導語：供熱計量收費系統(tǒng)分析論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：為適應(yīng)供熱系統(tǒng)的計量收費，本文對系統(tǒng)流量與散熱量的關(guān)系、單雙管的比較與改造、壓差調(diào)節(jié)器的使用范圍、新的水力計算方法以及系統(tǒng)循環(huán)流量的變流量調(diào)節(jié)等技術(shù)問題，進行了分析與探討。

關(guān)鍵詞：供熱系統(tǒng)計量收費遺傳算法

供熱系統(tǒng)計熱量收費勢在必行。然而由于社會、管理等因素，在實施過程中必然會碰到不少必須解決的難題。但就基礎(chǔ)工作而言，我認為就一些關(guān)鍵的技術(shù)問題，取得同行的共識，更具重要意義。因此計量收費，應(yīng)建立在高技術(shù)含量的基礎(chǔ)之上。這里，我想就大家比較關(guān)心的幾個技術(shù)問題，談一些看法，以便求得深入討論。

一、系統(tǒng)流量變化對室溫的影響

供熱系統(tǒng)按熱量收費，前提條件是供熱效果要優(yōu)于按面積收費的情形。理想狀況應(yīng)該是室溫能按用戶要求靈活進行調(diào)節(jié)。這里提出了一個理論問題：即要想達到用戶不同的室溫要求，系統(tǒng)流量應(yīng)該在多大的范圍內(nèi)變化？當室內(nèi)無人時，一般要求值班采暖，此時室溫在6～8℃之間，那么這時系統(tǒng)流量減小到最小，其數(shù)值是多少？再如在單管順流系統(tǒng)上，改裝跨越管后，由于跨越管的分流，進入散熱器的流量減少，此時室溫如何變化？要回答這類問題，就必需研究系統(tǒng)流量變化對室溫的影響。亦即要研究系統(tǒng)水力工況對熱力工況的影響。

一般而言，對系統(tǒng)供熱、散熱器散熱、建筑物耗熱建立如下6個聯(lián)立方程：

Qn=Ws(tg-th)(1)

Qn=εnWs(tg-tn)(2)

Qn=qv(tn-tw)(3)

(4)

(5)

(6)

式中Qn--供熱系統(tǒng)的供熱量，散熱量，耗熱量（W/h）；

tg--供熱系統(tǒng)的供水溫度（℃）

th--供熱系統(tǒng)的回水溫度（℃）

Ws--供熱系統(tǒng)的流量熱當量（KJ/h·℃），可視為流量的函數(shù)；

εn--供熱系統(tǒng)的有效系數(shù)，無量綱，為0～1.0之間的數(shù)值；

ωn--供熱系統(tǒng)工況系數(shù)，無量綱；

tn--用戶室內(nèi)溫度（℃）

tω--室外溫度（℃）

上式中帶角碼''''′''''的為相應(yīng)參數(shù)的設(shè)計值；，為運行參數(shù)、設(shè)計參數(shù)之比值。

K′--散熱器設(shè)計狀態(tài)傳熱系數(shù)（KJ/m2h℃）

F--散熱器散熱面積（m2）；

t′0--供熱系統(tǒng)設(shè)計供、回水溫度的平均值（℃）；

B--散熱器傳熱指數(shù)，一般0.17～0.37。

上述前5個獨立的聯(lián)立方程中，有7個未知數(shù)，即Qn，tg，th，tn，Ws，εn，ωn，其中通常視Ws（流量）為已知（室外溫度tω為已知），當分別給定Qn，tg，即可解出其它參數(shù)，進而獲得系統(tǒng)流量與用戶室溫之間的關(guān)系。

為了便于編程，上機計算，上述5個聯(lián)立方程可以進一步簡化為如下矩陣方程：

Ta=[A0[G]A0T-Ain[G]H·A0]-1Ain[G]W(7)

式中Ta--供熱系統(tǒng)節(jié)點溫度向量；

G--系統(tǒng)支路流量矩陣；

A0、Ain--分別為系統(tǒng)流出、流入關(guān)聯(lián)矩陣；

H、W--分別表示系統(tǒng)不同熱部件特性的系數(shù)矩陣，主要反映熱源、管道、換熱器、散熱器等不同熱部件中εn，

ωn的影響因素。

運行根據(jù)（7）式編制的SHIWEN程序，算出供熱系統(tǒng)各節(jié)點溫度，即可求得散熱器的散熱量以及室溫對應(yīng)于流量的變化關(guān)系。

供熱系統(tǒng)流量、散熱量與室溫關(guān)系計算

用戶名稱

運行流量kg/(m2h)

