摘要：智慧供熱已經成為我國集中供熱領域的重要環節和發展方向，但是各地智慧供熱采取的技術路線和示范項目不盡相同，本文通過分析供熱行業智慧供熱現狀，結合目前存在的主要問題和行業痛點，提出了智慧供熱的發展目標，討論了智慧供熱的主要技術路線和實現路徑，以及下一步智慧供熱行業的發展方向。
引言
在國家“十四五”相關專項規劃中，智慧城市建設工作已列入當地國民經濟和社會發展的重要任務和目標。在國家大力推進清潔供熱工作和提出“互聯網+供熱”的背景下，信息技術、自控技術和電子技術的飛速發展，無線通訊和網絡傳輸費用的逐年降低，為建立信息化、數字化、智能化的供熱平臺提供了良好的基礎條件。智慧供熱是智慧城市建設板塊中的重要組成部分，不僅涉及供熱行業自身，也涉及相關部門、產業、行業的問題；不僅是技術層面的問題，而且也是管理層面的問題；不僅是企業及用戶的問題，也是各級政府在城鎮管理中密切關注的問題。
當前，我國還有大量的老舊供熱系統采用人工調節為主的運行方式，運行管理模式已經不能滿足節能雙碳大政方針的要求，安全運行無法得到有效保障，事故隱患難以被及時發現；供熱系統水力失調和熱力失衡狀況嚴重，特別是大型集中供熱系統，由于線路覆蓋地域范圍大、地形復雜，熱量輸送過程中對供熱企業的平衡調節、動態節能運行等方面提出了較高的要求，人工操作系統質調節的傳統模式很難滿足節能運行的要求，導致城市供熱系統效能低、能耗巨大、安全性差。
智慧供熱致力于打造基于新一代人工智能、物聯網、5G通訊以及大數據、云計算等信息技術的綜合解決方案，將傳統熱網物聯系統和熱網信息系統深度融合的供熱系統。通過運用感知技術、空間定位、物聯網、信息安全等技術全面連接供熱系統中的熱源、熱網、熱力站、熱用戶和終端智能設備，充分利用大數據、云計算、人工智能、5G通訊網絡等技術優化控制供熱系統中的各個設備，具有廣泛互聯、全面感知、智能決策等特征，將全面實現熱用戶室溫可觀、可調、可控，室溫測控終端可根據用戶室內溫度變化自行感知、自動計算形成匹配用戶舒適度的室溫曲線自動運行調節室溫，實現用戶高參與度、強體驗感、可感知、自適應的供熱體驗；實現節能降耗、全面管理運行；實現大數據的實時監管、量化，數據化房屋能耗診斷；實現節能環保、能源利用率最佳的供熱愿景。
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智慧供熱定義
智慧供熱是利用人工智能、云計算、大數據、仿真系統及物聯網和數字孿生等技術對供熱系統的熱源、熱網、熱力站、熱用戶這四大部分的生產和調度運行一體化管理，對系統內重要設施設備和運行參數實時監控，對系統進行負荷預測、生產運行分析和策略優化，實現按需供熱和精準供熱。
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國內智慧供熱相關發展
2019年中國城鎮供熱協會發布了《中國供熱藍皮書2019———城鎮智慧供熱》，2020年黑龍江省和河北省相繼發布了地方標準DB23/T 2745—2020《黑龍江省城鎮智慧供熱技術規程》和DB13(J)/T 8375—2020《城市智慧供熱標準》，標志著智慧供熱已經被列入未來城市發展規則。
北京市為積極響應率先建設碳中和城市目標，促進供熱行業節能減碳，實現北京市制定的“按需供熱、精準供熱”目標，于2022年5月份發布了《供熱系統智能化改造技術規程第1部分：熱源、熱網和熱力站》《供熱系統智能化改造技術規程第2部分：熱用戶》征求意見稿。
《供熱系統智能化改造技術規程第1部分：熱源、熱網和熱力站》規定了熱源、熱網和熱力站現場踏勘及評估、智能化改造、源網站協同、施工與驗收及運行維護的要求，主要包括供熱系統中熱源、熱網和熱力站的設備以及控制系統的智能化改造。《供熱系統智能化改造技術規程第2部分：熱用戶》規定了現場踏勘及評估、改造技術要求、施工與驗收、運行與維護的技術要求，主要是供熱系統中熱力入口至用戶的供熱系統智能化改造。
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國內智慧供熱試點情況
目前，國內部分省、市在供熱系統的部分環節中進行了智慧供熱系統的建設和嘗試。其中黑龍江和吉林省的智慧供熱主要采取實施到樓棟熱力入口的技術路線，也進行了部分實施到居民用戶的嘗試；河北省以實施到居民用戶為主；陜西的試點以基于通斷面積法的方式為主，北京的試點采用多種型式，詳見表1。
表1國內主要城市計劃智慧供熱試點情況匯總表
在以上統計的試點中，運用物聯網技術的智慧供熱試點占比不足30%，其中熱用戶實現智慧供熱約20萬戶，樓宇實現智慧供熱約2500萬平方米。
目前主要采用的技術包括室溫采集、戶用物聯網智能閥、單元物聯網智能閥、云平臺等，絕大多數是供熱系統的自動控制、遠程調節、無人值守廠站、各類平衡和計量技術的升級與完善，使用后的效果迥異，尚需要更多供熱實際案列的驗證。
試點中存在的主要問題：
(1)各類智慧供熱的試點，主要集中在“源-網-站-戶”的供熱系統的某個環節，未能實現全系統的數字化、信息化和智能化管理；
(2)部分智慧供熱試點物聯網設備應用較少，只是原有供給側調控的優化；
