【论文精选】延庆冬奥村供暖系统监控平台设计与应用

原创 乔道明，等 煤气与热力杂志

煤气与热力杂志

微信号 GAS-HEAT1978

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作 者： 乔道明，刘芳，李雅菲，陈广书，沈铮，于文俊，王冬红

第一作者单位：北京建筑大学

摘自《煤气与热力》2022年6月刊

参考文献示例

乔道明，刘芳，李雅菲， 等 .    延庆冬奥村供暖系统监控平台设计与应用 ［J］.    煤气与热力， 2022，42（6） ：A29-A32.

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水泵

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阀门（供热）

1    供暖系统

1.1   供暖系统设备配置

延庆冬奥村位于小海坨山南麓，包括公共组团、运动员组团。公共组团主要为运动员提供餐饮、休闲、医护等综合服务，设计热负荷为 3 171 kW ，末端包括风机盘管 + 新风系统、地面辐射供暖系统。运动员组团为各国运动员以及随行人员提供住宿服务，设计热负荷为 5 083 kW ，末端主要为风机盘管 + 新风系统。主要供热设备配置数量与额定参数见表 1 。

表 1    主要供热设备配置数量与额定参数

供暖系统流程见图 1 。自控系统采用可编程控制器 PLC ，通过控制 循环泵 、 阀门 启闭实现不同供暖方式的切换。

图 1    供暖系统流程

①边供暖边蓄热：电极锅炉工作，开启蓄热循环泵、供热循环泵，开启阀 1 、 2 、 4 、 6 、 9 ，关闭阀 3 、 5 、 7 、 8 。

②蓄热水箱单独供暖：电极锅炉关闭，开启放热循环泵、供热循环泵，开启阀 2 、 3 、 9 ，关闭阀 1 、 4 、 5 、 6 、 7 、 8 。

③电极锅炉单独供暖：电极锅炉工作，开启供热循环泵，开启阀 7 、 8 ，关闭阀 1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 、 9 。

④电极锅炉、蓄热水箱联合供暖：电极锅炉工作，开启放热循环泵、供热循环泵，开启阀 1 、 2 、 3 、 5 、 9 ，关闭阀 4 、 6 、 7 、 8 。

1.2   运行策略

平电时间： 7 ： 00 — 10 ： 00 、 15 ： 00 — 18 ： 00 、 21 ： 00 — 23 ： 00 ，峰电时间： 10 ： 00 — 15 ： 00 、 18 ： 00 — 21 ： 00 ，其他时间为谷电时间。在谷电时间采取边供暖边蓄热方式，当蓄热水箱出口温度达到 80 ℃或谷电时间结束时停止蓄热。蓄热水箱优先为峰电时间供暖，富裕部分为平电时间供暖，峰电、平电时间的供暖缺口由电极锅炉补充。

2    供暖系统监控平台架构与功能

2.1   监控平台架构

①运维管理层

运维管理层主要由数据服务器组成，负责数据的接收、校验、分发与储存，通过建立专业的业务模型，对采集数据进行抽取、转换和加载，提供数据虚拟化、逻辑运算、深度学习等服务，实现可视化管理。

②网络传输层

网络传输层主要由通信光缆、 NB-IoT 、 5G 等组成，负责现场仪表的接入、物联协议的解析和数据的转发，将数据信号以有线、无线网络的方式上传至运维管理层数据服务器。监控平台局域网采用 TCP/IP 协议，连接数据采集层与运维管理层。

③数据采集层

数据采集层的现场仪表主要有超声波流量传感器、温度传感器、热量表、电能表、气象数据采集仪等，实现数据的采集，支持本地及远程配置、断点续传、在线调校等功能。

2.2   监控平台功能

①信息监测与分析

通过采集运行数据，展示供暖系统重要工艺设备的动态，让管理者实时掌握系统各个环节的状态，并实现能效分析、成本分析以及碳排放计算，辅助决策、诊断运行问题 ^{［ 1 ］} 。

监控平台采集房间实时温度，将人员设定温度作为目标调节室内温度 ^{［ 2 ］} 。运动员组团室内温度界面可显示运动员组团各个房间的实时室内温度及人员设定温度，并以色调表示室内实时温度。

