“雙碳”背景下智慧供熱發(fā)展與探討

關(guān)寶良 梁辰 喬梁 王猛 孟思宇

摘 要：隨著我國“雙碳”戰(zhàn)略的持續(xù)推進，在構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系與大力發(fā)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(yè)發(fā)展的必然要求，供熱行業(yè)的節(jié)能轉(zhuǎn)型勢在必行。同時，隨著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級深入推進，集中供熱發(fā)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(chǎn)生的“雙碳”背景進行敘述，分析了當(dāng)代供熱行業(yè)發(fā)展的痛點，論述了智慧供熱發(fā)展目標與途徑，探討了“雙碳”背景下智慧供熱的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智慧供熱;雙碳;節(jié)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(qū)域供熱是城市能源建設(shè)中的一項重要舉措，以熱水或蒸汽為介質(zhì)，經(jīng)過供熱管網(wǎng)向全市或某一區(qū)域的用戶供應(yīng)生活、生產(chǎn)用熱，主要應(yīng)用在工業(yè)和民用建筑的采暖、通風(fēng)、空調(diào)和熱水供應(yīng)以及各種生產(chǎn)過程中。集中供熱具有能源利用率高、燃料消耗量少、環(huán)境污染程度低、供熱成本低的優(yōu)點。

隨著我國城鎮(zhèn)化進入提質(zhì)升級的發(fā)展階段，我國的供熱能力與供熱總量發(fā)展迅速。根據(jù)《中國統(tǒng)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(fù)合增長率分別為17.3%、21.3%[1]。隨著供熱的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了污染嚴重、能源浪費、設(shè)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(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，提出了構(gòu)建綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)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(tài)系統(tǒng)碳匯能力等5個主要目標，確保如期實現(xiàn)碳達峰、碳中和;同時明確了工作重點任務(wù)，即推進經(jīng)濟社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型、深度調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加快構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系等10個方面[2]。

供熱作為構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”現(xiàn)代能源體系的重要組成部分，是關(guān)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(jié)能減排、大氣霧霾治理形勢下，北方地區(qū)采暖能耗巨大，供熱行業(yè)通過新技術(shù)進一步降低能源消耗是節(jié)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(fā)展的大時代背景下，智慧供熱利用人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、仿真系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)和GIS定位等技術(shù)，建立供熱感知體系，對供熱系統(tǒng)的生產(chǎn)和調(diào)度運行進行一體化管理，實時監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)重要設(shè)施設(shè)備和運行參數(shù)，通過負荷預(yù)測、數(shù)據(jù)分析和運行策略優(yōu)化，提高系統(tǒng)安全運行管理水平，實現(xiàn)按需供熱和精準供熱。

隨著“雙碳”概念的提出及“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展，供熱行業(yè)涉及能源領(lǐng)域，傳統(tǒng)行業(yè)間壁壘越來越薄弱，如何將能源、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、優(yōu)質(zhì)服務(wù)、民生幸福相互結(jié)合成為關(guān)注焦點。筆者通過對“雙碳”背景下智慧供熱的介紹，分析了當(dāng)代供熱行業(yè)發(fā)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(fā)展方向。

1 當(dāng)代供熱行業(yè)發(fā)展痛點

隨著供熱行業(yè)的快速發(fā)展，同時伴隨著一系列問題。

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

行業(yè)技術(shù)方面：沒有統(tǒng)一覆蓋“熱源—一次網(wǎng)—熱力站—二次網(wǎng)—熱用戶”的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，無法實現(xiàn)熱網(wǎng)統(tǒng)一的智能化調(diào)控;企業(yè)監(jiān)控中心及熱力站自動控制系統(tǒng)功能簡單，沒有數(shù)據(jù)分析功能，人工經(jīng)驗調(diào)控勞動強度大、效率低;供熱效果差，冷熱不均，一網(wǎng)、二網(wǎng)水力失調(diào)普遍，人工調(diào)節(jié)工作量大，投訴較多;企業(yè)監(jiān)控平臺技術(shù)落后，不能滿足智慧供熱大數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化調(diào)控的要求;熱源、熱力站、二次網(wǎng)（水力平衡、室溫采集、熱計量）多套監(jiān)控系統(tǒng)獨立存在，數(shù)據(jù)不能實現(xiàn)相互調(diào)用，存在信息孤島，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)通與數(shù)據(jù)共享，不能形成有效的節(jié)能調(diào)控策略。熱源、熱網(wǎng)、熱力站、熱用戶的問題導(dǎo)致供熱行業(yè)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(yè)亟須改變，安全、舒適、綠色、低碳、智能等將成為供熱的發(fā)展方向。

