5G+智慧能源供熱系統(tǒng)的研究

（山東國辰實業(yè)集團有限公司，山東濟南 250000）

0.引言

隨著我國城市化建設(shè)步伐的不斷加快，城市規(guī)模和人口在急劇的擴張，城市集中供熱系統(tǒng)也迅速發(fā)展起來并不斷壯大。我國傳統(tǒng)的供熱企業(yè)供熱方式粗放，以燃煤為主的供熱方式造成的能源消耗較高，而且產(chǎn)生了一定程度的大氣污染；部分傳統(tǒng)的供熱企業(yè)管理模式相對落后，仍采用人工巡站的方式，人力成本較高；供熱企業(yè)不能實時得到用戶終端供熱溫度，與客戶終端存在溝通時效等問題。與發(fā)達國家相比，目前，我國的人均住宅面積和人均供熱水平仍然處于非常低的層次，覆蓋范圍遠遠不夠，供熱質(zhì)量遠遠不夠，尤其是寒冷地區(qū)廣大農(nóng)村的采暖，是高能耗低熱效率的原始采暖方式，必須加以改進，總的來說，我國供熱工業(yè)的市場前景極其廣闊[1-3]。

1.城市供熱系統(tǒng)

1.1 城市供熱系統(tǒng)介紹

我國的部分地區(qū)由于冬季寒冷，城市供熱成為現(xiàn)代化城市建設(shè)中不可缺少的一部分，而供熱系統(tǒng)在其中扮演著重要角色，它是城市化建設(shè)推進過程中不可或缺的一部分，也是構(gòu)建新型城市化體系中重要的基礎(chǔ)設(shè)施。城市供熱系統(tǒng)能夠給城市提供所需的熱源，滿足人們供暖的需要，還能夠高效利用能源，達到降低能耗保護生態(tài)環(huán)境的作用。從結(jié)構(gòu)上看，供熱系統(tǒng)主要可以分為供熱源、供熱管網(wǎng)和用戶，整體呈現(xiàn)一種發(fā)射型的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而且供熱網(wǎng)絡(luò)正在不斷地增大。

1.2 城市供熱系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前市場上存在的供熱方式有獨立式供熱[4]、燃氣供熱[5-7]、地板輻射供熱[8-11]、區(qū)域集中供熱[12-13]。其中獨立式供熱方式因為不經(jīng)濟、不環(huán)保，而且能源消耗高、成本巨大，目前正逐步被市場淘汰；燃氣供熱是以天然氣、煤氣等作為能源，分戶計量，雖然環(huán)保性能優(yōu)越，但單位能耗高、極不經(jīng)濟，也幾乎沒有市場價值，而且存在安全隱患；地板輻射供熱可以由燃氣采暖爐、熱力管網(wǎng)等各種方式提供熱源，此種類型所帶來的熱量溫度適中，但隨著使用年限的增加地板會出現(xiàn)變形；區(qū)域集中供熱是通過供熱管道輸送到用戶終端，此種類型較為清潔，且使用年限較長，性價比相對較高，在未來10年內(nèi)將獲得較快的發(fā)展，必將占領(lǐng)相當(dāng)一部分原采取獨立式供熱的市場。

2.城市供熱系統(tǒng)性能優(yōu)化與提升

城市供熱系統(tǒng)中二次間接供熱主要依靠換熱機組來實現(xiàn)，其中換熱機組是由換熱器、疏水閥組循環(huán)泵等多個零部件構(gòu)成的熱交換站，目前市場上的換熱機組都已具備標準化，其大小適中，運行起來較為穩(wěn)定且容易操作，在城市供熱系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的地位。肖井雙[14]闡述了城市以集中供熱為主，利用換熱機組來實現(xiàn)供熱，可以最大程度的實現(xiàn)節(jié)能降低成本的效果，同時還指出了目前換熱機組供熱質(zhì)量和熱負荷太大等方面的不足。目前諸多學(xué)者和企業(yè)通過換熱機組的優(yōu)化、互聯(lián)網(wǎng)與供熱系統(tǒng)的結(jié)合等方式來實現(xiàn)供熱能源效能的最大化。

