方修睦，楊大易，周志剛，劉京

（哈爾濱工業(yè)大學建筑學院，哈爾濱150001）

0 引言

我國集中供熱始于建國后第一個五年計劃期間，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，規(guī)模越來越大，期間經(jīng)歷了從人工操作到自動化運行的過程，部分企業(yè)完成了信息化建設(shè)，有的企業(yè)正在或計劃實施智慧供熱。雖然供熱企業(yè)有實現(xiàn)自動化、信息化的經(jīng)驗，了解一些供熱智慧化的內(nèi)容，但對供熱自動化、信息化和智慧化的差別缺少全面了解，也不清楚智慧供熱的節(jié)能潛力。本文對供熱自動化、信息化和智慧化的差別進行探討，期望能起到拋磚引玉的作用。

1 供熱自動化

20世紀60—70年代，我國集中供熱的熱源以人工操作的小型鍋爐為主，供熱半徑較小［1］。供熱系統(tǒng)的運行參數(shù)通過現(xiàn)場安裝的溫度計、壓力表來觀察，供熱過程中所需的分析決策與控制操作依據(jù)以往積累的經(jīng)驗。

供熱過程涉及繁重的體力勞動，促使人們?nèi)パ芯抗嶙詣踊夹g(shù)，研究利用具有邏輯關(guān)系的裝置代替人或輔助人去完成供熱生產(chǎn)活動中的特定任務(wù)，保證供熱系統(tǒng)的運行，減輕人的體力和腦力勞動、提高工作效率并實現(xiàn)安全操作［2］。

供熱自動化沒有改變原有的供熱流程，只是利用控制裝置使被控設(shè)備、系統(tǒng)、生產(chǎn)過程或環(huán)境按著預定的方式運行或使被控參數(shù)保持規(guī)定值［3-4］。供熱自動化的任務(wù)是代替供熱過程中人的體力勞動，代替或輔助人的腦力勞動，自動執(zhí)行供熱流程，實現(xiàn)供熱設(shè)備與系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、管理、控制和優(yōu)化，從而提升效率，降低成本。供熱自動化過程中物理設(shè)備網(wǎng)（源、網(wǎng)、站、用戶構(gòu)成的供熱網(wǎng)絡(luò)）的運行數(shù)據(jù)（溫度、壓力、流量及熱量）通過各種就地顯示儀表（如模擬式顯示儀表、數(shù)字式顯示儀表）變得已知，自動控制系統(tǒng)依據(jù)控制設(shè)備中設(shè)定的控制模型對物理設(shè)備網(wǎng)進行控制。供熱自動化系統(tǒng)的基本功能是：保證供熱系統(tǒng)運行的安全可靠，滿足熱用戶的室溫要求，提高供熱系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，提高供熱系統(tǒng)運行的管理水平。

2 供熱信息化

供熱信息化是利用計算機信息技術(shù)加強供熱企業(yè)管理的一種手段。供熱信息化是供熱企業(yè)以供熱生產(chǎn)及管理流程的優(yōu)化和重構(gòu)為基礎(chǔ)，在一定深度和廣度上利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，控制和集成化管理供熱生產(chǎn)經(jīng)營活動中的各種信息，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的信息共享并有效利用這些信息，以提高供熱系統(tǒng)安全，實現(xiàn)節(jié)能降耗，提高服務(wù)質(zhì)量。供熱信息化主要以計算、通信和控制為主要特征，將物理設(shè)備網(wǎng)中的運行數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)上傳到企業(yè)的數(shù)據(jù)中心，利用先進的數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成信息，用于系統(tǒng)控制。在供熱信息化階段，供熱企業(yè)的活動以供熱物理設(shè)備網(wǎng)為主，人的部分感知、分析、決策功能向信息系統(tǒng)復制遷移［5］，運行人員的思維模式還是人工運行條件下的思維模式，少量的行為借助信息化手段進行改進和提升。信息化是為供熱物理設(shè)備網(wǎng)的運行及管理服務(wù)的，當運行信息與供熱物理設(shè)備網(wǎng)的規(guī)則發(fā)生沖突時，以物理設(shè)備網(wǎng)規(guī)則為主。

