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节约型校园地热深井梯级利用监控系统的设计

2015-10-21 11:08:41来源:论文网浏览: 评论:0

  我国地热资源丰富,开发和利用地热资源对我国调整能源结构、促进经济发展战略有重要的意义。现有设备虽然在地热利用上成效显着,但是管理粗放,主要靠人工经验,设备参数设置不够灵活,不能充分发挥设备优势科学地利用地热能。本系统从管理的角度出发,针对我校地热深井设备进行远程的数据采集、分析、汇总,即时直观地反应出各个环节的运行状态;根据内置的专家知识库对不同设备提出优化配置的建议;对于突发情况,通过手机短信或报警方式告知管理人员。通过管理手段的综合运用,深入发掘现有设备潜力,达到进一步节能减排的目的。

  1.立项背景

  随着我国经济社会发展进入一个新的历史时期,党中央和国务院从国家建设的能源需求和国际能源状况的战略思考出发,用科学发展观指导我国的经济建设,提出了"建设节约型社会"的重大决策。高校作为人才培养基地,在"建设节约型社会"的实践中,应该起到示范的作用。因此,创建"节约型校园"是高校在建设和发展中必须完成的重要任务。

  天津工业大学作为一所多科性大学,近年来办学规模逐年扩大,全日制在校生27000余人,教职工2000余人。根据我校2012年经费支出预算:水费1550万元,电费2710万元,燃气费465万元,共计4725万元。按以上数据核算人均能耗:水109吨,电1907度,能耗总支出达1630元。比较天津市居民人均用水量28.7吨、用电800度,我校的用能用水情况还有很大的节约潜力。

  近年来,我校为积极响应党中央、国务院建设节约型社会的号召,在市教委等部门领导的大力支持下,结合自身实际情况,自新校区建设之初,就提出了创建"节约型绿色生态校园"的构想,从顶层设计上把握住了节约型校园的建设方向;在建设过程中,秉承节能、节地、节水、节材和环保的"四节一环保"理念,通过技术创新、集成创新、管理创新等手段,在积极完善机构,建立多项能源管理制度、加强基础设施投入,通过技术节能降耗、注重宣传引导,强化节约意识等方面做了大量细致而全面的工作,在节能减排方面取得了丰硕的成果。2009年,被评为"全国高校节能工作先进单位"。2010年,被评为"全国高校节能管理先进院校"。

  为了贯彻落实《国务院关于印发节能减排工作方案的通知》精神,贯彻落实住房和城乡建设部、教育部《关于推进高等学校节约型校园建设进一步加强高等学校节能节水工作的意见》(建科[2008]90号),依据建科节函〔2010〕5号文件,天津工业大学被评为国家住房和城乡建设部节约型校园示范建设第二批试点高校,获得项目资助475万元。

  项目组核心人员全程参与我校节约型校园能源与水资源健康监管平台研究开发与工程建设工作,重点负责了水、电能耗分析模块和手机监管模块的开发。目前该平台已经在天津工业大学新校区一期42栋建筑物中,安装智能远传水表1939块、智能远传电表510块,数据网关255块,监测面积42万平方米。平台采集数据准确及时,整体运行稳定可靠,取得了显着的经济和社会效益。但是地热深井的监控尚处在本地人工管理阶段,还未纳入到该平台中,为完善学校的整体能源监管战略,亟待开发一套适用于地热深井梯级利用远程监控系统。

  2.我校地热深井简介

  天津工业大学于2007年8月钻探了第一对地热深井,2009年9月又成功钻探一对地热深井,是全国高校中唯一拥有四口地热深井的高校。该系统开采井水温65摄氏度,开采量为每小时126立方米。地热水经过一级换热后尾水温度41度,主要用于提供供暖基本热负荷;二级利用后温度8度,主要作为补充负荷。地热尾水进行回灌,从而实现“开采—一级利用—二级利用—回灌”的梯级利用,采用全封闭循环模式。目前可为学校19.73万平方米的建筑供暖,使整个采暖期的成本不高于15元/ 平方米,大大低于现有的天津市采暖计费标准(居住建筑:25元/ 平方米,公共建筑:36元/ 平方米),比常规能源节省成本65%,每年可以节省供暖、空调费用总计约800万元;还实现了“零排放”。

  3.系统概述

  3.1 开发平台

  本系统开发平台选择FrontView,因为它是一款针对普遍智能对象(智能设施或系统)进行整合、服务、管理的“智能云服务平台”。具体来说,它是一个在智能能源管理、智能楼宇管理、智能家庭服务方面,提供完整的基于云的开发、组态、宿主和管理服务的独立平台。

