打造城市智慧供热标杆，推动供热数字转型升级

2024年9月 背景介绍 智慧供热发展历程 目录 智慧供热改造技术路线 改造效果 北京热力供热基本情况 截止2023年底，供热总面积5.12亿平方米，市域内供热面积3.62亿平方米，市域外供热面积1.5亿平方米，管理的锅炉房586座，热力站6413座，热用户353万户。 助力企业数字化转型和低碳绿色发展 智慧供热是供热系统碳中和的技术支撑 完成30-60计划，需要实现低碳和零碳供热系统 我国北方冬季供暖总面积211亿平方米，其中城镇供暖面积141亿平方米,供热碳排放5.5亿吨/年，供热行业亟需数字化、智能化升级，增效减碳。智慧供热是北方智慧城市建设的重要组成部分。 可再生能源、多能耦合需要更智慧的大脑 《能源生产和消费革命战略(2016-2030)》：“推进能源信息系统与物理系统融合，构建基于大数据、云计算、物联网等技术的能源监测、管理、调度信息平台、服务体系”。 传统供热行业需要数字化、智能化升级 2017年十部委联合颁布《北方地区冬季清洁取暖规划》：推动智能供热研究及应用示范，重点研究先进传感技术、控制技术、信息技术、通讯技术、大数据技术等新技术，促进供热设备和运行方式升级。 集中供热系统结构及技术特性 典型模式 一个或多个热源厂，由闭式循环的一级热水管网将热能输配到数十、数百乃至上千个热力站，一级网热能经各热力站内的换热器传至二级网，由二级网向需求侧各建筑物配送热能。 大型供热系统的热水在一级管网内需经过数小时（通常为2-8小时）的流动才能到达远端热力站，表现为突出的温度传输延迟特性和强耦合性。 热力站： 热源： 热网： •多采用人工经验结合运行数据分析的方法调度多热源间的负荷分配。 •“定量调质”，“大流量、小温差”运行方式易造成能源浪费。 •局部反馈控制，部分区域供暖不足，“水力失调”现象普遍。 应对上述行业困境，发展智慧供热迫在眉睫 能源转型和清洁供热使得供热系统调控的复杂性和动态性已经超越了人脑能够分析和优化的水平，必须依靠智慧供热系统的辅助或代替人的智能。 目录 北京热力智慧供热发展历程图 2020年在门头沟区黑山锅炉房首次实现了“源-网-站-线-户”的全过程精准调控，2021年在门头沟供热区域进行推广。 结合老旧供热管网改造，同步实施智慧供热改造约2750万㎡。 2017年在三河实施了北京市科委重大专项，实现了千万平米级城市热网数字孪生建模。 “十四五”之前的工作 n北京热力作为全国最大的集中供热企业，2012年开始陆续对热力站和市政热网投入大量资金，积极推进供热系统的智能化，开展了以下诸多工作： 01.智能化热网调度体系建设 04.室温气象数据平台等自动化 2017—年城市多源供热系统智慧调度决策支持平台-北京热力三河新源公司 1号热源：全供燕郊地区2号热源：主供北京通州，燕郊地区占负荷20%尖峰热源：全供燕郊地区 2017年—城市多源供热系统智慧调度决策支持平台-北京热力三河新源公司 在线建模仿真模块：实时展示热网运行测量及仿真数据实现设备测量与仿真软测量互补的运行状态全面软测量。 离线建模仿真模块： 建立的热网机理模型细化到各元件，在给定参数条件下进行仿真计算，获得供热管网各处的参数分布。 2017年—城市多源供热系统智慧调度决策支持平台-北京热力三河新源公司 热网优化解列后，锅炉负荷远少于优化前，在采暖季124天内，锅炉房燃气消耗总量4864.8万m³，减少2201.7万m³。 2017年—城市多源供热系统智慧调度决策支持平台-北京热力三河新源公司 2020年12月26日，中国电机工程学会鉴定委员会认定：项目关键技术成果达到国际先进水平，其中基于数字孪生建模方法和信息物理融合的多源供热系统运行态势在线评估技术居于国际领先水平。 2019年—基于室温的换热站+单元协同调控-丰台顶秀金石小区 简介：国家科技部重点研发计划范围：丰台顶秀金石小区，供暖面积13.6万㎡，用户总数1600户。 