3月15日24時，隨著供暖鍋爐爐膛內(nèi)的火焰緩緩熄滅，北京的又一個供暖季結(jié)束了。在剛過去的冬天，門頭溝區(qū)5萬余戶居民發(fā)現(xiàn)，家里更暖和，供暖也更穩(wěn)定了。
【資料圖】
看著后臺監(jiān)測數(shù)據(jù)陸續(xù)歸零，北京市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司供熱技術(shù)發(fā)展研究中心副主任王海鴻才算松了口氣，“經(jīng)過這個供暖季的實際檢驗，智慧供熱系統(tǒng)的大范圍運行不再有障礙。”歷時5年，他所帶領(lǐng)的團(tuán)隊完成了物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、智能控制等一系列先進(jìn)技術(shù)的集成，將智慧供熱系統(tǒng)從實驗室推向了千家萬戶。
現(xiàn)在，本市已有2000萬平方米的供熱面積享受了智慧供熱系統(tǒng)的精準(zhǔn)服務(wù)。在門頭溝黑山鍋爐房服務(wù)的供熱區(qū)域，室溫更加舒適，供熱投訴數(shù)量明顯降低，且單個供暖季的區(qū)域熱源及一次網(wǎng)節(jié)能率達(dá)到了3.81%，相當(dāng)于減少二氧化碳排放2361噸。
“這個比例看起來雖不太起眼，但考慮到北京供熱總面積的龐大基數(shù)，節(jié)能的總量將十分可觀。”王海鴻說，在接下來的幾年時間里，北京熱力智慧供熱系統(tǒng)的服務(wù)范圍將不斷擴(kuò)大，最終實現(xiàn)全市覆蓋。
王海鴻在供熱值班室
王海鴻（右）與李文杰（左）巡查供熱設(shè)備
入職第一課是“下井”
“我大學(xué)就讀的是熱能系，但在那個時候，它還是個‘冷’專業(yè)。”王海鴻與供熱領(lǐng)域的結(jié)緣十分偶然。“最早這個專業(yè)名字很直白，就叫鍋爐系，你說燒鍋爐有啥可學(xué)的，但慢慢深入學(xué)習(xí)之后，發(fā)現(xiàn)這個行業(yè)正在不斷升級，急需先進(jìn)技術(shù)的支持，逐漸就‘干一行愛一行’了。”
2015年，王海鴻成了北京熱力集團(tuán)引進(jìn)的第一位全日制博士研究生。不過，他入職后的前6個月壓根兒沒進(jìn)過實驗室，而是在各個熱力廠站、各處管線之間不斷奔波。“每個熱力人，不管你是什么崗位的，到公司的第一個任務(wù)都是下井。”
主干線的熱力井，深度超過10米，井下熱浪滾滾，高溫能讓手機(jī)瞬間“癱瘓”。雖然在學(xué)校學(xué)習(xí)和做科研多年，但當(dāng)王海鴻綁上安全繩，真正跟隨師傅下到熱力井下時，他才直觀地感受到了一線工作人員的艱辛。
王海鴻先后在輸配班組、研究中心等崗位輪崗實習(xí)。一次，他所在的班組接到一個緊急搶險任務(wù)——熱力管線發(fā)生泄漏！由于泄漏位置處在鬧市區(qū)，周邊噪聲較大，工作人員必須進(jìn)入探溝用耳朵“尋找”漏點。探溝挖開后，班組里的一個小伙子毫不猶豫地鉆了進(jìn)去，憑借經(jīng)驗反復(fù)觀察、聆聽，終于確定了漏點位置。由于探溝過于狹窄，其他人緊緊抓住他的腳踝，才將他從溝里拽了出來，地下的熱浪已讓小伙子汗透重衣。
發(fā)揮自身所學(xué)，讓大家不用再冒著危險爬井！在一次次的搶修任務(wù)中，王海鴻堅定了自己的目標(biāo)：要在降低一線工作人員勞動強(qiáng)度和危險系數(shù)的同時，不斷提升供熱管線運行維護(hù)的效率。
不過，現(xiàn)實遠(yuǎn)比想象復(fù)雜。在走遍北京市內(nèi)的各處熱力廠站后，王海鴻發(fā)現(xiàn)，“人工”和“經(jīng)驗”依然是保障居民供暖工作中不可或缺的要素。傳統(tǒng)的供熱體系，主要依靠一個個閥門的開閉來調(diào)節(jié)終端溫度，而只有經(jīng)驗豐富的老師傅，才能精準(zhǔn)掌握閥門開閉的尺度。
