“光热+”清洁能源供暖智慧云服务系统分析与应用

2023-05-23薛道荣张晶施得权

中国建筑金属结构 2023年4期

薛道荣，张晶，施得权

（北京道荣新兴能源有限公司，北京 102208）

0 引言

近几年来，北方清洁能源供暖工作如火如荼地进行。《中国散煤综合治理研究报告2021》[1]中建议利用智慧监管平台提早布局售后运维体系，在“十四五”期间，建立“互联网+清洁取暖”的工作管理模式，运用科技手段破解清洁取暖设备点多面散、无监管的难题。“清洁供暖产业网”[2]在《产业报告2021 丨清洁供热典型案例：北京市农村地区互联网信息化平台》也详细阐述了智能云服务系统对清洁取暖的效益，以及推广和应用。薛道荣[3-5]在《中国建筑金属结构》中提到：采用智能能源理念，初步实现“光热 +”综合云平台方案，通过物联网云平台技术，实现对“光热 +”供热采暖系统的 PC 端和 App 端的远程控制。同时提出“因地制宜、精准供热、精准服务、精准运营”的智能能源理念，满足老百姓温暖过冬的需求，实现清洁能源供暖的可持续发展。近几年来，河北道荣新能源科技有限公司（简称“道荣新能源”）“光热+”多能互补清洁能源项目遍布河北邢台、秦皇岛，山西大同，辽宁阜新，吉林延边，黑龙江亚布力，山东东营，湖北鄂州，西藏拉萨，甘肃酒泉、北京房山、内蒙古等多个地区，累计安装的户用清洁供暖系统10 万余套，助力北方20 余座城市实施的“光热+”清洁能源供暖工程，深受各地政府和百姓的好评。

尤其是在近三年，疫情严峻的大环境下，物联网+大数据技术的智慧云服务凸显出了其优势，在人员到达现场困难的情况下，依然能够保障农户的供暖需求。同时在满足用户的供暖前提下，大幅度降低了运维成本，提高了运维效率。

1 工程概况

2021 年，道荣新能源在辽宁抚顺开始实施“光热+”电户用供热采暖试点工作，具有显著的降费、降耗、节能、减排效益。

该项目位于辽宁省抚顺市，介于东经123°39'42''～ 125°28'58''，北纬41°14'10''～42°28'32''之间，位于中温带，属温带大陆性季风气候。全年年均气温 6.6℃。年平均总辐照量为4 801MJ/m2。用户采暖需求期是151d（11 月1 日至翌年4 月1 日）。

2 设计方案

项目以“光热+”清洁能源供暖为主体，电采暖炉为辅热，实现因地制宜，多能互补，解决用户的清洁供暖需求，保障百姓温暖冬天。同时布局智慧云服务系统，利用物联网和大数据技术手段建立“互联网＋清洁取暖”的工作管理模式，为系统的正常可持续运行做好保障。

2.1 系统工作原理

“光热+”清洁供暖系统主要由光热采暖机、电采暖炉辅热能源、云控器、供暖末端、循环泵站、电磁阀等部分组成，如图1 所示。

图1 “光热+”电采暖炉户用供暖系统原理图

光热系统由LTC-40 光热采暖机2 台，合计太阳能集热器80 支；电采暖炉的最大功率是6kW；云控器1 台；循环泵1 台；光热供暖和电采暖供暖切换电磁阀1 套；循环管路1 套；供暖面积为40～60m2。

LTC-40 光热采暖机是由太阳能集热器收集太阳辐射并转化成热能，以液体作为传热介质，以水作为储热介质，热量通过循环流动经由供暖末端送至室内进行供暖。当太阳能水箱内部水温达到太阳能启动温度时，系统会自动启用采暖循环功能，通过太阳能循环泵将热能转换到室内供热系统，通过室内供暖末端的热传导散热特性，将热水能量通过循环流动换热辐射到房间内，从而提高室内环境温度达到采暖效果；当太阳能水箱内部水温不能达到系统启动温度时，系统会通过电磁阀自动切换到电采暖炉进行供暖。

电采暖炉以电力为能源，通过电加热器将水加热，经过循环将热水循环到室内。当供水温度小于上限温度时，电采暖炉处于加热状态；当供水温度到达上限温度时电采暖炉处于停机保温状态。

2.2 智慧云服务系统

智慧云服务系统由云控器和大数据云服务两部分组成。

云控器为系统的智能控制器，采用物联网技术，通过实时监测光热采暖机水温和水位、室外管路的温度、供暖末端的回水温度、室内温度等等，根据用户的供暖需求，控制光热供暖和电采暖炉的辅热供暖，在保证用户需求的前提下，最大限度使用太阳能，降低用户供暖成本。云控器实时监测室外管路温度，采用系统循环方式和管路加热的方式，保证系统的正常运行，防止管路冻结。

云控器除了上述的功能外，每个云控器拥有该设备唯一的ID，还拥有该设备唯一的DTU 模块。云控器可以将实时获取的传感器数据、系统运行状态、系统运行参数、系统运行故障等等，通过DTU 上传到云平台；同时可以实时接收云平台实时下发的数据。云控器的数据上传频率可以高达每分钟一次。

大数据云服务包含云平台和用户终端。云平台整体架构使用成熟的Spring Boot 开源技术框架，采用总体框架J2EE 结构，遵循MVC 结构，编程语言主要采用Java、html5，数据库采用关系型数据库Mysql 与nosql 型内存数据库Redis。用户终端基于Android 5.0 框架、IOS 开发的道荣云APP、道荣小程序等客户端软件，丰富物联网通信灵活化，精准化，智能化，个性化服务用户。

