浅谈智慧供热技术在供热系统中的应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 03 日 作者简介：马俊宏（1986），男，汉族，河北张家口人，本科，中级职称，研究方向为供热工程。-77-浅谈智慧供热技术在供热系统中的应用 马俊宏 唐山曹妃甸新岛市政工程有限公司，河北 唐山 063200 摘要：摘要：本论文主要研究了供热系统中智慧供热技术的应用，选择的研究样本为北方某热力公司，不仅对其大型供热管网中智慧技术的应用成果和经验进行了浅析，还对智慧供热技术以后的发展进行了预测。智慧供热平台借助人工智能技术、专家系统、大数据挖掘技术等在回归分析历史数据的基础上对现有供热系统的运行调控和考核、供热设备管理与运维、运行管理等策略进行了优化和完善，从而使供热系统的运行和管理水平得到了显著的提升。而利用智慧供热技术对北方某热力公司供热运行进行调控策略的优化后，实现了能耗指标明显降低，节能效果显著。关键词：关键词：智慧供热；数据分析；优化控制；按需供热；节能降耗 中图分类号：中图分类号：TU995 随着我国经济、科技的发展不断加快，城市建设被带动，故不管对供热设备的效能，亦或者对供热设备运行管理者专业水平，对供热企业提出的要求也越来越高，而传统的供热运行及其管理模式已经无法让人们的高要求得到满足，所以给供热行业带来了诸多的挑战，因此，供热行业提升整体供热水平迫在眉睫1：（1）很多供热企业虽然配置了先进的供热机组、楼宇设备、热计量等设施，可达到远程检测运行参数和获得用户室温及热量等数据，为供热企业的运行提供有力依据，但在自动化方面，仍需进一步强化；（2）随着集中供热面积及规模的持续拓展，供热系统逐渐复杂化，故需要更强的供热运行和管理能力提供保障。然而，在“均衡输送、按需供热”的城市大型热网管理目标的实现中，智慧供热技术发挥的“助力实现”作用无可替代2。而针对热网运行调节，该热力公司基于智慧供热技术建立了各种智能平台，涵盖远程监控、运行参数实时传输、数据智能分析等方面，以此打通生产、收费、客服系统数据壁垒，使城市大型热网的管理和运行实现了自动化，包括自动分析、自动控制、自动节能运行等，同时也为城市大型热网技术的升级及运行效能的提升提供了一定的启示。1 智慧供热系统建设成果 本文选择北方某热力公司进行研究，该公司拥有73 座换热站，实际供热面积和供热能力分别为 189 万m2和 800 万 m2，大部分工业区被覆盖在内，拥有的一次管网和二次管网分别为 93km 和约 170km。热源的提供者为华润电厂，热源及供热管网连接形式分别为热电联产和间接连接。未使用智慧供热技术前，不管是生产管理，还是运行调控，都通过人工经验完成，所以导致运行、管理成本居高不下。另外，在人们对供热需求及提出的要求越来越高的情况下，再借助人工经验方式很难完成大规模供热的有效管理和运行调控，而且能耗指标、投诉问题不断增加，对企业管理和发展带来很大影响。因此，2019 年该热力公司进行了现有 73 个换热站自控系统的改良升级，同时还针对供热节能构建了公司级智慧监控平台，将室温采集系统、GIS 地理信息系统、智能分析系统、管网调控系统、收费系统、热计量系统、客服系统集成为一体，实现了供热系统运行监控、能耗管理分析、生产调度的一体化智能完成，另外，还设置了室温采集测点，共计 204 个。1.1 实现生产数据的集成与共享 在智慧供热技术的应用中，感知层作为前提条件，如热用户室内温度、热计量、换热站运行等诸多数据需要被感知传输。北方某热力公司经过发展，目前拥有部分数据采集和自控等能力，但因为所用供热设备的生产厂家及研发技术等存在差异，故在进行智慧供热节能监控平台的构建时，要打破“信息壁垒”，即要实现用户热力站管站热源各生产环节中相关中国科技期刊数据库 工业 A-78-数据的集成采集和共享，如此一来，建成的智慧供热平台才能实现热、电、水等相关数据的实时检测和采集。1.2 实现基于大数据的智能调控与考核 在智慧供热系统中，基于大数据的智能调控与考核作为技术核心部分，至关重要。故智慧供热节能监控平台应立足于各热力站的供热范围及供热能力，且结合供热机组工作特性和耗热量、耗电量、耗水量、室外气象环境等参数建立精准的供热量化考核指标，并对调控策略进行优化，争取实现智能调控，如此一来，不仅能实现各级管理人员的责任的进一步明确，还能为各管理者的管理工作开展提供有力参考，更是有利于精准供热、按需供热、供热运行最大主动节能的实现。