“閥門松半圈、緊半圈，每棟樓的需求都不同，全靠老師傅在站點工作十幾年甚至幾十年積累的經(jīng)驗。”王海鴻說，閥門控制著每棟樓流入的水量，往往是居民發(fā)現(xiàn)家中溫度過低投訴后，工作人員再有針對性地進(jìn)行調(diào)整。在供暖季初期，或是外界氣溫出現(xiàn)大幅波動時，投訴往往會集中出現(xiàn)。如果僅靠人力來調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度必然緩慢，也很難做到精準(zhǔn)控溫。
同時，傳統(tǒng)供暖方式所導(dǎo)致的同一棟樓內(nèi)“頂層開窗、底層穿襖”現(xiàn)象并不罕見，“欠供”和“過供”并行，既不能保證供熱質(zhì)量，也導(dǎo)致了大量的能源浪費，讓供熱管網(wǎng)變得更“聰明”勢在必行。早在2010年前后，北京熱力就已經(jīng)全面推開了無人值守的熱力站升級，實現(xiàn)了熱力站的自動化，壓差傳感器、變頻泵組等設(shè)備的更新，為供熱系統(tǒng)后續(xù)智能化發(fā)展打下了良好基礎(chǔ)。
但王海鴻很清楚供熱領(lǐng)域與其他工業(yè)場景的差異。每一個小區(qū)，甚至每一棟建筑，其保溫系數(shù)、儲熱密度等參數(shù)都不同，依靠工程師手工計算出每棟樓的供熱模型，是一項不可能完成的任務(wù)。因此，以經(jīng)典的建筑物熱力模型為基礎(chǔ)，引入人工智能進(jìn)行自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)，是智慧供熱系統(tǒng)建設(shè)的必由之路。
“智慧熱管家”上崗
2019年，供暖面積約13.5萬平方米的豐臺區(qū)頂秀金石家園小區(qū)，率先迎來了一位“知冷知熱”的“智慧熱管家”。
根據(jù)歷年數(shù)據(jù)，該小區(qū)有超過10%的家庭室溫低于20攝氏度，而半數(shù)以上的家庭室溫高于24攝氏度。房間離熱力站近，供熱就更充足，而在供熱管線末端的建筑，室溫則明顯偏低，冷熱不均的現(xiàn)象格外明顯。
為了解決這一問題，450個室溫采集器被安裝進(jìn)了居民家中，每個單元的供熱閥門則升級為電動調(diào)節(jié)閥，換熱站及樓口也都裝上了數(shù)據(jù)采集及控制設(shè)備。監(jiān)測設(shè)備將一手?jǐn)?shù)據(jù)源源不斷地匯集到后臺，而對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行自主監(jiān)測、處理的，則是由王海鴻主持研發(fā)的人工智能供熱系統(tǒng)和無人值守智能監(jiān)控系統(tǒng)。
從“經(jīng)驗主導(dǎo)”轉(zhuǎn)向“人工智能”，這條路并不好走。王海鴻坦言，供熱行業(yè)的市場需求很小，研發(fā)成本卻居高不下，因此企業(yè)在面臨智能化轉(zhuǎn)型時，普遍選擇直接采購國外軟件。但由于供熱行業(yè)存在極強(qiáng)的國情差異，采購而來的軟件往往“水土不服”。直到2017年，市科委立項開發(fā)基于數(shù)字孿生的大型供熱管網(wǎng)系統(tǒng)智能化調(diào)控工業(yè)軟件項目，供熱軟件系統(tǒng)的國產(chǎn)化終于邁出了重要一步。
作為項目牽頭人，王海鴻與多所高校展開了密切合作。但在交流過程中，王海鴻意識到，由于供熱行業(yè)特殊的參數(shù)和工況，項目無法參照其他工業(yè)軟件的開發(fā)經(jīng)驗，必須從頭摸索、量身定制。開發(fā)團(tuán)隊既要懂熱力工程，能建立數(shù)學(xué)模型，也要懂編程，把想法變成算法，這就需要不斷磨合、調(diào)整。“軟件開發(fā)其實不難，但要讓人工智能從頭開始學(xué)習(xí)，匹配供熱行業(yè)的需求，只能從最基礎(chǔ)的參數(shù)和工況入手。”
