基于5G技术的曲线供热与二网平衡节能联动系统研究

基于5G技术的曲线供热与二网平衡节能联动系统研究

张良，张冲， 高倩

建投能源定州热力有限公司

摘要

为提高供热系统的能源利用效率和供热质量，本文提出了一种基于5G技术的曲线供热与二网平衡节能联动系统。该系统包括一次网回水调节、二次网水力平衡调节、智能温度控制等功能。通过在一次网和二次网中增加调节阀门、温度传感器等硬件设备，结合5G高速通信技术和人工智能算法，实现对供热系统的实时监测和智能调控，最终达到提高供热效率、降低能耗的目标。通过案例结果表明，该系统能够有效控制室内温度在18-21℃范围内，同时可节电和节热6%-20%，符合预期目标。

关键词：5G技术；曲线供热；二网平衡；节能联动；智能控制

1 引言

随着城市化进程的不断加快，供热系统作为冬季采暖的主要形式，在能源消耗和居民生活质量方面发挥着重要作用。然而，传统供热系统存在诸多问题，如能源利用效率低、供热质量不稳定、调控手段粗放等，严重影响了供热系统的经济性和可靠性[1]。为了提高供热系统的综合性能，学者们提出了多种改进措施。同时，人工智能算法的引入，也为供热系统的自主学习和优化决策提供了新思路[2-6]。基于此，本文提出了一种基于5G技术的曲线供热与二网平衡节能联动系统，旨在通过对供热系统进行全面监测和智能调控，提高供热效率，降低能耗。

2 系统架构

基于5G技术的曲线供热与二网平衡节能联动系统的整体架构如图1所示。该系统由现场监测层、数据汇聚层、智能决策层和执行控制层四部分组成。

图1 基于5G技术的曲线供热与二网平衡节能联动系统的整体架构

2.1 现场监测层

现场监测层主要负责对供热系统的关键参数进行实时采集和传输。具体包括:

（1）一次网监测。在一次网供水管路和回水管路中安装温度传感器，实时监测供水温度和回水温度。同时，在一次网回水管路中增加电动调节阀，用于调节回水温度。

（2）二次网监测。在各楼栋的二次网换热器进出口以及混水点安装温度传感器，实时监测各分支的流量和回水温度。同时，在二次网中增加电动调节阀和混水器，用于实现二次网水力平衡调节。

（3）用户温度监测。在各用户单元内安装具有远程通信功能的温度传感器，实时监测室内温度。

2.2 数据汇聚层

数据汇聚层主要负责接收来自现场监测层的各类数据，进行集中存储和初步处理。具体包括:

（1）数据采集。通过5G通信网络，将现场监测层采集的一次网、二次网及用户温度数据汇集至数据中心。

（2）数据存储。建立供热系统全参数的数据库，存储各类监测数据，为后续的数据分析和决策提供支撑。

（3）数据预处理。对采集的原始数据进行初步处理，如异常值检测、数据格式转换等，确保数据质量。

（4）数据转发。将预处理后的数据传输至智能决策层，为后续的决策分析提供基础数据。

2.3 智能决策层

智能决策层是系统的核心部分，主要负责对采集的监测数据进行分析和决策，形成相应的调控策略。具体包括:

（1）供热曲线优化。根据实时的一次网供水温度和回水温度，结合用户实际需求，动态优化供热曲线，实现一次网回水温度的精确调节。

（2）二次网平衡控制。基于二次网各分支的实时回水温度数据，采用人工智能算法对二次网水力平衡进行智能调节，确保各用户单元获得稳定的供热。

（3）室内温度控制。根据各用户单元的实时室内温度反馈数据，采用人工智能算法对二次网混水阀进行自适应调节，实现室内温度的精确控制，满足用户的舒适性要求。

3 关键技术

基于5G技术的曲线供热与二网平衡节能联动系统的关键技术主要包括以下三个方面:

3.1 一次网回水温度调节

一次网回水温度的精确控制是提高换热站热利用效率的关键。本系统在一次网回水管路中增加电动调节阀，通过实时监测供水温度和回水温度，采用PID算法对调节阀进行闭环控制，实现回水温度的精确调节。

具体控制流程如下:

（1）采集一次网供水温度Ts和回水温度Tr，计算温差；

（2）根据设定的供热曲线，确定理想的回水温度；

（3）计算回水温度偏差；

（4）采用PID算法计算调节阀的开度指令U，以减小ΔTr；

（5）执行调节阀开度调整，直至ΔTr收敛至允许范围。

通过该闭环控制策略，可以实现一次网回水温度的精确调节，提高换热站的热利用效率。

3.2 智能温控和二次网水力平衡调节

二次网水力平衡的实现是确保各用户单元获得稳定供热的关键。本系统在二次网中增加电动调节阀和混水器，通过实时监测各分支的回水温度，采用人工智能算法对水力平衡进行智能调节。具体调节流程如下:

