智慧供熱已經(jīng)成為我國(guó)集中供熱領(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)和發(fā)展方向，但是各地智慧供熱采取的技術(shù)路線和示范項(xiàng)目不盡相同，本文通過(guò)分析供熱行業(yè)智慧供熱現(xiàn)狀，結(jié)合目前存在的主要問(wèn)題和行業(yè)痛點(diǎn)，提出了智慧供熱的發(fā)展目標(biāo)，討論了智慧供熱的主要技術(shù)路線和實(shí)現(xiàn)路徑，以及下一步智慧供熱行業(yè)的發(fā)展方向。

智慧供熱定義

智慧供熱是利用人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、仿真系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生等技術(shù)對(duì)供熱系統(tǒng)的熱源、熱網(wǎng)、熱力站、熱用戶(hù)這四大部分的生產(chǎn)和調(diào)度運(yùn)行一體化管理，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)重要設(shè)施設(shè)備和運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)、生產(chǎn)運(yùn)行分析和策略?xún)?yōu)化，實(shí)現(xiàn)按需供熱和精準(zhǔn)供熱。

國(guó)內(nèi)智慧供熱相關(guān)發(fā)展

2019年中國(guó)城鎮(zhèn)供熱協(xié)會(huì)發(fā)布了《中國(guó)供熱藍(lán)皮書(shū)2019———城鎮(zhèn)智慧供熱》，2020年黑龍江省和河北省相繼發(fā)布了地方標(biāo)準(zhǔn)DB23/T 2745—2020《黑龍江省城鎮(zhèn)智慧供熱技術(shù)規(guī)程》和DB13(J)/T 8375—2020《城市智慧供熱標(biāo)準(zhǔn)》，標(biāo)志著智慧供熱已經(jīng)被列入未來(lái)城市發(fā)展規(guī)則。

北京市為積極響應(yīng)率先建設(shè)碳中和城市目標(biāo)，促進(jìn)供熱行業(yè)節(jié)能減碳，實(shí)現(xiàn)北京市制定的“按需供熱、精準(zhǔn)供熱”目標(biāo)，于2022年5月份發(fā)布了《供熱系統(tǒng)智能化改造技術(shù)規(guī)程第1部分:熱源、熱網(wǎng)和熱力站》《供熱系統(tǒng)智能化改造技術(shù)規(guī)程第2部分:熱用戶(hù)》征求意見(jiàn)稿。

《供熱系統(tǒng)智能化改造技術(shù)規(guī)程第1部分:熱源、熱網(wǎng)和熱力站》規(guī)定了熱源、熱網(wǎng)和熱力站現(xiàn)場(chǎng)踏勘及評(píng)估、智能化改造、源網(wǎng)站協(xié)同、施工與驗(yàn)收及運(yùn)行維護(hù)的要求，主要包括供熱系統(tǒng)中熱源、熱網(wǎng)和熱力站的設(shè)備以及控制系統(tǒng)的智能化改造。《供熱系統(tǒng)智能化改造技術(shù)規(guī)程第2部分:熱用戶(hù)》規(guī)定了現(xiàn)場(chǎng)踏勘及評(píng)估、改造技術(shù)要求、施工與驗(yàn)收、運(yùn)行與維護(hù)的技術(shù)要求，主要是供熱系統(tǒng)中熱力入口至用戶(hù)的供熱系統(tǒng)智能化改造。

國(guó)內(nèi)智慧供熱試點(diǎn)情況

目前，國(guó)內(nèi)部分省、市在供熱系統(tǒng)的部分環(huán)節(jié)中進(jìn)行了智慧供熱系統(tǒng)的建設(shè)和嘗試。其中黑龍江和吉林省的智慧供熱主要采取實(shí)施到樓棟熱力入口的技術(shù)路線，也進(jìn)行了部分實(shí)施到居民用戶(hù)的嘗試;河北省以實(shí)施到居民用戶(hù)為主;陜西的試點(diǎn)以基于通斷面積法的方式為主，北京的試點(diǎn)采用多種型式，詳見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)主要城市計(jì)劃智慧供熱試點(diǎn)情況匯總表

以上統(tǒng)計(jì)的試點(diǎn)中，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧供熱試點(diǎn)占比不足30%，其中熱用戶(hù)實(shí)現(xiàn)智慧供熱約20萬(wàn)戶(hù)，樓宇實(shí)現(xiàn)智慧供熱約2 500萬(wàn)平方米。

