大數(shù)據環(huán)境下的北方供熱系統(tǒng)熱計量調控方案研究

王麗平+孫石+蔡長青

[摘 要]能源的節(jié)能環(huán)保已經成為社會的關注焦點之一，實現(xiàn)供熱用戶室內溫度遠程控制和用戶自行調控的分戶熱計量管理系統(tǒng)勢在必行。由于我國北方有龐大的熱用戶群體，情況復雜，如何做到自動、科學的熱計量室內溫度調控是非常有必要的。大數(shù)據由于能夠處理的數(shù)據量巨大、數(shù)據類型多樣等特點，可以為供熱部門分析問題和解決問題提供良好的方法和思路，因此采用大數(shù)據技術分析供熱用戶的大量數(shù)據，能夠科學有效地按照用戶需求對每戶或每間房間實行獨立供暖或停止供暖，隨時調控設定每戶的溫度和供暖時間，并可依據用戶所在地區(qū)的氣候條件，自動控制室內溫度，確保熱能量的充分利用。

[關鍵詞]大數(shù)據；熱計量；溫度調控

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.51.150

日益緊張的能源問題已經成為全社會關注的焦點，各行各業(yè)都在進行節(jié)能改造，力求達到高效的能源利用。隨著北方供熱企業(yè)的改革，分戶熱計量已經勢在必行，如何利用大數(shù)據技術對供暖用戶的室內溫度進行遠程操控及用戶自行調控，實現(xiàn)按需供暖，提高供暖質量，使用戶能自主控制室溫，不僅可以降低熱費，而且可實現(xiàn)供熱系統(tǒng)的節(jié)能。

1 引 言

我國冬季北方寒冷，為了改善室內溫度環(huán)境，普遍采用集中供暖的方式。然而由于傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)設備不具備自動溫度調節(jié)裝置，只能通過手動調節(jié)供熱管道上的相應閥門來實現(xiàn)室內溫度的粗略調節(jié)[1]，溫度控制精度較低，且造成了能源的極大浪費。

由于供暖用戶數(shù)量龐大、用熱單位的情況也比較復雜，可以根據熱用戶的供暖需求、用熱規(guī)律，在不同的供暖時間段內向建筑物提供不同的供熱量，分區(qū)域、分時段對采暖用戶進行獨立供暖[2]。由于大數(shù)據具有數(shù)據量巨大、數(shù)據類型多樣、流動速度快和價值密度低等特點，供暖系統(tǒng)大量的用戶數(shù)據需要通過大數(shù)據技術來進行分析和處理，從而得出科學合理的熱計量溫度調控系統(tǒng)方法，該系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保、自動化程度高、控制度精準、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，具有較高的實用價值。

2 大數(shù)據技術應用概況

“大數(shù)據”本身是一個比較抽象的概念，單從字面來看，它表示數(shù)據規(guī)模的龐大。但是僅僅數(shù)量上的龐大顯然無法看出大數(shù)據這一概念和以往的“海量數(shù)據”“超大規(guī)模數(shù)據”等概念之間有何區(qū)別。對于大數(shù)據的定義基本是從大數(shù)據的特征出發(fā)，通過這些特征的闡述和歸納試圖給出其定義。通常認為大數(shù)據需滿足三個特點：規(guī)模性、多樣性和高速性。除此之外，國際數(shù)據公司大數(shù)據還應當具有價值性，大數(shù)據的價值往往呈現(xiàn)出稀疏性的特點。而IBM認為大數(shù)據必然具有真實性。維基百科對大數(shù)據的定義是指利用常用軟件工具捕獲、管理和處理數(shù)據所耗時間超過可容忍時間的數(shù)據集[3]。

目前我們已經進入了大數(shù)據時代，從傳統(tǒng)的數(shù)據庫到大數(shù)據，看似簡單，其實是一個復雜的技術演進并有本質上的差別。數(shù)據在傳統(tǒng)數(shù)據庫中僅作為處理對象，而在大數(shù)據里面，數(shù)據是作為一種資源來輔助解決其他諸多領域的應用問題的，大數(shù)據的出現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)的數(shù)據管理方式，在數(shù)據來源、數(shù)據處理方式和數(shù)據思維等方面都帶來了巨大的變革[4]。

