一種基於用戶需求的建築能源供應系統的製作方法

2023-09-22 08:02:05

本發明涉及建築能源供應系統，尤其是涉及一種基於用戶需求的建築能源供應系統。

背景技術：

2014年，中國建築能源消費總量為8.14億噸標準煤，佔全國能源消費總量的19.12％。中國政府提出到2030年左右碳排放達到峰值，建築節能被認為是實現這一目標的關鍵所在。目前，建築終端能源消耗主要包括製冷、採暖、通風、照明、電器設備、餐飲炊事以及特種設備用能，存在用能總量大、波動性大、地域分布不均衡以及用能種類多樣、用能形式多樣等特點。由於上述特點，在能源供應端和建築能源利用端都存在供需不匹配的現象。

從供應端看，傳統上能源供應端採用單向的以終端需求確定供應端容量的方式，通過增大冗餘度的方式滿足建築終端需求的波動性。為此各地建設了大量的火力熱電廠、天然氣調峰電廠、抽水蓄能電站以及變配電設施，造成了大量的設備閒置浪費，降低了設備的運行效率，不僅增加能源供應企業的建設和運營負擔，也增加了建築終端用戶的用能成本。並且，過於冗餘的能源供應體系，增加了包括可再生能源在內的清潔能源接入和利用成本。光伏發電、風力發電、燃料電池等可再生能源與清潔能源技術的效率逐漸提高、成本不斷下降，未來的建築將逐漸由以往單一的能源消費者(consumer)逐漸變為能源的產消者(prosumer)。

從建築終端能源利用角度看，供應端的能源需要通過轉換、輸配、使用等多個環節才能真正滿足建築用戶的實際需求。以夏季空調為例，市政供電需要經過變壓器調壓供應到制冷機，制冷機通過逆卡諾循環將高品位電力轉化為低品位冷量，再由水泵將冷凍水送到用戶位置，再經過末端的盤管將水中的冷量轉化為低溫空氣，通過風機將冷風送到用戶周圍。在整個建築能源利用過程中，能源的品質不斷降低，在能源的轉化和輸送環節產生大量的能量損失和浪費，特別是對於大型公共建築，能量轉化和輸送環節消耗和損耗的能源約佔到能源總供應量的20％。並且，由於末端需求的波動性和多樣性，建築能源供應系統通常需要通過增大設備容量的方式應對變化的需求。當終端需求發生變化時，建築供應端無法靈活的調整和適應需求的變化，導致建築服務品質的降低、能源的浪費和設備初投資的增加。

從建築建造方式看，建築工業化被公認為建築行業未來最重要的發展趨勢之一，有利於建造環節的資源能源消耗、提高生產效率和工程質量。建築工業化是以構件預製化生產、裝配式施工為生產方式，以設計標準化、構件部品化、施工機械化為特徵。建築能源系統，特別是各類輸配系統、管線應該根據建築工業化發展的要求，發展出各類預製化生產的標準部件。

針對目前建築能源系統供需匹配難、轉化輸配環節損失大，難以靈活調節的問題，本發明提出一種基於用戶需求的建築能源系統形式。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種建築能源輸配及管理系統。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種基於用戶需求的建築能源供應系統，該系統包括建築供能單元、集中式能源輸配管束、分散式用能末端、蓄能單元和通信調度單元，所述的建築供能單元包括不同來源和種類的能源，所述的建築供能單元通過集中式能源輸配管束連接至分散式用能末端，所述的蓄能單元連接建築供能單元，所述的通信調度單元連接分布式功能單元和分散式用能末端；

用戶在分散式用能末端選擇所需種類或品質的能源，通信調度單元根據分散式用能末端的用戶能源需求以及建築供能單元的能源供應情況進行調度控制，進而分時、分質地對用戶提供能源。

