集中供暖調(diào)節(jié)分析系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

楊生海，劉志聲

（西安電子科技大學(xué) 基 本建設(shè)處， 陜西 西 安 7 10071）

冬季供暖問題是關(guān)系城市居民切身利益的大事。現(xiàn)在供暖企業(yè)自負盈虧，既要使居民供暖溫度達到標準又要使企業(yè)的運行成本達到最低，這就要求供暖企業(yè)挖掘內(nèi)部潛力，做好供熱調(diào)節(jié)工作[1]。因此，對整個熱水供熱系統(tǒng)進行合理的供熱調(diào)節(jié)至關(guān)重要。當前供暖調(diào)節(jié)大多依靠人工經(jīng)驗來確定調(diào)節(jié)參數(shù)，缺乏理論依據(jù)。開展供暖調(diào)節(jié)方案的探索對提高供暖質(zhì)量，節(jié)約能源具有十分重要的理論意義與應(yīng)用價值，大量學(xué)者展開了對集中供熱調(diào)節(jié)方式的探索與分析[2-7]。針對此情況，本文以供暖運行調(diào)節(jié)計算理論為依據(jù)，開發(fā)了供暖調(diào)節(jié)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對集中供暖調(diào)節(jié)，提供了供暖歷史數(shù)據(jù)的維護和各種調(diào)節(jié)方式的模擬計算功能，為供暖調(diào)節(jié)提供了有效的理論支持。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

供暖調(diào)節(jié)分析系統(tǒng)基于供暖系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，提供了各種模擬計算功能。其完成的功能模塊如圖1所示。

系統(tǒng)主要功能有：

1）歷史數(shù)據(jù)管理可以錄入不同時期的供暖鍋爐供水、回水溫度記錄，不同測試地點的室內(nèi)溫度，對應(yīng)的室外溫度記錄。對歷史數(shù)據(jù)進行查詢、分析，生成不同情況下的溫度曲線。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

2）供暖網(wǎng)絡(luò)管理首先可以將不同種類的鍋爐數(shù)據(jù)、散熱設(shè)備規(guī)格和調(diào)節(jié)方式參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫中，以供建立供暖網(wǎng)絡(luò)調(diào)用?；谙到y(tǒng)的資源庫以可視化的方式建立供暖網(wǎng)絡(luò)，同時設(shè)置熱網(wǎng)中的各種參數(shù)。

3）調(diào)節(jié)分析給定室外溫度范圍模擬生成不同的室外溫度，根據(jù)各種不同的調(diào)節(jié)方式計算所需調(diào)節(jié)的供暖參數(shù)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計算供暖調(diào)節(jié)參數(shù)，與實際的調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)進行比較分析。

4）用戶管理系統(tǒng)管理員可以根據(jù)系統(tǒng)用戶的使用情況，建立不同的角色對象，不同的角色對應(yīng)系統(tǒng)不同的操作權(quán)限。系統(tǒng)支持用戶按照不同的角色登錄，從而對系統(tǒng)擁有不同的操作權(quán)限。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 模擬計算獲得供暖調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)

模擬計算是在給定數(shù)值變化范圍的基礎(chǔ)上，通過一定的隨機算法，在給定的數(shù)值范圍內(nèi)產(chǎn)生隨機數(shù)據(jù)，然后針對所產(chǎn)生的隨機數(shù)據(jù)進行計算，獲得供暖調(diào)節(jié)參數(shù)。圖2所示為系統(tǒng)模擬計算調(diào)節(jié)參數(shù)流程。整個過程可分為模擬參數(shù)設(shè)定和模擬運算2個階段。

圖2 模擬計算算法流程

1）模擬參數(shù)設(shè)定階段首先用戶選擇某種調(diào)節(jié)方式，指定系統(tǒng)設(shè)計工況參然后確定需要模擬的室外溫度的變化范圍，即最高室外溫度和最低室外溫度。參數(shù)設(shè)置完畢之后，進入模擬運算階段。

2）模擬運算階段模擬計算的基礎(chǔ)是模擬數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。首先基于Delphi開發(fā)平臺隨機算法產(chǎn)生給定溫度范圍的隨機室外溫度，然后由所選的調(diào)節(jié)方式，檢索系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式庫，得到調(diào)節(jié)方式對應(yīng)的需要計算的參數(shù)和計算方法。循環(huán)計算調(diào)節(jié)供暖參數(shù)，最終完成計算，輸出計算結(jié)果，繪制結(jié)果曲線。圖3所示為選擇質(zhì)調(diào)節(jié)方式，設(shè)計工況下供水溫度為95℃，回水溫度為70℃，室外計算溫度為-5℃，室內(nèi)設(shè)計溫度為18℃，散熱器特性系數(shù)取0.295，模擬室外溫度范圍為-3～11℃，模擬天數(shù)為30 d。經(jīng)過模擬計算得出每一天模擬室外溫度對應(yīng)的計算供暖調(diào)節(jié)供、回水溫度。給出了室外平均溫度、平均供水溫度和平均回水溫度，繪制了3個溫度值隨時間變化的曲線。

