基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑供熱溫度監(jiān)測控制平臺(tái)

顏庭轅 劉尚一 陳子光*

（黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080）

1 概述

集中供熱系統(tǒng)是我國供暖區(qū)居民日常生活的重要組成部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國集中供暖區(qū)面積已經(jīng)達(dá)到160 億立方米，覆蓋人口超過兩億。而我國城鎮(zhèn)集中供熱系統(tǒng)存在技術(shù)條件及供熱水平相對不均衡、產(chǎn)業(yè)分布不平衡的現(xiàn)象，主要供熱城市單位能耗遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國家水平；相關(guān)單位還依舊存在人工占比大能耗高、供熱模式機(jī)械粗暴、智能化個(gè)性化不足等問題；供熱站起點(diǎn)與用戶終端之間少有信息回饋、供熱不均、滲漏量大、沒有可調(diào)節(jié)性等導(dǎo)致的供求端割裂，居民個(gè)性化需求難以實(shí)現(xiàn)的問題。而國內(nèi)熱網(wǎng)系統(tǒng)主要能源來自煤炭，由于煤炭處理工藝及技術(shù)手段欠缺容易造成不完全燃燒，導(dǎo)致有害氣體的生成，造成了供熱區(qū)比較廣泛的空氣污染。近年來該模式帶來的空氣污染問題及能源浪費(fèi)受到普遍重視，故目前比較需要一類理想的供熱管網(wǎng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2 溫度控制平臺(tái)

圖1 智慧熱網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該平臺(tái)在供熱自動(dòng)化控制設(shè)施和技術(shù)的基礎(chǔ)上, 利用新一代物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，提出了供熱“云、網(wǎng)、站、端”全流程綜合解決方案。智慧熱網(wǎng)綜合管控平臺(tái)包括供熱設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和智慧熱網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，借助互聯(lián)網(wǎng)，利用自動(dòng)化、信息化和智能化技術(shù)建設(shè)智慧熱網(wǎng)調(diào)度平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)熱源、輸配系統(tǒng)及終端用戶整個(gè)供熱生命周期數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)挖掘分析與智能調(diào)控，同時(shí)與熱源、總調(diào)度及一線的運(yùn)行管理人員形成人機(jī)互動(dòng)，通過人工智能系統(tǒng)建立快捷的智能服務(wù)通道，利用移動(dòng)端供熱公共平臺(tái)更快更好地為用戶提供智慧供熱服務(wù)。智慧熱網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

2.1 集中供熱系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)原理

建筑物熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)主要取決于建筑物熱負(fù)荷QW，耗熱量包括三部分：分別是通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量Q1；冷風(fēng)滲透耗熱量Q2；冷風(fēng)侵入耗熱量Q3。得出QW=Q1+Q2+Q3

式中：

c- 采暖水的比熱容；G- 采暖水的流量；

t1- 采暖水的進(jìn)口溫度；t0- 采暖水的出口溫度；

在一般情況下認(rèn)為QW=Qh時(shí)熱系統(tǒng)達(dá)到平衡。

由于各建筑的熱面積、采用結(jié)構(gòu)形式、地理位置等不同，最終耗熱量(W/m2)會(huì)存在一定差異，相同條件下室內(nèi)外溫差也必須考慮。故保持管網(wǎng)整體流量的實(shí)時(shí)調(diào)整，使其能夠滿足用戶設(shè)定的室內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)供熱、單位熱耗最低。

2.2 動(dòng)態(tài)調(diào)控方式

我國主要供暖方式分為連續(xù)和間歇供暖兩類。針對不同的方式，室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的方法也不同，但本系統(tǒng)主要是通過控制流經(jīng)閥門的供回水流量控制室內(nèi)溫度。

