CN107274303A - 城市供热能耗智慧化管理与控制技术平台 - Google Patents
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Abstract
城市供热能耗智慧化管理与控制技术平台以用户端温度调控为目的,以整个管网供暖设备调控为核心,分别对热用户、换热站和供暖管理指挥中心进行软硬件平台的搭建。热用户部分,包括智能调节阀、智能温控器和墙体嵌入式终端等设备的软硬件设计;换热站部分包括一、二次管网的温度、压力和流量监测,换热器、循环水泵等的控制;供暖管理指挥中心部分,通过直观的界面为工作人员提供***管理支持,为用户提供取暖费用查询等服务。每个房间内的温控器为用户提供本房间的温控服务,并将本房间的采集数据通过电力载波技术汇总到入户端墙体嵌入式终端设备,为用户提供整个家庭的温控服务。汇总后的数据经电力载波到楼宇数据汇总终端,再通过GPRS模块经换热站汇总至供暖管理指挥中心。
Description
技术领域
本发明是针对城市集中供热能耗管网,研发的一种实时动态能耗运营监控***。主要用于为供热企业、供热站提供供热决策方案和远程智能控制各供热相关环节的技术支持;为终端用户提供用热决策方案,以实现低碳供热和高效用热的目标。
背景技术
能源行业是一个新型行业,涉及节能环保,在能源利用越来越紧张的情况下,世界各国纷纷将节能行业放在突出重要的位置,投资重大资金研究节能环保措施,因此带来了该产业的快速发展,节能装置与技术更是日新月异。我国1997年颁布的《中华人民共和国节约能源法》中便明确提出需推进节能技术进步,降低单位产值能耗和单位产品能耗,改善能源的开发、加工转换、输送和供应,逐步提高能源利用效率,促进国民经济向节能型发展。2007年国务院常务会议,决定将《民用建筑节能条例(草案)》向社会公布征求意见。《草案》中明确,国家积极推进供热体制改革,完善供热价格形成机制,鼓励发展集中供热,逐步实行按照用热量收费制度。对于新建建筑节能,《草案》规定,实行集中供热的建筑应当安装分户室内温度调控装置,并安装分栋或分户用热计量装置和供热***调控装置;对于既有建筑节能,《草案》特别明确,“对实行集中供热的居住建筑进行节能改造,应当安装分栋或分户用热计量装置和供热***调控装置”。由此可以看出,国家对建设能源节约型社会的坚定决心,以及对城镇供暖***改革的意向。
根据清华大学举办的“2007 年建筑节能发展年度报告”可知,供暖能耗占中国北方城镇建筑能耗的绝大部分,占全国建筑总能耗的40%。随着城市化建设的不断加快,城镇热网将继续扩大,按照目前的发展速度,如果不采取节能措施,到2020年供暖能耗将达到3亿吨标准煤/年。在造成我国集中供暖***效率低下的原因中,以下几个原因不容忽视:
(1)热源效率低:提高热源余热的回收利用,根据整个***的热负荷变化实现对热源功率进行动态调节,可以提高热源效率。
(2)缺乏长久的室温调节机制:目前大多数用户无室温调节装置,存在开窗散热的情况。
(3)缺乏高效的热计量方法:热量分配表法投资大;热量表法维护困难,安装效率低,使二者都难以推广使用;传统面积法又缺乏公平性,用户不接受;时间通断法和流量法使用受到限制,对水质要求较高。
(4)***控制策略不够完善:热源中心和热力站的输出热量应该随着负荷的变化而变化,集中供暖***各级子***应该实行联运控制,只有这样才能实现整个集中供暖***的节能。
暖气集中供暖***在我国北方地区广泛采用,而热力输暖***又是一个高能耗、高污染的产业,因此提高能量的利用率,减小能量浪费就显得尤为重要。然而,在现有的技术里,暖气的运用较为简单,仅仅根据经验值人为调节阀门进气量来控制室内温度。这种控制方式无法对室内温度进行准确的控制,影响供热质量,造成热量的利用效率较为低下,极大的浪费了能源;由于整个小区集中加压供暖,造成不同单元、不同楼层的用户暖气温度相差很大,经常引起用户的不满。
