智慧供熱水系統(tǒng)模型的設計與實現(xiàn)

林生佐

（廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學院實訓中心，廣東 佛山 528216）

我國建筑耗能一直占據(jù)社會總耗能的第二大比重，僅低于工業(yè)能耗，而供熱采暖的耗能約占建筑總耗能量的65%[1]。生活熱水作為建筑耗能一部分，通常占到建筑總耗能的7%～35%[2]，且隨著居民對生活品質要求的逐步提高，生活熱水耗能將是今后城市建筑耗能增長點；另一方面，生活熱水供應作為一個城市的基本公共服務能力，不僅存在能耗高、能效低等問題，其在使用過程的人性化不足、用戶體驗差，也已是不爭的事實。

然而在建筑耗能上，相對供暖通風，生活熱水受到社會上的關注度低，研究文獻少。鑒于此，本研究提出一種智慧供熱水系統(tǒng)的優(yōu)化方案：系統(tǒng)基于大氣溫度，設有多種用于監(jiān)控熱水使用情況的監(jiān)測和調控機構，可根據(jù)數(shù)據(jù)模型的預測結果進行符合節(jié)約能源以及滿足用水需求的蓄水和供水動作，使用戶終端的供熱水流量、水箱端的蓄水溫度和蓄水量形成隨環(huán)境氣溫變化并自適應的動態(tài)量。并基于設想方案，開發(fā)一套以PLC 為主控的智慧供熱水系統(tǒng)模型[3]，驗證智慧供熱水系統(tǒng)控制方案的可行性。

1 整體方案

1.1 系統(tǒng)框架

智慧熱水系統(tǒng)包括冷水箱、熱水箱、用水單元、模擬量接收模塊和PLC 控制器，用水單元與熱水箱和冷水箱連通，用水單元的熱水輸入端設有熱水流量計，用水單元的輸出端設有混水流量計和混水溫度計，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架工藝圖

控制方案如圖2，模擬量接收模塊用于采集環(huán)境溫度、水箱液位、混水流量計和熱水流量計的數(shù)據(jù)；PLC 控制器根據(jù)熱水流量計、熱水溫度計、混水流量計和混水溫度計的歷史數(shù)據(jù)和歷史天氣溫度控制熱水箱的蓄水量、加熱時間段以及加熱溫度的收集，形成各個用戶的用水特征表，基于智能算法，能夠自適應每個用戶個體用水習慣，在節(jié)水節(jié)能的前提下自動匹配每個用戶合適的熱水流量和熱水溫度，使用戶終端的熱水流量、水箱端的蓄水溫度和蓄水量形成隨環(huán)境氣溫變化并自適應的動態(tài)量，實現(xiàn)最優(yōu)控制。

圖2 控制系統(tǒng)框架圖

1.2 外觀設計

模型外形方面采用30×30 鋁材搭建整體框架，使用PP 板粘合制成上端冷熱水箱和下端的蓄水箱，并用PE 水管+PPR 快速接頭搭成管路，如圖3 所示。裝配上控制系統(tǒng)相應的控制柜、傳感器和執(zhí)行器后，模型整體如圖4 所示。

圖3 外觀整體框架設計

圖4 智慧供熱水系統(tǒng)實物布局圖

2 控制系統(tǒng)

2.1 硬件設計

模型控制系統(tǒng)選用西門子S7-200 SMART 系列PLC 為主控，基于昆侖通泰MCGS 觸摸屏完成人機交互界面，控制柜細節(jié)如圖5 展示，線路見圖6。

圖5 智慧供熱水系統(tǒng)控制實物布局圖

圖6 智慧供熱水系統(tǒng)模型控制系統(tǒng)線路

2.2 軟件設計

控制程序主要由：瞬時流量檢測、熱水箱的蓄水溫度和蓄水量控制、用戶熱水使用流量調控、用戶終端用水溫度/流量/時間均值計算、熱水液位自動控制、熱水箱溫度補水自動控制、傳感器檢測模擬量轉換7 個功能塊組成。下文重點對前面4 個主要功能模塊的程序設計進行闡述。

2.2.1 瞬時流量檢測

該模塊主要對用戶終端A/B/C 的熱水瞬時流量和混水瞬時流量共6 個流量值進行檢測，通過單位時間計算脈沖數(shù)，即可獲得瞬時流量（圖7）。采用6 個高數(shù)計數(shù)器的模式1（內(nèi)部方向控制功能的單相時鐘計數(shù)器）實現(xiàn)對6 個流量計的脈沖計數(shù)，并配合2 號定時器產(chǎn)生1s 中斷，統(tǒng)計脈沖數(shù)，基于流量傳感器的脈沖特性公式，換算出對應的瞬時流量值。

圖7 瞬時流量檢測程序流程圖

2.2.2 熱水箱的蓄水溫度和蓄水量控制

該模塊主要實現(xiàn)對熱水箱的蓄水溫度和蓄水量的控制，可分手動、自動和自適應三種模式（圖8、圖9）。進入手動模式時，實現(xiàn)手動啟停補水電磁閥及加熱器，進行人為操作控制蓄水溫度和蓄水量，應對系統(tǒng)首次使用調試階段。