失調(diào)度X

單位供暖面積散熱量

平均室溫tn(℃)

q(w/m2℃)

(%)

1-5

2.25

1.0

52.4

100

18

1

0.35

0.43

0.16

0.19

26.0

29.1

49.6

55.5

4.4

6.0

2

0.70

0.31

39.4

75.2

11.3

3

1.60

0.71

51.4

98.1

17.5

4

3.20

1.42

56.1

107.1

19.9

5

5.40

2.40

56.7

108.2

20.2

現(xiàn)舉實例加以說明，一個地處北京的有5個熱用戶的供熱系統(tǒng)，設(shè)定設(shè)計供回水溫度為75/55℃，單位建筑面積的設(shè)計流量為2.25kg/m2h，選用813型鑄鐵四柱散熱器。在設(shè)計外溫-9℃下，各用戶流量與室溫、散熱量之間的關(guān)系為表1所示：當運行流量只有設(shè)計流量的16～31%時，室溫只有4.4～11.3℃；當室溫維持值班采暖時（即+6℃），此時運行流量是設(shè)計流量的19%，實際散熱量只有設(shè)計散熱量的55.5%；當運行流量是設(shè)計流量的31%時，室溫為11.3℃，實際散熱量是設(shè)計散熱量的75.2%。

這一計算結(jié)果，與美國SHRAE手冊系統(tǒng)篇給出的關(guān)系曲線完全一致（見圖1、圖2）。該曲線橫坐標為相對流量，縱坐標為散熱器相對散熱量，圖1表示≤1.0的情形，圖2表示>1.0的情形。在圖中，供水溫度為90℃，曲線1、2、3、4分別表示供、回水溫差為10、20、30、40℃。不難發(fā)現(xiàn)，對于圖1即≤1.0時，供回水溫差愈大，曲線愈接近于線性；供回水溫度愈小，流量與散熱量的關(guān)系愈接近上拋物線。對于圖2，>1.0，即大于設(shè)計流量的狀態(tài)下，散熱量增加并不多。

關(guān)系曲線圖關(guān)系曲線圖

圖1中的曲線1、2，其供回水溫降分別為10、20℃，比較符合我國目前的供暖現(xiàn)狀。從中可以得到一個明晰的概念：即當流量在設(shè)計流量±20～30%范圍內(nèi)變動時，散熱量的波動只有±10%左右；而當流量減小到設(shè)計流量的±20～30%時，散熱量明顯減少，只有設(shè)計值的50～80%，室溫只能維持在5～14℃之間。

系統(tǒng)流量與散熱量的上述關(guān)系，完全是由于散熱器的熱力特性決定的，這一關(guān)系正好說明了供熱系統(tǒng)之所以存在冷熱不均現(xiàn)象的本質(zhì)。如果認為流量減少到設(shè)計流量的30%時，散熱量還始終不低于設(shè)計散熱量的90%，也就是室溫不低于16℃，這樣就會得出供熱系統(tǒng)始終不會發(fā)生冷熱不均的失調(diào)狀況，這是與事實不相符的。

對于單管順流改裝跨越管的情形，若分流比按3：7考慮，進入散熱器的流量是設(shè)計流量的30%，此時從同一根立管的總散熱量來計算的話，其減少量仍然會大于10%。但還需要指出的是，各層房間的散熱量的減少不是均勻分配的，對于上分系統(tǒng)，愈是低層，吃虧愈多，室溫過冷現(xiàn)象愈嚴重（下節(jié)細述）。假如把散熱器與跨越管的3：7分流比作為設(shè)計條件，這就意味著加大了供回水溫差，增加了房間散熱器面積，不同的設(shè)計條件，進行流量與散熱量的比較是無意義的。

二、室內(nèi)單雙管系統(tǒng)的比較與改造

為了適應(yīng)于計量收費，對于室內(nèi)供熱系統(tǒng)人們普遍傾向于今后都設(shè)計為雙管系統(tǒng)，舊有單管系統(tǒng)逐漸改造為雙管系統(tǒng)。然而我國現(xiàn)有住宅，絕大多數(shù)是采用單管系統(tǒng)。然而我國現(xiàn)有住宅絕大多數(shù)是采用單管系統(tǒng)。粗略統(tǒng)計也有十幾億建筑面積。如果全部改為雙管系統(tǒng)，其難度可能大到幾乎成為不可能，甚至可能導致計量收費中途夭折。因此，在適應(yīng)計量收費的前提下，通過全面分析比較單雙管系統(tǒng)的特性，提出經(jīng)濟可行的設(shè)計改造方案，就顯得十分有意義。

