一種區域分布式熱能網絡管控裝置

傅智瑩，饒政華

（中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

1 引言

隨著人們對建筑舒適性要求的不斷提高，以及第四代的區域供能系統［1］的出現，可再生能源的開發與應用日益受到重視，提高能源利用效率、實現可再生能源規模化開發利用是能源領域發展的必然選擇。

目前，能源“互聯網＋”領域的發展有望突破區域供暖互聯的瓶頸［2］，近年來提出的能源路由器可用于解決區域供暖中負荷多變、曲線不平緩、小規模分布式能源點多、供能不穩定等問題。然而，從現有技術角度來看，基于可再生能源的智慧化區域供暖仍未有具體的解決方案。現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域能源共享系統的設計。在社區中，以共享水箱為節點，以熱水作為載體建立熱能共享網絡，充分利用可再生能源和剩余熱量，消除供需不匹配，降低新能源采暖設備成本回收周期。在用戶室內設計熱能梯級利用管路，充分利用低品位熱源。熱能路由器對區域型分布式熱能網絡進行管理和控制，對區域內熱能進行優化配置，以手機APP為載體，實現熱能的路由、共享和互聯。

2 設計思路與原理

2.1 設計原理

本論文提出的熱能路由器主要包括區域熱能共享、家庭梯級熱網兩部分功能。

2.1.1 區域熱能共享

區域熱能共享針對安裝有各類分布式可再生能源的低層建筑社區，系統包括共享水箱、用戶水箱、分布式熱源、水管管路、閥門水泵、傳感器等。在社區中以共享水箱為節點，建立熱能共享網絡，以熱水作為熱能載體，將用戶熱能接入共享網絡。

如圖1所示，區域熱能共享系統中，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行連接，通過各水箱之間的熱水運輸、循環與再熱等方式實現熱能共享功能。

以共享水箱為節點實現共享給水、共享取熱、共享水箱再熱及共享水箱互聯四個功能。

（1）共享給水：用戶及共享水箱達成預設溫度液位條件時，路由器控制用戶水箱熱水通過供水管經集水器送至共享水箱。遠傳水表記錄共享給水流量，對共享用戶進行流量計費。

（2）共享取熱：共享水箱熱水經分水器由用水管直接輸送到用戶負載端，供用戶使用。遠傳水表記錄取水流量，對用水用戶進行流量計費。

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

（4）共享水箱互聯：共享水箱無水或水溫較低時，由路由器控制鄰近共享水箱向該水箱進行供熱供水，包含換熱換水與僅供水兩種模式。通過水箱互聯將整個社區連接成共享熱水網絡，各共享水箱作為節點保障熱能的流動和傳輸。

2.1.2 家庭梯級熱網

家庭梯級熱網是在熱能路由器控制下的用戶側熱能高效消納模式。圖2為家庭梯級熱網系統概貌圖。用戶在廚房、衛生間、臥室等安裝符合自身需求的熱水盤管，構建健康起居及舒適洗浴等模式（可自行增減）。以閉式循環形式將盤管內熱水以輻射、導熱等形式放熱實現暖衣暖鞋、毛巾加熱、早餐預熱等功能，達成相應功能后熱水冷卻到人體舒適溫度，再進行開式供水，實現熱能梯級利用。

2.2 裝置設計思路

如圖3所示，本裝置以熱能路由器為核心，實現區域熱能共享及家庭梯級熱網的應用，通過手機APP與路由器互聯實現熱能智慧管控。

圖3 熱能路由器設計思路圖

2.2.1 裝置硬件結構

熱能路由器以STM32F103單片機為核心，包含通信接口、分布式能源接口、儲熱水箱、動力及閥門裝置、參數檢測模塊。

2.2.2 裝置軟件設計

熱能路由器及其對應熱網是本裝置設計的主體部分，包括：集熱器加熱算法設計、控制系統設計。

（1）集熱器加熱算法設計：熱能路由器從氣象局數據庫逐時采集當天太陽預測輻照度及環境溫度，并通過優化算法得出當天不同時段的最理想供熱溫度（每小時進行一次數據更新）。輻照資源豐富時，理想供熱溫度升高，相應給水水溫升高；輻照強度較低時，降低集熱器循環頻率，加熱相對較少熱水到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，又保障低輻照強度下高品質熱水的需求。

