可再生能源復合蓄能供暖系統的智能化控制研究

摘要：隨著我國“雙碳”戰略目標的不斷發展，進一步提高嚴寒地區建筑供暖節能勢在必行。文章依托吉林建筑科技學院已建成的吉林省超低能耗示范工程——多能互補近零能耗建筑，創新性設計了可再生能源復合蓄能的智能化供暖控制系統。為滿足不同的供暖負荷和室外氣候變化，本系統包含3個部分：熱源端高溫相變蓄能系統、末端（地板/墻面）相變蓄熱供暖系統、雙熱源耦合供暖系統。在保障采暖需求的前提下，系統充分節省了采暖成本，達到了最佳的經濟效益、生態效益和社會效益，實現了低能耗建筑復合供暖系統的智慧化運行。

關鍵詞：可再生能源利用；復合蓄能；智能化控制

中圖分類號：TP311

文獻標志碼：A文獻標志碼

0 引言

嚴寒地區冬季漫長而寒冷，利用可再生能源為建筑物供暖，對北方地區節能降碳，實現我國“雙碳”戰略目標具有重要意義和應用價值^［1-2］。文章依托吉林建筑科技學院已建成的吉林省超低能耗示范工程——多能互補近零能耗建筑，設計可再生能源+相變蓄能的復合式智能化供暖控制系統^［3］。

智能化運行是保證低能耗建筑供暖系統處于最佳狀態的前提，是滿足不同個性化需求的基礎。本文結合不同供暖負荷和室外氣候變化，研究可再生能源+蓄能形成的新型復合式供暖系統的優化控制策略，實現基于移動平臺的數據自動分析、節能診斷和實現低能耗建筑復合供暖系統的智慧化運行^［4］。

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

1 光熱+市電熱源端高溫相變蓄能系統

1.1 光熱+市電熱源端高溫相變蓄能系統的監控方案

光熱+市電熱源端高溫相變蓄能系統的原理（見圖1）及具體運行方式如下。

（1）相變蓄熱裝置蓄熱：在供暖前期，末端房間不需要供暖時，打開太陽能集熱循環，關閉末端供暖循環，加熱水箱不需要加熱，太陽能集熱器的熱量對相變蓄熱裝置進行蓄熱。

（2）相變蓄熱裝置放熱補充：當太陽能輻射量不能滿足末端房間供暖所需負荷時，打開太陽能集熱循環，打開相變蓄熱裝置蓄熱循環，加熱水箱不需要加熱，相變裝置放熱補充熱量。

（3）相變蓄熱裝置直接供暖：當無太陽能輻射，相變蓄熱裝置的熱量能夠滿足末端房間供暖所需負荷時，關閉太陽能集熱循環，打開蓄熱裝置蓄熱循環，相變蓄熱裝置放出熱量對末端相變地板進行蓄熱。

（4）電加熱棒輔助水箱加熱：當太陽能輻射不能滿足相變蓄熱裝置的溫度時，加熱水箱進行加熱，同時采用電加熱棒對水箱輔助加熱，打開蓄熱裝置蓄熱循環，加熱水箱對相變蓄熱裝置蓄熱。

1.2 光熱+市電熱源端高溫相變蓄能系統的監控硬件組成

系統通過兩部分搭配組合起來搭建，中間通過管件連接，管件外層包裹兩層保溫材料，系統實景如圖2所示。從圖中可以看出，相變儲能裝置是系統的中心部分。將填充相變材料的螺旋翅片管交叉排列在裝置內，儲能箱體和螺旋翅片管組成相變儲能系統。

光熱與相變儲能復合裝置主要是由太陽能集熱器、蓄熱水箱、電加熱棒、電磁流量計、變頻器、相變蓄熱裝置、溫度傳感器、蓄熱水泵、循環水泵、自動控制、數據采集模塊+電腦等組成。

相變蓄熱裝置主要由帶螺旋翅片的U型紫銅盤管和儲能箱內組成，儲能箱體為自制箱體。相變蓄熱裝置，將源側換熱管與負荷側換熱管交叉布置，相變裝置內紫銅盤管的實景如圖3所示。

1.3 光熱+市電熱源端高溫相變蓄能系統的軟件設計

光熱+市電熱源端高溫相變蓄能系統界面包括：模式選擇、自動操作區、手動操作區、溫度設定、溫度監測。其中，手動操作區功能有（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 太陽能+市電末端（地板/墻面）相變蓄熱供暖系統

