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北京热力集团智慧供热系统实现知冷知热

2023-4-28   作者:智慧供热   来源:北京热力集团    

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2019年,供暖面积约13.5万平方米的北京丰台区顶秀金石家园小区,率先迎来了一位“知冷知热”的“智慧热管家”。根据历年数据,该小区有超过10%的家庭室温低于20摄氏度,而半数以上的家庭室温高于24摄氏度。房间离热力站近,供热就更充足,而在供热管线末端的建筑,室温则明显偏低,冷热不均的现象格外明显。

为了解决这一问题,450个室温采集器被安装进了居民家中,每个单元的供热阀门则升级为电动调节阀,换热站及楼口也都装上了数据采集及控制设备。监测设备将一手数据源源不断地汇集到后台,而对这些数据进行自主监测、处理的,则是由北京市热力集团有限责任公司供热技术发展研究中心副主任王海鸿主持研发的人工智能供热系统和无人值守智能监控系统。

从“经验主导”转向“人工智能”,这条路并不好走。王海鸿坦言,供热行业的市场需求很小,研发成本却居高不下,因此企业在面临智能化转型时,普遍选择直接采购国外软件。但由于供热行业存在极强的国情差异,采购而来的软件往往“水土不服”。直到2017年,北京市科委立项开发基于数字孪生的大型供热管网系统智能化调控工业软件项目,供热软件系统的国产化终于迈出了重要一步。


北京热力集团公司智慧供热系统


作为项目牵头人,王海鸿与多所高校展开了密切合作。但在交流过程中,王海鸿意识到,由于供热行业特殊的参数和工况,项目无法参照其他工业软件的开发经验,必须从头摸索、量身定制。开发团队既要懂热力工程,能建立数学模型,也要懂编程,把想法变成算法,这就需要不断磨合、调整。“软件开发其实不难,但要让人工智能从头开始学习,匹配供热行业的需求,只能从最基础的参数和工况入手。”

软件所需的数据和公式,都需要长期有针对性的积累,很多经验性的公式更是要想办法提炼融入。依托无人值守热力站收集丰富的历史数据,系统有了充足的“养料”,迅速成长起来,从自动化走向智能化。顶秀金石家园小区成为了这套系统的第一个用户。但当时,这位“管家”还处在“试用期”,性能并不稳定。为了让它更好地服务小区的千余户居民,王海鸿把工位搬到了小区的热力站,随时监控新系统的动态。

虽然在实验室内运行良好,但当系统第一次被应用到居民家中,王海鸿还是遭遇了危机——“刚开始接进来的时候,系统状态很稳定。阀门打开度在90%,结果我就出去吃个饭的工夫,回来一看,变成零了,小区直接停暖了。”居民很快发现了供暖异常,投诉电话接踵而至。“当时客服明确说‘不准再瞎胡闹了’,居民投诉太多,这个项目必须停。但我们顶住了压力,坚持继续试验。”

问题究竟出在哪儿?这个故障困扰了王海鸿近两周。“当时我一度对自己产生了怀疑,是不是技术水平不行?项目就这样失败了吗?”但他不甘心,依然不断分析故障原因,并带着问题请教经验丰富的一线工作者。果然,一位老师傅的提醒让王海鸿豁然开朗:“阀门不能调得太猛。”

在系统的原始设定中,没有对阀门的开闭幅度加以限制,于是人工智能将温控理解为“热了就关、冷了再开”的“全有全无”模式。但供热管网是互相连通的体系,单个阀门流量变化过大,就会引发区域内阀门间的震荡,导致系统失稳。当在后台设定了开闭幅度上限和调节速度限制后,问题迎刃而解。

“我们前期也做过实验室模拟,但实验规模太小,这种震荡、激波的工况不会出现。这个经历也给我提了个醒,人工智能必须和一线的经验模型结合,才能保障系统的安全稳定运行。”王海鸿说。

