大学生创新实验项目申报书

项目编号

郑州轻工业学院 大学生创新实验项目申报书

项目名称 高校教学楼供暖节能控制系统 项目来源 自主立题 项目组成员 刘现杰 黄丁伟 程莹莹 所在院（直属系） 电气信息工程学院 指导教师 陈志武 填写日期 2014 年4月3日

教务处制 二○一○年十月

填 写 须 知

一、大学生创新性实验计划申报书请按顺序逐项填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨。空缺项要填“无”。

二、格式要求：表格中的字体小四号仿宋体，1.5倍行距；需签字部分由相关人员以黑色钢笔或水笔签名，均用A4纸双面打印，于左侧装订成册。

三、申请参加大学生创新实验项目团队的人数含负责人在内不得超过5人。

四、项目先由所在院（直属系）进行组织初审后，推荐上报的项目由学院分管领导在申报书上签署意见、签字并加盖公章后，一式两份（均为原件），报送教务处实践教学科。

五、申报过程有不明事宜，请向教务处实践教学科咨询。

一、基本情况

项目名称 项目类别 姓名 项目负院（直属系） 责人 手机 姓名 黄丁伟 性别 男 程学院 电气信息工程莹莹 姓名 陈志武 女 程学院 性别 男 出生年月 1976.04 职称 讲师 联系电话 13526502975 签字 自动化 刘现杰 性别 高校教学楼供暖节能控制系统 ?应用性研究 男 民族 汉 专业班级 2011级01班 13323820687 院（系） 电气信息工项目组成员 E-mail 专业班级 自动化 1289539422@qq.com 分工 PLC程序编程和文案整理 签字 出生年月 1990.05 电气信息工程学院 建筑电气与智能化监控组态的组建 指导承担质量工程项目、指导学科竞赛等情况： 教师1.参与电气控制及可编程序控制器省级精品课程建设 情况 2.参与GE实验室建设 3.指导“台达杯”竞赛项目 4.指导GE大学生创新竞赛项目 5.指导第七届全国信息技术应用水平设计大赛 二、前期基础

（研究成员的知识条件、研究兴趣、相关经历及开展本项目的基础） 刘现杰，男，电气信息工程学院建筑电气与智能化专业11级大三学生。成绩优异，曾多次获得奖学金及“三好学生”称号。曾参加学校第十九届科技文化艺术节电子基本技能及设计大赛和院级趣味电子知识竞赛并获得优秀奖。 黄丁伟，男，电气信息工程学院自动化专业11级大三学生。专业基础知识扎实，勤奋刻苦，曾参加过学校电子技术拓展训练和科技文化艺术节电子技能设计比赛，并获得校级优秀奖。 程莹莹，女，电气信息工程学院自动化专业11级大三学生。成绩优异，曾多次获得奖学金及国家励志奖学金。曾参加学校第十九届科技文化艺术节电子基本技能及设计大赛和院级趣味电子知识竞赛并获得优秀奖。曾担任学校电子科技协会部长。曾参加“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛。 三、研究方案

1、研究意义与目的，同类研究工作国内外研究现状与存在的问题等 在北方的城市生活中，暖气一直是冬天不可少的生活必需品，随着我国高等教育规模的不断扩张，校园供暖负荷也骤然增加。然而，由于缺乏有效的自动检测及调控装臵，不能采用有效的节能措施，不仅导致资源严重浪费，也加重了环境负担。 通过调查发现，高等院校教学楼现有供暖系统主要存在以下问题： 1.大部分高校并未对教学楼的供暖采取分时措施，在晚上和节假日等没有供暖需求时，依旧正常供暖，造成了能源的极大浪费以及设备的损耗。 2.现有供暖系统不能根据一天室内外温度的变化适时调整供热流量的大小，导致热量损失及能源浪费。 3.日常运行及检修主要依靠人工操作实现，自动化程度很低，信息滞后，严重影响到整个供暖系统的正常运行和参数调节。 针对以上高校教学楼的供暖现状以及存在的问题，我们团队设计了一套完整的供暖节能控制系统，预期可节能20%～25% ，这对高等院校缓解资金紧张局面，建设节约型校园大有裨益。

