一种基于用户需求的建筑能源供应系统的制作方法

本发明涉及建筑能源供应系统，尤其是涉及一种基于用户需求的建筑能源供应系统。

背景技术：

2014年，中国建筑能源消费总量为8.14亿吨标准煤，占全国能源消费总量的19.12％。中国政府提出到2030年左右碳排放达到峰值，建筑节能被认为是实现这一目标的关键所在。目前，建筑终端能源消耗主要包括制冷、采暖、通风、照明、电器设备、餐饮炊事以及特种设备用能，存在用能总量大、波动性大、地域分布不均衡以及用能种类多样、用能形式多样等特点。由于上述特点，在能源供应端和建筑能源利用端都存在供需不匹配的现象。

从供应端看，传统上能源供应端采用单向的以终端需求确定供应端容量的方式，通过增大冗余度的方式满足建筑终端需求的波动性。为此各地建设了大量的火力热电厂、天然气调峰电厂、抽水蓄能电站以及变配电设施，造成了大量的设备闲置浪费，降低了设备的运行效率，不仅增加能源供应企业的建设和运营负担，也增加了建筑终端用户的用能成本。并且，过于冗余的能源供应体系，增加了包括可再生能源在内的清洁能源接入和利用成本。光伏发电、风力发电、燃料电池等可再生能源与清洁能源技术的效率逐渐提高、成本不断下降，未来的建筑将逐渐由以往单一的能源消费者(consumer)逐渐变为能源的产消者(prosumer)。

从建筑终端能源利用角度看，供应端的能源需要通过转换、输配、使用等多个环节才能真正满足建筑用户的实际需求。以夏季空调为例，市政供电需要经过变压器调压供应到制冷机，制冷机通过逆卡诺循环将高品位电力转化为低品位冷量，再由水泵将冷冻水送到用户位置，再经过末端的盘管将水中的冷量转化为低温空气，通过风机将冷风送到用户周围。在整个建筑能源利用过程中，能源的品质不断降低，在能源的转化和输送环节产生大量的能量损失和浪费，特别是对于大型公共建筑，能量转化和输送环节消耗和损耗的能源约占到能源总供应量的20％。并且，由于末端需求的波动性和多样性，建筑能源供应系统通常需要通过增大设备容量的方式应对变化的需求。当终端需求发生变化时，建筑供应端无法灵活的调整和适应需求的变化，导致建筑服务品质的降低、能源的浪费和设备初投资的增加。

从建筑建造方式看，建筑工业化被公认为建筑行业未来最重要的发展趋势之一，有利于建造环节的资源能源消耗、提高生产效率和工程质量。建筑工业化是以构件预制化生产、装配式施工为生产方式，以设计标准化、构件部品化、施工机械化为特征。建筑能源系统，特别是各类输配系统、管线应该根据建筑工业化发展的要求，发展出各类预制化生产的标准部件。

针对目前建筑能源系统供需匹配难、转化输配环节损失大，难以灵活调节的问题，本发明提出一种基于用户需求的建筑能源系统形式。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种建筑能源输配及管理系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于用户需求的建筑能源供应系统，该系统包括建筑供能单元、集中式能源输配管束、分散式用能末端、蓄能单元和通信调度单元，所述的建筑供能单元包括不同来源和种类的能源，所述的建筑供能单元通过集中式能源输配管束连接至分散式用能末端，所述的蓄能单元连接建筑供能单元，所述的通信调度单元连接分布式功能单元和分散式用能末端；

用户在分散式用能末端选择所需种类或品质的能源，通信调度单元根据分散式用能末端的用户能源需求以及建筑供能单元的能源供应情况进行调度控制，进而分时、分质地对用户提供能源。

所述的建筑供能单元包括市政能源供应端和分布式能源供应端，所述的市政能源供应端包括市政电力和市政燃气，所述的分布式能源供应端包括多种发电模块，所述的蓄能单元连接市政电力以及分布式能源供应端的发电模块，所述的蓄能单元用于电力调峰。

所述的发电模块包括光伏发电模块和燃料电池发电模块。

集中式能源输配管束包括多条能源输配管线，每条能源输配管线对应输送某一来源的一类能源。

所述的集中式能源输配管束和蓄能单元设置在建筑墙体中。

所述的分散式用能末端包括与能源输配管线一一匹配对应的能源接口，所述的能源接口用于连接室内用能设备。

所述的蓄能单元包括蓄电池。

所述的通信调度单元包括中央控制器和用户控制器，所述的用户控制器分布在各个分散式用能末端，并与分散式用能末端一一对应连接，所述的中央控制器连接所述的用户控制器和建筑供能单元。

所述的用户控制器包括能源输出计量模块、控制模块和人机交互模块，所述的能源输出计量模块设置在各个能源接口处并对一段时间内用户对不同的能源输配管线中提供的能源使用量的统计，所述的控制模块获取不同能源输配管线中提供的能源的转化效率和碳排放强度，并通过人机交互模块进行显示供用户做出低碳决定，所述的人机交互模块还用于获取用户的能源需求并发送至中央控制器。