“北京智慧”走向全国

经过近1个月的磨合,智慧供热系统与小区实际运行需求终于完成了匹配。从热力站的温度、压力、流量,到管网、楼口的精准调节,再到终端的室内温度,都在系统后台实时展示,形成了全面的数据库。供热服务也变被动为主动。建筑物具有热惰性,通俗地讲,便是其内部温度变化相较于大环境具有一定的滞后性。为了保持室温稳定,系统能根据天气预报信息预测楼内温度的变化趋势,从而提前下发指令,科学分配每个单元的热量。

系统自动调控的功能,能保证设定温度与室内实际温度偏差在1摄氏度以内。2019年供暖季,顶秀金石家园小区室温保持在20至24摄氏度之间的用户达90%,屋内更加舒适,且由于该小区是热计量收费小区,居民要缴纳的供热费用也明显降低。室温均衡度上升53.4%、热单耗降低8%、电单耗降低26%、热力站尖峰负荷减少17.54%……这是智慧供热系统交出的第一份优异答卷。而最为直观的表现,便是居民对供热的投诉率降低了31%。

“第一炮”顺利打响,王海鸿尝试将系统推广到更大的范围。在北京热力公司门头沟黑山服务站,从锅炉房到一次管网,再到热力站,系统在算法层面完成了100%国产化替代,供热软件“卡脖子”难题得以破解。除了让居民的居住环境更加舒适,这套系统还能有效节约供热能耗。在2021年至2022年供暖季,仅黑山锅炉房一个站点,所供区域的热源及一次网节能率就达到了3.81%,节约了1420吨标准煤,减少二氧化碳排放2361吨——相当于多种植了约4万棵树。

2022年,门头沟区完成了960万平方米的智慧供热改造。2万余台室温采集器入户,155座热力站实现数字孪生智能控制,安装电动调节阀门567处……在智慧供热指挥中心的界面上,精准到户的实时温度数据跳动不停,平台“大脑”也在飞速运转并针对性地下达调控指令,调节频度可达小时级。而源源不断的数据也让系统不断地学习、迭代,一次次判断越来越精准。

“以前是老师傅在管线边奔走,现在是大学生坐在电脑前监测控制。一线工作人员不用再跳到供热井里,手动去拧沉重的阀门,工作量明显减轻,也避免了遭遇阀门锈蚀、漏水烫伤等危险。”在项目推进的过程中,王海鸿不仅关注技术本身,更是将培养人才队伍作为工作重点。先进的系统需要搭配优秀的工程师加以维护,为了让高学历人才“留得住、有所为”,他申请成立了北京热力集团第一个博士工作室,激发青年人才积极性,在一线需求和技术研发中搭起桥梁,打通科研成果转化的瓶颈。

“去年门头沟区的智慧供热改造,是这套系统第一次大范围铺开。刚开始调试的时候,因为各处的数据采集设备都是新安装的,各种数据错误、传输问题接连不断。”北京热力集团门头沟分公司技术设备部工程师李文杰是王海鸿科研团队的一员,系统调试期间,这位“90后”小伙子和同事几乎是连轴转,在实验室和现场之间奔波,排查数据波动原因,维修自动控制设备。工作虽然辛苦,他们却干劲儿十足,仅用3个月就完成了攻坚,使得改造区域119个小区的5万余户居民,在供暖季到来时享受到了舒适、稳定的暖意。

“现在回过头看,我们恰好踩到了人工智能技术的‘奇点’,在一个合适的时间启动了合适的项目。”王海鸿感慨,供热作为民生工程,必须要有先进的技术护航,也正是因为这样的信念,才让我国在智慧供热领域走到了国际领先水平。2022年,北京市共完成了2000万平方米的智慧供热项目改造,今年的改造面积将扩大到5000万平方米,后续的改造步伐还将持续加快。对于一些改造难度大的老旧小区,物联网阀门的加装也能保证供水量调节更加精准。现在,这项“北京智慧”已经走向了全国,在济南、郑州、大同等城市推广开来。

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