區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用研究

羅龍

摘? ? 要：區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)是現(xiàn)代城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，也是城市整體管網(wǎng)系統(tǒng)的一部分。隨著城市建設(shè)規(guī)模到不斷擴(kuò)大，區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)的造價(jià)直接關(guān)系到城市整體運(yùn)營(yíng)的成本投入，因此實(shí)際工作中需要通過對(duì)區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來降低其運(yùn)營(yíng)成本，提升管網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)這一問題，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究討論，并在實(shí)踐中對(duì)各種方法不斷進(jìn)行驗(yàn)證，最終得出了多種有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本文分析了區(qū)域供冷管網(wǎng)優(yōu)化研究進(jìn)展，進(jìn)而對(duì)各種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用進(jìn)行梳理分析，希望能對(duì)其未來優(yōu)化設(shè)計(jì)工作和發(fā)展提供參考，使供冷管網(wǎng)更符合現(xiàn)代城市建設(shè)發(fā)展要求。

關(guān)鍵詞：區(qū)域供冷系統(tǒng);管網(wǎng)優(yōu)化;管網(wǎng)布置;設(shè)計(jì)方法

1? 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，現(xiàn)代城市建設(shè)水平日益提高，人們對(duì)良好物質(zhì)生活條件的需求也越來越強(qiáng)烈。在此情況下，城市區(qū)域供冷系統(tǒng)建設(shè)優(yōu)化就成為城市建設(shè)中不可忽略的問題。在區(qū)域供冷系統(tǒng)中，區(qū)域供冷管網(wǎng)是其重要組成部分，其規(guī)劃設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本與安全可靠性，所以相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)展開了對(duì)區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)的各項(xiàng)研究與應(yīng)用探索工作，并圍繞區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了一些方法。此處筆者久對(duì)當(dāng)前的相關(guān)設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用進(jìn)行梳理分析。

2? 區(qū)域供冷管網(wǎng)優(yōu)化研究概述

區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)規(guī)模較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此其涉及到較多的資金成本投入，后期運(yùn)行與養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用投入也較多，這就使我們必須對(duì)其規(guī)劃設(shè)計(jì)加以優(yōu)化，以確保其在城市日常運(yùn)行中具有較高的經(jīng)濟(jì)性。從區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)的特點(diǎn)看，其設(shè)計(jì)過程中需要考慮到能源站與用戶之間管道的連接問題。但由于這種連接的方式較多，往往會(huì)有多種選擇方案，所以就需要對(duì)其管網(wǎng)的設(shè)計(jì)加以優(yōu)化。這一優(yōu)化過程實(shí)際上就是一個(gè)追求最佳組合的過程。根據(jù)當(dāng)前人們對(duì)區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化的界定分析，其本質(zhì)上是要在最小的管網(wǎng)費(fèi)用年值基礎(chǔ)上達(dá)到管網(wǎng)布置目的。根據(jù)這一要求，我國(guó)眾多學(xué)者都對(duì)此項(xiàng)工作展開了研究。如最早在上世紀(jì)八十年代蔡啟林等就采取最小生成樹算法對(duì)管網(wǎng)的優(yōu)化布置進(jìn)行求解。隨后又有研究人員先后提出了全部樹方法、權(quán)生成樹方法以及遺傳算法。這些研究都對(duì)供冷管網(wǎng)的布置優(yōu)化不斷科學(xué)合理化產(chǎn)生積極作用，并為新型城鎮(zhèn)建設(shè)奠定良好基礎(chǔ)。而在進(jìn)入二十一世紀(jì)后，2003年李世武等又在最小生成樹算法的基礎(chǔ)上依靠熱經(jīng)濟(jì)孤立優(yōu)化法提出了管網(wǎng)布局與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，從而解決了管網(wǎng)技術(shù)性、節(jié)能性以及經(jīng)濟(jì)性間的綜合性問題。此外，還有研究人員對(duì)枝狀熱網(wǎng)布局的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究。而對(duì)于區(qū)域供冷管網(wǎng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，馮小平等依靠圖論理論和遺傳算法對(duì)枝狀區(qū)域供冷管網(wǎng)進(jìn)行了布局優(yōu)化，并通過與Dijkstra算法的對(duì)比分析得出依靠單親遺傳算法對(duì)區(qū)域供冷管網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化會(huì)具有更高效率，且管網(wǎng)穩(wěn)定性更好。蔡龍俊等主要以造價(jià)最小化原則運(yùn)用最小生成樹方法對(duì)區(qū)域供冷管網(wǎng)布局進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。綜上所述，我國(guó)當(dāng)前關(guān)于區(qū)域供冷管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)形成了多套理論模型，對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)起到積極促進(jìn)作用。

