集中供暖調節分析系統的研究與實現

楊生海，劉志聲

（西安電子科技大學 基 本建設處， 陜西 西 安 7 10071）

冬季供暖問題是關系城市居民切身利益的大事。現在供暖企業自負盈虧，既要使居民供暖溫度達到標準又要使企業的運行成本達到最低，這就要求供暖企業挖掘內部潛力，做好供熱調節工作[1]。因此，對整個熱水供熱系統進行合理的供熱調節至關重要。當前供暖調節大多依靠人工經驗來確定調節參數，缺乏理論依據。開展供暖調節方案的探索對提高供暖質量，節約能源具有十分重要的理論意義與應用價值，大量學者展開了對集中供熱調節方式的探索與分析[2-7]。針對此情況，本文以供暖運行調節計算理論為依據，開發了供暖調節分析系統。該系統針對集中供暖調節，提供了供暖歷史數據的維護和各種調節方式的模擬計算功能，為供暖調節提供了有效的理論支持。

1 系統功能設計

供暖調節分析系統基于供暖系統的歷史數據，提供了各種模擬計算功能。其完成的功能模塊如圖1所示。

系統主要功能有：

1）歷史數據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溫度，對應的室外溫度記錄。對歷史數據進行查詢、分析，生成不同情況下的溫度曲線。

圖1 系統功能模塊

2）供暖網絡管理首先可以將不同種類的鍋爐數據、散熱設備規格和調節方式參數存入數據庫中，以供建立供暖網絡調用。基于系統的資源庫以可視化的方式建立供暖網絡，同時設置熱網中的各種參數。

3）調節分析給定室外溫度范圍模擬生成不同的室外溫度，根據各種不同的調節方式計算所需調節的供暖參數，根據歷史數據計算供暖調節參數，與實際的調節數據進行比較分析。

4）用戶管理系統管理員可以根據系統用戶的使用情況，建立不同的角色對象，不同的角色對應系統不同的操作權限。系統支持用戶按照不同的角色登錄，從而對系統擁有不同的操作權限。

2 系統實現關鍵技術

2.1 模擬計算獲得供暖調節數據

模擬計算是在給定數值變化范圍的基礎上，通過一定的隨機算法，在給定的數值范圍內產生隨機數據，然后針對所產生的隨機數據進行計算，獲得供暖調節參數。圖2所示為系統模擬計算調節參數流程。整個過程可分為模擬參數設定和模擬運算2個階段。

圖2 模擬計算算法流程

1）模擬參數設定階段首先用戶選擇某種調節方式，指定系統設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。參數設置完畢之后，進入模擬運算階段。

2）模擬運算階段模擬計算的基礎是模擬數據的產生。首先基于Delphi開發平臺隨機算法產生給定溫度范圍的隨機室外溫度，然后由所選的調節方式，檢索系統調節方式庫，得到調節方式對應的需要計算的參數和計算方法。循環計算調節供暖參數，最終完成計算，輸出計算結果，繪制結果曲線。圖3所示為選擇質調節方式，設計工況下供水溫度為95℃，回水溫度為70℃，室外計算溫度為-5℃，室內設計溫度為18℃，散熱器特性系數取0.295，模擬室外溫度范圍為-3～11℃，模擬天數為30 d。經過模擬計算得出每一天模擬室外溫度對應的計算供暖調節供、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 模擬計算質調節計算結果

2.2 基于AddFlow的供暖網絡可視化編輯

系統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絡，同時設置熱網中的各種參數。AddFlow是一款商業ActiveX控件，它能夠快速的在應用程序中嵌入流程圖功能，本系統采用AddFlow作為流程編輯的基礎控件。

要實現基于AddFlow的供暖網絡分布靈活地可視化編輯，需要完成注冊供暖設備形狀節點、動態建立供暖網絡和網絡節點屬性編輯3個功能。

注冊供暖設備形狀節點是實現快速建立供暖網絡的基礎。系統設備管理員新建供暖設備，錄入設備供熱參數信息，編輯設備AddFlow形狀，設置設備形狀類型，保存信息到系統供暖設備庫表中。供暖設備的形狀注冊是記錄該設備所繪制的AddFlow的節點形狀值或連接對象的起始類型值完成注冊功能。

建立供暖網絡，基于系統供暖設備列表，用戶選擇建立供暖網絡所需的供暖設備，使用鼠標左鍵進行拖拽，在圖形編輯區中釋放鼠標按鍵，系統根據所拖拽的供暖設備從系統供暖設備庫中獲得該設備所注冊的AddFlow形狀數據。遍歷當前圖形編輯區中節點對象，獲得添加設備的實例名稱，在拖拽的釋放位置添加節點圖形。用戶可以多次選擇系統設備進行圖形可視化編輯，直至供暖網絡編輯完成。圖4為建立的供暖網絡分布示意圖。

圖4 供暖網絡分布示意圖

3 應用實例

基于以上技術，開發供暖調節分析系統，并在某高校供暖調節中進行應用。

3.1 歷史數據分析

在供暖調節分析系統的基礎上比較供暖歷史數據，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、回水溫度和供暖網絡前端、中端和末端室內溫度室內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溫度情況。以圖5（a）數據為例，從3方面比較分析歷史數據：

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據。處于供暖網絡的前、中和末端在01～03日，隨著室外溫度的變化，調節鍋爐供回水溫度，室內溫度高于設計室內溫度18℃，而04日和05日隨著室外溫度的降低，前和中端室內溫度高于設計室內溫度，而末端室內溫度已低于設計室內溫度。

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

3）總體分析比較計算2005－12、2006－02和2007－01歷史數據的平均值，具體數據如表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調節，室外溫度較高時，各個熱用戶室內溫度基本達到甚至高于設計室內溫度，而當室外溫度較低時，則末端的熱用戶室內平均溫度低于設計室內溫度。

表1 供暖歷史數據

表2 供暖歷史平均數據比較

3.2 供暖系統運行調節方式分析

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

由式（1）可推導出相對循環流量：

根據歷史數據，可計算出平均的相對循環流量G的值。在歷史數據中存在著一些突發情況的數據，必須剔除這些畸變數據才能得到合理的。以2007－01時間，供暖網絡前端測量數據為例計算供暖系統的值，利用供暖分析調節系統，得到相對循環流量平均=1.53，其變化趨勢如圖6和圖7所示。可發現在10日、11日、12日3個時間點處，相對循環流量值跳躍較大。這3條記錄不能真實反應供暖系統運行情況，因此計算循環流量平均值時剔除這些數據。利供暖調節分析系統的“刪除壞值”功能，去掉異常歷史數據，重新計算得到相對循環流量平均=1.29，變化趨勢為0。從而可得到有效的功能調節公式，將供暖當日的室外溫度代入，即可得出所需系統供、回水溫度，將此值輸入鍋爐控制系統即可進行實時的質調節控制。

圖6 相對循環流量變化曲線(未剔除壞值)

圖7 相對循環流量變化曲線(剔除壞值)

4 結束語

本文針對集中供暖系統調節的需求，通過對集中供熱系統調節方案的探索，開發了供暖調節分析的原型軟件。以此為基礎分析了某高校的供暖歷史數據與供暖系統特點，給出了有效的供暖運行調節方式。

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