《智慧供熱系統工程》總結了浙江大學“智慧能源系統”團隊在智慧供熱及綜合能源領域的多年積累,旨在為讀者提供一個全新的能源領域智慧化轉型視角。本書以智慧供熱技術和系統架構為開篇,探討了智慧化技術在供熱領域的應用現狀與發展方向。進而圍繞供熱系統的低碳化,引出大型城鎮集中供熱系統和工業園區綜合能源系統的智慧化問題,通過將智慧化深度融入供熱及綜合能源系統,闡述低碳綜合能源的規劃與優化調度技術。本書的特色是緊密結合了團隊自“十三五”以來牽頭承擔的國家級項目研究成果,以技術成果為主軸,以系列智慧能源工程為示范案例,深入淺出地闡述智慧化技術在實際場景中的應用價值和效果,為讀者提供生動直觀的實踐經驗。
本書可以帶領讀者了解智慧能源、智慧供熱、綜合能源系統的理論方法與技術,適合從事能源系統數字化轉型與智慧管控的工程師、研究生及本科生學習參考,同時適用于有志從事城鎮供熱、綜合能源領域的相關職能部門人員及對智慧能源感興趣的讀者。

“雙碳”目標為中國能源行業轉型注入了強勁驅動力。我國實現“雙碳”目標的三大關鍵領域是工業、建筑和交通。本書主要討論的供熱技術與工業及建筑兩大領域密切相關,且貫穿了經濟與民生發展兩大社會主線。在人工智能時代,如何以智慧能源技術驅動供熱系統的低碳化和智慧化,推動工業和建筑領域的碳中和,是值得我國能源行業從事者深思的問題。本書旨在探討現代供熱系統工程智慧化發展方向,追溯供熱領域智慧化的脈絡,使讀者能夠深入了解供熱領域的前沿技術、工程實踐和未來發展趨勢。本書不僅包含了供熱系統工程原理的分析,更通過闡述機理建模方法、優化技術、人工智能方法在供熱智慧化中的應用方式與落地場景,從面向未來低碳綜合能源系統的角度討論了供熱系統未來的演變路徑,致力于為讀者呈現一個全新、全面的智慧供熱系統工程。
本書分為八章。開篇從智慧供熱的基礎概念和系統架構開始,討論了智慧化技術在供熱行業的應用及其背后邏輯,包括城市民用供熱系統一級網和二級網的靈活精準調控技術。接著,進一步討論北方供暖之外的我國工業園區蒸汽供熱系統的運行優化技術,并以此為契機引入綜合能源系統及多能流管控技術。最后,介紹了一系列智慧供熱和綜合能源系統的工程實踐案例,通過深入案例分析,幫助讀者更好地理解和應用所學知識。總體而言,本書以供熱系統及其智慧化開篇,以面向碳中和的新型綜合能源系統結尾,希望通過介紹智慧化技術在供熱系統和綜合能源領域的發展歷程及其關鍵技術,為讀者提供一個前瞻性、綜合性的視野。本書具體編寫分工如下：鐘崴負責第1章與第8章,林小杰負責第2~7章,全書由鐘崴進行統稿。中國節能環保集團杜玉吉博士和北京市熱力集團李仲博博士為第8章的內容提供了寶貴建議。本書的順利完成也受益于浙江大學陳嘉映、孫鑫南、李昊、黃偉、張淑婷、封恩程、劉少雄、毛熠輝、戴哲、章楠、蔡晨鈺、章寧、周瑜婷、羅政、王家樂、王松杰等同學的支持與幫助。
《智慧供熱系統工程》適用于從事供熱和綜合能源領域的工程師、研究生以及對智慧能源感興趣的讀者。智慧能源是鏈接“雙碳”目標和能源行業升級的核心技術,是第四次工業革命已奏響的澎湃樂章。希望這本書能夠激發讀者對智慧能源技術的興趣,共同推動我國供熱行業邁向更低碳、更智慧、更可持續的未來。
本書的編寫需要感謝國家自然科學基金(51806190)和科技部國家重點研發計劃項目(2023YFE0108600、2022YFB3304502、2019YFE0126000)的支持。在此一并表示感謝!
本書涉及供熱、綜合能源、人工智能等多個領域,由于作者自身學識水平有限,書中難免出現疏漏和不足之處,懇請讀者不吝賜教,以促進本書的完善。

