摘要：智慧換熱站的信息化建設(shè)作為當(dāng)前集中供暖的重要選擇，該工作在實際的開展中面臨著很多的困境與難題。從目前集中供熱的現(xiàn)狀與換熱站系統(tǒng)的現(xiàn)狀出發(fā)，研究換熱站系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理、換熱站自控系統(tǒng)調(diào)節(jié)的基本理論和方法，以國防馨苑小區(qū)智慧換熱管理系統(tǒng)建設(shè)為藍(lán)本，為集中供熱監(jiān)控系統(tǒng)研究和智慧換熱站信息化建設(shè)提供參考。致力于為今后集中供暖工作的發(fā)展提供有價值的參考。

關(guān)鍵詞：智慧換熱站；管理系統(tǒng)；無人值守；供熱

一、前言

區(qū)域供熱是我國北方地區(qū)冬季主要的供熱方式，區(qū)域供熱系統(tǒng)由熱源、熱網(wǎng)和用戶三部分組成，主要通過管網(wǎng)輸送蒸汽或熱水以滿足用戶供熱需求[1]。在這個系統(tǒng)中，換熱站是關(guān)鍵節(jié)點，負(fù)責(zé)熱能傳遞，并安裝有換熱器、循環(huán)水泵等關(guān)鍵設(shè)備以確保熱能傳遞效率。此外，換熱站還配備測量、控制儀器，實時監(jiān)測并記錄運行參數(shù)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行并提高供熱效率。同時，維護裝置用于防止供水裝置被腐蝕和結(jié)垢，保障長期穩(wěn)定運行。

作為連接熱源與熱用戶的橋梁，換熱站在整個系統(tǒng)中發(fā)揮著承上啟下的關(guān)鍵作用，對于確保系統(tǒng)的高效運行具有日益重要的作用[2]。隨著時代的發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計算、AI等高新技術(shù)不斷融入傳統(tǒng)行業(yè)，供熱系統(tǒng)進行智慧化改造已是必然趨勢[3]。

二、國防馨苑集中供熱基本情況

目前，國防馨苑換熱站集中供熱面積共計83890.08㎡。換熱站現(xiàn)有2臺90kw循環(huán)泵，為整個系統(tǒng)循環(huán)提供動力；2臺4kw補水泵，對系統(tǒng)介質(zhì)的損失進行補充，來穩(wěn)定整個系統(tǒng)的壓力，循環(huán)泵和補水泵均一用一備；2臺配電設(shè)備，對循環(huán)泵和補水泵進行控制和監(jiān)控；一臺換熱器，來轉(zhuǎn)換一次管網(wǎng)熱量；1個20噸水箱，儲備補水水源。

三、智慧換熱站需求分析

（一）現(xiàn)狀分析

國防馨苑小區(qū)建成時間較早，當(dāng)前供熱系統(tǒng)在控制方面尚顯滯后，供熱品質(zhì)與效率均不盡如人意，且運行管理仍停留在手工操作的初級階段[4]，溫度調(diào)節(jié)主要依賴于經(jīng)驗，缺乏科學(xué)精準(zhǔn)的方法，同時在技術(shù)上也存在較大的差距，能源利用、故障監(jiān)測等方面均有不足。隨著國家經(jīng)濟能力不斷提高，小區(qū)居民對改善小區(qū)供熱系統(tǒng)提出迫切需求。通過調(diào)研小區(qū)居民對供暖服務(wù)的需求和期望，提出智慧換熱站信息化建設(shè)管理系統(tǒng)的功能需求和技術(shù)要求。首先可以通過實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析等手段，實現(xiàn)對供熱系統(tǒng)的全面掌控和精準(zhǔn)管理。通過智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對供熱設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低故障率，從而提升供熱系統(tǒng)的整體運行效率。智能控制技術(shù)的應(yīng)用，可以通過與用戶的智能設(shè)備相連，實現(xiàn)供熱費用的自動計算和收繳，不僅提高了繳費效率，降低了人工成本，也方便了用戶的使用和繳費，有助于解決供熱費收繳困難的問題。通過優(yōu)化供熱系統(tǒng)的運行參數(shù)和控制策略，實現(xiàn)能源的精準(zhǔn)利用和節(jié)約。通過實時監(jiān)測和調(diào)整供熱設(shè)備的運行狀態(tài)，可以確保系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運行，減少不必要的能源消耗，從而降低供熱系統(tǒng)的運行成本。

