“光熱+”清潔能源供暖智慧云服務(wù)系統(tǒng)分析與應(yīng)用

薛道榮，張晶，施得權(quán)

（北京道榮新興能源有限公司，北京 102208）

0 引言

近幾年來，北方清潔能源供暖工作如火如荼地進行?！吨袊⒚壕C合治理研究報告2021》[1]中建議利用智慧監(jiān)管平臺提早布局售后運維體系，在“十四五”期間，建立“互聯(lián)網(wǎng)+清潔取暖”的工作管理模式，運用科技手段破解清潔取暖設(shè)備點多面散、無監(jiān)管的難題?！扒鍧嵐┡a(chǎn)業(yè)網(wǎng)”[2]在《產(chǎn)業(yè)報告2021 丨清潔供熱典型案例：北京市農(nóng)村地區(qū)互聯(lián)網(wǎng)信息化平臺》也詳細闡述了智能云服務(wù)系統(tǒng)對清潔取暖的效益，以及推廣和應(yīng)用。薛道榮[3-5]在《中國建筑金屬結(jié)構(gòu)》中提到：采用智能能源理念，初步實現(xiàn)“光熱 +”綜合云平臺方案，通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù)，實現(xiàn)對“光熱 +”供熱采暖系統(tǒng)的 PC 端和 App 端的遠程控制。同時提出“因地制宜、精準供熱、精準服務(wù)、精準運營”的智能能源理念，滿足老百姓溫暖過冬的需求，實現(xiàn)清潔能源供暖的可持續(xù)發(fā)展。近幾年來，河北道榮新能源科技有限公司（簡稱“道榮新能源”）“光熱+”多能互補清潔能源項目遍布河北邢臺、秦皇島，山西大同，遼寧阜新，吉林延邊，黑龍江亞布力，山東東營，湖北鄂州，西藏拉薩，甘肅酒泉、北京房山、內(nèi)蒙古等多個地區(qū)，累計安裝的戶用清潔供暖系統(tǒng)10 萬余套，助力北方20 余座城市實施的“光熱+”清潔能源供暖工程，深受各地政府和百姓的好評。

尤其是在近三年，疫情嚴峻的大環(huán)境下，物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧云服務(wù)凸顯出了其優(yōu)勢，在人員到達現(xiàn)場困難的情況下，依然能夠保障農(nóng)戶的供暖需求。同時在滿足用戶的供暖前提下，大幅度降低了運維成本，提高了運維效率。

1 工程概況

2021 年，道榮新能源在遼寧撫順開始實施“光熱+”電戶用供熱采暖試點工作，具有顯著的降費、降耗、節(jié)能、減排效益。

該項目位于遼寧省撫順市，介于東經(jīng)123°39'42''～ 125°28'58''，北緯41°14'10''～42°28'32''之間，位于中溫帶，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。全年年均氣溫 6.6℃。年平均總輻照量為4 801MJ/m2。用戶采暖需求期是151d（11 月1 日至翌年4 月1 日）。

2 設(shè)計方案

項目以“光熱+”清潔能源供暖為主體，電采暖爐為輔熱，實現(xiàn)因地制宜，多能互補，解決用戶的清潔供暖需求，保障百姓溫暖冬天。同時布局智慧云服務(wù)系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)手段建立“互聯(lián)網(wǎng)＋清潔取暖”的工作管理模式，為系統(tǒng)的正常可持續(xù)運行做好保障。

2.1 系統(tǒng)工作原理

“光熱+”清潔供暖系統(tǒng)主要由光熱采暖機、電采暖爐輔熱能源、云控器、供暖末端、循環(huán)泵站、電磁閥等部分組成，如圖1 所示。

圖1 “光熱+”電采暖爐戶用供暖系統(tǒng)原理圖

光熱系統(tǒng)由LTC-40 光熱采暖機2 臺，合計太陽能集熱器80 支；電采暖爐的最大功率是6kW；云控器1 臺；循環(huán)泵1 臺；光熱供暖和電采暖供暖切換電磁閥1 套；循環(huán)管路1 套；供暖面積為40～60m2。

