城鎮智慧低碳供熱模式研究

劉 巍

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300381）

關鍵字：城鎮供熱系統；多能互補；智慧低碳；全市一張網

當前，中國的城鎮化快速發展，而且已經初步具備一定的規模，城鎮人口數量已占據總人口數的60%。據統計，2018年城鎮人口達到8.13億人，城鎮居民戶數由2001年的1.55億戶增長到了2.99億戶，城鎮化率由37.7%增長到58.5%。城鎮的快速建設帶動建筑業的持續發展，“十四五”規劃明確提出要“構建系統完備、高效實用、智能綠色、安全可靠的現代化基礎設施體系”，北方供熱系統及設施的安全有效運行在保障民生方面更為重要，在節能減排、大氣霧霾治理的大形勢下，保障和提升供熱均衡的同時，通過新興技術進一步降低能源消耗、提升霧霾治理水平已成為城市公用事業的一個重要組成部分。目前，城市集中供熱是主要方式，研究城鎮供熱模式是十分必要的。

（1）可改變無序、污染嚴重的供熱現狀。城鎮小型熱源需求大，形式多樣，能源損耗也大，污染物排放沒有統一標準和控制措施，可提升空間大。

（2）有利于確定能源結構。近年來，能源結構發生著巨大變化，已經由“十一五”時期的燃煤供熱向如今的可再生能源轉型。編制城鎮供熱規劃，確定采暖用能的總量及比例，有助于落實能源規劃的總體目標，平衡各地區的能源比例，保證城鎮能源供應的可靠性和整個城市的可持續發展。

（3）保障供熱系統發展的時序性。一個城鎮的建設發展不是一蹴而就的，根據能源政策對整個城鎮做統一的供熱規劃，預留相應規模的供熱設施，保證供熱設施的建設與建筑發展的體量相匹配。

從具體問題來分析，基礎設施水平與城市發展長期不匹配，特別是能源系統無論從規劃設計還是管理運行都相對滯后。因此，針對具體問題還需設計適合于小城市和城鎮的供熱模式，這尤為重要。

1 存在的問題

1.1 耗能增大

城鎮在城鎮化的高速進程中由于要承載新的城市功能，而率先發展的是建筑業，無論是新城區的開發建設，還是新建的經濟區或工業園區，無論是特色文化旅游區，還是新型農業示范區，無論是海洋經濟，還是高鐵新城，都在加速建筑面積的擴大，而供熱的需求也隨之爆發性增加。建筑面積的增加。建筑功能多樣性的增加，勢必造成熱負荷的急劇增加，2018年北方城鎮供暖能耗為2.01億tce，占建筑能耗的21%。此外，城市空置率也隨著建設而增加，大都在15%~20%，個別地區更高，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。當前，在城市發展的過程中，對供熱質量的要求一再提升，供熱過程中產生能耗較高問題的主要原因是受供熱系統自動化控制系統水平和運營單位管理水平的影響。供熱系統嚴重失調，冷熱不均，不但增加了額外能耗，而且造成熱量嚴重浪費。供熱運營單位為了保障對用戶的供熱效果而被動提高能耗，加劇了城市污染，不利于能源可持續利用與發展。

（2）運行管理問題。在大型集中供熱系統中，水利失調是非常常見的一個問題，關鍵因素是自動化水平和調節控制設備及手段不佳。需改善管理運營的綜合水平實現節能低碳發展。

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

（4）管網效率低。實際保溫效果不佳或保溫形式選擇不恰當，存在跑冒滴漏和水力失調等問題，其中水力失調導致的熱量損失尤為普遍，要進行供熱系統的節能改進，必須實現動態平衡。

1.2 熱源不足

城鎮現有的熱源不能滿足熱負荷的增加，以往北方地區的城鎮供熱有條件的會依托周邊的熱電聯產，或者依靠區域燃煤鍋爐房供熱。隨著熱負荷的增加，熱源供熱能力明顯不足，很多地區需要從距離更遠、規模更大的熱電廠來引熱。區域燃煤鍋爐房在環保壓力下，也要由運行成本更高的燃氣鍋爐房取代，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