圖8 熱水箱蓄水溫度程序控制流程圖

圖9 熱水箱蓄水量程序控制流程圖

正式運行時，可切換自動模式和自適應模式。自動模式下，熱水箱的液位和水溫都采用位式控制，維持在某個范圍，液位和水溫的控制范圍上下限可直接在觸摸屏上設置。若啟動自適應模式，則系統(tǒng)根據(jù)每個用戶的用水習慣統(tǒng)計的特征數(shù)據(jù)，自動核算出當前氣溫下合適的熱水箱的蓄水和水溫（亦是終端熱水溫度）的控制值，使得蓄水溫度和蓄水量形成隨環(huán)境氣溫變化并自適應的動態(tài)量，具體特征數(shù)據(jù)采集和用水調控由下述兩個功能塊完成。

2.2.3 用戶熱水使用流量調控

該模塊主要實現(xiàn)對用戶終端的熱水使用量的調控，通過對用戶終端的比例閥開度的控制，在合理的范圍內(nèi)實現(xiàn)對用戶熱水使用量的限制，以此達到節(jié)水節(jié)能的目的。系統(tǒng)首先通過內(nèi)部定義的初始化函數(shù)Q控=fQ（T氣），函數(shù)是一個熱水流量與氣溫成反比的映射，對終端熱水流量的供給進行控制。當啟用自適應模式時，系統(tǒng)會給每個用戶建立用水特征表（圖10），用水特征表記錄的數(shù)據(jù)包括氣溫T氣及與氣溫對應的熱水調控流量 Q控（X℃）_N、熱水使用流量 Q測（X℃）_N、終端流量均值 Q終測均_N、終端水溫均值 T終測均（X℃）_N、用戶洗浴時間均值 t均_N

圖10 用戶N 用水特征表

基于用水特征表，終端每次用水，系統(tǒng)就自適應更新修正一次該用戶對應的用水特征表的數(shù)據(jù)，如圖11，以此不斷地根據(jù)現(xiàn)場的實際使用情況自適應學習（具體算法詳見專利ZL201810315955.4），在節(jié)水節(jié)能的前提下自動匹配每個用戶合適的熱水用量。

圖11 用戶熱水流量自適應調控流程

2.2.4 用戶終端用水溫度/流量/時間均值計算

該模塊主要實現(xiàn)對每個用戶的用水特征表中終端流量均值Q終測均_N、終端水溫均值 T終測均（X℃）_N、用戶洗浴時間均值 t均_N的計算。采用隊列平均算法——設用戶N 第i次采樣值為AN(i)，和為SN(i)，靈敏度為M，均值算法如下：

具體的用戶終端用水溫度/流量/時間均值計算程序流程見下圖12～13。

圖12 用戶終端用水量、用水時間均值計算流程

3 人機界面設計

3.1 主頁面

圖13 用戶終端水溫均值計算流程

開機后系統(tǒng)默認進入主頁面，主頁面為設備工藝流程圖，如圖14。在主頁面可直接查看實時大氣溫度、用戶終端ABC 的比例閥開度，熱水使用流量、用水量和用水溫度，以及熱水箱的實時熱水溫度和蓄水量。通過對應區(qū)域的操作，可以點動調試設備。

圖14 設備工藝流程圖

3.2 數(shù)據(jù)查詢頁面

通過菜單，可切換至“數(shù)據(jù)查詢”界面。界面是一個實時表格，可進一步查看終端的用水特征表的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)的實時記錄，如圖15 所示。

圖15 智慧供熱水系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢頁面

3.3 設置頁面

設置頁面主要用對系統(tǒng)在手動/自動模式下的參數(shù)設置，各個設備可單獨在“手動/自動”模式下切換，如圖16 所示。

圖16 智慧供熱水系統(tǒng)設置頁面

4 功能調試

4.1 手動模式

當需要調試或獲取實驗數(shù)據(jù)時，可以在“設置界面”單獨把部分設備調至“手動”模式。此時再切換到“主頁面”，可在對應區(qū)域進行點動操作。如圖17 所示。

圖17 智慧供熱水系統(tǒng)手動模式

4.2 自動模式

調試完成后，可在“設置界面”將設備全部打至自動，并設置好熱水箱水位和水溫的限位等參數(shù)。此時系統(tǒng)進入自動模式，熱水箱水位和水溫自動控制在設置的范圍內(nèi)，而比例閥自動根據(jù)氣溫值將熱水使用量控制在熱水調控量內(nèi)（氣溫越高，熱水供應量越少，以達到節(jié)電節(jié)水效果）。如圖18 所示。

圖18 智慧供熱水系統(tǒng)自動模式

5 結論

綜上所述，基于智慧供熱水系統(tǒng)模型，驗證了基于用戶習慣大數(shù)據(jù)自適應控制方法的技術可行性，本控制方案設定新的供熱水系統(tǒng)運行方式，若能在市面得到推廣優(yōu)化，將帶來可期收益：一方面使熱水系統(tǒng)設備工作時間縮短、增長系統(tǒng)使用壽命、減少系統(tǒng)故障率和維修費用、運作穩(wěn)定性提高；另一方面在節(jié)水節(jié)能的前提下自動匹配每個用戶合適的熱水流量和熱水溫度，降低系統(tǒng)耗水耗能，實現(xiàn)節(jié)能減排效果，帶來可觀的經(jīng)濟效益、社會效益和設備投資效益，為后續(xù)提升城市公共服務能力質量與效率、實現(xiàn)智慧城市規(guī)劃提供生活熱水方面的科學依據(jù)。