軟件所需的數(shù)據(jù)和公式，都需要長期有針對性的積累，很多經(jīng)驗性的公式更是要想辦法提煉融入。依托無人值守?zé)崃φ臼占S富的歷史數(shù)據(jù)，系統(tǒng)有了充足的“養(yǎng)料”，迅速成長起來，從自動化走向智能化。
頂秀金石家園小區(qū)成為了這套系統(tǒng)的第一個用戶。但當(dāng)時，這位“管家”還處在“試用期”，性能并不穩(wěn)定。為了讓它更好地服務(wù)小區(qū)的千余戶居民，王海鴻把工位搬到了小區(qū)的熱力站，隨時監(jiān)控新系統(tǒng)的動態(tài)。
雖然在實驗室內(nèi)運行良好，但當(dāng)系統(tǒng)第一次被應(yīng)用到居民家中，王海鴻還是遭遇了危機(jī)——
“剛開始接進(jìn)來的時候，系統(tǒng)狀態(tài)很穩(wěn)定。閥門打開度在90%，結(jié)果我就出去吃個飯的工夫，回來一看，變成零了，小區(qū)直接停暖了。”居民很快發(fā)現(xiàn)了供暖異常，投訴電話接踵而至。“當(dāng)時客服明確說‘不準(zhǔn)再瞎胡鬧了’，居民投訴太多，這個項目必須停。但我們頂住了壓力，堅持繼續(xù)試驗。”
問題究竟出在哪兒？這個故障困擾了王海鴻近兩周。“當(dāng)時我一度對自己產(chǎn)生了懷疑，是不是技術(shù)水平不行？項目就這樣失敗了嗎？”但他不甘心，依然不斷分析故障原因，并帶著問題請教經(jīng)驗豐富的一線工作者。果然，一位老師傅的提醒讓王海鴻豁然開朗：“閥門不能調(diào)得太猛。”
在系統(tǒng)的原始設(shè)定中，沒有對閥門的開閉幅度加以限制，于是人工智能將溫控理解為“熱了就關(guān)、冷了再開”的“全有全無”模式。但供熱管網(wǎng)是互相連通的體系，單個閥門流量變化過大，就會引發(fā)區(qū)域內(nèi)閥門間的震蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。當(dāng)在后臺設(shè)定了開閉幅度上限和調(diào)節(jié)速度限制后，問題迎刃而解。
“我們前期也做過實驗室模擬，但實驗規(guī)模太小，這種震蕩、激波的工況不會出現(xiàn)。這個經(jīng)歷也給我提了個醒，人工智能必須和一線的經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)合，才能保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。”王海鴻說。
“北京智慧”走向全國
經(jīng)過近1個月的磨合，智慧供熱系統(tǒng)與小區(qū)實際運行需求終于完成了匹配。從熱力站的溫度、壓力、流量，到管網(wǎng)、樓口的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，再到終端的室內(nèi)溫度，都在系統(tǒng)后臺實時展示，形成了全面的數(shù)據(jù)庫。
供熱服務(wù)也變被動為主動。建筑物具有熱惰性，通俗地講，便是其內(nèi)部溫度變化相較于大環(huán)境具有一定的滯后性。為了保持室溫穩(wěn)定，系統(tǒng)能根據(jù)天氣預(yù)報信息預(yù)測樓內(nèi)溫度的變化趨勢，從而提前下發(fā)指令，科學(xué)分配每個單元的熱量。