2.1 換熱機組的優(yōu)化

通過優(yōu)化調(diào)控、仿真等多種手段提高換熱機組的供熱效率，張程[15]分析了目前換熱機組的狀況，從供熱系統(tǒng)中散熱機的結(jié)構(gòu)特點、換熱機組方便維修、換熱機組可以進行智能控制闡述了供熱系統(tǒng)的優(yōu)勢，并從換熱機組的具體應(yīng)用論證其在供熱系統(tǒng)中的重要作用。

郭榮祥等[16]設(shè)計了一種由兩個模糊PID控制器相并連的控制器來提高溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準確性，利用matlab軟件中的simulink工具箱對不同溫度控制器的控制效果進行仿真對比與分析，以此來提高溫度控制效果。如圖1所示遠程集中供熱系統(tǒng)工藝圖。

圖1 遠程集中供熱系統(tǒng)工藝圖

高曉佳等[17]換熱站的自動控制系統(tǒng)進行分析，通過具體的實驗得到的相關(guān)動態(tài)數(shù)據(jù)，綜合分析后對閥門的開口程度進行調(diào)節(jié)，可以達到循環(huán)泵定溫定頻運轉(zhuǎn)的結(jié)果。如圖2所示換熱站自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2 換熱站自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

劉亞鵬[18]主要分析了換熱站整個流程中出現(xiàn)的故障，針對這些故障提出了相關(guān)的改進措施，從而達到節(jié)能增效、減少成本的作用。Jamil Muhammad Ahmad[19]介紹了智能供暖系統(tǒng)，研究加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參考溫度和熱水消耗之間存在永久的相關(guān)性，利用控制算法和數(shù)值模型得到的數(shù)據(jù)與實驗相對比，最終得到必須考慮到補償器的設(shè)計，使系統(tǒng)內(nèi)部沒有自激振蕩集成，以此達到特定的溫度控制。蘆亞男[20]利用HacNet軟件建立相關(guān)模型，然后對傳統(tǒng)閥門供熱系統(tǒng)、分布式供熱系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行模擬，對分布式變頻供熱的智能運行管理系統(tǒng)進行實驗，最終得到最適合智能供熱系統(tǒng)的管網(wǎng)形式。Jia Yao等[21]提出了一種針對板式換熱器溫度區(qū)間的智能級聯(lián)控制方法，建立了用于供水溫度區(qū)間的智能控制方法，該方法包括用于供水的基于PI的前饋控制和用于蒸汽流量的基于PI的上限約束控制，能夠保證供氣溫度在其技術(shù)指標范圍內(nèi)，并且當(dāng)系統(tǒng)受到室外溫度和隨機干擾時，能夠?qū)崿F(xiàn)較小的蒸汽流量波動范圍。

2.2 “互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源供熱系統(tǒng)

在互聯(lián)網(wǎng)時代的大背景下，互聯(lián)網(wǎng)與供熱系統(tǒng)的結(jié)合大大提高了能源使用率，提高了供熱效率。馮亦武等通過實際應(yīng)用闡述了智能熱網(wǎng)的具體方法，論證了“互聯(lián)網(wǎng)+”集中供熱系統(tǒng)的可行性和經(jīng)濟性，通過對智能熱網(wǎng)進行相應(yīng)的技術(shù)提升和改造，既大大改善了供熱的效果，又確保了供熱的穩(wěn)定性和安全性，確保用戶能夠得到較高的供熱質(zhì)量，同時也大大降低了熱力企業(yè)的成本，圖3所示為智能熱網(wǎng)整體框架圖。

圖3 智能熱網(wǎng)整體框架圖

羅雅過從智能供熱監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，提出了基于web的移動網(wǎng)絡(luò)下的智能供熱監(jiān)控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)節(jié)能提效的目的。柴春蕾提出了一種智慧供熱系統(tǒng)，該智慧供熱將各部件連接成網(wǎng)絡(luò)，采用供熱系統(tǒng)數(shù)字化集成得到的實時信息，構(gòu)建能夠智能化分析、診斷和調(diào)節(jié)的新型供熱系統(tǒng)，最終形成一種既節(jié)能又環(huán)保、既安全又穩(wěn)定的供熱模式。

