蔣竹周

摘 要：傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力較差，難以保證水力的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，且具有能源消耗大的弊端。通過(guò)對(duì)供暖系統(tǒng)動(dòng)態(tài)影響因素進(jìn)行分析，明確了綜合管線內(nèi)各支路水力穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)約束條件，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行供暖系統(tǒng)閥位域壓差值的優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析壓差最大值與最小值兩者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，計(jì)算最優(yōu)參數(shù)值，減小供暖系統(tǒng)的能耗。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出的方法可以有效降低能源消耗，具有極高的實(shí)用性，希望本文的研究能為供暖系統(tǒng)閥位域壓差值優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)約束條件;供暖系統(tǒng);閥位域

中圖分類(lèi)號(hào)：TU833 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）34-0098-03

Optimal Design of Pressure Difference in Valve Position Domain of

Heating System Based on Dynamic Constraints

JIANG Zhuzhou

（Fushan Thermal Group Co.， Ltd.，Yantai Shandong 265500）

Abstract： The traditional heating system has poor dynamic regulation ability， it is difficult to ensure the dynamic stability of water conservancy， and it will bring the disadvantage of large energy consumption. Based on the analysis of the dynamic influencing factors of the heating system， the dynamic constraint conditions for hydraulic stability of each branch in the integrated pipeline are clarified. Based on this， the optimal design of the pressure difference value in the valve position domain of the heating system is analyzed， and the maximum and minimum pressure differences are analyzed Value the dynamic relationship between the two， calculate the optimal parameter value， reduce the energy consumption of the heating system. After experimental verification， the method in this paper can effectively reduce energy consumption and has a very high practicality. I hope that the research of this paper can provide technical support for the optimal design of valve region pressure difference in heating system.

Keywords： dynamic constraint;heating system;valve field

在集中供暖系統(tǒng)中，通常采用單向回路控制室內(nèi)溫度，構(gòu)建系統(tǒng)內(nèi)熱負(fù)荷與支路的動(dòng)態(tài)關(guān)系，以及對(duì)應(yīng)的供熱負(fù)荷與各個(gè)支路之間的關(guān)系。當(dāng)水力動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定時(shí)，頻繁地調(diào)動(dòng)水管閥門(mén)，將會(huì)造成系統(tǒng)動(dòng)蕩甚至癱瘓，并極大地增加供暖系統(tǒng)的能源消耗[1]。節(jié)能優(yōu)化方法基于水力動(dòng)態(tài)平衡背景，選擇合理的優(yōu)化參數(shù)及約束條件，設(shè)計(jì)集中供暖系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化模型的算法，開(kāi)展集中供暖系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化方法研究。

1 供暖系統(tǒng)動(dòng)態(tài)影響因素分析

供暖系統(tǒng)的能量消耗受客觀因素限制，如供暖地區(qū)的供暖期時(shí)長(zhǎng)、室外溫度、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能參數(shù)等。就供暖系統(tǒng)本身而言，閥位域壓差是一種重要的動(dòng)態(tài)影響因素，以其作為動(dòng)態(tài)約束條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，結(jié)合各管線液體流量計(jì)算可得出熱力泵的實(shí)際運(yùn)行速率，根據(jù)運(yùn)行速率與智能化調(diào)節(jié)閥門(mén)的張開(kāi)程度可分析該狀態(tài)下的供暖約束條件，實(shí)現(xiàn)基于動(dòng)態(tài)約束條件的系統(tǒng)閥位域壓差值優(yōu)化。集中供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2 基于動(dòng)態(tài)約束條件的集中供暖系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方法

為分析集中供暖系統(tǒng)中的能耗因素與占比，做到節(jié)能降耗，結(jié)合集中供暖系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合理的優(yōu)化函數(shù)及約束條件，公式如下：

[Tp=maxaGp·ck2f]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[a]表示各支路管線中流動(dòng)液體的穩(wěn)定參數(shù)，取值一般為0.2～1.2;[c]表示管線內(nèi)支路數(shù)量，一般根據(jù)研究區(qū)域的居民入住率情況分析管線數(shù)量;[Gp]表示管線中水流受到阻力的阻力系數(shù)，取值一般為5.6～7.8;f表示水流流速，m/s;[k]表示管線的序號(hào)數(shù)。根據(jù)公式中有關(guān)參數(shù)的取值情況，結(jié)合供暖系統(tǒng)的綜合耗能分析，計(jì)算供暖系統(tǒng)的節(jié)能參數(shù)。集中供暖系統(tǒng)作為熱能傳輸分配典型模型，有用功即入戶熱能所占比重越高，系統(tǒng)熱效率越高;反之，能量轉(zhuǎn)換及管路消耗等無(wú)用功所占比重越大，系統(tǒng)熱效率越低[3]。基于上述供暖系統(tǒng)動(dòng)態(tài)影響因素及動(dòng)態(tài)約束條件，設(shè)計(jì)供暖系統(tǒng)閥位域的合理壓差值，實(shí)現(xiàn)集中供暖系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方法的研究。

