浅谈物联网在居民智慧供暖中的解决方案

魏可才 宋雪述 李祥伟

摘 要：本文主要介绍通过物联网、5G、大数据、人工智能等新技术解决居民供暖过程中存在的温度失衡、资源浪费、安全运营、个性化需求等问题的技术解决方案，建设智慧供暖管理系统。

关键词：5G;物联网;智慧供暖;解决方案

一、绪论

智慧能源是智慧城市建设的重要基石，随着智慧城市建设的推进，通过“智慧能源”实现的节能减排经济效益将占据越来越重要的地位。据统计，北方城镇供暖能源消耗量占社会能源消费总量的4.4%[1]，因此，如何安全、有效、科学地控制供暖系统成为城市节能减排和智慧建设急需解决的问题。同时，在每年的供暖的过程中，因供暖管道老化、新增供暖区域、非正常失水等原因造成供暖温度过低或者过高，给用户消费者造成的不良服务问题突出，既影响用户感知也导致了供暖资源的浪费。本文智慧供暖方案通过物联网技术对管网及用户水压、水温及流量等信息的实时监控采集，并利用大数据和AI算法构建供暖平台模型，实现对流量控制阀实现设备联动和智能控制，来解决管网的供热平衡等问题，来提升用户感知，提升供暖效率，降低供暖成本，同时，通过技术手段预测可能出现的供暖问题，确保冬季供暖安全、高效运营。

二、存在的问题

由于设计、管网老化、设备运营、供热管理等原因，造成传统居民供暖管理方面存在以下问题：

（1）热网温度失衡问题：热网的平衡，尤其是二次网的水力平衡难调节，与很多因素相关，比如设计、施工以及管网腐蚀、维修不及时、末端不良操作等，都不同程度地影响着整个热网的平衡[2]。由于热网温度失衡，一方面造成末端用户供暖温度过低，达不到承诺的温度，影响用户感知，进而引起用户投诉，另一方面，部分区域由于离供热企业比较近，供热水或气温度高且流量大，造成部分住户家中温度超过24度，甚至更高，引起资源浪费。

（2）管網的智能化控制：传统的热力管网中，热量表的压力、流量、温度无法实时监控，并且阀门以手动控制为主，即使可以远程关开，也无法做到远程自动调节管网的压力、流量和温度，进而影响住户家的供暖温度，造成资源浪费和温度失衡，影响用户感知。

（3）供热失水引起的浪费和安全问题：用户私放供暖管道中的热水，或者管道老化引起的漏水，突发性失水是造成管道失水的主要原因[3]。这些非正常供热失水不仅造成供热成本的增加和能源的浪费，也影响了供热系统安全和工况的稳定，成为制约供热行业健康发展的难题。

（4）无法满足个性化的需求：随着智慧城市和精细化服务的发展，用户有按流量计费的个性化的需求，需要由按面积计费向按流量计费的模式转型和探索[4]。传统供热监控和测量手段的，无法获取终端用户及管网中的详细数据，已经无法满足精细化社会服务的需求。

三、解决方案

本文主要介绍利用5G、云计算、物联网、大数据、人工智能和移动互联网等技术建立智慧供暖的解决方案，重点在物联网技术的应用。方案以安全可靠为前提，对供热管网的温度、流量和压力实现分区域、分时段及时检测和智能控制，实现智能调温、节能降耗、提高管理水平等目标。

（一）智慧供暖系统的架构

分为感知层、网络层、平台层、应用层（具体见图1）四层。

其中传感层主要包括温度、湿度、压力、智能流量计等感知终端和温控电磁阀门等操作控制终端，主要实现数据的采集、设备的操控落地等功能。网络层主要包括无线网络（NB、2G/3G/4G/5G、WLAN）、有线网络（专线、宽带）、通信模块/模组/终端等，主要负责数据的传送。

平台层主要包括连接管理平台和设备管理平台，连接管理平台负责连接的管理，主要包括资费、自动化规则、API接口等功能，设备管理平台主要负责终端感知层设备的管理和控制，并提供数据的存储及处理能力，实现不同海量终端及应用平台的兼容耦合，并通过云化部署的方式实现了集中、集约化的管理和维护，提升了平台可靠性，降低了投入成本。