2 智慧供熱發(fā)展目標與途徑

智能供熱是以供熱物理設(shè)備網(wǎng)為基礎(chǔ)，以供熱信息物聯(lián)網(wǎng)為支撐，通過智能決策系統(tǒng)，為運行管理人員提供輔助決策支持，形成在保證室內(nèi)舒適度的前提下，降低運行能耗的供熱系統(tǒng)形式[4]。智慧供熱總體發(fā)展目標是向著人性化、智能化、效率化、精細化、一體化發(fā)展，關(guān)注供熱服務(wù)的全生命周期，滿足政府監(jiān)管、企業(yè)高效、用戶舒適等多方業(yè)務(wù)價值，通過數(shù)據(jù)治理和智能算法分析能力、一次網(wǎng)/ 二次網(wǎng)/供熱用戶室溫采集等感知手段，結(jié)合全網(wǎng)供熱數(shù)據(jù)的全融合和全網(wǎng)平衡調(diào)控，實現(xiàn)政府監(jiān)管的“人治”到“數(shù)治”，服務(wù)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(fā)展。

2.1 智慧設(shè)備網(wǎng)

智慧設(shè)備網(wǎng)將熱源、熱網(wǎng)、熱力站、熱用戶等4部分進行“智慧化”，智慧設(shè)備網(wǎng)的組成如圖1所示。熱源是指將能源形態(tài)轉(zhuǎn)化為符合供熱要求的熱能形態(tài)的設(shè)施，其智慧化是指采集熱源內(nèi)介質(zhì)溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)，并進行學(xué)習(xí)、分析和預(yù)測，對所有動力設(shè)備實現(xiàn)智能化控制和安全管理。熱網(wǎng)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(wǎng)、后者為二次網(wǎng)，其智慧化包括關(guān)鍵節(jié)點數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測、管線測漏、井室智能監(jiān)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(shù)熱量轉(zhuǎn)換為適用于熱用戶的低參數(shù)熱量的設(shè)施，其智慧化是指采集熱力站內(nèi)介質(zhì)溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)，并進行學(xué)習(xí)、分析和預(yù)測，對所有動力設(shè)備實現(xiàn)智能化控制和安全管理。熱用戶是指從二次網(wǎng)獲得熱量的供熱系統(tǒng)終端，包含樓棟熱力入口、樓棟內(nèi)公共管道和住戶系統(tǒng)，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(guān)鍵數(shù)據(jù)和能夠反映建筑內(nèi)部溫度的典型住戶室溫數(shù)據(jù)，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(shè)備網(wǎng)的建設(shè)從熱源、管網(wǎng)、熱力站及熱用戶出發(fā)，從基礎(chǔ)方面設(shè)置智慧化供熱關(guān)鍵設(shè)備。智慧設(shè)備網(wǎng)作為智慧供熱的基礎(chǔ)，以實現(xiàn)設(shè)備網(wǎng)的可調(diào)可控、管網(wǎng)平衡與自動調(diào)節(jié)為目標。熱源智慧化設(shè)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(shù)據(jù)遠傳表，變頻器及配套變頻柜、電動閥等一系列鍋爐自控設(shè)備，以及數(shù)據(jù)采集器、通信網(wǎng)關(guān)、熱源智能控制系統(tǒng)等新能源設(shè)備。熱網(wǎng)智慧化設(shè)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(tǒng)等管網(wǎng)感知設(shè)備。熱力站智慧化設(shè)備包括在線遠傳溫度、濕度、壓力、水浸傳感器等傳感設(shè)備，以及遠程電動調(diào)節(jié)閥等調(diào)節(jié)設(shè)備。熱用戶智慧化設(shè)備包括室溫采集器等采集設(shè)備，電動調(diào)節(jié)閥、平衡閥、電控箱等熱用戶設(shè)備以及熱表擴展模塊等單元閥設(shè)備。