3 智慧供熱

智慧供熱是以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的信息技術(shù)與先進供熱技術(shù)的深度融合為基礎(chǔ)，以用戶需求為目標，以低碳、舒適、高效為主要特征，具有自感知、自分析、自診斷、自決策、自學習等技術(shù)特點的現(xiàn)代供熱模式［5］。智慧供熱是以供熱系統(tǒng)智能化為前提的。隨著城鎮(zhèn)供熱的發(fā)展，供熱物理設(shè)備網(wǎng)的復雜度也在提升，傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)很難滿足精細化運營和個性化服務(wù)的需求，必然要走向智能化［6-7］。供熱系統(tǒng)智能化要求物理設(shè)備網(wǎng)具有可調(diào)節(jié)、可控制、可計量能力。智慧供熱需要用智能技術(shù)和算法解決供熱過程涉及的分析、推理和決策性問題，將智能化建設(shè)深入到相對完整的供熱流程中，在供熱生產(chǎn)、服務(wù)過程中使系統(tǒng)具備分析和決策能力：通過自我學習、自主判斷、優(yōu)化配置、升級能力等智能行為，對物理設(shè)備網(wǎng)的未來走向及供熱參數(shù)進行預測；利用通過人工智能手段獲得的控制模型對物理設(shè)備網(wǎng)進行控制，完成人力無法實現(xiàn)的工作，最大限度地將供熱人員從體力勞動和大量的腦力勞動中解放出來，創(chuàng)造增量價值。

4 智慧供熱與自動化、信息化的主要區(qū)別

智慧供熱涉及供熱行業(yè)的設(shè)備制造、系統(tǒng)集成、物理設(shè)備網(wǎng)及信息物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計和建造、企業(yè)運維等環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)供熱行業(yè)所談的智慧供熱僅涉及供熱系統(tǒng)的運行及企業(yè)的部分運行管理，是狹義的智慧供熱。

供熱系統(tǒng)運行涉及系統(tǒng)運行策略和控制策略的制定。系統(tǒng)運行策略是供熱工程師綜合考慮系統(tǒng)參數(shù)指標要求、實現(xiàn)方案、節(jié)能及經(jīng)濟性等方面后提出的，需要工程師具備豐富的供熱系統(tǒng)、設(shè)備、建筑熱工等方面的知識。系統(tǒng)控制策略是系統(tǒng)控制工程師提出的，是實現(xiàn)運行方案的控制策略，系統(tǒng)控制策略的提出，需要具備豐富的計算機、網(wǎng)絡(luò)、自控、過程方面的知識［8］。

供熱自動化是智能供熱系統(tǒng)的基本功能，供熱設(shè)備的自動運行本質(zhì)是“機器替人”，強調(diào)在無人操作的情況下實現(xiàn)供熱設(shè)備的不間斷運行。

供熱信息化是智慧供熱的基礎(chǔ)，本質(zhì)上強調(diào)供熱信息的互通互聯(lián)、設(shè)備無人值守。供熱信息化完成供熱的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)控制、企業(yè)管理和用戶服務(wù)。供熱信息化階段，軟件所采用的調(diào)控模型是利用已有的靜態(tài)物理模型（包括基礎(chǔ)理論模型、流程邏輯模型、設(shè)備模型、組件模型、故障模型、仿真模型等）和經(jīng)驗來編制的，是用靜態(tài)模型來處理供熱運行中的動態(tài)問題。

智慧供熱以數(shù)據(jù)分析為切入點，通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，從經(jīng)驗和流程驅(qū)動轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動、自動決策，追求供熱運行決策環(huán)節(jié)的科學，形成一定約束條件下供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)最優(yōu)決策方案，用來控制供熱物理設(shè)備網(wǎng)實體。供熱系統(tǒng)智能化追求的是供熱系統(tǒng)的柔性運行，本質(zhì)是“人機協(xié)同”，強調(diào)供熱系統(tǒng)能夠自主配合外部條件變化、用戶需求變化和人的工作，利用人工智能提升工作效率和系統(tǒng)安全。