目前在商業(yè)、互聯(lián)網和工業(yè)監(jiān)測等領域正在應用大數(shù)據處理技術，在北方冬季供暖系統(tǒng)中，大數(shù)據可以應用于整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，主要包括如下。

（1）生產熱量端。隨著大型供暖系統(tǒng)單位數(shù)字化建設的發(fā)展，生產過程中的數(shù)據被大量地保存下來。這些數(shù)據中蘊含著豐富的信息，對于分析生產運行狀態(tài)、提供控制和優(yōu)化策略、故障診斷以及知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據挖掘具有重要意義。為及時準確掌握分布式供熱設備及運行狀態(tài)，需要對大量的控制設備進行實時監(jiān)測和控制。

（2）輸送熱量端。為節(jié)能環(huán)保且快速有效地進行管理，在熱量輸送的過程中，采取安裝監(jiān)控和智能識別、采集設備，存儲大量的傳輸過程數(shù)據，以便及時分析和監(jiān)控管理，發(fā)現(xiàn)問題。

（3）使用熱量端。為準確獲取用戶的用熱數(shù)據，供暖公司在用熱端安裝了大量智能室內溫控設備和樓棟控制表，供暖公司和用戶之間的交互行為迅猛增長，可以每隔一段時間獲取用戶的用熱信息，從而收集了比以往粒度更細的海量熱量消費數(shù)據，形成供熱系統(tǒng)中用戶側大數(shù)據[5]。通過對數(shù)據進行分析可以更好地理解熱量客戶的用熱行為、合理設計溫度。

鑒于大數(shù)據在供熱系統(tǒng)中的重要作用，如何合理運用大數(shù)據技術，能夠更加容易地面對供熱系統(tǒng)的現(xiàn)狀和未來的挑戰(zhàn)，為大數(shù)據技術在智能供熱系統(tǒng)建設中的應用提供有益的參考。

3 熱計量應用現(xiàn)狀

在現(xiàn)代生活中，溫度不僅與人們的生產、生活息息相關，更是現(xiàn)代化工、農業(yè)生產中的主要環(huán)境條件。例如在農業(yè)生產為主的東北三省，經年未徹底解決的糧食倉儲管理、供應給周邊城市的四季蔬菜的大棚培育、家禽的養(yǎng)殖和禽蛋的管理運輸、冬季果蔬如何處于保鮮狀態(tài)，這些都與溫度密切相關[6]。尤其是在北方漫長的供暖季節(jié)，傳統(tǒng)的溫度采集檢測技術，已經無法切實地滿足我國北方冬季寒冷氣候的實際要求，更亟待突破并解決采集即時的溫度值，解讀（或讀?。┑贸鲇行?shù)據，提高管理能力，提高熱用戶的熱量需求和預防供熱管網的損壞，因而需要更新的熱計量溫度檢測和控制方法即大數(shù)據技術和智能溫控來解決這個問題。

目前國內常用的熱計量調控方法有熱量表法、熱分配表法、流量溫度法、通斷時間面積法和溫度面積法（也稱溫度法），前四種方法主要依據用戶消耗的熱量進行熱計量收費，解決不了戶間傳熱的問題，導致收費不公平。而溫度面積法已經解決了戶間傳熱的問題，但是存在一定缺陷，因為該方法研究的核心還是如何進行熱量計量和分攤，分攤的還是熱量，不是熱費，要計量熱量就離不開熱量表，因此，如果無法安裝樓棟熱量表或樓棟熱量表出現(xiàn)問題，都可能導致熱費無法分攤，影響熱計量收費。因此還需要研究新的熱計量調控方法，采用一種基于用戶平均溫度的供熱計量方法，實現(xiàn)熱費的分攤計算，公平收費，提高效率。

對居民用戶來說熱力企業(yè)給熱用戶提供的商品應該是溫度而不是熱量。而早期通常采用的熱計量主要是針對如何計量用戶消耗的熱量展開的，如熱量表法、流量溫度法和通斷時間面積法等。產品和技術的研發(fā)一直圍繞如何能夠更準確地計量用戶消耗的熱量方面進行，對戶間傳熱沒有一個好的解決辦法，導致用戶消耗的熱量多，室內溫度并不一定高，即用戶的室內溫度低可能還要多繳熱費，給熱計量工作的推進帶來了很多困難。對于這種情況可以采用增加修正系數(shù)的辦法，但現(xiàn)場情況千差萬別，任何一種修正方法都很難解決戶間傳熱帶來的影響。而溫度面積法熱計量系統(tǒng)是目前最晚出現(xiàn)的熱計量新方法，是基于用戶的室內溫度分攤樓棟的用熱量，解決了戶間傳熱的問題，使熱計量收費更加合理。