郭致才[22]提出新型供熱智能化監(jiān)管系統(tǒng)進行智慧監(jiān)管以及管理，能夠保證供熱系統(tǒng)遠程化管理，確保供熱穩(wěn)定運行，能夠降低供熱系統(tǒng)問題發(fā)生頻率，能夠?qū)崟r監(jiān)測供熱系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)點，真正促進供熱質(zhì)量的提升。張玉增等[23]研究形成供熱工作的“互聯(lián)網(wǎng)+”管理新模式，結(jié)合微信民生覆蓋的特點，實現(xiàn)供熱工作末端精益化控制的閉環(huán)管理，全面提高網(wǎng)絡(luò)化智能供熱服務(wù)。建立一套以互聯(lián)網(wǎng)“供熱云”為基礎(chǔ)的全新大數(shù)據(jù)管理模式，宏觀分析和管理運行數(shù)據(jù)及統(tǒng)計報表。白鶴等[24]利用互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺，通過分析得到的數(shù)據(jù)，將管網(wǎng)水力狀況等多個數(shù)據(jù)納入分析監(jiān)控范圍，一旦換熱站運行狀態(tài)出現(xiàn)問題，便可立馬做出預(yù)測，并根據(jù)預(yù)測等級實現(xiàn)報警，確保整個供熱系統(tǒng)的精準調(diào)控。

侯俊杰[25]探討了如何實現(xiàn)供熱源、供熱管網(wǎng)以及換熱站的同步動態(tài)平衡，目的是為了能夠確保供熱工作相對穩(wěn)定，能夠達到較好的供熱效果，為研究供熱系統(tǒng)的成本性、平穩(wěn)性提供較好的理論基礎(chǔ)。王洪偉等[26]闡述了智慧供熱調(diào)度中心包含的具體部分，涉及供熱操作平臺、熱源的智慧控制、無人值守換熱站等。如圖4所示為智慧供熱管理平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖4 智慧供熱管理平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

楊瑞[27]利用負荷預(yù)測系統(tǒng)等設(shè)施，實現(xiàn)系統(tǒng)從具體的負荷預(yù)測到能夠做出判斷，再到能夠進行一個動態(tài)的調(diào)節(jié)反饋，最后能進行一個綜合的分析，從而建立一個相對完善的供熱體系。J.Y.Zhu等[28]提出了一種啟發(fā)式的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與控制集成的方法，將基于夾點設(shè)計方法的熱交換器和網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起，開發(fā)了實現(xiàn)啟發(fā)式方法的智能系統(tǒng)，它以最低的總成本和最高的結(jié)構(gòu)可控性成功地應(yīng)用于熱交換器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。岳禎金[29]結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)建立一個比較穩(wěn)定、比較高效節(jié)能的城市居民區(qū)熱網(wǎng)集散控制系統(tǒng)，同時搭建了智能化的監(jiān)控平臺，利用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的控制，最終實現(xiàn)了高效率、高效能、低能耗的效果。

3.5G+智慧能源供熱系統(tǒng)的發(fā)展前景

5G是指第五代通訊技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)相比于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)來說，它的主要優(yōu)勢就在于傳輸速率遠遠高于4G網(wǎng)絡(luò)，而且具有較低的網(wǎng)絡(luò)延遲，能夠迅速的做出響應(yīng)，它同時具有非常巨大的網(wǎng)絡(luò)存儲量，能夠滿足大型設(shè)備的廉潔，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通信，目前5G網(wǎng)絡(luò)已逐漸應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)等多個領(lǐng)域，為各行的發(fā)展注入了強大動力[30-35]。