2、研究内容及工作方案 本方案是高校教学楼供暖节能控制系统，针对高等院校供暖系统常见的缺乏实时监测与调控、水平衡失调等方面的问题，采取分时供暖、实时监控温度补偿等手段，实现高校教学楼供暖系统的节能优化运行。图1为12层教三楼整体设备连接示意图。 图1 设备连接图 每个楼层均设有三个室内温度传感器，整栋楼设有三个室外温度传感器用来对室内、外温度进行采集并传送给PLC，每两层楼设有一台PLC，PLC对采集的温度用求平均值的方法进行判断处理，并将处理结果转换成控制命令传送给各楼层的电动比例阀门，从而实现对流量的控制，PLC将温度传送给室内温度显示器，实时显示室内温度。在总控制室的人机界面可以对暖气开通时间进行设定，也可以对教室暖气运行情况进行监控。 1．分时供暖的科学安排 根据学校的作息制度，应该制定出室外温度补偿方式下的分时调控措施。可将正常上课时间的供暖分为如图2所示的几个阶段。

图2 分时供暖示意图 从左到右流程依次为：夜晚来临时，控制系统在人员离开前按照设定的时间提前将暖气切断，不再进行闭环控制。在人员离开前充分利用房间余温保持温度，当人员离开时室内温度刚好降至16℃左右，同时，节约了不必要的能源浪费。经过一夜的自然冷却，建筑物内的温度降至较低值;由于暖气供暖的滞后性，故必须提前将暖气开启。当达到暖气开通时间点时，暖气被打开，温度开始上升，当人员到达时刚好达到预设温度18℃附近。 2．实时远程监测、即时温度补偿 在供暖过程中只提供一种供暖温度是不合理的。随着室外温度的下降，供暖系统供回水管道上的热损失增加，教室需要更多的热量保持室内温度适宜；反之，供暖系统则应该提供较少的热量。同时，供暖过程中应该及时掌握教室室内温度，使教室室内温度保证在(18±2）℃ ，避免热能的浪费。如果室内温度低于16℃，则控制阀门的开度开大；同理，如果室内温度高于20℃，则控制阀门的开度变小。上述温度调节可以通过气候补偿来自动实现，图3为气候补偿工作原理示意图。

控制器（ 气候补偿 ）TnTn室内温度室外温度T供水温度楼层供水回水T温度M电动阀门楼层回水图3 气候补偿原理图 气候补偿的工作原理是根据室内温度和室外温度的变化，自动控制回水管电动阀门，调节供水热能，实现系统供水温度的气候补偿。控制系统通过室外温度传感器和远端温度采集器测得室外温度和室内温度，并根据采集的室外温度、室内温度和供水温度的对应关系计算出回水温度t1；同时，控制系统通过回水温度传感器测得实际的回水温度t2；最后制热系统令这两个参数进行对比，若t1>t2，控制系统发出指令给电动阀门，开大回水侧，直到t1＝t2时，电动阀门停止动作；若t1

用附加阻力消除用户剩余的资用压头。在近端用户（1-4层）系统安装完善的温控阀、平衡阀等自动调节设备。通过安装自动调节设备来消除剩余压头，使各个环路实现阻力 T供水温度M电动阀门T回水温度十二层T供水温度M电动阀门T回水温度六层T供水温度平衡阀M电动阀门T回水温度一层供水管回水管M电动阀门图4 管网安装示意图 平衡的措施，称为“附加阻力平衡”技术。它的特点是循环水泵具有足够的流量和扬程，减少过热用户的热量浪费，获得节能效果。 将供暖方式进行改造，由单管顺流上供下回式改为双管同程并联式。与单管顺流上供下回式相比具有每一组暖气片均可以单独控制、温度比较均匀、系统的水流平衡较等优点，不会出现末端不热的现象。改造后的管网如图4所示。 4．节能效益分析 当前郑州轻工业学院教三楼供暖计费方式为按面积收费。郑州市每年供暖时间为11月15日~3月15日，期间教三楼正常供暖时间为87天。