圖3 模擬計算質(zhì)調(diào)節(jié)計算結(jié)果

2.2 基于AddFlow的供暖網(wǎng)絡(luò)可視化編輯

系統(tǒng)提供了基于圖形的流程編輯功能，以可視化的方式建立供暖網(wǎng)絡(luò)，同時設(shè)置熱網(wǎng)中的各種參數(shù)。AddFlow是一款商業(yè)ActiveX控件，它能夠快速的在應(yīng)用程序中嵌入流程圖功能，本系統(tǒng)采用AddFlow作為流程編輯的基礎(chǔ)控件。

要實現(xiàn)基于AddFlow的供暖網(wǎng)絡(luò)分布靈活地可視化編輯，需要完成注冊供暖設(shè)備形狀節(jié)點、動態(tài)建立供暖網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點屬性編輯3個功能。

注冊供暖設(shè)備形狀節(jié)點是實現(xiàn)快速建立供暖網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)設(shè)備管理員新建供暖設(shè)備，錄入設(shè)備供熱參數(shù)信息，編輯設(shè)備AddFlow形狀，設(shè)置設(shè)備形狀類型，保存信息到系統(tǒng)供暖設(shè)備庫表中。供暖設(shè)備的形狀注冊是記錄該設(shè)備所繪制的AddFlow的節(jié)點形狀值或連接對象的起始類型值完成注冊功能。

建立供暖網(wǎng)絡(luò)，基于系統(tǒng)供暖設(shè)備列表，用戶選擇建立供暖網(wǎng)絡(luò)所需的供暖設(shè)備，使用鼠標左鍵進行拖拽，在圖形編輯區(qū)中釋放鼠標按鍵，系統(tǒng)根據(jù)所拖拽的供暖設(shè)備從系統(tǒng)供暖設(shè)備庫中獲得該設(shè)備所注冊的AddFlow形狀數(shù)據(jù)。遍歷當前圖形編輯區(qū)中節(jié)點對象，獲得添加設(shè)備的實例名稱，在拖拽的釋放位置添加節(jié)點圖形。用戶可以多次選擇系統(tǒng)設(shè)備進行圖形可視化編輯，直至供暖網(wǎng)絡(luò)編輯完成。圖4為建立的供暖網(wǎng)絡(luò)分布示意圖。

圖4 供暖網(wǎng)絡(luò)分布示意圖

3 應(yīng)用實例

基于以上技術(shù)，開發(fā)供暖調(diào)節(jié)分析系統(tǒng)，并在某高校供暖調(diào)節(jié)中進行應(yīng)用。

3.1 歷史數(shù)據(jù)分析

在供暖調(diào)節(jié)分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)上比較供暖歷史數(shù)據(jù)，圖5所示為2005－12、2006－02和2007－01等3個時間點的歷史鍋爐供水溫度、回水溫度和供暖網(wǎng)絡(luò)前端、中端和末端室內(nèi)溫度室內(nèi)溫度隨時間變化的曲線。圖5中，最上方的曲線代表鍋爐的供水溫度，從上向下第2條曲線代表鍋爐的回水溫度，最下方的曲線代表室外溫度。處于回水溫度和室外溫度曲線之間的3條曲線分別代表了不同測量地點的室內(nèi)溫度情況。以圖5（a）數(shù)據(jù)為例，從3方面比較分析歷史數(shù)據(jù)：

圖5 歷史溫度曲線

1）室外溫度呈下降趨勢表1為某高校2005－12－01～05日的詳細供暖歷史數(shù)據(jù)。處于供暖網(wǎng)絡(luò)的前、中和末端在01～03日，隨著室外溫度的變化，調(diào)節(jié)鍋爐供回水溫度，室內(nèi)溫度高于設(shè)計室內(nèi)溫度18℃，而04日和05日隨著室外溫度的降低，前和中端室內(nèi)溫度高于設(shè)計室內(nèi)溫度，而末端室內(nèi)溫度已低于設(shè)計室內(nèi)溫度。