2.1 太陽能+市電末端（地板/墻面）相變蓄熱供暖系統監控方案

2.1.1 光熱+市電相變蓄熱地板熱水供暖系統

白天太陽光充足的時候，可完全利用太陽能光熱的熱水進行室內供暖，相變蓄熱地板吸熱，做到零能耗供暖。持續供暖至沒有太陽光，或者太陽能光熱為房間提供溫度不足時，相變蓄熱地板開始進行放熱，并啟動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谷電啟動加熱進行供暖，節省用電成本，當蓄熱水箱水溫足夠給房間供暖時，關閉電加熱，如此進行采暖循環。

2.1.2 光伏+市電相變蓄熱墻面無水直熱電供暖系統

白天太陽光充足的時候，可完全利用太陽能光伏電加熱進行室內供暖，相變蓄熱墻面吸熱，做到零能耗供暖。持續供暖至沒有太陽光，或者太陽能光伏為房間提供溫度不足時，相變蓄熱墻面開始進行放熱，并啟動市政電直熱電供暖，在夜間可以利用市政夜間低價谷電啟動加熱電纜進行供暖，節省用電成本。直至第二天太陽光照可以啟動光伏直驅供暖，如此進行采暖循環。

2.2 太陽能+市電末端（地板/墻面）相變蓄熱供暖系統的監控硬件組成

2.2.1 光熱+市電相變蓄熱地板熱水供暖系統

地板結構包括：相變水泥砂漿地板、地板內部通風管道及風機、加熱水管、加熱電纜、控制設備等。系統在供暖地板內部嵌入通風管道，使地板內部存儲的熱量在風機的驅動下快速排至室內，從而靈活調節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水直熱電供暖系統

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

將太陽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切換裝置；敷設好加熱電纜后，將加熱電纜連接到交直流自動切換裝置；再在加熱電纜上覆蓋加固網和復合地板/墻面，供暖原理如圖4所示，墻面實物如圖5所示。

2.2.3 相變蓄熱供暖系統監測系統

監測系統主要由以下幾個部分組成：傳感器部分、數據傳輸部分、計算機軟件分析平臺等部分。

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

數據傳輸部分主要使用485通信方式，數據通過一個485數據采集儀直接將數據發送至電腦端并進行存儲。優點是每路通信線可以帶32個數據傳感器，布線簡單方便。

2.2.4 相變蓄熱供暖系統控制系統

使用相變蓄熱供暖的控制系統，對相變蓄熱供暖系統房間的光熱、光伏和市電等設備進行控制。控制系統主要由以下幾個部分組成：控制柜（如圖6所示）、執行元件等。控制柜包含：點控按鍵、繼電器、交流接觸器等。執行元件包括：電磁閥、機組、水泵、加熱電纜、PID溫控器、風機調速器等。

2.3 太陽能+市電相變蓄熱供暖系統的軟件系統

2.3.1 發電控制監測系統

系統發電先開啟離網模式，即先給蓄電池充電。當蓄電池充滿電以后，系統自行切換至并網模式。此時，離網蓄電池可以向用電器進行供電。當檢測到離網電池電量不足時，系統可以自行切換回離網供電模式，繼續為蓄電池供電。

2.3.2 房間溫度等參數監測系統

使用Agilent軟件對房間的溫度等參數進行監測。

3 地能+太陽能雙熱源耦合供暖系統

3.1 地能+太陽能雙熱源耦合供暖系統的監控方案

若太陽能光熱系統直供供暖2 h后，室內溫度還不滿足要求，太陽能直供已無法滿足時，采取太陽能-地源熱泵二者耦合供暖模式，使太陽能為機組源測升溫。機組啟動順序：先啟動源測水泵以及負荷側水泵。10 min后，啟動熱泵機組。當熱泵機組負荷側供水溫度達到45 ℃時，啟動毛細管循環泵為室內供暖。當室內溫度均滿足后，關閉供暖。關閉順序：當室內溫度滿足要求后，先關閉蓄熱水箱室內循環泵（若在運行期間，水箱溫度先低于20 ℃，則可以提前關閉水泵，停止循環），然后關閉熱泵機組和源側循環泵，而負荷側循環泵和毛細管循環泵仍應繼續運行半小時左右，最后關閉負荷側循環泵與毛細管循環水泵。地能+太陽能雙熱源耦合供暖系統如圖7所示。

3.2 地能+太陽能雙熱源耦合供暖系統的監控硬件組成

3.2.1 地源熱泵系統

地源測土壤溫度監測系統：由各深度溫度傳感器和溫度數據采集器組成，地溫井中每隔20～30 m設置一處溫度傳感器，可以反映整體地下100 m的各層溫度情況。在非取熱區域設有一個的地下土壤溫度專用測溫井，在取熱區域也設有一個地下土壤溫度專用測溫井。通過對比土壤未被取熱和已被取熱的實時溫度狀態，合理調度井群運行或啟動太陽能光熱補熱。

