城镇智慧低碳供热模式研究

刘 巍

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381）

关键字：城镇供热系统；多能互补；智慧低碳；全市一张网

当前，中国的城镇化快速发展，而且已经初步具备一定的规模，城镇人口数量已占据总人口数的60%。据统计，2018年城镇人口达到8.13亿人，城镇居民户数由2001年的1.55亿户增长到了2.99亿户，城镇化率由37.7%增长到58.5%。城镇的快速建设带动建筑业的持续发展，“十四五”规划明确提出要“构建系统完备、高效实用、智能绿色、安全可靠的现代化基础设施体系”，北方供热系统及设施的安全有效运行在保障民生方面更为重要，在节能减排、大气雾霾治理的大形势下，保障和提升供热均衡的同时，通过新兴技术进一步降低能源消耗、提升雾霾治理水平已成为城市公用事业的一个重要组成部分。目前，城市集中供热是主要方式，研究城镇供热模式是十分必要的。

（1）可改变无序、污染严重的供热现状。城镇小型热源需求大，形式多样，能源损耗也大，污染物排放没有统一标准和控制措施，可提升空间大。

（2）有利于确定能源结构。近年来，能源结构发生着巨大变化，已经由“十一五”时期的燃煤供热向如今的可再生能源转型。编制城镇供热规划，确定采暖用能的总量及比例，有助于落实能源规划的总体目标，平衡各地区的能源比例，保证城镇能源供应的可靠性和整个城市的可持续发展。

（3）保障供热系统发展的时序性。一个城镇的建设发展不是一蹴而就的，根据能源政策对整个城镇做统一的供热规划，预留相应规模的供热设施，保证供热设施的建设与建筑发展的体量相匹配。

从具体问题来分析，基础设施水平与城市发展长期不匹配，特别是能源系统无论从规划设计还是管理运行都相对滞后。因此，针对具体问题还需设计适合于小城市和城镇的供热模式，这尤为重要。

1 存在的问题

1.1 耗能增大

城镇在城镇化的高速进程中由于要承载新的城市功能，而率先发展的是建筑业，无论是新城区的开发建设，还是新建的经济区或工业园区，无论是特色文化旅游区，还是新型农业示范区，无论是海洋经济，还是高铁新城，都在加速建筑面积的扩大，而供热的需求也随之爆发性增加。建筑面积的增加。建筑功能多样性的增加，势必造成热负荷的急剧增加，2018年北方城镇供暖能耗为2.01亿tce，占建筑能耗的21%。此外，城市空置率也随着建设而增加，大都在15%~20%，个别地区更高，这些也增加了建筑的能耗损失。

（1）供热不均匀，造成能源浪费。当前，在城市发展的过程中，对供热质量的要求一再提升，供热过程中产生能耗较高问题的主要原因是受供热系统自动化控制系统水平和运营单位管理水平的影响。供热系统严重失调，冷热不均，不但增加了额外能耗，而且造成热量严重浪费。供热运营单位为了保障对用户的供热效果而被动提高能耗，加剧了城市污染，不利于能源可持续利用与发展。

（2）运行管理问题。在大型集中供热系统中，水利失调是非常常见的一个问题，关键因素是自动化水平和调节控制设备及手段不佳。需改善管理运营的综合水平实现节能低碳发展。

（3）系统热效率问题。当前城镇在煤改气和煤改电的实施中，能源的消费较为昂贵，要提高供热系统效率，减少排放热损失，充分利用潜热尤为重要。

（4）管网效率低。实际保温效果不佳或保温形式选择不恰当，存在跑冒滴漏和水力失调等问题，其中水力失调导致的热量损失尤为普遍，要进行供热系统的节能改进，必须实现动态平衡。

1.2 热源不足

城镇现有的热源不能满足热负荷的增加，以往北方地区的城镇供热有条件的会依托周边的热电联产，或者依靠区域燃煤锅炉房供热。随着热负荷的增加，热源供热能力明显不足，很多地区需要从距离更远、规模更大的热电厂来引热。区域燃煤锅炉房在环保压力下，也要由运行成本更高的燃气锅炉房取代，其他清洁能源和可再生能源的占有率很低，热源不足问题尤为突出。