②供暖热负荷预测

逐时供暖热负荷具有维度高、复杂性强、时序性强等特点，因此选用基于注意力机制的 LSTM （长短期记忆网络） +CNN （卷积神经网络）的负荷预测方法。 LSTM 拥有记忆能力，能保持时间序列中长期依赖的信息 ^{［ 3 ］} 。 CNN 适合提取数据的空间特征，降低数据维度，再使用注意力机制进行优化，提高供暖热负荷预测精度 ^{［ 4 ］} 。

3    监控平台应用

3.1   供暖调节能力

在赛前，我们以严寒期某日逐时热负荷为已知条件，对监控平台的供暖调节能力进行了测试，测试效果见图 2 。在图 2 中，第 1 h 表示［ 0 ： 00 ， 1 ： 00 ），第 2 h 表示［ 1 ： 00 ， 2 ： 00 ），以此类推，图 3~6 也采用这种表示方法。由图 2 可知，供暖系统在谷电时间采用边供暖边蓄热方式，在峰电时间采用蓄热水箱单独供暖，在平电时间采用电极锅炉单独供暖与电极锅炉、蓄热水箱联合供暖。符合既定运行策略。

图 2    监控平台供暖调节能力测试效果

3.2   赛时监测分析

根据要求，赛事期间供暖系统采取电极锅炉单独供暖，监控平台仅启用监测功能。由监测结果可知， 2022 年 1 月 23 日至 2 月 13 日所有房间的室内温度均达到人员设定要求。 4 个典型日的电极锅炉热功率、室外温度随时间的变化分别见图 3~6 。由于数据获取原因，图中未给出 24 h 的数据。 1 月 23 日冬奥村预开村，天气阴，午间室外温度上升幅度比较小。 1 月 28 日冬奥村正式开村，天气晴，午间室外温度上升幅度明显。 2 月 2 日延庆赛区训练日开始，天气晴，午间室外温度上升幅度明显。 2 月 4 日冬奥村入住率达到高峰，天气晴，室外温度整体偏低。

由图 3~6 可知，当室外温度变化比较大时，与室外温度相比，电极锅炉热功率出现滞后。因此，建设和应用监控平台，提高热源响应速度，对于提高供热质量、降低供暖系统能耗十分必要。

图 3   1 月 23 日电极锅炉热功率、室外温度随时间的变化

图 4   1 月 28 日电极锅炉热功率、室外温度随时间变化

图 5   2 月 2 日电极锅炉热功率、室外温度随时间变化

图 6   2 月 4 日电极锅炉热功率、室外温度随时间变化

4    结论

①对监控平台供暖调节能力的测试结果显示，供暖系统在谷电时间采用边供暖边蓄热方式，在峰电时间采用蓄热水箱单独供暖，在平电时间采用电极锅炉单独供暖与电极锅炉、蓄热水箱联合供暖。符合既定运行策略。

② 2022 年 1 月 23 日至 2 月 13 日冬奥村供暖期间，采取电极锅炉单独供暖，监控平台仅启用监测功能。由监测结果可知，当室外温度变化比较大时，与室外温度相比，电极锅炉热功率出现滞后。有必要建设和应用监控平台，提高热源响应速度。

参考文献：

［ 1 ］冯文亮，白冬军，姚长青 .  供热系统数字化技术服务平台设计与应用［ J ］ .  煤气与热力， 2021 （ 12 ）： A13-A16.

［ 2 ］徐冲，王海超 .  供暖室内温度控制技术综述［ J ］ .  煤气与热力， 2020 （ 2 ）： A08-A12.

［ 3 ］王鑫，吴际，刘超，等 .  基于 LSTM 循环神经网络的故障时间序列预测［ J ］ .  北京航空航天大学学报， 2018 （ 4 ）： 772-784.

［ 4 ］魏健，赵红涛，刘敦楠，等 .  基于注意力机制的 CNN-LSTM 短期电力负荷预测方法［ J ］ .  华北电力大学学报（自然科学版）， 2021 （ 1 ）： 42-47.

（本文责任编辑：贺明健）

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