CN113091114A - 一种带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组及其调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组及其调控方法。步骤S1对现有楼宇换热机组进行改造，在二次侧增加熔盐换热器和电加热箱。步骤S2针对步骤S1改造后的换热机组建立换热机组供热系统运行模块；步骤S3建立熔盐供热模块；步骤S4建立电加热箱供热模块；步骤S5对步骤S2所建立的供热系统运行分析模型建立换热机组供热系统运行分析模块。根据二次供回水平均温判定运行情况；选择进入熔盐供热模块，再根据熔盐供热模块热量供应情况选择进入电加热箱供热模块；直至二次供回平均温满足要求，按照步骤S2运行。本专利基于多能互补协同策略，借助工业互联网，云端调控，利用熔盐供热模块实现楼栋的精准快速补热；实现了末端精准供热和按需供热。

Description

一种带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组及其调控方法

技术领域

本发明涉及供热系统，具体涉及一种带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组及其调控方法。

背景技术

楼宇换热模式可以将一栋楼或热特性相同的楼宇作为供热单元，将一次网管道引致楼前，并接入楼宇换热机组(站)，既能减小了供热半径，降低了二次网滞后性，实现了楼间调节与楼内调节的解耦，调控更加灵活和精准，又降低了供热管网敷设成本。但是由于将一次网管道引到楼前，会加大一次网的范围，而且由于热源分布不均或者水力调控不足，一些处于远端的一次供热管网无法给楼宇提供充足的热能，如果通过一次网调节来解决这个问题，需要提升整个供热系统的负荷，一方面造成热能的浪费，另一方面一次网调节滞后性大，难以及时精准解决这些用户供热不足的问题。

在现有技术中，有在二次网使用辅助热源以应对极端天气条件；例如“楼宇换热机组供热系统(CN206831644U)”，在该方案中辅助热源所产生的热能经常会超出楼宇换热需要的热能，在长期使用的过程中，容易造成电能浪费；第二是，其方案仅能在极端天气下作为调峰使用，无法在热源故障，降负荷运行时使用；第三是，其技术中辅助热源使用水为储热媒介热密度大，蓄水罐安装占地面积大。

发明内容

本发明的目的是提供一种带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组及其调控方法，可以解决上述技术问题中的一个或是多个。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：

一种带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组，包括二次网、熔盐换热器、熔盐蓄能罐、熔盐电加热器、电加热箱；

所述熔盐换热器用于与二次网供水管换热；所述熔盐换热器与所述熔盐蓄能罐连接；所述熔盐电加热器给所述熔盐蓄能罐加热；

所述电加热箱在熔盐换热器下游，用于对二次网供水管加热。

进一步的：所述熔盐电加热器使用谷电或是不规律能源电。

进一步的：还包括数据采集系统，所述数据采集系统包括温度传感器、压力传感器、流量传感器。

一种带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组的调控方法，包括如下步骤：

步骤S1：对现有楼宇换热机组进行改造，在所述楼宇换热机组的二次侧供水管上串联安装熔盐换热器和电加热箱；所述熔盐换热器与熔盐蓄能罐、熔盐电加热器连接；

步骤S2针对步骤S1改造后的换热机组建立换热机组供热系统运行模块

步骤S21建立室外气象数据与楼宇换热机组目标二次侧供回水平均温的关系；

步骤S22利用单元楼室温数据，对室外气象数据与楼宇换热机组目标二次供回平均温关系进行修正；

步骤S3:建立熔盐供热模块

根据热熔盐流量、温度温差和前后热水温差、热水流量的关系建立熔盐供热模块：

步骤S4:建立电加热箱供热模块

根据用电量、电加热箱的前后热水温差、热水流量的关系建立电加热箱供热模块：

步骤S5：对步骤S2所建立的供热系统运行分析模型建立换热机组供热系统运行分析模块S51设定二次供回水平均温目标值，获取楼宇换热机组二次供回水平均温，对二次供回水平均温是否达标进行判断，若达标则返回步骤S2继续运行；若不达标进入熔盐供热模块；

S6开启熔盐供热模块，同时根据目标二次供回平均温与当前二次供温、二次回温、二次流量和熔盐热交换器前后熔盐温度，预判熔盐供热模块是否可以提供足够的热量，若满足，则保持当前状态运行直至二次供回平均温满足要求，按照步骤S2运行；若不满足，则进入电加热箱供热模块；

S7开启电加热箱供热模块，根据目标二次供回平均温与当前二次供温、二次回温、二次流量和熔盐换热器出口供水温度以及一次侧热网运行参数；启动电加热箱对二次供水直接进行加热，直至二次供回平均温满足要求，按照步骤S2运行。