眾所周知，單、雙管系統(tǒng)有如下一些優(yōu)缺點：

1．雙管系統(tǒng)比單管系統(tǒng)易于和溫控閥配套使用。由于雙管系統(tǒng)每個散熱器自成一個回路，很容易在每個散熱器安裝一個溫控閥。其優(yōu)點是各個房間，都可按用戶的要求調(diào)節(jié)到所需要的室溫，這是順應(yīng)計量收費，人們普遍看好雙管系統(tǒng)的主要原因。而單管系統(tǒng)因為是"串糖葫蘆"式的，如果每個散熱器前都裝溫控閥，必然造成互相"扯皮"，使系統(tǒng)失控，滿足不了室溫要求，這也是單管系統(tǒng)被判"死刑"的主要原因。

2．雙管系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性優(yōu)于單管系統(tǒng)。通過雙管系統(tǒng)每個散熱器的供、回水溫度就是供暖系統(tǒng)的總供回水溫度，因此供回水溫差比較大，一般都在15～25℃之間。而單管系統(tǒng)對于同一根立管而言，各個散熱器供回水溫差的總和才與雙管系統(tǒng)每個散熱器的供回水溫差相等。也就是說，單管系統(tǒng)每個散熱器的供回水只有幾度的溫差。從ASHRAE手冊給出的圖1曲線可知，當供回水溫差愈大時，散熱器的散熱量與流量之間的關(guān)系愈接近于線性特性；當供回水溫差愈小時，散熱特性愈接近于快開特性。這就是說，對于雙管系統(tǒng)，調(diào)節(jié)性能較好，配套的調(diào)節(jié)閥（如溫控閥）接近線性特性就能使室溫調(diào)節(jié)到位；而對于單管系統(tǒng)，由于調(diào)節(jié)特性不如雙管系統(tǒng)，配套的調(diào)節(jié)閥，要求接近等百分比特性才能達到理想的調(diào)節(jié)目的。

3．單管系統(tǒng)比雙管系統(tǒng)也有明顯的優(yōu)點，這就是系統(tǒng)少一根立管（當垂直布置）或少一根水平干管（當水平布置即水平串連）。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，造價低，便于房間布置，這也是我國歷來習慣多采用單管系統(tǒng)的主要原因。特別當人們生活水平逐漸提高、室內(nèi)裝修愈趨考察的情況下，為了美觀起見，供暖系統(tǒng)布置在地板內(nèi)或踢腳板里的呼聲愈來愈高。在這種情況下，單管系統(tǒng)比雙管系統(tǒng)又體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。

綜上所述，簡單地全盤否定單管系統(tǒng)是片面的。正確作法應(yīng)針對單管系統(tǒng)的特點，揚長避短，提出一種合理的結(jié)構(gòu)形式，既保留單管系統(tǒng)的優(yōu)點，又能與溫控閥配套使用，適應(yīng)計量收費的要求。

為了提出在單管系統(tǒng)上能安裝溫控閥的合理結(jié)構(gòu)形式，有必要對單管系統(tǒng)散熱量與流量之間的變化規(guī)律進行更深層次的分析。還是利用SHIWEN程序，對一個五層樓的上分式單管順流系統(tǒng)進行計算，其結(jié)果見表2、表3。表2為供熱量恒定的情況，表3為供水溫度給定的情況。分析數(shù)據(jù)可以得到一個很有趣的現(xiàn)象：不論哪一種情況，凡實際流量小于設(shè)計流量的（在設(shè)計外溫下），均出現(xiàn)上層熱、下層冷的現(xiàn)象；凡實際流量大于設(shè)計流量的，都發(fā)生上層冷、下層熱的情形。

表2上分式單管順流系統(tǒng)供暖量恒定時流量與室溫變化相對流量（%）

室溫（℃）

5層4層3層2層1層

1.8017.517.717.918.318.6

1.0018.318.117.917.917.8

0.5220.018.917.817.116.1

0.2823.220.317.615.513.3

表3上分式單管順流系統(tǒng)供水溫度恒定時流量與室溫變化相對流量（%）

室溫（℃）

5層4層3層2層1層

1.8018.418.618.919.219.5

1.0018.318.118.017.917.8

0.4817.916.815.814.813.9

0.2417.014.312.09.98.0

注：供水溫度81℃

上述室溫與流量之間的變化規(guī)律，具有普遍性。當室外溫度不等于設(shè)計外溫時，這種變化規(guī)律仍然存在，所不同的只是在設(shè)計外溫，即氣溫最冷時，系統(tǒng)垂直失調(diào)最嚴重，也就是最高層與最低層之間的室外溫偏差最大；隨著氣溫變暖，垂直失調(diào)也逐漸趨緩。這種變化規(guī)律，不僅存在于單管系統(tǒng)，對于雙管系統(tǒng)，也一樣適用。只是單、雙管系統(tǒng)發(fā)生垂直失調(diào)的原因不同：單管系統(tǒng)，是由于流量變化引起散熱器平均溫度的變化所致；而雙管系統(tǒng)則是由于自然循環(huán)作用壓頭的變化而造成的。