所述的建築供能單元包括市政能源供應端和分布式能源供應端，所述的市政能源供應端包括市政電力和市政燃氣，所述的分布式能源供應端包括多種發電模塊，所述的蓄能單元連接市政電力以及分布式能源供應端的發電模塊，所述的蓄能單元用於電力調峰。

所述的發電模塊包括光伏發電模塊和燃料電池發電模塊。

集中式能源輸配管束包括多條能源輸配管線，每條能源輸配管線對應輸送某一來源的一類能源。

所述的集中式能源輸配管束和蓄能單元設置在建築牆體中。

所述的分散式用能末端包括與能源輸配管線一一匹配對應的能源接口，所述的能源接口用於連接室內用能設備。

所述的蓄能單元包括蓄電池。

所述的通信調度單元包括中央控制器和用戶控制器，所述的用戶控制器分布在各個分散式用能末端，並與分散式用能末端一一對應連接，所述的中央控制器連接所述的用戶控制器和建築供能單元。

所述的用戶控制器包括能源輸出計量模塊、控制模塊和人機互動模塊，所述的能源輸出計量模塊設置在各個能源接口處並對一段時間內用戶對不同的能源輸配管線中提供的能源使用量的統計，所述的控制模塊獲取不同能源輸配管線中提供的能源的轉化效率和碳排放強度，並通過人機互動模塊進行顯示供用戶做出低碳決定，所述的人機互動模塊還用於獲取用戶的能源需求並發送至中央控制器。

所述的中央控制器包括用能數據採集監測模塊、用能負荷預測模塊、運行策略優化模塊和能源供應調度模塊；

所述的能源數據採集檢測模塊對所有用戶不同來源和種類的能源的使用量進行匯總檢測；

所述的用能負荷預測模塊根據能源數據採集檢測模塊匯總檢測的歷史能耗數據預測未來一天內能源消耗量，進而根據預測結果控制蓄能單元的蓄能量；

所述的運行策略優化模塊根據用能負荷預測模塊的預測結果和用能數據採集監測模塊的監測信息進行最優化計算，輸出建築供能單元中不同能源的啟停順序、運行時間以及最優運行控制參數；

所述的能源供應調度模塊根據用戶的能源需求和檢測到的不同來源和種類的能源的使用量進行綜合計算，輸出用戶所需能源或替代能源。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

(1)本發明對不同來源和種類的能源進行優化集成，形成「能源樹」的建築能源供應系統架構，能夠實現建築照用戶需求分質、分時的靈活供能模式，滿足用戶多樣的能源需求，實現能源供給與使用的低碳化；

(2)建築供能單元形式簡單，轉化環節少，有利於分布式能源和可再生能源接入，從而配置不同的能源，便於供用戶選擇；

(3)建築內部輸配環節能耗小，各種分散式末端適用性強，在能源輸配環節，採用集中式能源輸配管束直接輸配到終端用戶的使用位置，採用分散式末端，就地轉化利用，這種供能方式在能源輸配環節不消耗額外的能量，電力和燃氣能源密度高、輸配損失小，避免了現有集中式製冷空調系統在冷凍水、冷卻水和採暖熱水在建築內部輸配的能源消耗和損耗；

(4)採用分散式用能末端，靈活可調，能夠適應不同的空間功能需求，採用分散式用能末端能夠根據建設進度需求、入住用戶需求分期、分等級的進行安裝配置，避免了整體一次性投入和項目建成後的二次改造，方便後期運營單位的管理和維護，同時，分散式用能末端採用本地控制，用戶可根據個性化需求進行靈活的開啟和調控，避免了集中系統一開全開或無法滿足部分負荷條件下的運行需求；

(5)採用智能化的通信調度單元，通過對末端不同能源需求的監測，可以兼顧用戶能源需求和建築供能單元中的不同能源的供應情況進行調度控制，進而分時、分質地對用戶提供能源，滿足用戶需求的同時保證供應可靠性。

