5G+智慧能源供热系统的研究

（山东国辰实业集团有限公司，山东济南 250000）

0.引言

随着我国城市化建设步伐的不断加快，城市规模和人口在急剧的扩张，城市集中供热系统也迅速发展起来并不断壮大。我国传统的供热企业供热方式粗放，以燃煤为主的供热方式造成的能源消耗较高，而且产生了一定程度的大气污染；部分传统的供热企业管理模式相对落后，仍采用人工巡站的方式，人力成本较高；供热企业不能实时得到用户终端供热温度，与客户终端存在沟通时效等问题。与发达国家相比，目前，我国的人均住宅面积和人均供热水平仍然处于非常低的层次，覆盖范围远远不够，供热质量远远不够，尤其是寒冷地区广大农村的采暖，是高能耗低热效率的原始采暖方式，必须加以改进，总的来说，我国供热工业的市场前景极其广阔[1-3]。

1.城市供热系统

1.1 城市供热系统介绍

我国的部分地区由于冬季寒冷，城市供热成为现代化城市建设中不可缺少的一部分，而供热系统在其中扮演着重要角色，它是城市化建设推进过程中不可或缺的一部分，也是构建新型城市化体系中重要的基础设施。城市供热系统能够给城市提供所需的热源，满足人们供暖的需要，还能够高效利用能源，达到降低能耗保护生态环境的作用。从结构上看，供热系统主要可以分为供热源、供热管网和用户，整体呈现一种发射型的网状结构，而且供热网络正在不断地增大。

1.2 城市供热系统现状

目前市场上存在的供热方式有独立式供热[4]、燃气供热[5-7]、地板辐射供热[8-11]、区域集中供热[12-13]。其中独立式供热方式因为不经济、不环保，而且能源消耗高、成本巨大，目前正逐步被市场淘汰；燃气供热是以天然气、煤气等作为能源，分户计量，虽然环保性能优越，但单位能耗高、极不经济，也几乎没有市场价值，而且存在安全隐患；地板辐射供热可以由燃气采暖炉、热力管网等各种方式提供热源，此种类型所带来的热量温度适中，但随着使用年限的增加地板会出现变形；区域集中供热是通过供热管道输送到用户终端，此种类型较为清洁，且使用年限较长，性价比相对较高，在未来10年内将获得较快的发展，必将占领相当一部分原采取独立式供热的市场。

2.城市供热系统性能优化与提升

城市供热系统中二次间接供热主要依靠换热机组来实现，其中换热机组是由换热器、疏水阀组循环泵等多个零部件构成的热交换站，目前市场上的换热机组都已具备标准化，其大小适中，运行起来较为稳定且容易操作，在城市供热系统中占据非常重要的地位。肖井双[14]阐述了城市以集中供热为主，利用换热机组来实现供热，可以最大程度的实现节能降低成本的效果，同时还指出了目前换热机组供热质量和热负荷太大等方面的不足。目前诸多学者和企业通过换热机组的优化、互联网与供热系统的结合等方式来实现供热能源效能的最大化。

2.1 换热机组的优化

通过优化调控、仿真等多种手段提高换热机组的供热效率，张程[15]分析了目前换热机组的状况，从供热系统中散热机的结构特点、换热机组方便维修、换热机组可以进行智能控制阐述了供热系统的优势，并从换热机组的具体应用论证其在供热系统中的重要作用。

郭荣祥等[16]设计了一种由两个模糊PID控制器相并连的控制器来提高温度控制系统的稳定性与准确性，利用matlab软件中的simulink工具箱对不同温度控制器的控制效果进行仿真对比与分析，以此来提高温度控制效果。如图1所示远程集中供热系统工艺图。

图1 远程集中供热系统工艺图

高晓佳等[17]换热站的自动控制系统进行分析，通过具体的实验得到的相关动态数据，综合分析后对阀门的开口程度进行调节，可以达到循环泵定温定频运转的结果。如图2所示换热站自动控制系统结构。