城鎮的整體供熱網絡系統沒有建立起來，就很難實現精準供熱，實現節能減排，使管理和運行水平難以科學有效的提高。

供熱行業精細化管理和服務水平不高、科學決策缺乏足夠的數據支撐、節能潛力仍待進一步挖掘、供熱行業信息化目前仍未大規模普及等問題仍然制約著行業的高質量發展。在新型城鎮化加速、新基建崛起、新技術融合發展的背景下，供熱企業也迎來了轉型升級、走向精細化管理與服務的機遇。新技術的創新與應用使得供熱行業信息化在促進行業低碳環保、提升節能減排效率、保障供熱安全、提高生產運營管理效率方面發揮了越來越重要的作用。

2 提升空間

2.1 實現多能互補

多能互補系統是對傳統分布式能源應用的全新拓展，通過一體化整合理念應用在能源系統工程領域的方式和思路，將分布式能源共同作用于一個大體系內，具有多種形式的“區域能源互聯網”系統。并不是多種能源的簡單疊加，而要在系統高度上使用不同品位能源進行綜合互補的利用，同時統籌安排好各種能源之間的配合與轉換，以獲得最合理能源利用效果與效益。實現多能互補就構建“互聯網+”的智慧能源利用系統，提高能源利用的協調能力，推動清潔能源生產和就近使用，提高能源利用的系統綜合效率，這種模式特別適合于城鎮供熱系統，對于城鎮及周邊的各種清潔能源進行整合利用，實現清潔低碳的供熱目標，總之安全高效的現代能源體系對城市城鎮具有重要現實意義和深遠戰略意義。

因地制宜，擇優選用城鎮所在地區的能源、熱源，總體規劃、總體布局，建立多能互補體系，實現多熱源聯網運行，通過實現全市一張網的發展戰略，在最終滿足供熱需求的基礎上，實現節能減排、促進地區經濟發展的目標。

2.2 實現智慧供熱

智慧供熱的核心仍然是供熱，是以在供熱物理設備網基礎上建立的以供熱信息物聯網為支撐，通過智能系統，為用戶提供決策支持，實現高質量、高效率、精細化、人性化、低成本的發展；傳統的供熱模式是滿足用戶的整體需求，智能化供熱系統更加注重不同用戶群體的個性化需求，將服務貫穿于各個環節及全壽命周期，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是：用戶舒適滿意、系統安全可靠、能源利用高效、低碳清潔經濟。

智慧供熱提供了基于大數據（供熱運行大數據）、云計算（公有或私有云平臺的計算能力）、物聯網（無線射頻、NB-IoT等傳輸模式）、人工智能（大數據清洗、機器學習）等技術的智慧供熱整體解決方案，將熱力系統打造成為“超強大腦”，為熱力企業智慧化升級賦能，最終形成具備區域特色的智慧供熱體系。

在供熱節能方面，供熱節能改造以傳感器、數據采集設備、數據傳輸設備等組成供熱物聯網，實現供熱智能化決策，有效降低運行能耗，未來智慧供暖前景可期。

為加強城區供熱管理，保障供熱質量和服務水平，立足實際情況，結合長遠發展規劃，高標準建設智慧供熱管理系統，平臺可以通過大數據、人工智能等科技手段，幫助企業降低供熱耗能，實現“精準供熱”“按需供熱”，力爭實現供熱管理的革命性突破。以科技創新為發展引擎，推動綠色經濟發展，實現經濟低碳轉型，以及在“碳達峰”“碳中和”戰略的引領下，春城熱力積極推動清潔能源供熱改革。

3 模式引入

城鎮供熱模式的建立不能一味地照搬大中城市的供熱發展模式，要形成具有當地特點的供熱理念，因地制宜地建立符合當地發展的供熱體系，聯系實際情況，做到“一城一特色”。城鎮的供熱目標同樣遵循國家清潔供暖的主要目標。

