供热自动化、信息化及智慧化的差异探讨

2020-12-11方修睦杨大易周志刚刘京

综合智慧能源 2020年11期

方修睦，杨大易，周志刚，刘京

（哈尔滨工业大学建筑学院，哈尔滨150001）

0 引言

我国集中供热始于建国后第一个五年计划期间，经过几十年的发展，规模越来越大，期间经历了从人工操作到自动化运行的过程，部分企业完成了信息化建设，有的企业正在或计划实施智慧供热。虽然供热企业有实现自动化、信息化的经验，了解一些供热智慧化的内容，但对供热自动化、信息化和智慧化的差别缺少全面了解，也不清楚智慧供热的节能潜力。本文对供热自动化、信息化和智慧化的差别进行探讨，期望能起到抛砖引玉的作用。

1 供热自动化

20世纪60—70年代，我国集中供热的热源以人工操作的小型锅炉为主，供热半径较小［1］。供热系统的运行参数通过现场安装的温度计、压力表来观察，供热过程中所需的分析决策与控制操作依据以往积累的经验。

供热过程涉及繁重的体力劳动，促使人们去研究供热自动化技术，研究利用具有逻辑关系的装置代替人或辅助人去完成供热生产活动中的特定任务，保证供热系统的运行，减轻人的体力和脑力劳动、提高工作效率并实现安全操作［2］。

供热自动化没有改变原有的供热流程，只是利用控制装置使被控设备、系统、生产过程或环境按着预定的方式运行或使被控参数保持规定值［3-4］。供热自动化的任务是代替供热过程中人的体力劳动，代替或辅助人的脑力劳动，自动执行供热流程，实现供热设备与系统的协调、管理、控制和优化，从而提升效率，降低成本。供热自动化过程中物理设备网（源、网、站、用户构成的供热网络）的运行数据（温度、压力、流量及热量）通过各种就地显示仪表（如模拟式显示仪表、数字式显示仪表）变得已知，自动控制系统依据控制设备中设定的控制模型对物理设备网进行控制。供热自动化系统的基本功能是：保证供热系统运行的安全可靠，满足热用户的室温要求，提高供热系统运行的经济性，提高供热系统运行的管理水平。

2 供热信息化

供热信息化是利用计算机信息技术加强供热企业管理的一种手段。供热信息化是供热企业以供热生产及管理流程的优化和重构为基础，在一定深度和广度上利用计算机技术、网络技术和数据库技术，控制和集成化管理供热生产经营活动中的各种信息，实现企业内部的信息共享并有效利用这些信息，以提高供热系统安全，实现节能降耗，提高服务质量。供热信息化主要以计算、通信和控制为主要特征，将物理设备网中的运行数据及设备状态上传到企业的数据中心，利用先进的数据处理分析技术将数据转化成信息，用于系统控制。在供热信息化阶段，供热企业的活动以供热物理设备网为主，人的部分感知、分析、决策功能向信息系统复制迁移［5］，运行人员的思维模式还是人工运行条件下的思维模式，少量的行为借助信息化手段进行改进和提升。信息化是为供热物理设备网的运行及管理服务的，当运行信息与供热物理设备网的规则发生冲突时，以物理设备网规则为主。

3 智慧供热

智慧供热是以数字化、网络化、智能化的信息技术与先进供热技术的深度融合为基础，以用户需求为目标，以低碳、舒适、高效为主要特征，具有自感知、自分析、自诊断、自决策、自学习等技术特点的现代供热模式［5］。智慧供热是以供热系统智能化为前提的。随着城镇供热的发展，供热物理设备网的复杂度也在提升，传统的供热系统很难满足精细化运营和个性化服务的需求，必然要走向智能化［6-7］。供热系统智能化要求物理设备网具有可调节、可控制、可计量能力。智慧供热需要用智能技术和算法解决供热过程涉及的分析、推理和决策性问题，将智能化建设深入到相对完整的供热流程中，在供热生产、服务过程中使系统具备分析和决策能力：通过自我学习、自主判断、优化配置、升级能力等智能行为，对物理设备网的未来走向及供热参数进行预测；利用通过人工智能手段获得的控制模型对物理设备网进行控制，完成人力无法实现的工作，最大限度地将供热人员从体力劳动和大量的脑力劳动中解放出来，创造增量价值。

4 智慧供热与自动化、信息化的主要区别

智慧供热涉及供热行业的设备制造、系统集成、物理设备网及信息物联网的设计和建造、企业运维等环节。目前，国内供热行业所谈的智慧供热仅涉及供热系统的运行及企业的部分运行管理，是狭义的智慧供热。

供热系统运行涉及系统运行策略和控制策略的制定。系统运行策略是供热工程师综合考虑系统参数指标要求、实现方案、节能及经济性等方面后提出的，需要工程师具备丰富的供热系统、设备、建筑热工等方面的知识。系统控制策略是系统控制工程师提出的，是实现运行方案的控制策略，系统控制策略的提出，需要具备丰富的计算机、网络、自控、过程方面的知识［8］。