另外，也能在收费、客服方面进行全流程闭环管理，实现服务的规范化，同时形成数据报表，形成对服务的量化考核，促使服务水平不断提高。1.3 实现基于 GIS 的设备管理与运维 智慧供热节能平台针对管线、管网设备管理与运维进行基于 GIS 设备管理与运维电子档案的建立，一是可实现管理效能的有效提高；二是可实现管线运行安全性的提升；三是可实现人员的远程管理和调用；四是可实现设备故障信息的及时发现和维修，即当设备出现故障时，工作人员可借助大数据技术和专家算法等方法通过分析各设备运行数据第一时间找到故障处，并通知维修人员维修；五是通过主动智能巡检设备的运行情况可实现人工成本和运行风险的有效降低；六是借助各供热区域电子围栏和室温采集测点采集的数据进行室温热点图像的绘制和展示，可实现各供热区域供热质量的实时监测和把控。2 智慧供热技术应用效果分析 2.1 供热能耗分析 该平台运行后，能源节约成效显著。20192020、20202021 和 2021-2022 三个供暖季供热能耗相关数据见表 1。在每个加热阶段，由于户外的平均气温是不一样的，因此，为方便进行对比，将其换算成相同的一个采暖周期，来计算出一个户外的平均气温，以及相同的室内温度，对该热源的热量节约程度进行研究。npznnwttQQtt (1)式中：Qz折算至室外计算温度（-9.1）下的热耗指标，GJ/（am2）；Qn计算当年采暖季的日平均热耗，GJ/（m2 d）；tn供暖室内计算温度，；取 20；tp计算室外平均温度，；tw供暖室外平均温度，；由此可见，20202021 采暖季单位面积日平均耗热量较 2019-2020 同期下降 26.38%，实现节能262397GJ，按从电厂购热的单价 29.7 元/GJ 计算，可节 省 热 费 779.32 万 元。2021 2022 采 暖 季 较2019-2020 同期降低 25.85%（2021-2022 采暖季室外平均温度较低），能源节约量达到了 302104 吉焦，节约能源成本的投入达到了 879.25 万元。在充分兼顾到户外气温之后，将每个供热期的日均热能消耗指标换算成了户外计算的气温，并与之相比较。2020 至 2021 年供热期的日均热能消耗指标是0.00481384GJ/(m2 d)，与 2019 至 2020 年供热期的日均热能消耗指标对比分析，同比下降 23.25%，20212022年，该 地 区 的 日 均 热 能 消 耗 指 标 为0.004395064GJ/(m2 d)，较 2020 至 2021 年的供暖期，再次下降了 8.7%。这表明，搭建、改善和采用智能供暖系统，该方法的能源节约成效是明显的。2.2 环境社会效益分析 在当前绿色供暖资金投入不断增加的形势下，研制和使用智能供暖资讯系统，可以有效地改善以往旧的供暖运营和管理模式。由技术进步带来的产业变化，供暖产业将会发生飞速进步，从过去的“根据过往经验调整能源用量，根据天气决定烧煤炭的量，供暖产 表 1 供热能耗对比 供暖季 室外平均温度()供热面积(104 m2)供暖天数 耗热量(104 GJ)日平均耗热量指标(GJ/(m2d)折算至室外计算温度下的热耗指标(GJ/(m2d)2019-2020 1.1 147.91 132 79.54 0.004073935 0.006272567 2020-2021 1.87 161.68 151 73.22 0.002999138 0.00481384 2021-2022 0 189.95 151 86.64 0.003020662 0.004395064 中国科技期刊数据库 工业 A-79-业的劳动密集”转向“信息、数据和智能化”，从而达到节能减排的目的。非再生的矿物能源的消耗降低，从而增加了能量的利用效率，助力供热行业双碳目标的早日实现。计算方法如下。二氧化碳减排量(吨/年)计算公式：bmcoQQ47.22 (2)式中：Qco2二氧化碳减排量，吨/年；Qbm标准煤节约量，吨/年；2.47标准煤的二氧化碳排放因子，无量纲。二氧化硫减排量(吨/年)计算公式：bmsoQQ02.02 (3)式中：Qso2二氧化硫减排量，吨/年；Qbm标准煤节约量，吨/年；0.02标准煤的二氧化硫排放因子，无量纲。