图2 换热站自动控制系统结构

刘亚鹏[18]主要分析了换热站整个流程中出现的故障，针对这些故障提出了相关的改进措施，从而达到节能增效、减少成本的作用。Jamil Muhammad Ahmad[19]介绍了智能供暖系统，研究加热系统的结构与参考温度和热水消耗之间存在永久的相关性，利用控制算法和数值模型得到的数据与实验相对比，最终得到必须考虑到补偿器的设计，使系统内部没有自激振荡集成，以此达到特定的温度控制。芦亚男[20]利用HacNet软件建立相关模型，然后对传统阀门供热系统、分布式供热系统的运行状态进行模拟，对分布式变频供热的智能运行管理系统进行实验，最终得到最适合智能供热系统的管网形式。Jia Yao等[21]提出了一种针对板式换热器温度区间的智能级联控制方法，建立了用于供水温度区间的智能控制方法，该方法包括用于供水的基于PI的前馈控制和用于蒸汽流量的基于PI的上限约束控制，能够保证供气温度在其技术指标范围内，并且当系统受到室外温度和随机干扰时，能够实现较小的蒸汽流量波动范围。

2.2 “互联网+”智慧能源供热系统

在互联网时代的大背景下，互联网与供热系统的结合大大提高了能源使用率，提高了供热效率。冯亦武等通过实际应用阐述了智能热网的具体方法，论证了“互联网+”集中供热系统的可行性和经济性，通过对智能热网进行相应的技术提升和改造，既大大改善了供热的效果，又确保了供热的稳定性和安全性，确保用户能够得到较高的供热质量，同时也大大降低了热力企业的成本，图3所示为智能热网整体框架图。

图3 智能热网整体框架图

罗雅过从智能供热监控系统的硬件结构，系统的软件结构，提出了基于web的移动网络下的智能供热监控系统，从而实现节能提效的目的。柴春蕾提出了一种智慧供热系统，该智慧供热将各部件连接成网络，采用供热系统数字化集成得到的实时信息，构建能够智能化分析、诊断和调节的新型供热系统，最终形成一种既节能又环保、既安全又稳定的供热模式。

郭致才[22]提出新型供热智能化监管系统进行智慧监管以及管理，能够保证供热系统远程化管理，确保供热稳定运行，能够降低供热系统问题发生频率，能够实时监测供热系统中的数据点，真正促进供热质量的提升。张玉增等[23]研究形成供热工作的“互联网+”管理新模式，结合微信民生覆盖的特点，实现供热工作末端精益化控制的闭环管理，全面提高网络化智能供热服务。建立一套以互联网“供热云”为基础的全新大数据管理模式，宏观分析和管理运行数据及统计报表。白鹤等[24]利用互联网大数据平台，通过分析得到的数据，将管网水力状况等多个数据纳入分析监控范围，一旦换热站运行状态出现问题，便可立马做出预测，并根据预测等级实现报警，确保整个供热系统的精准调控。

侯俊杰[25]探讨了如何实现供热源、供热管网以及换热站的同步动态平衡，目的是为了能够确保供热工作相对稳定，能够达到较好的供热效果，为研究供热系统的成本性、平稳性提供较好的理论基础。王洪伟等[26]阐述了智慧供热调度中心包含的具体部分，涉及供热操作平台、热源的智慧控制、无人值守换热站等。如图4所示为智慧供热管理平台系统结构图。

图4 智慧供热管理平台系统结构图

杨瑞[27]利用负荷预测系统等设施，实现系统从具体的负荷预测到能够做出判断，再到能够进行一个动态的调节反馈，最后能进行一个综合的分析，从而建立一个相对完善的供热体系。J.Y.Zhu等[28]提出了一种启发式的换热网络设计与控制集成的方法，将基于夹点设计方法的热交换器和网络结合在一起，开发了实现启发式方法的智能系统，它以最低的总成本和最高的结构可控性成功地应用于热交换器网络的设计。岳祯金[29]结合物联网建立一个比较稳定、比较高效节能的城市居民区热网集散控制系统，同时搭建了智能化的监控平台，利用了物联网技术实现了供热管网系统的控制，最终实现了高效率、高效能、低能耗的效果。