供热自动化是智能供热系统的基本功能，供热设备的自动运行本质是“机器替人”，强调在无人操作的情况下实现供热设备的不间断运行。

供热信息化是智慧供热的基础，本质上强调供热信息的互通互联、设备无人值守。供热信息化完成供热的数据采集、数据通信、数据存储、系统控制、企业管理和用户服务。供热信息化阶段，软件所采用的调控模型是利用已有的静态物理模型（包括基础理论模型、流程逻辑模型、设备模型、组件模型、故障模型、仿真模型等）和经验来编制的，是用静态模型来处理供热运行中的动态问题。

智慧供热以数据分析为切入点，通过数据发现问题、分析问题、解决问题，从经验和流程驱动转向数据驱动、自动决策，追求供热运行决策环节的科学，形成一定约束条件下供热系统运行调节最优决策方案，用来控制供热物理设备网实体。供热系统智能化追求的是供热系统的柔性运行，本质是“人机协同”，强调供热系统能够自主配合外部条件变化、用户需求变化和人的工作，利用人工智能提升工作效率和系统安全。

智慧供热系统中，制定运行策略及控制策略时均需利用人工智能技术实现决策过程的智慧化。决策中所应用的模型或来自人工智能分析结果（黑箱模型），或来自机理模型+人工智能方法。智慧供热系统可自主决策，决策模型具备自我学习能力，控制模型可自动更新，控制过程精准，效果逼近系统最大能效。

供热运行中的负荷预测、运行调节和水力平衡是供热信息化和智慧供热必然涉及的几个环节，下面根据这几个环节来分析供热信息化和智慧供热的差别。

4.1 负荷预测

供热负荷预测可为运行人员制定未来某一时期内供热系统运行调节策略提供依据。目前，在确定未来某一供热周期内拟生产的供热量时常采用公式（1），图1所示的供热负荷与室外温度的关系曲线即是根据公式（1）绘制的［9］。公式中的Q'A是热源所供区域内建筑物在设计条件下的供热负荷，是根据预定的室内温度、综合热指标、供热面积和当量建筑构造得出的，运行人员根据供热设计时的综合热指标或运行经验确定该参数，也可以依据统计学原理确定。

式中：Q 为供热负荷，MW；Q'A为设计条件下的供热负荷，W/m2；A为供热面积，m2；tn，tw分别为任意条件下的室内、室外温度，℃；上标“'”表示设计值。

图1 供热运行调节曲线Fig.1 Regulation parameters during heat-supply

当建筑物实际室温与预定室温不同，或供热区域内当量建筑构造发生变化（如新建、改建）时，原有的Q'A就发生变化。智慧供热系统可通过分析供热系统的运行数据，得出不同建筑构造、不同使用特点、不同需求的建筑物在设计条件下的耗热量指标，自动对供热指标进行修正，或自动通过机理模型+机器学习方法获得真实的Q'A。

4.2 系统运行调节

供热系统的运行调节是为了将热源（热力站）生产的可满足设备散热需求参数的热量输送到用热设备，目前，信息系统多数采用的是教科书中给出的调节公式（2），制定出质调节（流量作为定值）或分阶段改变流量质调节（某一阶段的流量作为定值）的调节曲线（如图1 所示）。按照此方法制定的调节、控制策略较简单。

式（2）是在热源或热力站集中调节的情况下，以热源或热力站所供区域的建筑物热指标固定、当量散热设备形式确定为前提来制定调节曲线的。实际的供热系统存在新建建筑接入、用户自行更改散热设备等情况，在变流量运行条件下，如果在某一时间段内固定系统的相对流量，将使系统整体的经济性受限。智慧供热系统的运行调节决策需要根据供热当年实际供热区域的建筑条件、室温状况以及设备特点，自动调整供回水温度及流量，以降低系统输送能耗。

4.3 系统水力平衡

信息化系统采用回水温度法、温差法、比例法等进行管网的水力平衡调节。对于有n个用散热器供暖的用户系统来说，每户任意条件下的供热量与设计条件下供热量的比值可表示为

式中：qm为用户流量，kg/h；c为水的比热容，kJ/（kg·℃）。

在设计条件下，如果散热设备的设计供回水温差相同，则可将用户的失调度x之比表示为

式（4）表明，如果用户的失调度相同，则每户散热设备的供回水温差应相同，这就是等温差调节法的原理。若忽略每户供水温度的差别，则可以认为每户的回水温度相同。在信息化中，一级网、二级网或室内系统大多按照此原理去调节平衡。理论上讲，该方法只适用于热源或热力站所供区域的建筑物按照理想状态建设的情况。

