分散式供暖远程管理系统设计

金育蘅

（山西交投高速公路有限公司，山西 太原 030006）

为有效减少冬季供暖期雾霾污染问题，我国北方地区大面积推广“煤改电”清洁能源供暖。目前主流的煤改电取暖方式主要为空气源热泵、电锅炉。空气源热泵相比电锅炉具有节能优势，但能效比会随着冬季温度降低而减小，在极寒天气下甚至停止工作[1]。针对此情况，在北方高寒地区，采用空气源热泵和电锅炉联合方式进行供暖，以期能够在室外温度较高时采用空气源热泵供暖达到节能效果，又能在室外温度较低时用电锅炉达到供暖效果[2]。

目前的煤改电供暖系统主要应用于不便于集中供暖的场所，单个系统供暖面积不大，且系统分布分散，现场管理维护人员专业水平不高。为有效提高空气源热泵和电锅炉联合供暖系统的工作效率，本文设计了分散式煤改电远程管理系统，根据室外环境温度来调整系统供回水温度，合理配置空气源热泵和电锅炉的工作时间，确保系统高效工作。

1 煤改电供暖系统

煤改电供暖目前主要采用空气源热泵、电锅炉为制热源，根据环境温度选取单一空气源供暖或空气源-电锅炉复合供暖。本文设计系统应用于朔州地区某高速收费站，面积约3 000 m2，为小型的供暖系统，末端为地暖，根据当地温度情况采用空气源-电锅炉复合方式供暖。

煤改电供暖系统如图1所示，系统主要包括空气源热泵、电锅炉、蓄热水箱、蓄热循环泵、供暖循环泵，通过控制空气源热泵和电锅炉的工作时间，协调实现联合供暖，采用谷电蓄热方式避开峰电，减少供暖费用[3]。

图1 煤改电供暖系统图

2 远程管理系统设计

2.1 系统功能分析

分散式煤改电管理系统兼具本地自动控制和远程管理作用，主要包括本地控制、实时监测、远程管理三大功能，具体功能如图2所示。

图2 系统功能分析图

a）本地控制 供暖系统包括空气源热泵、电锅炉、循环泵等设备，需要能实现现场就地控制启停，包括手动控制和自动控制模式，根据设备类型采用直接驱动和通信驱动方式实现设备运行控制。

b）实时监测 系统在运行的过程中需要实时获取各设备的运行状态、故障状态、环境温度、管路温度等数据，来监测系统的运行状态。

c）远程管理 为便于系统的管理，需增加远程管理功能，可以实时监测系统的运行状态；能耗管理功能记录系统每日能耗数据，以用于系统耗电性能分析；节能管理功能按时间段设置空气源热泵和电锅炉的供回水温度，达到节能效果。

2.2 控制系统设计

控制系统功能主要包括本地控制和数据监测两部分。

2.2.1 本地控制实现

本地控制利用可编程逻辑控制器（PLC）通过电气控制手段实现循环泵、空气源热泵、电锅炉的启停。其中循环泵的启停通过接触器、热继电器实现，空气源热泵和电锅炉通过MODBUS通讯协议实现。

空气源热泵和电锅炉的通讯数据的类型及格式均设置为：数据长度8，停止位1，传输速率9 600，无校验。MODBUS错误校验采用16位CRC校验。通过表1通讯指令可以读取空气源热泵和电锅炉的运行状态，控制设备的启停，设置供回水温度。

表1 MODBUS控制表

2.2.2 数据监测实现

系统监测数据包括设备运行状态、故障状态、供回水温度、环境温度、能耗数据。循环泵运行和故障利用PLC通过检测接触器状态即可实现，空气源热泵和电锅炉运行状态、故障状态通过MODBUS协议读取参数可实现。供回水温度通过读取管路上的4～20 mA温度变送器实现。环境温度通过读空气源热泵室外温度参数来获取。

能耗数据通过读取具有尖峰平谷功能的电表实现，电表采用DL/T 645—07协议，需要通过PLC自由口实现，数据格式设置为：波特率2 400，偶校验。通过表2通讯指令读取电表总的耗电量和上1月耗电量。

PLC获取电表耗电量数据后，进行数据解析得到总电量、峰平谷电量，实现能耗监测。

表2 DL/T 645—07数据帧格式

2.3 远程管理系统设计

系统通过PLC实现设备的本地控制和数据监测，选取4G DTU实现远程数据监测，并将数据存储到云服务器，通过在云服务器部署WEB GUI，实现移动端、PC端的设备管理，数据流向如图3所示[4]。

图3 数据流向图

为了便于直观地对系统运行状态和数据进行监测，设计了远程管理系统界面，包括系统运行状态、节能设置、数据监测界面，如图4～图6所示。

图4 系统运行状态监测界面

图5 节能管理设置界面

图6 环境温度和逐时能耗监测界面

图4系统运行状态监测可实时在线显示空气源热泵、循环泵运行及故障状态、空气源热泵工作参数、上一日的耗电量及电费情况；图5节能管理设置界面可分时段设置空气源热泵的进出水温度，管理人员可根据环境温度设置不同时间段的进出水温度从而起到节能效果；图6环境温度和逐时能耗监测界面可查看每小时的室外环境温度、热泵进出水温度、小时耗电量等数据，为节能研究提供更详细的数据基础。

3 监测数据分析

3.1 环境温度数据分析

选取2020年1月6日至10日共5 d的逐时环境温度数据对温度变化情况进行分析，温度曲线如图7所示。

图7 单日逐时温度变化曲线

从图7可知，每日6—10点温度均位于0度以下，温度低点位于上午5—8点之间，最高温度位于15点，变化趋势从0点开始温度不断降低直到最低温度，然后温度持续升高，到15点达到顶点，再持续降低。

通过单日温度变化趋势可指导节能管理设置，在每日11—18点时间段温度较高，在此时段空气源热泵进行蓄热，并可将供回水温度设置到较低水平；23—7点时间段温度较低，但此时段为谷电时段，电价较低，在此时段空气源热泵也可蓄热，并将供回水温度设置到较高水平。

3.2 日能耗数据分析

选取2019-12-24至2020-01-23共计30 d的耗电数据进行分析，耗电量曲线如图8所示。

图8 日耗电曲线

观察日耗电曲线可知，系统峰电能耗较低，每日能耗约为40 kW·h，系统通过平电和谷电蓄热避过了电价较高的峰电时段；由于谷电时段环境温度低于平电时段，谷电能耗略高于平电能耗；通过分析系统能耗数据，可知分散式供暖远程管理系统有效减少了峰电使用量，降低了系统运行费用。

4 结论

本文设计了分散式供暖远程管理系统，实现了系统状态远程监测、实时数据监测、远程管理功能，确保了供暖系统能够高效稳定运行。通过能耗数据分析，验证了供暖管理系统可以有效地降低系统运行费用。