由于單管系統(tǒng)的垂直失調(diào)有上述規(guī)律可循，我們就可以提出現(xiàn)有住宅單管順流系統(tǒng)與溫控閥配套的既簡單又適用的改造方案：方法是只在每一根立管的最低層散熱器前裝一個溫控制閥，便可以實現(xiàn)對住宅各室溫的自動控制。這個方法之所以可行，就因為在最底層，室溫過低與流量過小（同樣，室溫過高與流量過大也一致）是一致的。而溫控閥的作用，正好是在室溫偏低時能增大流量（過熱時減少流量），調(diào)節(jié)的結(jié)果是底層室溫提高，上層室溫降低。這種方法，只用一個溫控閥，就可以使同一根立管的所有房間的室溫得到控制。如果再與水表或熱量分配相配套，就可以使現(xiàn)有住宅單管系統(tǒng)的節(jié)能改造成為可能。當然，這種改造方案，與雙管系統(tǒng)比較還有不足之處，主要是室溫的調(diào)節(jié)靈活性不夠，但它畢竟為舊有單管系統(tǒng)的發(fā)行開拓了新的途徑。

綜合以上分析，為適應(yīng)計量收費，提出室內(nèi)供暖系統(tǒng)可供選擇的幾種形式：

1．舊有單管系統(tǒng)的改造，只在底層散熱器前裝一個溫控閥，仍保留順流式，不必加裝跨越管；

2．新建住宅，采暖標準高的，優(yōu)先采用雙管系統(tǒng)；采暖標準要求的一般的，仍可采用單管系統(tǒng)。當選擇順流單管系統(tǒng)時，溫控閥安裝方案同舊有單管系統(tǒng)的改造方案，當采用帶有跨越管式的單管系統(tǒng)時，跨越管與支管管徑應(yīng)與立管同管徑，每個散熱器上宜安裝三通溫控閥，目的是保證散熱器的流量能在設(shè)計流量的0～100%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

3．無論是雙管系統(tǒng)還是單管系統(tǒng)，為了便于按戶計量和暗管敷設(shè)，都宜采用水平布置，即供暖系統(tǒng)只有總立管和水平干管。

三、壓差調(diào)節(jié)器的使用范圍

在國外的供熱系統(tǒng)中，與熱量計、溫控閥相配套的主要設(shè)備還有壓差調(diào)節(jié)閥。通常要求，不但在熱力站、熱力入口安裝，甚至要求室內(nèi)和各立管上都要安裝壓差調(diào)節(jié)閥。由于這種壓差調(diào)節(jié)閥，價格很貴，因此，研究其合理的使用范圍就顯得非常必要。

安裝壓差調(diào)節(jié)器的基本功能是消耗掉多余壓頭，保證要求的資用壓頭，以滿足配套設(shè)備正常工作。如在換熱器前安裝硬度差調(diào)節(jié)器，可防止換熱器內(nèi)水流速過大，超過允許壓降。在限流器（亦稱自力式溫控閥、流量調(diào)節(jié)閥），平衡閥（調(diào)節(jié)閥），溫控閥前安裝壓差調(diào)節(jié)器，一般有三個作用：（1）保證工作壓差不超過最大允許壓差；（2）保證通過的流量限制在最大流量范圍以內(nèi)；（3）保證不產(chǎn)生噪音和氣蝕現(xiàn)象。