附圖說明

圖1為本發明建築能源輸配及管理系統的結構示意圖；

圖2為能源牆布置結構示意圖；

圖中，A1為建築供能單元，A2為集中式能源輸配管束，A3為分散式用能末端，A4為蓄能單元，A5為通信調度單元，1為市政電力，2為光伏發電模塊，3為風力發電機，4為微燃機CCHP系統，5為燃料電池發電模塊，6為燃氣鍋爐，7為地源熱泵系統，8為空氣源熱泵系統，9為光導管，10為能源輸配管束，11為中央控制器，12為能源牆，13為能源接口，14為用戶控制器，15為地板。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例

如圖1所示，一種基於用戶需求的建築能源供應系統，該系統包括建築供能單元A1、集中式能源輸配管束A2、分散式用能末端A3、蓄能單元A4和通信調度單元A5，建築供能單元A1包括不同來源和種類的能源，建築供能單元A1通過集中式能源輸配管束A2連接至分散式用能末端A3，蓄能單元A4連接建築供能單元A1，通信調度單元A5連接分布式功能單元和分散式用能末端A3，集中式能源輸配管束A2和蓄能單元A4設置在建築牆體中，蓄能單元A4包括蓄電池；用戶在分散式用能末端A3選擇所需種類或品質的能源，通信調度單元A5根據分散式用能末端A3的用戶能源需求以及建築供能單元A1的能源供應情況進行調度控制，進而分時、分質地對用戶提供能源。

建築供能單元A1包括市政能源供應端和分布式能源供應端，市政能源供應端包括市政電力和市政燃氣，分布式能源供應端包括多種發電模塊，蓄能單元A4連接市政電力以及分布式能源供應端的發電模塊，蓄能單元A4用於電力調峰。市政能源供應端為市政電力和燃氣，包括變壓器和燃氣調壓站。分布式能源供應端包括光伏屋頂、光伏幕牆等光伏發電模塊和燃料電池系統。發電模塊包括光伏發電模塊和燃料電池發電模塊。

集中式能源輸配管束A2包括多條能源輸配管線，每條能源輸配管線對應輸送某一來源的一類能源，由於不同來源的種類的能源自身性質可以決定每種能源的品質和碳排放強度，因此每條能源輸配管線輸配的能源品質和碳排放強度均不一致，從而用戶可以根據需要進行自由選擇。。按照能源供應來源和碳排放強度可分為傳統市政供能、低碳分布式能源供能以及低價的蓄能系統供能。按照能源供應品質可分為能源品質高的電力管線(包括直流電和交流電)和燃氣管線，能源品質較低的冷熱水管線、冷卻水管線等。所述建築能源輸配設備為建築內高低壓配電櫃、配電線路和配電箱、冷熱水泵、集/分水器以及燃氣管道。

分散式用能末端A3包括與能源輸配管線一一匹配對應的能源接口，能源接口用於連接室內用能設備，能源輸配管線和蓄電池可同建築預製牆體構件相結合，將能源管束或蓄電池預製在牆體中，牆體表面預留能源接口，用戶可在機電設備安裝階段將室內用能設備連接到接口上，能夠實現建築機電設施同建築工業化預製構件的結合，降低建造成本，提高建造效率。

通信調度單元A5包括中央控制器和用戶控制器，用戶控制器分布在各個分散式用能末端A3，並與分散式用能末端A3一一對應連接，中央控制器連接用戶控制器和建築供能單元A1。

用戶控制器包括能源輸出計量模塊、控制模塊和人機互動模塊，能源輸出計量模塊設置在各個能源接口處並對一段時間內用戶對不同的能源輸配管線中提供的能源使用量的統計，控制模塊獲取不同能源輸配管線中提供的能源的轉化效率和碳排放強度，並通過人機互動模塊進行顯示供用戶做出低碳決定，人機互動模塊還用於獲取用戶的能源需求並發送至中央控制器。