系統(tǒng)自動調(diào)控的功能，能保證設(shè)定溫度與室內(nèi)實際溫度偏差在1攝氏度以內(nèi)。2019年供暖季，頂秀金石家園小區(qū)室溫保持在20至24攝氏度之間的用戶達(dá)90%，屋內(nèi)更加舒適，且由于該小區(qū)是熱計量收費小區(qū)，居民要繳納的供熱費用也明顯降低。
室溫均衡度上升53.4%、熱單耗降低8%、電單耗降低26%、熱力站尖峰負(fù)荷減少17.54%……這是智慧供熱系統(tǒng)交出的第一份優(yōu)異答卷。而最為直觀的表現(xiàn)，便是居民對供熱的投訴率降低了31%。
“第一炮”順利打響，王海鴻嘗試將系統(tǒng)推廣到更大的范圍。在北京熱力門頭溝黑山服務(wù)站，從鍋爐房到一次管網(wǎng)，再到熱力站，系統(tǒng)在算法層面完成了100%國產(chǎn)化替代，供熱軟件“卡脖子”難題得以破解。
除了讓居民的居住環(huán)境更加舒適，這套系統(tǒng)還能有效節(jié)約供熱能耗。在2021年至2022年供暖季，僅黑山鍋爐房一個站點，所供區(qū)域的熱源及一次網(wǎng)節(jié)能率就達(dá)到了3.81%，節(jié)約了1420噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減少二氧化碳排放2361噸——相當(dāng)于多種植了約4萬棵樹。
2022年，門頭溝區(qū)完成了960萬平方米的智慧供熱改造。2萬余臺室溫采集器入戶，155座熱力站實現(xiàn)數(shù)字孿生智能控制，安裝電動調(diào)節(jié)閥門567處……在智慧供熱指揮中心的界面上，精準(zhǔn)到戶的實時溫度數(shù)據(jù)跳動不停，平臺“大腦”也在飛速運轉(zhuǎn)并針對性地下達(dá)調(diào)控指令，調(diào)節(jié)頻度可達(dá)小時級。而源源不斷的數(shù)據(jù)也讓系統(tǒng)不斷地學(xué)習(xí)、迭代，一次次判斷越來越精準(zhǔn)。
“以前是老師傅在管線邊奔走，現(xiàn)在是大學(xué)生坐在電腦前監(jiān)測控制。一線工作人員不用再跳到供熱井里，手動去擰沉重的閥門，工作量明顯減輕，也避免了遭遇閥門銹蝕、漏水燙傷等危險。”在項目推進(jìn)的過程中，王海鴻不僅關(guān)注技術(shù)本身，更是將培養(yǎng)人才隊伍作為工作重點。先進(jìn)的系統(tǒng)需要搭配優(yōu)秀的工程師加以維護(hù)，為了讓高學(xué)歷人才“留得住、有所為”，他申請成立了北京熱力集團(tuán)第一個博士工作室，激發(fā)青年人才積極性，在一線需求和技術(shù)研發(fā)中搭起橋梁，打通科研成果轉(zhuǎn)化的瓶頸。
“去年門頭溝區(qū)的智慧供熱改造，是這套系統(tǒng)第一次大范圍鋪開。剛開始調(diào)試的時候，因為各處的數(shù)據(jù)采集設(shè)備都是新安裝的，各種數(shù)據(jù)錯誤、傳輸問題接連不斷。”北京熱力集團(tuán)門頭溝分公司技術(shù)設(shè)備部工程師李文杰是王海鴻科研團(tuán)隊的一員，系統(tǒng)調(diào)試期間，這位“90后”小伙子和同事幾乎是連軸轉(zhuǎn)，在實驗室和現(xiàn)場之間奔波，排查數(shù)據(jù)波動原因，維修自動控制設(shè)備。工作雖然辛苦，他們卻干勁兒十足，僅用3個月就完成了攻堅，使得改造區(qū)域119個小區(qū)的5萬余戶居民，在供暖季到來時享受到了舒適、穩(wěn)定的暖意。
“現(xiàn)在回過頭看，我們恰好踩到了人工智能技術(shù)的‘奇點’，在一個合適的時間啟動了合適的項目。”王海鴻感慨，供熱作為民生工程，必須要有先進(jìn)的技術(shù)護(hù)航，也正是因為這樣的信念，才讓我國在智慧供熱領(lǐng)域走到了國際領(lǐng)先水平。
