CN112856571B - 一种电采暖与热水供热互补的联合供热系统及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电采暖与热水供热互补的联合供热系统及调控方法，该联合供热系统包括：集中控制分户电供暖设备系统、低温热水集中供热设备系统、室温设定及测量系统、联合供热协同控制系统，所述联合供热协同控制系统用于结合天气条件、室温设定条件，优化设定热水集中供热的供水水温，由低温热水集中供热设备系统将集中供热系统的供暖标准温度由原来的≥t₀下调至≥t'₀，以热水集中供热提供保障性基础供热服务，再由集中控制分户电供暖设备系统对各用户的电加热器进行集中控制，进而对热用户进行按需补充加热。本发明不仅灵活性强，而且能够大幅减少城镇集中供热系统的能源消耗，达到节能环保、减少供暖整体碳排放的目的。

Description

一种电采暖与热水供热互补的联合供热系统及调控方法

技术领域

本发明属于城镇居民清洁低碳供暖领域，涉及一种电采暖与热水供热互补的联合供热系统及调控方法。

背景技术

供热系统是北方城市的重要基础设施，是城市能源系统的重要子系统。目前，我国城市集中供热系统热源主要为热电厂、燃气尖峰锅炉等，生产过程中会产生SO₂、NO_X、烟尘等大气污染物。近年来，我国北方地区严重的冬季雾霾问题备受社会舆论关注，供暖与雾霾的相关性备受争议。为提高供热生产的清洁性，我国北方有条件的城市正在积极探索电取暖、工业余热供暖、生物质能、风能、太阳能、地热等清洁供暖方式。但是现阶段清洁能源供热仍处于起步阶段，城市供热仍然主要依靠于把燃煤热电厂、燃气尖峰锅炉作为主要热源的集中供热系统。同时，随着集中供热系统规模的不断扩大，热网的水力平衡调节越来越困难，供需不匹配、近热远冷、过量供热的现象普遍存在，据统计，我国北方地区部分城市的时间分布上过量供热损失，普遍在10％～20％之间，这不仅增加了供暖能耗，也影响了供暖品质。基于此，本发明提出了一种电采暖与热水供热互补的联合供热系统及调控方法，采用集中调控的方法，由集中供热热水带保障性基础负荷，电采暖承担尖峰负荷、个性化需求负荷。通过两种供热方式的互补可以满足用户供暖需求，一方面集中供热水温的降低可以减少燃料消耗，达到节能环保的目的，另一方面由于电供暖可以在供暖需求发生变化时及时做出快速和灵活的响应，可以大幅度降低对热网水力平衡的调控要求，尤其是远端用户。

发明内容

为了解决集中供热系统水力平衡调节困难、供需不匹配、近热远冷、过量供热等问题，进一步提高供暖品质，本发明提供了一种电采暖与热水供热互补的联合供热系统及调控方法，在解决这些问题的同时，集中供热水温的降低还可以减少燃料消耗，达到节能环保的目的。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种电采暖与热水供热互补的联合供热系统及调控方法，包括：联合供热协同控制系统、集中控制分户电供暖设备系统、低温热水集中供热设备系统、室温设定及测量系统。

其中，所述集中控制分户电供暖设备系统包括安装于各楼宇中各热用户室内的智能电供暖装置；

所述低温热水集中供热设备系统包括热力公司原有集中式供热系统及安装于用户集中供热管道进出口的水温传感器，用于监测集中供暖进出口水温；

所述室温设定及测量系统包括安装于各用户室内用于实时监测室温的温度传感器以及安装于各用户移动端的室温设定APP，所述APP用于接受用户设定室温需求并反馈当前室温；

所述的室温设定及测量系统、集中控制分户电供暖设备系统、低温热水集中供热设备系统、联合供热协同控制系统通过网络相连实现温度、运行数据信息的传递；所述的联合供热协同控制系统用于结合天气条件、室温设定条件、当前室温、智能电供暖装置及水温传感器的数据信息，对低温热水集中供热设备系统的供水水温进行实时控制，并对各用户的智能电供暖装置的补充加热行为进行集中控制。

