基于用戶室溫的智慧供熱技術(shù)研究與應(yīng)用

文_于悅 北京京能熱力發(fā)展有限公司華源分公司

近幾年，隨著智慧城市的建設(shè)，基于現(xiàn)代通信技術(shù)、控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧供熱已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。智慧供熱是指： 基于供熱物理網(wǎng)、供熱物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、供熱系統(tǒng)的智能管理的供熱方式。智慧供熱系統(tǒng)的信息可以進(jìn)行高度的集成及共享，熱源、熱網(wǎng)及熱用戶的運(yùn)行信息能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測，并根據(jù)用戶室溫，通過負(fù)荷預(yù)測、數(shù)據(jù)分析及運(yùn)行策略優(yōu)化，給出最佳的運(yùn)行決策方案。在滿足熱舒適的前提下，節(jié)能降耗。

智慧供熱的目標(biāo)是滿足人的熱舒適需求，按需供熱，降低供熱系統(tǒng)運(yùn)行能耗。因此，智慧供熱的核心任務(wù)是根據(jù)熱用戶的熱舒適需求，控制室溫。即基于室溫實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，通過實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)智慧供熱的目標(biāo)。

智慧供熱分為熱源、熱網(wǎng)、熱力站、熱用戶四方面智能化內(nèi)容。

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。 其智能化是指鍋爐房具備DCS 自動(dòng)控制系統(tǒng)，具備采集熱源內(nèi)介質(zhì)溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行學(xué)習(xí)、分析和預(yù)測。對(duì)所有動(dòng)力設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化控制和安全管理。如鍋爐設(shè)備、燃燒器及重要輔機(jī)設(shè)備等。

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)。其智能化包括關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù) 遠(yuǎn)程監(jiān)測、管線測漏、井室智能監(jiān)測和井蓋防盜報(bào)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。其智能化是指實(shí)現(xiàn)無人值守功能，集熱力站內(nèi)介質(zhì)溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)，并在就地及上位平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)、分析和預(yù)測，對(duì)所有動(dòng)力設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化控制和安全管理。如閥門、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵等設(shè)備。

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)。其智能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?cái)?shù)據(jù)，對(duì)樓棟熱力入口或住戶進(jìn)行智能化控制和安全管理。

典型住戶是指同一系統(tǒng)的室溫安裝應(yīng)覆蓋近端、中端、遠(yuǎn)端用戶，同一樓棟的室溫安裝應(yīng)覆蓋邊戶、頂戶、底戶、中間戶等典型住戶。

1 智慧供熱技術(shù)路線

1.1 智慧供熱平臺(tái)

搭建智能化供熱管理平臺(tái)，由監(jiān)控、仿真、室溫、氣象、生產(chǎn)調(diào)度、能管平臺(tái)等組成。實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)天氣情況和用戶室溫等參數(shù)，通過算法計(jì)算后下達(dá)指標(biāo)。并且根據(jù)各用戶室溫的不同，在GIS 地圖中用不同的顏色區(qū)分展示出來，便于調(diào)度人員分析當(dāng)前運(yùn)行工況及人工參與下發(fā)指令調(diào)節(jié)。提高系統(tǒng)安全運(yùn)行管理水平，實(shí)現(xiàn)熱源與熱力站的精準(zhǔn)調(diào)度。

1.2 熱源、熱網(wǎng)和熱力站

1.2.1 熱源側(cè)實(shí)現(xiàn)鍋爐房智能化建設(shè)

對(duì)于獨(dú)網(wǎng)鍋爐房，通過氣象數(shù)據(jù)、室溫反饋、集群化管控，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)供熱。消化吸收先進(jìn)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)、鍋爐群控DCS 控制技術(shù)，并進(jìn)行應(yīng)用創(chuàng)新。在統(tǒng)一的時(shí)空框架下，對(duì)鍋爐房安全生產(chǎn)、節(jié)能環(huán)保和生產(chǎn)決策等生產(chǎn)全過程進(jìn)行數(shù)字化的表達(dá)，并對(duì)相關(guān)屬性進(jìn)行加工、處理、利用，實(shí)現(xiàn)信息的集成和共享，實(shí)現(xiàn)供熱生產(chǎn)管控一體化，建設(shè)“安全、高效、綠色、智能”的智慧化鍋爐房。

1.2.2 一次熱網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析智慧化建設(shè)

對(duì)于市政熱網(wǎng)，通過“數(shù)字?jǐn)伾狈抡娼：退惴?，并輔以物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)庫參數(shù)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和數(shù)據(jù)修正，建立高精度的一次熱網(wǎng)“數(shù)字?jǐn)伾痹诰€分析系統(tǒng)，優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度，改善全網(wǎng)冷熱不均，實(shí)現(xiàn)集中供熱的有效供給側(cè)調(diào)整。同時(shí)，根據(jù)智慧城市、“城市大腦”的建設(shè)要求，開展城市基礎(chǔ)設(shè)施智能化改造，構(gòu)建“一網(wǎng)統(tǒng)管體系”。