我国供热行业第一个国际合作方向的国家重点研发计划，也标志着从自动化供热向智慧供热的转变。 2019年—基于室温的换热站+单元协同调控-丰台顶秀金石小区 •AI模型基于工况、天气条件和室内温度，预测热力站及各楼宇热负荷；•精细化控制单元、楼口或高低区；•自适应热惰性，将建筑物作为储热介质，降低热力站的尖峰热负荷超过25%；•提供未来72小时的用热负荷预测，实时更新数据。 经中国建筑科学研究院核算，综合节能量为99.93tce，节能率为9.22%。 20、21年—独网锅炉房全过程按需精准调控-北京热力门头沟分公司黑山锅炉房 “基于大数据的北方城镇供热按需精准调控技术研究与示范”项目的在门头沟的推广 3台锅炉、43座热力站、供热面积为361万平米。合理分配各热力站的用热负荷，动态调节锅炉产生的热能，首次实现了“源-网-站-线-户”的全过程精准调控 20、21年—独网锅炉房全过程按需精准调控-北京热力门头沟分公司黑山锅炉房 接入规范统一、平台管控统一、数据服务统一，物联网全面感知、全域互联、数据共享、全程管控 多尺度时空负荷预测、全系统预测性控制、“低碳-舒适”多目标寻优 锅炉房、一级网、换热站、二级网、用户侧按需供热精准调控 20、21年—独网锅炉房全过程按需精准调控-北京热力门头沟分公司黑山锅炉房 节能收益 管理收益 20,000+•热力站实现了数据自主上传，指令自主下达，缓解了管理单位人手不足的问题；•大大缩短了一网调平衡的时间，平衡水力工况，增压泵在智慧供热投运后没有启动。•锅炉房实现了联动联调，减缓了运行人员的压力。•提高了楼栋之间的平衡度，提高了室温质量，降低了投诉率。 •黑山独网锅炉房总投资325万，节能率3.62%，年节约费用221.6万，静态回收期1.46年。 •龙山家园总投资197万，节能率7.49%，年节热35.7万元，静态回收期5.51年。 2022年始—北京市全市大规模智慧供热改造 2022年 按照市管委《关于开展智能化供热改造试点工作的通知》要求，北京热力采用规定的技术路线完成2082.42万㎡改造。 2023年 按照市管委《关于开展2023年智能化供热改造工作的通知》、《北京市智能化供热改造技术指导意见》要求，完成改造面积2418.79万㎡。 2024年 按市管委的相关要求，结合地下管线老化更新改造工程，同步开展智能化改造工作，计划完成总面积2750万㎡。 2022年始—智慧供热：京铁家园 开关量、状态量、环境量、行为量全覆盖，视像头、通信感知、热源、热力站基础设施的设备、表计的全接入，供热系统时空的全息感知的泛在感知体系 铁家园三区5#楼低区110户约1万㎡面积精准到户，整个小区精准到每个热力单元，实现“户-线-站-网-源（锅炉房）”的精准按需调度。 多尺度时空负荷预测、全系统预测性控制、“低碳-舒适”多目标寻优。 京铁家园燃气独网锅炉房总供暖面积44.7万㎡，有3座热力站，服务总户数3821户，楼内形式为双管分户成环。 项目概况 2022年始—智慧供热：京铁家园 楼口回温离散度均有所降低，各楼口的回水温度趋于一致，各楼栋的平均室温方差减小，超流量、超热量情况减少。 AI投运后总体比较平稳，能够按照预期室内温度进行自动化和智能化运行，目标室内温度偏差在1℃之内。 节能效果明显，供热系统投运后节气量达到16%。 总体技术路线：基于数字孪生模型的智慧供热调度决策 •通过数字化手段实现复杂能源系统的精准调控和精细化管理。 •建立供热系统全过程“数字孪生”模型，采用在线优化技术为运行调度人员提供决策依据。 技术路线：机理与数据协同驱动的“智能运行与调控” 热力系统物理机理建模技术 构建精准的机理模型，实现实时运行状态优化能力。结合管网结构、热源特性、用户需求等多因素分析，从全局掌控供热系统水力平衡运行状态。 