目前主要采用的技術(shù)包括室溫采集、戶(hù)用物聯(lián)網(wǎng)智能閥、單元物聯(lián)網(wǎng)智能閥、云平臺(tái)等，絕大多數(shù)是供熱系統(tǒng)的自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)、無(wú)人值守廠站、各類(lèi)平衡和計(jì)量技術(shù)的升級(jí)與完善，使用后的效果迥異，尚需要更多供熱實(shí)際案列的驗(yàn)證。

試點(diǎn)中存在的主要問(wèn)題：(1)各類(lèi)智慧供熱的試點(diǎn)，主要集中在“源-網(wǎng)-站-戶(hù)”的供熱系統(tǒng)的某個(gè)環(huán)節(jié)，未能實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的數(shù)字化、信息化和智能化管理；(2)部分智慧供熱試點(diǎn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用較少，只是原有供給側(cè)調(diào)控的優(yōu)化；(3)大部分供熱企業(yè)都是根據(jù)各自業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行智慧供熱探索，尚缺乏指導(dǎo)性、權(quán)威性的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及技術(shù)導(dǎo)則；(4)無(wú)線通訊技術(shù)多種多樣，還需經(jīng)過(guò)實(shí)際工程檢驗(yàn)和驗(yàn)證最適合供熱系統(tǒng)的通訊技術(shù)；(5)目前物聯(lián)設(shè)備、智能化產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，質(zhì)量和性能良莠不齊，有待國(guó)家盡快制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

智慧供熱的目標(biāo)

基于對(duì)智慧供熱的理解，并結(jié)合目前國(guó)內(nèi)實(shí)施的部分項(xiàng)目，筆者認(rèn)為智慧供熱要確定如下主要目標(biāo):

(1)解決供熱資源的水力失調(diào)、分配不均問(wèn)題；(2)系統(tǒng)的全網(wǎng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，無(wú)需手動(dòng)調(diào)試；(3)實(shí)現(xiàn)熱力站無(wú)人值守的監(jiān)控與控制；(4)利用云計(jì)算平臺(tái)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)充分挖掘和分析整理，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)供熱。

技術(shù)發(fā)展

智慧供熱系統(tǒng)構(gòu)架

智慧供熱基本架構(gòu)由智慧基礎(chǔ)軟硬件設(shè)施、云平臺(tái)、AI算法、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、5G通訊、智慧控制產(chǎn)品等聯(lián)合搭建，實(shí)現(xiàn)人機(jī)設(shè)備互動(dòng)、源網(wǎng)互動(dòng)的智慧供熱生態(tài)系統(tǒng)。智慧供熱控制策略并非一成不變，每一區(qū)塊有量身定制的控制模式、控制系統(tǒng)。同時(shí)，智慧供熱將系統(tǒng)的每一個(gè)區(qū)塊有機(jī)結(jié)合到一起，不僅是從一網(wǎng)換熱站到二網(wǎng)控制終端的結(jié)合，更是各個(gè)區(qū)域換熱站到能源站的結(jié)合，通過(guò)云平臺(tái)大數(shù)據(jù)、AI智能分析等手段，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體調(diào)控。

智慧供熱系統(tǒng)的架構(gòu)，可以用“端邊網(wǎng)云智”來(lái)形容。端，主要指各類(lèi)感知設(shè)備;邊，主要指邊緣計(jì)算器;網(wǎng)，主要指數(shù)據(jù)傳輸通訊方式;云，主要指平臺(tái)的AI算法、數(shù)據(jù)管理等;智，主要指各種應(yīng)用場(chǎng)景等。

智慧廠站

在換熱站一級(jí)網(wǎng)供水側(cè)配置物聯(lián)網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，一級(jí)網(wǎng)回水、二級(jí)網(wǎng)供水側(cè)配置物聯(lián)網(wǎng)超聲熱量表，同時(shí)在廠站動(dòng)力系統(tǒng)配置物聯(lián)網(wǎng)循環(huán)水泵及數(shù)據(jù)采集箱，將數(shù)據(jù)通過(guò)5G通訊傳送至云平臺(tái)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)供熱系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)源—網(wǎng)—站的優(yōu)化調(diào)度和大數(shù)據(jù)分析。詳見(jiàn)圖2。

智慧熱用戶(hù)

在熱用戶(hù)端配置新型供熱計(jì)量系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)智能閥、用戶(hù)室溫采集系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)智能系統(tǒng)與用戶(hù)高度融合，運(yùn)用室溫采集終端及時(shí)反饋修正運(yùn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)。