2.1 供暖系統(tǒng)閥位域壓差值優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化壓差值可以實(shí)現(xiàn)確保支路最大張開(kāi)閥度的同時(shí)降低其能源消耗量?？紤]到優(yōu)化過(guò)程中熱力環(huán)路現(xiàn)象的出現(xiàn)[4]，將自定義優(yōu)化的壓差參數(shù)，將參數(shù)值設(shè)定在固定的節(jié)能范圍內(nèi)。為了提升水泵在壓差中的利用率，設(shè)置壓差范圍的最小值為[δmin];為了提升優(yōu)化效果，壓差的最大范圍值應(yīng)無(wú)線趨近于100%，即設(shè)定的閥位域壓差值范圍為[δmin，δmax]。同時(shí)，將其定義為優(yōu)化的范圍值，供暖系統(tǒng)的節(jié)能壓差應(yīng)在該范圍內(nèi)。接下來(lái)將結(jié)合優(yōu)化范圍，分析當(dāng)壓差處于不同數(shù)值時(shí)供暖系統(tǒng)的節(jié)能情況。

2.2 不同閥位域壓差約束下能耗分析

第一，當(dāng)[δmax<δmin]時(shí)，結(jié)合水壓泵工作時(shí)的耗能與阻抗關(guān)系可知，水泵的阻抗能力越大，供暖系統(tǒng)消耗能源越高。因此，在該種狀態(tài)下，為了減小其能源消耗，并確保壓差值控制在規(guī)定范圍內(nèi)，應(yīng)適當(dāng)拉低各個(gè)支路中的閥門(mén)開(kāi)關(guān)，提升支路水流的流量，將[δmax]控制在范圍內(nèi)的最大值。管線內(nèi)水流流經(jīng)量的合理程度是室內(nèi)供熱的基礎(chǔ)保障，結(jié)合精準(zhǔn)的熱負(fù)荷模型及室內(nèi)溫度熱負(fù)荷量進(jìn)行約束條件分析，才能確定管線水流實(shí)時(shí)流量。

第二，當(dāng)[δmax∈δmin]時(shí)，一方面可實(shí)現(xiàn)最大張度的閥位值具有相對(duì)較低的阻抗能力，另一方面又可以降低熱力環(huán)路現(xiàn)象出現(xiàn)的概率。此時(shí)，各個(gè)支路中閥門(mén)開(kāi)關(guān)或閥門(mén)張開(kāi)的程度為最適宜值，即此狀態(tài)下的壓差值為最節(jié)能的壓差值[5]。結(jié)合此時(shí)室內(nèi)的熱負(fù)荷量與室內(nèi)供熱面積大小、室內(nèi)人員密集程度、陽(yáng)光直射面積及室內(nèi)風(fēng)速流速之間的關(guān)系，計(jì)算此時(shí)閥位域壓差值。計(jì)算公式為：

[Gix=t·G′i·i·m]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[Gix]表示優(yōu)化狀態(tài)下的閥位域壓差值;[G′i]表示被動(dòng)支路[i]上底層房間溫度的第[m]個(gè)采樣值。根據(jù)公式可知，隨著[G′i]值的提升，系統(tǒng)的閥位域壓差值不斷提高，即熱力穩(wěn)定性越高。

第三，當(dāng)[δmax>δmin]時(shí)，結(jié)合水壓泵工作時(shí)的耗能與阻抗關(guān)系可知，水泵的阻抗能力越小，供暖系統(tǒng)消耗能源越高，為降低此時(shí)的能耗，應(yīng)適當(dāng)提升各個(gè)支路中的閥門(mén)開(kāi)關(guān)位置，減小各個(gè)支路的水流流量，同時(shí)控制水流流速，將[δmax]調(diào)整至最佳值域內(nèi)。在確保室內(nèi)溫度的同時(shí)降低供應(yīng)水流，應(yīng)適當(dāng)提升支路內(nèi)水流溫度，如增設(shè)支路保溫層等。相關(guān)供暖單位可通過(guò)調(diào)節(jié)智能閥門(mén)的張開(kāi)度控制舍內(nèi)熱負(fù)荷量的高低，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)基于動(dòng)態(tài)約束條件的供暖系統(tǒng)閥位域壓差值優(yōu)化。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

將本文提出的系統(tǒng)與為優(yōu)化前的節(jié)能系統(tǒng)同時(shí)應(yīng)用于同一小區(qū)的供暖中，保證供暖范圍相同、供暖面積相同、管線老化程度相近、供暖溫度相同等。設(shè)置本文系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)組，未優(yōu)化前供暖系統(tǒng)為對(duì)照組，對(duì)兩組供暖能耗進(jìn)行對(duì)比。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在保證兩組供暖環(huán)境相近的情況下，對(duì)比兩者供暖期的能耗情況，繪制成如圖2所示的對(duì)比圖。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，優(yōu)化后的供暖系統(tǒng)在供暖期可以極大節(jié)約能源消耗?？梢?jiàn)，本文提出的方法具有較高的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文開(kāi)展了基于動(dòng)態(tài)約束條件的供暖系統(tǒng)閥位域壓差值優(yōu)化方法研究，綜合考慮系統(tǒng)中的能耗因子，分層次提出節(jié)能優(yōu)化方法，以實(shí)現(xiàn)集中供暖系統(tǒng)的節(jié)能減排，在保證民生的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)環(huán)保改進(jìn)。受不同城市供暖網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的限制，具體節(jié)能方法可在本方法基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際進(jìn)行實(shí)施，希望為相關(guān)供暖單位節(jié)能減排提供技術(shù)指導(dǎo)。

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