地源熱泵溫度監測系統，監測點主要為：地源測供回水溫度、地源熱泵機組供回水溫度、負荷側供回水溫度。通過監測以上溫度，系統可以計算出熱泵機組的效率及負荷側板式換熱器的轉換效率。

地源熱泵系統管道壓力監測系統，監測點主要為：地源測供回水管道壓力、地源熱泵機組管道壓力、負荷側供回水管道壓力、各系統補水灌壓力。各監測點監測的壓力數據主要用來監測管道壓力是否正常，是否有漏水的情況發生。

地源熱泵管道流量監測系統，監測點主要為：地源測供回水管道流量、地源熱泵機組管道流量、負荷側供回水管道流量。控制系統可根據各部分溫度的監測數據從而調整各部分的管道流量。

地源熱泵能耗監測系統，監測點主要為：地源測水泵及變頻器能耗、機組能耗、負荷側水泵及變頻器能耗、補水泵能耗。

地源熱泵控制系統：此系統通過各監測點采集的溫度、壓力、流量、地源測地溫、室內溫度等數據，從而控制各節點控制單元的啟停狀態。

3.2.2 太陽能光熱系統

太陽能光熱溫度監測系統，監測點主要為：太陽能集熱箱溫度、太陽能室外管道溫度、太陽能光熱系統室外循環供回水溫度、集熱水箱溫度、太陽能光熱系統直供板換供回水溫度。系統通過監測以上監測點的溫度，可以計算出光熱系統的熱效率、直供板式換熱器的轉換效率和光熱系統對供暖或補熱的貢獻率。

太陽能光熱管道壓力監測系統，監測點主要為：太陽能光熱系統室外循環管道壓力、集熱水箱壓力、太陽能光熱系統直供板換供回水管道壓力。各監測點監測的壓力數據，主要用來監測管道是否有漏水的情況。

太陽能集熱水箱液位監測系統，監測點可以通過侵入式液位計或者壓力式液位計監測，通過監測水箱液位數據，可以控制水箱的補水系統啟停。

太陽能光熱管道流量監測系統，監測點主要為：太陽能光熱室外循環供回水管道流量、太陽能光熱直供供回水管道流量。整體控制系統可根據各部分溫度的監測數據調整各部分的管道流量。

太陽能光熱系統能耗監測系統，監測點：太陽能光熱系統伴熱帶能耗、太陽能光熱系統室外循環水泵及變頻器能耗、太陽能光熱系統直供循環水泵及變頻器能耗。

太陽能光熱控制系統：通過各監測點采集的溫度、壓力、流量、室內溫度等數據，從而控制各節點控制單元的啟停狀態。

3.3 地能+太陽能雙熱源耦合供暖系統的軟件系統

可視化平臺，采用每10 s一次的全量數據更新方式。后端數據獲取來自機房及建筑內各測點的傳感器。各傳感器數據通過主動或被動方式上傳至專用計算機，專用計算機將數據存儲于本地數據庫和云端數據庫。可視化平臺從云端數據庫獲取各測點實時數據，如圖8所示。

可視化平臺所用數據庫：可視化平臺后端數據支持來源于本地/云端兩處數據庫，均采用MySQL數據庫，統一編碼格式。可視化平臺讀取數據前，另有加密程序對數據庫中各表數據進行加密后生成API供可視化平臺解密后使用。

4 結語

建筑供暖節能智能化控制，對我國實現“雙碳”戰略目標和經濟社會的可持續發展意義重大，針對當前工作中的不足之處，應積極轉換思維、大膽創新實踐，以先進技術和控制策略引導，穩步實現建筑供暖節能的發展。

本文依托吉林建筑科技學院已建成的吉林省超低能耗示范工程——多能互補近零能耗建筑，就太陽能+市電熱源端高溫相變蓄能系統、太陽能+市電末端（地板/墻面）相變蓄熱供暖系統、地能+太陽能雙熱源耦合供暖系統3個子系統做了詳細的設計研究。根據實際運行情況，本智能化控制系統運行良好。在保障采暖需求的前提下，本研究充分節省采暖成本，使系統達到最佳的經濟效益、生態效益和社會效益。本項目的設計與實踐可為我國嚴寒地區類似項目提供借鑒與參考。

參考文獻

［1］王楊洋.嚴寒地區近零能耗建筑節能性和經濟性分析［J］.湖南城市學院學報（自然科學版），2022（6）：58-61.

［2］徐曉娜，崔瑩，王慧元.“雙碳”目標對我國的戰略影響及其應對策略［J］.河北環境工程學院學報，2022（3）：7-10.

［3］陶進，王楊洋，任楠楠.吉林城建學院超低能耗建筑示范項目研究［J］.建筑科學，2017（6）：8-14.

［4］韓芳.我國可再生能源發展現狀和前景展望［J］.可再生能源，2010（4）：137-140.

［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