城鎮(zhèn)智慧低碳供熱模式研究

劉 巍

（中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300381）

關(guān)鍵字：城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)；多能互補(bǔ)；智慧低碳；全市一張網(wǎng)

當(dāng)前，中國的城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，而且已經(jīng)初步具備一定的規(guī)模，城鎮(zhèn)人口數(shù)量已占據(jù)總?cè)丝跀?shù)的60%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年城鎮(zhèn)人口達(dá)到8.13億人，城鎮(zhèn)居民戶數(shù)由2001年的1.55億戶增長到了2.99億戶，城鎮(zhèn)化率由37.7%增長到58.5%。城鎮(zhèn)的快速建設(shè)帶動(dòng)建筑業(yè)的持續(xù)發(fā)展，“十四五”規(guī)劃明確提出要“構(gòu)建系統(tǒng)完備、高效實(shí)用、智能綠色、安全可靠的現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系”，北方供熱系統(tǒng)及設(shè)施的安全有效運(yùn)行在保障民生方面更為重要，在節(jié)能減排、大氣霧霾治理的大形勢(shì)下，保障和提升供熱均衡的同時(shí)，通過新興技術(shù)進(jìn)一步降低能源消耗、提升霧霾治理水平已成為城市公用事業(yè)的一個(gè)重要組成部分。目前，城市集中供熱是主要方式，研究城鎮(zhèn)供熱模式是十分必要的。

（1）可改變無序、污染嚴(yán)重的供熱現(xiàn)狀。城鎮(zhèn)小型熱源需求大，形式多樣，能源損耗也大，污染物排放沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和控制措施，可提升空間大。

（2）有利于確定能源結(jié)構(gòu)。近年來，能源結(jié)構(gòu)發(fā)生著巨大變化，已經(jīng)由“十一五”時(shí)期的燃煤供熱向如今的可再生能源轉(zhuǎn)型。編制城鎮(zhèn)供熱規(guī)劃，確定采暖用能的總量及比例，有助于落實(shí)能源規(guī)劃的總體目標(biāo)，平衡各地區(qū)的能源比例，保證城鎮(zhèn)能源供應(yīng)的可靠性和整個(gè)城市的可持續(xù)發(fā)展。

（3）保障供熱系統(tǒng)發(fā)展的時(shí)序性。一個(gè)城鎮(zhèn)的建設(shè)發(fā)展不是一蹴而就的，根據(jù)能源政策對(duì)整個(gè)城鎮(zhèn)做統(tǒng)一的供熱規(guī)劃，預(yù)留相應(yīng)規(guī)模的供熱設(shè)施，保證供熱設(shè)施的建設(shè)與建筑發(fā)展的體量相匹配。

從具體問題來分析，基礎(chǔ)設(shè)施水平與城市發(fā)展長期不匹配，特別是能源系統(tǒng)無論從規(guī)劃設(shè)計(jì)還是管理運(yùn)行都相對(duì)滯后。因此，針對(duì)具體問題還需設(shè)計(jì)適合于小城市和城鎮(zhèn)的供熱模式，這尤為重要。

1 存在的問題

1.1 耗能增大

城鎮(zhèn)在城鎮(zhèn)化的高速進(jìn)程中由于要承載新的城市功能，而率先發(fā)展的是建筑業(yè)，無論是新城區(qū)的開發(fā)建設(shè)，還是新建的經(jīng)濟(jì)區(qū)或工業(yè)園區(qū)，無論是特色文化旅游區(qū)，還是新型農(nóng)業(yè)示范區(qū)，無論是海洋經(jīng)濟(jì)，還是高鐵新城，都在加速建筑面積的擴(kuò)大，而供熱的需求也隨之爆發(fā)性增加。建筑面積的增加。建筑功能多樣性的增加，勢(shì)必造成熱負(fù)荷的急劇增加，2018年北方城鎮(zhèn)供暖能耗為2.01億tce，占建筑能耗的21%。此外，城市空置率也隨著建設(shè)而增加，大都在15%~20%，個(gè)別地區(qū)更高，這些也增加了建筑的能耗損失。

（1）供熱不均勻，造成能源浪費(fèi)。當(dāng)前，在城市發(fā)展的過程中，對(duì)供熱質(zhì)量的要求一再提升，供熱過程中產(chǎn)生能耗較高問題的主要原因是受供熱系統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)水平和運(yùn)營單位管理水平的影響。供熱系統(tǒng)嚴(yán)重失調(diào)，冷熱不均，不但增加了額外能耗，而且造成熱量嚴(yán)重浪費(fèi)。供熱運(yùn)營單位為了保障對(duì)用戶的供熱效果而被動(dòng)提高能耗，加劇了城市污染，不利于能源可持續(xù)利用與發(fā)展。

