基于動態約束條件的供暖系統閥位域壓差值優化設計

蔣竹周

摘 要：傳統的供暖系統動態調節能力較差，難以保證水力的動態穩定，且具有能源消耗大的弊端。通過對供暖系統動態影響因素進行分析，明確了綜合管線內各支路水力穩定的動態約束條件，以此為基礎，進行供暖系統閥位域壓差值的優化設計，分析壓差最大值與最小值兩者之間的動態關系，計算最優參數值，減小供暖系統的能耗。經過實驗驗證，本文提出的方法可以有效降低能源消耗，具有極高的實用性，希望本文的研究能為供暖系統閥位域壓差值優化設計提供技術支持。

關鍵詞：動態約束條件;供暖系統;閥位域

中圖分類號：TU833 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）34-0098-03

Optimal Design of Pressure Difference in Valve Position Domain of

Heating System Based on Dynamic Constraints

JIANG Zhuzhou

（Fushan Thermal Group Co.， Ltd.，Yantai Shandong 265500）

Abstract： The traditional heating system has poor dynamic regulation ability， it is difficult to ensure the dynamic stability of water conservancy， and it will bring the disadvantage of large energy consumption. Based on the analysis of the dynamic influencing factors of the heating system， the dynamic constraint conditions for hydraulic stability of each branch in the integrated pipeline are clarified. Based on this， the optimal design of the pressure difference value in the valve position domain of the heating system is analyzed， and the maximum and minimum pressure differences are analyzed Value the dynamic relationship between the two， calculate the optimal parameter value， reduce the energy consumption of the heating system. After experimental verification， the method in this paper can effectively reduce energy consumption and has a very high practicality. I hope that the research of this paper can provide technical support for the optimal design of valve region pressure difference in heating system.

Keywords： dynamic constraint;heating system;valve field

在集中供暖系統中，通常采用單向回路控制室內溫度，構建系統內熱負荷與支路的動態關系，以及對應的供熱負荷與各個支路之間的關系。當水力動態不穩定時，頻繁地調動水管閥門，將會造成系統動蕩甚至癱瘓，并極大地增加供暖系統的能源消耗[1]。節能優化方法基于水力動態平衡背景，選擇合理的優化參數及約束條件，設計集中供暖系統節能優化模型的算法，開展集中供暖系統的節能優化方法研究。

1 供暖系統動態影響因素分析

供暖系統的能量消耗受客觀因素限制，如供暖地區的供暖期時長、室外溫度、建筑圍護結構的熱工性能參數等。就供暖系統本身而言，閥位域壓差是一種重要的動態影響因素，以其作為動態約束條件進行優化設計[2]。從設計角度出發，結合各管線液體流量計算可得出熱力泵的實際運行速率，根據運行速率與智能化調節閥門的張開程度可分析該狀態下的供暖約束條件，實現基于動態約束條件的系統閥位域壓差值優化。集中供暖系統結構簡圖如圖1所示。

2 基于動態約束條件的集中供暖系統節能優化方法

為分析集中供暖系統中的能耗因素與占比，做到節能降耗，結合集中供暖系統整體結構，設計合理的優化函數及約束條件，公式如下：

[Tp=maxaGp·ck2f]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[a]表示各支路管線中流動液體的穩定參數，取值一般為0.2～1.2;[c]表示管線內支路數量，一般根據研究區域的居民入住率情況分析管線數量;[Gp]表示管線中水流受到阻力的阻力系數，取值一般為5.6～7.8;f表示水流流速，m/s;[k]表示管線的序號數。根據公式中有關參數的取值情況，結合供暖系統的綜合耗能分析，計算供暖系統的節能參數。集中供暖系統作為熱能傳輸分配典型模型，有用功即入戶熱能所占比重越高，系統熱效率越高;反之，能量轉換及管路消耗等無用功所占比重越大，系統熱效率越低[3]。基于上述供暖系統動態影響因素及動態約束條件，設計供暖系統閥位域的合理壓差值，實現集中供暖系統節能優化方法的研究。