进一步的，所述联合供热协同控制系统包括数据接收统计模块、数据存储模块、数据分析决策模块和执行命令模块，所述数据接收统计模块用于接收低温热水集中供热设备系统的运行信息、集中控制分户电供暖设备系统的运行信息、室温设定及测量系统上传的用户室温设定需求信息及实时室温，并将数据统计处理后传输至数据分析决策模块和数据存储模块，所述数据分析决策模块对接收的数据进行分析并根据分户电采暖与热水集中供热互补的协同调控方法获得低温热水的供水温度策略和分户电供暖的控制策略，并将相应策略传输至执行命令模块，所述执行命令模块连接集中控制分户电供暖设备系统、低温热水集中供热设备系统，实时执行低温热水的供水温度策略和分户电供暖的控制策略；所述供热互补协同调控方法是将集中供热系统的供暖标准温度由原来的≥t₀适当下调至≥t'₀，以低温热水集中供热设备系统提供保障性基础供热服务，同时再由集中控制分户电供暖设备系统对热用户进行按需补充加热。

进一步的，所述集中控制分户电供暖设备系统还包括命令接受模块、信息存储模块、命令执行模块、高温示警模块、信息传递模块，所述命令接受模块与联合供热协同控制系统的执行命令模块相连，用于接收分户电供暖控制策略，并传输至命令执行模块，所述命令执行模块按分户电供暖控制策略实时调整智能电供暖装置的运行功率，所述高温示警模块连接智能电供暖装置，可在智能电供暖装置运行温度超过安全运行温度T_max时发出警告信息，并紧急关掉智能电供暖装置，所述信息存储模块与智能电供暖装置和信息传递模块均相连，所述信息传递模块连接联合供热协同控制系统用于实时上传集中控制分户电供暖设备系统的运行信息，所述智能电供暖装置包括微型智能控制中心、电取暖器和电表，微型智能控制中心接收命令执行模块的指令并控制电取暖器，所述电表用于单独计量智能电供暖装置所用电量。

又一方面，本发明还提供了一种电采暖与热水集中供热互补的调控方法，包括以下步骤：

步骤S1，获取天气数据、室温数据、用户需求室温设定数据、低温热水集中供热设备系统运行数据及集中控制分户电供暖设备系统运行数据；

步骤S2，获取电力系统当前时段各区域用电负荷数据，确定各区域电网线路容量，再结合集中控制分户电供暖设备运行数据，进而得出集中控制分户电采暖系统供暖能力；

步骤S3，结合天气条件、室温设定条件，考虑热水热能成本与电价，以经济成本最低为目标函数，在不超过集中控制分户电采暖系统供暖能力的情况下，优化设定低温热水集中供热系统的供水水温，并对各用户的电加热器的补充加热行为进行集中控制；

步骤S4，当天气条件或室外温度发生变化时，所需电供暖负荷已超出集中控制分户电采暖系统供暖能力，返回步骤S1，联合供热协同控制系统重新制定控制策略。

进一步的，所述联合供热协同控制系统的控制策略满足能量平衡方程：

Q_i＝Q_e,i+Q_h,i，i＝[1,2,...,m]

式中，Q_i为供暖设计热负荷；Q_e,i为分户电供暖设计负荷；Q_h,i为低温热水集中供热设计负荷。其中，i表示第i个热用户，m为热用户总数。

低温热水集中供热设备系统开始运作，将集中供热系统的供暖标准温度由原来的≥t₀降低为≥t'₀，此时分户电供暖尚未启动，Q_e,i＝0，按照体积热指标法计算，则：

Q_i＝Q_h,i＝q_v,iV_i(t'₀-t_w)

式中，Q_h,i为供暖标准温度为t'₀时的低温热水集中供热设计热负荷；q_v,i为建筑物的供暖体积热指标，q_v,i与建筑物围护结构的构成及形体、用途及内部得热大小等因素有关，可通过统计归纳得到；V_i为建筑物的外围体积；t'₀为供暖室内标准设计温度；t_w为供暖室外计算温度。

由于低温热水集中供热设备系统内部存在明显的水力损失和热力损失，经常出现供需波动或供热不足的问题，导致部分热用户实际获得的低温热水集中供热负荷Q'_h,i＜Q_h,i，为保证用户供暖设计热负荷不变，此时分户电供暖设备启动，并逐渐增大热负荷，直至在室外计算温度t_w下，用户室内供暖标准温度达到t'₀，此时热用户所需供暖热负荷满足：

Q_i＝Q_e,i+Q'_h,i＝q_v,iV_i(t'₀-t_w)

Q_e,i＝Q_h,i-Q'_h,i

随着时间的变化，室外温度也在不断变化，在临界室外温度t_w，低温热水集中供热负荷达到其设计热负荷Q_h,i，分户电供暖也达到其设计热负荷Q_e,i；当室外温度低于温度t_w时，电供暖装置运行功率改变，并逐渐增大热负荷，直至在室外计算温度t'_w(t'_w＜t_w)下，分户电采暖负荷达到负荷Q'_e,i，低温热水集中供热负荷Q_h短期内不会发生变化，此时热用户需求热负荷满足：