了解了壓差調(diào)節(jié)器的上述作用后，就應(yīng)該適當、有效地設(shè)計安裝壓差調(diào)節(jié)器，以防濫設(shè)亂裝。

對于熱力站（含熱入口）中的換熱器，應(yīng)在換熱器允許壓降的前提下，盡量由換熱器自身克服管網(wǎng)的多余壓頭；只在換熱器無法消耗額外壓頭時，才設(shè)置壓差調(diào)節(jié)器。目前，我國在換熱器設(shè)計中，普遍存在換熱器設(shè)計壓降偏小的傾向，通常為0.07Mpa。由于允許壓降受到限制，使換熱器（主要指板式換熱器）流速只能達到0.2～0.3m/s，導致傳熱系數(shù)過小，只有2000～3000W/m2，造成換熱器傳熱面積普遍選擇過大。形成了一平方米傳熱面積傳熱面積只帶500平方米供熱面積的錯誤概念，無謂增加了投資。而真正發(fā)揮板式換熱器強化傳熱的優(yōu)勢，應(yīng)該一平方米的傳熱面積帶到800平方米供熱面積才對。此時，通過換熱器的流速應(yīng)在0.5～0.6m/s之間，傳熱系數(shù)5000～6000W/m2，相應(yīng)壓降在0.1～0.12Mpa的范圍之內(nèi)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析，換熱器允許壓降從目前的0.07Mpa，提高到0.1～0.12Mpa，不但可以提高換熱器的性能價格比，而且可以少裝或不裝壓差調(diào)節(jié)器，具有明顯的經(jīng)濟意義。

但是在提高換熱器允許壓降的工作中，目前存在二方面的認識問題：一是怕增大系統(tǒng)阻力，提高循環(huán)水泵揚程，多耗電能；二是一、二次管網(wǎng)流速難以同時滿足要求。對于第一個問題，純粹屬于認識上的誤區(qū)：我們所說的提高換熱器壓降，是為了克服管網(wǎng)提供的多余壓頭，這種情況一般發(fā)生在供熱系統(tǒng)的中、前端。因此，不會增大循環(huán)水泵的揚程。對于第二問題，可以采用不等截面的板式換熱器，目前能夠做到一、二次管網(wǎng)流量比為1：4的范圍。因此，技術(shù)上是完全可行的。

對于溫控閥，一般有兩種調(diào)節(jié)功能；第一種是室溫調(diào)節(jié)功能。根據(jù)對室溫的不同要求，用戶可以自行設(shè)定，這種操作通常都很方便。第二種調(diào)節(jié)稱不預(yù)置調(diào)節(jié)，主要目的是限定溫控閥的最大流量，保證不產(chǎn)生噪音。具體操作是根據(jù)房間熱負荷，和壓降為0.1Mpa時的最大流量，設(shè)定溫控閥的流量系統(tǒng)Kv(m3/h·m0.5)。從溫控閥的預(yù)置調(diào)節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，這種溫控閥本身實際上就是一個限流器或自力式平衡閥。

在正常情況下，溫控閥兩端的工作壓降應(yīng)為0.01～0.03Mpa，此時通過溫控閥的實際流量遠比溫控閥的預(yù)置值Kv（壓降為0.1Mpa時的最大流量）小。多數(shù)溫控閥，由于防止噪音的限制，其工作壓降最大不許超過0.06～0.1Mpa，因此0.1Mpa是溫控閥工作壓降的最大極限。

對于一個8層帶有跨越管安裝有二通溫控閥的管徑為DN20的立管，其總流量系統(tǒng)Kv為3.95(m3/hm0.5)。當只有一個房間供暖，其它7個房間的溫控閥全部關(guān)死，此時該立管的流量系數(shù)Kv為1.41(m3/h·m0.5)。當供暖房間溫控閥未調(diào)時，該房間室溫必然過熱；當該溫控閥關(guān)小，直至室溫合格時，溫控閥才停止調(diào)節(jié)，這時該立管的流量系數(shù)將≥0.5(m3/hm0.5)，即通過該立管的流量接近設(shè)計流量的1/8。如果給定該供熱系統(tǒng)的總資用壓頭為0.1Mpa，則該立管調(diào)節(jié)前后的總壓降從0.09Mpa增大到0.096Mpa。對于同一個系統(tǒng)，只把二通溫控閥，換為三通溫控閥，立管總流量系數(shù)Kv為0.6(m3/hm0.5)，但在同上的調(diào)節(jié)過程中Kv值幾乎不變，亦即立管壓降也波動很小。

根據(jù)上述分析，可以得出如下結(jié)論：

1．對于室內(nèi)供熱系統(tǒng)，除對溫控閥進行預(yù)置設(shè)定外，每一立管無需另裝壓差調(diào)節(jié)器。因為對于一個有8組散熱器的單管系統(tǒng)（如水平布置，一戶超過8組散熱器的不多），在極限調(diào)節(jié)下，立管壓降波動都不超過0.01Mpa，完全在溫控閥允許范圍內(nèi)。

2．采用新的室內(nèi)系統(tǒng)水力計算方法。從設(shè)計階段即消除了各立管之間的壓降不平衡。這樣可以避免溫控閥的大幅度的調(diào)節(jié)，進而減少立管壓降的波動。

3．在每個建筑物的熱入口，優(yōu)先安裝限流器或自力式平衡閥，使每個建筑物的熱入口的資用壓頭限制在設(shè)定范圍之內(nèi)，心量減少壓差調(diào)節(jié)器的裝設(shè)。