所述的中央控制器包括用能数据采集监测模块、用能负荷预测模块、运行策略优化模块和能源供应调度模块；

所述的能源数据采集检测模块对所有用户不同来源和种类的能源的使用量进行汇总检测；

所述的用能负荷预测模块根据能源数据采集检测模块汇总检测的历史能耗数据预测未来一天内能源消耗量，进而根据预测结果控制蓄能单元的蓄能量；

所述的运行策略优化模块根据用能负荷预测模块的预测结果和用能数据采集监测模块的监测信息进行最优化计算，输出建筑供能单元中不同能源的启停顺序、运行时间以及最优运行控制参数；

所述的能源供应调度模块根据用户的能源需求和检测到的不同来源和种类的能源的使用量进行综合计算，输出用户所需能源或替代能源。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明对不同来源和种类的能源进行优化集成，形成“能源树”的建筑能源供应系统架构，能够实现建筑照用户需求分质、分时的灵活供能模式，满足用户多样的能源需求，实现能源供给与使用的低碳化；

(2)建筑供能单元形式简单，转化环节少，有利于分布式能源和可再生能源接入，从而配置不同的能源，便于供用户选择；

(3)建筑内部输配环节能耗小，各种分散式末端适用性强，在能源输配环节，采用集中式能源输配管束直接输配到终端用户的使用位置，采用分散式末端，就地转化利用，这种供能方式在能源输配环节不消耗额外的能量，电力和燃气能源密度高、输配损失小，避免了现有集中式制冷空调系统在冷冻水、冷却水和采暖热水在建筑内部输配的能源消耗和损耗；

(4)采用分散式用能末端，灵活可调，能够适应不同的空间功能需求，采用分散式用能末端能够根据建设进度需求、入住用户需求分期、分等级的进行安装配置，避免了整体一次性投入和项目建成后的二次改造，方便后期运营单位的管理和维护，同时，分散式用能末端采用本地控制，用户可根据个性化需求进行灵活的开启和调控，避免了集中系统一开全开或无法满足部分负荷条件下的运行需求；

(5)采用智能化的通信调度单元，通过对末端不同能源需求的监测，可以兼顾用户能源需求和建筑供能单元中的不同能源的供应情况进行调度控制，进而分时、分质地对用户提供能源，满足用户需求的同时保证供应可靠性。

附图说明

图1为本发明建筑能源输配及管理系统的结构示意图；

图2为能源墙布置结构示意图；

图中，A1为建筑供能单元，A2为集中式能源输配管束，A3为分散式用能末端，A4为蓄能单元，A5为通信调度单元，1为市政电力，2为光伏发电模块，3为风力发电机，4为微燃机CCHP系统，5为燃料电池发电模块，6为燃气锅炉，7为地源热泵系统，8为空气源热泵系统，9为光导管，10为能源输配管束，11为中央控制器，12为能源墙，13为能源接口，14为用户控制器，15为地板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于用户需求的建筑能源供应系统，该系统包括建筑供能单元A1、集中式能源输配管束A2、分散式用能末端A3、蓄能单元A4和通信调度单元A5，建筑供能单元A1包括不同来源和种类的能源，建筑供能单元A1通过集中式能源输配管束A2连接至分散式用能末端A3，蓄能单元A4连接建筑供能单元A1，通信调度单元A5连接分布式功能单元和分散式用能末端A3，集中式能源输配管束A2和蓄能单元A4设置在建筑墙体中，蓄能单元A4包括蓄电池；用户在分散式用能末端A3选择所需种类或品质的能源，通信调度单元A5根据分散式用能末端A3的用户能源需求以及建筑供能单元A1的能源供应情况进行调度控制，进而分时、分质地对用户提供能源。

建筑供能单元A1包括市政能源供应端和分布式能源供应端，市政能源供应端包括市政电力和市政燃气，分布式能源供应端包括多种发电模块，蓄能单元A4连接市政电力以及分布式能源供应端的发电模块，蓄能单元A4用于电力调峰。市政能源供应端为市政电力和燃气，包括变压器和燃气调压站。分布式能源供应端包括光伏屋顶、光伏幕墙等光伏发电模块和燃料电池系统。发电模块包括光伏发电模块和燃料电池发电模块。

集中式能源输配管束A2包括多条能源输配管线，每条能源输配管线对应输送某一来源的一类能源，由于不同来源的种类的能源自身性质可以决定每种能源的品质和碳排放强度，因此每条能源输配管线输配的能源品质和碳排放强度均不一致，从而用户可以根据需要进行自由选择。。按照能源供应来源和碳排放强度可分为传统市政供能、低碳分布式能源供能以及低价的蓄能系统供能。按照能源供应品质可分为能源品质高的电力管线(包括直流电和交流电)和燃气管线，能源品质较低的冷热水管线、冷却水管线等。所述建筑能源输配设备为建筑内高低压配电柜、配电线路和配电箱、冷热水泵、集/分水器以及燃气管道。