2.1 供暖系統閥位域壓差值優化設計

優化壓差值可以實現確保支路最大張開閥度的同時降低其能源消耗量。考慮到優化過程中熱力環路現象的出現[4]，將自定義優化的壓差參數，將參數值設定在固定的節能范圍內。為了提升水泵在壓差中的利用率，設置壓差范圍的最小值為[δmin];為了提升優化效果，壓差的最大范圍值應無線趨近于100%，即設定的閥位域壓差值范圍為[δmin，δmax]。同時，將其定義為優化的范圍值，供暖系統的節能壓差應在該范圍內。接下來將結合優化范圍，分析當壓差處于不同數值時供暖系統的節能情況。

2.2 不同閥位域壓差約束下能耗分析

第一，當[δmax<δmin]時，結合水壓泵工作時的耗能與阻抗關系可知，水泵的阻抗能力越大，供暖系統消耗能源越高。因此，在該種狀態下，為了減小其能源消耗，并確保壓差值控制在規定范圍內，應適當拉低各個支路中的閥門開關，提升支路水流的流量，將[δmax]控制在范圍內的最大值。管線內水流流經量的合理程度是室內供熱的基礎保障，結合精準的熱負荷模型及室內溫度熱負荷量進行約束條件分析，才能確定管線水流實時流量。

第二，當[δmax∈δmin]時，一方面可實現最大張度的閥位值具有相對較低的阻抗能力，另一方面又可以降低熱力環路現象出現的概率。此時，各個支路中閥門開關或閥門張開的程度為最適宜值，即此狀態下的壓差值為最節能的壓差值[5]。結合此時室內的熱負荷量與室內供熱面積大小、室內人員密集程度、陽光直射面積及室內風速流速之間的關系，計算此時閥位域壓差值。計算公式為：

[Gix=t·G′i·i·m]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[Gix]表示優化狀態下的閥位域壓差值;[G′i]表示被動支路[i]上底層房間溫度的第[m]個采樣值。根據公式可知，隨著[G′i]值的提升，系統的閥位域壓差值不斷提高，即熱力穩定性越高。

第三，當[δmax>δmin]時，結合水壓泵工作時的耗能與阻抗關系可知，水泵的阻抗能力越小，供暖系統消耗能源越高，為降低此時的能耗，應適當提升各個支路中的閥門開關位置，減小各個支路的水流流量，同時控制水流流速，將[δmax]調整至最佳值域內。在確保室內溫度的同時降低供應水流，應適當提升支路內水流溫度，如增設支路保溫層等。相關供暖單位可通過調節智能閥門的張開度控制舍內熱負荷量的高低，調節室內溫度，實現基于動態約束條件的供暖系統閥位域壓差值優化。

3 實驗驗證

3.1 實驗準備

將本文提出的系統與為優化前的節能系統同時應用于同一小區的供暖中，保證供暖范圍相同、供暖面積相同、管線老化程度相近、供暖溫度相同等。設置本文系統為實驗組，未優化前供暖系統為對照組，對兩組供暖能耗進行對比。

3.2 實驗結果與分析

在保證兩組供暖環境相近的情況下，對比兩者供暖期的能耗情況，繪制成如圖2所示的對比圖。

經實驗對比可知，優化后的供暖系統在供暖期可以極大節約能源消耗。可見，本文提出的方法具有較高的有效性。

4 結語

本文開展了基于動態約束條件的供暖系統閥位域壓差值優化方法研究，綜合考慮系統中的能耗因子，分層次提出節能優化方法，以實現集中供暖系統的節能減排，在保證民生的基礎上實現環保改進。受不同城市供暖網絡特點的限制，具體節能方法可在本方法基礎上結合實際進行實施，希望為相關供暖單位節能減排提供技術指導。

參考文獻：

[1]喬治，馮燕林，王軍虎，等.第四凈化廠供熱系統節能優化及探討[J].化工管理，2017（13）：128.

[2]王登云.淮安生態新城低品位工業余熱區域供暖系統性能及優化運行研究[D].南京：東南大學，2017.

[3]李聰.城市集中供熱優化運行及節能措施[J].山西建筑，2019（7）：192-193.

[4]趙天怡，張吉禮，孫德興.基于最不利熱力環路的變流量空調水系統壓差重整化方法[J].暖通空調，2009（5）：60-66.

[5]尹鵬，李德英，聶金哲，等.射流泵在集中供熱系統中的水力特性及節能性分析[J].暖通空調，2017（12）：80-85.