主持单位：陕西鲁明热力设备工程有限公司
     开始时间：2017年3月22日
     结束时间：2019年4月15日
     调研对象：西安市热力总公司、瑞行集团长安新区热力公司、汉城热力公司、泾河热力公司、韩城热力公司、商洛热力公司、汉中热力公司、安康热力公司、乾县热力公司、高新区热力公司、咸阳沣河热力公司、沣西燃气集中供热有限公司、华阴远大热力公司
     主要调研人员：张伯星、梁军红、赵鹏、梁文杰
 

1.换热站集中监控系统的研究背景

      供热工程是一项造福于民的民生工程，是保证北方大部分地区人民群众正常生活的基础建设工程。我国国土面积广阔，北方大部分地区按照气候特性可以分为严寒地区、寒冷地区及夏热冬冷地区，由于我国如此的气候特性，集中供热系统已成为我国的重要民生建设工程之一，也是代表城市现代化建设程度的指标之一^[1]。由于供热行业与国民经济的可持续发展及能源的多样性有效利用关系密切，所以对供热行业的要求已从最初的扩大规模、加大建设力度的建设思路变化为按需供热、多样性供热、提高能源效率。目前，我国传统的分散式、随意性供热早已被集中供热的方式所替代，我国为了保证供热产业的有序发展也制定了多条相关法律法规，如：《中华人民共和国节约能源法》等相关法律、《关于发展热电联产的若干意见》、《关于进一步推进城镇供热体制改革意见》等相关意见。集中供热的供热方式在减少我国环境污染、节约能源、提高人民居住环境质量方面起到了重要作用^[2-3]。换热站系统是集中供热方式中的重要组成部分，换热站系统的节能、可全、可靠的运行直接关系到用户的使用体验，所以合理设计换热站系统，提高其运行的可靠性、安全性、合理性具有较大的使用价值和经济价值^[4]。
目前我国换热站管理和运行的方式均比较原始及粗放，供热工程的现状存在很多弊病与不合理；在技术方面，主流思路为仅监测一次网热源状态，对二次网热源的使用、运行状态、能源消耗状态、各子站能耗的分配情况这些重要数据几乎没有任何统计。数据反馈仅靠人工执行，反馈内容仅仅停留在是否有故障、用户觉得热还是不热这种低端数据。在运维方面，传统换热站自动化程度较低，需要过多的人为干预与监视；普通物业工程人员对换热站知识一知半解，很难具有发现问题的理论基础，及解决问题的实操经验。普通换热站对人工成本的消耗过大，每个站几乎都需要三班倒24小时值班。在服务方面，目前的物业服务流程为：用户反应问题——排查故障——求助厂家——解决问题，这种服务流程非常被动，响应周期过长，用户体验很差。当遇到复杂严重故障时几乎无力解决，造成供暖中断或供暖不达标。在收取热费时非常吃力，对恶意欠费用户没有有效的制约办法，对虚报采暖面积的物业没有核实手段，对正常缴费的用户没有提升服务品质，对用户的整体使用情况不清楚，在同样缴费的情况下，有些用户家中过热，有些不达标，冷热不均。在远程监控平台方面，目前对集中供热系统二次热网的远程监控几乎为空白。二次网运行的各种数据参数完全没有采集，对二次网的设备运行状态完全没有检测，对二次网的设备起停运行没有远程控制手段。二次网的各种设备没有运行指导手段，不能按需供热，分情况供热，二次网各分站的实际特点没有统一有效的数据，无法统计二次网水、电、暖的消耗情况，各子站的故障信息，报警信息也是各扫门前雪，无法追责二次热网运行不合理时对集中供热系统一次热网的影响。
研究和建立具有远程监控功能的集中供热监控系统，实现各个换热站之间的数据采集与状态对接从而从全局出发，用科学高效的指导思路来的确定各个换热站的运行方式及管理模式，是当今供热行业的发展趋势^[5]。近年来飞速发展的无线网络通信技术及传感器技术是自动化行业生机勃发的必备条件，也为实现换热站的数据采集与传输、远程控制及无人值守提供了更为强大的必备条件与可能性^[6]。现有的集中供热系统中换热站主流的控制策略以凭借经验通过调节安装在一次热网供水管道上的电动调节阀开度来控制二次网供水温度，这种凭借经验的调节手段合理性极低，也是造成供热工程投诉率居高不下的主要原因^[7]。因此，寻求新型的智能控制方式是提高换热站运行效率与合理性当务之急，集中供热方式是多个换热站相互组建而成，这些换热站之间并不是以孤岛形式存在于系统中的，往往一个换热站的运行状况会影响整个集中供热系统内临近换热站的运行，虽然有些换热站采用了远程视频监控，单这种简单视频监控并没有办法摆脱人为的监管，无法实现运行状态异常的自动报警，无法实现自我调节，更遑论无人值守。
无人值守换热站以自动化技术、通信技术、计算机网络技术为基础^[8]，从全局角度出发，对集中供热区域内的所有子换热站进行统一管理和调度，通过集中控制与分析的优点，从总控角度分析各子站的运行特点，解决各子站的供热不平衡，解决子站内各楼层各单元的供热不平衡。改变了传统换热站原先的物业代管三班倒的管理模式，提高了换热站的自动化运行水平和先进的管理模式，非常明显地节省了人力资源成本。因此，研究利用远程监控技术及智能控制技术为主导的无人值守换热站系统，具有非常重要的意义。