分散式用能末端A3包括与能源输配管线一一匹配对应的能源接口，能源接口用于连接室内用能设备，能源输配管线和蓄电池可同建筑预制墙体构件相结合，将能源管束或蓄电池预制在墙体中，墙体表面预留能源接口，用户可在机电设备安装阶段将室内用能设备连接到接口上，能够实现建筑机电设施同建筑工业化预制构件的结合，降低建造成本，提高建造效率。

通信调度单元A5包括中央控制器和用户控制器，用户控制器分布在各个分散式用能末端A3，并与分散式用能末端A3一一对应连接，中央控制器连接用户控制器和建筑供能单元A1。

用户控制器包括能源输出计量模块、控制模块和人机交互模块，能源输出计量模块设置在各个能源接口处并对一段时间内用户对不同的能源输配管线中提供的能源使用量的统计，控制模块获取不同能源输配管线中提供的能源的转化效率和碳排放强度，并通过人机交互模块进行显示供用户做出低碳决定，人机交互模块还用于获取用户的能源需求并发送至中央控制器。

中央控制器包括用能数据采集监测模块、用能负荷预测模块、运行策略优化模块和能源供应调度模块；能源数据采集检测模块对所有用户不同来源和种类的能源的使用量进行汇总检测；用能负荷预测模块根据能源数据采集检测模块汇总检测的历史能耗数据预测未来一天内能源消耗量，进而根据预测结果控制蓄能单元的蓄能量；运行策略优化模块根据用能负荷预测模块的预测结果和用能数据采集监测模块的监测信息进行最优化计算，输出建筑供能单元中不同能源的启停顺序、运行时间以及最优运行控制参数；能源供应调度模块根据用户的能源需求和检测到的不同来源和种类的能源的使用量进行综合计算，输出用户所需能源或替代能源。

能源供应调度模块根据用户的能源需求和检测到的不同来源和种类的能源的使用量进行综合计算，输出用户所需能源或替代能源。

如图2所示为一个具体的建筑能源供应系统，该系统包括能源输配管束10、能源墙12和能源管理控制模块，能源输配管束10中包括多种能源管线，能源管束嵌入建筑物墙体或地板15中，能源输配管束10还连接至能源墙12，能源墙12上设有能源接口13，能源接口13设有多个并分别与能源输配管束10中的能源管线一一对应连接，能源管理控制模块与能源接口13连接。

能源管线包括下列备选中的一种或几种之组合：直流电管线、交流电管线、热水管线、空调冷气管线和热源水管线。直流电管线和交流电管线均包括不同电压等级的分管线。热水管线、空调冷气管线和热源水管线均包括不同温度等级的分管线。该实施例中能源管线中的能量流包括由市政电力1供应的高压交流电(220V)；光伏发电模块2供应的高压直流电(110V)；风力发电机3供应的低压交流电(24V)；微燃机CCHP系统4供应的高压交流电(220V)与余热制备的热水(60℃)、冷水(12℃)；燃料电池发电模块5供应的高压和低压直流电(110V，36V)；燃气锅炉6供应的高温热水(60℃)；地源热泵系统7供应的冷水(12℃)、热水(45℃)；空气源热泵系统8供应的冷水(20℃)、热水(45℃)；光导管9供应的可见光。能源输配管束10与预制化墙体结合形成能源墙12，能源墙12的表面装有连接各类用能设备或空调末端的标准化接口，供用户选择。能源墙12为移动式箱体。

能源管理控制模块包括能源输出计量器、控制器和用户控制器14，能源输出计量器设置在能源接口13处，能源输出计量器均连接至控制器，能源实时显示终端设置在能源墙12上，能源实时显示终端连接控制器。控制器内包括：能源量使用统计单元：该单元用于对一段时间内用户对不同的能源管线中提供的能源使用量的统计；能源转化效率与碳排放强度指示单元：该单元用于对不同的能源管线中提供的能源的转化效率和碳排放强度进行显示供用户做出低碳决定。

在管理方式上，为每位接入用户设立碳账户，记录每个人的能源使用情况，并按照来源计量碳排放情况。制定能源需求响应(DR)导则，指导用户合理使用能源，并在显示终端实时发出提醒。在某些可再生能源功能富余的情况，提醒用户调整用能时间，尽快消耗可再生能源，而避免存储、转换造成的损失。如鼓励手机充电等用电行为在白天尽量使用光伏发电，而不使用公网用电和CHP燃气发电。晚上风力发电的功率增大而用能行为减少，则鼓励用户尽量使用风力发电。

制定个人碳排放的排放定额措施，对于超出定额的人员进行提醒；对于低碳排放的个人，由物业管理部门进行表彰，每年颁发最佳环境贡献奖，并建议所在单位在评优时优先考虑。