鐘崴

第1章　緒論001
1.1　我國供熱行業發展現狀 002
1.2　清潔低碳供熱和綜合能源系統 004
1.2.1　智慧供熱的定義 009
1.2.2　智慧供熱總體技術路線 013
1.2.3　智慧供熱總體技術架構 021
1.3　總結 026
參考文獻 026

第2章　供熱系統一級網“源網”協同調控技術029
2.1　供熱一級網調控技術概況 030
2.2　智慧供熱系統一級網及其關鍵設備建模方法 031
2.2.1　基于圖論的供熱網絡建模方法 031
2.2.2　燃氣鍋爐單元建模 036
2.2.3　熱電聯產機組建模 038
2.2.4　供熱系統儲熱模型 041
2.3　智慧供熱系統“源-網-荷”協同多目標運行 045
2.3.1　智慧供熱系統多目標優化指標體系構建 045
2.3.2　智慧供熱系統多目標優化指標權重確定 046
2.3.3　供熱系統“源-網-荷”協同多目標實時優化模型 051
2.4　大型智慧供熱系統一級網調控技術 056
2.4.1　大型智慧供熱系統一級網優化調度總體框架 056
2.4.2　大型智慧供熱系統一級網運行結構 058
2.4.3　大型智慧供熱系統一級網調度尋優方法 060
2.5　總結 072
參考文獻 072

第3章　供熱系統二級網按需精準調控技術074
3.1　二級網調控技術概況 075
3.2　二級網流量優化調節 076
3.2.1　流量優化理論基礎 076
3.2.2　變頻水泵調節特點 077
3.2.3　流量優化調控策略 078
3.2.4　熱計量技術與按需供熱 078
3.3　基于數據的二級網負荷預測和預測性調控 084
3.3.1　機器學習理論及常見算法原理 085
3.3.2　基于機器學習的供熱系統預測建模流程 092
3.3.3　模型評價指標 096
3.3.4　熱負荷預測方法 097
3.3.5　二級網溫度延遲辨識及預測 099
3.3.6　熱力站預測性調控建模研究 108
3.4　常見二級網按需精準調控技術 116
3.4.1　二級網調控技術要點 116
3.4.2　分布式變頻泵技術 119
3.4.3　樓宇換熱站調控技術 121
3.4.4　二級網智慧感知與狀態檢測技術 123
3.5　總結 126
參考文獻 127

第4章　靈活智慧供熱技術128
4.1　靈活智慧供熱背景 129
4.2　供熱系統靈活性量化模型和分析方法 130
4.2.1　供熱系統靈活性的構成 131
4.2.2　供熱系統靈活性的分析方法 135
4.3　面向可再生能源接入的多能互補供熱系統靈活優化調度 140
4.3.1　考慮運行經濟性與靈活性的供熱系統多目標優化調度方法 141
4.3.2　面向可再生能源接入的供熱系統優化案例 146
4.4　總結 164
參考文獻 165

