基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的暖通自控系統(tǒng)應(yīng)用

高寧 楊晨 高佳晨 李丹 師毓菲

（陜西西咸新區(qū)灃西新城能源發(fā)展有限公司 陜西省咸陽市 712000）

1 引言

隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國對集中供暖供熱的技術(shù)也投入了大量的人力物力，并且熱電聯(lián)產(chǎn)機組具有其他供暖設(shè)備所不具備的高效率、低損耗、成本可控的多種特性。以2018年的供暖面積與1990年對比整整增長了35 倍，并且熱電聯(lián)產(chǎn)機組的整體供暖規(guī)模逐步增加，占所有供暖的三分之一以上，以多源互補模式為創(chuàng)新，不斷的突破技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化和智能化為熱用戶服務(wù)準(zhǔn)則。

由于熱力企業(yè)相對航空、航天和電力智能化水平而言，只處在初級階段，整體管理偏粗放，存在一定的問題：

（1）由于供熱系統(tǒng)和設(shè)備無法將多種參數(shù)逐一上傳，很多數(shù)據(jù)需要前往現(xiàn)場獲取，數(shù)據(jù)獲取效率慢。

（2）供暖系統(tǒng)運行狀況判斷邏輯和故障診斷趨向于人工，未建立典型化場景邏輯，制定經(jīng)濟性、安全性、時效性等指標(biāo)。

（3）在已建立的供熱運行管理平臺中，未能對節(jié)能減排、運維成本、客訴情況進行深度數(shù)據(jù)分析，無法有效指導(dǎo)供熱平臺更經(jīng)濟運行。

2016年陜西省重點推廣的“中國西部科技創(chuàng)新港綜合能源供應(yīng)項目”中采用物聯(lián)網(wǎng)平臺、人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，實現(xiàn)對能源供應(yīng)的“可測、可觀、可控”。

2 暖通與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合思路

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與技術(shù)成熟度越來越高，通過各種感應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)控設(shè)備操作、狀態(tài)情況的快速交互，讓暖通自控系統(tǒng)的實現(xiàn)打破了技術(shù)壁壘。

現(xiàn)今，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與暖通系統(tǒng)控制的融合，更有利于建筑能源系統(tǒng)的供需管理、節(jié)能降耗和高效運維，利用設(shè)備自身海量運行數(shù)據(jù)與運行指標(biāo)監(jiān)測，能夠?qū)⑽锫?lián)網(wǎng)、智能化和大數(shù)據(jù)三者合一，為暖通技術(shù)實現(xiàn)提供最優(yōu)解決方案。

3 考慮物聯(lián)網(wǎng)的智能供熱平臺應(yīng)用實例

如圖1所示，中國西部科技創(chuàng)新港綜合能源供應(yīng)項目是全國最大規(guī)模采用中深層地?zé)崮軣o干擾清潔供熱技術(shù)的項目。該項目設(shè)置6 座分布式綜合能源供應(yīng)站，可為159 萬平方米的建筑供熱、供冷及生活熱水。

圖1：中國西部科技創(chuàng)新港綜合能源項目架構(gòu)圖

（1）對最基礎(chǔ)的地源熱泵房進行物聯(lián)網(wǎng)改造，將需要上送運行數(shù)據(jù)的設(shè)備增加了數(shù)據(jù)傳輸功能，使所有泵房能夠?qū)崟r傳輸運行數(shù)據(jù)，管理人員能夠及時了解各泵房運行情況。實現(xiàn)設(shè)備層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可測功能。

（2）對所有的上送數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，并按照已經(jīng)預(yù)設(shè)好的經(jīng)濟性、安全性、時效性等指標(biāo)對所有設(shè)備進行設(shè)備運行狀態(tài)分析，若出現(xiàn)異常情況和需要管理人員處理的，將及時告知，實現(xiàn)監(jiān)控層的可觀功能。

（3）利用各類輔助判斷和告警情況，使管理人員能夠快速梳理所有事件并作出準(zhǔn)確判斷，并控制相關(guān)設(shè)備狀態(tài)，實現(xiàn)應(yīng)用層的可控功能。