1.3 缺少整体供热体系

城镇的整体供热网络系统没有建立起来，就很难实现精准供热，实现节能减排，使管理和运行水平难以科学有效的提高。

供热行业精细化管理和服务水平不高、科学决策缺乏足够的数据支撑、节能潜力仍待进一步挖掘、供热行业信息化目前仍未大规模普及等问题仍然制约着行业的高质量发展。在新型城镇化加速、新基建崛起、新技术融合发展的背景下，供热企业也迎来了转型升级、走向精细化管理与服务的机遇。新技术的创新与应用使得供热行业信息化在促进行业低碳环保、提升节能减排效率、保障供热安全、提高生产运营管理效率方面发挥了越来越重要的作用。

2 提升空间

2.1 实现多能互补

多能互补系统是对传统分布式能源应用的全新拓展，通过一体化整合理念应用在能源系统工程领域的方式和思路，将分布式能源共同作用于一个大体系内，具有多种形式的“区域能源互联网”系统。并不是多种能源的简单叠加，而要在系统高度上使用不同品位能源进行综合互补的利用，同时统筹安排好各种能源之间的配合与转换，以获得最合理能源利用效果与效益。实现多能互补就构建“互联网+”的智慧能源利用系统，提高能源利用的协调能力，推动清洁能源生产和就近使用，提高能源利用的系统综合效率，这种模式特别适合于城镇供热系统，对于城镇及周边的各种清洁能源进行整合利用，实现清洁低碳的供热目标，总之安全高效的现代能源体系对城市城镇具有重要现实意义和深远战略意义。

因地制宜，择优选用城镇所在地区的能源、热源，总体规划、总体布局，建立多能互补体系，实现多热源联网运行，通过实现全市一张网的发展战略，在最终满足供热需求的基础上，实现节能减排、促进地区经济发展的目标。

2.2 实现智慧供热

智慧供热的核心仍然是供热，是以在供热物理设备网基础上建立的以供热信息物联网为支撑，通过智能系统，为用户提供决策支持，实现高质量、高效率、精细化、人性化、低成本的发展；传统的供热模式是满足用户的整体需求，智能化供热系统更加注重不同用户群体的个性化需求，将服务贯穿于各个环节及全寿命周期，用最低的成本、最高的效率，最大程度满足热用户需求。智慧供热的总体目标是：用户舒适满意、系统安全可靠、能源利用高效、低碳清洁经济。

智慧供热提供了基于大数据（供热运行大数据）、云计算（公有或私有云平台的计算能力）、物联网（无线射频、NB-IoT等传输模式）、人工智能（大数据清洗、机器学习）等技术的智慧供热整体解决方案，将热力系统打造成为“超强大脑”，为热力企业智慧化升级赋能，最终形成具备区域特色的智慧供热体系。

在供热节能方面，供热节能改造以传感器、数据采集设备、数据传输设备等组成供热物联网，实现供热智能化决策，有效降低运行能耗，未来智慧供暖前景可期。

为加强城区供热管理，保障供热质量和服务水平，立足实际情况，结合长远发展规划，高标准建设智慧供热管理系统，平台可以通过大数据、人工智能等科技手段，帮助企业降低供热耗能，实现“精准供热”“按需供热”，力争实现供热管理的革命性突破。以科技创新为发展引擎，推动绿色经济发展，实现经济低碳转型，以及在“碳达峰”“碳中和”战略的引领下，春城热力积极推动清洁能源供热改革。

3 模式引入

城镇供热模式的建立不能一味地照搬大中城市的供热发展模式，要形成具有当地特点的供热理念，因地制宜地建立符合当地发展的供热体系，联系实际情况，做到“一城一特色”。城镇的供热目标同样遵循国家清洁供暖的主要目标。