2）室外溫度呈上升趨勢分析圖5（a）中曲線數(shù)據(jù)，時間從06日～10日室外溫度總體呈現(xiàn)上升趨勢。對應(yīng)時間供、回水曲線呈現(xiàn)下降趨勢，代表室外溫度上升，供暖系統(tǒng)降低了鍋爐的供、回水溫度，而此時觀察室內(nèi)溫度曲線，3個測量地點的室內(nèi)溫度基本保持不變。

3）總體分析比較計算2005－12、2006－02和2007－01歷史數(shù)據(jù)的平均值，具體數(shù)據(jù)如表2所示。隨室外溫度變化，鍋爐的平均供回水溫度也做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，室外溫度較高時，各個熱用戶室內(nèi)溫度基本達到甚至高于設(shè)計室內(nèi)溫度，而當室外溫度較低時，則末端的熱用戶室內(nèi)平均溫度低于設(shè)計室內(nèi)溫度。

表1 供暖歷史數(shù)據(jù)

表2 供暖歷史平均數(shù)據(jù)比較

3.2 供暖系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)方式分析

供暖系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)方式有質(zhì)調(diào)節(jié)、量調(diào)節(jié)、分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)和間歇調(diào)節(jié)4種方式[8]。必須根據(jù)供暖系統(tǒng)特點，選擇運行調(diào)節(jié)方式，使供暖質(zhì)量達到最優(yōu)，同時使消耗的能源最少。由于集中質(zhì)調(diào)節(jié)只需在熱源處改變網(wǎng)路供水溫度，運行管理簡單，網(wǎng)絡(luò)循環(huán)水量保持不變，網(wǎng)路的水力工況穩(wěn)定。因此，一般采用這種方法在供暖期進行供暖調(diào)節(jié)，只在采暖過度期使用間歇調(diào)節(jié)。但是，由于該高校采暖系統(tǒng)經(jīng)過幾次較大的改造，各個時期資料及設(shè)計方式有較大差異，所以設(shè)計時無法進行管網(wǎng)水力工況校核，無法保證系統(tǒng)的循環(huán)水量與系統(tǒng)的設(shè)計值精確匹配。顯然直接選擇某一運行調(diào)節(jié)方式或組合的運行調(diào)節(jié)方式，都不能使供暖達到最優(yōu)。由于無法保證系統(tǒng)的循環(huán)水量與系統(tǒng)的設(shè)計值精確匹配，該采暖系統(tǒng)就等效于一個初運行時就進行了量調(diào)節(jié)的熱水系統(tǒng)。因此，要進行供暖系統(tǒng)調(diào)節(jié)計算首先必須計算出等效的相對循環(huán)流量。供熱調(diào)節(jié)（散熱器供熱方式）的基本公式[9-10]為：

由式（1）可推導(dǎo)出相對循環(huán)流量：

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，可計算出平均的相對循環(huán)流量G的值。在歷史數(shù)據(jù)中存在著一些突發(fā)情況的數(shù)據(jù)，必須剔除這些畸變數(shù)據(jù)才能得到合理的。以2007－01時間，供暖網(wǎng)絡(luò)前端測量數(shù)據(jù)為例計算供暖系統(tǒng)的值，利用供暖分析調(diào)節(jié)系統(tǒng)，得到相對循環(huán)流量平均=1.53，其變化趨勢如圖6和圖7所示?？砂l(fā)現(xiàn)在10日、11日、12日3個時間點處，相對循環(huán)流量值跳躍較大。這3條記錄不能真實反應(yīng)供暖系統(tǒng)運行情況，因此計算循環(huán)流量平均值時剔除這些數(shù)據(jù)。利供暖調(diào)節(jié)分析系統(tǒng)的“刪除壞值”功能，去掉異常歷史數(shù)據(jù)，重新計算得到相對循環(huán)流量平均=1.29，變化趨勢為0。從而可得到有效的功能調(diào)節(jié)公式，將供暖當日的室外溫度代入，即可得出所需系統(tǒng)供、回水溫度，將此值輸入鍋爐控制系統(tǒng)即可進行實時的質(zhì)調(diào)節(jié)控制。

圖6 相對循環(huán)流量變化曲線(未剔除壞值)

圖7 相對循環(huán)流量變化曲線(剔除壞值)

4 結(jié)束語

本文針對集中供暖系統(tǒng)調(diào)節(jié)的需求，通過對集中供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)方案的探索，開發(fā)了供暖調(diào)節(jié)分析的原型軟件。以此為基礎(chǔ)分析了某高校的供暖歷史數(shù)據(jù)與供暖系統(tǒng)特點，給出了有效的供暖運行調(diào)節(jié)方式。

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