智慧供熱已經(jīng)成為我國集中供熱領(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)和發(fā)展方向，但是各地智慧供熱采取的技術(shù)路線和示范項目不盡相同，本文通過分析供熱行業(yè)智慧供熱現(xiàn)狀，結(jié)合目前存在的主要問題和行業(yè)痛點，提出了智慧供熱的發(fā)展目標(biāo)，討論了智慧供熱的主要技術(shù)路線和實現(xiàn)路徑，以及下一步智慧供熱行業(yè)的發(fā)展方向。
智慧供熱定義
智慧供熱是利用人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、仿真系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生等技術(shù)對供熱系統(tǒng)的熱源、熱網(wǎng)、熱力站、熱用戶這四大部分的生產(chǎn)和調(diào)度運行一體化管理，對系統(tǒng)內(nèi)重要設(shè)施設(shè)備和運行參數(shù)實時監(jiān)控，對系統(tǒng)進行負荷預(yù)測、生產(chǎn)運行分析和策略優(yōu)化，實現(xiàn)按需供熱和精準(zhǔn)供熱。
國內(nèi)智慧供熱相關(guān)發(fā)展
2019年中國城鎮(zhèn)供熱協(xié)會發(fā)布了《中國供熱藍皮書2019———城鎮(zhèn)智慧供熱》，2020年黑龍江省和河北省相繼發(fā)布了地方標(biāo)準(zhǔn)DB23/T 2745—2020《黑龍江省城鎮(zhèn)智慧供熱技術(shù)規(guī)程》和DB13(J)/T 8375—2020《城市智慧供熱標(biāo)準(zhǔn)》，標(biāo)志著智慧供熱已經(jīng)被列入未來城市發(fā)展規(guī)則。
北京市為積極響應(yīng)率先建設(shè)碳中和城市目標(biāo)，促進供熱行業(yè)節(jié)能減碳，實現(xiàn)北京市制定的“按需供熱、精準(zhǔn)供熱”目標(biāo)，于2022年5月份發(fā)布了《供熱系統(tǒng)智能化改造技術(shù)規(guī)程第1部分:熱源、熱網(wǎng)和熱力站》《供熱系統(tǒng)智能化改造技術(shù)規(guī)程第2部分:熱用戶》征求意見稿。
《供熱系統(tǒng)智能化改造技術(shù)規(guī)程第1部分:熱源、熱網(wǎng)和熱力站》規(guī)定了熱源、熱網(wǎng)和熱力站現(xiàn)場踏勘及評估、智能化改造、源網(wǎng)站協(xié)同、施工與驗收及運行維護的要求，主要包括供熱系統(tǒng)中熱源、熱網(wǎng)和熱力站的設(shè)備以及控制系統(tǒng)的智能化改造?！豆嵯到y(tǒng)智能化改造技術(shù)規(guī)程第2部分:熱用戶》規(guī)定了現(xiàn)場踏勘及評估、改造技術(shù)要求、施工與驗收、運行與維護的技術(shù)要求，主要是供熱系統(tǒng)中熱力入口至用戶的供熱系統(tǒng)智能化改造。
國內(nèi)智慧供熱試點情況
目前，國內(nèi)部分省、市在供熱系統(tǒng)的部分環(huán)節(jié)中進行了智慧供熱系統(tǒng)的建設(shè)和嘗試。其中黑龍江和吉林省的智慧供熱主要采取實施到樓棟熱力入口的技術(shù)路線，也進行了部分實施到居民用戶的嘗試;河北省以實施到居民用戶為主;陜西的試點以基于通斷面積法的方式為主，北京的試點采用多種型式，詳見表1。
表1國內(nèi)主要城市計劃智慧供熱試點情況匯總表
以上統(tǒng)計的試點中，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧供熱試點占比不足30%，其中熱用戶實現(xiàn)智慧供熱約20萬戶，樓宇實現(xiàn)智慧供熱約2 500萬平方米。
目前主要采用的技術(shù)包括室溫采集、戶用物聯(lián)網(wǎng)智能閥、單元物聯(lián)網(wǎng)智能閥、云平臺等，絕大多數(shù)是供熱系統(tǒng)的自動控制、遠程調(diào)節(jié)、無人值守廠站、各類平衡和計量技術(shù)的升級與完善，使用后的效果迥異，尚需要更多供熱實際案列的驗證。