4．二次管網(wǎng)采用最佳調(diào)節(jié)方法即質(zhì)量并調(diào)方法。系統(tǒng)循環(huán)流量采用循環(huán)水泵的調(diào)頻調(diào)速控制。根據(jù)熱負荷的變動，調(diào)節(jié)系統(tǒng)總流量，可以使溫控閥都工作在微調(diào)的狀態(tài)下。

四、新的室內(nèi)系統(tǒng)水力計算方法

為了減少溫控閥的大幅度調(diào)節(jié)，進而避免在各立管上安裝壓差調(diào)節(jié)器，室內(nèi)供熱系統(tǒng)水力計算應(yīng)采用不等溫降法。但傳統(tǒng)的不等溫降法存在二個致命的缺點：一是在多環(huán)路中，要進行繁雜的流量壓降和溫降的修正；二是在允許的立管溫降下，難以實現(xiàn)最佳立管管徑的尋優(yōu)。由于這些缺點較難克服，導致這種水力計算方法長期不能在設(shè)計中廣泛推廣使用。

本文所提出的新的水力計算方法，正是基于不等溫降法的基本原理，應(yīng)用圖論網(wǎng)絡(luò)理論和新興的遺傳算法，十分理想地解決了上述二個難題。

1．管網(wǎng)流量壓降的平衡

按照圖論、圖絡(luò)理論，可建立如下的矩陣方程：

Bf(S|G|G-DH)=0

式中Bf--管網(wǎng)基本回路矩陣；

S--管網(wǎng)陰力系數(shù)矩陣；

DH--系統(tǒng)資用壓頭向量；

|G|--管網(wǎng)支路流量矩陣；

G--管網(wǎng)支路流量向量。

式中，Bf、S皆為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（含管徑、管長、管網(wǎng)走向）的函數(shù)，DH為管網(wǎng)流量的函數(shù)，當Bf、S已知時，解（8）矩陣方程，即可求得管網(wǎng)流量與相應(yīng)的壓力降。

在室內(nèi)供熱系統(tǒng)系統(tǒng)的水力計算中，根據(jù)熱負荷和系統(tǒng)布置，先按等溫降法，計算系統(tǒng)各支路的流量、壓降。由于矩陣方程的數(shù)值求解，是對整個管網(wǎng)一次性完成的，因此，管網(wǎng)各支路和流量、壓力降將自動達到平衡，無需進行各環(huán)路的流量、壓降修正。

2、最佳立管管徑的尋優(yōu)

上述矩陣方程的一次性求解，通常并不能完成水力計算的任務(wù)，因為所選擇的各立管管徑還必須符合規(guī)定的溫降要求：

Δtmin≤Δti≤Δtmax（9）

此約束條件指出，當各立管溫降Δti滿足允許最大、最小溫降時，水力計算的任務(wù)才算完成。

上述約束條件的滿足，傳統(tǒng)作法是靠試湊法進行。實踐證明，這種方法實際上是"碰運氣"，短時間內(nèi)很難得到理想方案。

本文采用的遺傳算法，十分成功地實現(xiàn)了立管管徑尋優(yōu)的問題。遺傳算法是近年來國內(nèi)外廣泛興起的一種并行尋優(yōu)算法。它的基本原理是模擬生物遺傳的優(yōu)勝劣汰法則。在迭代尋優(yōu)過程中，仿真生物繁殖通過雜交、變異方式，使子代優(yōu)于父代，逐漸接近全局最優(yōu)。

遺傳算法是通過二進制編碼來表示待選方案的。如一個供熱系統(tǒng)，有20個立管，則用一個40位二進制數(shù)來表示，每二位代表一個立管，如00可表示該立管徑為DN15，01表示管徑DN20，10對應(yīng)DN25，11即為DN32等。而且每次迭代，可同時選擇多個待選方案，這種并行尋優(yōu)算法，不但速度快，而且容易找到全局最優(yōu)方案。

應(yīng)用這種方法，計算機自動給出最佳立管管徑配置，十分方便。

本課題在應(yīng)用遺傳算法時，為提高收斂性，還要用了其它運算技巧。詳細論述可參閱論文"遺傳算法在室內(nèi)供熱系統(tǒng)水力計算中的應(yīng)用"。

3．程序簡介

該程序流程圖如下：

4．工程實例

北京地區(qū)某一建筑物，樓層為5層，供熱系統(tǒng)共有20根立管，供回水設(shè)計溫度為95/70℃。各立管熱負荷見表4，立管管徑計算結(jié)果見表5。表中NB為立管編號，QL為立管熱負荷，DT為立管溫降（℃），IBD為立管管徑負荷，S為立管阻力系數(shù)（h2/m5），G為立管流量（kg/h）。

