智慧供熱系統(tǒng)研究與架構設計

柴春蕾

摘 要：針對我國工業(yè)熱力供應存能耗高，效率低，污染排放量大的問題，文中提出一種智慧供熱系統(tǒng)。該智慧供熱基于供熱信息化和自動化，通過云、邊、管、端協(xié)同實現(xiàn)信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)深度融合。將各部件連接成網(wǎng)絡，構建開放、彈性、靈活和安全的平臺，對生產(chǎn)流程、業(yè)務流程、商業(yè)模式進行全鏈條升級改造，采用供熱熱源、熱網(wǎng)、站泵和用戶端到端數(shù)字化集成獲取實時的信息，用信息實現(xiàn)價值流的優(yōu)化，讓聯(lián)接產(chǎn)生效益，產(chǎn)生智能從而構建具有自感知、自分析、自診斷、自優(yōu)化、自調節(jié)、自適應特征的新一代供熱系統(tǒng)，實現(xiàn)安全清潔、節(jié)能環(huán)保和精準服務的供熱業(yè)務新模式。

關鍵詞：智能供熱;物聯(lián)網(wǎng);互聯(lián)網(wǎng)+;節(jié)能;清潔低碳;全鏈條

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）05-0-03

0 引 言

我國工業(yè)熱力供應存在生產(chǎn)工藝相對落后、產(chǎn)業(yè)結構不合理等現(xiàn)象，主要工業(yè)產(chǎn)品單位能耗平均比國際先進水平高出30%左右。多數(shù)熱力企業(yè)還仍存在人力成本高、熱網(wǎng)側智能化水平低、供熱方式粗放、能耗高，熱源-換熱站-熱用戶之間信息相對孤立，用戶滿意度低等運營問題。且國內供熱熱源以燃煤為主，在生產(chǎn)熱力的過程中由于技術水平限制及監(jiān)管不到位等原因，污染物排放量大，造成了一定程度的大氣污染。近年來粗放型的用能模式帶來的資源浪費和環(huán)境污染問題越來越受到重視。

1 供熱系統(tǒng)問題描述

通常供熱系統(tǒng)由熱源、熱網(wǎng)（管網(wǎng)+換熱站）、散熱設備（末端）和管理平臺4個部分組成，如圖1所示，而這

四個部分都存在著一些問題。

熱源：將天然的或人造的能源形態(tài)轉化為符合要求的熱能裝置，也就是生產(chǎn)熱能的場所，面臨供熱機組靈活性差，供熱運行方式不合理。

熱網(wǎng)：是指由城市集中供熱的熱源，向熱用戶輸送和分配供熱介質的管線系統(tǒng)。它由一次網(wǎng)和二次網(wǎng)組成，一次網(wǎng)從熱源到換熱站，二次網(wǎng)從換熱站到熱用戶，熱網(wǎng)的優(yōu)化技術包括水力均衡優(yōu)化、熱網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)等。面臨水力不平衡不均衡、自動化水平低、管網(wǎng)損耗大。

換熱站：用來轉換供熱介質的種類，改變供熱介質參數(shù)分配、控制及計量供給熱用戶熱量的設施，換熱站內主要的設備有換熱器、除污器、集水器、分水器、循壞泵、補水泵、軟化器、過濾器、電器及自控設備等。面臨溫控能力差，不能自動調節(jié)流量、供熱質量不均衡。

管理平臺：熱源-換熱站-熱用戶之間信息相對孤立無法形成聯(lián)動，各模塊之間缺乏完善的通信方式。

2 系統(tǒng)解決方案

經(jīng)智慧供熱中問題及需求分析，構建在供熱自動化控制設施和工藝技術的基礎上，利用物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術對供熱“熱源、網(wǎng)、站泵和用戶”深度融合，構建端到端的綜合集成解決方案。

2.1 通信網(wǎng)絡

由于熱網(wǎng)及用戶端分布區(qū)域大、設備數(shù)量多、時效性特點，智慧供熱系統(tǒng)通信網(wǎng)絡主要采用光通信EPON網(wǎng)絡和5G等無線網(wǎng)絡混合組網(wǎng)的方式構建，具有高效、穩(wěn)定、可靠、低時延和高帶寬，同時運行成本又要低廉的通信拓撲如圖2所示。

2.2 綜合管控平臺

智能化供熱是在供熱自動化控制設施和技術的基礎上，利用新一代物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術，其針對供熱“源、網(wǎng)、站和用戶”提供端到端全流程綜合解決方案。因此，智慧供熱綜合管控平臺包括供熱設備、網(wǎng)絡平臺和智慧供熱應用系統(tǒng)，借助互聯(lián)網(wǎng)，利用自動化、信息化和智能化技術建設智慧供熱調度平臺，實現(xiàn)供熱系統(tǒng)熱源、輸配系統(tǒng)及終端用戶整個供熱生命周期數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)挖掘分析與智能調控同時與熱源、總調度及一線的運行管理人員形成人機互動，通過人工智能系統(tǒng)建立快捷的智能服務通道，利用手機APP供熱公共平臺更快更好地為用戶提供智慧供熱服務，提高服務滿意率，智慧供熱系統(tǒng)架構設計如圖3所示。

