基于动态约束条件的供暖系统阀位域压差值优化设计

蒋竹周

摘 要：传统的供暖系统动态调节能力较差，难以保证水力的动态稳定，且具有能源消耗大的弊端。通过对供暖系统动态影响因素进行分析，明确了综合管线内各支路水力稳定的动态约束条件，以此为基础，进行供暖系统阀位域压差值的优化设计，分析压差最大值与最小值两者之间的动态关系，计算最优参数值，减小供暖系统的能耗。经过实验验证，本文提出的方法可以有效降低能源消耗，具有极高的实用性，希望本文的研究能为供暖系统阀位域压差值优化设计提供技术支持。

关键词：动态约束条件;供暖系统;阀位域

中图分类号：TU833 文献标识码：A 文章编号：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，通常采用单向回路控制室内温度，构建系统内热负荷与支路的动态关系，以及对应的供热负荷与各个支路之间的关系。当水力动态不稳定时，频繁地调动水管阀门，将会造成系统动荡甚至瘫痪，并极大地增加供暖系统的能源消耗[1]。节能优化方法基于水力动态平衡背景，选择合理的优化参数及约束条件，设计集中供暖系统节能优化模型的算法，开展集中供暖系统的节能优化方法研究。

1 供暖系统动态影响因素分析

供暖系统的能量消耗受客观因素限制，如供暖地区的供暖期时长、室外温度、建筑围护结构的热工性能参数等。就供暖系统本身而言，阀位域压差是一种重要的动态影响因素，以其作为动态约束条件进行优化设计[2]。从设计角度出发，结合各管线液体流量计算可得出热力泵的实际运行速率，根据运行速率与智能化调节阀门的张开程度可分析该状态下的供暖约束条件，实现基于动态约束条件的系统阀位域压差值优化。集中供暖系统结构简图如图1所示。

2 基于动态约束条件的集中供暖系统节能优化方法

为分析集中供暖系统中的能耗因素与占比，做到节能降耗，结合集中供暖系统整体结构，设计合理的优化函数及约束条件，公式如下：

[Tp=maxaGp·ck2f]                           （1）

式中，[a]表示各支路管线中流动液体的稳定参数，取值一般为0.2～1.2;[c]表示管线内支路数量，一般根据研究区域的居民入住率情况分析管线数量;[Gp]表示管线中水流受到阻力的阻力系数，取值一般为5.6～7.8;f表示水流流速，m/s;[k]表示管线的序号数。根据公式中有关参数的取值情况，结合供暖系统的综合耗能分析，计算供暖系统的节能参数。集中供暖系统作为热能传输分配典型模型，有用功即入户热能所占比重越高，系统热效率越高;反之，能量转换及管路消耗等无用功所占比重越大，系统热效率越低[3]。基于上述供暖系统动态影响因素及动态约束条件，设计供暖系统阀位域的合理压差值，实现集中供暖系统节能优化方法的研究。

2.1 供暖系统阀位域压差值优化设计

优化压差值可以实现确保支路最大张开阀度的同时降低其能源消耗量。考虑到优化过程中热力环路现象的出现[4]，将自定义优化的压差参数，将参数值设定在固定的节能范围内。为了提升水泵在压差中的利用率，设置压差范围的最小值为[δmin];为了提升优化效果，压差的最大范围值应无线趋近于100%，即设定的阀位域压差值范围为[δmin，δmax]。同时，将其定义为优化的范围值，供暖系统的节能压差应在该范围内。接下来将结合优化范围，分析当压差处于不同数值时供暖系统的节能情况。

2.2 不同阀位域压差约束下能耗分析

第一，当[δmax<δmin]时，结合水压泵工作时的耗能与阻抗关系可知，水泵的阻抗能力越大，供暖系统消耗能源越高。因此，在该种状态下，为了减小其能源消耗，并确保压差值控制在规定范围内，应适当拉低各个支路中的阀门开关，提升支路水流的流量，将[δmax]控制在范围内的最大值。管线内水流流经量的合理程度是室内供热的基础保障，结合精准的热负荷模型及室内温度热负荷量进行约束条件分析，才能确定管线水流实时流量。

第二，当[δmax∈δmin]时，一方面可实现最大张度的阀位值具有相对较低的阻抗能力，另一方面又可以降低热力环路现象出现的概率。此时，各个支路中阀门开关或阀门张开的程度为最适宜值，即此状态下的压差值为最节能的压差值[5]。结合此时室内的热负荷量与室内供热面积大小、室内人员密集程度、阳光直射面积及室内风速流速之间的关系，计算此时阀位域压差值。计算公式为：

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

式中，[Gix]表示优化状态下的阀位域压差值;[G′i]表示被动支路[i]上底层房间温度的第[m]个采样值。根据公式可知，随着[G′i]值的提升，系统的阀位域压差值不断提高，即热力稳定性越高。

第三，当[δmax>δmin]时，结合水压泵工作时的耗能与阻抗关系可知，水泵的阻抗能力越小，供暖系统消耗能源越高，为降低此时的能耗，应适当提升各个支路中的阀门开关位置，减小各个支路的水流流量，同时控制水流流速，将[δmax]调整至最佳值域内。在确保室内温度的同时降低供应水流，应适当提升支路内水流温度，如增设支路保温层等。相关供暖单位可通过调节智能阀门的张开度控制舍内热负荷量的高低，调节室内温度，实现基于动态约束条件的供暖系统阀位域压差值优化。

3 实验验证

3.1 实验准备

将本文提出的系统与为优化前的节能系统同时应用于同一小区的供暖中，保证供暖范围相同、供暖面积相同、管线老化程度相近、供暖温度相同等。设置本文系统为实验组，未优化前供暖系统为对照组，对两组供暖能耗进行对比。

3.2 实验结果与分析

在保证两组供暖环境相近的情况下，对比两者供暖期的能耗情况，绘制成如图2所示的对比图。

经实验对比可知，优化后的供暖系统在供暖期可以极大节约能源消耗。可见，本文提出的方法具有较高的有效性。

4 结语

本文开展了基于动态约束条件的供暖系统阀位域压差值优化方法研究，综合考慮系统中的能耗因子，分层次提出节能优化方法，以实现集中供暖系统的节能减排，在保证民生的基础上实现环保改进。受不同城市供暖网络特点的限制，具体节能方法可在本方法基础上结合实际进行实施，希望为相关供暖单位节能减排提供技术指导。

参考文献：

[1]乔治，冯燕林，王军虎，等.第四净化厂供热系统节能优化及探讨[J].化工管理，2017（13）：128.

[2]王登云.淮安生态新城低品位工业余热区域供暖系统性能及优化运行研究[D].南京：东南大学，2017.

[3]李聪.城市集中供热优化运行及节能措施[J].山西建筑，2019（7）：192-193.

[4]赵天怡，张吉礼，孙德兴.基于最不利热力环路的变流量空调水系统压差重整化方法[J].暖通空调，2009（5）：60-66.

[5]尹鹏，李德英，聂金哲，等.射流泵在集中供热系统中的水力特性及节能性分析[J].暖通空调，2017（12）：80-85.