該工程實例中，Δtmin=10℃，Δtmax=35℃，經(jīng)過17次迭代，即得表5結(jié)果，其中只有立管編號29，其溫降為37.3℃，略大于允許值，其它立管均符合約束條件，說明計算結(jié)果還是比較理想的。

對于雙管系統(tǒng)，該水力計算方法同樣適用。

表4立管熱負荷NB24252627282930

QL（W）1722912425.614053.6157692245.21292615915

NB31321233343536

QL（W）118971189011890.412456.816163.214205.620594

NB3738394041231

QL（W）114541054412068.611850.511849.511890.4

表5計算結(jié)果NB24252627282930

DT30.9726.1629.7828.0513.4837.2725.79

IBD25252525152025

S0.930.930.930.9311.882.960.93

G556.4475.07471.88562.09166.6346.85617.17

NB31321233343536

DT33.313130.7423.6329.3425.3134.6

IBD20202025252525

S3.413.413.410.930.930.930.93

G357.12383.57386.79527.23550.92561.27578.48

NB3738394041231

DT31.9528.6134.8632.1129.6329.38

IBD202020202020

S2.952.963.413.413.413.41

G358.55368.49346.16369.08399.91404.73

五、系統(tǒng)循環(huán)水泵的變流量調(diào)節(jié)

無論單管系統(tǒng)還是雙管系統(tǒng)，最佳調(diào)節(jié)方式都是質(zhì)量并調(diào)，即隨著室外氣溫的變化，不但要調(diào)節(jié)供水溫度，而且要調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量，這樣才能真正消除系統(tǒng)的水平失調(diào)和垂直失調(diào)。當散熱器前安裝有溫控閥時，系統(tǒng)在整個供暖期中，實際上是按變流量的方式運行。此時如果二次網(wǎng)的循環(huán)水泵仍按定流量（即質(zhì)調(diào)節(jié)）運行，那么，必然會引起：（1）溫控閥大幅度的調(diào)節(jié)和系統(tǒng)壓降的波動；（2）循環(huán)水泵提供的電能，相當部分無謂地消耗在溫控閥的節(jié)流上，浪費能源。因此，為與溫控閥配套，合理的運行方式應(yīng)該是二次網(wǎng)循環(huán)水泵，也進行變流量調(diào)節(jié)。

1．循環(huán)水泵的設(shè)置形式

對于二次網(wǎng)系統(tǒng)，在運行期間，換熱器對循環(huán)流量大小無嚴格限制。因此，二次網(wǎng)系統(tǒng)采用一級泵系統(tǒng)即換熱站循環(huán)泵與熱用戶循環(huán)泵合二為一的方式為宜。

對于熱源為鍋爐房的一次網(wǎng)系統(tǒng)，鍋爐循環(huán)流量一般不應(yīng)小于額定流量的70%，這是因為：（1）流量過小，會引起鍋爐浸熱管水量分配不均，出現(xiàn)熱偏差，導致鍋爐爆管等事故；（2）流量過小，會導致回水溫度過低，造成鍋爐尾部腐蝕。為克服這一矛盾，一次網(wǎng)循環(huán)水泵常采用雙級泵系統(tǒng)，即一級泵為鍋爐循環(huán)泵，二級泵為熱網(wǎng)循環(huán)泵。具體形式，如圖3所示：

圖3雙級泵系統(tǒng)

2．節(jié)電分析

對于圖3中A型雙級泵系統(tǒng)，一般熱源循環(huán)泵0，采用定流量運行，而熱網(wǎng)循環(huán)泵1采用變流量運行。這種雙級泵變流量系統(tǒng)與傳統(tǒng)的一級泵流量系統(tǒng)相比較，節(jié)電效果明顯，其計算公式如下：

（10）

式中--A型雙級泵變流量系統(tǒng)與一級泵定流量系統(tǒng)耗電比值；

E'''',E--分別為一級泵和二級泵的全年運行耗電量；

H''''o--熱源循環(huán)泵的額定揚程；

H''''1--熱網(wǎng)循環(huán)泵的額定揚程；

Hall--供熱系統(tǒng)全年運行小時數(shù)；

ho--室外溫度低于設(shè)計外溫的延續(xù)小時數(shù)；

--熱網(wǎng)設(shè)計流量與實際運行流量的比值。

對于圖3中的B型雙級泵系統(tǒng)，循環(huán)泵2和循環(huán)泵3額定揚程分別為：

H2=ΔP0（11）

H3=ΔP0+ΔP1（12）

式中ΔP0--鍋爐房的額定壓降；

ΔP1--熱網(wǎng)的額定壓降；

H2，H3--分別為循環(huán)泵2，循環(huán)泵3的額定揚程。

B型雙級泵系統(tǒng)在運行中，循環(huán)泵2、循環(huán)泵3都可進行變流量調(diào)節(jié)。設(shè)Go為通過鍋爐的循環(huán)流量，一般在運行期間保持定流量不變。則循環(huán)泵2、循環(huán)泵3的循環(huán)流量G2、G3按如下關(guān)系運行：

