一种区域分布式热能网络管控装置

傅智莹，饶政华

（中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙 410083）

1 引言

随着人们对建筑舒适性要求的不断提高，以及第四代的区域供能系统［1］的出现，可再生能源的开发与应用日益受到重视，提高能源利用效率、实现可再生能源规模化开发利用是能源领域发展的必然选择。

目前，能源“互联网＋”领域的发展有望突破区域供暖互联的瓶颈［2］，近年来提出的能源路由器可用于解决区域供暖中负荷多变、曲线不平缓、小规模分布式能源点多、供能不稳定等问题。然而，从现有技术角度来看，基于可再生能源的智慧化区域供暖仍未有具体的解决方案。现有供热模式下仍存在供需不匹配、可再生能源利用率低、热能调控信息化程度低等弊端。

因此，本文提出一种热能路由器和区域能源共享系统的设计。在社区中，以共享水箱为节点，以热水作为载体建立热能共享网络，充分利用可再生能源和剩余热量，消除供需不匹配，降低新能源采暖设备成本回收周期。在用户室内设计热能梯级利用管路，充分利用低品位热源。热能路由器对区域型分布式热能网络进行管理和控制，对区域内热能进行优化配置，以手机APP为载体，实现热能的路由、共享和互联。

2 设计思路与原理

2.1 设计原理

本论文提出的热能路由器主要包括区域热能共享、家庭梯级热网两部分功能。

2.1.1 区域热能共享

区域热能共享针对安装有各类分布式可再生能源的低层建筑社区，系统包括共享水箱、用户水箱、分布式热源、水管管路、阀门水泵、传感器等。在社区中以共享水箱为节点，建立热能共享网络，以热水作为热能载体，将用户热能接入共享网络。

如图1所示，区域热能共享系统中，每4位用户共用同一共享水箱，用户热源为太阳能集热器、生物质锅炉、热泵等，用户水箱与共享水箱之间、共享水箱与共享水箱之间以水管进行连接，通过各水箱之间的热水运输、循环与再热等方式实现热能共享功能。

以共享水箱为节点实现共享给水、共享取热、共享水箱再热及共享水箱互联四个功能。

（1）共享给水：用户及共享水箱达成预设温度液位条件时，路由器控制用户水箱热水通过供水管经集水器送至共享水箱。远传水表记录共享给水流量，对共享用户进行流量计费。

（2）共享取热：共享水箱热水经分水器由用水管直接输送到用户负载端，供用户使用。远传水表记录取水流量，对用水用户进行流量计费。

（3）共享水箱再热：当共享水箱水温较低且水位较高无法注入高温热水时，路由器控制回水管及供水管同时工作，将用户水箱及共享水箱中的水进行循环换热，通过换水换热模式将共享水箱热水再热，同时降低用户水箱温度，更高效率利用太阳能等资源。

（4）共享水箱互联：共享水箱无水或水温较低时，由路由器控制邻近共享水箱向该水箱进行供热供水，包含换热换水与仅供水两种模式。通过水箱互联将整个社区连接成共享热水网络，各共享水箱作为节点保障热能的流动和传输。

2.1.2 家庭梯级热网

家庭梯级热网是在热能路由器控制下的用户侧热能高效消纳模式。图2为家庭梯级热网系统概貌图。用户在厨房、卫生间、卧室等安装符合自身需求的热水盘管，构建健康起居及舒适洗浴等模式（可自行增减）。以闭式循环形式将盘管内热水以辐射、导热等形式放热实现暖衣暖鞋、毛巾加热、早餐预热等功能，达成相应功能后热水冷却到人体舒适温度，再进行开式供水，实现热能梯级利用。