“CN201520378206.8” 一种新型智能供暖管理***利用RS-485和GPRS等技术,搭建供暖管理***,实现远程计量和通断用户供热,但未涉及用户端问题调控、换热站监控、上位***监控平台搭建和管网控制策略优化的研究设计;
“CN03133353.2” 供热管理信息控制***,提出将BP神经元算法应用到供热管网的自动控制,并提出对用户端温度进行精确控制,但其发明的设计范围只是涉及到管理中心到换热站,并未提及用户端的设计、控制和通信平台的搭建,且该发明也始终强调其属于计算机控制领域,其设计重点是管理中心控制平台的搭建。
“CN200810154469.5” 大区域供热运行自动监控***装置,只是提出了一种市级范围内供暖监控平台搭建的设想,其底层监控对象最终面向的是各个片区,并不能对用热终端进行有效的监控,也未提出有效的节能实现措施。
“CN201120112054.9” 小区住户温度采集与监控***和“CN201420473434.9” 一种供热管理***,提出了一种小区锅炉供暖的控制策略,通过对锅炉的供回水温度进行控制,保证用户端温度;但其并非面向集中供暖,且涉及面狭窄,控制策略简单。
“CN201210185265.4”,一种基于复合通信方式的热计量信息远程传输***,只是单纯的对用户端用热数据进行采集、传输未涉及任何控制和节能措施。
发明内容
针对以上问题,本发明以物联网技术为核心,集成传感器技术、自动控制技术、电力载波技术、嵌入式技术、计算机技术以及网络通信等技术,研发城市供热能耗智慧化管控平台。
研发供热企业和换热站的供热能耗智能监控设备,实现对供热企业和换热站供热能耗的智能计量、故障诊断与实时控制;研发智能调节阀和智能温度控制器等用户端测控设备,实现对终端用户用热能耗的智能计量、故障诊断与控制。
研发墙体嵌入式终端设备,便于用户自主设置室内温度,并获取室内温控专家知识;开发基于Android的移动端应用软件,方便用户远程监控家庭内部的温度和供热设备的运行情况。
对现有PID算法、模糊算法等进行改进,并应用到换热站和用户端的温控设备调控中,降低温控过程中的超调量、调控缓慢等不足之处,克服供热冷热不均和水锤效应等现象。
研发基于WEBGIS的供暖管理指挥中心监控***,以网络通信为桥梁,与各智能监控设备信息交互,实现广域地理空间分布上供热企业、换热站以及终端用户之间对能耗信息的监视与管理,将先进算法与专家知识相结合,科学分析建筑物室内外环境变化和终端用户用热能耗信息对供热能耗的影响程度,诊断并预测故障情况,为供热企业、换热站提供供热决策方案和远程智能控制各供热相关环节的技术支持,使管理中心的工作人员能够实时的监控整个供暖***每个节点的运行情况和暖气使用情况,辅助工作人员做出合理的调控;为终端用户提供用热决策方案,有效的降低用户端用热成本和提高用热效率;以实现低碳供热和高效用热的目标,既最大限度的满足终端用户用热需求,又能有效降低供热企业的能源消耗,从而缓解城市的环境压力。
本发明的优点:1、利用电力载波技术搭建家庭内部以及楼道内的通信网络,可以直接利用现有的用电线路,无需额外铺设通信线路。2、采用Oracle11g对采集到的数据进行管理,数据可以共享、独立性高、冗余小,易移植,便于统一管理和控制。3、能够实时采集控制每个具体用户的用热设备信息,控制精度高。4、能够根据用户端的反馈信息,调控相应换热站的运营状态,能够有效的解决供热过程中的冷热不均等现象。5、开发了城市供热管理指挥中心***,能够对整个供热管网的所有设备的运行状态信息实时查看和管理,便于供热管网维护和整体调控。6、开发用户终端调控设备和移动端软件,提高用户体验,同时能够为用户提供一种节约暖气费用的手段。7、将先进的控制算法应用到供热管网的调控中去,优化供热管网的控制;将改进后的算法应用到用户端温度控制,提高用户端温度调控水平。
附图说明
图1是本发明的二次网供回水温度控制示意图
图2是本发明的补水***的结构示意图
图3是本发明的调节阀的硬件结构示意图
图4是本发明的温度控制器结构示意图