2.2 信息物聯(lián)網(wǎng)

信息物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)從網(wǎng)絡(luò)層、邊緣層、Laas出發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲與核查。信息物聯(lián)作為智慧供熱的途徑，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸完整、穩(wěn)定、可靠為目標，信息物聯(lián)網(wǎng)的組成如圖2所示。

信息物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層通過通信網(wǎng)絡(luò)進行信息傳輸，將感知設(shè)備獲取的信息安全、可靠地傳輸?shù)狡脚_應(yīng)用層，實現(xiàn)接入功能與傳輸功能，包括固網(wǎng)、4G、5G、物聯(lián)網(wǎng)NB-loT等方式，承擔(dān)著巨大的數(shù)據(jù)量，面臨更高的服務(wù)質(zhì)量要求，利用新技術(shù)以實現(xiàn)更加廣泛和高效的互聯(lián)功能。邊緣層基于高性能計算、實時操作系統(tǒng)、邊緣分析算法等技術(shù)支撐，在靠近設(shè)備或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理、存儲以及智能分析應(yīng)用，提升操作響應(yīng)靈敏度、消除網(wǎng)絡(luò)堵塞，與云端數(shù)據(jù)分析協(xié)同。Lass層是云服務(wù)中的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)，包括處理、存儲、網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)和應(yīng)用程序。

2.3 智慧應(yīng)用平臺

智慧應(yīng)用平臺的建設(shè)從供熱應(yīng)用系統(tǒng)、平臺服務(wù)出發(fā)，建立政府供熱監(jiān)管系統(tǒng)、供熱生產(chǎn)系統(tǒng)、供熱運營管理系統(tǒng)、供熱人工智能服務(wù)、供熱數(shù)據(jù)服務(wù)、通用平臺服務(wù)、數(shù)據(jù)平臺服務(wù)，圖3為智慧應(yīng)用平臺的組成示意圖。智慧應(yīng)用平臺作為智慧供熱大腦，以實現(xiàn)供熱系統(tǒng)智能、安全、高效運行與管理，提供滿意服務(wù)為目標。

供熱應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)于政府監(jiān)管、供熱生產(chǎn)及運營單位，可實現(xiàn)檢測管理、服務(wù)監(jiān)督、安全檢查、應(yīng)急指揮調(diào)度、生產(chǎn)監(jiān)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(wù)包括人工智能服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、安全監(jiān)測服務(wù)，主要通過建立預(yù)測模型、控制模型、聯(lián)動模型、仿真模型等提供人工智能服務(wù)，通過對數(shù)據(jù)的計算、處理、診斷、分析等，提供數(shù)據(jù)服務(wù)與安全服務(wù)。

3 工程應(yīng)用實例

3.1 系統(tǒng)簡介

北京地區(qū)某鍋爐房智慧供熱系統(tǒng)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(dāng)前居民室內(nèi)溫度、鍋爐溫度、二次側(cè)回水溫度、1 h后的當(dāng)?shù)靥鞖鉁囟鹊刃畔?，由AI模型計算出對鍋爐的控制溫度，發(fā)送給鍋爐，實現(xiàn)保持居民室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。

3.1.1 居民室內(nèi)溫度采集。鍋爐房供熱小區(qū)內(nèi)共安裝5個居民室內(nèi)溫度采集設(shè)備，這些設(shè)備采集的數(shù)據(jù)上傳至管理后臺，由邊緣計算單元每小時1次獲取當(dāng)前時間段的溫度數(shù)據(jù)，并計算出其中位數(shù)作為居民室內(nèi)溫度的數(shù)值參與計算。

3.1.2 鍋爐溫度采集。鍋爐的相關(guān)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)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(dāng)前溫度值。

3.1.3 當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報數(shù)據(jù)獲取。邊緣計算單元依據(jù)供熱小區(qū)的經(jīng)緯度，從專業(yè)氣象服務(wù)提供商獲取當(dāng)?shù)? h后的天氣預(yù)報信息，其中包括氣溫、陰晴、濕度、體感溫度等數(shù)據(jù)。