  FrontView旨在通过可视化,可控化和自动化,实现智能对象、人员与流程的互通互联,进而达到业务与智能对象的全面融合,为客户建立和管理融业务与智能服务为一体的动态架构,为产品和服务的创新提供从设计到交付的全生命周期的服务管理,以及为数据中心自动化提供完善的软件平台,最终帮助客户提高服务,降低成本与管理风险。

  3.2系统的原理与总体架构

  系统综合采用了工业自控技术、计算机技术、通讯技术等构成的地热深井梯级利用远程监控管理平台,对地热资源实施更科学、更规范的监控管理,提高中央调度室的监控能力。系统的原理图如图3.2所示。

  总体架构上,平台分为四个层次,分别为:智能终端、网络传输、软件平台、管理决策。平台整体运作流程如下:

  (1)智能计量仪表采集地热管道流量,气压,温度,耗能等能源数据,通过RS485传输到网关(协议转换器)。

  (2)网关(协议转换器)安装在各个单体建筑相应的弱电配电间,实现RS 485到TCP/IP协议的转换,再传输到校园网的网络设备上。

  (3)校园网的网络设备同时安装在各个单体建筑相应的弱电配电间,通过光纤组成一个专网,专门用于传输能源健康监管平台的的数据到中心机房。

  (4)在中心机房通过汇聚设备收集各个单体建筑传输来的数据给相应的服务器去分析处理,结果传输到管理中心。   (5)通过设计地热深井梯级利用监控系统实现对校园的地热能耗进行综合监控与管理。

  (6)通过能源消耗分析、预测,根据专家知识库的优化建议,维护人员的合理操作,最终实现校园的节能减排目标。

  4.实施方案

  4.1基础数据采集平台

  基础数据采集平台负责对底层的数据进行采集、监控和管理,如图3.4所示。其它各子系统都是构建在该基础平台基础之上的。为了便于后期扩展,要求平台采用分布式监控、网格化管理,使用开放平台建设技术。

  平台主要功能包括:(1)支持多样的设备通信接口(有线网络、无线网络、标准串口等);(2)实现国际化标准的OPC服务器;(3)以Windows系统服务方式运行,实现高效、可靠、免维护的长期运行;(4)实现灵活的实时Web服务平台;(5)提供统一的数据访问标准接口;(5)支持检测数据的实时存储备份,在网络或数据库发生异常情况下,保障数据的完整性;(6)采用数据库连接池技术,为高并发数据库访问操作提供标准XML接口;(7)支持自由的设备组态配置;(8)支持用户远程写入设备检测量,以实现远程控制;(9)可自由对检测设备无限级分组管理;(10)采用OPC-XML技术实现Web现场监控的实时数据通讯;(11)实现基于Web方式的工程管理及权限控制;(12)实现专业的在线报表服务;(13)支持多数据服务器通讯及接收命令、上报故障、数据加密、断点续传、DNS解析;(14)可定制数据存储(周期和内容)。

  地热站采用先进的测控技术及尖端的通信技术,如图3.5所示,对供热系统的温度、压力、流量、开关量等进行测量,通过中间件,上传至监控系统,从而实现对各个机组供热过程有效的调测及控制。该系统的基础硬件设备可长时间不间断进行流量、热量等数据的积累和计算,其计算方法科学、准确,遥远的现场如在眼前,调控自如。各分站数据可通过缆线汇集到中心设备站,中心站对数据进行汇总和统计,通过网络上传至管理中心服务器端。在供热初期和末期按室外温度调节二网供水温度,以达到节能减排的目标。

  4.2中间件

  本系统要求具有跨平台跨操作系统的能力,为解决本地监控与远程终端的分布异构问题,我们采用中间件技术实现数据格式转换。中间件位于平台(硬件和操作系统)和应用之间,针对不同的操作系统和硬件平台,中间件可提供符合接口和协议规范的多种实现。中间件产品种类很多,包括消息中间件( MOM,Message Oriented Middleware)、交易中间件(TPM,Transaction Processing Monitor)、数据访问中间件(UDA,United Data Access)、应用服务器(WAS)等等。本系统的中间件位于底层引擎和界面之间,主要负责底层引擎和界面的消息传递,同时负责整个软件和系统平台的某些信息互通,因此我们采用一个消息中间件。消息中间件利用高效可靠的消息传递机制进行平台无关的数据交流,通过提供消息传递和消息排队模型,在分布环境下扩展进程间的通信,并支持多通讯协议、语言、应用程序、硬件和软件平台。数据通过中间件后,上传至互联网,服务端的监控系统收到数据进行分析。数据接口的中间件为实现数据的统一和系统的可移植性提供了有效的保障。