2.国内外研究现状

     集中供热这项基础建设在任何国家都显得十分重要，早在一百多年前的19世纪初期，欧美地区的国家就已经开始探索这项技术。第一个集中供热系统始建于1877年的美国纽约，因为欧美国家独特的资源优势比如海水、地下水等可以作为供热源，经过简单的热泵装置处理就直接可以变为可供居民供热使用的热水。目前国外比较先进的集中供热系统的模式一般为动态变流量系统，这种系统由变频调速水泵、压差控制系统、气候补偿系统、恒温调节系统等构成，并且国外管理集中供热系统已有一套相当成熟的管理运行模式，这些先进的控制技术和成熟的管理模式值得我们的学习与借鉴。^[9-10]
我国的集中供热工程着重专业研究较晚，最早起源于20世纪50年代^[11]。但随着综合国力的提升及国民经济的发展，大量热电厂与热源厂的逐步建立，我国集中供热工程的发展势头迅猛。集中供热面积由2002年的15.56亿平方米增加到2015年的67.22亿平方米^[12]，集中供热的大力发展为保护环境及提高能源利用率做出了突出贡献，但我国对于集中供热的研究比较落后，主要体现在传输过程中热量损耗大及热源利用效率低两个方面^[13-14]。

2.1 国外的研究现状

     在经历过20世纪70年代的全球能源危机之后，全世界范围内的能源改革便大范围开展起来，作为能源领域十分重要的供热行业，其研究和发展的方向得到了很高的重视，并且制定了相关一系列的政策和法规，尤其对集中供热系统的自动化装置的运用提出了很高的要求，使集中供热系统在为用户提供更好的服务的同时保证能源的有效利用^[15]。
北欧国家的集中供热工程的专业研究工作开始较早，再加上不断地探索学习，促使北欧诸国的集中供热系统在对热源的的利用率和分配及用户侧室内温度恒定的控制水平上一直处于世界领先地位。北欧诸国在1980年代就已经着手研发包含一次热网管道故障点监测、换热站运行状态监测、二次网设备运行远程监控等自控系统，以提高其供热效率及用户体验^[16-17]。国际上技术领先的集中供热系统多采用可控动态流量系统，这种控制方式基于集中供热系统二次热网管道通过换热器后的出水温度反馈调节一次网电动调节阀，使二次网出水温度达到一个恒定值，用户可以通过调节室内温控阀的开度来自主调节室内温度。而整个系统通过二次网的供回水温度、流量、热量、压差、室外温度及室内温度等参数实现变流量节能运行^[18-19]。在这种控制方式下，用户室温是由用户入口处的电动调节阀控制得；而用户侧使用时的循环水的流量是由集中供热系统中二次热网管道中的循环泵来控制的。这种控制方式凭借其良好的节能效果及多样化稳定性强的用户体验在集中供热系统中得到十分广泛的运用^[20]。

2.2国内研究现状

     与国外先进完善的供热系统相比较，我国集中供热系统本身起步较晚，最早起源于建国初期，但真正的发展是在1980年代之后。国内集中供热系统的热源不像国外那样多样化，其主要形式为火力发电厂热点联产及区域性锅炉热源厂。我国热源的利用方式大多采用“大流量小温差”的办法，这种运行方式因为热量传输管道易泄露和偷热现象严重而造成能用利用率低下。在控制和监测方面，目前我国的集中供热系统大多还停留在手动操作为主的方式，难以保证用户体验与供热品质。由于缺乏从全局角度的管理与调度，我国的集中供热无法对整个系统做到清晰准确的认知，更无法做到合理的分配热能。更重要的一点，我国目前现行的集中供热系统缺乏有效的节能激励手段，虽然目前我国很难在范围内实现控制到户、计量到户，但是可以由采用智能控制策略和引进先进的自动调节装置来实现分户、分时段供热，达到按需供热的目的。^[21-22]随着能源的消耗，以及全球气候条件的影响，我国开始大力注重节能工作。建设部在十一五规划中提出：对于运行超过十五年的供热管网以及存在严重事故隐患或跑、冒、漏现象严重的热力管网，必须对热力站进行节能技术提标改造和对二次管网进行系统节能改造。
近几年将变频调节技术、自动控制技术引入供热系统，使供热系统在节能效果十分出色的同时，保障了供热质量品质的稳定。在江亿院士《用变频泵和变速风机代替调节用风阀水阀》一文中，首次提出将变频调节技术引用到暖通空调系统中，江亿院士详细的列举了变速风机或水泵和调节阀两种系统的运行参数，并且计算了两种系统的初投资，在研究中得出以下结论：以变频泵和变速风机代替调节阀的技术方案是十分可行的，二者的初投资变化不大；但变频调速系统的节能效果显著，且运行稳定性相比常规系统非常之高。徐明才等学者通过分析诸多供热系统的运行方式，发现运用变频调速控制变流量调节的供热方式简单可行，并具有明显的能效优势，在理论上阐述和证明了变频调速技术的优点，其具有安全可靠、易于实现、节能高效等特点，建议在集中供热系统中加以大力推广^[23-25]。
随着互联网大数据的发展与应用，我国集中供热系统的研究也转向智能化，网络化。刘国强^[26]就提出一种新思路，将太阳能热源与热气锅炉联合运行，为整个暖通系统同时提供生活热水与采暖用水，系统的节能方案主要集中在锅炉群控系统和供热管网的监控。锅炉与太阳能主要提供合理化的热源供给，热管网的控制以有效分配热能为主，这也是我国集中供热的典型控制模式，即一次网热源与二次网运行相互独立。随着网络云技术的发展，集中供热为了实现更精确地按需供热，不但需要监测一次网供回水温度、供回水压力、流量、热量这些典型数据，更要通过互联网技术获取可靠的天气信息，例如室外气温、日照、风速等，而且必须对热力工况进行动态分析，加上合理的数据分析与预测，对整套供热系统进行智能化的动态调节