集中供暖调节分析系统的研究与实现

杨生海，刘志声

（西安电子科技大学 基 本建设处， 陕西 西 安 7 10071）

冬季供暖问题是关系城市居民切身利益的大事。现在供暖企业自负盈亏，既要使居民供暖温度达到标准又要使企业的运行成本达到最低，这就要求供暖企业挖掘内部潜力，做好供热调节工作[1]。因此，对整个热水供热系统进行合理的供热调节至关重要。当前供暖调节大多依靠人工经验来确定调节参数，缺乏理论依据。开展供暖调节方案的探索对提高供暖质量，节约能源具有十分重要的理论意义与应用价值，大量学者展开了对集中供热调节方式的探索与分析[2-7]。针对此情况，本文以供暖运行调节计算理论为依据，开发了供暖调节分析系统。该系统针对集中供暖调节，提供了供暖历史数据的维护和各种调节方式的模拟计算功能，为供暖调节提供了有效的理论支持。

1 系统功能设计

供暖调节分析系统基于供暖系统的历史数据，提供了各种模拟计算功能。其完成的功能模块如图1所示。

系统主要功能有：

1）历史数据管理可以录入不同时期的供暖锅炉供水、回水温度记录，不同测试地点的室内温度，对应的室外温度记录。对历史数据进行查询、分析，生成不同情况下的温度曲线。

图1 系统功能模块

2）供暖网络管理首先可以将不同种类的锅炉数据、散热设备规格和调节方式参数存入数据库中，以供建立供暖网络调用。基于系统的资源库以可视化的方式建立供暖网络，同时设置热网中的各种参数。

3）调节分析给定室外温度范围模拟生成不同的室外温度，根据各种不同的调节方式计算所需调节的供暖参数，根据历史数据计算供暖调节参数，与实际的调节数据进行比较分析。

4）用户管理系统管理员可以根据系统用户的使用情况，建立不同的角色对象，不同的角色对应系统不同的操作权限。系统支持用户按照不同的角色登录，从而对系统拥有不同的操作权限。

2 系统实现关键技术

2.1 模拟计算获得供暖调节数据

模拟计算是在给定数值变化范围的基础上，通过一定的随机算法，在给定的数值范围内产生随机数据，然后针对所产生的随机数据进行计算，获得供暖调节参数。图2所示为系统模拟计算调节参数流程。整个过程可分为模拟参数设定和模拟运算2个阶段。

图2 模拟计算算法流程

1）模拟参数设定阶段首先用户选择某种调节方式，指定系统设计工况参然后确定需要模拟的室外温度的变化范围，即最高室外温度和最低室外温度。参数设置完毕之后，进入模拟运算阶段。

2）模拟运算阶段模拟计算的基础是模拟数据的产生。首先基于Delphi开发平台随机算法产生给定温度范围的随机室外温度，然后由所选的调节方式，检索系统调节方式库，得到调节方式对应的需要计算的参数和计算方法。循环计算调节供暖参数，最终完成计算，输出计算结果，绘制结果曲线。图3所示为选择质调节方式，设计工况下供水温度为95℃，回水温度为70℃，室外计算温度为-5℃，室内设计温度为18℃，散热器特性系数取0.295，模拟室外温度范围为-3～11℃，模拟天数为30 d。经过模拟计算得出每一天模拟室外温度对应的计算供暖调节供、回水温度。给出了室外平均温度、平均供水温度和平均回水温度，绘制了3个温度值随时间变化的曲线。

图3 模拟计算质调节计算结果

2.2 基于AddFlow的供暖网络可视化编辑

系统提供了基于图形的流程编辑功能，以可视化的方式建立供暖网络，同时设置热网中的各种参数。AddFlow是一款商业ActiveX控件，它能够快速的在应用程序中嵌入流程图功能，本系统采用AddFlow作为流程编辑的基础控件。

要实现基于AddFlow的供暖网络分布灵活地可视化编辑，需要完成注册供暖设备形状节点、动态建立供暖网络和网络节点属性编辑3个功能。

注册供暖设备形状节点是实现快速建立供暖网络的基础。系统设备管理员新建供暖设备，录入设备供热参数信息，编辑设备AddFlow形状，设置设备形状类型，保存信息到系统供暖设备库表中。供暖设备的形状注册是记录该设备所绘制的AddFlow的节点形状值或连接对象的起始类型值完成注册功能。