图5是本发明的墙体嵌入式终端设备的整体结构示意图
图6是本发明的新型暖气计价表整体结构示意图
图7是本发明的供暖管理指挥中心***技术架构示意图。
具体实施方式
集中供热***包括热源、热网、热用户三个主要部分,热源产生的热水通过一次管网分配给各个换热站,换热站以间接供暖的方式将热量传输至二次管网,再经由二次管网将热量输送至各个单位或小区,最终分配至各具体用户。该城市供热能耗智慧化管控平台以用户端的温度调控为目的,以整个管网供暖设备调控为核心,分别对热用户、换热站和供暖管理指挥中心等三个部分进行软硬件平台的搭建。热用户部分,包括新型暖气流量表的设计、智能调节阀的设计、智能温度控制器的设计、墙体嵌入式终端设备的软硬件设计、家庭电力载波通信网络的搭建、楼宇数据汇总设备选型和应用于移动终端的家庭用暖监控软件的开发等;换热站部分包括一次管网和二次管网的温度、压力和流量监测,换热器、循环水泵、补水箱和控制阀门等的控制,温度控制子***、循环水泵控制子***和补水泵控制子***等的设计;供暖管理指挥中心部分,通过直观的界面方式为工作人员提供***管理支持,为用户提供取暖费用查询、用暖指导知识获取等服务。每个房间内的温度控制器为用户提供本房间的温度调控服务,并将本房间的采集数据通过家庭Zigbee局域网汇总到入户端墙体嵌入式终端设备,为用户提供整个家庭的温控服务。汇总后的家庭取暖数据经楼道内的无线网络再次汇总到楼宇数据汇总终端,最终通过GPRS模块经换热站汇总至供暖管理指挥中心。
(1)换热站硬件平台
换热站硬件平台搭建主要包括:处理器模块、温度采集模块、压力采集模块、流量检测模块、信号调理电路、通信线路的选型、能耗检测模块和电源模块等。这部分电路主要负责换热站现场数据的采集和阀门、变频器等执行器的控制,是整个换热站调控的基础。
(2)换热站控制***的控制规律及控制方法
①温度控制:采用等温差控制,即根据室外的温度、风速、相对湿度等天气因素确定一个二次管道供回水温差值,然后通过实际的温差采样值与设定值的差值P调节循环水泵的转速,直至P<=R(R接近于0)。为了降低温度调控过程中的超调量和调节时间等不利因素,将模糊PID等控制算法引入到温度调控,对P进行适当的校正操作。二次网供回水温度控制如图1所示
②循环水泵控制:对循环水泵采取变频控制,确定循环水泵的转速和供回水温差间的关系,并确定循环水泵是两台互补工作模式还是其他工作模式,以及变频控制的原理。循环水泵的控制如图1所示。
③补水泵控制:对补水泵采取变频控制,确定补水泵的补水标准和补水时刻,以及通过对补水泵的启停控制进行适当的调控,消除水锤消应等消极因素。补水***的结构如图2所示。
(3)用户端硬件平台
用户端硬件设计包括流量阀、流量表等用户端执行机构设计,房间温度控制器的硬件设计,墙体嵌入式终端设备的硬件设计等。
①调节阀的硬件结构如图3所示,调节阀安装在每个房间的暖气管道入口处,设计为类似球阀的结构,并具有体积小、重量轻、密封性好、抗磨损程度高、安装尺寸小,可靠性高,且能够适应较高温度的工作环境等特点。智能调节阀设计,具有采集暖气流量、采集暖气水温和调节管道流量的功能,并集成了电力载波模块,实现其与上位管理***与下位执行机构之间数据传输上的双向无线通信。
②温度控制器结构如图4所示,智能温度控制器集成度高且便于安装,可以安装在每个房间的入口处,与该房间内的智能调节阀配合使用,能够起到调节该房间温度的作用。智能温度控制器由显示器和按键组成,控制器内部集成了高性能的ARM处理器、电力载波模块和高精度的温度传感器等模块。
③墙体嵌入式终端设备的整体结构如图5所示,每个用户的家庭入口处安装有一台墙体嵌入式终端,该终端是基于ARM微处理器开发的高性能嵌入式***,该嵌入式***具有体积小、功耗低、运行可靠等优点。其内部集成wifi、宽带接口、远程无线通信模块、存储模块、RS232串口、USB接口、触摸屏、独立电源、语音模块和用于***升级的JTAG调试端口。房间内各终端采集到的数据能够通过宽带接口汇总到该嵌入式设备。