AI控制算法与自适应调控技术 深度学习，基于AI的智能控制系统，实现供热系统中自适应优化控制，智能调节流量、供回水温度等运行参数，响应天气、负荷变化，并动态调整供热策略。 数据驱动的运行优化技术 利用传感器数据，构建供热系统的动态数据模型。通过深度学习等算法实现供热状态的预测、故障预警、能效分析和供热负荷精准调度。 技术路线：以人工智能技术为基础的“数字孪生”全域物联网 智慧供热平台 数 字 孪 生 覆 盖 决 策 、 管 理 和 运 行 三 层 次 多 场 景 智 能 化 运 行 数 据 采 集 、 运 行 监 控 （ 热 源/热 力 站/楼 口/户 ） 、 二 网 平 衡 、 室 温 监 测、 服 务 监 测 、 节 能 分 析 、 负 荷 预 测 调 控 模 型 训 练 数 据 拟 合 、 特 征 选 择 、 模 型 训 练 、 模型 评 估 、 模 型 优 化 技术路线：智慧供热平台核心技术——全态势感知服务 开关量、状态量、环境量、行为量全覆盖；视像头、通信感知等热源、热力站基础设施的全巡检；设备、表计的全接入；供热系统时空的全息感知的“四全”泛在感知体系。 4500万㎡管理范围13个锅炉房409个热力站16.86万个室温设备 目前全国最大规模的全流程智慧供热平台。 泛化协议源-网-站-楼-户 智慧供热设备改造：热源、热力站 热源侧 城市热网数字孪生建模，在线水力平衡，动态多能耦合； 锅炉群控改造，实现负荷分配优化；工业安全防护升级. 热力站侧 增加物联感知设备以及优化电动执行机构，升级自动化控制程序；工业安全防护升级。 智慧供热设备改造：楼口、用户 单 元 精 准 调 控 改 造 2022年智慧供热改造三种路线 户级精准调控改造 楼口精准调控改造 单元平衡调控改造 对于双管分户成环系统，每个用户安装智能阀等，自动调控楼用户供热量，实现供热系统全数据链的反馈和基于室温的精准调控，并可消除单用户调节对其余用户运行参数的影响。 楼栋热力入口安装边缘计算单元控制器、传感器等设备，根据室外温度和用户室内温度自动调控楼栋热力入口供热量，实现对楼栋单元基于室温的精准调控。 不具备接电条件的系统，每个楼栋热力入口安装平衡阀或喷射泵、传感器等设备，手动调控楼栋热力入口供热量，实现对楼栋单元基于室温的调控。 经济效益 2024年 管理、安全效益 实时监测与预警机制 通过多传感器实时采集关键参数，结合机理模型与数据模型的动态预测能力，能够实时评估热网运行状态。如果出现异常波动，系统会通过预警机制及时发出告警，提醒运维人员采取措施。 故障诊断与应急响应 利用AI与大数据分析技术，快速诊断故障原因，并给出处理建议。通过仿真与数字孪生技术，系统还可以模拟故障场景，评估不同的应对措施，确保在紧急情况下快速做出正确的反应，减少系统停机时间和损失。 全流程信息化管理 系统集成了从源到户的全流程数据，管理人员通过统一的平台监控和管理供热系统，提升了管理的透明度，还能帮助决策者实时掌握供热运行的全貌，快速做出调度调整。 社会效益 加速转型01 提高北京市供热系统数字化和智能化水平。 提质增效02 有效改善热用户室温冷热不均的现象，实现在低温投诉率不上升的前提下，保证室温均匀性和能耗降低，提升了约4500万平方米、45万户居民的冬季用热体验。 人才培养03 通过项目实施，培养了一批掌握国内外供热系统技术方案、熟悉供热系统需求侧响应核心技术并具备按需精准供热技术工程实施经验的中青年专业骨干人员。 科技效益 北京热力自主研发的模型及算法可填补国内在智慧供热系统调控技术发展方面的核心技术空缺，技术攻关、先进性强，学术价值突出。 积极参与编制智慧供热设计、施工、验收、运行等各环节相关的国家、行业、团体标准，填补智慧供热评价类标准的行业空白，规范行业发展，为未来全面推广智慧供热提供科学依据，行业引领突出。 荣誉奖项 2020年荣获科学技术成果鉴定