步骤S21的具体过程如下：经过机器学习建立室外气象数据和目标二次侧供回水平均温度的关系模型；

历史气象数据记为U(包括室外温度T_f、湿度W_f、风速V_f，光照L_f，天气情况(雨雪等)R_f等参数)；则U_f＝[T_f,W_f,V_f,L_f,R_f]^T，T₂＝f(U_f)；

式中：T₂是二次侧供回水平均温，℃。

进一步的，步骤S22中的修正过程如下：设定单元楼室温标准T_n,stc，以当前室外气象数据所对应的楼宇换热机组二次供回平均温T₂运行后，判断单元楼室温T_n是否达标，若T_n＜T_n,stc，增加该室外气象数据下的二次供回平均温T₂，若T_n＞(1+10％)T_n,stc，则降低该室外气象数据下的二次供回平均温T₂；同时，结合一次侧热网运行数据和实时室外气象数据对二次供回平均温进行滚动修正。

进一步的，步骤S3中熔盐供热模块的关系模型为：

式中:

-熔盐的流量，kg/s；T_r,1-换热器出口处熔盐温度，℃；T_r,2-换热器出口处熔盐温度，℃；c_r-熔盐的比热，J/(kg·℃)；α_r-熔盐换热器热交换系数；

-二次侧供水的流量，kg/s；T_s,1-换热器出口二次供水温度，℃；T_s,2-换热器入口二次供水温度，℃；c_s-水的比热，J/(kg·℃)。

进一步的，步骤S4的关系模型为：

式中:P-电加热器的功率，J/s；α_d-电加热器热交换系数；

-二次侧供水的流量，kg/s；T_s,1-换热器出口二次供水温度，℃；T_s,2-换热器入口二次供水温度，℃；c_s-水的比热，J/(kg·℃)。

本发明的技术效果是：

1.在本发明中用楼宇换热机组替换传统换热站，让每一单元楼都对应一组楼宇换热机组，实现了楼间调节与楼内调节解耦，不同单元的楼内调节不再相互影响，实现了供热半径减小，调控更加灵活，故障率更低，也降低了二网温度滞后性，减小了循环泵扬程，实现了节电。

2.用小型楼宇换热机组替换传统大型换热站，减小了一网管径和占地，节省了建设投资。用高热容量的熔融盐代替水作为储热媒介，减小储热设备安装体积，方便安装和后期维护。

3.通过带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组，将谷电或是不稳定的清洁能源(光伏发电，风能发电，地热等)变成热能储存在中间介质熔盐中，通过智能热交换机组以更加低成本低碳的方式实现了末端精准供热和按需供热。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是图1中的控制示意图；

图3是本发明的调节流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的不当限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明中，使用“削峰填谷”的用电模式；将熔盐相变作为中间蓄热介质，通过把夜间谷段廉价的电能或者其他不规律不稳定的能源(光伏发电、风力发电和地热等)储存在熔盐中，熔盐工作温度高、恒温、热容大和传热均匀稳定的特性，为系统提供高温热媒；利用熔盐蓄能供热系统中的热量通过智能控制系统对供热参数不达标的楼宇换热机组进行按需补充加热，可以显著降低对水力平衡的依赖，通过多能互补实现热能的精准投送。

具体的技术方案如下：

一种带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组，包括二次网、熔盐换热器、熔盐蓄能罐、熔盐电加热器、电加热箱。还包括热水表、动态平衡电动调节阀、室外温度传感器、循环水泵；电加热箱(可调节功率)、球阀等。

所述熔盐换热器用于与二次网供水管换热；所述熔盐换热器与所述熔盐蓄能罐连接。所述熔盐换热器供热管道内流通熔盐，与熔盐蓄能罐连通。所述熔盐电加热器给所述熔盐蓄能罐加热。所述熔盐泵与所述熔盐蓄能供热系统中的熔盐蓄能罐连接。所述熔盐电加热器使用谷电或是不规律能源电。

所述电加热箱在熔盐换热器下游，用于对二次网供水管加热。所述循环水泵与所述熔盐换热器的二次侧进水口和一次侧回水口连接。所述电加热箱的功率控制通过数据采集系统的反馈到控制中心，由控制中心统一控制。

进一步的：还包括数据采集系统，所述数据采集系统包括若干温度传感器、若干压力传感器、若干流量传感器。数据采集的数据包括但不限于温度、压力、流量等。

在本发明中，控制系统包括天气预测模块、数据采集系统、控制模块、显示模块、通信模块；所述天气预测模块用于获取气象数据；所述数据采集系统用于采集供热管道的相关参数(包括但不限于一、二次侧供回温、供回压、流量、燃气管道阀门开度、燃气流量、燃气热水炉进出水温)，并将上述相关参数上传至控制模块；所述显示模块用于展示当前运行参数；所述控制模块控制所述熔盐换热器和所述电加热箱对二次供水进行多能互补加热，以实现热能的精准投送。其中所述控制模块是CPU信号处理器。所述天气预测模块从互联网获取天气信息。