④新型暖气计价表整体结构如图6所示,考虑设计一种集入户水温、水压和流量等因素为一体进行收费的新型暖气计价表,并集成无线通信模块,实时将用户的用暖信息传输给楼宇数据汇总终端和用户可操作设备,方便供暖管理指挥中和用户实时的了解暖气的使用情况。为防止因停电造成数据丢失和计量失灵,为该流量表提供独立电源和存储模块,用于掉电保护。
(4)用户端控制***的设计
用户端控制***的设计主要包括用户端软件平台的搭建、用户端温度调控方法和用户端取暖费用的计量等三个部分。用户端软件平台的搭建,即基于墙体嵌入式设备开发用户端温度控制***,通过该***界面用户可以自由调控房间温度;用户端温度调控方法是将换热站调控中的控制算法应用到用户家庭的温度控制中;暖气热量的消耗包括公共耗热和用户室内耗热,因此用户暖气费用也应包括公共耗热面积均摊和室内耗热根据热量付费两个部分。
(5)供暖管理指挥中心及其功能设计
主要进行供暖指挥中心软件平台的搭建,以及指挥中心***的设计和管理界面的开发,以便更好的监督每个换热站的工作状态,并实现对换热站设备的及时调控。采用Oracle11g作为***数据库,用于存储***数据;采用java进行B/S架构的网络设计和***应用软件的开发;选用Tomcat7.0作为***Web服务器;利用JSP以及easy-UI等控件开发用户界面;利用Java Serverlet开发***服务器;利用ojdbc14等控件连接oracle数据库;通过在java语句中嵌套SQL语句,对oracle数据库实现添加、删除和更新等操作。供暖管理指挥中心***技术架构如图7所示。
Claims (10)
1.该城市供热能耗智慧化管理与控制技术平台是针对城市集中供热能耗管网,研发的一种实时动态能耗运营监控***,以用户端温度调控为目的,以整个管网供暖设备调控为核心,分别对热用户、换热站和供暖管理指挥中心进行软硬件平台的搭建;其工作流程如下:
(1)智能调节阀采集温度、流量和阀门开度等信息,经过电力载波模块向墙体嵌入式终端传输;
(2)每个房间内的智能温度控制器可以对该房间内的智能调节阀进行控制,从而间接控制该房间内的温度;
(3)墙体嵌入式终端汇总所有房间的数据,并可以对所有智能调节阀进行控制,从而改变房间内的温度,然后通过电力载波模块将数据发送至楼宇数据汇总终端;
(4)楼宇数据汇总终端通过GPRS模块将接收到的数据传输至上级换热站;
(5)换热站接收到数据后,将数据直接打包传输给城市供暖指挥管理中心,若传输不成功,则根据收到的数据,做出初步的调控,并设法进行故障报警;
(6)城市供暖管理指挥中心接收到来自换热站的数据,进行分析后,对换热站的循环泵、补水泵和阀门等进行相应的调控;
(7)换热站接收到调控指令后,再次向城市供暖管理指挥中心发送数据以接收的响应;
(8)用户可以通过手机等移动终端下载相应的手机APP,实时监控家庭内部的供暖情况。
2.如权利要求1所述,将电力载波技术应用到城市供暖监控***。
3.为每个家庭开发了墙体嵌入式设备,用户通过该设备能够实时的监控家庭每个智能调节阀的运行状态,从而间接监控该调节阀所在房间的温度和供暖情况。
4.将模糊PID等算法应用到换热站运营和房间温度的调控中去。
5.开发了城市供暖管理指挥中心***,该***具有故障报警、状态查询、状态切换、故障统计、参数设置和数据查询等功能。
6.开发移动终端APP,用户通过下载该APP能够实时监控家庭内部的供暖情况。
7.通过墙体嵌入式设备,为用户提供用暖指导,指导用户更加高效的利用热量。
8.综合考虑温度、压力、流量等因素开发新型暖气计量表,通过合理的用暖费用鼓励用户节约用暖。
9.***采用Oracle数据库,数据库划分为实时监测数据库、***数据库、设备信息数据库和专家知识数据库。
10.该发明的城市供暖指挥管理中心***是利用java开发的B/S架构的***。
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