區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方法及應(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)模到不斷擴大，區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)的造價直接關(guān)系到城市整體運營的成本投入，因此實際工作中需要通過對區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計來降低其運營成本，提升管網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟性。針對這一問題，國內(nèi)外都進行了相關(guān)優(yōu)化設(shè)計方法的研究討論，并在實踐中對各種方法不斷進行驗證，最終得出了多種有效的優(yōu)化設(shè)計方法。本文分析了區(qū)域供冷管網(wǎng)優(yōu)化研究進展，進而對各種優(yōu)化設(shè)計方法及其應(yīng)用進行梳理分析，希望能對其未來優(yōu)化設(shè)計工作和發(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)計方法

1? 引言

隨著城市化進程的不斷推進，現(xiàn)代城市建設(shè)水平日益提高，人們對良好物質(zhì)生活條件的需求也越來越強烈。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)計的科學(xué)合理性將直接決定整個系統(tǒng)的運行成本與安全可靠性，所以相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)展開了對區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)的各項研究與應(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)計提出了一些方法。此處筆者久對當(dāng)前的相關(guān)設(shè)計方法及其應(yīng)用進行梳理分析。

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，后期運行與養(yǎng)護的費用投入也較多，這就使我們必須對其規(guī)劃設(shè)計加以優(yōu)化，以確保其在城市日常運行中具有較高的經(jīng)濟性。從區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)的特點看，其設(shè)計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，往往會有多種選擇方案，所以就需要對其管網(wǎng)的設(shè)計加以優(yōu)化。這一優(yōu)化過程實際上就是一個追求最佳組合的過程。根據(jù)當(dāng)前人們對區(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，我國眾多學(xué)者都對此項工作展開了研究。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管網(wǎng)的優(yōu)化布置進行求解。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)計方法，從而解決了管網(wǎng)技術(shù)性、節(jié)能性以及經(jīng)濟性間的綜合性問題。此外，還有研究人員對枝狀熱網(wǎng)布局的經(jīng)濟性進行研究。而對于區(qū)域供冷管網(wǎng)的設(shè)計優(yōu)化，馮小平等依靠圖論理論和遺傳算法對枝狀區(qū)域供冷管網(wǎng)進行了布局優(yōu)化，并通過與Dijkstra算法的對比分析得出依靠單親遺傳算法對區(qū)域供冷管網(wǎng)進行設(shè)計優(yōu)化會具有更高效率，且管網(wǎng)穩(wěn)定性更好。蔡龍俊等主要以造價最小化原則運用最小生成樹方法對區(qū)域供冷管網(wǎng)布局進行了設(shè)計優(yōu)化。綜上所述，我國當(dāng)前關(guān)于區(qū)域供冷管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)形成了多套理論模型，對其優(yōu)化設(shè)計起到積極促進作用。

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)計的核心，解決管網(wǎng)優(yōu)化就需要對管徑流量與經(jīng)濟比摩阻進行研究分析，并以此來科學(xué)確定管徑。根據(jù)當(dāng)前國內(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)用都可以對區(qū)域供冷管網(wǎng)優(yōu)化起到作用。但不同算法在實際應(yīng)用中的應(yīng)用方向卻存在一定差異。此處筆者就對各種優(yōu)化設(shè)計方法及其應(yīng)用進行整理分析。

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，能夠在隨機運算時找到最佳算法，能夠在概率層面對全局進行優(yōu)化。對于該算法在供冷管網(wǎng)中的應(yīng)用，我國學(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，使該算法的簡便性以及優(yōu)越性得到檢驗。豆中州將退火模擬算法運用到區(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)費用年值優(yōu)化設(shè)計模型對管網(wǎng)各段離散標(biāo)準(zhǔn)公稱直徑加以優(yōu)化，再結(jié)合實際工程中具體水力約束條件最終計算出其管徑最優(yōu)值。

3.2? 遺傳算法及應(yīng)用

該算法較早運用于供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方面，且國內(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)爾文生物進化論相關(guān)理論原理的基礎(chǔ)上創(chuàng)造出的一種運算方法，可以依靠模擬自然進化過程找到最佳解決方案。在實際應(yīng)用中，該算法可以結(jié)合區(qū)域供冷管網(wǎng)費用最小年值目標(biāo)進行管網(wǎng)管徑優(yōu)化，其最終優(yōu)化結(jié)果能夠達(dá)到更低的費用年值，有益于提高冷管網(wǎng)運行經(jīng)濟性。

3.3? 禁忌搜索算法及應(yīng)用

禁忌搜索算法在實踐中主要用于區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)中給排水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計中，然而給排水管網(wǎng)優(yōu)化同樣對供冷管網(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)解來進行最優(yōu)解搜索的方法。其在實際應(yīng)用中能夠幫助城市給水管網(wǎng)找到最優(yōu)設(shè)計路徑，而這也在國內(nèi)外眾多研究中被證實。

3.4? 蟻群算法及應(yīng)用

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

3.5? 粒子群算法及應(yīng)用

該算法也是管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計中常用的方法。該算法是在模擬鳥群覓食過程時發(fā)現(xiàn)的一種以群體協(xié)作為參考依據(jù)的的隨機搜索算法。該算法在區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計中通常將管網(wǎng)進行整體上的統(tǒng)籌把握，然后再結(jié)合管網(wǎng)費用年值最小化的目標(biāo)來對管網(wǎng)進行優(yōu)化設(shè)計。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)計模型，再通過粒子群算法進行模型求解，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)計方法的研究與應(yīng)用對現(xiàn)代城市管網(wǎng)建設(shè)起到促進作用。但隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，還需要進一步探索出更多有效的優(yōu)化設(shè)計方法，以切實提升區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計水平，為居民創(chuàng)造羹優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境。

參考文獻：

[1] 曾競.區(qū)域供冷供熱管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究[D].湖南大學(xué)，2017.

[2] 廖興中.某區(qū)域供冷工程水系統(tǒng)方案分析[J].建材與裝飾，2017（16）：124～125.

[3] 蔡勤龍.區(qū)域供冷系統(tǒng)經(jīng)濟供冷參數(shù)研究[D].湖南大學(xué)，2015.

[4] 馮小平，龍惟定.區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方法和應(yīng)用[J].建筑科學(xué)，2012（S2）：242～245.