4 熱計量調控方案

在確定調控方案之前，需要把該供暖公司的供暖范圍內的客戶信息進行采集、登記、匯總成大數(shù)據信息，獲取到系統(tǒng)調控所依賴的數(shù)據，才能夠保證供暖系統(tǒng)熱計量的遠程室內溫度調控的準確合理，可以提高用戶的居住舒適度和滿意度。進行遠程室內供暖溫度控制時，需要獲取室內溫度、室外溫度等數(shù)據，提高遠程室內溫度的控制精度，并進行優(yōu)化控制，具有較好的遠程調節(jié)控制效果。

4.1 熱用戶大數(shù)據獲取

考慮到熱用戶大數(shù)據具有類型多樣、復雜性及分散性的特點，數(shù)據的獲取具有一定的難度。熱用戶大數(shù)據分為結構化熱用戶數(shù)據和非結構化熱用戶數(shù)據。結構化熱用戶數(shù)據是專業(yè)化、系統(tǒng)化的供熱領域數(shù)據，即行數(shù)據，存儲在數(shù)據庫里，可以用二維表結構來邏輯表達實現(xiàn)的數(shù)據，主要來自供熱收費單位存儲的熱用戶個人信息，因而結構化熱用戶數(shù)據的獲取性更準確、更好處理。

而非結構化熱用戶數(shù)據的獲取主要來自各級各類能源供熱信息網站及其他各類信息。隨著互聯(lián)網及物聯(lián)網的飛速發(fā)展，能源利用、供熱系統(tǒng)改造等類網絡數(shù)據資源越來越多，數(shù)據類型也呈現(xiàn)出多樣化趨勢，如能源圖書、報紙雜志等正式資源，政府能源簡報、能源節(jié)能相關會議信息等非正式資源，還有一些諸如供熱產品市場信息、節(jié)能科技成果等動態(tài)信息資源。這樣獲取到的數(shù)據科學性和先進性也非常高，可以作為供暖系統(tǒng)溫度調控的依據[7]。

4.2 方案考慮外因

供暖系統(tǒng)進行室內溫度調控的考慮因素非常復雜，主要包括用熱用戶自然情況、用熱需求和熱量的平衡調整等，針對不同的熱用戶采取不同的調控方法。

（1）分供熱類型調控。此因素下的熱用戶主要分為兩大類，普通居民用戶和單位公共建筑供熱，主要分白天時段和夜晚時段。對于普通居民用戶白天基本無人，晚上回家的特點，就要在白天時段盡量減少供熱量，調整閥門關小；而晚上就是正常供熱。針對大型公用建筑的用熱特點專門設計，對城市內主要公共建筑供熱運行參數(shù)進行實時監(jiān)測、控制及能耗的動態(tài)分析。上班時有人，正常供熱；下班或節(jié)假日無人可以減少供熱量（關小閥門，保證不凍）[8]。

（2）按照是否供熱調控。此因素下的熱用戶主要分為正常供熱和不供熱兩種，對于正常供熱的用戶進行分時段供熱，白天減量，夜晚正常；不供熱用戶一般遠程設置一個固定的溫度，對于供熱設備沒有損壞即可。

（3）分供暖周期調控。此種情況下，不但要考慮不同的室外氣象情況，還要考慮不同的供暖周期區(qū)間。初冬時節(jié)和冬末初春時的供暖一般設定溫度較低，深冬或春節(jié)期間一般設置溫度較高；供暖初期與供暖中期和供暖末期的溫度值也會不同，初期馬上熱起來，溫度設定較高；中期過春節(jié)溫度也設定很高；供暖末期一般溫度設定值較低，即使與春節(jié)相同的室外氣象也是如此。以上兩種情況可以綜合考慮進行周期調控。

4.3 方案實施

在實際的供暖系統(tǒng)中同時存在兩類按熱量收費和按面積收費的用戶。針對按面積收費的用戶或換熱站采用均勻性精度調節(jié)，同時又要保證供熱管網末端或按熱量收費的用戶具備足夠壓力差，使按熱量收費的熱用戶能得到充足的熱量供應。同時對換熱站加強熱量調控，并針對自管換熱站、按面積收費的換熱站和按熱量收費的換熱站定制專門的溫度調控方案。