1.2.3 熱力站側(cè)實(shí)現(xiàn)無人值守智能化

對(duì)于熱力站控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)無人值守功能，實(shí)時(shí)獲取并分析熱力站和熱網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、用戶室溫?cái)?shù)據(jù)，分析在天氣預(yù)測數(shù)據(jù)下，優(yōu)化熱網(wǎng)水力平衡協(xié)調(diào)控制及應(yīng)急調(diào)度控制邏輯及方案。并支持邊緣計(jì)算，實(shí)現(xiàn)戶站網(wǎng)基于室溫調(diào)控的協(xié)同。

1.3 熱用戶

熱用戶的住戶系統(tǒng)形式比較復(fù)雜，根據(jù)建筑的年代不同可分為單管串聯(lián)、雙管垂直和雙管分戶成環(huán)三類，建筑節(jié)能水平差異較大。根據(jù)不同基礎(chǔ)條件，結(jié)合室溫監(jiān)測可分為2 個(gè)層次、2 個(gè)場景改造路線。

1.3.1 第一層次

單元級(jí)精準(zhǔn)調(diào)控，適用場景：雙管分戶成環(huán)系統(tǒng)且具有熱計(jì)量安裝條件、具有部分調(diào)控裝置、實(shí)施條件好的現(xiàn)有居民建筑，可實(shí)現(xiàn)按需用熱。

首先在樓棟單元增加電動(dòng)調(diào)節(jié)閥或物聯(lián)網(wǎng)閥等調(diào)節(jié)設(shè)備，利舊熱計(jì)量設(shè)備中的熱表、溫度等測點(diǎn)。并在典型用戶內(nèi)增設(shè)室溫采集裝置，智慧供熱平臺(tái)根據(jù)溫度、壓力、用戶室溫和氣象預(yù)報(bào)等，通過AI 算法、邊緣計(jì)算等技術(shù)算出樓棟單元溫度或閥門的開度并下發(fā)指令。此時(shí)熱力站根據(jù)每個(gè)樓棟單元的溫度，通過算法調(diào)節(jié)熱力站一次側(cè)及二次測電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，達(dá)到聯(lián)動(dòng)控制效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)樓棟單元基于室溫的精準(zhǔn)調(diào)控和安全管理。

1.3.2 第二層次

單元級(jí)靜態(tài)平衡調(diào)控，適用場景：熱單耗高且無調(diào)節(jié)手段或水力失衡嚴(yán)重且低溫投訴多的老舊居民小區(qū)。

以二次系統(tǒng)水力計(jì)算為基礎(chǔ)，判斷系統(tǒng)水力平衡度，并在樓棟單元采取平衡閥或噴射泵等調(diào)節(jié)平衡裝置，解決水平

失調(diào)和垂直失調(diào)問題。增加壓力、溫度測點(diǎn)，并在典型用內(nèi)增設(shè)室溫采集裝置。智慧供熱平臺(tái)根據(jù)壓力、溫度、用戶室溫和氣象預(yù)報(bào)等，通過AI 算法、邊緣計(jì)算等技術(shù)算出樓棟單元熱量，下發(fā)給熱力站調(diào)節(jié)一次側(cè)及二次側(cè)閥門，實(shí)現(xiàn)對(duì)樓棟單元基于室溫的靜態(tài)平衡調(diào)控和安全管理。

1.4 用戶室溫

室溫采集器安裝于典型用戶室內(nèi)，每棟樓安裝比例不低于每棟樓用戶總數(shù)量的20%，且每棟樓安裝不少于9 個(gè)點(diǎn)，每棟樓按遠(yuǎn)、中、 近、頂、中、底、邊角戶安裝，通過NB傳至智慧平臺(tái)，參與上位計(jì)算。

2 典型案例

北京市通州區(qū)西上園小區(qū)，西上園居民面積為17.67 萬m2，公建面積為2.23 萬m2，供熱面積共計(jì)19.9 萬m2，共39棟樓，1977 戶。本次改造采用樓棟單元級(jí)精準(zhǔn)調(diào)控路線，首先對(duì)典型用戶安裝室溫采集器，對(duì)每個(gè)樓棟熱力小室增加電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、邊緣計(jì)算器、熱表、溫度及壓力等測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)單元級(jí)水力平衡及精準(zhǔn)調(diào)控，提高了供熱質(zhì)量及用戶滿意度，項(xiàng)目共計(jì)投資85 萬元。改造前熱耗為0.28GJ/m2，電耗1.184kWh/m2，改造后熱耗為0.234GJ/m2，電耗1.06kWh/m2，每年節(jié)能金額約為27.5 萬元，投資回報(bào)周期約3a。

3 結(jié)語

隨著我國城鎮(zhèn)供熱需求的不斷增加和對(duì)供熱質(zhì)量要求的不斷提高，智慧供熱已逐漸成為供熱系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢。通過智慧供熱改造可以實(shí)現(xiàn)供熱企業(yè)源-網(wǎng)-站-線-戶全面數(shù)字化、信息化，為“十四五”期間實(shí)現(xiàn)城市運(yùn)行管理“一網(wǎng)統(tǒng)管”，打下供熱領(lǐng)域堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?？商岣吖豳|(zhì)量，保障居民供熱舒適度，實(shí)現(xiàn)居民按需供熱，滿足人民美好生活的需求，提升居民滿意度，變接訴即辦為未訴先辦，并且推動(dòng)企業(yè)構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”的現(xiàn)代供熱體系，節(jié)能減排效益明顯，實(shí)現(xiàn)集中供熱系統(tǒng)的安全、綠色、節(jié)能、 智慧。