LTC-40 光熱采暖機是由太陽能集熱器收集太陽輻射并轉(zhuǎn)化成熱能，以液體作為傳熱介質(zhì)，以水作為儲熱介質(zhì)，熱量通過循環(huán)流動經(jīng)由供暖末端送至室內(nèi)進行供暖。當太陽能水箱內(nèi)部水溫達到太陽能啟動溫度時，系統(tǒng)會自動啟用采暖循環(huán)功能，通過太陽能循環(huán)泵將熱能轉(zhuǎn)換到室內(nèi)供熱系統(tǒng)，通過室內(nèi)供暖末端的熱傳導(dǎo)散熱特性，將熱水能量通過循環(huán)流動換熱輻射到房間內(nèi)，從而提高室內(nèi)環(huán)境溫度達到采暖效果；當太陽能水箱內(nèi)部水溫不能達到系統(tǒng)啟動溫度時，系統(tǒng)會通過電磁閥自動切換到電采暖爐進行供暖。

電采暖爐以電力為能源，通過電加熱器將水加熱，經(jīng)過循環(huán)將熱水循環(huán)到室內(nèi)。當供水溫度小于上限溫度時，電采暖爐處于加熱狀態(tài)；當供水溫度到達上限溫度時電采暖爐處于停機保溫狀態(tài)。

2.2 智慧云服務(wù)系統(tǒng)

智慧云服務(wù)系統(tǒng)由云控器和大數(shù)據(jù)云服務(wù)兩部分組成。

云控器為系統(tǒng)的智能控制器，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過實時監(jiān)測光熱采暖機水溫和水位、室外管路的溫度、供暖末端的回水溫度、室內(nèi)溫度等等，根據(jù)用戶的供暖需求，控制光熱供暖和電采暖爐的輔熱供暖，在保證用戶需求的前提下，最大限度使用太陽能，降低用戶供暖成本。云控器實時監(jiān)測室外管路溫度，采用系統(tǒng)循環(huán)方式和管路加熱的方式，保證系統(tǒng)的正常運行，防止管路凍結(jié)。

云控器除了上述的功能外，每個云控器擁有該設(shè)備唯一的ID，還擁有該設(shè)備唯一的DTU 模塊。云控器可以將實時獲取的傳感器數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運行狀態(tài)、系統(tǒng)運行參數(shù)、系統(tǒng)運行故障等等，通過DTU 上傳到云平臺；同時可以實時接收云平臺實時下發(fā)的數(shù)據(jù)。云控器的數(shù)據(jù)上傳頻率可以高達每分鐘一次。

大數(shù)據(jù)云服務(wù)包含云平臺和用戶終端。云平臺整體架構(gòu)使用成熟的Spring Boot 開源技術(shù)框架，采用總體框架J2EE 結(jié)構(gòu)，遵循MVC 結(jié)構(gòu)，編程語言主要采用Java、html5，數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Mysql 與nosql 型內(nèi)存數(shù)據(jù)庫Redis。用戶終端基于Android 5.0 框架、IOS 開發(fā)的道榮云APP、道榮小程序等客戶端軟件，豐富物聯(lián)網(wǎng)通信靈活化，精準化，智能化，個性化服務(wù)用戶。

云平臺通過云控器的ID，將供暖系統(tǒng)與用戶的基礎(chǔ)信息進行綁定；可實時展示用戶的身份信息、位置信息、安裝進度信息、系統(tǒng)運行狀態(tài)、系統(tǒng)故障信息以及故障報警，如圖2 所示。

圖2 云平臺視圖

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

3.1 運行效果數(shù)據(jù)分析

撫順2021～2022年采暖期2021年11月1日至2022年3月31日，總供暖時間為151d。但從撫順2021 年10 月份和2022 年4 月份氣溫走勢分析，從10 月1 日起，晚上最低溫度已經(jīng)很低，甚至達到0℃以下；到2022 年4 月30 日，晚上最低溫度還是1℃；以上說明，在采暖期的前后一段時間內(nèi)，也存在采暖需求的情況，存在提前供暖和延后供暖的需求。

太陽能供暖具有免費性，根據(jù)云平臺大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在室溫在17℃～19℃狀態(tài)的前提下，太陽能平均每年可為用戶省去37%的供暖開支，具體如表1。

