“雙碳”背景下智慧供熱發展與探討

關寶良 梁辰 喬梁 王猛 孟思宇

摘 要：隨著我國“雙碳”戰略的持續推進，在構建清潔低碳、安全高效能源體系與大力發展清潔能源供熱的新時代背景下，更清潔、更低碳、更高效、更靈活是今后行業發展的必然要求，供熱行業的節能轉型勢在必行。同時，隨著企業數字化轉型升級深入推進，集中供熱發展正式向清潔低碳、高效靈活的智慧供熱邁進。筆者針對智慧供熱產生的“雙碳”背景進行敘述，分析了當代供熱行業發展的痛點，論述了智慧供熱發展目標與途徑，探討了“雙碳”背景下智慧供熱的發展。

關鍵詞：智慧供熱;雙碳;節能減排

中圖分類號：TK115 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）10-0096-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.022

Development and Discussion of Intelligent Heating Under the Background of Carbon Peaking and Carbon Neutrality

GUAN Baoliang? ? LIANG Chen? ? QIAO Liang? ? WANG Meng? ? MENG Siyu

（Beijing Tianyueheng Housing Management Company Limited，Beijing 100069，China ）

Abstract： With the advancement of country's carbon peaking and carbon neutrality strategy， in the context of the new era of building a clean， low-carbon ，safe and efficient energy system and vigorously developing clean energy heating， Clean， low-carbon， high-efficiency and flexibility are the inevitable requirements for future industry development. The energy-saving transformation of the heating industry is imperative.At the same time， with the in-depth advancement of digital transformation and upgrading of enterprises， the development of central heating has officially moved towards clean， low-carbon， efficient and flexible smart heating.This article describes the carbon peaking and carbon neutrality background generated by smart heating， analyzes the pain points of the contemporary heating industry， discusses the goal approaches and developments of intelligent heating under the background of carbon peaking and carbon neutrality.

Keywords： intelligent heating; carbon peaking and carbon neutrality; energy conservation

0 引言

區域供熱是城市能源建設中的一項重要舉措，以熱水或蒸汽為介質，經過供熱管網向全市或某一區域的用戶供應生活、生產用熱，主要應用在工業和民用建筑的采暖、通風、空調和熱水供應以及各種生產過程中。集中供熱具有能源利用率高、燃料消耗量少、環境污染程度低、供熱成本低的優點。

隨著我國城鎮化進入提質升級的發展階段，我國的供熱能力與供熱總量發展迅速。根據《中國統計年鑒2021》城市集中供熱情況，2020年全國供熱總量為410 058萬GJ、熱水供熱總量為345 004萬GJ;而1981年全國蒸汽供熱總量為824萬GJ、熱水供熱總量為183萬GJ，年復合增長率分別為17.3%、21.3%[1]。隨著供熱的迅速發展，產生了污染嚴重、能源浪費、設備效率低、檢修困難、人員工作量大等一系列問題。

2021年10月24日，中共中央、國務院印發《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，提出了構建綠色低碳循環發展經濟體系、提升能源利用效率、提高非化石能源消費比重、降低二氧化碳排放水平、提升生態系統碳匯能力等5個主要目標，確保如期實現碳達峰、碳中和;同時明確了工作重點任務，即推進經濟社會發展全面綠色轉型、深度調整產業結構、加快構建清潔低碳安全高效能源體系等10個方面[2]。

供熱作為構建“清潔低碳、安全高效”現代能源體系的重要組成部分，是關系國計民生的生命線工程。伴隨著碳達峰與碳中和的目標，在節能減排、大氣霧霾治理形勢下，北方地區采暖能耗巨大，供熱行業通過新技術進一步降低能源消耗是節能減排、霧霾治理的重要手段。在“雙碳”目標、能源變革與綠色發展的大時代背景下，智慧供熱利用人工智能、云計算、大數據、仿真系統及物聯網和GIS定位等技術，建立供熱感知體系，對供熱系統的生產和調度運行進行一體化管理，實時監控系統內重要設施設備和運行參數，通過負荷預測、數據分析和運行策略優化，提高系統安全運行管理水平，實現按需供熱和精準供熱。