控制中心需要遠程調節(jié)按面積收費和自管熱力站的電動調節(jié)閥，從而調節(jié)各條支線的流量，把過多的熱量調整到按熱量收費的熱力站內。為了熱量均衡分配到用戶家中，需要通過管網平衡調整來實現(xiàn)，在管網調整過程中水、電、熱消耗接近經濟運行狀態(tài)，從而減少能量消耗，達到節(jié)省運行費用的目的。制定相應的二次網運行供回水平均溫度運行曲線，與實際運行計算數(shù)據熱量分配相結合，可使熱量均衡分配到各個小區(qū)和樓棟。

（1）合理調配要求。為滿足熱用戶的需求，合理地利用現(xiàn)有溫控設備，將供熱系統(tǒng)輸出的熱量，均勻地分配到每個換熱站，進一步發(fā)揮各換熱站現(xiàn)有熱表的作用，創(chuàng)造更大的經濟效益。利用現(xiàn)有的設備和科學的調控手段，解決小區(qū)中樓棟之間、用戶之間的平衡問題，利用現(xiàn)有熱表和電動調節(jié)閥建立數(shù)據采集和分析，建立大數(shù)據系統(tǒng)，進行科學的系統(tǒng)調節(jié)，探索智能化的調節(jié)途徑[9]。

（2）換熱站自控系統(tǒng)的控制要求。換熱站是由遠程控制中心調解的，根據調度中心下達的溫度指令，自動恒溫運行；實時分析本站的熱負荷余度；根據不同的環(huán)境狀態(tài)改變流量運行，實現(xiàn)節(jié)電；自適應熱用戶開關閥帶來的壓力沖擊，在運行數(shù)據異常時報警并觸發(fā)保護動作；實現(xiàn)補水、水箱液位等環(huán)節(jié)的智能運行。

（3）具體方案實施細則。供暖系統(tǒng)遠程控制中心主要依據采集的大數(shù)據信息實現(xiàn)對熱用戶溫度、閥門狀態(tài)、耗能過高的報警、歷史狀態(tài)與曲線、遠程群控設定溫度等的控制。通常設定溫度在臨室室溫區(qū)間范圍內，24小時內可以控制在設定溫度內；設定溫度高于臨室室溫時，室溫無法升高并達到設定需求。室溫調控只能在臨室室溫區(qū)間內才能控制住溫度，說明需要熱源、樓棟、熱用戶系統(tǒng)調控才能達到調控精度[10]。設定溫度不變時，閥門通斷可以控制住室溫。設定溫度頻繁變化，影響控溫精度。室溫調控周期長，接近24小時，因此設定溫度不宜在一天內多次變化。溫度調控針對不同情況采取不同策略。

第一，調控時實現(xiàn)氣候補償。

根據氣候變化以及舒適度要求，隨時調整整體供熱量，將整體熱耗降到最低。實現(xiàn)水泵變頻運行的同時，將分布式進行到樓前，水泵不再做無用功。同時拉大二次網溫差，提高換熱效率。實現(xiàn)分時分區(qū)供熱。安裝樓前混水機組后，可優(yōu)化供熱模式，按建筑物功能和使用時間，對供熱量進行調節(jié)，進一步降低能耗。

第二，按面積收費調控策略。

采取周期供熱量平衡的調控策略，換熱站負荷預測，采用氣候補償?shù)臒崃靠刂品椒?，熱量供應超高報警，二次網不平衡報警。

第三，按熱量收費調控策略。

盡可能多地供熱，熱源保證足夠的資用壓差定溫運行；熱源總熱量充足時，將調節(jié)閥全部打開，按需供熱；熱源總熱量不夠時，按整個管網均勻調配。

第四，溫控手段。

提供分時溫控、自動恒溫及手動調節(jié)三種控制模式，根據建筑物特點及運行工況切換控制模式。

其中對于大型公共建筑用熱特點及控制模式選擇辦公時間比較固定場所，如周一至周五辦公，周末休息，此種場合適合選用分時溫控，分時溫控策略提供多套模板供選擇，每日可選擇不同模板。而某些特殊功能的場所：如滑冰館，需要控制在一個較低的溫度，適宜選擇自動恒溫控制，保證在一定溫度范圍內。手動控制模式可將建筑物入口處閥門調整到任意開度，隨時調節(jié)。

