“双碳”背景下智慧供热发展与探讨

关宝良 梁辰 乔梁 王猛 孟思宇

摘 要：随着我国“双碳”战略的持续推进，在构建清洁低碳、安全高效能源体系与大力发展清洁能源供热的新时代背景下，更清洁、更低碳、更高效、更灵活是今后行业发展的必然要求，供热行业的节能转型势在必行。同时，随着企业数字化转型升级深入推进，集中供热发展正式向清洁低碳、高效灵活的智慧供热迈进。笔者针对智慧供热产生的“双碳”背景进行叙述，分析了当代供热行业发展的痛点，论述了智慧供热发展目标与途径，探讨了“双碳”背景下智慧供热的发展。

关键词：智慧供热;双碳;节能减排

中图分类号：TK115     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）10-0096-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.022

Development and Discussion of Intelligent Heating Under the Background of Carbon Peaking and Carbon Neutrality

GUAN Baoliang    LIANG Chen    QIAO Liang    WANG Meng    MENG Siyu

（Beijing Tianyueheng Housing Management Company Limited，Beijing 100069，China ）

Abstract： With the advancement of country's carbon peaking and carbon neutrality strategy， in the context of the new era of building a clean， low-carbon ，safe and efficient energy system and vigorously developing clean energy heating， Clean， low-carbon， high-efficiency and flexibility are the inevitable requirements for future industry development. The energy-saving transformation of the heating industry is imperative.At the same time， with the in-depth advancement of digital transformation and upgrading of enterprises， the development of central heating has officially moved towards clean， low-carbon， efficient and flexible smart heating.This article describes the carbon peaking and carbon neutrality background generated by smart heating， analyzes the pain points of the contemporary heating industry， discusses the goal approaches and developments of intelligent heating under the background of carbon peaking and carbon neutrality.

Keywords： intelligent heating; carbon peaking and carbon neutrality; energy conservation

0 引言

區域供热是城市能源建设中的一项重要举措，以热水或蒸汽为介质，经过供热管网向全市或某一区域的用户供应生活、生产用热，主要应用在工业和民用建筑的采暖、通风、空调和热水供应以及各种生产过程中。集中供热具有能源利用率高、燃料消耗量少、环境污染程度低、供热成本低的优点。

随着我国城镇化进入提质升级的发展阶段，我国的供热能力与供热总量发展迅速。根据《中国统计年鉴2021》城市集中供热情况，2020年全国供热总量为410 058万GJ、热水供热总量为345 004万GJ;而1981年全国蒸汽供热总量为824万GJ、热水供热总量为183万GJ，年复合增长率分别为17.3%、21.3%[1]。随着供热的迅速发展，产生了污染严重、能源浪费、设备效率低、检修困难、人员工作量大等一系列问题。

2021年10月24日，中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，提出了构建绿色低碳循环发展经济体系、提升能源利用效率、提高非化石能源消费比重、降低二氧化碳排放水平、提升生态系统碳汇能力等5个主要目标，确保如期实现碳达峰、碳中和;同时明确了工作重点任务，即推进经济社会发展全面绿色转型、深度调整产业结构、加快构建清洁低碳安全高效能源体系等10个方面[2]。

供热作为构建“清洁低碳、安全高效”现代能源体系的重要组成部分，是关系国计民生的生命线工程。伴随着碳达峰与碳中和的目标，在节能减排、大气雾霾治理形势下，北方地区采暖能耗巨大，供热行业通过新技术进一步降低能源消耗是节能减排、雾霾治理的重要手段。在“双碳”目标、能源变革与绿色发展的大时代背景下，智慧供热利用人工智能、云计算、大数据、仿真系统及物联网和GIS定位等技术，建立供热感知体系，对供热系统的生产和调度运行进行一体化管理，实时监控系统内重要设施设备和运行参数，通过负荷预测、数据分析和运行策略优化，提高系统安全运行管理水平，实现按需供热和精准供热。