因此，供熱指標(biāo)能耗降低、經(jīng)營成本節(jié)約、工作效率提高和服務(wù)質(zhì)量提升方面取得顯著成效。

3.1 基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的暖通站房全局可觀

為了將所有暖通站房數(shù)據(jù)及時采集和傳輸，并確保后期熱力站在無人狀態(tài)下依然能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測。將對調(diào)節(jié)閥、水泵變頻器進行加裝，并完善自控系統(tǒng)確保遠(yuǎn)程能夠控制相關(guān)設(shè)備，最后設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸方式和數(shù)據(jù)交互模式，主要以O(shè)PC、BACnet、RS485 協(xié)議等多種接口方式進行數(shù)據(jù)傳輸。實現(xiàn)所有暖通站房的實時觀測。

3.2 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的供熱趨勢預(yù)測與設(shè)備優(yōu)化控制

在已有暖通數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)外部數(shù)據(jù)，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)下的精準(zhǔn)供熱預(yù)測和精益控制。

可結(jié)合各個泵站歷史運行數(shù)據(jù)、外部天氣數(shù)據(jù)、建筑物特性、海量室內(nèi)溫度進行分析，精準(zhǔn)預(yù)測出供熱負(fù)荷情況，針對性的制定暖控策略，實現(xiàn)“一站一策”精準(zhǔn)控制。

也可根據(jù)有經(jīng)驗專家摸索的設(shè)備管理經(jīng)驗，形成標(biāo)準(zhǔn)化操作流程和應(yīng)急管理處置模式，若出現(xiàn)緊急情況，系統(tǒng)能夠及時輔助管理人員進行設(shè)備控制決策。

3.3 能耗統(tǒng)計分析與展示

為提高監(jiān)管水平和智能化水平，將暖通控制的多類管理細(xì)分為經(jīng)濟性、安全性、時效性三大類指標(biāo)。如經(jīng)濟性需要綜合考慮水、電、熱各類計算，考慮最優(yōu)成本，實現(xiàn)利益最大化。安全性需要考慮確保供暖用戶的安全和供暖設(shè)備的安全，盡量減少設(shè)備過高負(fù)荷和過低負(fù)荷運轉(zhuǎn)。而時效性主要考慮以最快的方式為供暖用戶供暖，成本和損耗處在次要地位。

通過各類精美圖表和指標(biāo)展示，多元化呈現(xiàn)暖供狀況，讓相關(guān)人員更直觀的了解各類情況，滿足改造系統(tǒng)的實際需求。

4 應(yīng)用成效分析

4.1 節(jié)能情況分析

傳統(tǒng)站房的運行控制方式主要以手控控制、歷史經(jīng)驗為主，在實際運行過程當(dāng)中，無法實現(xiàn)站房運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，也無法通過對歷史數(shù)據(jù)的分析實現(xiàn)供暖的節(jié)能減排。

由于物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崟r獲取供暖溫濕度數(shù)據(jù)，因此能夠及時快速的調(diào)整熱泵、暖水泵、循環(huán)泵，以目標(biāo)溫度為準(zhǔn)，利用一元時間序列灰色理論法，灰色模型(GreyModel，簡稱GM)。對于供暖控制的溫度、濕度需求按照不同的區(qū)域有著不同的上限、下限，因此灰色系統(tǒng)法非常適合基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的暖通自控系統(tǒng)的需求。算法如下：

如圖2所示，一般意義上的灰色模型為GM(n,h)，表示對h 個變量建立n 階微分方程。作預(yù)測用的模型一般為GM(n,1)，實際應(yīng)用最多的是GM(1,1)。

圖2：灰色理論的圖解說明

以上標(biāo)“(0)”表示原始序列，上標(biāo)“(1)”表示累加生成序列，GM(1,1)的建模與預(yù)測步驟如下：

（1）給定原始序列：

（2）對原始序列作累加生成：

顯然有：

（3）建立相應(yīng)的微分方程為：

采用等時距，將上式中的微商用差商代替，并用兩點的平均值代替，有：

則殘差為：

（5）得到時間響應(yīng)函數(shù)，預(yù)測(擬合）模型為：

（6）累減還原：

因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的暖通自控系統(tǒng)能夠選取某天分別就傳統(tǒng)控制站房和物聯(lián)網(wǎng)模型控制站房進行對比分析，保障該實驗時間內(nèi)室外溫濕度基本一致，圖3為室內(nèi)溫濕度情況，圖4為暖通系統(tǒng)用電負(fù)荷曲線。從圖4中可知，在滿足熱舒適需求的條件下，結(jié)合大量運行數(shù)據(jù)和外部溫濕度數(shù)據(jù)平穩(wěn)使用暖通自控體系，平均節(jié)約能耗約15%。極大地提升了供暖效率，降低供暖成本并提升了利潤率。