3.5G+智慧能源供热系统的发展前景

5G是指第五代通讯技术，5G网络相比于传统互联网来说，它的主要优势就在于传输速率远远高于4G网络，而且具有较低的网络延迟，能够迅速的做出响应，它同时具有非常巨大的网络存储量，能够满足大型设备的廉洁，实现物联网通信，目前5G网络已逐渐应用于农业、工业、服务业等多个领域，为各行的发展注入了强大动力[30-35]。

3.1 5G+智慧能源供热系统的性能优势

5G+智慧能源供热系统的无人值守换热机组，目前从技术而言，已经能够满足客户终端对供热的需求，它的原理是利用变送器远程传输数据，经过信号传输至控制系统，控制系统对当前的状态进行监控的同时，并将控制信号传递至具体的执行机构，从而调整供热系统，实现对二次供水、回水的温度调节。5G+智慧能源供热系统的优势有：一是系统可以针对天气状况等实际情况对系统进行动态平衡控制，从而对供热管网流量的控制，达到降低成本的作用。二是系统可以实时监控各个换热站的具体参数，能够监控整个换热机组运行状况。三是系统所需的工作人员较少，且人机交互界面较为人性化，能够非常容易地进行教学操作。四是系统能够设置临界参数，一旦发生参数异常的情况下，能够第一时间进行报警处理，从而保证了系统的安全性、稳定性和可靠性。

3.2 5G+智慧能源供热系统的成本优势

5G+智能智慧能源供热系统中，高效节能换热机组实际占用空间较小，它的结构完善，外形美观，而且系统操作起来较为方便，系统的稳定性和可靠性较强，能够实现较高的效率和较低的成本。另外其高效节能换热机组节电效率和节约能源效率同时也降低了用户的售后维护成本。

3.3 5G+智慧能源供热系统定位优势

目前我国的“三北地区”―华北、东北、西北冬季寒冷，人们的工作、学习和居住环境必须配备采暖设施，随着人们对生活质量要求的不断提高，我国境内对供热的需求已渐渐向西南、中部等地区延伸，同时供热的需求正逐渐从大中城市向小城市、农村地区扩展。另外大量的生活热水也为 5G+智慧能源供热系统提供了潜在的需求。

4.结论与展望

根据目前已有的调研发现，伴随着供热系统的不断发展和供热系统的不断普及，换热机组应用越来越多，换热机组的优化、传统的互联网与供热系统的结合等方式可以提升供热效能，但5G+智慧能源供热系统的结合必然会对供热行业提供了一个质的飞跃，其优势如下：

（1）实现了供热系统中换热的全智能化，尤其是供热流量、温度的智能调节，通过这种智能化的控制，可以达到对调节水泵智能控制出力的效果，从而有效的节约能源以及控制成本。

（2）通过对供热温度进行实时的动态平衡调节控制，能够有效地节约能源，减少了热能的消耗，最大程度地降低了资源成本，间接地为企业增加了经济效益。通过手机App实现了产品与用户终端数据的无缝对接，通过对实时反馈的数据进行分析，然后对产品实时智能控制，真正做到了智能化无人值守。

（3）采用先进的5G+智慧能源供热系统相结合的换热方式，能够让供热管网中的热量达到较为均衡的状态，从而提高供热的效率，并且能够得到现场实时数据的反馈，同时可根据反馈运行数据自动调整以达到最为节能最为高效的换热模式。这种对换热站的近乎全自动控制，对于节能增效具有很大的效果，同时也能起到降低污染、保护环境的作用。