建立供暖网络，基于系统供暖设备列表，用户选择建立供暖网络所需的供暖设备，使用鼠标左键进行拖拽，在图形编辑区中释放鼠标按键，系统根据所拖拽的供暖设备从系统供暖设备库中获得该设备所注册的AddFlow形状数据。遍历当前图形编辑区中节点对象，获得添加设备的实例名称，在拖拽的释放位置添加节点图形。用户可以多次选择系统设备进行图形可视化编辑，直至供暖网络编辑完成。图4为建立的供暖网络分布示意图。

图4 供暖网络分布示意图

3 应用实例

基于以上技术，开发供暖调节分析系统，并在某高校供暖调节中进行应用。

3.1 历史数据分析

在供暖调节分析系统的基础上比较供暖历史数据，图5所示为2005－12、2006－02和2007－01等3个时间点的历史锅炉供水温度、回水温度和供暖网络前端、中端和末端室内温度室内温度随时间变化的曲线。图5中，最上方的曲线代表锅炉的供水温度，从上向下第2条曲线代表锅炉的回水温度，最下方的曲线代表室外温度。处于回水温度和室外温度曲线之间的3条曲线分别代表了不同测量地点的室内温度情况。以图5（a）数据为例，从3方面比较分析历史数据：

图5 历史温度曲线

1）室外温度呈下降趋势表1为某高校2005－12－01～05日的详细供暖历史数据。处于供暖网络的前、中和末端在01～03日，随着室外温度的变化，调节锅炉供回水温度，室内温度高于设计室内温度18℃，而04日和05日随着室外温度的降低，前和中端室内温度高于设计室内温度，而末端室内温度已低于设计室内温度。

2）室外温度呈上升趋势分析图5（a）中曲线数据，时间从06日～10日室外温度总体呈现上升趋势。对应时间供、回水曲线呈现下降趋势，代表室外温度上升，供暖系统降低了锅炉的供、回水温度，而此时观察室内温度曲线，3个测量地点的室内温度基本保持不变。

3）总体分析比较计算2005－12、2006－02和2007－01历史数据的平均值，具体数据如表2所示。随室外温度变化，锅炉的平均供回水温度也做出相应调节，室外温度较高时，各个热用户室内温度基本达到甚至高于设计室内温度，而当室外温度较低时，则末端的热用户室内平均温度低于设计室内温度。

表1 供暖历史数据

表2 供暖历史平均数据比较

3.2 供暖系统运行调节方式分析

供暖系统运行调节方式有质调节、量调节、分阶段改变流量的质调节和间歇调节4种方式[8]。必须根据供暖系统特点，选择运行调节方式，使供暖质量达到最优，同时使消耗的能源最少。由于集中质调节只需在热源处改变网路供水温度，运行管理简单，网络循环水量保持不变，网路的水力工况稳定。因此，一般采用这种方法在供暖期进行供暖调节，只在采暖过度期使用间歇调节。但是，由于该高校采暖系统经过几次较大的改造，各个时期资料及设计方式有较大差异，所以设计时无法进行管网水力工况校核，无法保证系统的循环水量与系统的设计值精确匹配。显然直接选择某一运行调节方式或组合的运行调节方式，都不能使供暖达到最优。由于无法保证系统的循环水量与系统的设计值精确匹配，该采暖系统就等效于一个初运行时就进行了量调节的热水系统。因此，要进行供暖系统调节计算首先必须计算出等效的相对循环流量。供热调节（散热器供热方式）的基本公式[9-10]为：

由式（1）可推导出相对循环流量：

根据历史数据，可计算出平均的相对循环流量G的值。在历史数据中存在着一些突发情况的数据，必须剔除这些畸变数据才能得到合理的。以2007－01时间，供暖网络前端测量数据为例计算供暖系统的值，利用供暖分析调节系统，得到相对循环流量平均=1.53，其变化趋势如图6和图7所示。可发现在10日、11日、12日3个时间点处，相对循环流量值跳跃较大。这3条记录不能真实反应供暖系统运行情况，因此计算循环流量平均值时剔除这些数据。利供暖调节分析系统的“删除坏值”功能，去掉异常历史数据，重新计算得到相对循环流量平均=1.29，变化趋势为0。从而可得到有效的功能调节公式，将供暖当日的室外温度代入，即可得出所需系统供、回水温度，将此值输入锅炉控制系统即可进行实时的质调节控制。

图6 相对循环流量变化曲线(未剔除坏值)

图7 相对循环流量变化曲线(剔除坏值)

4 结束语

本文针对集中供暖系统调节的需求，通过对集中供热系统调节方案的探索，开发了供暖调节分析的原型软件。以此为基础分析了某高校的供暖历史数据与供暖系统特点，给出了有效的供暖运行调节方式。

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