表1 太陽能供暖時長統(tǒng)計

同時智慧云平臺通過對每戶供暖系統(tǒng)的用電量的檢測并記錄，為政府的供暖補貼政策提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 實際節(jié)能量數(shù)據(jù)分析

“光熱+”清潔能源供暖系統(tǒng)的實際節(jié)能量，是指該供暖系統(tǒng)中太陽能實際供給的用于供熱供暖的能量。一般由流體質(zhì)量、比熱容和溫度變化等因素決定。本系統(tǒng)中采用焓差法來計算熱量，公式為：

式（1）中：

QJ—節(jié)能量，kWhth

t—太陽能供暖時間，s

qm—質(zhì)量流量，ks/s

△h—進出口焓差，kJ/kg

ηqf—清潔能源設(shè)備運行效率，%

根據(jù)式（1），后臺統(tǒng)計實際節(jié)能量和減排量，如表2 所示。

表2 實際節(jié)能量和減排量計算

“光熱+”戶用供熱采暖系統(tǒng)太陽能光熱系統(tǒng)，供暖季節(jié)能量4 482kWh/戶年，碳減排量4.47t/戶年；壽命期內(nèi)節(jié)能達8.96 萬kWh，碳減排達89.37t。撫順打樣370 戶，具有顯著的節(jié)能、減排、降費、降耗意義。

3.3 運維數(shù)據(jù)分析

清潔取暖項目分布在鄉(xiāng)村，點多面廣，同時供暖項目的使用者大都是農(nóng)村留守老人，這給設(shè)備的運維帶來很大的難度。據(jù)統(tǒng)計，運維的主要問題總結(jié)，如表3 所示。

表3 運維的主要問題

從表3 可見，運維的主要問題是設(shè)備使用問題。智慧云服務(wù)可通過遠程服務(wù)，修改設(shè)置用戶的系統(tǒng)參數(shù)，達到用戶滿意的效果，從而達到改造效果的落地，鞏固清潔取暖的成果，確保清潔取暖的可持續(xù)發(fā)展。

4 項目效益

4.1 經(jīng)濟效益

平臺實現(xiàn)了清潔取暖工程管理數(shù)字化，運行狀況數(shù)字化，運維服務(wù)數(shù)字化，全程監(jiān)管數(shù)字化，從申報、核查、監(jiān)管、審計各個角度監(jiān)管整個流程，為財政補貼資金規(guī)范使用提供了有力技術(shù)支撐。

故障預(yù)警監(jiān)測和遠程研判處理可以大幅減少故障發(fā)生，降低運維成本。當設(shè)備運行參數(shù)出現(xiàn)異常時平臺顯示為預(yù)警狀態(tài)，提醒廠家服務(wù)人員或用戶關(guān)注設(shè)備及系統(tǒng)運行情況，有效減少故障的產(chǎn)生和設(shè)備損壞。管理督導(dǎo)部門根據(jù)預(yù)警統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，有針對性地做出長效管護工作的部署，大幅度節(jié)省了維修成本。維修服務(wù)人員通過清潔取暖平臺監(jiān)測到的異常運行參數(shù)進行判斷，并且遠程操控解決，大幅降低現(xiàn)場服務(wù)需求，提高服務(wù)效率，節(jié)約路途成本，減少燃油排放。

提高工作效率，降低管理成本。平臺為煤改清潔能源工程實現(xiàn)了數(shù)字化管理，對整個工程建立數(shù)字檔案取代了繁雜的人工統(tǒng)計工作，減少了大量的紙質(zhì)檔案耗材，提高了工作效率、降低了管理成本。

4.2 社會環(huán)境效益

智慧云服務(wù)系統(tǒng)的建成可以大大促進節(jié)能減排，改善環(huán)境。清潔取暖平臺分析建筑結(jié)構(gòu)、用戶習(xí)慣、氣象參數(shù)、機組運行狀態(tài)控制、末端控制等因素，通過大數(shù)據(jù)人工智能技術(shù)，以功能舒適和節(jié)能并舉為最佳目標，制定多因素耦合控制策略，自動調(diào)節(jié)設(shè)備運行參數(shù)，使設(shè)備保持高能效運轉(zhuǎn)，降低能耗，減少排放。

