某高校智慧供热改造试点的电气系统设计

王海新， 王 岩

(哈尔滨工业大学建筑设计研究院，哈尔滨 150090)

1 节能减排背景

我国目前是全球第一能源消费大国，在工业、建筑、交通三大传统高能耗领域，建筑能耗所占的比重正不断上升，占全社会总能耗的比重约为三分之一，因此，在政策层面，建筑节能已成为成国家的重点课题。

北方地区的冬季采暖在建筑能耗中占据了很大的比重，虽大部分已经做到集中供暖，但都属于粗放型供热，节能控制技术落后于发达国家，存在着非常大的节能空间。图1为中国建筑(分项)能耗与建筑面积分布图。

图1 中国建筑(分项)能耗与建筑面积

2 本项目的节行可能性分析

公共建筑中的高校类建筑占地面积大，建筑物种类多、数量多，校园用能系统面积广、数量大,而且人员随季节流动性较大,在东北地区6个月的冬季采暖季中，有2个月的学生寒假离校时间以及学生在校期间一些非居住类建筑的夜间供暖都是非必要的，造成校园能耗管理不够细化、能源利用有较大的浪费现象产生。

基于如今快速发展的物联网技术、自控技术、大数据分析技术等，考虑借助某些技术或措施对校园能耗管理加以调控，从而减少能源消耗，已成为设计师在节能改造时需要着重思考的问题。

3 智慧供热电气控制系统

“智慧供热电气控制系统”是新时代对集中供热的新要求，基于供热系统“源—网—荷—储”全过程，对热能动力、暖通、自控等工艺与人工智能、互联网+大数据与云计算等高新技术进行高度融合、综合利用，将传统粗放式运行、管理与服务彻底改变为现代精细化运行、管理与服务，以提升运行管理与服务的能效水平。“智慧供热电气控制系统”具有自感知、自学习、自分析、自诊断、自优化、自调节、自适应等特征(相对较强的独立自主解决问题的能力)，是能够支撑供热的政府监管、规划设计、生产运营、需求响应过程中人的思考决策的新一代系统。

该系统的基本控制策略是保障满足公共建筑在不同时段的室内温度要求(即在冬季，正常上班、上课时间段内供热正常运行，保证楼内供热系统在满足舒适性的状态下运行，而在夜间、周末以及节假日无人在楼内活动的时间段，保障公共建筑低温节能运行)。

采用分时分区控制策略时，在建筑入口的供回水管路上装设末端执行器。该末端执行机构主要由电动调节阀及温度、压力传感装置组成，电动调节阀的开关时间、开度及保护温度由分时分区控制器设定，用于控制流入不同类型建筑的热媒流量。而传感器的作用是将温度、压力信号上传到分时分区控制器，实时采集回水温度、供回水压差，再根据计算结果，发出调节指令，控制建筑入口阀门开度，避免调节过程中不同类型用户之间互相影响，从而实现过程水力的分时段、分区域的控制。图2～3分别为学期内、假期内分时分区调节流程图。

图2 学期内分时分区调节流程图

图3 假期内分时分区调节流程图

4 智慧供热电气设计简述

本次智慧供热改造试点共有5栋单体，含3栋教学类建筑、1栋图书馆及1栋动力站，都是已经建成二十年左右的建筑，暖通专业需要在单体的热力入口供热干管上加装压力表、温度表、热计量表及电动调节阀等传感设备及控制设备，电气专业需要解决以上设备的终端设备控制需求、采集信号传输需求、智慧平台的搭建、设备的供电设计等。

4.1 系统运行智慧控制平台

智慧控制平台是综合利用物联网技术、云计算及大数据应用的供热管理及控制一体化的综合管理平台，能够实现从市政管网到热用户供热系统运行状况的监控，还可实现整个供热系统的过程管理和运行管理，提高供热系统的管理效率与供热质量，实现供热系统的整体节能。图4为智慧平台架构拓扑图。