隨著“雙碳”概念的提出及“互聯網+”的發展，供熱行業涉及能源領域，傳統行業間壁壘越來越薄弱，如何將能源、互聯網、物聯網、優質服務、民生幸福相互結合成為關注焦點。筆者通過對“雙碳”背景下智慧供熱的介紹，分析了當代供熱行業發展痛點，論述了智慧供熱的目標與途徑，探討了智慧供熱的未來發展方向。

1 當代供熱行業發展痛點

隨著供熱行業的快速發展，同時伴隨著一系列問題。

社會民生方面：供熱管網存在安全事故風險，易造成人員傷亡和大面積供暖問題;供熱造成的環境污染成為影響北方空氣質量的原因;供熱是冬季第一民生問題，供熱質量投訴多，缺乏有效管理。

行業技術方面：沒有統一覆蓋“熱源—一次網—熱力站—二次網—熱用戶”的數據信息系統，無法實現熱網統一的智能化調控;企業監控中心及熱力站自動控制系統功能簡單，沒有數據分析功能，人工經驗調控勞動強度大、效率低;供熱效果差，冷熱不均，一網、二網水力失調普遍，人工調節工作量大，投訴較多;企業監控平臺技術落后，不能滿足智慧供熱大數據分析、優化調控的要求;熱源、熱力站、二次網（水力平衡、室溫采集、熱計量）多套監控系統獨立存在，數據不能實現相互調用，存在信息孤島，無法實現數據聯通與數據共享，不能形成有效的節能調控策略。熱源、熱網、熱力站、熱用戶的問題導致供熱行業具有高能耗、高投入、高排放、低效率的“三高一低”特點[3]。供熱行業亟須改變，安全、舒適、綠色、低碳、智能等將成為供熱的發展方向。

2 智慧供熱發展目標與途徑

智能供熱是以供熱物理設備網為基礎，以供熱信息物聯網為支撐，通過智能決策系統，為運行管理人員提供輔助決策支持，形成在保證室內舒適度的前提下，降低運行能耗的供熱系統形式[4]。智慧供熱總體發展目標是向著人性化、智能化、效率化、精細化、一體化發展，關注供熱服務的全生命周期，滿足政府監管、企業高效、用戶舒適等多方業務價值，通過數據治理和智能算法分析能力、一次網/ 二次網/供熱用戶室溫采集等感知手段，結合全網供熱數據的全融合和全網平衡調控，實現政府監管的“人治”到“數治”，服務熱企的“人控”到“智控”，在保障居民供熱均衡、居住滿意度的同時，促進“雙碳”背景下的能源融合發展。

2.1 智慧設備網

智慧設備網將熱源、熱網、熱力站、熱用戶等4部分進行“智慧化”，智慧設備網的組成如圖1所示。熱源是指將能源形態轉化為符合供熱要求的熱能形態的設施，其智慧化是指采集熱源內介質溫度、壓力、流量等數據，并進行學習、分析和預測，對所有動力設備實現智能化控制和安全管理。熱網是指連接熱源和熱力站，以及熱力站和熱用戶的供熱管線的總稱，前者為一次網、后者為二次網，其智慧化包括關鍵節點數據遠程監測、管線測漏、井室智能監測和井蓋防盜報警等。熱力站亦稱換熱站，是指將熱源提供的高參數熱量轉換為適用于熱用戶的低參數熱量的設施，其智慧化是指采集熱力站內介質溫度、壓力、流量等數據，并進行學習、分析和預測，對所有動力設備實現智能化控制和安全管理。熱用戶是指從二次網獲得熱量的供熱系統終端，包含樓棟熱力入口、樓棟內公共管道和住戶系統，其智慧化是指采集樓棟熱力入口的供回水溫度、壓力、流量等關鍵數據和能夠反映建筑內部溫度的典型住戶室溫數據，對樓棟熱力入口或住戶進行智能化控制和安全管理。