2022年，本市共完成了2000萬平方米的智慧供熱項目改造，今年的改造面積將擴(kuò)大到5000萬平方米，后續(xù)的改造步伐還將持續(xù)加快。對于一些改造難度大的老舊小區(qū)，物聯(lián)網(wǎng)閥門的加裝也能保證供水量調(diào)節(jié)更加精準(zhǔn)。現(xiàn)在，這項“北京智慧”已經(jīng)走向了全國，在濟(jì)南、鄭州、大同等城市推廣開來。
把大地當(dāng)作“恒溫箱”
智慧供熱系統(tǒng)的應(yīng)用，讓頂秀金石家園小區(qū)的節(jié)能等級上了一個臺階，不僅按需供熱變?yōu)楝F(xiàn)實，建筑還由“三步節(jié)能”提升為“四步節(jié)能”——節(jié)能水平由65%提升至75%。而要想降低碳排放，實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，除了節(jié)能，王海鴻還把關(guān)注的目光投向了另一個領(lǐng)域：北京的地?zé)豳Y源豐富，如何更好地利用這一優(yōu)勢，這就是王海鴻的新課題——跨季節(jié)儲熱。
土壤本身擁有良好的保溫性能，向地下挖一個幾米深的地窖，就能實現(xiàn)“冬暖夏涼”。王海鴻提出利用這一規(guī)律，在擁有地?zé)豳Y源的區(qū)域，在地下200米左右的地方建設(shè)儲熱設(shè)施，冬季取熱、夏季補(bǔ)熱，實現(xiàn)熱量的平衡，便能在不增加碳排放的前提下，保證市民的居住溫度需求。
但由于本市只有集中供熱，不存在集中供冷，這就導(dǎo)致冬季“借”走的熱量，到了夏季無人“還”，無法實現(xiàn)循環(huán)。“如果只抽不送，地?zé)豳Y源也會像地下水一樣被‘抽干’，學(xué)術(shù)上叫作熱失衡。”王海鴻說，最常見的回灌熱量是來自夏天空調(diào)制冷產(chǎn)生的廢熱，但居民散在的空調(diào)外機(jī)排出的熱量無法有效收集利用，于是，他想到了發(fā)電廠產(chǎn)生的余熱。
“電廠夏季的余熱主要作為廢熱排放掉了，很可惜。如果把它們儲存起來，等到供暖季再用熱泵系統(tǒng)提取出來變成產(chǎn)品，供冬季供暖使用，就能減少供暖季的一部分碳排放。”王海鴻十分看好這項新技術(shù)的應(yīng)用，在熱力管網(wǎng)和供熱廠內(nèi)、建筑物附近空間建設(shè)地?zé)醿釂卧憧蓛Υ娴蛢r格廢熱。對于電廠來說，熱量回收后，裝置的回水溫度降低，也能提高發(fā)電效率，可謂一舉兩得。
此前，北京熱力集團(tuán)已就“熱網(wǎng)、地?zé)峥缂竟?jié)儲熱、供熱系統(tǒng)”完成了專利申請，王海鴻計劃今年選取試點區(qū)域，將這一項目落地推廣，為北京率先實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)助力。
“北京的碳減排任務(wù)，有一半在建筑領(lǐng)域，而建筑領(lǐng)域的碳減排主要在供熱行業(yè)。”推動供熱技術(shù)的發(fā)展向“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略看齊，是王海鴻的目標(biāo)。現(xiàn)在，他正在持續(xù)推動多項碳減排項目落地。例如，基于有機(jī)溶液儲運的氫能空氣源熱泵科技示范項目已在石景山區(qū)投入使用，首次實現(xiàn)了氫能在供熱領(lǐng)域的應(yīng)用，以5000平方米的供暖季核算，氫能供熱可降低二氧化碳排放量約90噸。“希望通過節(jié)能及能源重構(gòu)，推動供熱領(lǐng)域向清潔、綠色轉(zhuǎn)型升級。”對此，王海鴻充滿信心。
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