图4 智慧平台架构拓扑图

其中平台主体部分采用B/S 结构设计，使用浏览器即可登录访问，为热网运行、管理、服务提供功能支持。因主体部分模块较多、规模较大，其包含的模块可划分为三大类：(1)业务服务应用，为供热用户及热网管理人员提供一般管理应用及服务功能，包括客服管理、热用户监督、服务保障和运行维护管理四个模块；(2)智能运行决策，基于运行及评价策略对热网运行数据进行智能化分析，为热网控制与调度、供热系统状态分析、事故分析与处理、优质高效服务等生产运行方案提供决策依据，包括数据及诊断、经济运行、系统分析和系统安全四个模块。(3)基础支撑功能，为实现上层业务功能而需具备的支撑功能，包括平台的管理、配置、信息交互以及与外部系统的接口。

4.2 末端运行信息采集及控制系统

在各建筑热力管网入口处设置温度表、压力表、热计量表等信号采集设备以及电动调节阀等执行设备，信号采集设备用于采集热力入口处的温度值、压力值等基础数据，上传至智慧平台。在典型房间设置室温测点，根据事先设置好的采样周期，对典型房间进行温度采样，并上传至智慧平台。在各建筑热力管网入口处设置分时分区控制器。

智慧平台根据上传的热力入口处和典型房间的温度样本、实时的气温数据以及事先设定好的时段供热模式策略，进行大数据计算分析，得出最优的判断结果并发送至分时分区控制器，由其控制供热管上的电动调价阀的开度，从而控制流量、有变频泵的热力入口，分时分区控制器还可控制泵的变频柜，改变泵的流量，通过以上手段调节楼内的供热流量。图5所示为教学楼采暖热力入口控制示意图。

图5 教学楼采暖热力入口控制示意图

4.3 信号传输系统

鉴于本工程都是已建建筑，建筑密度低、区域跨度大，如果使用有线数据采集，线缆铺设工作量极大，可行性不高，客观条件不具备引接有线通讯线路，因此本工程通讯系统主要采用无线物联网技术(Internet of Things，IoT)。表1所示，为有线通讯与无线通讯优劣势对比表。

有线通讯与无线通讯优劣势对比表 表1

物联网的无线通讯技术可分为两大类：一类是短距离通讯技术(如ZigBee、Wi-Fi、蓝牙、Z-Wave 等)；另一类是低功耗广域网通讯技术(LPWAN - Low-Power Wide-Area Network)。由于城市集中供热系统本身的规模和运行特性要求所采用的物联网通讯技术需具有强链接、高传输速率、高覆盖、低功耗、远距离、大数据量、低成本的特征，因此本工程采取的是第二类通讯技术，即低功耗广域网通讯技术。

本工程在主楼的制高点设置一台无线采集器，用于各终端与数据中心通讯的中继，由各终端至无线采集器采用自组网无线通讯，由无线采集器至数据中心采用4G无线网或有线局域网通讯。

4.4 末端设备供电系统

末端设备分为自带电源与外接电源两种，其中，压力表、温度表、室内温度采集器采用自带干电池电源的方式供电，一般电池供电时间≥10年；分时分区控制器需外接交流220V电源；电动调节阀的驱动器可接收0～20mA、4～20mA、0～10V、2～10V中的任一种控制信号；输出信号为0～10V或2～10V。

5 结束语

对校园实行计量缴费，并对供热系统实施智慧化改造，实现精准供热、大幅降低能耗及运维水平提升，将会取得更加显著的经济效益和环境效益。本工程经初步测算，若均能采用合理的按需供热运行模式，按面积加权平均的方式来计算校区的总体节能率，每个采暖期节能率平均可达到13.83%，节能量相当可观。实施供热系统智慧化改造，将进一步推进北方高校绿色校园、智慧校园建设，助力我国的整体节能减排事业发展，践行可持续发展理念。

图6 无线通讯网络拓扑图