圖3：室內(nèi)溫濕度情況

圖4：暖通系統(tǒng)用電負(fù)荷差別

圖5

圖6

4.2 運維成本分析

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無人值守站房，從根本上改變了通過運維人員駐守方式進行站房維護的傳統(tǒng)模式，并可依據(jù)站房設(shè)備歷史運行情況，更合理的安排站房巡檢路徑、設(shè)備保養(yǎng)計劃，從被動檢修變主動檢修，提升設(shè)備運行可靠性，降低整體運維成本。

傳統(tǒng)站房需要安排至少1 人進行駐場值班運維，且運維窗口依賴于供暖周期，非供暖周期的運維成本完全不可控，帶來了極大的浪費；同時，沒有設(shè)備歷史運行、保養(yǎng)數(shù)據(jù)，提升設(shè)備可靠性和降低運維成本更無從談起。

基于歷史統(tǒng)計，供暖周期為15 周，于每年11月15日至下一年3月8日，總供暖期約為120 天。供暖期需要有人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控雙模式管理，而非供暖期則可通過遠(yuǎn)程監(jiān)控為主、人工值守為輔的手段。提升運維效率，減少人工成本，且人力的投入與開啟機組數(shù)量、電耗周指標(biāo)有著正關(guān)聯(lián)。電耗越高、機組數(shù)量越多，人力投入與巡視越多。

4.3 設(shè)備畫像分析

匯聚于物聯(lián)網(wǎng)平臺的暖通站房設(shè)備信息及海量運行數(shù)據(jù)，可對設(shè)備采購、投運、運行、保養(yǎng)、故障、維修和退役等進行全過程精細(xì)化管理；并通過對故障信息、缺陷信息等的數(shù)據(jù)挖掘分析，形成同類設(shè)備、同期設(shè)備的歷史運行分析報告，對設(shè)備保養(yǎng)周期、巡檢頻次、設(shè)備采購等提供有效數(shù)據(jù)支撐。

設(shè)備家族性缺陷分析，以設(shè)備廠商、日期、設(shè)備類型、設(shè)備型號、缺陷類型、發(fā)生頻次等作為分析維度，分析同一設(shè)備廠家同一設(shè)備型號指定時間周日的同一缺陷類型數(shù)量，形成設(shè)備家族性缺陷報告，指導(dǎo)設(shè)備的計劃性運維。

設(shè)備故障概率性分析，對設(shè)備歷史故障及故障時刻設(shè)備運行信息進行匯集，對不同類型故障發(fā)生的原因，以及故障發(fā)生前后運行數(shù)據(jù)的變化情況進行挖掘分析，得出引起不同故障的多因素加權(quán)概率模型，通過該模型對設(shè)備實時運行狀態(tài)進行監(jiān)測，并提出設(shè)備故障概率風(fēng)險等級。并從安全性、可靠性、經(jīng)濟性、協(xié)調(diào)性四個方面進行綜合評估。為設(shè)備全壽命周期提供綜合評估。

5 總結(jié)與展望

充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，讓暖通自控系統(tǒng)更加完善。在滿足基層企業(yè)供熱數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、運行遠(yuǎn)控的基礎(chǔ)上，逐步實現(xiàn)企業(yè)的“數(shù)字化”轉(zhuǎn)型，在響應(yīng)國家“2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和”政策前提下，不斷的實現(xiàn)供熱企業(yè)的技術(shù)革新，實現(xiàn)數(shù)據(jù)精細(xì)化、故障處置標(biāo)準(zhǔn)化、暖通輔助決策智能化，并以用熱客戶為核心，提升企業(yè)供熱運行效率和品牌價值。