（2）運(yùn)行管理問題。在大型集中供熱系統(tǒng)中，水利失調(diào)是非常常見的一個(gè)問題，關(guān)鍵因素是自動(dòng)化水平和調(diào)節(jié)控制設(shè)備及手段不佳。需改善管理運(yùn)營的綜合水平實(shí)現(xiàn)節(jié)能低碳發(fā)展。

（3）系統(tǒng)熱效率問題。當(dāng)前城鎮(zhèn)在煤改氣和煤改電的實(shí)施中，能源的消費(fèi)較為昂貴，要提高供熱系統(tǒng)效率，減少排放熱損失，充分利用潛熱尤為重要。

（4）管網(wǎng)效率低。實(shí)際保溫效果不佳或保溫形式選擇不恰當(dāng)，存在跑冒滴漏和水力失調(diào)等問題，其中水力失調(diào)導(dǎo)致的熱量損失尤為普遍，要進(jìn)行供熱系統(tǒng)的節(jié)能改進(jìn)，必須實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。

1.2 熱源不足

城鎮(zhèn)現(xiàn)有的熱源不能滿足熱負(fù)荷的增加，以往北方地區(qū)的城鎮(zhèn)供熱有條件的會(huì)依托周邊的熱電聯(lián)產(chǎn)，或者依靠區(qū)域燃煤鍋爐房供熱。隨著熱負(fù)荷的增加，熱源供熱能力明顯不足，很多地區(qū)需要從距離更遠(yuǎn)、規(guī)模更大的熱電廠來引熱。區(qū)域燃煤鍋爐房在環(huán)保壓力下，也要由運(yùn)行成本更高的燃?xì)忮仩t房取代，其他清潔能源和可再生能源的占有率很低，熱源不足問題尤為突出。

1.3 缺少整體供熱體系

城鎮(zhèn)的整體供熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)沒有建立起來，就很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)供熱，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，使管理和運(yùn)行水平難以科學(xué)有效的提高。

供熱行業(yè)精細(xì)化管理和服務(wù)水平不高、科學(xué)決策缺乏足夠的數(shù)據(jù)支撐、節(jié)能潛力仍待進(jìn)一步挖掘、供熱行業(yè)信息化目前仍未大規(guī)模普及等問題仍然制約著行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。在新型城鎮(zhèn)化加速、新基建崛起、新技術(shù)融合發(fā)展的背景下，供熱企業(yè)也迎來了轉(zhuǎn)型升級(jí)、走向精細(xì)化管理與服務(wù)的機(jī)遇。新技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用使得供熱行業(yè)信息化在促進(jìn)行業(yè)低碳環(huán)保、提升節(jié)能減排效率、保障供熱安全、提高生產(chǎn)運(yùn)營管理效率方面發(fā)揮了越來越重要的作用。

2 提升空間

2.1 實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)

多能互補(bǔ)系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)分布式能源應(yīng)用的全新拓展，通過一體化整合理念應(yīng)用在能源系統(tǒng)工程領(lǐng)域的方式和思路，將分布式能源共同作用于一個(gè)大體系內(nèi)，具有多種形式的“區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)”系統(tǒng)。并不是多種能源的簡單疊加，而要在系統(tǒng)高度上使用不同品位能源進(jìn)行綜合互補(bǔ)的利用，同時(shí)統(tǒng)籌安排好各種能源之間的配合與轉(zhuǎn)換，以獲得最合理能源利用效果與效益。實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)就構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”的智慧能源利用系統(tǒng)，提高能源利用的協(xié)調(diào)能力，推動(dòng)清潔能源生產(chǎn)和就近使用，提高能源利用的系統(tǒng)綜合效率，這種模式特別適合于城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)，對(duì)于城鎮(zhèn)及周邊的各種清潔能源進(jìn)行整合利用，實(shí)現(xiàn)清潔低碳的供熱目標(biāo)，總之安全高效的現(xiàn)代能源體系對(duì)城市城鎮(zhèn)具有重要現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)戰(zhàn)略意義。

因地制宜，擇優(yōu)選用城鎮(zhèn)所在地區(qū)的能源、熱源，總體規(guī)劃、總體布局，建立多能互補(bǔ)體系，實(shí)現(xiàn)多熱源聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，通過實(shí)現(xiàn)全市一張網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略，在最終滿足供熱需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目標(biāo)。

2.2 實(shí)現(xiàn)智慧供熱

智慧供熱的核心仍然是供熱，是以在供熱物理設(shè)備網(wǎng)基礎(chǔ)上建立的以供熱信息物聯(lián)網(wǎng)為支撐，通過智能系統(tǒng)，為用戶提供決策支持，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、精細(xì)化、人性化、低成本的發(fā)展；傳統(tǒng)的供熱模式是滿足用戶的整體需求，智能化供熱系統(tǒng)更加注重不同用戶群體的個(gè)性化需求，將服務(wù)貫穿于各個(gè)環(huán)節(jié)及全壽命周期，用最低的成本、最高的效率，最大程度滿足熱用戶需求。智慧供熱的總體目標(biāo)是：用戶舒適滿意、系統(tǒng)安全可靠、能源利用高效、低碳清潔經(jīng)濟(jì)。

