智慧供熱系統研究與架構設計

柴春蕾

摘 要：針對我國工業熱力供應存能耗高，效率低，污染排放量大的問題，文中提出一種智慧供熱系統。該智慧供熱基于供熱信息化和自動化，通過云、邊、管、端協同實現信息系統與物理系統深度融合。將各部件連接成網絡，構建開放、彈性、靈活和安全的平臺，對生產流程、業務流程、商業模式進行全鏈條升級改造，采用供熱熱源、熱網、站泵和用戶端到端數字化集成獲取實時的信息，用信息實現價值流的優化，讓聯接產生效益，產生智能從而構建具有自感知、自分析、自診斷、自優化、自調節、自適應特征的新一代供熱系統，實現安全清潔、節能環保和精準服務的供熱業務新模式。

關鍵詞：智能供熱;物聯網;互聯網+;節能;清潔低碳;全鏈條

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）05-0-03

0 引 言

我國工業熱力供應存在生產工藝相對落后、產業結構不合理等現象，主要工業產品單位能耗平均比國際先進水平高出30%左右。多數熱力企業還仍存在人力成本高、熱網側智能化水平低、供熱方式粗放、能耗高，熱源-換熱站-熱用戶之間信息相對孤立，用戶滿意度低等運營問題。且國內供熱熱源以燃煤為主，在生產熱力的過程中由于技術水平限制及監管不到位等原因，污染物排放量大，造成了一定程度的大氣污染。近年來粗放型的用能模式帶來的資源浪費和環境污染問題越來越受到重視。

1 供熱系統問題描述

通常供熱系統由熱源、熱網（管網+換熱站）、散熱設備（末端）和管理平臺4個部分組成，如圖1所示，而這

四個部分都存在著一些問題。

熱源：將天然的或人造的能源形態轉化為符合要求的熱能裝置，也就是生產熱能的場所，面臨供熱機組靈活性差，供熱運行方式不合理。

熱網：是指由城市集中供熱的熱源，向熱用戶輸送和分配供熱介質的管線系統。它由一次網和二次網組成，一次網從熱源到換熱站，二次網從換熱站到熱用戶，熱網的優化技術包括水力均衡優化、熱網綜合管理系統等。面臨水力不平衡不均衡、自動化水平低、管網損耗大。

換熱站：用來轉換供熱介質的種類，改變供熱介質參數分配、控制及計量供給熱用戶熱量的設施，換熱站內主要的設備有換熱器、除污器、集水器、分水器、循壞泵、補水泵、軟化器、過濾器、電器及自控設備等。面臨溫控能力差，不能自動調節流量、供熱質量不均衡。

管理平臺：熱源-換熱站-熱用戶之間信息相對孤立無法形成聯動，各模塊之間缺乏完善的通信方式。

2 系統解決方案

經智慧供熱中問題及需求分析，構建在供熱自動化控制設施和工藝技術的基礎上，利用物聯網及大數據、人工智能等新一代信息技術對供熱“熱源、網、站泵和用戶”深度融合，構建端到端的綜合集成解決方案。

2.1 通信網絡

由于熱網及用戶端分布區域大、設備數量多、時效性特點，智慧供熱系統通信網絡主要采用光通信EPON網絡和5G等無線網絡混合組網的方式構建，具有高效、穩定、可靠、低時延和高帶寬，同時運行成本又要低廉的通信拓撲如圖2所示。

2.2 綜合管控平臺

智能化供熱是在供熱自動化控制設施和技術的基礎上，利用新一代物聯網、大數據、人工智能等技術，其針對供熱“源、網、站和用戶”提供端到端全流程綜合解決方案。因此，智慧供熱綜合管控平臺包括供熱設備、網絡平臺和智慧供熱應用系統，借助互聯網，利用自動化、信息化和智能化技術建設智慧供熱調度平臺，實現供熱系統熱源、輸配系統及終端用戶整個供熱生命周期數據采集、數據挖掘分析與智能調控同時與熱源、總調度及一線的運行管理人員形成人機互動，通過人工智能系統建立快捷的智能服務通道，利用手機APP供熱公共平臺更快更好地為用戶提供智慧供熱服務，提高服務滿意率，智慧供熱系統架構設計如圖3所示。

本地數據中心：作為整個系統平臺的底層資源，提供網絡、計算和存儲資源。

物聯網云平臺：主要涉及邊緣感知計算、存儲和網絡，與云邊協同。

大數據云平臺：完成海量數據采集、數據轉換清洗和存儲并基于供熱業務模型進行大數據挖掘分析和數據處理。

人工智能云平臺：基于云計算和大數據，進行深度學習實現精準服務和智能化決策。

（1）感知和監控實現鍋爐經濟運行：優化燃燒、按需供應負荷優化運行。

（2）智能熱網調度及管理系統：可視化、高效地調整各種參數，準確及時地處理供熱事故。

（3）GIS管理分析等氣象地理信息系統： 建立供熱管網的仿真模型等支持供熱系統的歷史工況和預測工況，此外也能夠與SCADA及DCS系統對接物聯感知系統的監測和大數據分析結果并實時可視化。

（4）智慧供熱能耗分析及優化控制系統：實施能耗監測，水電熱氣能耗，異常分析與報警，節能優化控制。

（5）換熱站無人值守系統：集中管理，集中控制，提高按需供熱效率，節省人員成本。

總體上看，通過云、管、邊、端協同構建的平臺實現“源-網-荷-儲-用”端到端集成，開展智慧供熱新業態達成提質增效、節能降耗和提升客戶滿意度的目標。考慮了全網協同基于人工智能的供熱策略設計，通過供需預測、熱網精細化調節，實現源網聯動解決供需矛盾，實現供需平衡。

3 建設意義

經濟效益：推動智慧供熱業務產業化填補全業務運營短板，通過智慧供熱平臺建設，實現物聯網產品和智能設備產業化，發揮平臺長尾效應，拓展智能+助力行業轉型升級。

社會效益：增進政府與優質企業客戶資源關系，落實企業社會責任感樹立品牌形象，掌握行業數據后期開展精細化智慧服務等。

4 結 語

本文從供熱行業面臨痛點出發，積極跟蹤智慧供熱的關鍵技術，打破傳統供熱模式，加強企業內部的業務創新學習，發展數字化增值服務。在供熱自動化技術、工藝的基礎上，積極跟蹤并利用物聯網及大數據、人工智能等技術，針對供熱“熱源、網、站泵和用戶”提供端到端全流程的業務賦能供熱行業高質量發展中總體規劃出發同時積極開展單項工程的自動化、信息化和數字化改造的可行性研究，通過測算實施智慧供熱的投資回報率ROI來挑選出經濟效益好的項目作為智慧供熱試點項目建設推廣。

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