（二）智慧換熱系統(tǒng)

智慧換熱系統(tǒng)整合供熱公司生產(chǎn)相關(guān)系統(tǒng)，實現(xiàn)各換熱站數(shù)據(jù)實時傳輸至公司總控室，構(gòu)建大數(shù)據(jù)中心，深度挖掘數(shù)據(jù)價值，為生產(chǎn)運行與資源調(diào)配提供精準(zhǔn)決策依據(jù)，如圖1所示。此模式旨在實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集智能化、系統(tǒng)調(diào)控自動化、運營監(jiān)管科學(xué)化，確保供熱穩(wěn)定高效、節(jié)能環(huán)保，最終實現(xiàn)供熱公司的智慧化管理目標(biāo)。

四、智慧管理系統(tǒng)功能設(shè)計

隨著數(shù)字化熱源與先進技術(shù)的深度融合，智慧換熱系統(tǒng)應(yīng)運而生。它借助物聯(lián)網(wǎng)與設(shè)備監(jiān)控技術(shù)，全面清晰地掌握生產(chǎn)全流程，實時精準(zhǔn)地采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，極大減少人工干預(yù)，高效制定生產(chǎn)計劃，提升生產(chǎn)過程的可控性。智慧換熱系統(tǒng)不僅構(gòu)建了綠色節(jié)能、低碳環(huán)保的人性化熱源，更在功能上與人類智能相媲美。當(dāng)智慧換熱系統(tǒng)進一步升級，具備更多與人類智能相似的功能時，將邁入智慧化熱源的新紀(jì)元，開啟供熱領(lǐng)域的新篇章，為人們的生活帶來更加舒適、環(huán)保的供熱體驗，運用智慧供熱技術(shù)，通過人工智能、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，實現(xiàn)對供熱系統(tǒng)的智能化管理和控制。系統(tǒng)的具體功能包括以下幾個方面。

（一）智能感知與監(jiān)控

智能感知與監(jiān)控是智慧供熱系統(tǒng)的核心。它利用各類傳感器（如溫度傳感器、濕度傳感器等）實時收集換熱站供熱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并通過大數(shù)據(jù)分析和預(yù)測模型，對這些數(shù)據(jù)進行處理和分析。通過這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠迅速識別供熱系統(tǒng)中的問題，如管道泄漏、設(shè)備故障等，并立即采取有效措施進行修復(fù)，從而提高供熱系統(tǒng)的運行效率。

（二）智能調(diào)度與優(yōu)化

智能調(diào)度與優(yōu)化是利用人工智能技術(shù)對供熱系統(tǒng)進行動態(tài)管理。通過對用戶需求、天氣變化等因素的預(yù)測，從而提前調(diào)整供熱策略，系統(tǒng)能夠合理分配熱源，動態(tài)調(diào)整供熱設(shè)備的運行模式和參數(shù)，對供熱設(shè)備進行智能控制，通過智能控制算法，優(yōu)化供熱設(shè)備的運行，減少不必要的能耗，實現(xiàn)能源的最優(yōu)利用和系統(tǒng)的高效運行。

（三）智能維護與故障預(yù)警

智能維護與故障預(yù)警是通過對供熱設(shè)備的狀態(tài)和運行情況進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常，系統(tǒng)立即發(fā)出報警，并自動分析故障原因，提供相應(yīng)的維修方案，有助于降低因故障帶來的損失和影響，提高供熱系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

（四）用戶便捷服務(wù)

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將智慧供熱與用戶終端相連接，為用戶提供個性化的服務(wù)。用戶可以通過手機App或智能設(shè)備，實時查看室內(nèi)溫度、室外天氣等信息，并進行遠(yuǎn)程控制和調(diào)節(jié)。根據(jù)用戶的偏好和習(xí)慣，提供個性化的供熱服務(wù)，提高用戶滿意度。

