理是設計將各時段的能源數據進行歸納、整理、統計為一體的管理軟件，通過歷史數據報表顯示，便于運行能效管理查閱和參考。在能源實績與成本分析時，用數據表述節能效果。

圖6 多熱源熱水工程實時監控圖

圖7 組態系統報警

圖8 水量消耗報表

預測分析SCADA系統對最基本的測量數據進行數據采集，數據的完整性受到多方面因素的影響，有較大的數據誤差存在。利用預測分析技術可以在有限的測量數據下，對系統（能耗、電力負荷等）的變化趨勢進行預測，讓用戶了解能源消耗的趨勢。

（4）用能原則實現。通過“智能儀器儀表、傳感器+PLC+上位機”的方式，實現了能源的監控管理，達到了節能的目的，系統用能分為三種模式：即晴天狀況、陰雨天狀況以及晴轉多云。系統熱負荷總量的表達如下：

式中，P集熱（t）為太陽能熱功率，單位是W；P熱泵（t）為空氣源熱泵熱功率，W；k1為太陽能制熱加熱系數；k2為空氣能制熱加熱系數。

上式用能思想是余熱回收作為常態能源，太陽能作為優先能源，空氣能作為主導熱源，即在光照條件良好的氣候條件下，以余熱、太陽能集熱為基礎熱源，空氣能補充；當陰雨低溫條件下，以余熱為輔，空氣能作為主導熱源；特殊氣候條件（如連續凍雨）使用電能作為應急加熱。

3 結論

本文以多熱源聯合供熱系統能源監控與管理為研究對象，對能源監控管理系統用能策略與實現方法進行了討論。根據“能源廉價優先”原則，給出了基于TLNS能源監控管理系統的計算機監控管理硬件、軟件設計方法，利用檢測儀器儀表與PLC構成的通信環網對系統進行實時監控和能耗信息管理，實現了多熱源熱水工程能源的合理調配和科學管理；通過對3個示范工程系統運行記錄數據分析評價，多熱源聯合供熱監控管理系統運行穩定、全年運行平均COP系數達到3.6，光照強度理想條件下最高可達4.52。

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The Design and Application of Energy Monitoring and Management System for Multi-heatsource Hot Water Project Based on TLNS

YANG Qianming,WANG Junke,LIU Yaqiong

（College of Mechanical&Electronic Engineering,Shandong University of Science&Technology,Qingdao 266590）

In order to achieve the comprehensive deployment and reasonable use of the thermal load energy,the energy monitoring and management system（EMMS）has been designed and applied aiming at realizing energy monitoring and scientific management of the multi-heatsource hot water project（MHWP）based on modern computer information technology.The system has the function of real time monitoring of operating parameters and data information processing as well as energy consumption analysis.It could provide a basis for the selection of operation status of multi heat source hot water systemand energy science deployment as well as operation strategy.

multi-heat source hot water project,energy monitoring and management EMMS,data information,operation strategy