本地數(shù)據(jù)中心：作為整個系統(tǒng)平臺的底層資源，提供網(wǎng)絡、計算和存儲資源。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺：主要涉及邊緣感知計算、存儲和網(wǎng)絡，與云邊協(xié)同。

大數(shù)據(jù)云平臺：完成海量數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉換清洗和存儲并基于供熱業(yè)務模型進行大數(shù)據(jù)挖掘分析和數(shù)據(jù)處理。

人工智能云平臺：基于云計算和大數(shù)據(jù)，進行深度學習實現(xiàn)精準服務和智能化決策。

（1）感知和監(jiān)控實現(xiàn)鍋爐經(jīng)濟運行：優(yōu)化燃燒、按需供應負荷優(yōu)化運行。

（2）智能熱網(wǎng)調度及管理系統(tǒng)：可視化、高效地調整各種參數(shù)，準確及時地處理供熱事故。

（3）GIS管理分析等氣象地理信息系統(tǒng)： 建立供熱管網(wǎng)的仿真模型等支持供熱系統(tǒng)的歷史工況和預測工況，此外也能夠與SCADA及DCS系統(tǒng)對接物聯(lián)感知系統(tǒng)的監(jiān)測和大數(shù)據(jù)分析結果并實時可視化。

（4）智慧供熱能耗分析及優(yōu)化控制系統(tǒng)：實施能耗監(jiān)測，水電熱氣能耗，異常分析與報警，節(jié)能優(yōu)化控制。

（5）換熱站無人值守系統(tǒng)：集中管理，集中控制，提高按需供熱效率，節(jié)省人員成本。

總體上看，通過云、管、邊、端協(xié)同構建的平臺實現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲-用”端到端集成，開展智慧供熱新業(yè)態(tài)達成提質增效、節(jié)能降耗和提升客戶滿意度的目標?？紤]了全網(wǎng)協(xié)同基于人工智能的供熱策略設計，通過供需預測、熱網(wǎng)精細化調節(jié)，實現(xiàn)源網(wǎng)聯(lián)動解決供需矛盾，實現(xiàn)供需平衡。

3 建設意義

經(jīng)濟效益：推動智慧供熱業(yè)務產(chǎn)業(yè)化填補全業(yè)務運營短板，通過智慧供熱平臺建設，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和智能設備產(chǎn)業(yè)化，發(fā)揮平臺長尾效應，拓展智能+助力行業(yè)轉型升級。

社會效益：增進政府與優(yōu)質企業(yè)客戶資源關系，落實企業(yè)社會責任感樹立品牌形象，掌握行業(yè)數(shù)據(jù)后期開展精細化智慧服務等。

4 結 語

本文從供熱行業(yè)面臨痛點出發(fā)，積極跟蹤智慧供熱的關鍵技術，打破傳統(tǒng)供熱模式，加強企業(yè)內部的業(yè)務創(chuàng)新學習，發(fā)展數(shù)字化增值服務。在供熱自動化技術、工藝的基礎上，積極跟蹤并利用物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)、人工智能等技術，針對供熱“熱源、網(wǎng)、站泵和用戶”提供端到端全流程的業(yè)務賦能供熱行業(yè)高質量發(fā)展中總體規(guī)劃出發(fā)同時積極開展單項工程的自動化、信息化和數(shù)字化改造的可行性研究，通過測算實施智慧供熱的投資回報率ROI來挑選出經(jīng)濟效益好的項目作為智慧供熱試點項目建設推廣。

參考文獻

[1]王宇清.供熱工程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[2]鄭文波.控制網(wǎng)絡技術[M].北京：清華大學出版社，2001.

[3]高翔.計量供熱系統(tǒng)的綜合性能評價[D].重慶：重慶大學，2005.

[4]趙愛國，鄧樹超，王淑蓮，等.智慧供熱技術策略研究及應用[J].建設科技，2016（12）：84-85.

[5]費文.智慧供熱節(jié)能先行[J].供熱制冷，2014（11）：24.

[6]張偉，劉家明.智慧供熱系統(tǒng)技術及應用[J].節(jié)能與環(huán)保，2016

（4）：56-57.

[7]田雨辰.計量供熱相關問題的研究[D].天津：天津大學，2007.

[8]奧拓·布勞克曼.智能制造：未來工業(yè)模式和業(yè)態(tài)的顛覆與重構[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.

[9]陳晨，莊文新.智慧供熱信息管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].科技資

訊，2017，15（28）：9-10.

[10]胡純杰，張曉非，蔣南波.集中供熱調節(jié)方式的研究[J].山西建筑，2003（7）：149-150.