基于TLNS的多热源供热工程能源监控管理系统设计与应用研究

杨前明 王均珂 刘亚琼

（山东科技大学机械电子工程学院，青岛 266590）

基于TLNS的多热源供热工程能源监控管理系统设计与应用研究

杨前明 王均珂 刘亚琼

（山东科技大学机械电子工程学院，青岛 266590）

为实现多热源热水工程（MHWP）能源监控与科学管理，达到能源综合调配、合理利用，本文借助现代计算机信息化技术，设计并应用了多热源热水工程能源监控管理系统（EMMS）。该系统具有运行参数实时监测、数据信息处理、能耗分析等功能，能够为多热源热水系统运行状况、能源科学调配、运行策略选择提供依据。

多热源 热水工程 能源监控 管理EMMS 数据信息处理 运行策略

引言

以太阳能、空气能为主导的双热源热水工程，由于其巨大的社会与经济效益潜力[2]，近年来得到广泛的应用。由于系统热源种类与品位的差异性，现有工程中采用的控制方法难以实现目标精细化控制、能量监控与管理等技术问题，导致多热源系统并未达到应有的最佳热性能与能效比。基于这个问题，本文给出多热源热水工程（MHWP）能源监控管理系统（EMMS）的设计开发方案。

1 MHWP系统工作原理及用能原则

1.1 MHWP系统原理

MHWP（Multi heat source hot water project）系统原理如图1所示。系统主要由太阳能集热系统（Solar heat collecting system，SCS）、空气源热泵热水机组（air heat pump system，AHPS）、废水余热回收系统（Waste heat recovery system，WRS）和应急电加热系统（electric heating emergency system，EHES）4个子系统及相关辅助元件构成，综合利用废水余热能、太阳能以及空气能等低品位能源，实现了系统能源合理匹配与高效利用。

图1 MHWP系统组成示意图

（1）太阳能集热系统（SCS）太阳能集热系统采用温差循环设定方式运行。太阳能集热器吸收太阳能，对集热管组的水进行加热，当集热器组出口温度（T2）大于集热水箱温度（T3），且T2-T3＞△T（设定温差）时，集热循环泵P1启动，实现热水循环；当T2-T3＜△T时，泵P1停止。同时，集热水箱的温度（T3）大于恒温水箱的温度（T1），且T3-T1＞△Tn（设定温差）时，泵P6启动，将集热水箱热水送入恒温水箱；当T3-T1＜△Tn时，泵P6停止。

（2）空气源热泵热水机组（AHPS）空气源热泵热水系统采用温差与定时双循环进行热水加热，当时间t∈[t1，t2]且恒温水箱的温度T3小于空气源热泵机组设定的启动温度时，循环泵P2启动，进行冷水循环，然后空气源热泵运行，实现冷水加热；当恒温水箱的水温T3大于空气源热泵机组设定的停止温度时，空气源热泵机组P3、循环泵P2停止运行，如此反复，达到用户热水要求。

（3）余热回收系统（WRS）恒温水箱补水时启动补水电磁阀，自来水流经水箱中换热器吸收污水中的低品位热能。其运行条件为废水余热温度大于自来水温度。

（4）应急电加热系统（EEHS）在冻雨、连续低温等极其寒冷条件下，机组无法工作时启动辅助电加热设备，保证系统正常运行。

表1 MHWP系统控制

1.2 能源廉价优先使用原则

MHWP系统将洗浴废水余热能作为常态能源（对自来水进行预热），太阳能作为优先使用能源、空气能作为主流（常规）能源、电加热作为应急能源，以满足系统热负荷总量为目标，对系统组成能源进行经济性评价，优先使用廉价能源，以获得系统最优热性能系数与能效比，即能源廉价优先使用原则。

2 TLNS能源监控管理系统

能源监控管理系统以系统控制目标为依据，运用计算机监测与管理技术，实现能源控制和管理，并通过系统采集的实时能源数据进行能源平衡的改进和优化，实现管控一体化系统。将传统的独立分散式能源管理系统转化为集中一贯式管理方式，实现能源监管系统的管控一体化，有利于系统的全局调度和管理。TLNS（Three Layer Network Structure）能源监控管理系统，采用严格系统分层方法，实现由计量节能（终端设备）、系统优化（传输能源层面）到管理节能的转变，消除了不同层次间组件相互依赖性和跨越多层造成的不良影响。

2.1 硬件设计

依据集散控制理论，多热源热水工程能源监控管理系统总体采用多层网络结构，划分为底层现场设备控制层、中间层为运行管理层，顶层为远程系统能源监控管理层的TLNS能源监控管理系统。

（1）现场设备控制层MHWP系统包括太阳能热水、空气源热泵、余热回收与电热应急4个子系统。图3所示是现场设备控制层示意图，用于系统运行控制和能耗计量。它以PLC为控制核心，采用智能监测，对系统用水量、电能等参数进行数据采集，通过RS485总线传输给运行管理层监控计算机。各子系统的运行状况通过PLC传输给过程系统运行管理层。

图3 现场设备控制层

（2）运行管理层通过RS485总线建立通信环网，将各子系统运行的实时数据传输给运行管理层，及时反应系统运行情况，并将数据信息处理和储存。运行管理层将能耗数据、运行设备以及实时报警等有机结合，构成完整的过程系统可视化监控层。工业计算机通过基于TCP/IP的工业以太网，将数据传送给能源管理层，并进行针对性的远程数据发布。图4是运行管理层的通信网络。