智慧設備網的建設從熱源、管網、熱力站及熱用戶出發，從基礎方面設置智慧化供熱關鍵設備。智慧設備網作為智慧供熱的基礎，以實現設備網的可調可控、管網平衡與自動調節為目標。熱源智慧化設備包括在線遠傳溫度、濕度、壓力、煙感、水浸傳感器，有毒有害氣體檢測，水、電、熱數據遠傳表，變頻器及配套變頻柜、電動閥等一系列鍋爐自控設備，以及數據采集器、通信網關、熱源智能控制系統等新能源設備。熱網智慧化設備包括在線遠傳溫度、濕度、液位、壓力、位移傳感器，管道泄漏報警系統等管網感知設備。熱力站智慧化設備包括在線遠傳溫度、濕度、壓力、水浸傳感器等傳感設備，以及遠程電動調節閥等調節設備。熱用戶智慧化設備包括室溫采集器等采集設備，電動調節閥、平衡閥、電控箱等熱用戶設備以及熱表擴展模塊等單元閥設備。

2.2 信息物聯網

信息物聯網的建設從網絡層、邊緣層、Laas出發，實現數據的采集、傳輸、存儲與核查。信息物聯作為智慧供熱的途徑，以實現數據傳輸完整、穩定、可靠為目標，信息物聯網的組成如圖2所示。

信息物聯網的網絡層通過通信網絡進行信息傳輸，將感知設備獲取的信息安全、可靠地傳輸到平臺應用層，實現接入功能與傳輸功能，包括固網、4G、5G、物聯網NB-loT等方式，承擔著巨大的數據量，面臨更高的服務質量要求，利用新技術以實現更加廣泛和高效的互聯功能。邊緣層基于高性能計算、實時操作系統、邊緣分析算法等技術支撐，在靠近設備或數據源頭的網絡邊緣側進行數據預處理、存儲以及智能分析應用，提升操作響應靈敏度、消除網絡堵塞，與云端數據分析協同。Lass層是云服務中的基礎設施即服務，包括處理、存儲、網絡和其他基本的計算資源，用戶能夠部署和運行任意軟件，包括操作系統和應用程序。

2.3 智慧應用平臺

智慧應用平臺的建設從供熱應用系統、平臺服務出發，建立政府供熱監管系統、供熱生產系統、供熱運營管理系統、供熱人工智能服務、供熱數據服務、通用平臺服務、數據平臺服務，圖3為智慧應用平臺的組成示意圖。智慧應用平臺作為智慧供熱大腦，以實現供熱系統智能、安全、高效運行與管理，提供滿意服務為目標。

供熱應用系統服務于政府監管、供熱生產及運營單位，可實現檢測管理、服務監督、安全檢查、應急指揮調度、生產監控、能耗分析、智能客服、收費管理、報表分析、供熱計量等一系列功能。平臺服務包括人工智能服務、數據服務、安全監測服務，主要通過建立預測模型、控制模型、聯動模型、仿真模型等提供人工智能服務，通過對數據的計算、處理、診斷、分析等，提供數據服務與安全服務。

3 工程應用實例

3.1 系統簡介

北京地區某鍋爐房智慧供熱系統鍋爐房控制柜中，邊緣計算單元中安裝智慧供熱AI模型，每小時1次，邊緣計算單元收集當前居民室內溫度、鍋爐溫度、二次側回水溫度、1 h后的當地天氣溫度等信息，由AI模型計算出對鍋爐的控制溫度，發送給鍋爐，實現保持居民室內溫度的穩定。

3.1.1 居民室內溫度采集。鍋爐房供熱小區內共安裝5個居民室內溫度采集設備，這些設備采集的數據上傳至管理后臺，由邊緣計算單元每小時1次獲取當前時間段的溫度數據，并計算出其中位數作為居民室內溫度的數值參與計算。

3.1.2 鍋爐溫度采集。鍋爐的相關數據通過網線實時傳給PLC控制柜，邊緣計算單元每小時從PLC控制柜獲取鍋爐的當前溫度值。

3.1.3 當地天氣預報數據獲取。邊緣計算單元依據供熱小區的經緯度，從專業氣象服務提供商獲取當地1 h后的天氣預報信息，其中包括氣溫、陰晴、濕度、體感溫度等數據。