智慧供熱系統(tǒng)中，制定運行策略及控制策略時均需利用人工智能技術(shù)實現(xiàn)決策過程的智慧化。決策中所應用的模型或來自人工智能分析結(jié)果（黑箱模型），或來自機理模型+人工智能方法。智慧供熱系統(tǒng)可自主決策，決策模型具備自我學習能力，控制模型可自動更新，控制過程精準，效果逼近系統(tǒng)最大能效。

供熱運行中的負荷預測、運行調(diào)節(jié)和水力平衡是供熱信息化和智慧供熱必然涉及的幾個環(huán)節(jié)，下面根據(jù)這幾個環(huán)節(jié)來分析供熱信息化和智慧供熱的差別。

4.1 負荷預測

供熱負荷預測可為運行人員制定未來某一時期內(nèi)供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)策略提供依據(jù)。目前，在確定未來某一供熱周期內(nèi)擬生產(chǎn)的供熱量時常采用公式（1），圖1所示的供熱負荷與室外溫度的關(guān)系曲線即是根據(jù)公式（1）繪制的［9］。公式中的Q'A是熱源所供區(qū)域內(nèi)建筑物在設(shè)計條件下的供熱負荷，是根據(jù)預定的室內(nèi)溫度、綜合熱指標、供熱面積和當量建筑構(gòu)造得出的，運行人員根據(jù)供熱設(shè)計時的綜合熱指標或運行經(jīng)驗確定該參數(shù)，也可以依據(jù)統(tǒng)計學原理確定。

式中：Q 為供熱負荷，MW；Q'A為設(shè)計條件下的供熱負荷，W/m2；A為供熱面積，m2；tn，tw分別為任意條件下的室內(nèi)、室外溫度，℃；上標“'”表示設(shè)計值。

圖1 供熱運行調(diào)節(jié)曲線Fig.1 Regulation parameters during heat-supply

當建筑物實際室溫與預定室溫不同，或供熱區(qū)域內(nèi)當量建筑構(gòu)造發(fā)生變化（如新建、改建）時，原有的Q'A就發(fā)生變化。智慧供熱系統(tǒng)可通過分析供熱系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，得出不同建筑構(gòu)造、不同使用特點、不同需求的建筑物在設(shè)計條件下的耗熱量指標，自動對供熱指標進行修正，或自動通過機理模型+機器學習方法獲得真實的Q'A。

4.2 系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)

供熱系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)是為了將熱源（熱力站）生產(chǎn)的可滿足設(shè)備散熱需求參數(shù)的熱量輸送到用熱設(shè)備，目前，信息系統(tǒng)多數(shù)采用的是教科書中給出的調(diào)節(jié)公式（2），制定出質(zhì)調(diào)節(jié)（流量作為定值）或分階段改變流量質(zhì)調(diào)節(jié)（某一階段的流量作為定值）的調(diào)節(jié)曲線（如圖1 所示）。按照此方法制定的調(diào)節(jié)、控制策略較簡單。

式（2）是在熱源或熱力站集中調(diào)節(jié)的情況下，以熱源或熱力站所供區(qū)域的建筑物熱指標固定、當量散熱設(shè)備形式確定為前提來制定調(diào)節(jié)曲線的。實際的供熱系統(tǒng)存在新建建筑接入、用戶自行更改散熱設(shè)備等情況，在變流量運行條件下，如果在某一時間段內(nèi)固定系統(tǒng)的相對流量，將使系統(tǒng)整體的經(jīng)濟性受限。智慧供熱系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)決策需要根據(jù)供熱當年實際供熱區(qū)域的建筑條件、室溫狀況以及設(shè)備特點，自動調(diào)整供回水溫度及流量，以降低系統(tǒng)輸送能耗。

4.3 系統(tǒng)水力平衡

信息化系統(tǒng)采用回水溫度法、溫差法、比例法等進行管網(wǎng)的水力平衡調(diào)節(jié)。對于有n個用散熱器供暖的用戶系統(tǒng)來說，每戶任意條件下的供熱量與設(shè)計條件下供熱量的比值可表示為