每户在任意条件下供热量与设计条件下供热量的比值还可表示为每户在任意条件下散热器散热量与设计条件下散热量的比值，即

式中：K 为每户当量散热器传热系数；Ae为每户当量散热器面积，m2；tp为散热器平均温度，℃。

由于设计条件下设计室温相同，设计供回水平均温度相同，当用户散热器选择合理、用户入住后散热器形式及数量没发生变化、用户供水温度相同时，由式（5）可以得到

式（6）表明，若用户间的室内温度差为0.1 ℃，则用户之间回水温度差应控制在为0.2 ℃。因此，只有散热器选择合理、用户入住后散热器形式及数量没发生变化、室温相同时，采用回水温度法或温差法调节才能做到真正的平衡。在信息系统阶段，已经完成平衡调节的系统（回水温度偏差控制在某一范围内），当供水温度发生较大变化时，回水温度之间的偏差加大，原来的平衡状态就破坏了，不同用户的室温差别变大。基于温度面积法的智慧供热系统可以真正解决系统的平衡问题，对于室温传感器数量较少的系统，可以利用人工智能手段，依据辨识出的实际室温，解决系统的平衡问题。

5 智慧供热的节能率

智慧供热所能达到的节能率与物理设备网的配置水平及设备状态有关，而物理设备网的基础条件与各地实施的建筑节能标准有关。

我国建筑节能始于20 世纪70 年代末，1986 年10 月我国第1 部居住建筑节能设计标准JGJ 26—1986《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》实施，节能计算以当地1980—1981年住宅通用设计能耗作为节能计算基础。标准后来经过多次修订，目前执行的是第4 阶段居住建筑节能设计标准（见表1）［10］。节能标准规定的节能指标是通过建筑围护结构节能和供热系统节能实现的。

表1 各阶段居住建筑节能设计标准Tab.1 Energy-saving standards for residential buildings at various stages

供热系统节能通过提高管网输送效率η1和锅炉运行效率η2来实现［11-12］。提高管网输送效率是通过提高管道保温效率、输热效率和管网平衡效率实现的。锅炉运行效率和管网输送效率以人工运行时的全国平均水平（η1为85%，η2为55%）作为计算基础（见表2）。人工运行时期，要保证管网的输送效率达85%，则管网的保温效率要达到96%，系统漏水率要控制在循环流量的0.5%，管网的平衡效率要达到90%。这意味着，人工运行时期建筑物的平均室温差要控制在2.1 ℃（室温为22.0 ℃）之内。在执行第3 阶段节能标准时，管网的输送效率要达到92%，锅炉的运行效率要达到70%。这表明，信息化时代管网的保温效率要达到99%，系统漏水率要控制在循环流量的0.5%，管网的平衡效率要达到95%。这意味着，信息化时期建筑物的平均室温差要控制在1.1 ℃（室温为22.0 ℃）之内。

智慧供热阶段，由于人工智能技术的应用，η1的提高主要体现在管网平衡效率的提高。如果将建筑物的平均室温差由1.1 ℃提升到0.7 ℃（室温为22 ℃）之内，则现阶段η1的极值可达到94%。这表明：信息化可将η1从人工运行时的85%提高到92%，提高了7 百分点；智慧供热可使η1接近系统输送效率的极值，在信息化的基础上提高1～2百分点。

表2 不同阶段节能标准要求的节能率（以哈尔滨为例）Tab.2 Energy-saving rate required by energy-saving standards at different stages（take Harbin as an example）

智慧供热阶段η2与不同节能阶段锅炉的配置有关，信息化阶段η2由人工运行时期的55%提高到70%，提高了15 百分点。实施第4 阶段的节能标准后，锅炉容量增大，锅炉设计效率提高，黑龙江省将燃用Ⅱ类烟煤的层状燃烧锅炉的设计效率最低值定为83%。智慧供热可以使η2提升，接近锅炉运行效率的极值，η2在信息化的基础上提高了10～12 百分点。

物理设备网的系统综合效率η = η1η2。人工运行时期η 为46.75%，信息化时期η 提升到64.40%（第3 阶段节能标准），提升了17.65 百分点；在第4阶段节能标准中，以黑龙江省为例，将以燃煤锅炉作为热源的供热系统的η提升到69.00%（燃用Ⅱ类烟煤的层燃炉）。实施智慧供热的系统，η 最大值可以达到74.40%～77.08%。这表明，智慧供热阶段η比信息化时期提升了10.00～12.68百分点。

上述分析是在需求侧要求固定、供热系统达到节能标准的情况下，燃煤锅炉供热系统实施智慧供热时可能达到的节能潜力，如果采用其他形式的热源，由于综合效率不同，供热系统的节能潜力也不同。如果供热系统基础较差，需求侧负荷变化，则智慧供热可带来的节能率要大于上述分析的结果。