所述云端控制系统通过数据采集模块和天气预测模块的数据制定控制策略，所述云端控制系统与所述控制模块之间具有交互、使所述控制模块执行控制策略。具体的调控方法如下所述：

一种带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组的调控方法，包括如下步骤：

步骤S1：对现有楼宇换热机组进行改造，在所述楼宇换热机组的二次侧供水管上串联安装熔盐换热器和电加热箱；所述熔盐换热器与熔盐蓄能罐、熔盐电加热器连接。上述改造过程、各管道的连接、各传感器的安装在此不做详细展开。

步骤S2针对步骤S1改造后的换热机组建立换热机组供热系统运行模块

步骤S21建立室外气象数据与楼宇换热机组目标二次侧供回水平均温的关系；

借助工业互联网和无线通讯技术对供热系统数据进行采集，云端上位决策系统经过机器学习建立室外气象数据和目标二次侧供回水平均温度的关系模型。经过机器学习建立室外气象数据和目标二次侧供回水平均温度的关系模型；历史气象数据记为U(包括室外温度T_f、湿度W_f、风速V_f，光照L_f，天气情况(雨雪等)R_f等参数)；则U_f＝[T_f,W_f,V_f,L_f,R_f]^T，T₂＝f(U_f)；式中：T₂是二次侧供回水平均温，℃。

步骤S22利用单元楼室温数据，对室外气象数据与楼宇换热机组目标二次供回平均温关系进行修正；

修正过程如下：设定单元楼室温标准T_n,stc，以当前室外气象数据所对应的楼宇换热机组二次供回平均温T₂运行后，判断单元楼室温T_n是否达标，若T_n＜T_n,stc，增加该室外气象数据下的二次供回平均温T₂，若T_n＞(1+10％)T_n,stc，则降低该室外气象数据下的二次供回平均温T₂；同时，结合一次侧热网运行数据和实时室外气象数据对二次供回平均温进行滚动修正。

步骤S3:建立熔盐供热模块

根据热熔盐流量、温度温差和前后热水温差、热水流量的关系建立熔盐供热模块：

熔盐供热模块的关系模型为：

式中:

-熔盐的流量，kg/s；T_r,1-换热器出口处熔盐温度，℃；T_r,2-换热器出口处熔盐温度，℃；c_r-熔盐的比热，J/(kg·℃)；α_r-熔盐换热器热交换系数；

-二次侧供水的流量，kg/s；T_s,1-换热器出口二次供水温度，℃；T_s,2-换热器入口二次供水温度，℃；c_s-水的比热，J/(kg·℃)。

步骤S4:建立电加热箱供热模块

根据用电量、电加热箱的前后热水温差、热水流量的关系建立电加热箱供热模块；

关系模型为：

式中:P-电加热器的功率，J/s；α_d-电加热器热交换系数；

-二次侧供水的流量，kg/s；T_s,1-换热器出口二次供水温度，℃；T_s,2-换热器入口二次供水温度，℃；c_s-水的比热，J/(kg·℃)。

步骤S5：对步骤S2所建立的供热系统运行分析模型建立换热机组供热系统运行分析模块S51设定二次供回水平均温目标值(T₂，当前室外气象数据对应的目标二次供回平均温)，

获取楼宇换热机组二次供回水平均温(当前二次供回平均温为T′₂)，对二次供回水平均温是否达标进行判断，若达标(T′₂≥T₂)则返回步骤S2继续运行；若不达标(T′₂＜T₂)进入熔盐供热模块；

S6开启熔盐供热模块，同时根据目标二次供回平均温与当前二次供温、二次回温、二次流量和熔盐热交换器前后熔盐温度，预判熔盐供热模块是否可以提供足够的热量，若满足，则保持当前状态运行直至二次供回平均温满足要求，按照步骤S2运行；若不满足，则进入电加热箱供热模块；

S7开启电加热箱供热模块，根据目标二次供回平均温与当前二次供温、二次回温、二次流量和熔盐换热器出口供水温度以及一次侧热网运行参数；启动电加热箱对二次供水直接进行加热，直至二次供回平均温满足要求，按照步骤S2运行。

传统的局部调控是在单个楼宇换热机组单元内发生的，调节的依据主要是根据热用户的反馈。本专利区别于传统调控策略的创新在于本系统中所有阀门、供电等参数的设定都基于由云端控制系统决策层借助于无线通讯技术在对历史数据模型学习后做出的决策，实现了对供热系统的全局协同调控。