試點中存在的主要問題：(1)各類智慧供熱的試點，主要集中在“源-網(wǎng)-站-戶”的供熱系統(tǒng)的某個環(huán)節(jié)，未能實現(xiàn)全系統(tǒng)的數(shù)字化、信息化和智能化管理；(2)部分智慧供熱試點物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用較少，只是原有供給側(cè)調(diào)控的優(yōu)化；(3)大部分供熱企業(yè)都是根據(jù)各自業(yè)務(wù)特點進行智慧供熱探索，尚缺乏指導(dǎo)性、權(quán)威性的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及技術(shù)導(dǎo)則；(4)無線通訊技術(shù)多種多樣，還需經(jīng)過實際工程檢驗和驗證最適合供熱系統(tǒng)的通訊技術(shù)；(5)目前物聯(lián)設(shè)備、智能化產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，質(zhì)量和性能良莠不齊，有待國家盡快制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
智慧供熱的目標(biāo)
基于對智慧供熱的理解，并結(jié)合目前國內(nèi)實施的部分項目，筆者認為智慧供熱要確定如下主要目標(biāo):
(1)解決供熱資源的水力失調(diào)、分配不均問題；(2)系統(tǒng)的全網(wǎng)自動調(diào)節(jié)，無需手動調(diào)試；(3)實現(xiàn)熱力站無人值守的監(jiān)控與控制；(4)利用云計算平臺對運行數(shù)據(jù)充分挖掘和分析整理，實現(xiàn)精準(zhǔn)供熱。
技術(shù)發(fā)展
智慧供熱系統(tǒng)構(gòu)架
智慧供熱基本架構(gòu)由智慧基礎(chǔ)軟硬件設(shè)施、云平臺、AI算法、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、5G通訊、智慧控制產(chǎn)品等聯(lián)合搭建，實現(xiàn)人機設(shè)備互動、源網(wǎng)互動的智慧供熱生態(tài)系統(tǒng)。智慧供熱控制策略并非一成不變，每一區(qū)塊有量身定制的控制模式、控制系統(tǒng)。同時，智慧供熱將系統(tǒng)的每一個區(qū)塊有機結(jié)合到一起，不僅是從一網(wǎng)換熱站到二網(wǎng)控制終端的結(jié)合，更是各個區(qū)域換熱站到能源站的結(jié)合，通過云平臺大數(shù)據(jù)、AI智能分析等手段，實現(xiàn)系統(tǒng)的整體調(diào)控。
智慧供熱系統(tǒng)的架構(gòu)，可以用“端邊網(wǎng)云智”來形容。端，主要指各類感知設(shè)備;邊，主要指邊緣計算器;網(wǎng)，主要指數(shù)據(jù)傳輸通訊方式;云，主要指平臺的AI算法、數(shù)據(jù)管理等;智，主要指各種應(yīng)用場景等。詳見圖1。
圖1智慧供熱架構(gòu)示意圖
智慧廠站
在換熱站一級網(wǎng)供水側(cè)配置物聯(lián)網(wǎng)電動調(diào)節(jié)閥，一級網(wǎng)回水、二級網(wǎng)供水側(cè)配置物聯(lián)網(wǎng)超聲熱量表，同時在廠站動力系統(tǒng)配置物聯(lián)網(wǎng)循環(huán)水泵及數(shù)據(jù)采集箱，將數(shù)據(jù)通過5G通訊傳送至云平臺，在實現(xiàn)對供熱系統(tǒng)參數(shù)的實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)的同時，實現(xiàn)源—網(wǎng)—站的優(yōu)化調(diào)度和大數(shù)據(jù)分析。詳見圖2。
圖2智慧廠站示意圖
智慧熱用戶
在熱用戶端配置新型供熱計量系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)智能閥、用戶室溫采集系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)智能系統(tǒng)與用戶高度融合，運用室溫采集終端及時反饋修正運行調(diào)控，實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)。
根據(jù)建筑不同的情況，智慧供熱可以實施到樓棟熱力入口和用戶入口兩種方式。
