城市智能热网仿真与控制技术

天津大学  建筑环境与能源应用工程系城市智能热网仿真与控制技术着力打造全球领先的热网控制技术王雅然  特聘研究员 | 博导 | 博后导师Dynamic Simulation and Control Techniques of Urban District Heating NetworkCONTENTS01 双碳背景下的城市供热困境目录破局途径02零碳热源关键技术03城市热网动态水力仿真技术04城市热网动态热力仿真技术05城市热网全局优化调度06城市热网数字孪生技术07产品与落地应用08智能热网的 AI 融合技术展望09PART ONE双碳背景下的城市供热困境减碳压力下的大热网发展困境：ü 主力热源均为高排碳热源；ü 下一步减碳重点就在于如何寻找低碳替代方案，但为了保证特大城市供热需求，大规模建设集中式低碳/零碳热源成本极高。天津市中心城区供热“一张网”：ü 总供热面积 8204 万平米；ü 4 座热电厂，6 座调峰锅炉房，4 座地热井；ü 热力站 2100 余座，最大能力 5.3 GW；负荷 (MW)푡￿,￿￿￿外温푡￿,￿￿￿延续时间军粮城热电厂杨柳青热电厂燃气锅炉푡￿￿푡￿￿东北郊热电厂陈塘庄热电厂燃煤锅炉天津市超大规模“一张网”总供热面积8204 万m2换热站2110 座热源4 座热电厂6 座锅炉房 4 座地热井最大供热能力5.3 GW横跨直线距离40 km双碳背景下的城市供热困境01PART TWO破局途径破局途径02几个核心问题：热网低碳化势必意味着需要进行热源替代，根据地区资源形势和禀赋，太阳能、地热、空气源热泵、地源热泵、核能供热等均为有力候选者；I.上述低碳/零碳热源除核能外，均不适宜在大型城市进行大规模集中建设，而核能安全性要求高（福岛后，我国全面停止核能新项目审批，目前已重启开始）；II.如果采用分布式建设的热源替代方式，那么大热网又将何去何从？因为大热网存在的意义就在于将集中的电厂余热输配到城市各个角落，未来热电厂逐步削减，甚至退出，大热网究竟还是否必要？近10年的并网、联网布局、建设和发展是否完全白费？从电网安全稳定的角度，热电厂应作为备用容量保留一部分，这部分电厂供热出力变为被动热源可行路径：I.少部分热电厂保留，其余燃气锅炉陆续替代、退出，代之以区域型分布式可再生热源，例如：空气源/能源塔热泵、地热（取水、中深层），小区级别的系统为佳；II.部分区域空间充足的条件下（如：城市远郊），可建设集中式太阳能集热场 + 跨季节储热，充分利用空间资源及现有大热网基础设施；III.区域二级网、一级大热网均实现弹性化、智慧化运行调控；IV.形成：“集中式余热互补 + 分布式调峰/储能”的特大城市超大热网低碳化的逐步转型路径，充分发挥。从实现步骤来看，应逐步增大分布式热泵、太阳能、地热的占比，逐步提升大热网的调节灵活性破局途径02PART THREE零碳热源关键技术太阳能集热场I.槽式太阳能集热器 + 平板型太阳能集热器阵列：可实现 90 ~ 110℃ 中高温一级网供水。II.课题组研发了：“具有新型腔式吸热器的槽式太阳能集热器”、“V 型波纹多通道太阳能平板集热器”，可实现上述零碳方案。零碳热源关键技术03零碳热源关键技术：地热高效利用技术03创新点：首创了利用快速非稳态仿真，实现中深层地下换热过程动态优化调控，充分利用单钻孔换热过程的旋转对称性，使中深层3D换热过程的快速实时优化成为现实。意义与影响：研发了首套基于地下换热过程 3D 仿真的中深层地热能供热系统优化控制平台，并在天津学苑供热站落地应用，节省热泵和循环泵电耗达15%，应用前景极为广阔。01234567020406080100出口水温 (℃)时间 (天) 模拟值 实验值 相对误差0510相对误差 (%)入口15℃入口18℃入口20℃858687888990910100200300400取热功率(kW)时间 (天))0153045607590 105 120 135 150020040060080010001200140016001800取热功率(kW)时间 (天) 入口水温15℃ 入口水温18℃ 入口水温20℃10152025303540451015202530354045地埋管换热器夜间运行流量Q1,2 (m3/h)地埋管换热器白天运行流量Q1,1 (m3/h)753.0794.5836.0877.5919.0960.5100210441085总耗电量 (kWh)搜索路径空气源热泵I.目前，空气源热泵技术已发展得比较成熟，“一栋一机”配置，可实现非常灵活和高效的运行，且降低输配损耗，适宜住宅和公建。II.办公楼、学校、商场等公建的供热、供冷可采用分布式空气源热泵解决方案，能够兼顾供冷。零碳热源关键技术：空气源热泵03容量冷凝温度容量 （kW）冷凝温度功率输入蒸发温度（℃）R225.5 ℃ 过冷度11 ℃ 过热度1740 rpm 压缩机转速输入功率（kW）实践表明，单级压缩热泵，相同冷凝温度下，随着室外气温的下降：• 供热能力迅速下降，平均供热量衰减率：室外气温每降 5℃，供热量下降 10~25%。• 性能系数也迅速下降，平均 COP 衰减率：室外气温每下降 5 ℃，COP 下降 15 ~ 30 %但由于，室外温度降低，负荷随之提高，空气源供热能力不足问题凸显，室外气温低于 -20 ℃时，空气源热泵供热能力不足额定供热量的 35%。当室外温度过低，压缩机的压缩比过大，一般会采用喷气（液）增焓、双级压缩等技术。零碳热源关键技术：空气源热泵0310020030040050060070001002003004005006000距离 (m)锅炉房二次网集成供热一次网二次网换热站空气源热泵地源热泵板换用户一次网空气源、地源热泵板换用户一次网空气源、地源热泵零碳热源关键技术：二网调峰集成方式03源• 对负荷的快速/精确的响应；• 冷/热源的预估补偿控制；• 冷/热源最优分配控制；• 先进冷/热源装备研发；• 冷/热源的高效在线仿真网荷储• 稳定、健壮的输配系统水力平衡及优化技术；• 动态工况的在线预测和优化控制技术；• 快速漏损诊断技术；• 建筑负荷的快速高精度识别及预测；• 与用户的互动机制；• 房间舒适度识别与动态调优技术；• 跨季节储热；• 高性能相变蓄能、冰蓄冷；• 蓄释能高效换热• 蓄能系统状态估计技术• 滚动时域优化控制技术调度输配预测储能定义（智能热网）：具有多目标自趋优运行能力的供热系统。“多目标”的含义：供热系统能够达到：1）保证末端的负荷需求；2）输配系统水力/热力工况的实时动态优化；3）对热源进行优化调度； 4）实现故障工况下快速应对；“自趋优”的含义 ：能够自动进行参数适应、控制、调度、故障诊断等功能。零碳热源关键技术：智能热网控制0310PART THREE城市热网动态水力仿真技术城市热网动态水力仿真技术——现状04目前，我国的热网水力仿真的应用，大部分为通过静态水力分析软件进行离线计算，实现设计优化、运行方案制定这种“基于运行方案离线分析”的调控模式给大热网运行带来诸多问题：1、对于大规模、复杂热网，需离线分析大量运行方案，重复工作，且不一定能涵盖全部情况；2、目前的离线分析方法均基于静态方法，