随着“双碳”概念的提出及“互联网+”的发展，供热行业涉及能源领域，传统行业间壁垒越来越薄弱，如何将能源、互联网、物联网、优质服务、民生幸福相互结合成为关注焦点。笔者通过对“双碳”背景下智慧供热的介绍，分析了当代供热行业发展痛点，论述了智慧供热的目标与途径，探讨了智慧供热的未来发展方向。

1 当代供热行业发展痛点

随着供热行业的快速发展，同时伴随着一系列问题。

社会民生方面：供热管网存在安全事故风险，易造成人员伤亡和大面积供暖问题;供热造成的环境污染成为影响北方空气质量的原因;供热是冬季第一民生问题，供热质量投诉多，缺乏有效管理。

行业技术方面：没有统一覆盖“热源—一次网—热力站—二次网—热用户”的数据信息系统，无法实现热网统一的智能化调控;企业监控中心及热力站自动控制系统功能简单，没有数据分析功能，人工经验调控劳动强度大、效率低;供热效果差，冷热不均，一网、二网水力失调普遍，人工调节工作量大，投诉较多;企业监控平台技术落后，不能满足智慧供热大数据分析、优化调控的要求;热源、热力站、二次网（水力平衡、室温采集、热计量）多套监控系统独立存在，数据不能实现相互调用，存在信息孤岛，无法实现数据联通与数据共享，不能形成有效的节能调控策略。热源、热网、热力站、热用户的问题导致供热行业具有高能耗、高投入、高排放、低效率的“三高一低”特点[3]。供热行业亟须改变，安全、舒适、绿色、低碳、智能等将成为供热的发展方向。

2 智慧供热发展目标与途径

智能供热是以供热物理设备网为基础，以供热信息物联网为支撑，通过智能决策系统，为运行管理人员提供辅助决策支持，形成在保证室内舒适度的前提下，降低运行能耗的供热系统形式[4]。智慧供热总体发展目标是向着人性化、智能化、效率化、精细化、一体化发展，关注供热服务的全生命周期，满足政府监管、企业高效、用户舒适等多方业务价值，通过数据治理和智能算法分析能力、一次网/ 二次网/供热用户室温采集等感知手段，结合全网供热数据的全融合和全网平衡调控，实现政府监管的“人治”到“数治”，服务热企的“人控”到“智控”，在保障居民供热均衡、居住满意度的同时，促进“双碳”背景下的能源融合发展。

2.1 智慧设备网

智慧设备网将热源、热网、热力站、热用户等4部分进行“智慧化”，智慧设备网的组成如图1所示。热源是指将能源形态转化为符合供热要求的热能形态的设施，其智慧化是指采集热源内介质温度、压力、流量等数据，并进行学习、分析和预测，对所有动力设备实现智能化控制和安全管理。热网是指连接热源和热力站，以及热力站和热用户的供热管线的总称，前者为一次网、后者为二次网，其智慧化包括关键节点数据远程监测、管线测漏、井室智能监测和井盖防盗报警等。热力站亦称换热站，是指将热源提供的高参数热量转换为适用于热用户的低参数热量的设施，其智慧化是指采集热力站内介質温度、压力、流量等数据，并进行学习、分析和预测，对所有动力设备实现智能化控制和安全管理。热用户是指从二次网获得热量的供热系统终端，包含楼栋热力入口、楼栋内公共管道和住户系统，其智慧化是指采集楼栋热力入口的供回水温度、压力、流量等关键数据和能够反映建筑内部温度的典型住户室温数据，对楼栋热力入口或住户进行智能化控制和安全管理。

