基于智能化控制的高校能源系统的设计与改造＊

酒泉职业技术学院 赵雅芸

高校是大型公共机构建筑的重要组成部分之一，其占地面积大、建筑物种类多、能源消耗量大。目前部分高校存在能源管理不到位、设备能耗高、能源浪费严重等现象，如何有效降低成本和提高效率，是高校建设节能环保型智慧校园中亟待解决的问题。为保证最佳管理效果，必须采用智能控制方式，以减少投资，提高人力资源管理的效率。依据《中华人民共和国节约能源法》等法律、法规规定，解决问题的关键在于树立节能减排意识，提升高校能耗监测与能源的管理水平，以实现能源的高效利用和管理的智能化。与“十四五”智慧能源中实现用能源需求的智能调控理念符合。本文针对高校供暖系统进行了设计与改造，以实现智能化节能目标。

1 供暖系统的节能改造设计方案

1.1 学校供暖现状分析

某高校供热站采用2 台水板式换热器机组，热功率为10.5MW，供暖面积约20 万平米，供热费用5611199.16元，由供热站出分南北区进行供暖。经过约12 个采暖季供暖运行，管网腐蚀严重，换热站每天漏水500 方，造成热水浪费严重。在寒假和周末及夜晚模式下供暖，温度控制不精确、热力管网流量分配不均，造成末端部分楼宇温度不达标。采暖系统采用传统的大循环式供暖安装，无法做到分时、分温、分区精确控制。供暖末梢的管路气阻现象明显，导致部分楼层或者房间不热，供热系统水力不平衡、偏流严重、供热效率低、供暖系统分区不合理、热效率低。学校供热站采暖热水系统是直供系统，每天漏水严重，通过楼宇底部加设电动调节两通阀，控制系统流量达到节能目的，可是通过两通阀调整流量使得末端温控系统与换热站水泵变频流量不匹配造成管网系统流量过大或者过小，管道设备堵塞或者循环不畅，爆管严重，室外管网承受变化压力寿命缩短，严重影响热水循环效率，造成冷热水不均衡。

高校校园的供暖存在供暖区域、时间或热量的需求不同，例如办公楼、教学楼、宿舍楼、实训楼等区域，这些区域的供暖时间段、供暖温度都有差异，传统的供暖方式一般由统一干管输送或通过支路分开，该方式会出现冷热不均、热能损耗过大的问题。

1.2 学校供暖改造的技术方案

采用分区、分时、分温供暖的智能控制技术可以有效解决以上问题。根据区域内的实际情况和特殊要求或根据建筑物的用热需求，合理支配用热和供热。针对供暖时间段、温度要求不同、夜间或节假日期间无人的区域建筑或独栋建筑，实施分时段和分温度控制，既保证供暖效果，又合理降低能源损耗，以达到节能减排节省成本的目的。本方案采用的供暖智能控制技术可以实现气候补偿控制、楼宇现场控制、热源综合控制，适用于分区、分时、分温供暖的校内建筑，实现分时供暖与防冻切换控制，在供暖时段，出水温度传感器、供水温度传感器、室内温度传感器实时采集教学楼、实训楼、宿舍等建筑物的入口水温、回水温度及室内温度，控制中心根据室外温度及供暖需求，智能驱动与供暖区域相关联的电动阀，通过检测——反馈——调节闭环控制系统，保证所需供暖区域室内温度达到设定温度并保持相对稳定。在夜间，对于需要采取防冻措施的校内建筑物，只需采集回水温度，控制中心依据设定程序控制电磁阀开度，使管道水流正常，防止管道冻结。变频控制技术的使用，使控制变得更加智能和精确。采用上位机对数据采集模块采集的各项数据进行分析计算，按预设程序对校内建筑按需供暖，从而实现节能目标。所有供热、采暖系统均采用电控设备，安装对应传感器采集关键数据，可以实时采集运行状态数据，方便进行在线智能化控制、监测和管理。上位机可以存储记录各运行参数，通过经验总结和数据分析，修改调整最佳的状态参考数据。设备维护管理根据设备使用周期进行智能提醒，从而改善设备附件的工作条件，在提高锅炉机组的管理水平、增强系统的安全性和可靠性的同时使生产过程实现信息化管理，使供热、采暖系统的运行、管理水平走向现代化，节能率能达到25%。

采用水力分压器的模块系统进行改造，系统分为一、二次水系统。锅炉炉前泵循环为一次水系统，外网末端循环为二次水系统，一、二次系统用均压罐进行耦合，以提高锅炉的回水温度，避免冷凝水的形成，同时可以防止杂物进入锅炉内部，确保锅炉安全高效的运行。而且可以从均压罐二次侧分出多路供水管路，并通过数字电动三通阀控制水温以满足不同供水温度的供应，来适应不同性质的建筑采暖，即实现分区、分温、分时供暖，如图1 所示。

图1 水力分压器的模块系统工作原理Fig.1 The working principle of the modular system of the hydraulic pressure divider

1.3 系统优势

热源设备均采用变频输出设备，系统供热分区、分温、分时技术系统，防止系统偏流，保证锅炉安全和供暖节能效果，节能率在25%以上；锅炉房配置智能控制室，采用网络远程监控系统实时监控各种主设备的运行，确保系统智能化高效运行，降低锅炉房的运行费用，在安全、供热效果、节能、环保、设备静音效果等颇具优势；锅炉房智能管理控制室，对供暖所有系统能耗状态、故障报警、人员管理、对比分析区域能耗、集中监控锅炉房设备运行状态等进行集中管理和操作。