3? 區(qū)域供冷管網(wǎng)優(yōu)化的相關(guān)方法

在區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化中，管徑優(yōu)化是設(shè)計(jì)的核心，解決管網(wǎng)優(yōu)化就需要對(duì)管徑流量與經(jīng)濟(jì)比摩阻進(jìn)行研究分析，并以此來科學(xué)確定管徑。根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)的研究情況，其已被證實(shí)有效的優(yōu)化方法包含模擬退火算法、遺傳算法、禁忌搜索算法、蟻群算法、粒子群算法等，這些算法的應(yīng)用都可以對(duì)區(qū)域供冷管網(wǎng)優(yōu)化起到作用。但不同算法在實(shí)際應(yīng)用中的應(yīng)用方向卻存在一定差異。此處筆者就對(duì)各種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用進(jìn)行整理分析。

3.1? 模擬退火算法及應(yīng)用

該算法在供冷管網(wǎng)優(yōu)化上擁有較高使用價(jià)值。，其是在固體退火原理基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，是一種概率算法。該算法的產(chǎn)生是源于Monte-Carlo迭代求解策略，能夠在隨機(jī)運(yùn)算時(shí)找到最佳算法，能夠在概率層面對(duì)全局進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于該算法在供冷管網(wǎng)中的應(yīng)用，我國(guó)學(xué)者黃善波等研究出了相關(guān)成果，其以管徑與保溫層厚度作為優(yōu)化變量，然后據(jù)此構(gòu)建出管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的非線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，再依靠模擬退火算法求解，使該算法的簡(jiǎn)便性以及優(yōu)越性得到檢驗(yàn)。豆中州將退火模擬算法運(yùn)用到區(qū)域管網(wǎng)水力模型的求解中，最終幫助區(qū)域管網(wǎng)獲得了各管段流量與壓力降值，再通過構(gòu)建管網(wǎng)費(fèi)用年值優(yōu)化設(shè)計(jì)模型對(duì)管網(wǎng)各段離散標(biāo)準(zhǔn)公稱直徑加以優(yōu)化，再結(jié)合實(shí)際工程中具體水力約束條件最終計(jì)算出其管徑最優(yōu)值。

3.2? 遺傳算法及應(yīng)用

該算法較早運(yùn)用于供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，且國(guó)內(nèi)外也多有相關(guān)研究成果，為供冷管網(wǎng)發(fā)展起到積極作用。這一算法主要是在模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論相關(guān)理論原理的基礎(chǔ)上創(chuàng)造出的一種運(yùn)算方法，可以依靠模擬自然進(jìn)化過程找到最佳解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，該算法可以結(jié)合區(qū)域供冷管網(wǎng)費(fèi)用最小年值目標(biāo)進(jìn)行管網(wǎng)管徑優(yōu)化，其最終優(yōu)化結(jié)果能夠達(dá)到更低的費(fèi)用年值，有益于提高冷管網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

3.3? 禁忌搜索算法及應(yīng)用

禁忌搜索算法在實(shí)踐中主要用于區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)中給排水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，然而給排水管網(wǎng)優(yōu)化同樣對(duì)供冷管網(wǎng)優(yōu)化有重要意義。該算法是一種啟發(fā)式算法，主要通過跳脫局部最優(yōu)解來進(jìn)行最優(yōu)解搜索的方法。其在實(shí)際應(yīng)用中能夠幫助城市給水管網(wǎng)找到最優(yōu)設(shè)計(jì)路徑，而這也在國(guó)內(nèi)外眾多研究中被證實(shí)。

3.4? 蟻群算法及應(yīng)用

該算法同樣主要運(yùn)用于給排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，也是一種概率算法，能夠進(jìn)行分布運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)信息正反饋并進(jìn)行啟發(fā)式搜索，在全局優(yōu)化方面應(yīng)用較普遍。在實(shí)際應(yīng)用中，其可以對(duì)枝狀給水管網(wǎng)的布局和管徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使其布局更為合理，并最大程度上降低管網(wǎng)的造價(jià)，這無異于提升了區(qū)域供冷管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。

3.5? 粒子群算法及應(yīng)用

該算法也是管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中常用的方法。該算法是在模擬鳥群覓食過程時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種以群體協(xié)作為參考依據(jù)的的隨機(jī)搜索算法。該算法在區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中通常將管網(wǎng)進(jìn)行整體上的統(tǒng)籌把握，然后再結(jié)合管網(wǎng)費(fèi)用年值最小化的目標(biāo)來對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體操作中可以把網(wǎng)布置形式與管徑視為優(yōu)化參數(shù)，然后構(gòu)建出管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，再通過粒子群算法進(jìn)行模型求解，如此就可以通過更新粒子位置來搜索道管網(wǎng)的最佳布局和管徑，最終達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

4? 結(jié)束語

綜上所述，區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究與應(yīng)用對(duì)現(xiàn)代城市管網(wǎng)建設(shè)起到促進(jìn)作用。但隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，還需要進(jìn)一步探索出更多有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以切實(shí)提升區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計(jì)水平，為居民創(chuàng)造羹優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境。

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