智慧供热系统研究与架构设计
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摘 要：针对我国工业热力供应存能耗高，效率低，污染排放量大的问题，文中提出一种智慧供热系统。该智慧供热基于供热信息化和自动化，通过云、边、管、端协同实现信息系统与物理系统深度融合。将各部件连接成网络，构建开放、弹性、灵活和安全的平台，对生产流程、业务流程、商业模式进行全链条升级改造，采用供热热源、热网、站泵和用户端到端数字化集成获取实时的信息，用信息实现价值流的优化，让联接产生效益，产生智能从而构建具有自感知、自分析、自诊断、自优化、自调节、自适应特征的新一代供热系统，实现安全清洁、节能环保和精准服务的供热业务新模式。
关键词：智能供热;物联网;互联网+;节能;清洁低碳;全链条
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）05-0-03
0 引 言
我国工业热力供应存在生产工艺相对落后、产业结构不合理等现象，主要工业产品单位能耗平均比国际先进水平高出30%左右。多数热力企业还仍存在人力成本高、热网侧智能化水平低、供热方式粗放、能耗高，热源-换热站-热用户之间信息相对孤立，用户满意度低等运营问题。且国内供热热源以燃煤为主，在生产热力的过程中由于技术水平限制及监管不到位等原因，污染物排放量大，造成了一定程度的大气污染。近年来粗放型的用能模式带来的资源浪费和环境污染问题越来越受到重视。
1 供热系统问题描述
通常供热系统由热源、热网（管网+换热站）、散热设备（末端）和管理平台4个部分组成，如图1所示，而这
四个部分都存在着一些问题。
热源：将天然的或人造的能源形态转化为符合要求的热能装置，也就是生产热能的场所，面临供热机组灵活性差，供热运行方式不合理。
热网：是指由城市集中供热的热源，向热用户输送和分配供热介质的管线系统。它由一次网和二次网组成，一次网从热源到换热站，二次网从换热站到热用户，热网的优化技术包括水力均衡优化、热网综合管理系统等。面临水力不平衡不均衡、自动化水平低、管网损耗大。
换热站：用来转换供热介质的种类，改变供热介质参数分配、控制及计量供给热用户热量的设施，换热站内主要的设备有换热器、除污器、集水器、分水器、循坏泵、补水泵、软化器、过滤器、电器及自控设备等。面临温控能力差，不能自动调节流量、供热质量不均衡。
管理平台：热源-换热站-热用户之间信息相对孤立无法形成联动，各模块之间缺乏完善的通信方式。
2 系统解决方案
经智慧供热中问题及需求分析，构建在供热自动化控制设施和工艺技术的基础上，利用物联网及大数据、人工智能等新一代信息技术对供热“热源、网、站泵和用户”深度融合，构建端到端的综合集成解决方案。
2.1 通信网络
由于热网及用户端分布区域大、设备数量多、时效性特点，智慧供热系统通信网络主要采用光通信EPON网络和5G等无线网络混合组网的方式构建，具有高效、稳定、可靠、低时延和高带宽，同时运行成本又要低廉的通信拓扑如图2所示。
2.2 综合管控平台
智能化供热是在供热自动化控制设施和技术的基础上，利用新一代物联网、大数据、人工智能等技术，其针对供热“源、网、站和用户”提供端到端全流程综合解决方案。因此，智慧供热综合管控平台包括供热设备、网络平台和智慧供热应用系统，借助互联网，利用自动化、信息化和智能化技术建设智慧供热调度平台，实现供热系统热源、输配系统及终端用户整个供热生命周期数据采集、数据挖掘分析与智能调控同时与热源、总调度及一线的运行管理人员形成人机互动，通过人工智能系统建立快捷的智能服务通道，利用手机APP供热公共平台更快更好地为用户提供智慧供热服务，提高服务满意率，智慧供热系统架构设计如图3所示。
本地数据中心：作为整个系统平台的底层资源，提供网络、计算和存储资源。
物联网云平台：主要涉及边缘感知计算、存储和网络，与云边协同。
大数据云平台：完成海量数据采集、数据转换清洗和存储并基于供热业务模型进行大数据挖掘分析和数据处理。
人工智能云平台：基于云计算和大数据，进行深度学习实现精准服务和智能化决策。
（1）感知和监控实现锅炉经济运行：优化燃烧、按需供应负荷优化运行。
（2）智能热网调度及管理系统：可视化、高效地调整各种参数，准确及时地处理供热事故。
（3）GIS管理分析等气象地理信息系统： 建立供热管网的仿真模型等支持供热系统的历史工况和预测工况，此外也能够与SCADA及DCS系统对接物联感知系统的监测和大数据分析结果并实时可视化。
（4）智慧供热能耗分析及优化控制系统：实施能耗监测，水电热气能耗，异常分析与报警，节能优化控制。
（5）换热站无人值守系统：集中管理，集中控制，提高按需供热效率，节省人员成本。
总体上看，通过云、管、边、端协同构建的平台实现“源-网-荷-储-用”端到端集成，开展智慧供热新业态达成提质增效、节能降耗和提升客户满意度的目标。考虑了全网协同基于人工智能的供热策略设计，通过供需预测、热网精细化调节，实现源网联动解决供需矛盾，实现供需平衡。
3 建设意义
经济效益：推动智慧供热业务产业化填补全业务运营短板，通过智慧供热平台建设，实现物联网产品和智能设备产业化，发挥平台长尾效应，拓展智能+助力行业转型升级。
社会效益：增进政府与优质企业客户资源关系，落实企业社会责任感树立品牌形象，掌握行业数据后期开展精细化智慧服务等。
4 结 语
本文从供热行业面临痛点出发，积极跟踪智慧供热的关键技术，打破传统供热模式，加强企业内部的业务创新学习，发展数字化增值服务。在供热自动化技术、工艺的基础上，积极跟踪并利用物联网及大数据、人工智能等技术，针对供热“热源、网、站泵和用户”提供端到端全流程的业务赋能供热行业高质量发展中总体规划出发同时积极开展单项工程的自动化、信息化和数字化改造的可行性研究，通过测算实施智慧供热的投资回报率ROI来挑选出经济效益好的项目作为智慧供热试点项目建设推广。
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