智慧设备网的建设从热源、管网、热力站及热用户出发，从基础方面设置智慧化供热关键设备。智慧设备网作为智慧供热的基础，以实现设备网的可调可控、管网平衡与自动调节为目标。热源智慧化设备包括在线远传温度、湿度、压力、烟感、水浸传感器，有毒有害气体检测，水、电、热数据远传表，变频器及配套变频柜、电动阀等一系列锅炉自控设备，以及数据采集器、通信网关、热源智能控制系统等新能源设备。热网智慧化设备包括在线远传温度、湿度、液位、压力、位移传感器，管道泄漏报警系统等管网感知设备。热力站智慧化设备包括在线远传温度、湿度、压力、水浸传感器等传感设备，以及远程电动调节阀等调节设备。热用户智慧化设备包括室温采集器等采集设备，电动调节阀、平衡阀、电控箱等热用户设备以及热表扩展模块等单元阀设备。

2.2 信息物联网

信息物联网的建设从网络层、边缘层、Laas出发，实现数据的采集、传输、存储与核查。信息物联作为智慧供热的途径，以实现数据传输完整、稳定、可靠为目标，信息物联网的组成如图2所示。

信息物联网的网络层通过通信网络进行信息传输，将感知设备获取的信息安全、可靠地传输到平台应用层，实现接入功能与传输功能，包括固网、4G、5G、物联网NB-loT等方式，承担着巨大的数据量，面临更高的服务质量要求，利用新技术以实现更加广泛和高效的互联功能。边缘层基于高性能计算、实时操作系统、边缘分析算法等技术支撑，在靠近设备或数据源头的网络边缘侧进行数据预处理、存储以及智能分析应用，提升操作响应灵敏度、消除网络堵塞，与云端数据分析协同。Lass层是云服务中的基础设施即服务，包括处理、存储、网络和其他基本的计算资源，用户能够部署和运行任意软件，包括操作系统和应用程序。

2.3 智慧应用平台

智慧应用平台的建设从供热应用系统、平台服务出发，建立政府供热监管系统、供热生产系统、供热运营管理系统、供热人工智能服务、供热数据服务、通用平台服务、数据平台服务，图3为智慧应用平台的组成示意图。智慧应用平台作为智慧供热大脑，以实现供热系统智能、安全、高效运行与管理，提供满意服务为目标。

供热应用系统服务于政府监管、供热生产及运营单位，可实现检测管理、服务监督、安全检查、应急指挥调度、生产监控、能耗分析、智能客服、收费管理、报表分析、供热计量等一系列功能。平台服务包括人工智能服务、数据服务、安全监测服务，主要通过建立预测模型、控制模型、联动模型、仿真模型等提供人工智能服务，通过对数据的计算、处理、诊断、分析等，提供数据服务与安全服务。

3 工程应用实例

3.1 系统简介

北京地区某锅炉房智慧供热系统锅炉房控制柜中，边缘计算单元中安装智慧供热AI模型，每小时1次，边缘计算单元收集当前居民室内温度、锅炉温度、二次侧回水温度、1 h后的当地天气温度等信息，由AI模型计算出对锅炉的控制温度，发送给锅炉，实现保持居民室内温度的稳定。

3.1.1 居民室内温度采集。锅炉房供热小区内共安装5个居民室内温度采集设备，这些设备采集的数据上传至管理后台，由边缘计算单元每小时1次获取当前时间段的温度数据，并计算出其中位数作为居民室内温度的数值参与计算。

3.1.2 锅炉温度采集。锅炉的相关数据通过网线实时传给PLC控制柜，边缘计算单元每小时从PLC控制柜获取锅炉的当前温度值。

3.1.3 当地天气预报数据获取。边缘计算单元依据供热小区的经纬度，从专业气象服务提供商获取当地1 h后的天气预报信息，其中包括气温、阴晴、湿度、体感温度等数据。

3.1.4 二次侧回水温度采集。二次侧回水温度传感器实时将水温数据传给PLC控制柜，边缘计算单元每小时1次获取当前的回水温度，用以计算锅炉控制温度。

3.1.5 锅炉温度自动控制。边缘计算单元中的AI模型利用获取到的相关数据，结合1 h后的天气情况，计算出锅炉的控制温度，并将数值发送给PLC控制柜，PLC控制柜再将数值传输至锅炉，控制锅炉在1 h内保持控制温度。