式中：qm為用戶流量，kg/h；c為水的比熱容，kJ/（kg·℃）。

在設(shè)計條件下，如果散熱設(shè)備的設(shè)計供回水溫差相同，則可將用戶的失調(diào)度x之比表示為

式（4）表明，如果用戶的失調(diào)度相同，則每戶散熱設(shè)備的供回水溫差應相同，這就是等溫差調(diào)節(jié)法的原理。若忽略每戶供水溫度的差別，則可以認為每戶的回水溫度相同。在信息化中，一級網(wǎng)、二級網(wǎng)或室內(nèi)系統(tǒng)大多按照此原理去調(diào)節(jié)平衡。理論上講，該方法只適用于熱源或熱力站所供區(qū)域的建筑物按照理想狀態(tài)建設(shè)的情況。

每戶在任意條件下供熱量與設(shè)計條件下供熱量的比值還可表示為每戶在任意條件下散熱器散熱量與設(shè)計條件下散熱量的比值，即

式中：K 為每戶當量散熱器傳熱系數(shù)；Ae為每戶當量散熱器面積，m2；tp為散熱器平均溫度，℃。

由于設(shè)計條件下設(shè)計室溫相同，設(shè)計供回水平均溫度相同，當用戶散熱器選擇合理、用戶入住后散熱器形式及數(shù)量沒發(fā)生變化、用戶供水溫度相同時，由式（5）可以得到

式（6）表明，若用戶間的室內(nèi)溫度差為0.1 ℃，則用戶之間回水溫度差應控制在為0.2 ℃。因此，只有散熱器選擇合理、用戶入住后散熱器形式及數(shù)量沒發(fā)生變化、室溫相同時，采用回水溫度法或溫差法調(diào)節(jié)才能做到真正的平衡。在信息系統(tǒng)階段，已經(jīng)完成平衡調(diào)節(jié)的系統(tǒng)（回水溫度偏差控制在某一范圍內(nèi)），當供水溫度發(fā)生較大變化時，回水溫度之間的偏差加大，原來的平衡狀態(tài)就破壞了，不同用戶的室溫差別變大?；跍囟让娣e法的智慧供熱系統(tǒng)可以真正解決系統(tǒng)的平衡問題，對于室溫傳感器數(shù)量較少的系統(tǒng)，可以利用人工智能手段，依據(jù)辨識出的實際室溫，解決系統(tǒng)的平衡問題。

5 智慧供熱的節(jié)能率

智慧供熱所能達到的節(jié)能率與物理設(shè)備網(wǎng)的配置水平及設(shè)備狀態(tài)有關(guān)，而物理設(shè)備網(wǎng)的基礎(chǔ)條件與各地實施的建筑節(jié)能標準有關(guān)。

我國建筑節(jié)能始于20 世紀70 年代末，1986 年10 月我國第1 部居住建筑節(jié)能設(shè)計標準JGJ 26—1986《民用建筑節(jié)能設(shè)計標準（采暖居住建筑部分）》實施，節(jié)能計算以當?shù)?980—1981年住宅通用設(shè)計能耗作為節(jié)能計算基礎(chǔ)。標準后來經(jīng)過多次修訂，目前執(zhí)行的是第4 階段居住建筑節(jié)能設(shè)計標準（見表1）［10］。節(jié)能標準規(guī)定的節(jié)能指標是通過建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能和供熱系統(tǒng)節(jié)能實現(xiàn)的。

表1 各階段居住建筑節(jié)能設(shè)計標準Tab.1 Energy-saving standards for residential buildings at various stages

供熱系統(tǒng)節(jié)能通過提高管網(wǎng)輸送效率η1和鍋爐運行效率η2來實現(xiàn)［11-12］。提高管網(wǎng)輸送效率是通過提高管道保溫效率、輸熱效率和管網(wǎng)平衡效率實現(xiàn)的。鍋爐運行效率和管網(wǎng)輸送效率以人工運行時的全國平均水平（η1為85%，η2為55%）作為計算基礎(chǔ)（見表2）。人工運行時期，要保證管網(wǎng)的輸送效率達85%，則管網(wǎng)的保溫效率要達到96%，系統(tǒng)漏水率要控制在循環(huán)流量的0.5%，管網(wǎng)的平衡效率要達到90%。這意味著，人工運行時期建筑物的平均室溫差要控制在2.1 ℃（室溫為22.0 ℃）之內(nèi)。在執(zhí)行第3 階段節(jié)能標準時，管網(wǎng)的輸送效率要達到92%，鍋爐的運行效率要達到70%。這表明，信息化時代管網(wǎng)的保溫效率要達到99%，系統(tǒng)漏水率要控制在循環(huán)流量的0.5%，管網(wǎng)的平衡效率要達到95%。這意味著，信息化時期建筑物的平均室溫差要控制在1.1 ℃（室溫為22.0 ℃）之內(nèi)。