（1）采集各二次网分支的回水温度数据，，…；

（2）根据用户需求，确定各分支的理想回水温度

（3）计算各分支回水温度偏差

,,

（4）采用人工智能算法（如强化学习）得到各电动调节阀和混水器的最优开度指令U1，U2，…，Un，以最小化所有分支温度偏差之和；

（5）执行各调节阀和混水器的开度调整，直至各分支温度偏差收敛至允许范围。

通过该智能水力平衡控制策略，可以确保各用户单元获得稳定的供热，提高整个二次网的热量分配效率。

4 性能指标及技术水平

基于上述系统架构和关键技术，本项目预期将达到以下性能指标:

4.1 供热效果

（1）用户室内温度控制在18-21℃，室内平均温度20℃。

（2）在保证为住户提供高质量供热效果的前提下，可节电和节热6%~20%。

4.2 技术水平

（1）一次网回水温度调节精度±0.5℃。

（2）二次网各分支回水温度偏差控制在±1℃以内。

（3）用户室内温度控制精度±0.5℃。

（4）系统响应时间小于5s，能够满足快速调节的需求。

（5）系统可靠性高，故障率低于0.1%。

总的来说，该项目基于5G通信技术和人工智能算法，实现了供热系统的智能化监测和精确控制，大幅提高了供热效率和用户满意度，具有较高的技术水平和应用价值。

5 工程应用验证

为验证上述系统方案的可行性和效果，本文选择某小区供热系统作为工程应用案例进行实践。该小区采用集中供热，共有10栋居民楼和2栋公共建筑，总供热面积约20万平方米。在系统改造过程中，在一次网和二次网的关键位置安装了温度传感器、电动调节阀和混水器等硬件设备，并在中控室部署了上位机监控软件。同时，在各用户单元内安装了具有远程通信功能的室内温度传感器。通过5G通信网络，将现场采集的各类数据传输至数据中心，并在智能决策层运行供热曲线优化、二网水力平衡控制和智能温度控制等算法，形成最终的调控策略。经过6个月的试运行，该系统取得了显著的节能和供热质量提升效果:（1）用户室内温度控制在18-21℃，室温均值为20℃，满足了用户的舒适性需求。（2）与改造前相比，系统总供热量降低了14%，同时供电量也下降了9%，总体节能效果达到了15%左右。（3）一次网回水温度偏差控制在±0.3℃以内，二次网各分支回水温度差控制在±0.8℃以内，水力平衡效果明显改善。

通过该工程案例的验证，本文可以得出以下结论:基于5G技术的曲线供热与二网平衡节能联动系统，能够有效提高供热系统的综合性能，是一种值得推广应用的供热系统智能化解决方案。

6 结论

通过上述关键技术的集成应用，该系统实现了供热系统的全面智能化管控，在保证高质量供热效果的前提下，可节电和节热6%~20%。经过某小区供热系统的工程应用验证，该系统不仅能有效控制室内温度在18-21℃范围内，还能大幅改善供热系统的水力平衡状况，并显著提升了能源利用效率。

未来，随着5G网络的进一步发展和人工智能技术的持续创新，基于5G的供热系统智能化将更加深入和广泛。除了本文提出的技术方案，还可以结合其他物联网和大数据技术，进一步优化供热系统的监测、分析和决策功能，实现更加智能和高效的供热管控，为城市供热事业的可持续发展提供有力支撑。

参考文献：

[1]丁云. 供热管网L值平衡控制算法的研究和应用[J]. 煤质技术, 2024, 39 (01): 41-46+53.

[2]张鑫, 侯玉玲. 数字平衡阀在供热水力平衡调控中的应用研究[J]. 区域供热, 2023, (06): 23-34.

[3]张玉中, 曲国栋, 李瑞, 李德华, 刘刚刚. 二次网平衡调节节能率计算方法及案例分析[J]. 区域供热, 2022, (01): 71-75.

[4]方飞龙, 张旭方. 流量测控平衡阀在二网平衡改造项目中的应用[J]. 工业仪表与自动化装置, 2020, (03): 93-98.

[5]马艳良. 某小区二次网水力平衡调节案例分析[J]. 区域供热, 2019, (06): 26-31.

[6]张佳琳, 万舜绪. 某小区换热站二次网循环泵节能运行方式分析[J]. 节能, 2019, 38 (07): 60-61.

[7]罗浩宇. 基于NB-IoT的二次网平衡自动控制技术[D]. 哈尔滨工业大学, 2019.