集中供热系统建模与分析

集中供热系统建模与分析

王冲

哈尔滨香坊物业供热有限责任公司热源中心 黑龙江省哈尔滨市 150000

摘要：集中供热是我国北方地区城市冬季采暖的主要方式之一。据统计，2017年中国建筑能源消费总量约为9.47亿吨标准煤，占全国的总能源消费的21.10%，其中公共建筑能源强度最高，能耗达到30.35千克标准煤/(m·a)，2且一直保持增长趋势。我国北方采暖能耗消费总量为2.01亿吨标准煤，占总建筑能源消费的21.22%。根据我国节能减排目标，到2030年北方城镇采暖建筑的实际运行能耗强度不超过10.5千克标准煤/(m2·a)。我国供热系统未来发展方向主要是提升供热系统运行效率、增加热网可靠性能以及降低供热系统能耗。目前我国的集中供热系统多向多热源环状管网转型，使得热网的拓扑结构更加复杂，热用户的舒适性需求也更高，因此对集中供热系统的运行调节能力提出更高的要求。

关键词：集中供热系统；建模；分析；

引言

在技术飞速发展和进步的当下社会，智慧供热也引发了人们密切关注。特别是借助互联网、大数据等先进技术，提高大型供热管网治理能力，将智慧供热技术应用到大型供热管网当中，在实现热网运行状态有效监测管理的同时，也能以人们需求为中心，切实做好消费侧热负荷预测工作，甚至可以根据生产计划进行科学调整，在提高热网系统热效率的基础上，取得节能降耗、线路优化、故障预警等效果。鉴于此，对智慧供热技术在大型供热管网中的应用展开研究与分析。

1我国城市集中供热控制系统的发展现状

近年来，我国科技不断发展，自动化控制系统应用在人们生活的方方面面，人们生活条件提高，追求更高质量的生活品质，加剧了自动化控制系统的普及和应用，自动化控制系统在集中供热系统中的应用取得了不错的成果，给人们提供更高质量的服务。自动控制系统的运行，给集中供热提供有效的技术支持，在运作过程中可以实现对温度的自行控制，使得室内温度在供热系统的自我调节下能控制在一个规定的范围，避免波动太大带来的不良体验。我国在自动控制系统部署中也存在一定的弊端，在接收到自动控制系统带来的优势以后，人们逐渐对自动控制系统更加认可，并且支持集中供热系统的发展。目前，就技术层面而言，自动控制系统已经完全融入国外的发展中，但是我国由于技术、水平以及经济等方面的制约，城市集中供热系统与国外的发展仍有一定的距离。

2水力建模

关于热网稳态水力建模大多是基于集中供热方式，并且伴随着计算机技术的不断发展，开发出了一些热网监测的软件，可以对热网进行多工况实时分析。早期开始对管网水力进行计算，提出管网回路流量法和节点分析法，对后续的研究工作打下坚实基础。针对供热管网的数学建模以及求解方法方面，已有很多研究成果。利用线性化理论求解管段方程，并利用有限元分析法解节点方程。改进集总参数法计算出的节点温度，通过迭代法带入测量温度，并且模拟热网与热用户之间的供热需求变化。运用图论的方法对热网水力工况进行仿真计算，并且基于管网的基本回路法和节点分析法开发出新的计算程序，并对集中供热管网的初调节提出模拟分析法，还利用图论的方法开发HXW程序，该程序适用于环状网集中供热的水力计算。针对变流量调节给出定量调节的方法。针对不同供热系统得出可供供热管网的设计和运行调节的结论，并针对多热源环状管网提出混合遗传算法求解的方法。针对空间管网平差给出相应的水力工况模拟和分析方法，还通过图论的方法对管网的拓扑结构进行描述，分别给出多热源环状网用户侧或热源侧有无流量调节装置的计算方法。针对枝状管网水力建模开发了水力工况计算程序。针对多热源环状网的实例进行水力计算和事故分析，给出提高热网稳定性的措施。