G2max=Go-G1min(13)

G2min=Go-G1max=0(14)

顯而易見，無論A型和B型雙及泵系統(tǒng)，鍋爐循環(huán)泵的額定揚程皆取鍋爐房的設(shè)計壓降為宜。而B型雙級泵的熱網(wǎng)循環(huán)泵的額定揚程則是鍋爐房和熱網(wǎng)設(shè)計壓降的總和，大于A型雙級泵系統(tǒng)的熱網(wǎng)循環(huán)泵額定揚程（后者額定揚程為熱網(wǎng)設(shè)計壓降）。無論哪一種循環(huán)泵，額定流量都是設(shè)計流量。因此，從初投資考慮，B型雙級泵系統(tǒng)要大于A型雙級泵系統(tǒng)。但B型雙級泵系統(tǒng)在運行中的節(jié)電效果好于A型雙級泵系統(tǒng)，通過計算，

在北京地區(qū)：

（15）

在哈爾濱地區(qū)：

（16）

實際工程選用哪一種方案，需通過經(jīng)濟比較確定。

但經(jīng)過粗略計算，對于二次管網(wǎng)，在循環(huán)水泵采用變流量調(diào)節(jié)時，當平均運行流量是設(shè)計流量的80%時，節(jié)電約49%；平均運行流量是設(shè)計流量的70%時，節(jié)電66%。對于一次管網(wǎng)，選用A型雙級泵系統(tǒng)，在熱網(wǎng)泵平均流量是設(shè)計流量的70%時，節(jié)電44%；平均流量是設(shè)計流量的50%時，節(jié)電57%。

3．循環(huán)泵的調(diào)節(jié)方法

對于大功率的循環(huán)泵，由于投資原因，宜采用液力偶合方式調(diào)速。在功率小于150KW以下的循環(huán)泵，皆可采用變頻調(diào)速。變頻調(diào)速比起其它調(diào)速方法，最大的優(yōu)點是調(diào)速過程轉(zhuǎn)差率小，轉(zhuǎn)達差損耗小，能使電機實現(xiàn)高效調(diào)速。在變頻的同時，電源電壓可以根據(jù)負載大小作優(yōu)化調(diào)節(jié)。在調(diào)頻過程，能使功率因素保持在80%以上。此外，還可以在額定電流下起動電機，從而降低配用變壓器的容量。變頻器體積小巧，運行平穩(wěn)，可靠性高。變頻調(diào)速應(yīng)用于循環(huán)水泵的變流量調(diào)節(jié)，已逐漸被人們所認識。

對于多臺泵并聯(lián)的循環(huán)水泵，可以采用每臺泵皆由變頻調(diào)速控制，也可采用其中的一臺循環(huán)泵實行變頻調(diào)速速，其它各臺循環(huán)泵都為定流量運行。采用后一種調(diào)速控制方案時，變頻調(diào)速泵，起著峰荷的調(diào)節(jié)作用。當熱負荷較小時，只有變頻調(diào)速泵運行。隨著熱負荷的增大，變頻控制柜可自動起動第二臺、第三臺……并聯(lián)循環(huán)泵的滿負荷運行；當熱負荷減少時，定流量循環(huán)泵依次可自動停運。在電機功率為75KW以下時，定流量循環(huán)泵的啟動可由變頻控制柜直接啟動；當電機功率超過75KW以上時，采用降壓啟動。

采用單泵變頻調(diào)速方案，可大大降低初投資，由于節(jié)電效果明顯，投資一年左右即可回收。

參考文獻：

1．石兆玉，《供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)與控制》，清華大學出版社，1994，1。

2．石兆玉，《流體網(wǎng)絡(luò)分析與綜合》，校內(nèi)教材，1993，8。

3．石兆玉、陳斌，"遺傳算法在室內(nèi)供暖系統(tǒng)水力計算中的應(yīng)用"，1998年全國暖通年會論文集。

4．史登峰，"可調(diào)式水噴射泵在供熱系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用"，工程碩士論文，1998，5。