智慧供熱階段，由于人工智能技術(shù)的應用，η1的提高主要體現(xiàn)在管網(wǎng)平衡效率的提高。如果將建筑物的平均室溫差由1.1 ℃提升到0.7 ℃（室溫為22 ℃）之內(nèi)，則現(xiàn)階段η1的極值可達到94%。這表明：信息化可將η1從人工運行時的85%提高到92%，提高了7 百分點；智慧供熱可使η1接近系統(tǒng)輸送效率的極值，在信息化的基礎(chǔ)上提高1～2百分點。

表2 不同階段節(jié)能標準要求的節(jié)能率（以哈爾濱為例）Tab.2 Energy-saving rate required by energy-saving standards at different stages（take Harbin as an example）

智慧供熱階段η2與不同節(jié)能階段鍋爐的配置有關(guān)，信息化階段η2由人工運行時期的55%提高到70%，提高了15 百分點。實施第4 階段的節(jié)能標準后，鍋爐容量增大，鍋爐設(shè)計效率提高，黑龍江省將燃用Ⅱ類煙煤的層狀燃燒鍋爐的設(shè)計效率最低值定為83%。智慧供熱可以使η2提升，接近鍋爐運行效率的極值，η2在信息化的基礎(chǔ)上提高了10～12 百分點。

物理設(shè)備網(wǎng)的系統(tǒng)綜合效率η = η1η2。人工運行時期η 為46.75%，信息化時期η 提升到64.40%（第3 階段節(jié)能標準），提升了17.65 百分點；在第4階段節(jié)能標準中，以黑龍江省為例，將以燃煤鍋爐作為熱源的供熱系統(tǒng)的η提升到69.00%（燃用Ⅱ類煙煤的層燃爐）。實施智慧供熱的系統(tǒng)，η 最大值可以達到74.40%～77.08%。這表明，智慧供熱階段η比信息化時期提升了10.00～12.68百分點。

上述分析是在需求側(cè)要求固定、供熱系統(tǒng)達到節(jié)能標準的情況下，燃煤鍋爐供熱系統(tǒng)實施智慧供熱時可能達到的節(jié)能潛力，如果采用其他形式的熱源，由于綜合效率不同，供熱系統(tǒng)的節(jié)能潛力也不同。如果供熱系統(tǒng)基礎(chǔ)較差，需求側(cè)負荷變化，則智慧供熱可帶來的節(jié)能率要大于上述分析的結(jié)果。

6 結(jié)論

（1）智慧供熱的前提是供熱系統(tǒng)實現(xiàn)智能化，而供熱系統(tǒng)智能化的實現(xiàn)需要供熱系統(tǒng)實現(xiàn)自動化和信息化。

（2）供熱自動化是智能供熱系統(tǒng)的基本功能，追求的是供熱設(shè)備的自動運行，本質(zhì)是“機器替人”，強調(diào)的是供熱設(shè)備的不間斷運行。

（3）供熱信息化是智慧供熱的基礎(chǔ)，本質(zhì)上是實現(xiàn)供熱信息的互通互聯(lián)、供熱設(shè)備無人值守，利用靜態(tài)物理模型和經(jīng)驗來處理供熱運行中的動態(tài)問題。

（4）供熱系統(tǒng)智能化追求的是供熱系統(tǒng)的柔性運行，本質(zhì)是“人機協(xié)同”，從經(jīng)驗和流程驅(qū)動轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動、自動決策，追求的是供熱運行決策智慧化，創(chuàng)造增量價值。

（5）智慧供熱可使系統(tǒng)能效逼近最大值，與信息化相比，系統(tǒng)運行效率可提高1～2百分點，鍋爐運行效率可提高10～12 百分點，燃用Ⅱ類煙煤的層燃爐供熱系統(tǒng)綜合效率可提高10.00～12.68百分點。