郑州市供暖计费标准为每天0.28元/㎡（按面积），190元/蒸吨（按流量）。 经估算教三楼总供暖面积为16726.08㎡，则教三楼一个采暖季总费用为16726.08*0.28*87≈40.74万元。 采用本系统按照流量计费后，根据《采暖通风与空气调节设计规范》 GB50019-2003： 1、通过围护物的温差传热作用下的基本耗热量: Qj=K*F(tn-tw)*a Qj--通过供暖房间某一围护物的温差传热量(或称为基本耗热量),W; K--该面围护物的传热系数,w/m2℃; F--该面围护物的散热面积, m2+； tn—室内空气计算温度, ℃； tw—室外供暖计算温度, ℃； 2、.附加耗热量 : Q1= Qj*(1+βch+βf)*(1+βfg)+ Qj *βx Q1—附加耗热量； βch—朝向附加率(或称朝向修正系数)； βf—风力附加率(或称风力修正系数)； βfg—高度附加； βx –外门附加 3、通过门窗缝隙的冷风渗透耗热量： Qs=0.28* CP*V* ρW*(tn-tw) CP—干空气的定压质量比热容, CP=1.0KJ/Kg〃℃ V—渗透空气的体积流量,m3/h； ρW—室外温度下的空气密度kg/ m3； tn --室内空气计算温度, ℃； tw --室外供暖计算温度, ℃ 通过计算得出，一个供暖季约用热量为940蒸吨，总费用为940*190≈17.86万元。40.74万元-17.86万元=22.88万元，节能效果显著。 5. 系统流程图 系统流程图如图5所示。

开始时钟系统否是否在供暖期是测温系统是否在假期或周末是否否是否在供暖时间段是否室内温度是否大于20 是否室内温度是否小于16 是阀门调至最小开度保持阀门开度开大电动阀门关小电动阀门结束 图5 系统工作流程图 本系统的实施将极大地提高能源利用率，减少能源的浪费，减少热电厂因热能过度生产而造成的环境损害，既节能又环保，社会意义重大；对于高校而言，能够有效的提高供暖系统的节能水平，延长设备使用寿命，实现校园供暖系统安全、高效、节能地运行，预期可节能20%-25%。这对高等院校缓解资金局面，建设节约型校园大有裨益，市场推广前景广阔。

3、支持条件（使用仪器或设备） GE Rx3i系列PAC（GE实验室已有） AI/O扩展模块 人机交互装臵HMI 电动比例阀门执行器 热电偶传感器 供水管道 4、预期研究成果（研究论文、设计、专利、产品、鉴定、推广应用等） 目前正处于研究论文阶段，预期做出对应的产品并推广应用。 5、项目创新之处 1.分时供暖。高校智能供暖系统会根据学校作息时间制定出合理的供暖流量流速自动调节计划，避免在夜晚和假期等无人时段出现供暖浪费现象。 2.

6、研究进度及安排（查阅资料 、选题、项目研究方案、开题报告、实验研究、数据统计、处理与分析、研制开发、结题、撰写研究论文和总结报告、参加结题答辩和成果推广等） 7、经费使用计划 四、推荐评审意见

1、指导教师推荐意见（选题意义、研究方案的科学性、研究方案的可行性等）

导师签字： 年 月 日 2、项目负责人所在院（直属系）意见 教学负责人签字（盖章）： 年 月 日 3、项目评审组意见 组长签字： 年 月 日 4、学校主管部门审批意见 负责人签字（盖章）： 年 月 日

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