實現(xiàn)當代供熱系統(tǒng)智慧化管控的關(guān)鍵技術(shù)分析

賈立夫，郭蔚彤

(1.陜西涇合熱力有限公司，西安 713700； 2.西安森河工貿(mào)有限公司，西安 710016)

0 引 言

新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合，引發(fā)了影響深遠的產(chǎn)業(yè)變革。越來越多的國家意識到了這一戰(zhàn)略性的發(fā)展機遇，我國提出兩化深度融合和“中國制 造2025”，德國提出“工業(yè) 4.0”，美國提出“再工業(yè)化”與“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”。這些戰(zhàn)略計劃都在強調(diào)同一個重點“智能化”。冬季供暖一直是人們非常關(guān)心的話題，目前集中供熱系統(tǒng)在供熱行業(yè)里己經(jīng)逐漸取代了其他的供熱方式[1]。但是集中供熱系統(tǒng)也有以下問題：非線性嚴重、內(nèi)部關(guān)聯(lián)性強、滯后時間長、供熱面積大、影響因素多[2-3]。在“智慧城市”、“智慧能源”等相關(guān)概念的帶動下，“智慧供熱”已被正式提出，并已成為中國供熱行業(yè)的關(guān)注焦點[4-5]。

1 智慧供熱的關(guān)鍵要素

智能采暖系統(tǒng)是指室內(nèi)采暖裝置的最優(yōu)控制，目的是確保居住者的舒適以及節(jié)約能源和成本。這種系統(tǒng)可以對整個建筑的空氣溫度進行微調(diào)和監(jiān)測，或者能夠了解居住者的習慣，并自動進行溫度調(diào)整。通過用戶友好的界面，人們可以輕松地控制和預(yù)測能源消耗，同時確保能源在不需要的時候不會被浪費。此外，能耗的實時反饋可以推動居住者擁有更節(jié)能的行為[1，6]。

顯然，這些系統(tǒng)在現(xiàn)有建筑的節(jié)能改造和智能建筑改造方面具有巨大的潛力。這是因為它們的應(yīng)用通常不需要對建筑圍護結(jié)構(gòu)進行修改，大幅降低能源投資成本。在過去的幾年中，各種各樣的智能供暖系統(tǒng)已經(jīng)被引入市場，應(yīng)用于幾乎所有類型的住宅建筑。盡管有大量不同的智能供暖方案，但在所有系統(tǒng)中都有可能識別出相同的框架，它由以下關(guān)鍵要素組成：

用于監(jiān)測室外情況和“智能”控制室內(nèi)物理量(在大多數(shù)情況下，是環(huán)境溫度)的傳感器；驅(qū)動器連接到加熱一次網(wǎng)和/或二次網(wǎng)的不同部件，并根據(jù)控制算法收到的指令控制它們的運行；算法(AL)的自動學習和優(yōu)化系統(tǒng)的運行；無線網(wǎng)關(guān)(WG)接收來自傳感器的反饋，根據(jù)控制算法和用戶偏好給執(zhí)行器提供輸入，并且它連接到云服務(wù)器，允許用戶界面(UI)遠程控制和數(shù)據(jù)存儲，允許用戶設(shè)置和規(guī)劃加熱，并接收有關(guān)室外、室內(nèi)條件和能源消耗的反饋。

一般地，智能采暖系統(tǒng)的組成部分包括硬件層、軟件層和網(wǎng)絡(luò)層，并進行了有機連接。具體而言，硬件層由系統(tǒng)的物理部分組成，如熱發(fā)生器、加熱終端、傳感器和執(zhí)行器等。軟件層涉及到控制算法和用戶界面，而網(wǎng)絡(luò)層允許將硬件和軟件連接在一起，并對所有的系統(tǒng)進行遠程控制[7-8]。

2 智慧供熱管控的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 中小型供熱系統(tǒng)的智能化管控關(guān)鍵技術(shù)

熱源最簡單的智能控制是通過根據(jù)熱需求自動開關(guān)熱發(fā)生器來完成的。這種開/關(guān)控制通常基于室外天氣條件，通常適用于大多數(shù)循環(huán)加熱系統(tǒng)。通過一個執(zhí)行機構(gòu)，熱源，熱水供暖系統(tǒng)，蒸汽冷凝鍋爐或熱泵是由控制算法調(diào)節(jié)其開/關(guān)操作時間和/或水溫度的熱水供暖系統(tǒng)，整個房子室溫溫度匹配參考溫度。對于小型建筑物而言，這可能是一種極具成本效益的方法，可獲得最佳的采暖控制。事實上，必須指出的是，這種智能系統(tǒng)的改造干預(yù)并不需要替換主要系統(tǒng)本身，由于智能恒溫器的設(shè)計目的是能夠輕松取代傳統(tǒng)的壁式恒溫器或無線恒溫器，執(zhí)行器可以很容易地連接到幾乎所有的燃氣冷凝鍋爐或熱泵。

然而，有一些混合熱源可以成為智能供暖系統(tǒng)的一部分，不僅因為它們的智能控制，還因為它們的內(nèi)在特性。這種系統(tǒng)的智能在于將多個熱發(fā)生器(通常是一個熱泵和一個冷凝鍋爐)集成起來，能夠利用可再生資源并聯(lián)合控制其運行，以便在極端天氣條件下最大化系統(tǒng)的整體效率和可靠性。然而，必須指出的是，由于市場上這種混合系統(tǒng)的供熱能力有限，這是一種用于改造具有少量熱區(qū)和獨立供熱系統(tǒng)的小型建筑的解決方案[3]。