能源监控网络将各子系统串联在一起，为系统构建了信息传输框架。各子系统的距离较远，需要构建大范围的通信网络，而施工范围大，涉及的外界影响因素较多，因此在设计的过程中，应确保通信网络能够长期工作。通信网络的稳定性极大的影响了系统运行的准确性、一致性，是联系各层间的桥梁。

图4 过程系统运行管理层的通信网络

（3）远程系统能源监控管理层图5所示为能源管理监控层。采用世纪星组态软件开发了“高度集成”的能源监控管理层。能源监控管理层分为两大模块，即能源监控模块和能源管理模块。

图5 能源监控管理层

①能源监控模块。主要实现能源实时监控和调度功能，通过组态软件设计开发的SCADA系统具有实时运行监控、设备控制管理、系统检测、故障报警、数据归纳与汇总等功能。

②能源管理模块。主要实现能源基础管理和能源决策分析模块。前者包括数据维护、系统参数管理等，后者解决能源成本管理、报表管理、能耗分析、能效综合评价等技术问题。

2.2 系统软件功能

能源监控管理系统是集散式全分布的计算机监控系统，主要包括系统运行监控、报警、能源管理等功能。

（1）系统运行监控。图6所示为采用世纪星组态软件设计开发的多热源热水工程能源监控管理界面，方便用户随时了解系统的运行情况和工作动态。

（2）报警功能。设计报警功能的主要目的是当运行状况发生异常时，监控管理系统会实时警报、提醒用户采取相应措施。图7为组态系统报警界面。

（3）能源管理。能源管理包括能源计划与实绩管理，能源计划管理是制定能源计划，并在系统运行过程中，对能源消耗进行追踪，与设定计划进行比较，通过对比，对系统进行用能优化，实现系统最优能效比。能源实绩管理是设计将各时段的能源数据进行归纳、整理、统计为一体的管理软件，通过历史数据报表显示，便于运行能效管理查阅和参考。在能源实绩与成本分析时，用数据表述节能效果。

图6 多热源热水工程实时监控图

图7 组态系统报警

图8 水量消耗报表

预测分析SCADA系统对最基本的测量数据进行数据采集，数据的完整性受到多方面因素的影响，有较大的数据误差存在。利用预测分析技术可以在有限的测量数据下，对系统（能耗、电力负荷等）的变化趋势进行预测，让用户了解能源消耗的趋势。

（4）用能原则实现。通过“智能仪器仪表、传感器+PLC+上位机”的方式，实现了能源的监控管理，达到了节能的目的，系统用能分为三种模式：即晴天状况、阴雨天状况以及晴转多云。系统热负荷总量的表达如下：

式中，P集热（t）为太阳能热功率，单位是W；P热泵（t）为空气源热泵热功率，W；k1为太阳能制热加热系数；k2为空气能制热加热系数。

上式用能思想是余热回收作为常态能源，太阳能作为优先能源，空气能作为主导热源，即在光照条件良好的气候条件下，以余热、太阳能集热为基础热源，空气能补充；当阴雨低温条件下，以余热为辅，空气能作为主导热源；特殊气候条件（如连续冻雨）使用电能作为应急加热。

3 结论

本文以多热源联合供热系统能源监控与管理为研究对象，对能源监控管理系统用能策略与实现方法进行了讨论。根据“能源廉价优先”原则，给出了基于TLNS能源监控管理系统的计算机监控管理硬件、软件设计方法，利用检测仪器仪表与PLC构成的通信环网对系统进行实时监控和能耗信息管理，实现了多热源热水工程能源的合理调配和科学管理；通过对3个示范工程系统运行记录数据分析评价，多热源联合供热监控管理系统运行稳定、全年运行平均COP系数达到3.6，光照强度理想条件下最高可达4.52。

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[3]杨前明,李心灵,李亭等.低品位多热源联供热水系统的节能分析[J].太阳能,2012,（15）:26-29.

[4]任喜伟,任工昌,宋安玲,杨帆.多层网络体系结构的纸业能源监控与管理系统的设计[J].化工自动化及仪表,2010,37（7）: 87-89.

[5]Ding Ma,Yibing Xue.Solar Energy and Residential Building Integration Technology and Application[J].Scientific Research,2013,（2）:8-12.

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The Design and Application of Energy Monitoring and Management System for Multi-heatsource Hot Water Project Based on TLNS

YANG Qianming,WANG Junke,LIU Yaqiong

（College of Mechanical&Electronic Engineering,Shandong University of Science&Technology,Qingdao 266590）

In order to achieve the comprehensive deployment and reasonable use of the thermal load energy,the energy monitoring and management system（EMMS）has been designed and applied aiming at realizing energy monitoring and scientific management of the multi-heatsource hot water project（MHWP）based on modern computer information technology.The system has the function of real time monitoring of operating parameters and data information processing as well as energy consumption analysis.It could provide a basis for the selection of operation status of multi heat source hot water systemand energy science deployment as well as operation strategy.

multi-heat source hot water project,energy monitoring and management EMMS,data information,operation strategy