通過高精度室內(nèi)傳感器，其將傳統(tǒng)熱計(jì)量與供熱控制閥門結(jié)合，通過云平臺(tái)系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)二級網(wǎng)智能平衡調(diào)節(jié)，換熱站的二級網(wǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)質(zhì)量同調(diào)的核心。解決二級網(wǎng)室內(nèi)溫度分布不均的問題，實(shí)現(xiàn)戶與戶之間的最大化溫度平衡。通過均衡供熱一項(xiàng)，節(jié)能率已經(jīng)達(dá)到10%-15%。同時(shí)可以為熱力公司提供快捷便利的二級網(wǎng)用戶管理手段，針對收費(fèi)管理、個(gè)別用戶系統(tǒng)問題排查、二級網(wǎng)失水等問題提供了判斷及管理的技術(shù)手段。

2.3 換熱站簡潔自控調(diào)控策略

換熱站內(nèi)一級網(wǎng)供水配置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，回水配置超聲熱量表（帶遠(yuǎn)傳功能）,根據(jù)換熱站供熱負(fù)荷，匹配所需一級網(wǎng)熱量,實(shí)現(xiàn)一級網(wǎng)熱量按需分配；二級網(wǎng)供水配置超聲熱量表（帶遠(yuǎn)傳功能），能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測二級網(wǎng)熱量供給情況。

圖2 換熱站簡潔自控調(diào)控策略

圖3 智慧熱網(wǎng)體驗(yàn)平臺(tái)

圖4 換熱機(jī)組

換熱站簡潔自控調(diào)控策略如圖2 所示，表閥可采集二級網(wǎng)供回水溫度、供回水壓力參數(shù)，經(jīng)過RS485 轉(zhuǎn)4G 通訊方式上傳到物聯(lián)網(wǎng)溫度節(jié)能管理平臺(tái)，云平臺(tái)通過后臺(tái)分析計(jì)算，給表閥下發(fā)控制指令，自動(dòng)控制一側(cè)的物聯(lián)網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度，以達(dá)到對管道內(nèi)流體的壓力、流量、溫度、等工藝參數(shù)的控制調(diào)節(jié)。

2.4 建立調(diào)控模型

基于信息化智慧熱網(wǎng)監(jiān)測控制平臺(tái)，相關(guān)企業(yè)已進(jìn)行了初步模型構(gòu)建，圖3 為模擬的智慧熱網(wǎng)體驗(yàn)平臺(tái)，其中包括一級網(wǎng)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和流量限制器及二級網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)平衡閥、手動(dòng)流量平衡閥、動(dòng)態(tài)阻力平衡閥等,主要模擬換熱站間平衡調(diào)控策略和各末端用戶間平衡調(diào)控策略, 同時(shí)也試驗(yàn)各種平衡閥門的功能性、優(yōu)缺點(diǎn), 為選擇二級網(wǎng)平衡設(shè)備做好鋪墊。圖4 為換熱機(jī)組，分別是主視圖和側(cè)視圖，主要模擬圖2 的換熱站簡潔自控調(diào)控策略。

3 技術(shù)特點(diǎn)

功能上，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測用戶室內(nèi)溫度可以有效配合精密調(diào)節(jié)，云平臺(tái)利用數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)用戶的日常溫度標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控；用戶溫度收費(fèi)取決于實(shí)際使用水量，而不是固定價(jià)格。在實(shí)現(xiàn)按需供暖同時(shí)完成了對人工操作的精簡。

特點(diǎn)上，該系統(tǒng)采用換熱站裝置，可在實(shí)現(xiàn)簡潔自控的同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳（不僅傳至調(diào)度中心，也可以傳至云平臺(tái)與二級網(wǎng)、終端用戶實(shí)現(xiàn)聯(lián)控）。對終端用戶處的用戶采用熱量表法。還可實(shí)現(xiàn)平衡閥、戶表和終端用戶室內(nèi)溫度等數(shù)據(jù)同步遠(yuǎn)傳至云平臺(tái)，以終端用戶溫度作為反饋，實(shí)現(xiàn)同步調(diào)節(jié)。