為政府管理部門提供數(shù)據(jù)支撐，利用平臺能夠及時掌握精準的工程數(shù)據(jù)、運行情況、服務(wù)維護等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)駕駛艙強大的展示效果，使得政府管理部門能夠更高效查看、精準分析取暖數(shù)據(jù)，大大減少人力資源的消耗，提高監(jiān)管質(zhì)量和效果。通過大數(shù)據(jù)平臺把各企業(yè)資源進行整合，為資源共享提供舞臺平臺將設(shè)備企業(yè)、用能企業(yè)、用戶運行資源等各資源整合，可充分發(fā)揮各自領(lǐng)域的優(yōu)勢資源，以資源置換、技術(shù)互補、成果共享等方式在物（互）聯(lián)網(wǎng)、人工智能、工業(yè)控制等領(lǐng)域合作，降低綜合成本，提升運營效率，為資源共享提供舞臺。

云平臺為清潔能源供暖工程實現(xiàn)了數(shù)字化管理，建立了整個工程的數(shù)字檔案，減少了繁雜的人工統(tǒng)計工作，提高了工作效率，降低了管理成本。

5 項目優(yōu)勢和意義

遼寧撫順屬于東北地區(qū)氣候嚴寒，供暖周期長，供熱量占全國需求總量的三分之一，以此項目為基礎(chǔ)，道榮新能源開展產(chǎn)品優(yōu)化升級，推動?xùn)|北地區(qū)“光熱+”電采暖爐戶用供熱采暖應(yīng)用。同時積極示范推廣到黑龍江哈爾濱、甘肅酒泉、寧夏吳忠、內(nèi)蒙古通遼等地“光熱+”電采暖爐試點示范工作，得到了當?shù)卣陀脩舻囊恢潞迷u，推動?xùn)|北地區(qū)和西北地區(qū)農(nóng)村清潔取暖的發(fā)展。

利用智慧監(jiān)管平臺提早布局售后運維體系，融合空氣質(zhì)量、能源消費、碳排放管理、工程改造數(shù)據(jù)，運用科技手段破解清潔取暖設(shè)備點多面散、無監(jiān)管的難題，打通清潔取暖長效可持續(xù)發(fā)展的最后“一公里”，提高服務(wù)覆蓋范圍、服務(wù)響應(yīng)效率和故障處理能力，促使用戶報修有選擇、師傅維修有記錄、工單回訪可跟蹤，有效滿足用戶、企業(yè)、政府三類角色，高效實現(xiàn)使用、服務(wù)、監(jiān)管三類功能。根據(jù)農(nóng)村用戶數(shù)量配備一定比例的專業(yè)運維人員，確保及時響應(yīng)用戶服務(wù)需求和報修需求，保障農(nóng)村清潔取暖設(shè)備正?？沙掷m(xù)運行。

6 結(jié)論

本文通過“光熱+”清潔能源供暖智慧云服務(wù)系統(tǒng)在遼寧撫順的實測運行數(shù)據(jù)分析，得出如下的結(jié)論：

（1）智慧云服務(wù)系統(tǒng)使清潔取暖工程管理數(shù)字化、運行狀態(tài)數(shù)字化、運維服務(wù)數(shù)字化，解決了農(nóng)村用戶點多面散，難運維的難題，同時降低企業(yè)運維成本，提高運維效率。

（2）智慧云服務(wù)系統(tǒng)可實時監(jiān)控各個用戶的太陽能供暖情況、節(jié)能量數(shù)據(jù)、輔熱用電量數(shù)據(jù)等，為政府的供暖監(jiān)管和供暖補貼提供了基礎(chǔ)。

（3）智慧云服務(wù)系統(tǒng)可實時統(tǒng)計并分析出每個用戶的碳減排情況，為未來的碳匯交易做好準備。

（4）智能云服務(wù)系統(tǒng)能夠低成本的迭代和升級，也可以此為基礎(chǔ)，加入更多的應(yīng)用模塊，更好地為鄉(xiāng)村振興服務(wù)。