2.2 装置设计思路

如图3所示，本装置以热能路由器为核心，实现区域热能共享及家庭梯级热网的应用，通过手机APP与路由器互联实现热能智慧管控。

图3 热能路由器设计思路图

2.2.1 装置硬件结构

热能路由器以STM32F103单片机为核心，包含通信接口、分布式能源接口、储热水箱、动力及阀门装置、参数检测模块。

2.2.2 装置软件设计

热能路由器及其对应热网是本装置设计的主体部分，包括：集热器加热算法设计、控制系统设计。

（1）集热器加热算法设计：热能路由器从气象局数据库逐时采集当天太阳预测辐照度及环境温度，并通过优化算法得出当天不同时段的最理想供热温度（每小时进行一次数据更新）。辐照资源丰富时，理想供热温度升高，相应给水水温升高；辐照强度较低时，降低集热器循环频率，加热相对较少热水到60℃（人体舒适水温），满足用热基本需求。通过此算法充分匹配辐照资源与共享热水，既提高太阳能利用率，又保障低辐照强度下高品质热水的需求。

（2）控制系统设计：控制系统是能源路由器运作的核心，以STM32F103微控制器为处理器，收集温度、液位传感器数据并进行分析，再通过2.4G通信接口与用户手机进行互联。

3 可行性及效益分析

3.1 实验模型及仿真模拟

如图4所示，搭建区域热能共享实验模型，运行区域热能共享四项功能。如图5所示，运用TRNSYS软件构建家庭梯级热网模型，对热网效益进行仿真计算。

图4 区域热能共享实验模型

图5 家庭梯级热网模型图

3.2 节能效益分析

3.2.1 热能共享模块

以唐山地区一户安装太阳能集热器的三口之家为例，查得局部热水供应系统人均日用30～40 L［3］，此处取35 L，即例中热水需求为105 L／d。全年热水负荷需满足冬天水温温升最大时的使用，同时考虑最合理地利用集热器，选取4 m2太阳能集热板。如图6所示，区域热能共享模式中水温（见柱状图）较传统模式能完全达到用户需求；产水量（见折线图）也远高于传统模式及单户用户需求。如图7所示，区域热能共享模式月均日太阳能利用热量均远高于传统模式及单户用户需求热量。

图6 传统与共享水温水量对比

图7 热量利用情况

传统分散式供热模式中，每位太阳能用户每年可利用平板集热器产热8 071 MJ，所产60℃的39 150 L热水全部供给用户自家热负载；区域热能共享系统中，每位太阳能用户每年可利用平板集热器产热年共产热16 140 MJ，产水81 390 L（大于等于60℃），由区域内用户共同消纳。在区域热能共享系统中，每年每户多利用太阳能热量8 069 MJ，折算电能约为2 241 kWh，相当于节省约717.1 kg标准煤，减少CO2排放约2 629 kg。

3.2.2 家庭梯级热网模块

传统的用户端生活用水利用方式单一，大部分热能供应来源于电能，梯级热网模式中实现的干衣、加热毛巾、预热食物等功能均需要一定的电器实现。根据TRNSYS软件模拟分析，家庭梯级热网模式对比传统家居模式可以有效减少能耗，与目前市场中相应电器耗能对比效果如图8所示。

图8 家庭梯级热网两种模式节能效果

对上图数据进一步分析，家庭梯级热网运行一次相较于传统的热能利用方式可节省能量12 779 kJ，按一年运行120 d计算，一个系统年节能效果达1 533 MJ，大致为136 kg标准煤，相当于减少CO2排放约500 kg，折算为电能则平均每年每户节约426 kWh。

3.3 经济效益分析

经计算，一套热能路由器成本约为1 481元。参照上文节能效益，在家庭梯级热网中每户每年等效节电426 kWh，等效收益206元［4］。对于拥有太阳能热水器的用户，年收入总计1 135.28元，即1年4个月内可回收成本；对于只有电加热水的用户，每日使用共享热水40 L即可完全消纳太阳能用户共享热水，每年可节约热水成本464元，年收入总计670元，预计2年3个月内回收成本。

4 结论与应用前景

能源互联网是互联网和能源系统深度融合的产业新形态，构建新一代绿色低碳、安全高效、开放共享的智慧能源系统，是当前国内外学术界和产业界关注的焦点，也是能源领域继智能电网后又一前沿发展方向［5］。本文提出了一种区域分布式热能网络管控装置，实现了太阳能资源的最大化利用，可覆盖我国大范围农村地区，节能减排效果明显、经济性好，为基于可再生能源的智慧化区域供暖提供了一种可行性方案，具有广阔的应用前景。