高寧 楊晨 高佳晨 李丹 師毓菲

（陜西西咸新區(qū)灃西新城能源發(fā)展有限公司 陜西省咸陽(yáng)市 712000）

1 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)集中供暖供熱的技術(shù)也投入了大量的人力物力，并且熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組具有其他供暖設(shè)備所不具備的高效率、低損耗、成本可控的多種特性。以2018年的供暖面積與1990年對(duì)比整整增長(zhǎng)了35 倍，并且熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的整體供暖規(guī)模逐步增加，占所有供暖的三分之一以上，以多源互補(bǔ)模式為創(chuàng)新，不斷的突破技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化和智能化為熱用戶服務(wù)準(zhǔn)則。

由于熱力企業(yè)相對(duì)航空、航天和電力智能化水平而言，只處在初級(jí)階段，整體管理偏粗放，存在一定的問題：

（1）由于供熱系統(tǒng)和設(shè)備無(wú)法將多種參數(shù)逐一上傳，很多數(shù)據(jù)需要前往現(xiàn)場(chǎng)獲取，數(shù)據(jù)獲取效率慢。

（2）供暖系統(tǒng)運(yùn)行狀況判斷邏輯和故障診斷趨向于人工，未建立典型化場(chǎng)景邏輯，制定經(jīng)濟(jì)性、安全性、時(shí)效性等指標(biāo)。

（3）在已建立的供熱運(yùn)行管理平臺(tái)中，未能對(duì)節(jié)能減排、運(yùn)維成本、客訴情況進(jìn)行深度數(shù)據(jù)分析，無(wú)法有效指導(dǎo)供熱平臺(tái)更經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2016年陜西省重點(diǎn)推廣的“中國(guó)西部科技創(chuàng)新港綜合能源供應(yīng)項(xiàng)目”中采用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源供應(yīng)的“可測(cè)、可觀、可控”。

2 暖通與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合思路

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與技術(shù)成熟度越來越高，通過各種感應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)控設(shè)備操作、狀態(tài)情況的快速交互，讓暖通自控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)打破了技術(shù)壁壘。

現(xiàn)今，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與暖通系統(tǒng)控制的融合，更有利于建筑能源系統(tǒng)的供需管理、節(jié)能降耗和高效運(yùn)維，利用設(shè)備自身海量運(yùn)行數(shù)據(jù)與運(yùn)行指標(biāo)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)⑽锫?lián)網(wǎng)、智能化和大數(shù)據(jù)三者合一，為暖通技術(shù)實(shí)現(xiàn)提供最優(yōu)解決方案。

3 考慮物聯(lián)網(wǎng)的智能供熱平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例

如圖1所示，中國(guó)西部科技創(chuàng)新港綜合能源供應(yīng)項(xiàng)目是全國(guó)最大規(guī)模采用中深層地?zé)崮軣o(wú)干擾清潔供熱技術(shù)的項(xiàng)目。該項(xiàng)目設(shè)置6 座分布式綜合能源供應(yīng)站，可為159 萬(wàn)平方米的建筑供熱、供冷及生活熱水。

圖1：中國(guó)西部科技創(chuàng)新港綜合能源項(xiàng)目架構(gòu)圖

（1）對(duì)最基礎(chǔ)的地源熱泵房進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)改造，將需要上送運(yùn)行數(shù)據(jù)的設(shè)備增加了數(shù)據(jù)傳輸功能，使所有泵房能夠?qū)崟r(shí)傳輸運(yùn)行數(shù)據(jù)，管理人員能夠及時(shí)了解各泵房運(yùn)行情況。實(shí)現(xiàn)設(shè)備層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可測(cè)功能。

（2）對(duì)所有的上送數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并按照已經(jīng)預(yù)設(shè)好的經(jīng)濟(jì)性、安全性、時(shí)效性等指標(biāo)對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析，若出現(xiàn)異常情況和需要管理人員處理的，將及時(shí)告知，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控層的可觀功能。

（3）利用各類輔助判斷和告警情況，使管理人員能夠快速梳理所有事件并作出準(zhǔn)確判斷，并控制相關(guān)設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的可控功能。

