智慧供熱助力城市節(jié)能減排

陳 爽

（天津市節(jié)能協(xié)會 天津 300193）

引言

隨著社會發(fā)展和進(jìn)步，我國不少地區(qū)“城市病”問題將日益凸顯。為實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展，從根本上解決城市發(fā)展的難題，大力建設(shè)智慧城市已成為當(dāng)下世界范圍內(nèi)城市發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的歷史潮流。而智慧供暖作為智慧城市的重要組成部分，在國家相關(guān)政策、供能側(cè)與用戶需求等因素的刺激下逐漸被人們所關(guān)注。在供能側(cè)，傳統(tǒng)的集中供暖雖然解決了大部分片區(qū)的供暖問題，但隨著太陽能、風(fēng)能等可再生能源，地?zé)帷⒑穗姷刃履茉吹氖褂茫瑹嵩锤佣嘣刮覈┡瘜⒊尸F(xiàn)集中分布又相對分散的格局；在用戶側(cè)，受到消費(fèi)升級觀念的影響，追求舒適美觀、個(gè)性化的裝飾成為新一代熱用戶的基本特征；與此同時(shí)，每個(gè)人對于室溫的敏感程度不同、所需的附加服務(wù)不同等也在無形的推動智能化設(shè)備的普及；此外，國家相繼出臺的各種方針政策，也力圖將各種供熱源進(jìn)行優(yōu)化配置，努力實(shí)現(xiàn)供需平衡，并盡可能減少的能耗和污染物排放，滿足供熱需求。

1 城市供熱系統(tǒng)中存在的節(jié)能減排問題

1.1 管理方面

從管理層面出發(fā)，供熱單位之間具有差距性和多元化，在人員配置和資源等方面會出現(xiàn)重疊和不合理現(xiàn)象，造成一定的浪費(fèi)。部分供熱單位的管理制度和控制系統(tǒng)并不超前，競爭機(jī)制不盡完善，也會存在個(gè)別規(guī)劃不科學(xué)盲目建設(shè)的情況。

1.2 技術(shù)方面

煤和燃?xì)庾鳛橹饕剂希紵蠡蚨嗷蛏贂Νh(huán)境造成污染。供熱管網(wǎng)會因老化或設(shè)備老舊等原因，產(chǎn)生跑冒滴漏，造成資源浪費(fèi)。在末端用戶方面由于水力失調(diào)使各個(gè)環(huán)路的流量輸配出現(xiàn)不均衡，導(dǎo)致末端用戶的室溫冷熱不均，室溫偏高的用戶被迫開窗散熱，大量熱能流失。

2 智慧供熱的含義及特點(diǎn)

2.1 智慧供熱的含義

智慧供熱是信息技術(shù)、人工智能技術(shù)與先進(jìn)供熱技術(shù)的深度融合，貫穿于供熱設(shè)備制造、系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建造、人才培養(yǎng)、運(yùn)行維護(hù)、供熱服務(wù)全壽命的各個(gè)環(huán)節(jié)及相應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化集成，用于解決供熱行業(yè)全過程中的復(fù)雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化。在保證供熱設(shè)備安全運(yùn)行的前提下，最大限度地節(jié)能環(huán)保是智慧供熱的基本宗旨。

廣義智慧供熱是以人為基礎(chǔ)、以供熱系統(tǒng)為載體、以信息技術(shù)為先導(dǎo)，在新一代人工智能技術(shù)與先進(jìn)供熱技術(shù)的深度融合基礎(chǔ)上，形成的新一代供熱技術(shù)[1]。廣義智慧供熱包含以信息技術(shù)為先導(dǎo)的狹義智慧供熱，狹義智慧供熱包括智能運(yùn)行、智能管理和人才培養(yǎng)。

2.2 智慧供熱的特點(diǎn)

從供熱發(fā)展趨勢上來看，城市級熱網(wǎng)能有效地保障供熱安全和能源的高效利用。未來隨著城市發(fā)展，以企業(yè)或區(qū)域?yàn)閱挝坏闹行⌒蜔峋W(wǎng)將越來越多，最終匯入到城市級熱網(wǎng)，尤其是大中型城市的熱網(wǎng)將更加龐大，同時(shí)可再生能源等多種熱源也會匯入進(jìn)來更加多元化，而用戶按需供熱的期望也將日益增高。因此在保障熱網(wǎng)安全與高效的同時(shí)，又要滿足客戶的個(gè)性化用熱需求，依靠現(xiàn)有的供熱系統(tǒng)是難以做到的，我們必須通過建設(shè)實(shí)施智慧供熱加以應(yīng)對。也就是通過信息化與工業(yè)化的兩化融合，實(shí)現(xiàn)在安全的前提下對整個(gè)熱網(wǎng)調(diào)控給出最優(yōu)化調(diào)度方案[2]。

智慧供熱是要在保證供熱設(shè)備安全運(yùn)行的前提下，最大限度地節(jié)能環(huán)保。因此智慧供熱系統(tǒng)具有可監(jiān)測、可調(diào)節(jié)、可計(jì)量、可預(yù)測的特征，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的綠色、安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。具體來看，智慧供熱主要體現(xiàn)在智能調(diào)度、智能調(diào)節(jié)、智能診斷、智能維護(hù)、管理及服務(wù)[1]等方面：