（2）控制系統設計：控制系統是能源路由器運作的核心，以STM32F103微控制器為處理器，收集溫度、液位傳感器數據并進行分析，再通過2.4G通信接口與用戶手機進行互聯。

3 可行性及效益分析

3.1 實驗模型及仿真模擬

如圖4所示，搭建區域熱能共享實驗模型，運行區域熱能共享四項功能。如圖5所示，運用TRNSYS軟件構建家庭梯級熱網模型，對熱網效益進行仿真計算。

圖4 區域熱能共享實驗模型

圖5 家庭梯級熱網模型圖

3.2 節能效益分析

3.2.1 熱能共享模塊

以唐山地區一戶安裝太陽能集熱器的三口之家為例，查得局部熱水供應系統人均日用30～40 L［3］，此處取35 L，即例中熱水需求為105 L／d。全年熱水負荷需滿足冬天水溫溫升最大時的使用，同時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，區域熱能共享模式中水溫（見柱狀圖）較傳統模式能完全達到用戶需求；產水量（見折線圖）也遠高于傳統模式及單戶用戶需求。如圖7所示，區域熱能共享模式月均日太陽能利用熱量均遠高于傳統模式及單戶用戶需求熱量。

圖6 傳統與共享水溫水量對比

圖7 熱量利用情況

傳統分散式供熱模式中，每位太陽能用戶每年可利用平板集熱器產熱8 071 MJ，所產60℃的39 150 L熱水全部供給用戶自家熱負載；區域熱能共享系統中，每位太陽能用戶每年可利用平板集熱器產熱年共產熱16 140 MJ，產水81 390 L（大于等于60℃），由區域內用戶共同消納。在區域熱能共享系統中，每年每戶多利用太陽能熱量8 069 MJ，折算電能約為2 241 kWh，相當于節省約717.1 kg標準煤，減少CO2排放約2 629 kg。

3.2.2 家庭梯級熱網模塊

傳統的用戶端生活用水利用方式單一，大部分熱能供應來源于電能，梯級熱網模式中實現的干衣、加熱毛巾、預熱食物等功能均需要一定的電器實現。根據TRNSYS軟件模擬分析，家庭梯級熱網模式對比傳統家居模式可以有效減少能耗，與目前市場中相應電器耗能對比效果如圖8所示。

圖8 家庭梯級熱網兩種模式節能效果

對上圖數據進一步分析，家庭梯級熱網運行一次相較于傳統的熱能利用方式可節省能量12 779 kJ，按一年運行120 d計算，一個系統年節能效果達1 533 MJ，大致為136 kg標準煤，相當于減少CO2排放約500 kg，折算為電能則平均每年每戶節約426 kWh。

3.3 經濟效益分析

經計算，一套熱能路由器成本約為1 481元。參照上文節能效益，在家庭梯級熱網中每戶每年等效節電426 kWh，等效收益206元［4］。對于擁有太陽能熱水器的用戶，年收入總計1 135.28元，即1年4個月內可回收成本；對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，每年可節約熱水成本464元，年收入總計670元，預計2年3個月內回收成本。

4 結論與應用前景

能源互聯網是互聯網和能源系統深度融合的產業新形態，構建新一代綠色低碳、安全高效、開放共享的智慧能源系統，是當前國內外學術界和產業界關注的焦點，也是能源領域繼智能電網后又一前沿發展方向［5］。本文提出了一種區域分布式熱能網絡管控裝置，實現了太陽能資源的最大化利用，可覆蓋我國大范圍農村地區，節能減排效果明顯、經濟性好，為基于可再生能源的智慧化區域供暖提供了一種可行性方案，具有廣闊的應用前景。