故宮博物院南熱力站智慧供熱系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.06.039

中圖分類號(hào)：TP2；TP31；TU995 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編碼：1672-7274（2025）06-0116-04

Construction and Application of Smart Heating System for the South Thermal Station of the Palace Museum

WANG Tianyu （PalaceMuseum，Beijing10ooo9，China）

Abstract： Against the backdrop of the country's strong promotion of energy conservation and emission reduction， as wellas the implementation of the Blue SkyPlan，the government，heating companies，and heating units are increasingly ataching importance to energyconservation and emission reduction in heating.This article elaborates on how the South Heat Exchange Station of the Palace Museum establishesa smart heating platform to unifythe management of heat sources，heating networks，and heating users，combined with advanced control technology， Internet of Things technology，scheduling and operation management， to reasonably regulate heat consumption， improve heating eficiency，maximize energy conservationand emisionreduction whileensuring heating demand，and reduce heating operation and maintenance costs.

Keywords： palace museum south thermal station; smart heating system; construction and application

1 智慧供熱系統(tǒng)的概念

智慧供熱系統(tǒng)是指在供熱控制中心建立智慧供熱平臺(tái)，并對(duì)熱源、熱網(wǎng)、熱用戶末端進(jìn)行技術(shù)改造，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將熱源、熱網(wǎng)、熱用戶的供熱參數(shù)等數(shù)據(jù)上傳至智慧供熱平臺(tái)，智慧供熱平臺(tái)根據(jù)天氣情況、時(shí)段情況等對(duì)熱源、熱網(wǎng)、熱用戶進(jìn)行合理的調(diào)控，在保證熱用戶舒適度的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，其是城市智慧供熱系統(tǒng)中的子系統(tǒng)。

故宮南熱力站智慧供熱系統(tǒng)硬件由三部分組成：一是熱源控制系統(tǒng)（熱力站控制系統(tǒng)）；二是末端用戶控制系統(tǒng)，包含辦公區(qū)域的物聯(lián)網(wǎng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)、室內(nèi)溫度傳感器等；三是智慧供熱管理平臺(tái)，由數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)等設(shè)備構(gòu)成，是智慧供熱系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。

智慧系統(tǒng)軟件由兩個(gè)部分組成：一是控制平臺(tái)，控制平臺(tái)根據(jù)室外天氣、時(shí)間段、熱用戶室內(nèi)溫度等情況從末端進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)熱用戶實(shí)際熱需求進(jìn)行合理調(diào)控，反推回?zé)峋W(wǎng)、熱源，并監(jiān)測熱源、熱網(wǎng)、熱用戶設(shè)備運(yùn)行情況，保證安全穩(wěn)定的運(yùn)行；二是管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)熱源、熱網(wǎng)、熱用戶控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集存貯分析，建立歷史數(shù)據(jù)庫，通過對(duì)比分析逐步優(yōu)化智慧供熱系統(tǒng)。

2 故宮南熱力站熱用戶屬性

南換熱站終端用戶均為公建性質(zhì)，有明顯的時(shí)段特性，共計(jì)12個(gè)分支在各分支管路安裝物聯(lián)網(wǎng)調(diào)節(jié)閥，并通過NB協(xié)議上傳至智慧供熱平臺(tái)，經(jīng)過智慧供熱平臺(tái)策略運(yùn)算后，下發(fā)控制命令，調(diào)節(jié)各分支閥門開度，達(dá)到合理用熱節(jié)能減排的自的。

3 智慧供熱系統(tǒng)功能

（1）智慧供熱系統(tǒng)定位及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。智慧供熱系統(tǒng)是南熱力站供熱系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，是在已有供暖系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的智能化節(jié)能控制工程，目的是建立一個(gè)數(shù)字化的“智慧供熱運(yùn)行管理中心”，實(shí)現(xiàn)按需供熱、分時(shí)分區(qū)控溫的目的，使供暖管理人員能方便地利用運(yùn)行管理中心對(duì)整個(gè)供熱系統(tǒng)的管理，其主要功能包括： ① 智慧供熱運(yùn)行管理中心； ② 換熱站的無人值守自動(dòng)控制系統(tǒng)； ③ 分時(shí)分區(qū)控制系統(tǒng)； ④ 室內(nèi)溫度實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。

