实现当代供热系统智慧化管控的关键技术分析

贾立夫，郭蔚彤

(1.陕西泾合热力有限公司，西安 713700； 2.西安森河工贸有限公司，西安 710016)

0 引 言

新一代信息技术与制造技术的深度融合，引发了影响深远的产业变革。越来越多的国家意识到了这一战略性的发展机遇，我国提出两化深度融合和“中国制 造2025”，德国提出“工业 4.0”，美国提出“再工业化”与“工业互联网”。这些战略计划都在强调同一个重点“智能化”。冬季供暖一直是人们非常关心的话题，目前集中供热系统在供热行业里己经逐渐取代了其他的供热方式[1]。但是集中供热系统也有以下问题：非线性严重、内部关联性强、滞后时间长、供热面积大、影响因素多[2-3]。在“智慧城市”、“智慧能源”等相关概念的带动下，“智慧供热”已被正式提出，并已成为中国供热行业的关注焦点[4-5]。

1 智慧供热的关键要素

智能采暖系统是指室内采暖装置的最优控制，目的是确保居住者的舒适以及节约能源和成本。这种系统可以对整个建筑的空气温度进行微调和监测，或者能够了解居住者的习惯，并自动进行温度调整。通过用户友好的界面，人们可以轻松地控制和预测能源消耗，同时确保能源在不需要的时候不会被浪费。此外，能耗的实时反馈可以推动居住者拥有更节能的行为[1，6]。

显然，这些系统在现有建筑的节能改造和智能建筑改造方面具有巨大的潜力。这是因为它们的应用通常不需要对建筑围护结构进行修改，大幅降低能源投资成本。在过去的几年中，各种各样的智能供暖系统已经被引入市场，应用于几乎所有类型的住宅建筑。尽管有大量不同的智能供暖方案，但在所有系统中都有可能识别出相同的框架，它由以下关键要素组成：

用于监测室外情况和“智能”控制室内物理量(在大多数情况下，是环境温度)的传感器；驱动器连接到加热一次网和/或二次网的不同部件，并根据控制算法收到的指令控制它们的运行；算法(AL)的自动学习和优化系统的运行；无线网关(WG)接收来自传感器的反馈，根据控制算法和用户偏好给执行器提供输入，并且它连接到云服务器，允许用户界面(UI)远程控制和数据存储，允许用户设置和规划加热，并接收有关室外、室内条件和能源消耗的反馈。

一般地，智能采暖系统的组成部分包括硬件层、软件层和网络层，并进行了有机连接。具体而言，硬件层由系统的物理部分组成，如热发生器、加热终端、传感器和执行器等。软件层涉及到控制算法和用户界面，而网络层允许将硬件和软件连接在一起，并对所有的系统进行远程控制[7-8]。

2 智慧供热管控的关键技术

2.1 中小型供热系统的智能化管控关键技术

热源最简单的智能控制是通过根据热需求自动开关热发生器来完成的。这种开/关控制通常基于室外天气条件，通常适用于大多数循环加热系统。通过一个执行机构，热源，热水供暖系统，蒸汽冷凝锅炉或热泵是由控制算法调节其开/关操作时间和/或水温度的热水供暖系统，整个房子室温温度匹配参考温度。对于小型建筑物而言，这可能是一种极具成本效益的方法，可获得最佳的采暖控制。事实上，必须指出的是，这种智能系统的改造干预并不需要替换主要系统本身，由于智能恒温器的设计目的是能够轻松取代传统的壁式恒温器或无线恒温器，执行器可以很容易地连接到几乎所有的燃气冷凝锅炉或热泵。

然而，有一些混合热源可以成为智能供暖系统的一部分，不仅因为它们的智能控制，还因为它们的内在特性。这种系统的智能在于将多个热发生器(通常是一个热泵和一个冷凝锅炉)集成起来，能够利用可再生资源并联合控制其运行，以便在极端天气条件下最大化系统的整体效率和可靠性。然而，必须指出的是，由于市场上这种混合系统的供热能力有限，这是一种用于改造具有少量热区和独立供热系统的小型建筑的解决方案[3]。