因此，供熱指標(biāo)能耗降低、經(jīng)營(yíng)成本節(jié)約、工作效率提高和服務(wù)質(zhì)量提升方面取得顯著成效。

3.1 基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的暖通站房全局可觀

為了將所有暖通站房數(shù)據(jù)及時(shí)采集和傳輸，并確保后期熱力站在無(wú)人狀態(tài)下依然能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。將對(duì)調(diào)節(jié)閥、水泵變頻器進(jìn)行加裝，并完善自控系統(tǒng)確保遠(yuǎn)程能夠控制相關(guān)設(shè)備，最后設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸方式和數(shù)據(jù)交互模式，主要以O(shè)PC、BACnet、RS485 協(xié)議等多種接口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)現(xiàn)所有暖通站房的實(shí)時(shí)觀測(cè)。

3.2 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的供熱趨勢(shì)預(yù)測(cè)與設(shè)備優(yōu)化控制

在已有暖通數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)外部數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)下的精準(zhǔn)供熱預(yù)測(cè)和精益控制。

可結(jié)合各個(gè)泵站歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、外部天氣數(shù)據(jù)、建筑物特性、海量室內(nèi)溫度進(jìn)行分析，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)出供熱負(fù)荷情況，針對(duì)性的制定暖控策略，實(shí)現(xiàn)“一站一策”精準(zhǔn)控制。

也可根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)專家摸索的設(shè)備管理經(jīng)驗(yàn)，形成標(biāo)準(zhǔn)化操作流程和應(yīng)急管理處置模式，若出現(xiàn)緊急情況，系統(tǒng)能夠及時(shí)輔助管理人員進(jìn)行設(shè)備控制決策。

3.3 能耗統(tǒng)計(jì)分析與展示

為提高監(jiān)管水平和智能化水平，將暖通控制的多類管理細(xì)分為經(jīng)濟(jì)性、安全性、時(shí)效性三大類指標(biāo)。如經(jīng)濟(jì)性需要綜合考慮水、電、熱各類計(jì)算，考慮最優(yōu)成本，實(shí)現(xiàn)利益最大化。安全性需要考慮確保供暖用戶的安全和供暖設(shè)備的安全，盡量減少設(shè)備過高負(fù)荷和過低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。而時(shí)效性主要考慮以最快的方式為供暖用戶供暖，成本和損耗處在次要地位。

通過各類精美圖表和指標(biāo)展示，多元化呈現(xiàn)暖供狀況，讓相關(guān)人員更直觀的了解各類情況，滿足改造系統(tǒng)的實(shí)際需求。

4 應(yīng)用成效分析

4.1 節(jié)能情況分析

傳統(tǒng)站房的運(yùn)行控制方式主要以手控控制、歷史經(jīng)驗(yàn)為主，在實(shí)際運(yùn)行過程當(dāng)中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)站房運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，也無(wú)法通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析實(shí)現(xiàn)供暖的節(jié)能減排。

由于物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崟r(shí)獲取供暖溫濕度數(shù)據(jù)，因此能夠及時(shí)快速的調(diào)整熱泵、暖水泵、循環(huán)泵，以目標(biāo)溫度為準(zhǔn)，利用一元時(shí)間序列灰色理論法，灰色模型(GreyModel，簡(jiǎn)稱GM)。對(duì)于供暖控制的溫度、濕度需求按照不同的區(qū)域有著不同的上限、下限，因此灰色系統(tǒng)法非常適合基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的暖通自控系統(tǒng)的需求。算法如下：

如圖2所示，一般意義上的灰色模型為GM(n,h)，表示對(duì)h 個(gè)變量建立n 階微分方程。作預(yù)測(cè)用的模型一般為GM(n,1)，實(shí)際應(yīng)用最多的是GM(1,1)。

圖2：灰色理論的圖解說明

以上標(biāo)“(0)”表示原始序列，上標(biāo)“(1)”表示累加生成序列，GM(1,1)的建模與預(yù)測(cè)步驟如下：

（1）給定原始序列：

（2）對(duì)原始序列作累加生成：

顯然有：

（3）建立相應(yīng)的微分方程為：

采用等時(shí)距，將上式中的微商用差商代替，并用兩點(diǎn)的平均值代替，有：

則殘差為：

（5）得到時(shí)間響應(yīng)函數(shù)，預(yù)測(cè)(擬合）模型為：

（6）累減還原：

因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的暖通自控系統(tǒng)能夠選取某天分別就傳統(tǒng)控制站房和物聯(lián)網(wǎng)模型控制站房進(jìn)行對(duì)比分析，保障該實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)室外溫濕度基本一致，圖3為室內(nèi)溫濕度情況，圖4為暖通系統(tǒng)用電負(fù)荷曲線。從圖4中可知，在滿足熱舒適需求的條件下，結(jié)合大量運(yùn)行數(shù)據(jù)和外部溫濕度數(shù)據(jù)平穩(wěn)使用暖通自控體系，平均節(jié)約能耗約15%。極大地提升了供暖效率，降低供暖成本并提升了利潤(rùn)率。