在不改變?cè)到y(tǒng)外網(wǎng)流量、熱力站安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上達(dá)到以下節(jié)能控制目標(biāo)：通過設(shè)備運(yùn)行智慧供熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“節(jié)能設(shè)備在線監(jiān)控與管理”。系統(tǒng)采用人機(jī)交互方式進(jìn)行操作，良好的人機(jī)界面，可直觀明了地顯示組態(tài)換熱機(jī)組、室外溫度、各供暖區(qū)域現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)調(diào)節(jié)閥以及熱力站循環(huán)補(bǔ)水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和室內(nèi)溫度等參數(shù)，全中文界面，操作簡單、實(shí)用，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融入，使供熱管理系統(tǒng)可在手機(jī)、IPAD等設(shè)備上查看及操作，使供熱系統(tǒng)的管理及調(diào)控更方便。

（2）通過在熱力站PLC中實(shí)時(shí)采集的室外溫度，自動(dòng)控制換熱站一次網(wǎng)調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)現(xiàn)供暖負(fù)荷與室外溫度的自動(dòng)氣候補(bǔ)償。

（3）供熱區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)調(diào)節(jié)閥可根據(jù)不同性質(zhì)的樓棟供熱需求信息進(jìn)行分時(shí)分區(qū)控制，解決各熱用戶供熱需求不同的矛盾。

（4）室溫測控終端通過NB協(xié)議采集典型房間實(shí)時(shí)室內(nèi)溫度，為調(diào)整供暖負(fù)荷提供依據(jù)，提高供熱質(zhì)量的基礎(chǔ)上使熱能使用更合理，對(duì)一棟樓做多點(diǎn)室內(nèi)溫度測量，室內(nèi)溫度有對(duì)應(yīng)的權(quán)值，通過計(jì)算得出中樞溫度，可將中樞溫度融入氣候補(bǔ)償中做微調(diào)。

（5）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析，為以后數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析信息提供有效實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

（6通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)施對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的各壓力、溫度、熱量等監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)測、控制，并通過無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)在控制室及手機(jī)終端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和遠(yuǎn)程操作。

（7）通過各節(jié)能設(shè)備的聯(lián)合運(yùn)行最終達(dá)到熱量分配均勻、供熱合理，實(shí)現(xiàn)按需供熱的目的。同時(shí)，能夠在技術(shù)水平上變革傳統(tǒng)的檢測方法，大幅度提升檢測的科技水平，從而在做好節(jié)能工作的同時(shí)為節(jié)能診斷工作提供運(yùn)行平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

4 智慧供熱管理平臺(tái)

4.1智慧供熱管理平臺(tái)主要特點(diǎn)

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集。該平臺(tái)利用布置在供熱系統(tǒng)各個(gè)位置的傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實(shí)時(shí)采集溫度、壓力和流量等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)會(huì)不斷被監(jiān)測和分析，以確保系統(tǒng)在最佳參數(shù)下運(yùn)行。如果出現(xiàn)任何異常或潛在問題，如溫度波動(dòng)或設(shè)備故障，平臺(tái)會(huì)立即向管理團(tuán)隊(duì)發(fā)送警報(bào)，以便及時(shí)采取措施。

（2）先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析與預(yù)測性維護(hù)。通過大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的集成，該平臺(tái)不僅分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還儲(chǔ)存歷史數(shù)據(jù)以進(jìn)行長期趨勢分析。這使得預(yù)測性維護(hù)成為可能，可以在問題發(fā)生之前識(shí)別潛在故障。預(yù)測模型可以預(yù)見系統(tǒng)故障或性能下降，從而幫助減少停機(jī)時(shí)間并避免高昂的維修費(fèi)用。

（3）能源優(yōu)化與效率提升。平臺(tái)的一個(gè)顯著優(yōu)勢是能夠優(yōu)化能源消耗，通過分析外部天氣條件、建筑物的使用情況以及內(nèi)部溫度需求，平臺(tái)可以實(shí)時(shí)調(diào)整供熱輸出，以匹配建筑的實(shí)際需求。這種動(dòng)態(tài)調(diào)整能夠減少能源浪費(fèi)，降低運(yùn)營成本，并提升整個(gè)系統(tǒng)的效率。