（1）智能調(diào)度。系統(tǒng)可以通過自動分析每棟建筑物熱負(fù)荷特性，對熱負(fù)荷進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，進(jìn)而調(diào)整熱源、熱網(wǎng)、換熱站、末端用戶的運(yùn)行模式，優(yōu)化調(diào)整調(diào)度方案，達(dá)到節(jié)能減排效果。

（2）智能調(diào)節(jié)。熱用戶可以根據(jù)自己的溫度需求對室溫進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，比如不使用或利用率低的空間可以降低溫度，減少能源浪費(fèi)。

（3）智能診斷。通過對供熱數(shù)據(jù)的采集與分析，及時(shí)對異常情況進(jìn)行診斷，并進(jìn)行提醒，為后續(xù)提出解決方案提供依據(jù)。

（4）智能維護(hù)。通過地理信息系統(tǒng)技術(shù)和智能處理算法對供熱系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的日常巡檢、維修、保養(yǎng)等活動進(jìn)行智能的排班、路徑規(guī)劃、服務(wù)質(zhì)量與考核分析[1]。

3 智慧供熱系統(tǒng)中的節(jié)能減排

供熱運(yùn)行管理系統(tǒng)、客戶服務(wù)與評價(jià)系統(tǒng)、收費(fèi)管理與支付系統(tǒng)是智慧供熱系統(tǒng)主要內(nèi)容。其中供熱運(yùn)行管理系統(tǒng)就是將傳統(tǒng)低效的管理和運(yùn)行方式進(jìn)行改進(jìn)，減少資源浪費(fèi)現(xiàn)象，保證熱源、熱網(wǎng)和末端的每個(gè)環(huán)節(jié)的高效節(jié)能運(yùn)行。具體來說就是，建立熱源、一次網(wǎng)、換熱站、二次網(wǎng)、樓棟熱力入口、熱用戶等數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，通過有線、無線互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息共享，利用系統(tǒng)云計(jì)算平臺進(jìn)行熱負(fù)荷預(yù)測、熱力平衡計(jì)算分析、虛擬工況熱網(wǎng)水力分析計(jì)算模擬，并實(shí)時(shí)進(jìn)行熱網(wǎng)遠(yuǎn)程智能優(yōu)化運(yùn)行調(diào)節(jié)控制。

3.1 供熱信息系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由熱網(wǎng)系統(tǒng)、地理信息、氣象信息、智能監(jiān)控系統(tǒng)、安全管理、用戶室內(nèi)溫控及遠(yuǎn)程抄表、熱計(jì)量收費(fèi)系統(tǒng)、能源統(tǒng)計(jì)等組成[3]。供熱信息系統(tǒng)能夠高效收集各類技術(shù)參數(shù)，節(jié)約了大量的人力物力。而各個(gè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以為供熱信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)資源合理利用提供技術(shù)支持和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 熱源環(huán)節(jié)的智慧化監(jiān)控調(diào)度

無論是單熱源局部區(qū)域供熱，還是多熱源的聯(lián)網(wǎng)供熱，都需要將熱源的生產(chǎn)情況傳輸?shù)街腔蹮峋W(wǎng)調(diào)度平臺。在熱源各機(jī)組和主管網(wǎng)出口安裝溫度、壓力、流量和能耗計(jì)量裝置，監(jiān)控收集實(shí)時(shí)的供回水溫度、壓力、流量、熱量、補(bǔ)水流量等重要數(shù)據(jù)；系統(tǒng)計(jì)算分析各環(huán)節(jié)能耗、各機(jī)組效率、預(yù)測熱負(fù)荷，根據(jù)未來幾天的天氣預(yù)報(bào)信息，自動計(jì)算出未來幾天的熱量需求情況，并根據(jù)調(diào)度預(yù)案制定熱源出口參數(shù)的運(yùn)行策略，輔助于實(shí)時(shí)天氣情況的修正，提前協(xié)調(diào)安排熱源生產(chǎn)的規(guī)模和參數(shù)，保證供熱管網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，根據(jù)需要優(yōu)化調(diào)度熱源生產(chǎn)，減少能源浪費(fèi)，進(jìn)而減少污染物排放。

3.3 換熱站環(huán)節(jié)的智慧化監(jiān)控

換熱站內(nèi)需要安裝熱計(jì)量表、調(diào)節(jié)閥、變頻等智能設(shè)備設(shè)施。供熱調(diào)度監(jiān)控平臺根據(jù)生成的需熱量目標(biāo)值通過對換熱站智能調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)自控運(yùn)行[2]，使實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與目標(biāo)值相匹配。此外，換熱站需要監(jiān)控調(diào)度人員隨時(shí)掌握站內(nèi)情況，對于無人值守站點(diǎn)一般通過換熱站內(nèi)各運(yùn)行數(shù)據(jù)基本可以了解換熱站運(yùn)行情況是否正常，如果有異常情況出現(xiàn)可自動報(bào)警，調(diào)度人員會通過參數(shù)反饋進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，查找原因并解除異常。但是對一些特殊情況還需要視頻監(jiān)控來監(jiān)視，例如站內(nèi)地面是否有積水、是否有蒸汽、煙霧、是否有無關(guān)人員進(jìn)入站內(nèi)等情況，需要現(xiàn)場處理。此外，同時(shí)在非運(yùn)行期還可以進(jìn)行安全保衛(wèi)監(jiān)控。