圖3：室內(nèi)溫濕度情況

圖4：暖通系統(tǒng)用電負(fù)荷差別

圖5

圖6

4.2 運(yùn)維成本分析

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無(wú)人值守站房，從根本上改變了通過運(yùn)維人員駐守方式進(jìn)行站房維護(hù)的傳統(tǒng)模式，并可依據(jù)站房設(shè)備歷史運(yùn)行情況，更合理的安排站房巡檢路徑、設(shè)備保養(yǎng)計(jì)劃，從被動(dòng)檢修變主動(dòng)檢修，提升設(shè)備運(yùn)行可靠性，降低整體運(yùn)維成本。

傳統(tǒng)站房需要安排至少1 人進(jìn)行駐場(chǎng)值班運(yùn)維，且運(yùn)維窗口依賴于供暖周期，非供暖周期的運(yùn)維成本完全不可控，帶來了極大的浪費(fèi)；同時(shí)，沒有設(shè)備歷史運(yùn)行、保養(yǎng)數(shù)據(jù)，提升設(shè)備可靠性和降低運(yùn)維成本更無(wú)從談起。

基于歷史統(tǒng)計(jì)，供暖周期為15 周，于每年11月15日至下一年3月8日，總供暖期約為120 天。供暖期需要有人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控雙模式管理，而非供暖期則可通過遠(yuǎn)程監(jiān)控為主、人工值守為輔的手段。提升運(yùn)維效率，減少人工成本，且人力的投入與開啟機(jī)組數(shù)量、電耗周指標(biāo)有著正關(guān)聯(lián)。電耗越高、機(jī)組數(shù)量越多，人力投入與巡視越多。

4.3 設(shè)備畫像分析

匯聚于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的暖通站房設(shè)備信息及海量運(yùn)行數(shù)據(jù)，可對(duì)設(shè)備采購(gòu)、投運(yùn)、運(yùn)行、保養(yǎng)、故障、維修和退役等進(jìn)行全過程精細(xì)化管理；并通過對(duì)故障信息、缺陷信息等的數(shù)據(jù)挖掘分析，形成同類設(shè)備、同期設(shè)備的歷史運(yùn)行分析報(bào)告，對(duì)設(shè)備保養(yǎng)周期、巡檢頻次、設(shè)備采購(gòu)等提供有效數(shù)據(jù)支撐。

設(shè)備家族性缺陷分析，以設(shè)備廠商、日期、設(shè)備類型、設(shè)備型號(hào)、缺陷類型、發(fā)生頻次等作為分析維度，分析同一設(shè)備廠家同一設(shè)備型號(hào)指定時(shí)間周日的同一缺陷類型數(shù)量，形成設(shè)備家族性缺陷報(bào)告，指導(dǎo)設(shè)備的計(jì)劃性運(yùn)維。

設(shè)備故障概率性分析，對(duì)設(shè)備歷史故障及故障時(shí)刻設(shè)備運(yùn)行信息進(jìn)行匯集，對(duì)不同類型故障發(fā)生的原因，以及故障發(fā)生前后運(yùn)行數(shù)據(jù)的變化情況進(jìn)行挖掘分析，得出引起不同故障的多因素加權(quán)概率模型，通過該模型對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并提出設(shè)備故障概率風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。并從安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、協(xié)調(diào)性四個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)估。為設(shè)備全壽命周期提供綜合評(píng)估。

5 總結(jié)與展望

充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，讓暖通自控系統(tǒng)更加完善。在滿足基層企業(yè)供熱數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、運(yùn)行遠(yuǎn)控的基礎(chǔ)上，逐步實(shí)現(xiàn)企業(yè)的“數(shù)字化”轉(zhuǎn)型，在響應(yīng)國(guó)家“2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和”政策前提下，不斷的實(shí)現(xiàn)供熱企業(yè)的技術(shù)革新，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精細(xì)化、故障處置標(biāo)準(zhǔn)化、暖通輔助決策智能化，并以用熱客戶為核心，提升企業(yè)供熱運(yùn)行效率和品牌價(jià)值。