而普通熱用戶節(jié)能溫度控制主要通過中心統(tǒng)一下達溫控指令，如控制用戶室溫在20℃～22℃，防止超供，出現(xiàn)25度以上的高溫現(xiàn)象。集控中心通過接入移動室溫采集器或熱計量數(shù)據，可以對換熱站所帶的每棟樓每個單元甚至每個住戶的溫度情況對比分析，并形成均衡調整策略。運行人員可以根據該策略調整各個單元的總管閥門，未來還可以通過熱計量系統(tǒng)調節(jié)每戶的通斷閥，最終實現(xiàn)各戶的供熱均衡。

各站采集室外溫度數(shù)據，并根據預先制定好的溫控曲線計算出對應的供回水溫度，通過站內的自控系統(tǒng)實時調節(jié)，使供水溫度維持在固定位置，從而達到供熱目標。這種調節(jié)方法，如果在溫控曲線制定理想的情況下，可以有效運行，但在實際工況中存在以下問題：室外溫度采集的誤差較大，用戶很難制定出非常理想的溫控曲線；由于各個換熱站之間各自為政，自己調自己，很容易出現(xiàn)管網失衡與振蕩[11]。若想室內溫度維持在一個目標值，需要確定建筑物的熱負荷系數(shù)、日照情況、風力、室外氣溫、供熱量等參數(shù)，其中熱負荷系數(shù)、日照情況、風力等參數(shù)變化不大，因此，室外氣溫與供熱量就可以形成一定的對照關系。

5 結 論

經濟發(fā)展對能源需求的增長及人們生活水平的不斷提高，對供熱體制和室內環(huán)境提出了更高的要求，集中供熱分戶計量成為未來供熱的趨勢，室內溫度控制系統(tǒng)將有廣泛的應用前景。實現(xiàn)大數(shù)據環(huán)境下的供熱系統(tǒng)溫度調控，可以實現(xiàn)熱計量系統(tǒng)數(shù)據與換熱站數(shù)據的一體化監(jiān)控，系統(tǒng)間數(shù)據共享，終端用戶供暖效果一目了然，為供暖運行決策提供了更直接、更可靠的依據。根據供熱數(shù)據進行綜合分析，可知實施熱計量溫控的小區(qū)比其他未實施溫控的換熱站耗電量節(jié)約14%左右，全年的分析結果節(jié)約16%。

參考文獻：

[1]鄧衛(wèi)斌，楊燦.遠程室內空調溫度優(yōu)化控制仿真研究[J].計算機仿真，2016，33（8）：365-368.

[2]宋亞奇，周國亮，朱永利.智能電網大數(shù)據處理技術現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J].電網技術，2013，37（4）：927-935.

[3]孟小峰，慈祥.大數(shù)據管理：概念、技術與挑戰(zhàn)[J].計算機研究與發(fā)展，2013，50（1）：146-169.

[4]謝潤梅.農業(yè)大數(shù)據的獲取與利用[J].安徽農業(yè)科學，2015，43（30）：383-385.

[5]賀琛，王彥波，王云燁.基于電力通信傳輸網大數(shù)據的溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].浙江電力，2016，35（7）：65-68.

[6]郭鐵橋，李增志，楊志輝.集中供暖室內溫度控制系統(tǒng)的硬件設計[J].煤氣與電力，2007，27（4）：76-78.

[7]劉慧萍.區(qū)域分布式能源的智能微網能源管理[J].電力與能源[J].2012，33（5）：414-417.

[8]李沛峰，楊勇平，戈志華.300MW熱電聯(lián)產供熱系統(tǒng)分析與能耗計算[J].中國電機工程學報，2012，32（23）：15-20.

[9]王昭俊，董立華.熱計量變流量供熱系統(tǒng)室外管網動態(tài)水力失調與控制[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2010，42（2）：218-223.

[10]林振嫻，楊勇平，何堅忍，等.供熱系統(tǒng)串聯(lián)布置方式的應用[J].中國電機工程學報，2010，30（35）：13-17.

[11]于浩令.北方冬季室內溫度控制系統(tǒng)的設計[J].黑龍江科技信息，2015，24（6）：272-273.