3.1.4 二次側回水溫度采集。二次側回水溫度傳感器實時將水溫數據傳給PLC控制柜，邊緣計算單元每小時1次獲取當前的回水溫度，用以計算鍋爐控制溫度。

3.1.5 鍋爐溫度自動控制。邊緣計算單元中的AI模型利用獲取到的相關數據，結合1 h后的天氣情況，計算出鍋爐的控制溫度，并將數值發送給PLC控制柜，PLC控制柜再將數值傳輸至鍋爐，控制鍋爐在1 h內保持控制溫度。

3.1.6 夜間溫度調整。從當天23：00到次日5：00，邊緣計算單元計算出的鍋爐控制溫度會使居民室內溫度比其他時間段的溫度低2 ℃，以使居民睡眠溫度更舒適，同時也更節省燃氣。

3.2 經濟性分析

鍋爐房供熱面積約為3.66萬m2，智慧供熱系統投入運行后，2021—2022年供暖季耗氣量同比減少53 475 Nm3，耗電量同比減少5 455.16 kW·h，節能效果明顯，經濟效益、社會效益與環保效益顯著。

4 探討

城市供熱發展歷經由人工操作階段、自動化控制階段、信息化階段，并伴隨著“雙碳”背景以及互聯網+、物聯網的發展，逐步進入人工智能階段。

4.1 智慧供熱是社會全面發展的過程

隨著城市的發展，實現精準供熱、按需供熱是行業發展的目標與使命。發展智慧供熱是漫長與漸進的過程，隨著社會全面發展，需要互聯網、物聯網、大數據、人工智能、設備制造等先進技術參與和融合[5]。智慧設備網作為智慧供熱發展的基礎，需要解決端網信息采集、通信設備與智控設施等智慧化設備的使用問題;信息物聯網作為智慧供熱發展的媒介，通過數據采集、控制指令下發、有線傳輸完成“端基礎”與“云大腦”聯系，需要解決互聯網、物聯網、大數據的完整、可靠、穩定及數據的建設問題;智慧應用平臺作為智慧供熱的大腦，利用新一代物聯網、人工智能等技術對智能算法、模型構件進行智慧化分析、學習與決策，需要進一步提升智慧水平。智慧供熱任重道遠，需要城市各行業智慧化建設共同發展。

4.2 智慧供熱建設需要建立國家標準與規范

目前，供熱行業暫無智慧供暖國家統一行業標準，國家應出臺智慧供熱建設標準與規范，進而指導智慧供熱行業健康發展。隨著各地城市智慧供熱技術標準的發布，解決了部分城市間智慧供熱壁壘。智慧供熱作為智慧城市建設的重要一環，服務民生，節能增益，是未來供熱行業的發展主題[5]。在碳達峰、碳中和背景下，以解決供熱行業的痛點和難點為出發點，可為智慧供熱系統相關的設計、規劃、施工與運維提供行之有效、科學且具有通用性的指導工具，更好地引導智慧供熱技術的研發與市場應用推廣，引領和推動供熱行業全面轉型升級，對促進智慧城市建設、居民生活舒適性、能源利用和提升行業管理水平具有重要的意義。

4.3 智慧供熱建設將大大助力“雙碳”實施

智慧供熱的特點是“智慧”，在端—網—云全生命周期的各個環節中體現。智慧供熱具有人性化、智能化、效率化、精細化、一體化發展特點，城市供熱節能減排問題隨著供熱行業的發展將逐漸減弱。智慧供熱集“精準計量、全網監測、診斷分析、治理調節、節能提升”于一體，將供熱系統從信息感知、信息獲取、分析處理、決策執行四方面入手，形成完整、安全、高效、可靠的運行體系，幫助供熱企業啟動全流程數據檢測，并根據數據調整供熱方案，最大限度地提升供熱效率，改善客戶用熱體驗，助力國家“雙碳”政策實施。

參考文獻：

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[2] 吳琦，金洋，韓旭.“雙碳”目標下的能源發展路徑[J].有色冶金節能，2021，37（6）：6-9.

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[5] 呂桂萍，沈園，蒯成.電網企業工程資產智能傳導機制建設實踐探索[J].中國總會計師，2021（2）：48-49.