  4.3基础数据分析与显示

  通过中间件上传上来的数据,汇总分析,绘制各类图表,可直观显示出各个设备的运行状态,进行日比较、月比较、季度节能比,通过一系列算法算出温度调节准线,能耗差和设备阈值等,为专家知识库的优化建议提供数据支持。

  为了实现校园节能管理和控制,必须在地热能监管分析系统、能耗监管分析系统的基础上,通过采用数据融合、数据挖掘及远程动态图表生成等技术,实时地从能源监管平台的各子系统中提取数据,形成数据综合分析。通过对海量能耗数据的综合处理与运算,形成各类统计学图表,实时反映历史能耗对比与未来能耗趋势,从而实现能源指标的合理度评价、能耗走势的科学预测。它将为节能工作中长期部署提供专家化的决策支持,为减少碳排放,实现低碳经济和可持续发展提供全面的信息支撑。

  系统实现的功能与技术指标包括:(1)筑能耗综合信息;(2)单位土地面积能耗分析;单位建筑面积能耗分析;(3)人均能耗测算;(4)建筑物分项、分类能耗统计;(5)分时、分区能源消耗对比分析;(6)能源预测分析;(7)能源指标与历史及预测能耗走势对比分析;(8)能耗比优化建议。

  4.4专家系统(知识库)

  专家系统是一种智能化的计算机程序系统,内部含有大量某领域专家水平的知识与经验,利用专家或知识工程师的知识与经验以及解决问题的方法来处理该领域的一些问题,即专家系统是一个含有大量专业知识与经验的系统,它应用了人工智能技术和计算机技术,根据某个领域专家或知识工程师所提供的丰富知识与经验进行推理和判断,模拟人类专家解决问题的决策过程,以解决那些需要人类专家去处理的复杂问题。简而言之,专家系统是一种模拟人类专家解决某领域问题的计算机程序系统。专家系统一般由知识库、推理机、综合数据库、知识获取机制、解释机制和人机交互界面等几个部分所组成。

  知识库:知识库就是存放专家系统求解问题所需领域的大量专门知识,这些专门知识以合适的知识表达形式和结构形式存入知识库,一个专家系统性能的优劣,取决于其知识库中知识的完善程度和组织结构的优劣,它是开发专家系统过程中的一项最为关键的工作。

  推理机:推理机是一组程序,用来控制、协调整个专家系统的工作。其根据数据库中的信息,利用知识库中的知识,按一定的推理策略来解决所要求解的问题。推理机还有向知识库添加新内容或删除旧内容的功能。

  综合数据库:综合数据库就是存放专家系统所要解决问题的原始数据和推理机推理过程中得到的各种中间信息和结论信息、为使推理机能够方便地解决问题,数据的表示形式和组织形式应最大限度地与知识库的知识表示相容。

  知识获取机制:也称学习功能。它为知识库的建立、修改、完善,扩充提供各种手段。

  4.5短信报警与手机平台

  根据前期采集到的实时数据,通过定义能耗异常报警逻辑规则,实现按区域和单个重点监控单元、多个时段的能耗异常识别报警,并通过短信及时通知管理人员,实现能耗异常监测,防止发生异常事故,达到节能减排目标。

  首先需要在主界面上完成短信报警条件设置,包括:报警条件的添加、修改、删除和查询。其次,建立计划任务,根据报警条件,定期检索系统,完成报警及短信发送,最终实现:进度总览,预警机制,优先处理的整体流程。  手机平台主要实现对能耗数据和系统的运行状况进行实时的在线移动监管,主要包括:(1)查看各监测点的实时数据;(2)查看换热板温度表和水表的在线或离线状态;(3)查看网关的在线或离线状态。系统采用基于javascript技术的专门用于移动应用开发的Sencha Touch框架进行设计  5.小结

  我校现有的地热深井设备覆盖了学生公寓,教学楼,食堂,活动中心等地,共计19.73万平方米,每年可节约标准煤1.24万吨,减排CO2量3.28万吨,相比于天津市常规能源系统每平方米36元的供热费用,每年可节约供热费用65%,每年可以节省供暖、空调费用总计约800万元,有着显着的环保经济效益。通过本系统的使用,预计可在现有基础上进一步节能减排10%,节约费用80万/年,实现设备节能和管理节能的有效结合。

 

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