智慧供熱提供了基于大數(shù)據(jù)（供熱運(yùn)行大數(shù)據(jù)）、云計(jì)算（公有或私有云平臺(tái)的計(jì)算能力）、物聯(lián)網(wǎng)（無線射頻、NB-IoT等傳輸模式）、人工智能（大數(shù)據(jù)清洗、機(jī)器學(xué)習(xí)）等技術(shù)的智慧供熱整體解決方案，將熱力系統(tǒng)打造成為“超強(qiáng)大腦”，為熱力企業(yè)智慧化升級(jí)賦能，最終形成具備區(qū)域特色的智慧供熱體系。

在供熱節(jié)能方面，供熱節(jié)能改造以傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等組成供熱物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)供熱智能化決策，有效降低運(yùn)行能耗，未來智慧供暖前景可期。

為加強(qiáng)城區(qū)供熱管理，保障供熱質(zhì)量和服務(wù)水平，立足實(shí)際情況，結(jié)合長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃，高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)智慧供熱管理系統(tǒng)，平臺(tái)可以通過大數(shù)據(jù)、人工智能等科技手段，幫助企業(yè)降低供熱耗能，實(shí)現(xiàn)“精準(zhǔn)供熱”“按需供熱”，力爭實(shí)現(xiàn)供熱管理的革命性突破。以科技創(chuàng)新為發(fā)展引擎，推動(dòng)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)低碳轉(zhuǎn)型，以及在“碳達(dá)峰”“碳中和”戰(zhàn)略的引領(lǐng)下，春城熱力積極推動(dòng)清潔能源供熱改革。

3 模式引入

城鎮(zhèn)供熱模式的建立不能一味地照搬大中城市的供熱發(fā)展模式，要形成具有當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)的供熱理念，因地制宜地建立符合當(dāng)?shù)匕l(fā)展的供熱體系，聯(lián)系實(shí)際情況，做到“一城一特色”。城鎮(zhèn)的供熱目標(biāo)同樣遵循國家清潔供暖的主要目標(biāo)。

（1）滿足城鄉(xiāng)建筑冬季供暖要求，滿足人民對(duì)美好生活的追求；減少煙氣中PM 2.5等相關(guān)污染物排放。

（2）減少石化能源消耗總量和碳排放總量。

3.1 設(shè)計(jì)規(guī)劃

供熱模式的建立首先要進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，明確發(fā)展方向。

（1）在大區(qū)域進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)熱源調(diào)研，完成調(diào)研報(bào)告，從熱源距離、熱源規(guī)模、供熱成本和熱源發(fā)展規(guī)劃角度優(yōu)選最佳熱電聯(lián)產(chǎn)熱源。

（2）完成城市內(nèi)部供熱調(diào)研報(bào)告，了解熱源-熱網(wǎng)-熱力站-熱用戶的供熱現(xiàn)狀。

（3）依據(jù)城市總體規(guī)劃完成供熱專項(xiàng)規(guī)劃，有條件的同時(shí)完成熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)劃和燃?xì)鈱ｍ?xiàng)規(guī)劃。

3.2 多能互補(bǔ)系統(tǒng)

確定適合當(dāng)?shù)氐亩嗄芑パa(bǔ)系統(tǒng)，確定多熱源聯(lián)合運(yùn)行模式。

（1）以熱電聯(lián)產(chǎn)為主要熱源，供熱管網(wǎng)長輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)的供熱。

（2）有地?zé)豳Y源的可通過梯級(jí)利用，滿足地區(qū)基本熱負(fù)荷需求。

（3）以區(qū)域熱源為輔，區(qū)域熱源包括區(qū)域燃?xì)庹{(diào)峰鍋爐房，工業(yè)余熱及低品位能源利用。對(duì)于工業(yè)區(qū)有背壓機(jī)供蒸汽滿足生產(chǎn)要求的園區(qū)可根據(jù)季節(jié)生產(chǎn)的變化，合理利用蒸汽供熱。

（4）充分利用當(dāng)?shù)氐纳镔|(zhì)供熱，利用風(fēng)電或水電與水源熱泵相結(jié)合供熱。

（5）有條件的熱電聯(lián)產(chǎn)熱源利用峰谷電建立蓄熱系統(tǒng)，充分發(fā)揮熱網(wǎng)的蓄熱能力，穩(wěn)定用戶對(duì)熱源的供熱要求，實(shí)現(xiàn)熱電解耦運(yùn)行。