3.4 建筑單元熱力入口環(huán)節(jié)智慧化監(jiān)控

監(jiān)測熱力入口處的供熱參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)生成的目標(biāo)值遠(yuǎn)程自動調(diào)整閥門開啟度[2]。可以全面實(shí)現(xiàn)二網(wǎng)的動態(tài)水力、熱力平衡調(diào)節(jié)，進(jìn)而使供熱管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)靈活實(shí)現(xiàn)分階段變流量的運(yùn)行調(diào)節(jié)模式，在供暖初期、末期、寒期優(yōu)化能源消耗，實(shí)現(xiàn)單位建筑的遠(yuǎn)程自控動態(tài)溫控調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能減排效果。

3.5 熱用戶環(huán)節(jié)智慧化監(jiān)控

用戶供水溫度、回水溫度、流量等計(jì)量參數(shù)和頂樓、邊戶、底戶這類典型用戶的室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)傳送到供熱調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)。供熱調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)上傳數(shù)據(jù)與目標(biāo)值進(jìn)行對比，為整個(gè)熱網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)智能調(diào)節(jié)進(jìn)一步的細(xì)化修正提供數(shù)據(jù)依據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)控制，節(jié)約能源。此外，熱計(jì)量運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)還可以進(jìn)行自動報(bào)警，監(jiān)控人員可根據(jù)報(bào)警及時(shí)處理，進(jìn)行遠(yuǎn)程操作開關(guān)調(diào)控，確保熱網(wǎng)正常運(yùn)行。

4 智慧供熱節(jié)能減排的效果

智慧供熱與傳統(tǒng)供熱的區(qū)別是“智慧”，就是將服務(wù)延伸至供熱建設(shè)的各個(gè)環(huán)節(jié)及全壽命周期。整個(gè)供熱系統(tǒng)將向高效率、高質(zhì)量、精細(xì)化、低污染、低消耗、低成本、人性化發(fā)展。達(dá)到系統(tǒng)安全可靠、能源利用高效、低碳清潔經(jīng)濟(jì)的效果。城市供熱系統(tǒng)中存在的節(jié)能減排問題通過實(shí)施智慧供熱就可以迎刃而解。

2019 年天津某大學(xué)利用“智慧熱網(wǎng)云平臺”，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)一體化智能化管控，基于此平臺的管控，已實(shí)現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)28 個(gè)熱力入口的源網(wǎng)一體化的智能化管控。平臺會收集熱源情況、末端用戶的使用習(xí)慣、供熱所在地的實(shí)測溫度和氣象數(shù)據(jù)，提供給仿真運(yùn)行的計(jì)算模型進(jìn)行不斷分析運(yùn)算，推演出最佳的供熱方案并反饋給管控平臺，針對每個(gè)用戶使用情況智能調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)三級供熱精準(zhǔn)化管控，大幅減少熱量消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

未來城市級供熱管網(wǎng)的能源互聯(lián)與服務(wù)互聯(lián)是大趨勢，它的建設(shè)和應(yīng)用，能夠加強(qiáng)供熱行業(yè)管理，建筑能耗定額管理，基于清潔能源供熱差別化補(bǔ)貼機(jī)制的節(jié)能管理；能夠提高供熱質(zhì)量評價(jià)與保障。大數(shù)據(jù)如今已經(jīng)應(yīng)用廣泛，但是真正去做好這項(xiàng)工作的城市和企業(yè)還不多。智慧供熱通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)挖掘、運(yùn)維監(jiān)控等，建立供熱管理和運(yùn)行的大數(shù)據(jù)平臺，將是在節(jié)能減排、霧霾治理新形勢下，提升管理水平和效率的發(fā)展方向，使供熱系統(tǒng)更加安全、智能和綠色，促進(jìn)城市的和諧、可持續(xù)發(fā)展。

結(jié)語

智慧供暖系統(tǒng)投入和使用，可以將運(yùn)行中各種情況更加直觀的展現(xiàn)，它可以通過數(shù)據(jù)來判斷整體的生產(chǎn)運(yùn)行情況，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控對設(shè)備設(shè)施進(jìn)行相應(yīng)的檢測和控制。系統(tǒng)可以對換熱站進(jìn)行相應(yīng)的溫度、壓力、流量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)末端用戶室溫和熱源檢測數(shù)據(jù)的相互匹配，以確保出現(xiàn)問題可以及時(shí)快速調(diào)整，避免能源浪費(fèi)，真正實(shí)現(xiàn)“無人值守，遠(yuǎn)程操控”，大大節(jié)約了資源。它將是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、清潔供熱的重要手段，同時(shí)也是建設(shè)好智慧城市的重要一環(huán)。