(3)大部分供熱企業都是根據各自業務特點進行智慧供熱探索，尚缺乏指導性、權威性的標準、規范及技術導則；
(4)無線通訊技術多種多樣，還需經過實際工程檢驗和驗證最適合供熱系統的通訊技術；
(5)目前物聯設備、智能化產品標準不統一，質量和性能良莠不齊，有待國家盡快制定相關標準。
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智慧供熱目標
基于對智慧供熱的理解，并結合目前國內實施的部分項目，筆者認為智慧供熱要確定如下主要目標：
(1)解決供熱資源的水力失調、分配不均問題；
(2)系統的全網自動調節，無需手動調試；
(3)實現熱力站無人值守的監控與控制；
(4)利用云計算平臺對運行數據充分挖掘和分析整理，實現精準供熱。
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技術發展
5．1智慧供熱系統構架
智慧供熱基本架構由智慧基礎軟硬件設施、云平臺、AI算法、工業物聯網、5G通訊、智慧控制產品等聯合搭建，實現人機設備互動、源網互動的智慧供熱生態系統。智慧供熱控制策略并非一成不變，每一區塊有量身定制的控制模式、控制系統。同時，智慧供熱將系統的每一個區塊有機結合到一起，不僅是從一網換熱站到二網控制終端的結合，更是各個區域換熱站到能源站的結合，通過云平臺大數據、AI智能分析等手段，實現系統的整體調控。
智慧供熱系統的架構，可以用“端邊網云智”來形容。端，主要指各類感知設備；邊，主要指邊緣計算器；網，主要指數據傳輸通訊方式；云，主要指平臺的AI算法、數據管理等；智，主要指各種應用場景等。詳見圖1。
圖1智慧供熱架構示意圖
5．2智慧廠站
在換熱站一級網供水側配置物聯網電動調節閥，一級網回水、二級網供水側配置物聯網超聲熱量表，同時在廠站動力系統配置物聯網循環水泵及數據采集箱，將數據通過5G通訊傳送至云平臺，在實現對供熱系統參數的實時監控和調節的同時，實現源—網—站的優化調度和大數據分析。詳見圖2。
5．3智慧熱用戶
在熱用戶端配置新型供熱計量系統、物聯網智能閥、用戶室溫采集系統，將物聯網智能系統與用戶高度融合，運用室溫采集終端及時反饋修正運行調控，實現智能調節。
根據建筑不同的情況，智慧供熱可以實施到樓棟熱力入口和用戶入口兩種方式。
單管串聯和雙管垂直系統。公共立管在居民家中，入戶改造影響居民生活，實施難度高，改造后效果不明顯。所以改造從熱源實施到樓棟入口，即在典型住戶、典型位置安裝智能室溫采集器，樓棟/單元熱力入口設置物聯網平衡閥，實現樓棟單元間的精準調控。詳見圖3。分戶成環系統。由于各熱用戶單獨成環，可以獨立控制，因此可實現智慧化到熱用戶。詳見圖4。
圖2智慧廠站示意圖
圖3樓棟熱力入口示意圖
圖4用戶熱力入口示意圖
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未來展望
清潔供熱是當前中國供熱行業發展的首要目標，低碳清潔熱源通常具有被動性、波動性、不確定性的特點，通常需要與其他可調控熱源聯網互補使用。智慧供熱可借助信息物理融合調控能力，通過實時優化調控降低清潔熱源波動對系統穩定運行帶來的不利影響，在滿足供熱安全和用戶需求的前提下增強系統對低碳清潔供熱資源的消納能力。從發展方向上看，智慧供熱的發展可分為以下三個維度：
(1)打造全系統智慧供熱，實現供需側雙
向調控現狀自控系統的缺陷主要是，盡管可以保障對最不利用戶熱量的供給，卻難以同時較好地適應其他用戶需熱的變化。智慧供熱就是通過技術手段，解決整個系統的聯調聯控，將熱用戶對熱量的真實需求，反饋到控制系統，使整個供熱系統完成自主適應及調控。
(2)物聯感知與AI相結合，實現運維一體
智慧供熱系統通過分析與整合海量數據，可提供包括運行參數、各類室溫情況、水力平衡度、水電熱及燃料分析等功能，比依據傳統經驗的調節更加精準、更加及時。同時，智慧供熱系統能夠將先進的經驗傳承。傳統人工管理模式獲得的經驗傳遞困難，各個供熱系統都有其特點，利用人力去摸索需耗時數年之久。此外，利用人力傳承，受到表達、理解、系統變化等多方面的影響，難以做到全面準確。智慧供熱不僅可以將各系統的情況完整存儲下來，而且還能快速適應系統的變化。
(3)將數字孿生技術運用在智慧供熱領域
數字孿生(Digital Twin)是通過數字技術，對物理世界進行鏡像化描述的一種新方法，使物理世界與數字世界建立起實時的雙向映射，從而可通過數字世界對物理世界進行監控與干預。
數字孿生具有天然的靈活擴展能力，各類子系統都非常容易納入到數字孿生的范疇內，也非常容易通過接口被外界所集成，不必擔心形成數據孤島。同時，采用三維可視化引擎集成展示城市、熱源、管網、樓宇、場站、熱用戶等各種設備的細節結構及物聯網數據，并支持多種物聯網協議數據接入，是打通現有自動化控制系統、監控系統、生產調度系統、客服系統、政務系統最有效技術手段。建設空間大數據平臺、物聯網平臺、可視化平臺，對供熱基礎設施運營狀況實現全生命周期的監控管理、仿真、預測，實現供熱系統的遠程化、無人化、自動化、智能化的控制。