（4）集中控制與遠(yuǎn)程訪問。平臺(tái)提供了一個(gè)集中控制界面，使得操作人員可以遠(yuǎn)程管理供熱系統(tǒng)。無論是在現(xiàn)場還是遠(yuǎn)程，操作人員都可以調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)、查看性能指標(biāo)，并采取必要措施以確保供熱不中斷。遠(yuǎn)程訪問還可以簡化故障排除過程，減少現(xiàn)場干預(yù)，節(jié)省時(shí)間和資源。

（5）用戶友好的界面與可視化工具。平臺(tái)具備直觀且用戶友好的界面，配備先進(jìn)的可視化工具。操作人員可以輕松瀏覽系統(tǒng)的各個(gè)組件，查看性能儀表板，訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析。這種數(shù)據(jù)的可視化表現(xiàn)幫助操作人員快速識(shí)別問題，做出科學(xué)決策，并確保供熱系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

（6）與其他智能建筑系統(tǒng)的集成。智慧供熱管理平臺(tái)與內(nèi)其他智能系統(tǒng)（如能源管理、安全系統(tǒng)和照明系統(tǒng)）無縫集成。這種互操作性使得不同建筑功能之間能夠協(xié)調(diào)管理，從而進(jìn)一步提升整個(gè)設(shè)施的效率和可持續(xù)性。

4.2智慧供熱管理平臺(tái)的功能

（1）用戶登錄功能。

（2）地圖導(dǎo)航。地圖導(dǎo)航功能按照換熱站及建筑的實(shí)際位置利用百度地圖直觀顯示，并標(biāo)明一次、二次管網(wǎng)實(shí)際走向，點(diǎn)擊某個(gè)換熱站或建筑，則跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的控制畫面，在導(dǎo)航地圖中關(guān)聯(lián)各換熱站及建筑的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，則可通過地圖導(dǎo)航界面了解供暖系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

（3）熱源管理。熱源管理為換熱站控制，點(diǎn)擊左側(cè)菜單欄的名稱畫面跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的監(jiān)控畫面，畫面按實(shí)際的設(shè)備、工藝管線、測點(diǎn)進(jìn)行布置，很直觀的了解各換熱站的設(shè)備、工藝管線情況，及各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并可對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

（4）主要參數(shù)修改。分時(shí)分區(qū)控溫設(shè)置：時(shí)間段設(shè)置，每天劃分為5個(gè)時(shí)間段，格式是按24小時(shí)制設(shè)置，可輸入開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間進(jìn)行分段，實(shí)現(xiàn)分時(shí)分區(qū)溫度控制。系統(tǒng)默認(rèn)工作日（周一至周五模式），正常實(shí)現(xiàn)分時(shí)分溫，點(diǎn)擊進(jìn)入節(jié)假日模式（周末，元旦，寒假）等非正常上班期間選擇此模式，此溫度為防凍溫度，設(shè)定防凍回水溫度值或者室內(nèi)溫度值。

氣候補(bǔ)償參數(shù)在對(duì)應(yīng)室外溫度設(shè)置時(shí)的補(bǔ)償值，該補(bǔ)償值將疊加到基礎(chǔ)值上。最終控制目標(biāo)值為分時(shí)分溫和氣候補(bǔ)償兩種控制方式的疊加，分時(shí)分溫控制保證了隨時(shí)間推移對(duì)熱量需求的不同而合理調(diào)整熱量供應(yīng)，氣候補(bǔ)償則保證了根據(jù)天氣情況的不同對(duì)熱量需求不同的調(diào)整，還可以加入晴天/陰天、風(fēng)力影響等的因素，以及根據(jù)測得的中樞室內(nèi)溫度對(duì)控制目標(biāo)值進(jìn)行修正，達(dá)到在保證供暖質(zhì)量的同時(shí)，按需供熱、節(jié)能減排的目的。

（5）循環(huán)泵自動(dòng)調(diào)頻功能。根據(jù)用戶需要循環(huán)泵可以手動(dòng)設(shè)定頻率，也可以采取恒壓差，恒流量等策略控制。