五、系統(tǒng)設(shè)計

（一）自控系統(tǒng)設(shè)計

智慧換熱系統(tǒng)是一個集成了先進控制算法、無線通信技術(shù)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的綜合性系統(tǒng)[5]。它主要由現(xiàn)場智能控制器、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控平臺三個核心部分組成，旨在實現(xiàn)換熱站的無人值守和自動化運行，從而提高運行效率并降低人力成本，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

現(xiàn)場智能控制器：集成了先進測量技術(shù)、執(zhí)行機構(gòu)、控制算法和人機交互界面的智能控制系統(tǒng)，專為換熱站的無人值守和自動化運行而設(shè)計。主要測量儀表涵蓋了對換熱站運行參數(shù)的精準(zhǔn)測量設(shè)備，如儀表和變送器以及超聲波流量計等；執(zhí)行機構(gòu)則由循環(huán)和加壓的變頻器、電動調(diào)節(jié)閥等核心部件構(gòu)成；PLC模塊與嵌入式屏結(jié)合，運用不同控制算法實現(xiàn)各控制系統(tǒng)的智能自動控制；嵌入式屏提供直觀的人機界面，方便監(jiān)控、顯示運行參數(shù)，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、繪圖展示及報警提示等功能。

傳輸網(wǎng)絡(luò)：傳輸模塊或無線路由器，能夠?qū)崟r將換熱站現(xiàn)場的運行數(shù)據(jù)與控制狀態(tài)發(fā)送至監(jiān)控中心，助力供熱企業(yè)實現(xiàn)對多個換熱站系統(tǒng)的集中管理與遠(yuǎn)程監(jiān)控。前端視頻監(jiān)控設(shè)備通過無線路由器接入互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，實現(xiàn)無線通信。監(jiān)測中心則通過撥號方式與服務(wù)器連接，輕松接入視頻圖像，實現(xiàn)全面監(jiān)控。

監(jiān)控平臺：該系統(tǒng)依托無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的統(tǒng)一監(jiān)控平臺，成功實現(xiàn)對換熱站調(diào)節(jié)閥、變頻器等核心設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，為無人值守?fù)Q熱站的運行管理提供了堅實的技術(shù)支撐，推動了供熱系統(tǒng)的智能化發(fā)展。無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用使得監(jiān)控平臺能夠?qū)崟r接收和處理來自現(xiàn)場智能控制器的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥、變頻器等設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。這種遠(yuǎn)程控制方式不僅減少了人力巡檢的頻率，降低了人力成本，還提高了操作的靈活性和響應(yīng)速度。當(dāng)系統(tǒng)檢測到異常情況時，可以迅速做出反應(yīng)，通過調(diào)節(jié)設(shè)備的運行狀態(tài)來恢復(fù)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

此外，視頻監(jiān)控平臺的定時存儲巡檢登記圖片功能，為管理人員提供了便捷的查看方式，幫助他們隨時了解換熱站的運行情況，如圖3所示。同時，遠(yuǎn)程觸發(fā)功能使得管理人員可以在需要時隨時查看現(xiàn)場實時畫面，及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的安全隱患。這種無人監(jiān)控和報警功能大大提高了換熱站的安全性和可靠性，降低了事故發(fā)生的概率。

（二）取熱控制系統(tǒng)設(shè)計

智慧換熱系統(tǒng)的核心在于取熱控制系統(tǒng)，其重要性不言而喻。該系統(tǒng)確保二次網(wǎng)即熱用戶端能夠保持適宜的供回水溫度，從而有效實現(xiàn)熱量的傳遞，為用戶帶來舒適的供熱體驗。在供熱過程中，取熱控制起到了至關(guān)重要的作用，它直接關(guān)系到用戶感受到的供熱舒適度和整個供熱系統(tǒng)的運行效率。

為了實現(xiàn)更加精準(zhǔn)和高效的取熱控制，研究者們對多種控制算法進行了深入研究[6]。智能控制算法通過利用現(xiàn)代計算機技術(shù)，使得控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實時的數(shù)據(jù)反饋，自動調(diào)整控制策略，以適應(yīng)不斷變化的供熱需求。這種算法的應(yīng)用極大地提高了控制系統(tǒng)的靈活性和響應(yīng)速度。