單管串聯(lián)和雙管垂直系統(tǒng)。公共立管在居民家中，入戶改造影響居民生活，實施難度高，改造后效果不明顯。所以改造從熱源實施到樓棟入口，即在典型住戶、典型位置安裝智能室溫采集器，樓棟/單元熱力入口設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)平衡閥，實現(xiàn)樓棟單元間的精準(zhǔn)調(diào)控。詳見圖3。
圖3樓棟熱力入口示意圖
分戶成環(huán)系統(tǒng)。由于各熱用戶單獨成環(huán)，可以獨立控制，因此可實現(xiàn)智慧化到熱用戶。詳見圖4。
圖4用戶熱力入口示意圖
未來展望
清潔供熱是當(dāng)前中國供熱行業(yè)發(fā)展的首要目標(biāo)，低碳清潔熱源通常具有被動性、波動性、不確定性的特點，通常需要與其他可調(diào)控?zé)嵩绰?lián)網(wǎng)互補使用。智慧供熱可借助信息物理融合調(diào)控能力，通過實時優(yōu)化調(diào)控降低清潔熱源波動對系統(tǒng)穩(wěn)定運行帶來的不利影響，在滿足供熱安全和用戶需求的前提下增強系統(tǒng)對低碳清潔供熱資源的消納能力。
從發(fā)展方向上看，智慧供熱的發(fā)展可分為以下三個維度:
1、打造全系統(tǒng)智慧供熱，實現(xiàn)供需側(cè)雙向調(diào)控
現(xiàn)狀自控系統(tǒng)的缺陷主要是，盡管可以保障對最不利用戶熱量的供給，卻難以同時較好地適應(yīng)其他用戶需熱的變化。智慧供熱就是通過技術(shù)手段，解決整個系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)控，將熱用戶對熱量的真實需求，反饋到控制系統(tǒng)，使整個供熱系統(tǒng)完成自主適應(yīng)及調(diào)控。
2、物聯(lián)感知與AI相結(jié)合，實現(xiàn)運維一體
智慧供熱系統(tǒng)通過分析與整合海量數(shù)據(jù)，可提供包括運行參數(shù)、各類室溫情況、水力平衡度、水電熱及燃料分析等功能，比依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗的調(diào)節(jié)更加精準(zhǔn)、更加及時。同時，智慧供熱系統(tǒng)能夠?qū)⑾冗M的經(jīng)驗傳承。傳統(tǒng)人工管理模式獲得的經(jīng)驗傳遞困難，各個供熱系統(tǒng)都有其特點，利用人力去摸索需耗時數(shù)年之久。此外，利用人力傳承，受到表達、理解、系統(tǒng)變化等多方面的影響，難以做到全面準(zhǔn)確。智慧供熱不僅可以將各系統(tǒng)的情況完整存儲下來，而且還能快速適應(yīng)系統(tǒng)的變化。
3、將數(shù)字孿生技術(shù)運用在智慧供熱
領(lǐng)域數(shù)字孿生(Digital Twin)是通過數(shù)字技術(shù)，對物理世界進行鏡像化描述的一種新方法，使物理世界與數(shù)字世界建立起實時的雙向映射，從而可通過數(shù)字世界對物理世界進行監(jiān)控與干預(yù)。
數(shù)字孿生具有天然的靈活擴展能力，各類子系統(tǒng)都非常容易納入到數(shù)字孿生的范疇內(nèi)，也非常容易通過接口被外界所集成，不必擔(dān)心形成數(shù)據(jù)孤島。同時，采用三維可視化引擎集成展示城市、熱源、管網(wǎng)、樓宇、場站、熱用戶等各種設(shè)備的細節(jié)結(jié)構(gòu)及物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，并支持多種物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)接入，是打通現(xiàn)有自動化控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、客服系統(tǒng)、政務(wù)系統(tǒng)最有效技術(shù)手段。
建設(shè)空間大數(shù)據(jù)平臺、物聯(lián)網(wǎng)平臺、可視化平臺，對供熱基礎(chǔ)設(shè)施運營狀況實現(xiàn)全生命周期的監(jiān)控管理、仿真、預(yù)測，實現(xiàn)供熱系統(tǒng)的遠程化、無人化、自動化、智能化的控制。
注：本文作者葛軍波、范昕、郭衛(wèi)國，供職于聊城市國土空間開發(fā)保護中心、北京市煤氣熱力工程設(shè)計院有限公司。