（6）補(bǔ)水泵自動(dòng)調(diào)頻功能。根據(jù)用戶需要補(bǔ)水泵可以手動(dòng)設(shè)定頻率，也可以恒壓力策略控制。

（7）累計(jì)熱量，累計(jì)流量、耗電量等、熱效率轉(zhuǎn)換等計(jì)算統(tǒng)計(jì)功能。

（8）運(yùn)行參數(shù)查詢及報(bào)表打印功能。

（9）用戶權(quán)限設(shè)置：系統(tǒng)默認(rèn)提供兩個(gè)權(quán)限用戶，一個(gè)是用戶級(jí)別的，高級(jí)權(quán)限，可實(shí)現(xiàn)用戶所有賬戶的增刪改查；另一個(gè)是操作員權(quán)限，只能設(shè)置查看系統(tǒng)參數(shù)。對(duì)于系統(tǒng)需要設(shè)置的參數(shù)、按鈕，用戶必須登錄系統(tǒng)，否則不能設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，只能查看。

（10）歷史趨勢分析曲線。歷史趨勢分析曲線包括換熱站與樓棟智能控制器等主要運(yùn)行參數(shù)溫度、壓力、流量、閥門開度等參數(shù)的變化趨勢，可以查詢某個(gè)時(shí)間段的主要控制對(duì)象的趨勢走向。

（11）歷史報(bào)表分析。歷史報(bào)表分析包括換熱站，樓棟智能控制器等主要?dú)v史數(shù)據(jù)的歸檔和管理，可以查詢某一時(shí)間段溫度、壓力、流量、閥門開度、水泵狀態(tài)的具體參數(shù)。

（12）耗熱量分析。耗熱量分析圖中包含各區(qū)域熱量、流量、單位面積熱量、單位面積熱量的分析，以及室內(nèi)中樞溫度，并可根據(jù)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行閥門的開度控制。

（13）報(bào)警查詢、故障預(yù)測功能。監(jiān)測系統(tǒng)通過對(duì)各種操作參數(shù)進(jìn)行分析，在出現(xiàn)超壓、失壓、泄漏、斷電、設(shè)備故障等狀況時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并進(jìn)行診斷和自動(dòng)操作保護(hù)，利用現(xiàn)場聲光，將警報(bào)信號(hào)發(fā)送到監(jiān)測中心，并通過手機(jī)短信等方式通知有關(guān)人員。

5 手機(jī)App功能

手機(jī)App功能主要有：實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警信息。

5.1實(shí)時(shí)監(jiān)測

展示熱源的基本信息，并對(duì)熱源和相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警及時(shí)上傳。

5.2數(shù)據(jù)分析

（1）主要運(yùn)行數(shù)據(jù)的趨勢圖以及歷史數(shù)據(jù)。

（2）其他相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)的趨勢圖以及歷史數(shù)據(jù)。

5.3報(bào)警信息

（1）當(dāng)前報(bào)警信息：當(dāng)前存在未恢復(fù)的實(shí)時(shí)報(bào)警信息。（2）歷史報(bào)警信息：已恢復(fù)的報(bào)警信息，可供查詢。

6 分時(shí)分區(qū)供暖

分時(shí)分區(qū)供暖系統(tǒng)是南熱力站智慧供熱系統(tǒng)的核心特色之一。通過這一創(chuàng)新方案，供暖系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)需求和環(huán)境條件調(diào)節(jié)供熱的時(shí)間和溫度，從而確保能源效率、減少浪費(fèi)，并為博物館的游客和工作人員提供舒適的環(huán)境。以下是分時(shí)分區(qū)供暖系統(tǒng)的關(guān)鍵特點(diǎn)和優(yōu)勢：

（1）基于時(shí)間的供暖調(diào)度。系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)博物館的動(dòng)態(tài)需求，考慮到開放時(shí)間、建筑物的利用情況以及外部天氣條件。供暖系統(tǒng)會(huì)在需求最高的時(shí)段供暖，減少非高峰時(shí)段的能源消耗。例如，系統(tǒng)可以在博物館關(guān)閉或夜間自動(dòng)減少供暖輸出，而在白天博物館開放期間，增加供暖水平。這種調(diào)度不僅確保了舒適性，還優(yōu)化了全天的能源利用。

（2）基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的溫度調(diào)節(jié)。平臺(tái)集成了來自外部天氣條件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及建筑內(nèi)部溫度傳感器的數(shù)據(jù)，以此來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)供暖系統(tǒng)。當(dāng)外部溫度下降時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增加供暖輸出，以保持室內(nèi)舒適的溫度。相反，當(dāng)天氣變暖時(shí)，供暖系統(tǒng)會(huì)減少供熱，以避免過度加熱和能源浪費(fèi)。這種基于天氣變化的動(dòng)態(tài)供暖策略確保了系統(tǒng)的高效運(yùn)行，能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)室內(nèi)外溫度的波動(dòng)。