（6）以文化旅游和農(nóng)業(yè)示范為背景的新市鎮(zhèn)，土地、水源資源豐富，可充分發(fā)揮淺層水源熱泵和土壤源熱泵技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域的供熱。

（7）合理確定各種能源的利用比例，確定每個(gè)熱源的最佳工況，建立互聯(lián)互通的供熱管網(wǎng)，平衡水力，實(shí)現(xiàn)“全市一張網(wǎng)”的戰(zhàn)略目標(biāo)。

3.3 智慧供熱平臺(tái)

智慧城市供熱大腦是以現(xiàn)有的供熱系統(tǒng)為基礎(chǔ)，依靠物聯(lián)網(wǎng)、傳感測(cè)量、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度智慧化決策，提升系統(tǒng)安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的類腦系統(tǒng)架構(gòu)。智慧城市供熱大腦依托于物聯(lián)感知（類腦感受系統(tǒng)），通過類腦的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)將供熱系統(tǒng)中各要素（包括供熱信息系統(tǒng)、供熱基礎(chǔ)設(shè)施、熱用戶等）和自然各要素（包括溫度、濕度、太陽輻射等）鏈接起來，通過建模仿真和調(diào)控執(zhí)行（云反射?。瑢?shí)現(xiàn)對(duì)供熱系統(tǒng)的認(rèn)知、分析、決策、反饋和優(yōu)化。智慧城市供熱大腦旨在促進(jìn)“物理世界”和“信息世界”不斷交互，從而實(shí)現(xiàn)供熱信息、物理系統(tǒng)的相互映射、融合調(diào)控。

3.3.1 智慧供熱平臺(tái)主要解決問題（1）源網(wǎng)協(xié)同——源網(wǎng)匹配、熱源不足、熱源過量。（2）熱網(wǎng)滯后——長距離熱水管網(wǎng)、熱量輸送滯后。（3）熱站干擾——同步調(diào)節(jié)引起管網(wǎng)壓力波動(dòng)較大。3.3.2 智慧平臺(tái)的功能

（1）五級(jí)聯(lián)動(dòng)：形成“用戶、二次網(wǎng)、熱力站、一次網(wǎng)、熱源”聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。

（2）三位一體：實(shí)現(xiàn)“生產(chǎn)、收費(fèi)、客服”的數(shù)據(jù)互聯(lián) 互通。

（3）點(diǎn)位不受限：軟件平臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)不受限，具備擴(kuò)展能力，具備供熱面積3000萬m2以上的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和處理能力。

（4）兼容性強(qiáng)：軟件平臺(tái)具備兼容和拓展性，可方便添加新增熱源、熱網(wǎng)、熱力站、熱用戶以及相應(yīng)的供熱工藝系統(tǒng)，形成可視化。

3.3.3 軟件系統(tǒng)

（1）智慧供熱系統(tǒng)計(jì)算分析主要是采用大數(shù)據(jù)計(jì)算引擎Apache Spark結(jié)合Python中的機(jī)器學(xué)習(xí)庫（聚類分析、深度學(xué)習(xí)等）進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗研究，建立高質(zhì)量模型數(shù)據(jù)庫。

（2）智慧熱網(wǎng)軟件平臺(tái)的建設(shè)，重點(diǎn)和難點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)分析和AI技術(shù)的專家預(yù)測(cè)、智能調(diào)控和故障診斷。

（3）智慧熱網(wǎng)軟件平臺(tái)的開發(fā)和應(yīng)用趨勢(shì)是基于高級(jí)程序語言，不依賴于第三方軟件平臺(tái)，可以通過自定義編程實(shí)現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)、智能運(yùn)行、水力熱力智能平衡分析等復(fù)雜算法。

（4）智慧城市的實(shí)現(xiàn)需要強(qiáng)有力的科學(xué)技術(shù)支撐，建設(shè)中產(chǎn)生的問題既是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。智慧服務(wù)應(yīng)用讓城市更加科學(xué)、高效、低碳和安全。

4 規(guī)劃發(fā)展

城鎮(zhèn)化的實(shí)現(xiàn)給供熱行業(yè)帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，城鎮(zhèn)的供熱模式建立不但要充分利用其資源，還要兼顧未來城市發(fā)展對(duì)供熱行業(yè)提出的更高要求，建立智慧熱網(wǎng)、智慧供熱平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)低碳節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展。

城鎮(zhèn)新型供熱模式的建立將助力建設(shè)智慧、低碳城鎮(zhèn)的實(shí)現(xiàn)，能源的高效化、便捷化、清潔化是社會(huì)進(jìn)步的必然趨勢(shì)，要積極從提高清潔能源和可再生能源比重、發(fā)展分布式能源等方面提升城鎮(zhèn)的能源供應(yīng)水平。