烟尘排量(吨/年)计算公式：bmFCQQ01.0 (4)式中：QFc烟尘减排量，吨/年；Qbm标准煤节约量，吨/年；0.01标准煤的烟尘排放因子，无量纲。本项目从 2019 至 2021 年累计节省 564501 吉焦，1 吨标准煤炭的热量数值为 29.26 吉焦，不计热源利用效率基础上，可节省 19292 吨标准煤炭，4.76104吨的二氧化碳排放量，以及386.85吨二氧化硫排放量，烟尘减排量 192.92 吨。同时供热投诉率逐年降低，取得了良好的社会效益。3 智慧供热系统未来规划 该公司通过投入智能供暖监控系统，使其能源节约成效显著。但从今后的状况来看，应着重加强下列工作。3.1 加强二网平衡管控建设 当前，相对于一次管网的控制程度，二次管网还遗留着重要节点信息不全的情况，这已变成实现精确供暖的一个限制。针对二次管网流通量不均匀、住户供暖效果热量不均等难以量化掌握的情况，可以结合具体状况，在两个层面加以改善：（1）通过在二次管网上每一栋居民楼的供暖入水口的供水与回流管线上设置无线温压传感装置，对其进行全天候监测，实现异常读书分析，急速诊断故障，派遣维护人员，分析能量消耗、水力平衡状态、隔热能力等，从而达到二次管网的水力热力平衡。(2)住户供热入口的信息化改建，主要是以二次管网上的全部供热住户为目标，能够对供热住户进行远程信息收集，将其跟换热站的自动调控平台进行信息关联，并对各个供热住户进行单独的调节，从而达到整体控制，以及智能控制的效果。3.2 基于室温的供热调节 精确供暖以保证住户房间温度，达成按照需求供暖为目的。温度补偿曲线和人工经验等粗放的经营方式很难达到这样的效果。为此，有必要根据住户房间的气温回馈，制定供热系统的运转调控模式，并根据住户的实际要求制定相应的调整对策。在此基础上，将建筑物的热惯性和管网延时作为一个整体来研究，是进行细致化供暖管理的重要环节。在此基础上，提出了一种新的供暖模式，即以室内温度作为调节对象，确保不出现短缺和超量供应，使供暖达到“以人为本”的目的。分阶段达成一条支线，一家子公司，全管网投入的智能化温度调控。3.3 基于“数字孪生”4的供热系统仿真分析 供热系统的不确定性和复杂化现象突出，单纯通过数据驱动方法不能描述客观物理系统运行状况，故通过工业互联网实现供热“源-网-荷-储”各环节设备要素的连接，采用热工水力过程建模仿真和工业大数据方法构建基于 GIS 地理信息系统的供热系统全过程在线仿真数字化孪生模型。即通过构建映射实际供热系统的虚拟模型（信息物理融合），在计算机系统内模拟与推算物理供热系统的实际运行状态，一键得到全网的温度、压力、流量、比摩阻分布等结果。根据热网实测运行数据，来辨识虚拟模型的管段阻力特性、阀门的开度特性、水泵的运行特性，消除虚拟供热系统与现实供热系统两者之间的偏差，提升虚拟模型仿真计算的精度，并在全环节实时仿真基础上，实现热网状态感知监测、故障诊断分析、全线可视化。形成仿真测量系统运行状态、优化调度方案、参数优化方案、预测调控方案、预测维护方案等数据5。4 结束语 通过对智能供暖平台进行升级改造，使一次管网、供热站点、热力机组水力条件和热力条件都能达到平中国科技期刊数据库 工业 A-80-稳运转，达到“准确供暖，按照需求供暖”的目的。结果表明，2019 至 2020、2020 至 2021 年采暖期共节约能源 564501 吨标准煤，节约能源资金投入 1676.5万元，取得了明显的经济效益。另外，该平台还需要对数据感知层进行进一步的改进。通过增设室内温度收集设备、供暖平台模拟等方式，达到“热源-管网-储热-住户”平衡传输、按照需求供暖，实现自动化和智能化的低能耗投入。参考文献 1方修睦.智慧供热对供热企业及相关企业的要求J.煤气与热力,2018(03):1-6 2齐承英.供热计量系统是智慧热网建设的基础J.供热制冷,2016(11):18.3中国城镇供热协会.中国城镇智慧供热发展报告R.中国供热蓝皮书 2019-城镇智慧供热,北京:中国建筑工业出版社,2019.4洪方驰,王叶飞,钟崴,等.基于数字孪生模型的工业供热系统调度平台J.煤气与热力,2018(03):13-16 5张岩杰.智慧供热技术在分布式燃气供热系统中的应用J.中文科技期刊数据库(文摘版)工程技术,2022(5):3.