3.1.4 二次側(cè)回水溫度采集。二次側(cè)回水溫度傳感器實時將水溫數(shù)據(jù)傳給PLC控制柜，邊緣計算單元每小時1次獲取當(dāng)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(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合1 h后的天氣情況，計算出鍋爐的控制溫度，并將數(shù)值發(fā)送給PLC控制柜，PLC控制柜再將數(shù)值傳輸至鍋爐，控制鍋爐在1 h內(nèi)保持控制溫度。

3.1.6 夜間溫度調(diào)整。從當(dāng)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(nèi)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(jié)省燃氣。

3.2 經(jīng)濟性分析

鍋爐房供熱面積約為3.66萬m2，智慧供熱系統(tǒng)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(jié)能效果明顯，經(jīng)濟效益、社會效益與環(huán)保效益顯著。

4 探討

城市供熱發(fā)展歷經(jīng)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(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，逐步進入人工智能階段。

4.1 智慧供熱是社會全面發(fā)展的過程

隨著城市的發(fā)展，實現(xiàn)精準供熱、按需供熱是行業(yè)發(fā)展的目標與使命。發(fā)展智慧供熱是漫長與漸進的過程，隨著社會全面發(fā)展，需要互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、設(shè)備制造等先進技術(shù)參與和融合[5]。智慧設(shè)備網(wǎng)作為智慧供熱發(fā)展的基礎(chǔ)，需要解決端網(wǎng)信息采集、通信設(shè)備與智控設(shè)施等智慧化設(shè)備的使用問題;信息物聯(lián)網(wǎng)作為智慧供熱發(fā)展的媒介，通過數(shù)據(jù)采集、控制指令下發(fā)、有線傳輸完成“端基礎(chǔ)”與“云大腦”聯(lián)系，需要解決互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的完整、可靠、穩(wěn)定及數(shù)據(jù)的建設(shè)問題;智慧應(yīng)用平臺作為智慧供熱的大腦，利用新一代物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)對智能算法、模型構(gòu)件進行智慧化分析、學(xué)習(xí)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(yè)智慧化建設(shè)共同發(fā)展。

4.2 智慧供熱建設(shè)需要建立國家標準與規(guī)范

目前，供熱行業(yè)暫無智慧供暖國家統(tǒng)一行業(yè)標準，國家應(yīng)出臺智慧供熱建設(shè)標準與規(guī)范，進而指導(dǎo)智慧供熱行業(yè)健康發(fā)展。隨著各地城市智慧供熱技術(shù)標準的發(fā)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(shè)的重要一環(huán)，服務(wù)民生，節(jié)能增益，是未來供熱行業(yè)的發(fā)展主題[5]。在碳達峰、碳中和背景下，以解決供熱行業(yè)的痛點和難點為出發(fā)點，可為智慧供熱系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計、規(guī)劃、施工與運維提供行之有效、科學(xué)且具有通用性的指導(dǎo)工具，更好地引導(dǎo)智慧供熱技術(shù)的研發(fā)與市場應(yīng)用推廣，引領(lǐng)和推動供熱行業(yè)全面轉(zhuǎn)型升級，對促進智慧城市建設(shè)、居民生活舒適性、能源利用和提升行業(yè)管理水平具有重要的意義。

4.3 智慧供熱建設(shè)將大大助力“雙碳”實施

智慧供熱的特點是“智慧”，在端—網(wǎng)—云全生命周期的各個環(huán)節(jié)中體現(xiàn)。智慧供熱具有人性化、智能化、效率化、精細化、一體化發(fā)展特點，城市供熱節(jié)能減排問題隨著供熱行業(yè)的發(fā)展將逐漸減弱。智慧供熱集“精準計量、全網(wǎng)監(jiān)測、診斷分析、治理調(diào)節(jié)、節(jié)能提升”于一體，將供熱系統(tǒng)從信息感知、信息獲取、分析處理、決策執(zhí)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(yè)啟動全流程數(shù)據(jù)檢測，并根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)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。

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