中央控制器包括用能數據採集監測模塊、用能負荷預測模塊、運行策略優化模塊和能源供應調度模塊；能源數據採集檢測模塊對所有用戶不同來源和種類的能源的使用量進行匯總檢測；用能負荷預測模塊根據能源數據採集檢測模塊匯總檢測的歷史能耗數據預測未來一天內能源消耗量，進而根據預測結果控制蓄能單元的蓄能量；運行策略優化模塊根據用能負荷預測模塊的預測結果和用能數據採集監測模塊的監測信息進行最優化計算，輸出建築供能單元中不同能源的啟停順序、運行時間以及最優運行控制參數；能源供應調度模塊根據用戶的能源需求和檢測到的不同來源和種類的能源的使用量進行綜合計算，輸出用戶所需能源或替代能源。

能源供應調度模塊根據用戶的能源需求和檢測到的不同來源和種類的能源的使用量進行綜合計算，輸出用戶所需能源或替代能源。

如圖2所示為一個具體的建築能源供應系統，該系統包括能源輸配管束10、能源牆12和能源管理控制模塊，能源輸配管束10中包括多種能源管線，能源管束嵌入建築物牆體或地板15中，能源輸配管束10還連接至能源牆12，能源牆12上設有能源接口13，能源接口13設有多個並分別與能源輸配管束10中的能源管線一一對應連接，能源管理控制模塊與能源接口13連接。

能源管線包括下列備選中的一種或幾種之組合：直流電管線、交流電管線、熱水管線、空調冷氣管線和熱源水管線。直流電管線和交流電管線均包括不同電壓等級的分管線。熱水管線、空調冷氣管線和熱源水管線均包括不同溫度等級的分管線。該實施例中能源管線中的能量流包括由市政電力1供應的高壓交流電(220V)；光伏發電模塊2供應的高壓直流電(110V)；風力發電機3供應的低壓交流電(24V)；微燃機CCHP系統4供應的高壓交流電(220V)與餘熱製備的熱水(60℃)、冷水(12℃)；燃料電池發電模塊5供應的高壓和低壓直流電(110V，36V)；燃氣鍋爐6供應的高溫熱水(60℃)；地源熱泵系統7供應的冷水(12℃)、熱水(45℃)；空氣源熱泵系統8供應的冷水(20℃)、熱水(45℃)；光導管9供應的可見光。能源輸配管束10與預製化牆體結合形成能源牆12，能源牆12的表面裝有連接各類用能設備或空調末端的標準化接口，供用戶選擇。能源牆12為移動式箱體。

能源管理控制模塊包括能源輸出計量器、控制器和用戶控制器14，能源輸出計量器設置在能源接口13處，能源輸出計量器均連接至控制器，能源實時顯示終端設置在能源牆12上，能源實時顯示終端連接控制器。控制器內包括：能源量使用統計單元：該單元用於對一段時間內用戶對不同的能源管線中提供的能源使用量的統計；能源轉化效率與碳排放強度指示單元：該單元用於對不同的能源管線中提供的能源的轉化效率和碳排放強度進行顯示供用戶做出低碳決定。

在管理方式上，為每位接入用戶設立碳帳戶，記錄每個人的能源使用情況，並按照來源計量碳排放情況。制定能源需求響應(DR)導則，指導用戶合理使用能源，並在顯示終端實時發出提醒。在某些可再生能源功能富餘的情況，提醒用戶調整用能時間，儘快消耗可再生能源，而避免存儲、轉換造成的損失。如鼓勵手機充電等用電行為在白天儘量使用光伏發電，而不使用公網用電和CHP燃氣發電。晚上風力發電的功率增大而用能行為減少，則鼓勵用戶儘量使用風力發電。

制定個人碳排放的排放定額措施，對於超出定額的人員進行提醒；對於低碳排放的個人，由物業管理部門進行表彰，每年頒發最佳環境貢獻獎，並建議所在單位在評優時優先考慮。