2.2 集中供热系统的智慧管控关键技术

在大型建筑中，有必要在不同的建筑区域管理不同的室内设定点温度。这就是能够连接和控制多个恒温器的系统被开发出来的原因。集中供热智能控制的概念在于在每个房间或热区级控制液体循环终端的热量排放的可能性。在这种情况下，特别是在集中供热中，散热器的阀门可以用“智能”恒温散热器阀门(TRVs)替换。这些系统允许将房屋划分为不同的区域，并根据用户的需求和习惯控制每个区域的供暖。这是通过减少每个散热器中的热水流量来实现的，就像传统的散热器恒温阀一样，或者通过调节热水流量作为室内温度的函数来实现。驱动室内温度可以在热网的每个部件附近或通过室温传感器在房间/热区测量。

在这样的系统中，当温度传感器被放置在散热器附近，靠近热源时，问题可能会出现。这可能导致不精确的温度测量和随之而来的非最优控制。事实上，散热器制造商提出了智能高精度恒温器。阀门是完全量身定制的散热器特性，使误差最小化。在一些非常先进的解决方案中，二级管网智能控制可以与直供系统相结合。如果一个致动器放置在热发生器，该系统算法可以分析传感器接收到的信息在每个加热终端和一个适当的信号可以传输到热源，因此其操作可以根据整体热量需求调制供热区域。然而，必须注意的是，在加热终端中最佳控制的水热流限制了热发生器的频繁开关，从而减少了它们的磨损。

2.3 建筑的智能热控制

如前所述，智能控制是智能建筑中能源系统智能化的关键因素。如果一个控制系统能够解决以下原则，那么它就可以被定义为智能：

(1)在其实时优化，它考虑有关户外条件的信息。占用者存在(或用户本地化)。当前室内温度，以及期望的舒适温度。

(2)控制系统的驱动算法能够了解建筑特性(热惯量、隔热等级等)和住户习惯，并定期更新这些信息。用户可以设置他们的每日或每周时间表，这是与系统自动学习过程相结合的。

(3)用户可以覆盖自动控制设置，手动控制所有级别的系统，但系统会提供反馈，让用户知道他们的行动的后果。

(4)系统支持远程访问控制。

一种高级的算法是比例-积分-导数(PID)算法。在智能系统中，它用于智能响应功能，也称为自适应智能恢复。这是一种对房间进行预热的功能，以便在程序设定的时间开始时达到设定点温度。PID控制算法可以根据建筑物的特点和室外温度，知道预热房间需要多长时间。每次，它都会根据当前的室温检查该信息，并给出需要激活系统的时间，以便在期望的时间达到设定点温度。此外，可编程温控器上的PID控制器用于保持温度稳定和防止过热。事实上，它能够给出指令，何时停止加热，在温度低于期望的设置点，它允许残余热量把温度提高。

很明显，可用的信息越多，控制算法就越复杂。正如前面所提到的，集成是提高系统性能和智能化的关键因素之一。这就是为什么这种智能控制的供暖系统可以通过与建筑自动化系统的完全集成来提高和优化其效率和成本效益。这种集成可以很容易地完成。事实上，应用在窗户上的传感器可用于向供暖系统提供关于窗户开启的信息，以便调节其运行，以免在窗户开启期间浪费能源。集成的另一个领域涉及电器。同样的使用时间表可以用来管理供热和电力系统，这样当建筑自动化显示该建筑无人居住时，灯和电器就会被关闭，供热系统可以设置为缺席模式。此外，用户可以轻松设置舒适时间表，自动打开灯和电器，并设置舒适的温度在被占用的房间。

3 结束语

综上，本论文对智能供热的研究现状进行了概述，并指出了智能供热的关键要素。此外，根据系统的智能级别，对市场上可用的技术进行了分类，并分析了这些系统不同层次之间的连接。控制算法和用户界面作为智能供暖系统有效性的关键因素得到了特别关注。此外，由于智能供暖系统与可再生能源和区域智能电网集成的可能性很大，这些技术将成为未来低碳城市研究发展的热点，由于其实施成本相对较低，将在市场上获得越来越多的应用。