分散式供暖遠程管理系統設計

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?？諝庠礋岜孟啾入婂仩t具有節能優勢，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，采用空氣源熱泵和電鍋爐聯合方式進行供暖，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主要應用于不便于集中供暖的場所，單個系統供暖面積不大，且系統分布分散，現場管理維護人員專業水平不高。為有效提高空氣源熱泵和電鍋爐聯合供暖系統的工作效率，本文設計了分散式煤改電遠程管理系統，根據室外環境溫度來調整系統供回水溫度，合理配置空氣源熱泵和電鍋爐的工作時間，確保系統高效工作。

1 煤改電供暖系統

煤改電供暖目前主要采用空氣源熱泵、電鍋爐為制熱源，根據環境溫度選取單一空氣源供暖或空氣源-電鍋爐復合供暖。本文設計系統應用于朔州地區某高速收費站，面積約3 000 m2，為小型的供暖系統，末端為地暖，根據當地溫度情況采用空氣源-電鍋爐復合方式供暖。

煤改電供暖系統如圖1所示，系統主要包括空氣源熱泵、電鍋爐、蓄熱水箱、蓄熱循環泵、供暖循環泵，通過控制空氣源熱泵和電鍋爐的工作時間，協調實現聯合供暖，采用谷電蓄熱方式避開峰電，減少供暖費用[3]。

圖1 煤改電供暖系統圖

2 遠程管理系統設計

2.1 系統功能分析

分散式煤改電管理系統兼具本地自動控制和遠程管理作用，主要包括本地控制、實時監測、遠程管理三大功能，具體功能如圖2所示。

圖2 系統功能分析圖

a）本地控制 供暖系統包括空氣源熱泵、電鍋爐、循環泵等設備，需要能實現現場就地控制啟停，包括手動控制和自動控制模式，根據設備類型采用直接驅動和通信驅動方式實現設備運行控制。

b）實時監測 系統在運行的過程中需要實時獲取各設備的運行狀態、故障狀態、環境溫度、管路溫度等數據，來監測系統的運行狀態。

c）遠程管理 為便于系統的管理，需增加遠程管理功能，可以實時監測系統的運行狀態；能耗管理功能記錄系統每日能耗數據，以用于系統耗電性能分析；節能管理功能按時間段設置空氣源熱泵和電鍋爐的供回水溫度，達到節能效果。

2.2 控制系統設計

控制系統功能主要包括本地控制和數據監測兩部分。

2.2.1 本地控制實現

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循環泵、空氣源熱泵、電鍋爐的啟停。其中循環泵的啟停通過接觸器、熱繼電器實現，空氣源熱泵和電鍋爐通過MODBUS通訊協議實現。

空氣源熱泵和電鍋爐的通訊數據的類型及格式均設置為：數據長度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，控制設備的啟停，設置供回水溫度。

表1 MODBUS控制表

2.2.2 數據監測實現

系統監測數據包括設備運行狀態、故障狀態、供回水溫度、環境溫度、能耗數據。循環泵運行和故障利用PLC通過檢測接觸器狀態即可實現，空氣源熱泵和電鍋爐運行狀態、故障狀態通過MODBUS協議讀取參數可實現。供回水溫度通過讀取管路上的4～20 mA溫度變送器實現。環境溫度通過讀空氣源熱泵室外溫度參數來獲取。

能耗數據通過讀取具有尖峰平谷功能的電表實現，電表采用DL/T 645—07協議，需要通過PLC自由口實現，數據格式設置為：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獲取電表耗電量數據后，進行數據解析得到總電量、峰平谷電量，實現能耗監測。

表2 DL/T 645—07數據幀格式

2.3 遠程管理系統設計

系統通過PLC實現設備的本地控制和數據監測，選取4G DTU實現遠程數據監測，并將數據存儲到云服務器，通過在云服務器部署WEB GUI，實現移動端、PC端的設備管理，數據流向如圖3所示[4]。

圖3 數據流向圖

為了便于直觀地對系統運行狀態和數據進行監測，設計了遠程管理系統界面，包括系統運行狀態、節能設置、數據監測界面，如圖4～圖6所示。

圖4 系統運行狀態監測界面

圖5 節能管理設置界面

圖6 環境溫度和逐時能耗監測界面

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

3 監測數據分析

3.1 環境溫度數據分析

選取2020年1月6日至10日共5 d的逐時環境溫度數據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，然后溫度持續升高，到15點達到頂點，再持續降低。

通過單日溫度變化趨勢可指導節能管理設置，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，并將供回水溫度設置到較高水平。

3.2 日能耗數據分析

選取2019-12-24至2020-01-23共計30 d的耗電數據進行分析，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，系統峰電能耗較低，每日能耗約為40 kW·h，系統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；通過分析系統能耗數據，可知分散式供暖遠程管理系統有效減少了峰電使用量，降低了系統運行費用。

4 結論

本文設計了分散式供暖遠程管理系統，實現了系統狀態遠程監測、實時數據監測、遠程管理功能，確保了供暖系統能夠高效穩定運行。通過能耗數據分析，驗證了供暖管理系統可以有效地降低系統運行費用。