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摘要: 目前我国城市供热方式多以热电联产、集中供热为主导采取多种方式相结合的供暖方式。分析供热系统中能源消耗的几个控制方向，最大程度地发掘供热系统中的节能潜力，以便对供能系统的设计、运行、管理给出重要的指导意见，在我国严峻的能能源形势下，以求相对缓解能源紧缺对供热事业引起的不良影响。
关键词：集中供热供热管网供热方式优化方案
Abstract: Atpresent our country city heating way to more co-production, centralized heat supply for the leading various ways of combining heating method. Analysis of the heating system in energy consumption several control direction, the greatest degree of energy saving potential explore heating system, so as to offer can the design of the system, operation and management of the guiding opinions are important in our serious can energy situation, the relative ease of to the energy shortage caused by the effect of heat-supply enterprise.
Key words: the central heating heating network heating way optimization scheme
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
前言：随着基础建设规模的扩大和工程投资的不断增加，供热管网的优化设计越来越受到人们的重视。进行集中供热管网的优化设计研究，不但对节约工程投资、降低供热能耗、提高企业效益等有着重要的意义，而且也是实现供热可靠和安全运行的重要保证。由于供热管网的优化设计在供热工程中占有重要地位，国内外学者对其进行了广泛而深入的研究，提出了多种优化设计方法，但这些方法在实际应用中均存在一定的局限性。本论文力求在解决集中供热管网的布局优化和参数优化通用问题上作以探索性的研究
1我国集中供热事业的发展及现状
我国城市集中供热从50年代开始起步。近年来，随着改革开放的深入，国民经济的发展和人们生活水平的提高，人民的居住环境不断改善。我国的集中供热事业得到了迅猛发展。北京、天津、沈阳、大连、长春、西安等城市每年都改建和新建一些居住小区，使城市建设水平和居民生活水平得到不断的改善与提高。这些小区从几万平方米到几十万平方米不等，大多采用集中供热。随着供热事业的发展，集中供热已从大城市走向中小城镇，从机关单位、公建普及到居民采暖。近二十年来，国民经济的迅速发展，节能工作日益受到重视和开放政策的实施，使我国集中供热事业，无论在规模和供热技术方面，都有很大发展。我国政府采取了一系列措施，推广集中供热技术的应用。1986年国务院以国发(1986)22号文件转发《关于加强城市集中供热供冷管理报告》以后，集中供热有了更大的发展。在其后颁布的“节约船源管理暂行条例”第29条规定，“发展集中供热，应当统一规划。对现有的分散供热系统，必须积极采取措施，逐步淘汰低效锅炉，实行集中供热。”
2供热系统存在的问题
供热系统组成如图所示：
經过20年的努力，我国城市集中供热己具备一定的规模，但当前的供热系统还存在一定的缺陷。主要表现在：
a．热源
以煤炭为燃料的集中供热方式污染严重，初投资大。具体表现在：
(1)分散小锅炉房较多，浪费能源，污染环境，而国家缺乏针对发展集中供热立法和强制政策措施；
(2)特大城市和大城市现有热电厂、区域锅炉房的单机容量偏低，能源利用率低，热能浪费严重，供热成本高；
b．热用户
用户应用技术发展是城市供热产业中最薄弱的环节，主要是由于计划经济时期福利“包烧制”供暖制度造成的。
c．热网
(1)管网布局不合理。随着城市的发展，新建和翻新了许多工业和民用建筑，新增了不少支管线。但是，这些后续用户在上供热管网时，大多没有进行计算，管道的敷设一段一段地施工，使一些管线呈单一枝状延伸。甚至，为满足新用户的热负荷需求，采取加粗管道的方法，二次网出现了热水由细管道流向粗管道的不合理现象。
(2)静态运行模式。在全球能源匮乏的当今，寻找一种在确保供热品质前提下，能有效节能的供热系统运行方案就显得很有意义。目前的调节方案主要有以下几种：即质调节，量调节，质、量并调。这几种调节方案都是从静态出发，忽略了供热系统的热惰性，引起能量损耗。热网的逐日逐时总供热量应与热用户逐日逐时的总热负荷始终保持一致。否则，或热用户平均温度偏高，造成能源浪费；或平均温度偏低，降低了用户的舒适感。室外温度变化时，一般来说十几个小时后房间温度才能起变化，以上各种静态调节方法都是假定室温在很短时间内发生变化并达到稳定，忽略了供热系统的热惰性”。
3．热力管网系统设计理论研究