（3）精確控制的分區(qū)管理。分時(shí)分區(qū)供暖系統(tǒng)的一個(gè)核心要素是分區(qū)管理。建筑被劃分為多個(gè)供暖區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都配備獨(dú)立的溫控裝置。這樣可以根據(jù)各個(gè)區(qū)域的具體需求、人員流動(dòng)情況和空間功能進(jìn)行精準(zhǔn)的溫度調(diào)節(jié)。例如，展覽廳可能需要與辦公區(qū)域或儲(chǔ)藏室不同的溫度設(shè)定。通過分區(qū)管理，確保每個(gè)區(qū)域只獲得所需的供熱，進(jìn)一步提高效率，減少能源浪費(fèi)。

（4）節(jié)能與可持續(xù)性。通過結(jié)合基于時(shí)間的供暖調(diào)度、實(shí)時(shí)溫度調(diào)節(jié)和分區(qū)管理，系統(tǒng)能夠減少不必要的供暖負(fù)荷，減少整體能源消耗。這不僅顯著降低了能耗成本，還推動(dòng)了博物館的可持續(xù)發(fā)展。分時(shí)分區(qū)供暖系統(tǒng)通過確保能源只在需要時(shí)和需要的地方使用，減少了能源浪費(fèi)，從而降低了設(shè)施的碳足跡，并提高了供暖系統(tǒng)的整體環(huán)保效益。

（5）增強(qiáng)了用戶舒適度。系統(tǒng)的主要目標(biāo)是為游客和工作人員提供舒適的環(huán)境，同時(shí)不影響能源效率。通過根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)供暖輸出，確保博物館各區(qū)域的溫度保持在合理水平。分區(qū)管理的能力進(jìn)一步增強(qiáng)了舒適性，確保每個(gè)部分的建筑都能保持在最佳的溫度水平。

7 管網(wǎng)平衡技術(shù)

管網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)技術(shù)解決局部冷熱不均的問題，供熱管網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜的水力系統(tǒng)，系統(tǒng)中各環(huán)路間水力狀況的變化是相互影響和相互制約的，通過智慧供熱系統(tǒng)建設(shè)，換熱站控制系統(tǒng)、辦公區(qū)域控制系統(tǒng)的建設(shè)，在用熱過程中，按照熱力站、辦公區(qū)域?qū)嶋H所需熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)，在熱網(wǎng)供暖量充足時(shí)進(jìn)行按需供熱，供暖量不足時(shí)均勻調(diào)節(jié)，徹底解決系統(tǒng)中出現(xiàn)的水力平衡失調(diào)的問題。

8 室內(nèi)溫度采集系統(tǒng)

由于增加了供暖節(jié)能控制產(chǎn)品后，因此在采暖面積范圍內(nèi)，如何對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行有效的測量是一個(gè)值得關(guān)注的問題。通常以往都是使用人工測量方式，工作量很大，而且很麻煩。現(xiàn)在通過網(wǎng)絡(luò)傳輸上傳到智慧供熱平臺(tái)，這樣工作人員就能很容易地從電腦中得知辦公區(qū)的實(shí)際溫度，并根據(jù)需要對(duì)供暖溫度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。另外，計(jì)算機(jī)還會(huì)記錄全年供暖房間的溫度，便于查詢與打印。

9 結(jié)束語

根據(jù)故宮博物院供熱實(shí)際情況，如夜間各辦公區(qū)域用熱需求不同，進(jìn)行分時(shí)分區(qū)控制，解決故宮博物院南熱力站供暖區(qū)域供熱不均衡、能耗較高的問題。故宮博物院南熱力站智慧供熱系統(tǒng)經(jīng)過一年運(yùn)行，同比上一年度熱消耗量降低 12% ，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益，取得良好的節(jié)能成果，達(dá)到節(jié)能減排目的。為推動(dòng)故宮博物院供暖管理、節(jié)能減排提供出了行之有效方法。

參考文獻(xiàn)

[1]張承虎，張金生.二級(jí)網(wǎng)供熱系統(tǒng)水力調(diào)節(jié)及節(jié)能改造[J].區(qū)域供 熱，2017（4）：55-60.