3.1.6 夜间温度调整。从当天23：00到次日5：00，边缘计算单元计算出的锅炉控制温度会使居民室内温度比其他时间段的温度低2 ℃，以使居民睡眠温度更舒适，同时也更节省燃气。

3.2 经济性分析

锅炉房供热面积约为3.66万m2，智慧供热系统投入运行后，2021—2022年供暖季耗气量同比减少53 475 Nm³，耗电量同比减少5 455.16 kW·h，节能效果明显，经济效益、社会效益与环保效益显著。

4 探讨

城市供热发展历经由人工操作阶段、自动化控制阶段、信息化阶段，并伴随着“双碳”背景以及互联网+、物联网的发展，逐步进入人工智能阶段。

4.1 智慧供热是社会全面发展的过程

随着城市的发展，实现精准供热、按需供热是行业发展的目标与使命。发展智慧供热是漫长与渐进的过程，随着社会全面发展，需要互联网、物联网、大数据、人工智能、设备制造等先进技术参与和融合[5]。智慧设备网作为智慧供热发展的基础，需要解决端网信息采集、通信设备与智控设施等智慧化设备的使用问题;信息物联网作为智慧供热发展的媒介，通过数据采集、控制指令下发、有线传输完成“端基础”与“云大脑”联系，需要解决互联网、物联网、大数据的完整、可靠、稳定及数据的建设问题;智慧应用平台作为智慧供热的大脑，利用新一代物联网、人工智能等技术对智能算法、模型构件进行智慧化分析、学习与决策，需要进一步提升智慧水平。智慧供热任重道远，需要城市各行业智慧化建设共同发展。

4.2 智慧供热建设需要建立国家标准与规范

目前，供热行业暂无智慧供暖国家统一行业标准，国家应出台智慧供热建设标准与规范，进而指导智慧供热行业健康发展。随着各地城市智慧供热技术标准的发布，解决了部分城市间智慧供热壁垒。智慧供热作为智慧城市建设的重要一环，服务民生，节能增益，是未來供热行业的发展主题[5]。在碳达峰、碳中和背景下，以解决供热行业的痛点和难点为出发点，可为智慧供热系统相关的设计、规划、施工与运维提供行之有效、科学且具有通用性的指导工具，更好地引导智慧供热技术的研发与市场应用推广，引领和推动供热行业全面转型升级，对促进智慧城市建设、居民生活舒适性、能源利用和提升行业管理水平具有重要的意义。

4.3 智慧供热建设将大大助力“双碳”实施

智慧供热的特点是“智慧”，在端—网—云全生命周期的各个环节中体现。智慧供热具有人性化、智能化、效率化、精细化、一体化发展特点，城市供热节能减排问题随着供热行业的发展将逐渐减弱。智慧供热集“精准计量、全网监测、诊断分析、治理调节、节能提升”于一体，将供热系统从信息感知、信息获取、分析处理、决策执行四方面入手，形成完整、安全、高效、可靠的运行体系，帮助供热企业启动全流程数据检测，并根据数据调整供热方案，最大限度地提升供热效率，改善客户用热体验，助力国家“双碳”政策实施。

参考文献：

[1] 国家统计局.中国统计年鉴—2021[M].北京：中国统计出版社，2021.

[2] 吴琦，金洋，韩旭.“双碳”目标下的能源发展路径[J].有色冶金节能，2021，37（6）：6-9.

[3] 韩钊，袁建娟，孙春华，等.基于信息化的智慧热网系统应用分析[J].区域供热，2018（2）：24-30.

[4] 方修睦.智慧供热对供热及相关企业的要求[J].煤气与热力，2018，38（3）：6.

[5] 吕桂萍，沈园，蒯成.电网企业工程资产智能传导机制建设实践探索[J].中国总会计师，2021（2）：48-49.