Q'_i＝Q'_e,i+Q_h,i＝q_v,iV_i(t'₀-t'_w)

进一步的，为满足部分热用户个性化的供暖需求，当个别用户所需室内温度t'_0,i不同于其原有室内标准计算温度t'₀时，电供暖装置的运行功率发生变化，直至达到用户所需室内温度，此时该热用户需求热负荷满足(该用户低温热水集中供热负荷Q_hi不变)：

Q'_i＝Q'_e,i+Q_h,i＝q_v,iV_i(t'_0,i-t_w)

本发明的有益效果是：

本发明采用电采暖与热水供热互补的集中调控的方法，由集中供热带保障性基础负荷，电采暖承担尖峰负荷、个性化需求负荷，不仅可以满足居民供暖需求，集中供热水温的降低还可以减少燃料消耗，达到节能环保的目的，另一方面电供暖可以在供暖需求发生变化时及时做出响应，进而大幅度降低对热网水力平衡的调控要求，解决了集中供热系统供需不匹配、近热远冷、过量供热等问题。

附图说明

图1本发明提出的一种电采暖与热水供热互补的联合供热系统的结构示意图；

图2是单个小区联合供热系统结构展开示意图；

图3是联合供热协同控制系统的结构示意图；

图4是集中控制分户电供暖设备系统的结构示意图；

图5是本发明提出的一种电采暖与热水供热互补的调控方法的主要步骤；

图6是电供暖负荷与集中供热负荷随时间变化示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

本实施例实施过程如图1和图2所示，包括：联合供热协同控制系统、集中控制分户电供暖设备系统、低温热水集中供热设备系统、室温设定及测量系统。所述联合供热协同控制系统、集中控制分户电供暖设备系统、低温热水集中供热设备系统、室温设定及测量系统通过Internet互联网、无线通讯网络等信息网络连接在一起，从而实现信息传递。

所述集中控制分户电供暖设备系统包括多个安装于各楼宇各热用户室内智能电供暖装置。所述智能电供暖装置由热力公司统一提供并由多智能电供暖器控制中心统一调度，用户可以选择是否安装，对于安装位置，除个别特殊要求外，智能电供暖装置均安装于居民卧室中。

所述低温热水集中供热设备系统下辖热力公司原有集中式供热系统及安装于用户集中供热管道进出口的水温传感器，用于监测集中供暖进出口水温，所述室温设定及测量系统下辖多个安装于用户室内的温度传感器，用于实时监测室温。

所述室温设定及测量子系统还连接有安装于用户移动端的室温设定APP，用于接受并上传用户设定室温需求并反馈当前室温。

所述联合供热协同控制系统用于结合天气条件、室温设定条件及接收的各种运行数据，优化设定低温热水集中供热系统的供水水温，并对各用户的电加热器的补充加热行为进行集中控制。

参考图3所示，所述联合供热协同控制系统包括数据接收统计模块、数据存储模块、数据分析决策模块和执行命令模块，所述数据接收统计模块用于接收低温热水集中供热设备系统运行信息、集中控制分户电供暖设备系统运行信息、室温设定及测量系统上传的用户室温设定信息及实时室温，并将数据统计处理后传输至数据分析决策模块和数据存储模块，所述数据分析决策模块对接收的数据进行分析并根据分户电采暖与热水集中供热互补的协同调控方法获得低温热水的供水温度策略和分户电供暖的控制策略，并将相应策略传输至执行命令模块，所述执行命令模块连接集中控制分户电供暖设备系统、低温热水集中供热设备系统，实时执行低温热水的供水温度策略和分户电供暖的控制策略；所述供热互补协同调控方法是将集中供热系统的供暖标准温度由原来的≥t₀进行适当下调至≥t'₀，以低温热水集中供热设备系统提供保障性基础供热服务，再根据用户的供热需求由集中控制分户电供暖设备系统对热用户进行补充加热。

集中控制分户电供暖设备系统的组成可以如图4所示，还包括命令接受模块、信息存储模块、命令执行模块、高温示警模块、信息传递模块，所述命令接受模块与联合供热协同控制系统的执行命令模块相连，用于接收分户电供暖控制策略，并传输至命令执行模块，所述命令执行模块按分户电供暖控制策略实时调整智能电供暖装置的运行功率，所述高温示警模块连接智能电供暖装置，可在智能电供暖装置运行温度超过安全运行温度T_max时发出警告信息，并紧急关掉智能电供暖装置，所述信息存储模块与智能电供暖装置和信息传递模块均相连用于存储所需的数据，所述信息传递模块连接联合供热协同控制系统用于实时上传集中控制分户电供暖设备系统的运行信息，所述智能电供暖装置包括微型智能控制中心、电取暖器(在本实施例中可采用电热油汀取暖器)和电表，微型智能控制中心接收命令执行模块的指令并控制电取暖器，所述电表用于单独计量智能电供暖装置所用电量。