第5章　面向太陽能消納的供熱系統粒度分析方法和優化規劃166
5.1　國內外零碳供熱系統現狀 167
5.1.1　供熱系統優化研究現狀 167
5.1.2　含供熱綜合能源系統優化研究現狀 170
5.2　基于互補結構配置的供熱系統規劃典型日動態選取方法 171
5.2.1　基于互補結構配置的典型日動態選取方法 172
5.2.2　基于互補結構配置動態選取典型日的兩階段優化規劃流程 176
5.2.3　算例研究 178
5.3　供熱系統粒度分析方法及二級網經濟安全規劃 187
5.3.1　供熱系統粒度分析方法及綜合效益評估 188
5.3.2　基于粒度分析的供熱系統二級網規劃分析方法 193
5.3.3　粒度視角的供熱系統二級網經濟安全規劃案例 197
5.4　基于粒度的二級網太陽能消納能力提升規劃 206
5.4.1　太陽能消納及儲熱容量配置優化 207
5.4.2　配置方案分析與評估 209
5.4.3　算例介紹 210
5.4.4　太陽能消納分析 211
5.4.5　儲熱配置優化分析及技術經濟性計算評估 213
5.5　總結 219
參考文獻 220

第6章　工業園區蒸汽供熱系統建模和運行優化224
6.1　基于Modelica 的蒸汽管網系統建模分析 226
6.1.1　工業蒸汽管網熱工水力計算模型 227
6.1.2　基于Modelica 的動態特性建模仿真 237
6.1.3　基于Modelica 的蒸汽管道熱工水力動態特性研究 250
6.1.4　基于Modelica 的蒸汽管網暖管與儲能特性研究 258
6.2　基于需求響應的工業園區蒸汽供熱系統優化運行技術 262
6.2.1　需求響應相關理論 263
6.2.2　熱力系統需求響應分析 266
6.2.3　蒸汽供熱系統需求響應技術方法 268
6.2.4　蒸汽供熱系統用戶構建及負荷特性分析 272
6.2.5　蒸汽供熱系統多目標分時汽價優化模型 289
6.3　總結 301
參考文獻 302

第7章　考慮供熱系統特性的工業園區綜合能源建模和優化調度303
7.1　多能流系統綜合網絡建模 304
7.1.1　流體網絡熱工水力動態模型 304
7.1.2　電能網絡潮流計算模型 307
7.1.3　能量耦合轉換設備模型 310
7.1.4　綜合能源系統計算流程 311
7.2　流體網絡動態輸運解析模型與動態管存量化模型 312
7.2.1　流體網絡動態輸運過程及儲能分析 312
7.2.2　流體網絡動態輸運解析模型 315
7.2.3　流體網絡動態管存量化模型 322
7.3　工業園區綜合能源系統優化調度 326
7.3.1　綜合能源系統儲能環節分析 326
7.3.2　綜合能源系統優化調度總體技術路線 330
7.3.3　綜合能源系統仿真模型構建 332
7.3.4　考慮管網儲熱的熱負荷削峰填谷分析 344
7.3.5　考慮儲熱的綜合能源系統日前運行優化調度 346
7.4　計及流體網絡管存的工業綜合能源系統優化調度方法 352
7.4.1　計及流體網絡管存的工業綜合能源系統優化調度模型 352
7.4.2　算例仿真分析 356
7.5　總結 371
參考文獻 372

第8章　智慧供熱系統工程實踐案例373
8.1　上海化學工業區智慧蒸汽熱網系統 374
8.1.1　案例背景 374
8.1.2　技術方案 374
8.1.3　實施效果和系統效益 375
8.1.4　小結 378
8.2　北京智慧城市供熱系統運行調度優化 378
8.2.1　案例背景 378
8.2.2　技術方案 379
8.2.3　實施方式和預期效益 382
8.2.4　小結 384
8.3　杭州醫藥港小鎮區域綜合能源系統 385
8.3.1　案例背景 385
8.3.2　技術方案 385
8.3.3　預期效益 390
8.3.4　小結 390
8.4　大慶某小區樓宇智慧供熱精細化管控 391
8.4.1　案例背景 391
8.4.2　技術方案 392
8.4.3　實施方式和預期效益 393
8.4.4　小結 394
8.5　雄安新區市民服務中心綜合能源系統 395
8.5.1　案例背景 395
8.5.2　技術方案 396
8.5.3　實施方式和預期效益 398
8.5.4　小結 398