流体通常是采用管道进行输送的。不同管径的多根管道连接起来，并具有一个或多个流体流入口与流出口的系统称为管网系统，简称为管网。在石油、化工、供热等行业中，管网成为了最重要的系统之一。在管网中，最具有代表性的管网是输送热流体的管网，并把这种管网称为热网。因为热流体在该管网输送中，不仅存在着流动中的压力损失，而且还存在着流体向管道外环境的散热损失。所以，对热网设计问题的研究成果，完全可以应用于其它输送流体的管网设计中。对于管网系统的设计、运行状况的分析、运行优化与控制以及改造等，必然涉及着管网系统的技术性、节能性和经济性问题，多数情况下还涉及着这三者之间的综合问题。所谓管网系统的技术性，就是反映实现设置管网系统技术目的的性能和效果，如管网系统中流体的流量、温度和压力是否能达到预期的合理分布以及系统的柔性等；管网系统的节能性，则是在满足技术性的条件下，体现它在输送流体过程中的能耗损失状况；而管网系统的经济性，就是在满足技术性的条件下，反映建设管网系统所付出的经济代价。在工业生产和供热工程中，都需要设置热网，通过热流体如热水或水蒸汽等，把热能从热源输送到热用户处。最常见和最为普遍采用的热网是树状热网，它的特征是从热源到任何一个热用户的输送管路只有一条，没有回路或不含有圈。图3一l显示的就是树状热网。
热网的设计，需考虑它的技术性、初投资和运行中的能量输送损失这三个方面，属于集技术目标、经济目标和能量目标综合一体的决策问题。对于一个布局己定的树状热网的设计，如图3一l，存在着寻求这三个目标综合起来的参数优化问题，即：在某些管段(管路1上选择恰当的管道管径，不仅使热网各分流节点的水力平衡程度高，以达到保证向各热用户提供所规定的设计热负荷，而且还使热网运行的水力稳定性好，这就是热网设计的技术目标；优选出各管段的管径和保温层厚度，使热网建设的初投资最小，这就是热网设计的经济目标；优选出各管段的管径和保温层厚度，使热网在运行过程中，流体所形成的压力损失和散热损失都最小，这就是热网设计的能量目标。然而，技术、经济和能量这三个目标之间是矛盾的。例如，追求高的经济目标，将导致降低热网运行的能量目标。所以，如何将这三个目标统一起来，形成一个综合的目标，是解决布局己定的树状热网设计最优化的关键问题。当然，在设计热网时，是按照给定的各用户设计热负荷即静态值来设计的，而达到设计的技术目标是通过在某些管段上选择恰当的管径来实现。尽管在热网的运行期间，还需进行运行调节的工作，以确保热网能向各用户提供所需的热负荷。尤其是当某些用户的热负荷改变较大时，更需要进行热网的运行调节。但是，如果所设计的热网具有高的技术性能，那么它就表现出高的水力稳定性，从而能有效地减轻热网运行调节的工作量，减轻对其它用户所供热负荷的波动和调节难度。
确定热网的布局同样也涉及到技术、经济和运行能耗的问题，是一个寻求这三个目标综合最优的布局优化问题。具体表现为：当热源和各热用户的地理位置给定后，在各热用户与它相邻的热用户之间，根据地理条件的许可，就存在着是否布置管道的多种选择。对于各热源与它相邻的热用户之间，也同样如此。把各种可能的选择汇集起来就形成了确定布局最优的树状热网的寻优域，它在平面上构成了一个含有多个圈的连通图，如图3—2如何从这个连通图中选择出一个最小树，即布局最优的热网，是热网设计的布局最优化问题。布局优化所确定的是热网的布局形状和管路走向，而参数优化确定的是布局给定下的热网各管段的设计参数，它们属于不同类型的优化问题。由于热网的布局优化与参数优化是紧密相关的，不能脱离参数优化而独立进行布局优化，所以需同时进行系统总体的布局与参数的优化。当这两者交织起来，就必然出现在布局寻优计算的搜索过程中，每步搜索都需重复性地进行参数优化，从而导致热网寻优的烦琐性、难度和较大的计算工作量。所以，要实现热网设计的最优化，就应当解决热网的技术、经济和能量综合一体的决策问题，研究如何在布局优化之时能有效地处理参数优化的问题。
参考文献：
【1】尹娟．城市集中供热管网优化[D]．天津：河北工业大学，2005：3
【2l李德英．供热l：程[M】．北京：中国建筑工业出版社，2004：1-30，121—122
【3】贺平，孙刚．供热工程[M]．北京：中国建筑工业出版社，1993：1-16
关键词：集中供热供热管网供热方式优化方案
Abstract: Atpresent our country city heating way to more co-production, centralized heat supply for the leading various ways of combining heating method. Analysis of the heating system in energy consumption several control direction, the greatest degree of energy saving potential explore heating system, so as to offer can the design of the system, operation and management of the guiding opinions are important in our serious can energy situation, the relative ease of to the energy shortage caused by the effect of heat-supply enterprise.