系统安装组合完成后开始正式运行，运行方法如图6所示，在本实施例中，联合供热协同控制系统综合考虑居民意愿、室外温度、当地政策等多种因素后，初步制定低温热水的供水温度策略为将集中供热系统的供暖标准温度由原来的18℃降低为15℃，并适当降低了供暖价格。对于由集中控制分户电供暖设备系统集中控制的调度智能电供暖装置，给出分户电加热策略为：对供需波动或部分用户供热量不足的情况，集中控制分户电供暖设备系统下辖的智能电供暖装置对热用户进行按需补充加热，以上情况可以均不收取电费。在系统运行过程中，用户也可以通过室温设定及测量子系统或安装于移动端的APP自行设定室温目标值，满足个性化的高端用热需求，这种情况可以按照时电价收取电费。如图6所示，用户一、用户二及用户三在0点左右均选择调高供暖室温，导致电供暖负荷出现骤升现象；用户一和用户二在6点左右选择关闭电供暖装置，导致电供暖负荷出现骤降现象。

本发明提供的一种电采暖与热水供热互补的联合供热系统在运行过程中取得了很好的效果。其中电供暖装置的灵活性，有效解决了集中供热系统因水力平衡调节困难造成的供需不匹配、近热远冷、过量供热等问题。与此同时，在保障基础供热服务的同时降低了供暖价格，这样一方面缓解了部分经济困难热用户的经济压力，另一方面供暖标准温度的降低可以大幅减少集中供热的燃料消耗，达到节能环保、减少供暖整体碳排放的目的。

Claims (4)

1.一种电采暖与热水供热互补的联合供热系统，其特征在于，包括：集中控制分户电供暖设备系统、低温热水集中供热设备系统、室温设定及测量系统、联合供热协同控制系统；

所述集中控制分户电供暖设备系统包括安装于各楼宇中各热用户室内的智能电供暖装置；

所述低温热水集中供热设备系统包括热力公司原有集中式供热系统及安装于用户集中供热管道进出口的水温传感器，用于监测集中供暖进出口水温；

所述室温设定及测量系统包括安装于各用户室内用于实时监测室温的温度传感器以及安装于各用户移动端的室温设定APP，所述APP用于接受用户设定室温需求并反馈当前室温；

所述的室温设定及测量系统、集中控制分户电供暖设备系统、低温热水集中供热设备系统、联合供热协同控制系统通过网络相连实现温度、运行数据信息的传递；所述的联合供热协同控制系统用于结合天气条件、室温设定条件、当前室温、智能电供暖装置及水温传感器的数据信息，对低温热水集中供热设备系统的供水水温进行实时控制，并对各用户的智能电供暖装置的补充加热行为进行集中控制；所述联合供热协同控制系统包括数据接收统计模块、数据存储模块、数据分析决策模块和执行命令模块，所述数据接收统计模块用于接收低温热水集中供热设备系统的运行信息、集中控制分户电供暖设备系统的运行信息、室温设定及测量系统上传的用户室温设定需求信息及实时室温，并将数据统计处理后传输至数据分析决策模块和数据存储模块，所述数据分析决策模块对接收的数据进行分析并根据分户电采暖与热水集中供热互补的协同调控方法获得低温热水的供水温度策略和分户电供暖的控制策略，并将相应策略传输至执行命令模块，所述执行命令模块连接集中控制分户电供暖设备系统、低温热水集中供热设备系统，实时执行低温热水的供水温度策略和分户电供暖的控制策略；所述供热互补协同调控方法是将集中供热系统的供暖标准温度由原来的≥t₀进行下调至≥t'₀，以低温热水集中供热设备系统提供保障性基础供热服务，再由集中控制分户电供暖设备系统对热用户进行补充加热以满足用户供热需求；