3.1 5G+智慧能源供熱系統(tǒng)的性能優(yōu)勢

5G+智慧能源供熱系統(tǒng)的無人值守換熱機組，目前從技術(shù)而言，已經(jīng)能夠滿足客戶終端對供熱的需求，它的原理是利用變送器遠程傳輸數(shù)據(jù)，經(jīng)過信號傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對當(dāng)前的狀態(tài)進行監(jiān)控的同時，并將控制信號傳遞至具體的執(zhí)行機構(gòu)，從而調(diào)整供熱系統(tǒng)，實現(xiàn)對二次供水、回水的溫度調(diào)節(jié)。5G+智慧能源供熱系統(tǒng)的優(yōu)勢有：一是系統(tǒng)可以針對天氣狀況等實際情況對系統(tǒng)進行動態(tài)平衡控制，從而對供熱管網(wǎng)流量的控制，達到降低成本的作用。二是系統(tǒng)可以實時監(jiān)控各個換熱站的具體參數(shù)，能夠監(jiān)控整個換熱機組運行狀況。三是系統(tǒng)所需的工作人員較少，且人機交互界面較為人性化，能夠非常容易地進行教學(xué)操作。四是系統(tǒng)能夠設(shè)置臨界參數(shù)，一旦發(fā)生參數(shù)異常的情況下，能夠第一時間進行報警處理，從而保證了系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

3.2 5G+智慧能源供熱系統(tǒng)的成本優(yōu)勢

5G+智能智慧能源供熱系統(tǒng)中，高效節(jié)能換熱機組實際占用空間較小，它的結(jié)構(gòu)完善，外形美觀，而且系統(tǒng)操作起來較為方便，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性較強，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的效率和較低的成本。另外其高效節(jié)能換熱機組節(jié)電效率和節(jié)約能源效率同時也降低了用戶的售后維護成本。

3.3 5G+智慧能源供熱系統(tǒng)定位優(yōu)勢

目前我國的“三北地區(qū)”―華北、東北、西北冬季寒冷，人們的工作、學(xué)習(xí)和居住環(huán)境必須配備采暖設(shè)施，隨著人們對生活質(zhì)量要求的不斷提高，我國境內(nèi)對供熱的需求已漸漸向西南、中部等地區(qū)延伸，同時供熱的需求正逐漸從大中城市向小城市、農(nóng)村地區(qū)擴展。另外大量的生活熱水也為 5G+智慧能源供熱系統(tǒng)提供了潛在的需求。

4.結(jié)論與展望

根據(jù)目前已有的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，伴隨著供熱系統(tǒng)的不斷發(fā)展和供熱系統(tǒng)的不斷普及，換熱機組應(yīng)用越來越多，換熱機組的優(yōu)化、傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)與供熱系統(tǒng)的結(jié)合等方式可以提升供熱效能，但5G+智慧能源供熱系統(tǒng)的結(jié)合必然會對供熱行業(yè)提供了一個質(zhì)的飛躍，其優(yōu)勢如下：

（1）實現(xiàn)了供熱系統(tǒng)中換熱的全智能化，尤其是供熱流量、溫度的智能調(diào)節(jié)，通過這種智能化的控制，可以達到對調(diào)節(jié)水泵智能控制出力的效果，從而有效的節(jié)約能源以及控制成本。

（2）通過對供熱溫度進行實時的動態(tài)平衡調(diào)節(jié)控制，能夠有效地節(jié)約能源，減少了熱能的消耗，最大程度地降低了資源成本，間接地為企業(yè)增加了經(jīng)濟效益。通過手機App實現(xiàn)了產(chǎn)品與用戶終端數(shù)據(jù)的無縫對接，通過對實時反饋的數(shù)據(jù)進行分析，然后對產(chǎn)品實時智能控制，真正做到了智能化無人值守。

（3）采用先進的5G+智慧能源供熱系統(tǒng)相結(jié)合的換熱方式，能夠讓供熱管網(wǎng)中的熱量達到較為均衡的狀態(tài)，從而提高供熱的效率，并且能夠得到現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的反饋，同時可根據(jù)反饋運行數(shù)據(jù)自動調(diào)整以達到最為節(jié)能最為高效的換熱模式。這種對換熱站的近乎全自動控制，對于節(jié)能增效具有很大的效果，同時也能起到降低污染、保護環(huán)境的作用。