Key words: the central heating heating network heating way optimization scheme
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
前言：随着基础建设规模的扩大和工程投资的不断增加，供热管网的优化设计越来越受到人们的重视。进行集中供热管网的优化设计研究，不但对节约工程投资、降低供热能耗、提高企业效益等有着重要的意义，而且也是实现供热可靠和安全运行的重要保证。由于供热管网的优化设计在供热工程中占有重要地位，国内外学者对其进行了广泛而深入的研究，提出了多种优化设计方法，但这些方法在实际应用中均存在一定的局限性。本论文力求在解决集中供热管网的布局优化和参数优化通用问题上作以探索性的研究
1我国集中供热事业的发展及现状
我国城市集中供热从50年代开始起步。近年来，随着改革开放的深入，国民经济的发展和人们生活水平的提高，人民的居住环境不断改善。我国的集中供热事业得到了迅猛发展。北京、天津、沈阳、大连、长春、西安等城市每年都改建和新建一些居住小区，使城市建设水平和居民生活水平得到不断的改善与提高。这些小区从几万平方米到几十万平方米不等，大多采用集中供热。随着供热事业的发展，集中供热已从大城市走向中小城镇，从机关单位、公建普及到居民采暖。近二十年来，国民经济的迅速发展，节能工作日益受到重视和开放政策的实施，使我国集中供热事业，无论在规模和供热技术方面，都有很大发展。我国政府采取了一系列措施，推广集中供热技术的应用。1986年国务院以国发(1986)22号文件转发《关于加强城市集中供热供冷管理报告》以后，集中供热有了更大的发展。在其后颁布的“节约船源管理暂行条例”第29条规定，“发展集中供热，应当统一规划。对现有的分散供热系统，必须积极采取措施，逐步淘汰低效锅炉，实行集中供热。”
2供热系统存在的问题
供热系统组成如图所示：
經过20年的努力，我国城市集中供热己具备一定的规模，但当前的供热系统还存在一定的缺陷。主要表现在：
a．热源
以煤炭为燃料的集中供热方式污染严重，初投资大。具体表现在：
(1)分散小锅炉房较多，浪费能源，污染环境，而国家缺乏针对发展集中供热立法和强制政策措施；
(2)特大城市和大城市现有热电厂、区域锅炉房的单机容量偏低，能源利用率低，热能浪费严重，供热成本高；
b．热用户
用户应用技术发展是城市供热产业中最薄弱的环节，主要是由于计划经济时期福利“包烧制”供暖制度造成的。
c．热网
(1)管网布局不合理。随着城市的发展，新建和翻新了许多工业和民用建筑，新增了不少支管线。但是，这些后续用户在上供热管网时，大多没有进行计算，管道的敷设一段一段地施工，使一些管线呈单一枝状延伸。甚至，为满足新用户的热负荷需求，采取加粗管道的方法，二次网出现了热水由细管道流向粗管道的不合理现象。
(2)静态运行模式。在全球能源匮乏的当今，寻找一种在确保供热品质前提下，能有效节能的供热系统运行方案就显得很有意义。目前的调节方案主要有以下几种：即质调节，量调节，质、量并调。这几种调节方案都是从静态出发，忽略了供热系统的热惰性，引起能量损耗。热网的逐日逐时总供热量应与热用户逐日逐时的总热负荷始终保持一致。否则，或热用户平均温度偏高，造成能源浪费；或平均温度偏低，降低了用户的舒适感。室外温度变化时，一般来说十几个小时后房间温度才能起变化，以上各种静态调节方法都是假定室温在很短时间内发生变化并达到稳定，忽略了供热系统的热惰性”。
3．热力管网系统设计理论研究