本专利基于多能互补的协同控制策略，借助工业互联网，基于整个供热系统数据在云端控制系统的决策层下达调控指令，利用熔盐蓄能供热模块对供热不足的楼栋进行精准快速补热；再辅助以电加热箱模块共同作用。以更加低成本低碳的方式实现了末端精准供热和按需供热。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组，其特征在于：包括二次网、熔盐换热器、熔盐蓄能罐、熔盐电加热器、电加热箱；

所述熔盐换热器用于与二次网供水管换热；所述熔盐换热器与所述熔盐蓄能罐连接；所述熔盐电加热器给所述熔盐蓄能罐加热；

所述电加热箱在熔盐换热器下游，用于对二次网供水管加热。

2.根据权利要求1所述的带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组，其特征在于：所述熔盐电加热器使用谷电或是不规律能源电。

3.根据权利要求1所述的带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组，其特征在于：还包括数据采集系统，所述数据采集系统包括温度传感器、压力传感器、流量传感器。

4.一种带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组的调控方法，其特征在于；包括如下步骤：

步骤S1：对现有楼宇换热机组进行改造，在所述楼宇换热机组的二次侧供水管上串联安装熔盐换热器和电加热箱；所述熔盐换热器与熔盐蓄能罐、熔盐电加热器连接；

步骤S2针对步骤S1改造后的换热机组建立换热机组供热系统运行模块

步骤S21建立室外气象数据与楼宇换热机组目标二次侧供回水平均温的关系；

步骤S22利用单元楼室温数据，对室外气象数据与楼宇换热机组目标二次供回平均温关系进行修正；

步骤S3:建立熔盐供热模块

根据热熔盐流量、温度温差和前后热水温差、热水流量的关系建立熔盐供热模块：

步骤S4:建立电加热箱供热模块

根据用电量、电加热箱的前后热水温差、热水流量的关系建立电加热箱供热模块：

步骤S5：对步骤S2所建立的供热系统运行分析模型建立换热机组供热系统运行分析模块

S51设定二次供回水平均温目标值，获取楼宇换热机组二次供回水平均温，对二次供回水平均温是否达标进行判断，若达标则返回步骤S2继续运行；若不达标进入熔盐供热模块；

S6开启熔盐供热模块，同时根据目标二次供回平均温与当前二次供温、二次回温、二次流量和熔盐热交换器前后熔盐温度，预判熔盐供热模块是否可以提供足够的热量，若满足，则保持当前状态运行直至二次供回平均温满足要求，按照步骤S2运行；若不满足，则进入电加热箱供热模块；

S7开启电加热箱供热模块，根据目标二次供回平均温与当前二次供温、二次回温、二次流量和熔盐换热器出口供水温度以及一次侧热网运行参数；启动电加热箱对二次供水直接进行加热，直至二次供回平均温满足要求，按照步骤S2运行。

5.根据权利要求1所述的带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组的调控方法，其特征在于：步骤S21的具体过程如下：经过机器学习建立室外气象数据和目标二次侧供回水平均温度的关系模型；

历史气象数据记为U(包括室外温度T_f、湿度W_f、风速V_f，光照L_f，天气情况(雨雪等)R_f等参数)；则U_f＝[T_f,W_f,V_f,L_f,R_f]^T，T₂＝f(U_f)；

式中：T₂是二次侧供回水平均温，℃。

6.根据权利要求5所述的带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组的调控方法，其特征在于：步骤S22中的修正过程如下：设定单元楼室温标准T_n,stc，以当前室外气象数据所对应的楼宇换热机组二次供回平均温T₂运行后，判断单元楼室温T_n是否达标，若T_n＜T_n,stc，增加该室外气象数据下的二次供回平均温T₂，若T_n＞(1+10％)T_n,stc，则降低该室外气象数据下的二次供回平均温T₂；同时，结合一次侧热网运行数据和实时室外气象数据对二次供回平均温进行滚动修正。

7.根据权利要求1所述的带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组的调控方法，其特征在于：

步骤S3中熔盐供热模块的关系模型为：

式中:

-熔盐的流量，kg/s；T_r,1-换热器出口处熔盐温度，℃；T_r,2-换热器出口处熔盐温度，℃；c_r-熔盐的比热，J/(kg·℃)；α_r-熔盐换热器热交换系数；

-二次侧供水的流量，kg/s；T_s,1-换热器出口二次供水温度，℃；T_s,2-换热器入口二次供水温度，℃；c_s-水的比热，J/(kg·℃)。

8.根据权利要求1所述的带熔盐蓄能供热系统的楼宇换热机组的调控方法，其特征在于：

步骤S4的关系模型为：

式中:P-电加热器的功率，J/s；α_d-电加热器热交换系数；

-二次侧供水的流量，kg/s；T_s,1-换热器出口二次供水温度，℃；T_s,2-换热器入口二次供水温度，℃；c_s-水的比热，J/(kg·℃)。

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