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

（2）減少石化能源消耗總量和碳排放總量。

3.1 設計規劃

供熱模式的建立首先要進行設計規劃，明確發展方向。

（1）在大區域進行熱電聯產熱源調研，完成調研報告，從熱源距離、熱源規模、供熱成本和熱源發展規劃角度優選最佳熱電聯產熱源。

（2）完成城市內部供熱調研報告，了解熱源-熱網-熱力站-熱用戶的供熱現狀。

（3）依據城市總體規劃完成供熱專項規劃，有條件的同時完成熱電聯產規劃和燃氣專項規劃。

3.2 多能互補系統

確定適合當地的多能互補系統，確定多熱源聯合運行模式。

（1）以熱電聯產為主要熱源，供熱管網長輸技術可以實現跨地區的供熱。

（2）有地熱資源的可通過梯級利用，滿足地區基本熱負荷需求。

（3）以區域熱源為輔，區域熱源包括區域燃氣調峰鍋爐房，工業余熱及低品位能源利用。對于工業區有背壓機供蒸汽滿足生產要求的園區可根據季節生產的變化，合理利用蒸汽供熱。

（4）充分利用當地的生物質供熱，利用風電或水電與水源熱泵相結合供熱。

（5）有條件的熱電聯產熱源利用峰谷電建立蓄熱系統，充分發揮熱網的蓄熱能力，穩定用戶對熱源的供熱要求，實現熱電解耦運行。

（6）以文化旅游和農業示范為背景的新市鎮，土地、水源資源豐富，可充分發揮淺層水源熱泵和土壤源熱泵技術優勢，實現重點區域的供熱。

（7）合理確定各種能源的利用比例，確定每個熱源的最佳工況，建立互聯互通的供熱管網，平衡水力，實現“全市一張網”的戰略目標。

3.3 智慧供熱平臺

智慧城市供熱大腦是以現有的供熱系統為基礎，依靠物聯網、傳感測量、大數據、云計算和人工智能等技術，實現供熱系統運行調度智慧化決策，提升系統安全性、可靠性和經濟性的類腦系統架構。智慧城市供熱大腦依托于物聯感知（類腦感受系統），通過類腦的神經元網絡將供熱系統中各要素（包括供熱信息系統、供熱基礎設施、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，通過建模仿真和調控執行（云反射?。?，實現對供熱系統的認知、分析、決策、反饋和優化。智慧城市供熱大腦旨在促進“物理世界”和“信息世界”不斷交互，從而實現供熱信息、物理系統的相互映射、融合調控。

3.3.1 智慧供熱平臺主要解決問題（1）源網協同——源網匹配、熱源不足、熱源過量。（2）熱網滯后——長距離熱水管網、熱量輸送滯后。（3）熱站干擾——同步調節引起管網壓力波動較大。3.3.2 智慧平臺的功能

（1）五級聯動：形成“用戶、二次網、熱力站、一次網、熱源”聯動系統。

（2）三位一體：實現“生產、收費、客服”的數據互聯 互通。

（3）點位不受限：軟件平臺監測點數不受限，具備擴展能力，具備供熱面積3000萬m2以上的數據監測和處理能力。

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

3.3.3 軟件系統

（1）智慧供熱系統計算分析主要是采用大數據計算引擎Apache Spark結合Python中的機器學習庫（聚類分析、深度學習等）進行數據清洗研究，建立高質量模型數據庫。

（2）智慧熱網軟件平臺的建設，重點和難點是實現基于大數據分析和AI技術的專家預測、智能調控和故障診斷。

（3）智慧熱網軟件平臺的開發和應用趨勢是基于高級程序語言，不依賴于第三方軟件平臺，可以通過自定義編程實現負荷預測、智能運行、水力熱力智能平衡分析等復雜算法。

（4）智慧城市的實現需要強有力的科學技術支撐，建設中產生的問題既是機遇，也是挑戰。智慧服務應用讓城市更加科學、高效、低碳和安全。

4 規劃發展

城鎮化的實現給供熱行業帶來了新的機遇與挑戰，城鎮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展對供熱行業提出的更高要求，建立智慧熱網、智慧供熱平臺，實現低碳節能減排和可持續發展。

城鎮新型供熱模式的建立將助力建設智慧、低碳城鎮的實現，能源的高效化、便捷化、清潔化是社會進步的必然趨勢，要積極從提高清潔能源和可再生能源比重、發展分布式能源等方面提升城鎮的能源供應水平。