流体通常是采用管道进行输送的。不同管径的多根管道连接起来，并具有一个或多个流体流入口与流出口的系统称为管网系统，简称为管网。在石油、化工、供热等行业中，管网成为了最重要的系统之一。在管网中，最具有代表性的管网是输送热流体的管网，并把这种管网称为热网。因为热流体在该管网输送中，不仅存在着流动中的压力损失，而且还存在着流体向管道外环境的散热损失。所以，对热网设计问题的研究成果，完全可以应用于其它输送流体的管网设计中。对于管网系统的设计、运行状况的分析、运行优化与控制以及改造等，必然涉及着管网系统的技术性、节能性和经济性问题，多数情况下还涉及着这三者之间的综合问题。所谓管网系统的技术性，就是反映实现设置管网系统技术目的的性能和效果，如管网系统中流体的流量、温度和压力是否能达到预期的合理分布以及系统的柔性等；管网系统的节能性，则是在满足技术性的条件下，体现它在输送流体过程中的能耗损失状况；而管网系统的经济性，就是在满足技术性的条件下，反映建设管网系统所付出的经济代价。在工业生产和供热工程中，都需要设置热网，通过热流体如热水或水蒸汽等，把热能从热源输送到热用户处。最常见和最为普遍采用的热网是树状热网，它的特征是从热源到任何一个热用户的输送管路只有一条，没有回路或不含有圈。图3一l显示的就是树状热网。
热网的设计，需考虑它的技术性、初投资和运行中的能量输送损失这三个方面，属于集技术目标、经济目标和能量目标综合一体的决策问题。对于一个布局己定的树状热网的设计，如图3一l，存在着寻求这三个目标综合起来的参数优化问题，即：在某些管段(管路1上选择恰当的管道管径，不仅使热网各分流节点的水力平衡程度高，以达到保证向各热用户提供所规定的设计热负荷，而且还使热网运行的水力稳定性好，这就是热网设计的技术目标；优选出各管段的管径和保温层厚度，使热网建设的初投资最小，这就是热网设计的经济目标；优选出各管段的管径和保温层厚度，使热网在运行过程中，流体所形成的压力损失和散热损失都最小，这就是热网设计的能量目标。然而，技术、经济和能量这三个目标之间是矛盾的。例如，追求高的经济目标，将导致降低热网运行的能量目标。所以，如何将这三个目标统一起来，形成一个综合的目标，是解决布局己定的树状热网设计最优化的关键问题。当然，在设计热网时，是按照给定的各用户设计热负荷即静态值来设计的，而达到设计的技术目标是通过在某些管段上选择恰当的管径来实现。尽管在热网的运行期间，还需进行运行调节的工作，以确保热网能向各用户提供所需的热负荷。尤其是当某些用户的热负荷改变较大时，更需要进行热网的运行调节。但是，如果所设计的热网具有高的技术性能，那么它就表现出高的水力稳定性，从而能有效地减轻热网运行调节的工作量，减轻对其它用户所供热负荷的波动和调节难度。
确定热网的布局同样也涉及到技术、经济和运行能耗的问题，是一个寻求这三个目标综合最优的布局优化问题。具体表现为：当热源和各热用户的地理位置给定后，在各热用户与它相邻的热用户之间，根据地理条件的许可，就存在着是否布置管道的多种选择。对于各热源与它相邻的热用户之间，也同样如此。把各种可能的选择汇集起来就形成了确定布局最优的树状热网的寻优域，它在平面上构成了一个含有多个圈的连通图，如图3—2如何从这个连通图中选择出一个最小树，即布局最优的热网，是热网设计的布局最优化问题。布局优化所确定的是热网的布局形状和管路走向，而参数优化确定的是布局给定下的热网各管段的设计参数，它们属于不同类型的优化问题。由于热网的布局优化与参数优化是紧密相关的，不能脱离参数优化而独立进行布局优化，所以需同时进行系统总体的布局与参数的优化。当这两者交织起来，就必然出现在布局寻优计算的搜索过程中，每步搜索都需重复性地进行参数优化，从而导致热网寻优的烦琐性、难度和较大的计算工作量。所以，要实现热网设计的最优化，就应当解决热网的技术、经济和能量综合一体的决策问题，研究如何在布局优化之时能有效地处理参数优化的问题。
参考文献：
【1】尹娟．城市集中供热管网优化[D]．天津：河北工业大学，2005：3
【2l李德英．供热l：程[M】．北京：中国建筑工业出版社，2004：1-30，121—122
【3】贺平，孙刚．供热工程[M]．北京：中国建筑工业出版社，1993：1-16