熱量控制算法則更加注重對熱量傳輸過程的精確控制[7]。通過對供熱過程中熱量的流動和分配進行精確計算，系統(tǒng)能夠確保熱量在二次網(wǎng)中的合理分配，避免熱量的浪費和損失。

三態(tài)控制算法則是一種更加靈活的控制方式。它根據(jù)供熱系統(tǒng)的不同運行狀態(tài)，如啟動、運行和停止等，采用不同的控制策略，以實現(xiàn)更加高效和穩(wěn)定的供熱效果。

此外，動態(tài)優(yōu)化算法也是近年來研究的熱點。這些算法通過綜合考慮室外溫度、時間修正等多種因素，對二次網(wǎng)的溫度進行動態(tài)調(diào)整，如圖4所示。通過這種方式，系統(tǒng)能夠根據(jù)實際情況，自動優(yōu)化控制策略，以實現(xiàn)更加舒適和節(jié)能的供熱效果。

取熱控制系統(tǒng)是一個針對供熱網(wǎng)絡(luò)的自動化控制系統(tǒng)，其主要目標(biāo)是通過精準(zhǔn)調(diào)節(jié)一次網(wǎng)供水調(diào)節(jié)閥或加壓栗變頻器的頻率，實現(xiàn)對二次網(wǎng)回水溫度或供回水平均溫度的有效控制，從而確保供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和高效節(jié)能。

在這個系統(tǒng)中，控制參數(shù)的選擇是關(guān)鍵。系統(tǒng)選取了二次網(wǎng)的回水溫度或供回水的平均溫度作為主要的控制參數(shù)。這是因為這兩個參數(shù)能夠直接反映供熱系統(tǒng)的運行狀態(tài)和供熱效果，對于保證供熱質(zhì)量和節(jié)能降耗具有重要意義?？刂茖ο髣t是一次網(wǎng)的供水調(diào)節(jié)閥或加壓變頻器的頻率。通過調(diào)節(jié)這些設(shè)備的運行狀態(tài)，可以實現(xiàn)對二次網(wǎng)溫度的有效控制。具體而言，當(dāng)二次網(wǎng)回水溫度或供回水平均溫度偏離設(shè)定值時，系統(tǒng)會根據(jù)實時反饋的溫度數(shù)據(jù)，自動調(diào)整供水調(diào)節(jié)閥的開度或加壓變頻器的工作頻率，以確保二次網(wǎng)溫度逐漸回歸至預(yù)設(shè)值，維持供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

在控制過程中，系統(tǒng)采用了氣候補償下的設(shè)定值作為給定值。這是因為不同的氣候條件下，供熱系統(tǒng)的需求也會有所不同。通過氣候補償，系統(tǒng)可以根據(jù)實時的氣候條件，自動調(diào)整設(shè)定值，以適應(yīng)不同的供熱需求。

同時，系統(tǒng)還通過測量溫度值作為反饋值，與給定值進行比較，從而計算出控制誤差。根據(jù)這個誤差值，系統(tǒng)會進一步調(diào)節(jié)供水調(diào)節(jié)閥或加壓變頻器的輸出值，使二次網(wǎng)的溫度逐漸逼近給定值。

六、結(jié)語

隨著經(jīng)濟發(fā)展與社會數(shù)字化進程不斷加快，區(qū)域供熱未來發(fā)展必然與數(shù)字化建設(shè)緊密相連。數(shù)字化發(fā)展不僅為供熱企業(yè)提供了更為高效、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理和分析能力，還為企業(yè)向智慧化升級奠定了堅實的基礎(chǔ)。在智慧化轉(zhuǎn)型的過程中，供熱企業(yè)還應(yīng)注重因地制宜的策略。不同地區(qū)的氣候條件、供熱需求、能源結(jié)構(gòu)等因素差異較大，因此，智慧化建設(shè)方案應(yīng)充分考慮這些因素，確保方案的針對性和有效性。

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基金項目：陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2024年度校本科研計劃項目“智慧換熱站信息化建設(shè)管理系統(tǒng)研究——以國防馨苑小區(qū)為例”（項目編號：Gfy24-29）

作者單位：陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

責(zé)任編輯：王穎振、鄭凱津