1.4 结构组成

智能化供暖系统控制中心主要由中央监控中心和现场控制中心及数据通讯系统组成。现场控制中心主要有现场电气设备、变频器、各种传感器、电动调节阀、组成，均采用电动控制设备和采集设备，为实现系统的自动化和智能化控制奠定了基础。供暖节能系统组成如图2 所示。

图2 供暖节能系统组成Fig.2 Composition of heating energy-saving system

电气设备部分组成，各部分协调工作，实现系统的自动化和智能化控制设计系统时从安全性、先进性、可靠性、高扩展性的角度考虑。中心机房的监控管理运用通用型工控软件和编程技术，运行在基于以太网结构和TCP/IP 协议的网络环境，可以选用力控组态软件，功能比较强大，运行环境适应广泛且带加密锁。智能化供暖控制系统组成如图3 所示。

图3 智能化供暖控制系统组成Fig.3 The composition of intelligent heating control system

1.5 智能控制系统工作原理

智能控制系统的数据采集模块实时采集温度、压力、流量等传感器数据，通过通信模块发送至上位机，上位机根据预设程序，发送控制指令至暖气节能控制器，节能控制器控制电动阀的开度，调节进出水流量。如果室内温度低于预设温度，控制器自动加大调节阀的开度使进水流量增大，室内温度升高；反之室内温度高于预设温度，控制器自动减少开度，使进水量减少，室内温度降低。进而保证室内温度处于人体温度舒适区间。同时压力传感器实时上报管道压强，系统通过均衡控制，自动调节管道压强，避免爆管事故。利用以太网把控制器信息传输至控制中心主机上，控制中心将显示整个系统的数据情况，记录并提示相关信息。如局部压力过高、温度异常等将发出警报，值班维护人员根据报警信息赶赴现场处理故障。

从锅炉及制冷机组系统设计我们看到，除了选用性能及效率高的燃气锅炉，方便调控的均压罐和数字电动两通阀外，最重要的是让这些设备合理精确运转的智能控制系统。供热系统及重要运行参数的历史记录、存储、生产报表打印以及各运行负荷的统一调配具供暖节能系统除了选用性能及效率高的燃气锅炉、方便调控的均压罐和数字电动两通阀之外，核心是具有让这些设备合理且精确运行的智能控制系统，结合燃气热水锅炉的运行特点和校园内分时段区域供暖的特性，通过上位监控管理计算机完成对所有锅炉、水泵、阀门及设备等的数据采集、处理与通讯，并完成所有供热系统及重要运行参数的历史记录、存储、生产报表打印和各运行负荷的统一调配。

1.6 主要实现的功能

（1）参数检测，了解工况。温度、压力、流量等传感器通过远程网络将数据实时传递至数据采集模块，采集模块将处理后的数据传至控制中心，运行人员就可以全面了解供热运行情况，为温度、流量调节控制提供基础数据。

（2）均匀调节流量，消除冷热不均，合理匹配工况，保证按需供热。根据数据采集模块采集传感器检测的供水流量、进水温度、回水温度、室内温度以及室外温度，监控系统控制电动阀自动调节阀开度，做到区域分配均匀，消除各建筑物同时供暖冷热不均现象。通过控制程序匹配参数，达到对供暖网络和锅炉热度的自动控制。

（3）实时诊断故障，保障运行安全。智能化供暖系统控制中心管理系统与锅炉房控制系统通信，当发生故障时，检测系统将在中央监控中心屏幕显示故障信息，提示故障类型和故障范围。现场会以声光形式（故障点亮起红灯，蜂鸣器发出提示声响）提示报警，同时，维修检测人员在移动终端收到故障提示信息，检测维修人员赶赴现场进行故障确认，对发生故障的设备进行恢复和处理。同时报警信息形成报警日志进行存储，技术人员可进行故障信息检索，后期便于事故分析。

1.7 技术性能特点

替代了人工操作，减少了人工成本，更好的管理供暖管网系统，实现了能源利用的智能化。能够设置人工控制、自动运行两种模式，且具有显示、监测、修正功能，能根据设定要求实现自动化运行及参数的调整及修正。能够合理节约能源，减少寒暑假、节假日、夜间无人值守时校内建筑物的供热能源消耗。控制方式灵活，既可实现就地控制又可实现远程控制。具备故障报警及故障分析功能。

2 节能改造的价值与意义

2.1 项目意义

通过对某高校供暖系统的节能改造，大幅度降低学校在此类项目上的管理、维修、维护等压力，以便更好高效地完成服务工作。通过节能改造，不仅可以将原来用于能源费用、人工、维护管理支出等的费用用于更重要的项目上，而且可以提升学校的办学条件，还可以提升师生的学习、工作环境和生活质量。

2.2 项目价值

2.2.1 项目的经济价值

节能改造之后为学校每年节能耗费用数十至数百万元，同时通过智能监测及控制可以免除学校在供暖系统等方面的相关人员工资、项目管理维护费等多项支出，每年可以节省资金达数百万元。

2.2.2 项目的社会价值

通过合理的使用机制和智能管理措施，提高了能源的利用率；同时节能改造也可以改善学校以及周边的环境，体现学校在低碳经济时代的社会责任；另外可以为学生创造勤俭节约、公平公正的校园氛围，以培养学生良好的个人素质，也为其他院校提供了宝贵的项目改造经验。

3 总结

本文以某高校能源供应系统现状为着力点，指出了社会主义生态文明视域下的节能环保型校园的建设方案，方案遵循可持续发展、绿色生态、统筹兼顾的原则，将生态文明、绿色环保、节能降耗融入校园生活，以创造优美的校园环境，同时倡导细致化、智能化管理模式，努力优化绿色环保低耗的校园文化氛围，建设智慧型绿色、低碳校园。

引用

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