（1）满足城乡建筑冬季供暖要求，满足人民对美好生活的追求；减少烟气中PM 2.5等相关污染物排放。

（2）减少石化能源消耗总量和碳排放总量。

3.1 设计规划

供热模式的建立首先要进行设计规划，明确发展方向。

（1）在大区域进行热电联产热源调研，完成调研报告，从热源距离、热源规模、供热成本和热源发展规划角度优选最佳热电联产热源。

（2）完成城市内部供热调研报告，了解热源-热网-热力站-热用户的供热现状。

（3）依据城市总体规划完成供热专项规划，有条件的同时完成热电联产规划和燃气专项规划。

3.2 多能互补系统

确定适合当地的多能互补系统，确定多热源联合运行模式。

（1）以热电联产为主要热源，供热管网长输技术可以实现跨地区的供热。

（2）有地热资源的可通过梯级利用，满足地区基本热负荷需求。

（3）以区域热源为辅，区域热源包括区域燃气调峰锅炉房，工业余热及低品位能源利用。对于工业区有背压机供蒸汽满足生产要求的园区可根据季节生产的变化，合理利用蒸汽供热。

（4）充分利用当地的生物质供热，利用风电或水电与水源热泵相结合供热。

（5）有条件的热电联产热源利用峰谷电建立蓄热系统，充分发挥热网的蓄热能力，稳定用户对热源的供热要求，实现热电解耦运行。

（6）以文化旅游和农业示范为背景的新市镇，土地、水源资源丰富，可充分发挥浅层水源热泵和土壤源热泵技术优势，实现重点区域的供热。

（7）合理确定各种能源的利用比例，确定每个热源的最佳工况，建立互联互通的供热管网，平衡水力，实现“全市一张网”的战略目标。

3.3 智慧供热平台

智慧城市供热大脑是以现有的供热系统为基础，依靠物联网、传感测量、大数据、云计算和人工智能等技术，实现供热系统运行调度智慧化决策，提升系统安全性、可靠性和经济性的类脑系统架构。智慧城市供热大脑依托于物联感知（类脑感受系统），通过类脑的神经元网络将供热系统中各要素（包括供热信息系统、供热基础设施、热用户等）和自然各要素（包括温度、湿度、太阳辐射等）链接起来，通过建模仿真和调控执行（云反射弧），实现对供热系统的认知、分析、决策、反馈和优化。智慧城市供热大脑旨在促进“物理世界”和“信息世界”不断交互，从而实现供热信息、物理系统的相互映射、融合调控。

3.3.1 智慧供热平台主要解决问题（1）源网协同——源网匹配、热源不足、热源过量。（2）热网滞后——长距离热水管网、热量输送滞后。（3）热站干扰——同步调节引起管网压力波动较大。3.3.2 智慧平台的功能

（1）五级联动：形成“用户、二次网、热力站、一次网、热源”联动系统。

（2）三位一体：实现“生产、收费、客服”的数据互联 互通。

（3）点位不受限：软件平台监测点数不受限，具备扩展能力，具备供热面积3000万m2以上的数据监测和处理能力。

（4）兼容性强：软件平台具备兼容和拓展性，可方便添加新增热源、热网、热力站、热用户以及相应的供热工艺系统，形成可视化。

3.3.3 软件系统

（1）智慧供热系统计算分析主要是采用大数据计算引擎Apache Spark结合Python中的机器学习库（聚类分析、深度学习等）进行数据清洗研究，建立高质量模型数据库。

（2）智慧热网软件平台的建设，重点和难点是实现基于大数据分析和AI技术的专家预测、智能调控和故障诊断。

（3）智慧热网软件平台的开发和应用趋势是基于高级程序语言，不依赖于第三方软件平台，可以通过自定义编程实现负荷预测、智能运行、水力热力智能平衡分析等复杂算法。

（4）智慧城市的实现需要强有力的科学技术支撑，建设中产生的问题既是机遇，也是挑战。智慧服务应用让城市更加科学、高效、低碳和安全。

4 规划发展

城镇化的实现给供热行业带来了新的机遇与挑战，城镇的供热模式建立不但要充分利用其资源，还要兼顾未来城市发展对供热行业提出的更高要求，建立智慧热网、智慧供热平台，实现低碳节能减排和可持续发展。

城镇新型供热模式的建立将助力建设智慧、低碳城镇的实现，能源的高效化、便捷化、清洁化是社会进步的必然趋势，要积极从提高清洁能源和可再生能源比重、发展分布式能源等方面提升城镇的能源供应水平。