3热力建模

3.1稳态热力建模

水力工况的研究已趋于成熟阶段，而对于热力工况的研究仍然处于初步探索阶段。给出计算热源供热量的数学模型，并且提出是否考虑蓄热时热源的供热量并进行对比，合理地提出更节能的供水温度。利用等效网络法建立管网模型，并通过多种模拟方式对该模型进行验证。建立集中供热系统稳态热力模型，并开发能求解一次网运行能耗费用的软件系统，对集中供热系统优化调节。

3.2动态热力建模现状分析

早期有关机理建模研究的热力动态模型是供热管道的集总参数模型。在该模型中假设每根管道都是集总热容，热水的集总温度等于管道进出口的平均温度。这种方法的缺点是只假设一个集总热容，不能准确描述管道的分布参数特性。更进一步的方法是节点法，通过计算流体质点在管道内两节点之间运动所需的时间，计算进出口温度的延迟，再确定进出口温度随时间的波动，进而计算各个时刻的温度。利用节点法对集中供热系统进行热动态分析，得到热媒在进行动态传输时温度波形的改变。提出一种描述热动态的时滞微分方程。

4集中供热系统控制方案

4.1科学应用平衡阀

在实现供热运行调节时，相关人员需要对系统的运行情况深入分析，然后利用平衡阀对其进行科学调节，确保能够使其水压实现最优，有效应用平衡阀可以使水力失调问题得到有效解决。所以，对于供热管网系统而言，相关人员需要针对系统需求进行平衡阀的合理安装，通过科学开展水利平衡措施，对其水利失调问题进行有效解决。

4.2PLC自动控制

近年来信息技术获得了快速发展，其应用范围也逐渐扩大，促进了企业生产效率的不断提高，为企业带来了良好的经济效益。通过将PLC控制器和触摸屏有效的运用于集中供热系统的控制工作中，能够实现热网温度的自动调节，进而达到无人值守的目的，在降低运行成本的同时，能够满足热用户的供暖需求，PLC控制的优势如下所示。PLC控制能够对整个集中供热系统进行实时的控制，对其运行状态、温度、压力以及流量等重要的运行参数进行监控记录，并且还能根据运行参数的变化对供热系统进行实时的调节，进而确保系统的安全运行。PLC控制系统中的计算机监控通过其内置的上位机软件对系统的运行数据进行分析，并初步估算出当天的热用量，确保供热量与需求量之间保持平衡，进而实现科学合理的量化管理，避免不必要的能量浪费，提高能源的利用率。此外，在进行供暖的过程中，由于室外参数一直处于变动的状态，在建筑热惰性的影响下，供热过程中最直观的表现就是温度上的滞后性，通过PLC的有效控制就能提供人性化的供热服务。

4.3供热系统中应用到的自动控制软件

自动控制软件就像人的大脑一样，是自动控制系统的核心，主要是对数据进行分析和处理。通过对自动控制软件的全局操控作用，集中供热系统在运行的过程中可以控制室内的温度，让其保持恒温运行。自动控制软件通过传感器得到热网循环水的温度、调节阀以及压力等的控制参数。在收集到相关的数据之后，自动控制软件可以根据自身的情况对数据进行分析和处理，可以保证数据的准确性，然后向各个设备发出信号指令，来保证整个系统的正常运作。此外，自动控制系统利用信息技术的优势可以对所得数据进行加密处理，还能远程控制电气自动控制设备，给系统运行提供更加安全的环境。

结束语

由于我国城市供热系统的构建时间不一样，地理位置存在差异，管网的结构形式也存在多样性，不论是对于热网建模的仿真分析，还是对于整个供热过程分布进行建模仿真分析，仍存在许多问题需要解决，在进行建模时还需注意系统的适用性。

参考文献

1. 中国建筑节能协会.2019中国建筑能耗研究报告［J］.建筑，2020（7）：30-39.

2. 梁金涵，章文杰，林常青，等.新型城镇化背景下中国建筑能耗总量分析与政策建议［J］.制冷与空调，2020，34（2）：175-184.

[3]王雅然.集中供热系统动态特性分析与鲁棒优化控制研究［D］.天津：天津大学，2017