应用层主要包括智慧供暖管理应用云平台和用户APP等，其中智慧供暖管理应用云平台部署在云上，既可以部署在公有云上，也可以部署在私有云上，主要为供暖企业使用。

智慧供暖管理应用云平台主要功能模块包括：（1）用户管理模块：包括住户小区名、地址、面积、缴费情况等信息管理;（2）资产管理模块：包括换热站的地址、设备清单及详细信息等资产信息;（3）告警功能模块：用于温度异常告警、住户私自放水或漏水告警、管道漏水告警、管道水压异常告警;（4）运营管理模块：包括远端控制阀门界面、流量计费收费界面、使用燃料预测（根据以往数据）和室温地图系统等;（5）能耗评价系统模块：对各管网、供热站、供热设备等能耗进行比较分析，为企业能源运营和设计优化提供依据;（6）智能客服系统模块：为客户提供友好服务界面，也为服务提升、设计和运营优化沉淀数据。

APP分为企业运营人员用和住户用两类：供用户用的APP主要包括温湿度异常告警、私自放水或漏水告警、按流量计费使用数量及缴费额、远程缴费、远程关自家供暖阀门等功能;企业人员用APP主要包括所辖管理范围内设备运行情况、温湿度异常告警、私自放水或漏水告警、管网异常告警、远程关闭所辖范围出现异常管道供暖阀门等功能，相关功能实行分级授权管理。

（二）系统设置和功能运营

本方案系统的关联功能拓扑图如图2。在管网侧，通过在主要管道和关键管道处，加装管道压力传感器、温度传感器和智能流量计，对管网的水温、压力和流量数据进行实时监测，进一步对管网供热情况进行综合分析，及时发现管网的运行异常状态，包括是否阻塞、漏水、水温是否控制到位等。在用户侧，通过每户的远程抄的智能流量计、温湿度检测终端和出入口压力检测终端，及时检测用户家中的温度。在应用平台侧，开发基于管廊温度、压力、室内温度、温控阀开度多重参数智能管网温控模型，通过人工智能深度学习，实现阀门开度与供暖温度精准控制;同时监测经过住户后管网的压力情况，及时发现失水问题，进而判断住户是否私自放热水、管道是否漏水。在控制侧：通过对温控阀门的精准控制，既可以实现室内温度的自动调节，也可以远程管理未缴费客户的供暖，还可以突发管道漏水的跑冒滴漏。

同时，通过这些数据的比较分析，进一步判断供暖管道设计合理情况，为供暖管道优化提供数据。通过对用户智能流量计的监测实现了按流量计费基础，为精细化供暖服务转型提供了支撑。

为解决大多数供热管网普遍存在的统一温度供应不同时段、不同区域的能源浪费问题，实现“按需供热”，分控系统同集控系统相互协同，实现同一个热源供应下，对每一个供暖支路和冷热设备，分时段根据不同温度要求，进行精准控制运行，尤其适用于不同时间不同温度启停控制方式、不同温度的设定要求。

通过管网压力传感器、温度传感器、换热站设备运行参数的采集，对换热站的运行数据进行实时监测，实现了供热故障的自动预警，有效降低了供热站设备故障及发生事故的可能性，为供热良好运营提供高效优质的技术保障。

三、小结

本解决方案所用的关键技术主要有基于物联网的数据采集和设备管控技术、基于大数据的海量数据统计分析、基于人工智能的深度学习智能温控算法、基于互联网和移动互联网的人机界面系统等，当然，也需要移动网、光纤网等传送网络和云计算的存储及算力。通过这些技术的应用，非常高效的解决了供暖过程中存在的温度失衡、资源浪费、安全运营、个性化需求等方面的问题，为居民供暖插上了智慧的翅膀。

四、展望

随着技术的发展，物联网和大数据还将在供暖管道设计优化、供暖机组运营管理、住户个性化供暖、供热管道巡检机器人等方面提供更多的应用支持，实现供暖的安全可靠、高效和个性精细化服务，进一步推动智慧供暖向深层次的发展。

参考文献：

[1]2017年中国供热节能行业发展概况、市场容量及未来发展趋势分析.中国产业信息.http：//www.chyxx.com/industry/201801/602667.html.

[2]燕德全.浅谈二次供热管网的失水问题[J].中国科技纵横，2013，16（3）：27.

[3]范文强.基于物联网技术的热力站在线监测系统[J].节能，2019（4）.

[4]郭克寅，石瑶，王涵北.对集中供热热网的变流量调节方法的探讨[J].节能，2019（3）.