“知冷知热”的“智慧热管家”上岗！北京热力智慧供热系统走进千家万户

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转自：北京日报

3月15日24时，随着供暖锅炉炉膛内的火焰缓缓熄灭，北京的又一个供暖季结束了。在刚过去的冬天，门头沟区5万余户居民发现，家里更暖和，供暖也更稳定了。

看着后台监测数据陆续归零，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才算松了口气，“经过这个供暖季的实际检验，智慧供热系统的大范围运行不再有障碍。”历时5年，他所带领的团队完成了物联网、云计算、大数据、智能控制等一系列先进技术的集成，将智慧供热系统从实验室推向了千家万户。

现在，本市已有2000万平方米的供热面积享受了智慧供热系统的精准服务。在门头沟黑山锅炉房服务的供热区域，室温更加舒适，供热投诉数量明显降低，且单个供暖季的区域热源及一次网节能率达到了3.81%，相当于减少二氧化碳排放2361吨。

“这个比例看起来虽不太起眼，但考虑到北京供热总面积的庞大基数，节能的总量将十分可观。”王海鸿说，在接下来的几年时间里，北京热力智慧供热系统的服务范围将不断扩大，最终实现全市覆盖。

入职第一课是“下井”

“我大学就读的是热能系，但在那个时候，它还是个‘冷’专业。”王海鸿与供热领域的结缘十分偶然。“最早这个专业名字很直白，就叫锅炉系，你说烧锅炉有啥可学的，但慢慢深入学习之后，发现这个行业正在不断升级，急需先进技术的支持，逐渐就‘干一行爱一行’了。”

2015年，王海鸿成了北京热力集团引进的第一位全日制博士研究生。不过，他入职后的前6个月压根儿没进过实验室，而是在各个热力厂站、各处管线之间不断奔波。“每个热力人，不管你是什么岗位的，到公司的第一个任务都是下井。”

主干线的热力井，深度超过10米，井下热浪滚滚，高温能让手机瞬间“瘫痪”。虽然在学校学习和做科研多年，但当王海鸿绑上安全绳，真正跟随师傅下到热力井下时，他才直观地感受到了一线工作人员的艰辛。

王海鸿先后在输配班组、研究中心等岗位轮岗实习。一次，他所在的班组接到一个紧急抢险任务——热力管线发生泄漏！由于泄漏位置处在闹市区，周边噪声较大，工作人员必须进入探沟用耳朵“寻找”漏点。探沟挖开后，班组里的一个小伙子毫不犹豫地钻了进去，凭借经验反复观察、聆听，终于确定了漏点位置。由于探沟过于狭窄，其他人紧紧抓住他的脚踝，才将他从沟里拽了出来，地下的热浪已让小伙子汗透重衣。

发挥自身所学，让大家不用再冒着危险爬井！在一次次的抢修任务中，王海鸿坚定了自己的目标：要在降低一线工作人员劳动强度和危险系数的同时，不断提升供热管线运行维护的效率。

不过，现实远比想象复杂。在走遍北京市内的各处热力厂站后，王海鸿发现，“人工”和“经验”依然是保障居民供暖工作中不可或缺的要素。传统的供热体系，主要依靠一个个阀门的开闭来调节终端温度，而只有经验丰富的老师傅，才能精准掌握阀门开闭的尺度。

“阀门松半圈、紧半圈，每栋楼的需求都不同，全靠老师傅在站点工作十几年甚至几十年积累的经验。”王海鸿说，阀门控制着每栋楼流入的水量，往往是居民发现家中温度过低投诉后，工作人员再有针对性地进行调整。在供暖季初期，或是外界气温出现大幅波动时，投诉往往会集中出现。如果仅靠人力来调节，响应速度必然缓慢，也很难做到精准控温。

同时，传统供暖方式所导致的同一栋楼内“顶层开窗、底层穿袄”现象并不罕见，“欠供”和“过供”并行，既不能保证供热质量，也导致了大量的能源浪费，让供热管网变得更“聪明”势在必行。早在2010年前后，北京热力就已经全面推开了无人值守的热力站升级，实现了热力站的自动化，压差传感器、变频泵组等设备的更新，为供热系统后续智能化发展打下了良好基础。

但王海鸿很清楚供热领域与其他工业场景的差异。每一个小区，甚至每一栋建筑，其保温系数、储热密度等参数都不同，依靠工程师手工计算出每栋楼的供热模型，是一项不可能完成的任务。因此，以经典的建筑物热力模型为基础，引入人工智能进行自适应、自学习，是智慧供热系统建设的必由之路。

“智慧热管家”上岗

2019年，供暖面积约13.5万平方米的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，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。

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，本市共完成了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。

把大地当作“恒温箱”

智慧供热系统的应用，让顶秀金石家园小区的节能等级上了一个台阶，不仅按需供热变为现实，建筑还由“三步节能”提升为“四步节能”——节能水平由65%提升至75%。而要想降低碳排放，实现“双碳”目标，除了节能，王海鸿还把关注的目光投向了另一个领域：北京的地热资源丰富，如何更好地利用这一优势，这就是王海鸿的新课题——跨季节储热。

土壤本身拥有良好的保温性能，向地下挖一个几米深的地窖，就能实现“冬暖夏凉”。王海鸿提出利用这一规律，在拥有地热资源的区域，在地下200米左右的地方建设储热设施，冬季取热、夏季补热，实现热量的平衡，便能在不增加碳排放的前提下，保证市民的居住温度需求。

但由于本市只有集中供热，不存在集中供冷，这就导致冬季“借”走的热量，到了夏季无人“还”，无法实现循环。“如果只抽不送，地热资源也会像地下水一样被‘抽干’，学术上叫作热失衡。”王海鸿说，最常见的回灌热量是来自夏天空调制冷产生的废热，但居民散在的空调外机排出的热量无法有效收集利用，于是，他想到了发电厂产生的余热。

“电厂夏季的余热主要作为废热排放掉了，很可惜。如果把它们储存起来，等到供暖季再用热泵系统提取出来变成产品，供冬季供暖使用，就能减少供暖季的一部分碳排放。”王海鸿十分看好这项新技术的应用，在热力管网和供热厂内、建筑物附近空间建设地热储热单元，便可储存低价格废热。对于电厂来说，热量回收后，装置的回水温度降低，也能提高发电效率，可谓一举两得。

此前，北京热力集团已就“热网、地热跨季节储热、供热系统”完成了专利申请，王海鸿计划今年选取试点区域，将这一项目落地推广，为北京率先实现“双碳”目标助力。

“北京的碳减排任务，有一半在建筑领域，而建筑领域的碳减排主要在供热行业。”推动供热技术的发展向“双碳”发展战略看齐，是王海鸿的目标。现在，他正在持续推动多项碳减排项目落地。例如，基于有机溶液储运的氢能空气源热泵科技示范项目已在石景山区投入使用，首次实现了氢能在供热领域的应用，以5000平方米的供暖季核算，氢能供热可降低二氧化碳排放量约90吨。“希望通过节能及能源重构，推动供热领域向清洁、绿色转型升级。”对此，王海鸿充满信心。

（原标题：智暖万家）

来源：北京日报 | 记者 刘苏雅

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