所述的数据分析决策模块对接收的数据进行分析并根据电采暖与热水供热互补的调控方法获得低温热水的供水温度策略和分户电供暖的控制策略，其中调控方法具体包括：

步骤S1，获取天气数据、室温数据、用户需求室温设定数据、低温热水集中供热设备系统运行数据及集中控制分户电供暖设备系统运行数据；

步骤S2，获取电力系统当前时段各区域用电负荷数据，确定各区域电网线路容量，再结合集中控制分户电供暖设备运行数据，进而得出集中控制分户电采暖系统供暖能力；

步骤S3，结合天气条件、室温设定条件，考虑热水热能成本与电价，以经济成本最低为目标函数，在不超过集中控制分户电采暖系统供暖能力的情况下，优化设定低温热水集中供热系统的供水水温，并对各用户的电加热器的补充加热行为进行集中控制；

步骤S4，当天气条件或室外温度发生变化时，所需电供暖负荷已超出集中控制分户电采暖系统供暖能力，返回步骤S1，联合供热协同控制系统重新制定控制策略。

2.根据权利要求1所述的一种电采暖与热水供热互补的联合供热系统，其特征在于，所述集中控制分户电供暖设备系统还包括命令接受模块、信息存储模块、命令执行模块、高温示警模块、信息传递模块，所述命令接受模块与联合供热协同控制系统的执行命令模块相连，用于接收分户电供暖控制策略，并传输至命令执行模块，所述命令执行模块按分户电供暖控制策略实时调整智能电供暖装置的运行功率，所述高温示警模块连接智能电供暖装置，在智能电供暖装置运行温度超过安全运行温度T_max时发出警告信息，并紧急关掉智能电供暖装置，所述信息存储模块与智能电供暖装置和信息传递模块均相连，所述信息传递模块连接联合供热协同控制系统用于实时上传集中控制分户电供暖设备系统的运行信息，所述智能电供暖装置包括微型智能控制中心、电取暖器和电表，微型智能控制中心接收命令执行模块的指令并控制电取暖器，所述电表用于单独计量智能电供暖装置所用电量。

3.根据权利要求1所述的一种电采暖与热水供热互补的联合供热系统，其特征在于，所述联合供热系统的控制策略满足能量平衡方程：

Q_i＝Q_e,i+Q_h,i，i＝[1,2,...,m]

式中，Q_i为供暖设计热负荷；Q_e,i为分户电供暖设计负荷；Q_h,i为低温热水集中供热设计负荷，其中，i表示第i个热用户，m为热用户总数；

低温热水集中供热设备系统开始运作，将集中供热系统的供暖标准温度由原来的≥t₀降低为≥t'₀，此时分户电供暖尚未启动，Q_e,i＝0，按照体积热指标法计算，则：

Q_i＝Q_h,i＝q_v,iV_i(t'₀-t_w)

式中，Q_h,i为供暖标准温度为t'₀时的低温热水集中供热设计热负荷；q_v,i为建筑物的供暖体积热指标；V_i为建筑物的外围体积；t'₀为供暖室内标准设计温度；t_w为供暖室外计算温度；

由于低温热水集中供热设备系统内部存在的水力损失和热力损失，导致部分热用户实际获得的低温热水集中供热负荷Q'_h,i＜Q_h,i，为保证用户供暖设计热负荷不变，此时分户电供暖设备启动，并逐渐增大热负荷，直至在供暖室外计算温度t_w下，用户室内供暖标准温度达到t'₀，此时热用户所需供暖热负荷满足：

Q_i＝Q_e,i+Q'_h,i＝q_v,iV_i(t'₀-t_w)

Q_e,i＝Q_h,i-Q'_h,i

以供暖室外计算温度t_w为临界室外温度，当室外温度为t_w时，低温热水集中供热负荷达到其设计热负荷Q_h,i，分户电供暖也达到其设计热负荷Q_e,i；当室外温度低于t_w时，电供暖装置运行功率改变，并逐渐增大热负荷，直至在室外计算温度t'_w下，其中t'_w＜t_w，分户电采暖负荷达到负荷Q'_e,i，低温热水集中供热负荷Q_h短期内不发生变化，此时热用户需求热负荷满足：

Q'_i＝Q'_e,i+Q_h,i＝q_v,iV_i(t'₀-t'_w)。

4.根据权利要求3所述的一种电采暖与热水供热互补的联合供热系统，其特征在于，当室外温度低于t_w时，为满足部分热用户个性化的供暖需求，当个别用户所需室内温度t'_0,i不同于其原有室内标准计算温度t'₀时，电供暖装置的运行功率发生变化，直至达到用户所需室内温度，该用户低温热水集中供热负荷Q_hi不变，此时该热用户需求热负荷满足：

Q'_i＝Q'_e,i+Q_h,i＝q_v,iV_i(t'_0,i-t_w)。

Images