云平台通过云控器的ID，将供暖系统与用户的基础信息进行绑定；可实时展示用户的身份信息、位置信息、安装进度信息、系统运行状态、系统故障信息以及故障报警，如图2 所示。

图2 云平台视图

3 数据统计分析

3.1 运行效果数据分析

抚顺2021～2022年采暖期2021年11月1日至2022年3月31日，总供暖时间为151d。但从抚顺2021 年10 月份和2022 年4 月份气温走势分析，从10 月1 日起，晚上最低温度已经很低，甚至达到0℃以下；到2022 年4 月30 日，晚上最低温度还是1℃；以上说明，在采暖期的前后一段时间内，也存在采暖需求的情况，存在提前供暖和延后供暖的需求。

太阳能供暖具有免费性，根据云平台大数据统计，在室温在17℃～19℃状态的前提下，太阳能平均每年可为用户省去37%的供暖开支，具体如表1。

表1 太阳能供暖时长统计

同时智慧云平台通过对每户供暖系统的用电量的检测并记录，为政府的供暖补贴政策提供数据支撑。

3.2 实际节能量数据分析

“光热+”清洁能源供暖系统的实际节能量，是指该供暖系统中太阳能实际供给的用于供热供暖的能量。一般由流体质量、比热容和温度变化等因素决定。本系统中采用焓差法来计算热量，公式为：

式（1）中：

QJ—节能量，kWhth

t—太阳能供暖时间，s

qm—质量流量，ks/s

△h—进出口焓差，kJ/kg

ηqf—清洁能源设备运行效率，%

根据式（1），后台统计实际节能量和减排量，如表2 所示。

表2 实际节能量和减排量计算

“光热+”户用供热采暖系统太阳能光热系统，供暖季节能量4 482kWh/户年，碳减排量4.47t/户年；寿命期内节能达8.96 万kWh，碳减排达89.37t。抚顺打样370 户，具有显著的节能、减排、降费、降耗意义。

3.3 运维数据分析

清洁取暖项目分布在乡村，点多面广，同时供暖项目的使用者大都是农村留守老人，这给设备的运维带来很大的难度。据统计，运维的主要问题总结，如表3 所示。

表3 运维的主要问题

从表3 可见，运维的主要问题是设备使用问题。智慧云服务可通过远程服务，修改设置用户的系统参数，达到用户满意的效果，从而达到改造效果的落地，巩固清洁取暖的成果，确保清洁取暖的可持续发展。

4 项目效益

4.1 经济效益

平台实现了清洁取暖工程管理数字化，运行状况数字化，运维服务数字化，全程监管数字化，从申报、核查、监管、审计各个角度监管整个流程，为财政补贴资金规范使用提供了有力技术支撑。

故障预警监测和远程研判处理可以大幅减少故障发生，降低运维成本。当设备运行参数出现异常时平台显示为预警状态，提醒厂家服务人员或用户关注设备及系统运行情况，有效减少故障的产生和设备损坏。管理督导部门根据预警统计分析数据，有针对性地做出长效管护工作的部署，大幅度节省了维修成本。维修服务人员通过清洁取暖平台监测到的异常运行参数进行判断，并且远程操控解决，大幅降低现场服务需求，提高服务效率，节约路途成本，减少燃油排放。

提高工作效率，降低管理成本。平台为煤改清洁能源工程实现了数字化管理，对整个工程建立数字档案取代了繁杂的人工统计工作，减少了大量的纸质档案耗材，提高了工作效率、降低了管理成本。

4.2 社会环境效益

智慧云服务系统的建成可以大大促进节能减排，改善环境。清洁取暖平台分析建筑结构、用户习惯、气象参数、机组运行状态控制、末端控制等因素，通过大数据人工智能技术，以功能舒适和节能并举为最佳目标，制定多因素耦合控制策略，自动调节设备运行参数，使设备保持高能效运转，降低能耗，减少排放。

为政府管理部门提供数据支撑，利用平台能够及时掌握精准的工程数据、运行情况、服务维护等数据。数据驾驶舱强大的展示效果，使得政府管理部门能够更高效查看、精准分析取暖数据，大大减少人力资源的消耗，提高监管质量和效果。通过大数据平台把各企业资源进行整合，为资源共享提供舞台平台将设备企业、用能企业、用户运行资源等各资源整合，可充分发挥各自领域的优势资源，以资源置换、技术互补、成果共享等方式在物（互）联网、人工智能、工业控制等领域合作，降低综合成本，提升运营效率，为资源共享提供舞台。

云平台为清洁能源供暖工程实现了数字化管理，建立了整个工程的数字档案，减少了繁杂的人工统计工作，提高了工作效率，降低了管理成本。

5 项目优势和意义

辽宁抚顺属于东北地区气候严寒，供暖周期长，供热量占全国需求总量的三分之一，以此项目为基础，道荣新能源开展产品优化升级，推动东北地区“光热+”电采暖炉户用供热采暖应用。同时积极示范推广到黑龙江哈尔滨、甘肃酒泉、宁夏吴忠、内蒙古通辽等地“光热+”电采暖炉试点示范工作，得到了当地政府和用户的一致好评，推动东北地区和西北地区农村清洁取暖的发展。

利用智慧监管平台提早布局售后运维体系，融合空气质量、能源消费、碳排放管理、工程改造数据，运用科技手段破解清洁取暖设备点多面散、无监管的难题，打通清洁取暖长效可持续发展的最后“一公里”，提高服务覆盖范围、服务响应效率和故障处理能力，促使用户报修有选择、师傅维修有记录、工单回访可跟踪，有效满足用户、企业、政府三类角色，高效实现使用、服务、监管三类功能。根据农村用户数量配备一定比例的专业运维人员，确保及时响应用户服务需求和报修需求，保障农村清洁取暖设备正常可持续运行。