2.2 集中供熱系統(tǒng)的智慧管控關(guān)鍵技術(shù)

在大型建筑中，有必要在不同的建筑區(qū)域管理不同的室內(nèi)設(shè)定點溫度。這就是能夠連接和控制多個恒溫器的系統(tǒng)被開發(fā)出來的原因。集中供熱智能控制的概念在于在每個房間或熱區(qū)級控制液體循環(huán)終端的熱量排放的可能性。在這種情況下，特別是在集中供熱中，散熱器的閥門可以用“智能”恒溫散熱器閥門(TRVs)替換。這些系統(tǒng)允許將房屋劃分為不同的區(qū)域，并根據(jù)用戶的需求和習慣控制每個區(qū)域的供暖。這是通過減少每個散熱器中的熱水流量來實現(xiàn)的，就像傳統(tǒng)的散熱器恒溫閥一樣，或者通過調(diào)節(jié)熱水流量作為室內(nèi)溫度的函數(shù)來實現(xiàn)。驅(qū)動室內(nèi)溫度可以在熱網(wǎng)的每個部件附近或通過室溫傳感器在房間/熱區(qū)測量。

在這樣的系統(tǒng)中，當溫度傳感器被放置在散熱器附近，靠近熱源時，問題可能會出現(xiàn)。這可能導致不精確的溫度測量和隨之而來的非最優(yōu)控制。事實上，散熱器制造商提出了智能高精度恒溫器。閥門是完全量身定制的散熱器特性，使誤差最小化。在一些非常先進的解決方案中，二級管網(wǎng)智能控制可以與直供系統(tǒng)相結(jié)合。如果一個致動器放置在熱發(fā)生器，該系統(tǒng)算法可以分析傳感器接收到的信息在每個加熱終端和一個適當?shù)男盘柨梢詡鬏數(shù)綗嵩?，因此其操作可以根?jù)整體熱量需求調(diào)制供熱區(qū)域。然而，必須注意的是，在加熱終端中最佳控制的水熱流限制了熱發(fā)生器的頻繁開關(guān)，從而減少了它們的磨損。

2.3 建筑的智能熱控制

如前所述，智能控制是智能建筑中能源系統(tǒng)智能化的關(guān)鍵因素。如果一個控制系統(tǒng)能夠解決以下原則，那么它就可以被定義為智能：

(1)在其實時優(yōu)化，它考慮有關(guān)戶外條件的信息。占用者存在(或用戶本地化)。當前室內(nèi)溫度，以及期望的舒適溫度。

(2)控制系統(tǒng)的驅(qū)動算法能夠了解建筑特性(熱慣量、隔熱等級等)和住戶習慣，并定期更新這些信息。用戶可以設(shè)置他們的每日或每周時間表，這是與系統(tǒng)自動學習過程相結(jié)合的。

(3)用戶可以覆蓋自動控制設(shè)置，手動控制所有級別的系統(tǒng)，但系統(tǒng)會提供反饋，讓用戶知道他們的行動的后果。

(4)系統(tǒng)支持遠程訪問控制。

一種高級的算法是比例-積分-導數(shù)(PID)算法。在智能系統(tǒng)中，它用于智能響應(yīng)功能，也稱為自適應(yīng)智能恢復(fù)。這是一種對房間進行預(yù)熱的功能，以便在程序設(shè)定的時間開始時達到設(shè)定點溫度。PID控制算法可以根據(jù)建筑物的特點和室外溫度，知道預(yù)熱房間需要多長時間。每次，它都會根據(jù)當前的室溫檢查該信息，并給出需要激活系統(tǒng)的時間，以便在期望的時間達到設(shè)定點溫度。此外，可編程溫控器上的PID控制器用于保持溫度穩(wěn)定和防止過熱。事實上，它能夠給出指令，何時停止加熱，在溫度低于期望的設(shè)置點，它允許殘余熱量把溫度提高。

很明顯，可用的信息越多，控制算法就越復(fù)雜。正如前面所提到的，集成是提高系統(tǒng)性能和智能化的關(guān)鍵因素之一。這就是為什么這種智能控制的供暖系統(tǒng)可以通過與建筑自動化系統(tǒng)的完全集成來提高和優(yōu)化其效率和成本效益。這種集成可以很容易地完成。事實上，應(yīng)用在窗戶上的傳感器可用于向供暖系統(tǒng)提供關(guān)于窗戶開啟的信息，以便調(diào)節(jié)其運行，以免在窗戶開啟期間浪費能源。集成的另一個領(lǐng)域涉及電器。同樣的使用時間表可以用來管理供熱和電力系統(tǒng)，這樣當建筑自動化顯示該建筑無人居住時，燈和電器就會被關(guān)閉，供熱系統(tǒng)可以設(shè)置為缺席模式。此外，用戶可以輕松設(shè)置舒適時間表，自動打開燈和電器，并設(shè)置舒適的溫度在被占用的房間。

3 結(jié)束語

綜上，本論文對智能供熱的研究現(xiàn)狀進行了概述，并指出了智能供熱的關(guān)鍵要素。此外，根據(jù)系統(tǒng)的智能級別，對市場上可用的技術(shù)進行了分類，并分析了這些系統(tǒng)不同層次之間的連接?？刂扑惴ê陀脩艚缑孀鳛橹悄芄┡到y(tǒng)有效性的關(guān)鍵因素得到了特別關(guān)注。此外，由于智能供暖系統(tǒng)與可再生能源和區(qū)域智能電網(wǎng)集成的可能性很大，這些技術(shù)將成為未來低碳城市研究發(fā)展的熱點，由于其實施成本相對較低，將在市場上獲得越來越多的應(yīng)用。