根據(jù)建筑不同的情況，智慧供熱可以實(shí)施到樓棟熱力入口和用戶(hù)入口兩種方式。

單管串聯(lián)和雙管垂直系統(tǒng)。公共立管在居民家中，入戶(hù)改造影響居民生活，實(shí)施難度高，改造后效果不明顯。所以改造從熱源實(shí)施到樓棟入口，即在典型住戶(hù)、典型位置安裝智能室溫采集器，樓棟/單元熱力入口設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)平衡閥，實(shí)現(xiàn)樓棟單元間的精準(zhǔn)調(diào)控。詳見(jiàn)圖3。

圖3 樓棟熱力入口示意圖

分戶(hù)成環(huán)系統(tǒng)。由于各熱用戶(hù)單獨(dú)成環(huán)，可以獨(dú)立控制，因此可實(shí)現(xiàn)智慧化到熱用戶(hù)。詳見(jiàn)圖4。

圖4 用戶(hù)熱力入口示意圖

未來(lái)展望

清潔供熱是當(dāng)前中國(guó)供熱行業(yè)發(fā)展的首要目標(biāo)，低碳清潔熱源通常具有被動(dòng)性、波動(dòng)性、不確定性的特點(diǎn)，通常需要與其他可調(diào)控?zé)嵩绰?lián)網(wǎng)互補(bǔ)使用。智慧供熱可借助信息物理融合調(diào)控能力，通過(guò)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控降低清潔熱源波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)的不利影響，在滿足供熱安全和用戶(hù)需求的前提下增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)低碳清潔供熱資源的消納能力。

從發(fā)展方向上看，智慧供熱的發(fā)展可分為以下三個(gè)維度:

1、打造全系統(tǒng)智慧供熱，實(shí)現(xiàn)供需側(cè)雙向調(diào)控

現(xiàn)狀自控系統(tǒng)的缺陷主要是，盡管可以保障對(duì)最不利用戶(hù)熱量的供給，卻難以同時(shí)較好地適應(yīng)其他用戶(hù)需熱的變化。智慧供熱就是通過(guò)技術(shù)手段，解決整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)控，將熱用戶(hù)對(duì)熱量的真實(shí)需求，反饋到控制系統(tǒng)，使整個(gè)供熱系統(tǒng)完成自主適應(yīng)及調(diào)控。

2、物聯(lián)感知與AI相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維一體

智慧供熱系統(tǒng)通過(guò)分析與整合海量數(shù)據(jù)，可提供包括運(yùn)行參數(shù)、各類(lèi)室溫情況、水力平衡度、水電熱及燃料分析等功能，比依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的調(diào)節(jié)更加精準(zhǔn)、更加及時(shí)。同時(shí)，智慧供熱系統(tǒng)能夠?qū)⑾冗M(jìn)的經(jīng)驗(yàn)傳承。傳統(tǒng)人工管理模式獲得的經(jīng)驗(yàn)傳遞困難，各個(gè)供熱系統(tǒng)都有其特點(diǎn)，利用人力去摸索需耗時(shí)數(shù)年之久。此外，利用人力傳承，受到表達(dá)、理解、系統(tǒng)變化等多方面的影響，難以做到全面準(zhǔn)確。智慧供熱不僅可以將各系統(tǒng)的情況完整存儲(chǔ)下來(lái)，而且還能快速適應(yīng)系統(tǒng)的變化。

3、將數(shù)字孿生技術(shù)運(yùn)用在智慧供熱

領(lǐng)域數(shù)字孿生(Digital Twin)是通過(guò)數(shù)字技術(shù)，對(duì)物理世界進(jìn)行鏡像化描述的一種新方法，使物理世界與數(shù)字世界建立起實(shí)時(shí)的雙向映射，從而可通過(guò)數(shù)字世界對(duì)物理世界進(jìn)行監(jiān)控與干預(yù)。

數(shù)字孿生具有天然的靈活擴(kuò)展能力，各類(lèi)子系統(tǒng)都非常容易納入到數(shù)字孿生的范疇內(nèi)，也非常容易通過(guò)接口被外界所集成，不必?fù)?dān)心形成數(shù)據(jù)孤島。同時(shí)，采用三維可視化引擎集成展示城市、熱源、管網(wǎng)、樓宇、場(chǎng)站、熱用戶(hù)等各種設(shè)備的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)及物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，并支持多種物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)接入，是打通現(xiàn)有自動(dòng)化控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、客服系統(tǒng)、政務(wù)系統(tǒng)最有效技術(shù)手段。

建設(shè)空間大數(shù)據(jù)平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、可視化平臺(tái)，對(duì)供熱基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)狀況實(shí)現(xiàn)全生命周期的監(jiān)控管理、仿真、預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的遠(yuǎn)程化、無(wú)人化、自動(dòng)化、智能化的控制。