分布式蓄熱罐容量?jī)?yōu)化及二級(jí)管網(wǎng)調(diào)節(jié)改進(jìn)

1 概述

隨著供暖規(guī)模的不斷擴(kuò)大，供熱系統(tǒng)能耗逐年增加

。2019年，我國(guó)建筑供暖能耗(折合標(biāo)準(zhǔn)煤)為2.3×10

t，占建筑能耗的25%左右

。集中供熱系統(tǒng)以其能提供可靠的高品質(zhì)供熱、熱效率高等優(yōu)勢(shì)，成為我國(guó)城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)的首選形式

，但部分集中供熱系統(tǒng)存在運(yùn)行效率偏低、水力和熱力失調(diào)問(wèn)題，用戶熱負(fù)荷波動(dòng)使熱源(特別是熱電聯(lián)供機(jī)組)供熱量的調(diào)控難以符合預(yù)期。

對(duì)于不規(guī)則地貌，其表面積很難通過(guò)常規(guī)的方法來(lái)計(jì)算。目前，通常使用不規(guī)則三角網(wǎng)法提取地面和地物坐標(biāo)信息，并進(jìn)行擬合求解。CASS9.0軟件表面積計(jì)算是通過(guò)DTM(Digital Terrain Model，DTM)建模，在三維空間內(nèi)將高程點(diǎn)生成為帶坡度的三角網(wǎng)，進(jìn)行后續(xù)表面積的擬合計(jì)算[9]。通過(guò)實(shí)地測(cè)得的地面特征點(diǎn)三維坐標(biāo)(X，Y，Z)數(shù)據(jù)生成三角網(wǎng)來(lái)計(jì)算擬定設(shè)計(jì)高程下每個(gè)三角形的表面積，疊加得到指定區(qū)域的總表面積。

為了解決熱能供需不匹配問(wèn)題，蓄熱技術(shù)受到了關(guān)注。目前，大部分研究關(guān)注設(shè)置在熱源處的集中蓄熱裝置。但供需不平衡的主要矛盾往往集中在于用戶一側(cè)，而且隨著熱網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，集中蓄熱裝置調(diào)節(jié)的時(shí)滯性大、靈活性差的缺點(diǎn)更加明顯。集中式蓄熱裝置遠(yuǎn)離用戶，本質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)熱源，雖然可起到削峰填谷的作用，但依然存在很大的輸送延遲。

式中：A0為主閥芯下腔受力面積；A2為主閥芯上腔受力面積；m2為主閥芯當(dāng)量質(zhì)量；B2為主閥芯黏性阻尼系數(shù)；K2為主閥復(fù)位彈簧剛度；y0為主閥復(fù)位彈簧預(yù)壓縮量；y為主閥芯位移；D0為主閥閥座孔直徑；g為重力加速度；α為主閥芯半錐角。

針對(duì)集中蓄熱裝置存在的問(wèn)題，有專家學(xué)者提出將蓄熱罐放置在熱力站、用戶的分布式蓄熱形式。分布式蓄熱裝置時(shí)滯性小，能快速地對(duì)用戶負(fù)荷變化進(jìn)行響應(yīng)，還能增加供熱可靠性，改善水力與熱力失調(diào)。因此，對(duì)分布式蓄熱罐容量和二級(jí)管網(wǎng)調(diào)節(jié)方法進(jìn)行優(yōu)化顯得尤為重要。本文介紹分布式蓄熱、二級(jí)管網(wǎng)調(diào)節(jié)方法研究現(xiàn)狀，對(duì)分布式蓄熱罐容量?jī)?yōu)化及二級(jí)管網(wǎng)調(diào)節(jié)方法改進(jìn)途徑進(jìn)行綜述。

2 研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)外對(duì)蓄熱罐的研究多集中在利用軟件及提出新的算法用于優(yōu)化、比較蓄熱罐容量。Lorgio

提出一種簡(jiǎn)化的蓄熱罐容量?jī)?yōu)化數(shù)學(xué)模型，并分析得到蓄熱罐的最優(yōu)容量，在最優(yōu)容量范圍內(nèi)可明顯減少調(diào)峰鍋爐的使用量，并減少污染物排放。通過(guò)經(jīng)濟(jì)分析，指出在蓄熱罐最優(yōu)容量下，可以縮短供熱系統(tǒng)投資回收期。Katufic等人

提出一種新方法計(jì)算蓄熱罐的最佳容量，最佳容量取決于熱負(fù)荷、電價(jià)、燃料價(jià)格等因素，但是需要多次計(jì)算目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算比較復(fù)雜。韓國(guó)學(xué)者提出了一種遺傳算法，不過(guò)該算法僅適用于計(jì)算集中式蓄熱罐最優(yōu)容量

。

張婷等人

針對(duì)分布式蓄熱方式，以蓄熱罐最大容量為基準(zhǔn)，分析不同蓄熱罐容量下，熱力站購(gòu)熱費(fèi)用的變化。結(jié)果顯示：在熱力站設(shè)置分布式蓄熱罐，能減少熱力站的購(gòu)熱費(fèi)用，隨著蓄熱罐容量的增大，減少趨勢(shì)變緩。但沒(méi)有提出蓄熱罐經(jīng)濟(jì)容量，也沒(méi)有對(duì)蓄熱罐容量進(jìn)行優(yōu)化。柳文潔

通過(guò)建立蓄熱罐經(jīng)濟(jì)性數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，使用Matlab軟件比較了幾個(gè)典型方案，驗(yàn)證了設(shè)置蓄熱罐的優(yōu)勢(shì)以及蓄熱罐容量對(duì)供熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響，并采用遺傳算法(GA)對(duì)蓄熱罐容量進(jìn)行優(yōu)化。

期望進(jìn)行金融改革。壟斷的存貸利息差，給銀行帶來(lái)幾乎壟斷的利潤(rùn)，也養(yǎng)成了金融的傲慢。向來(lái)是錦上添花，從不雪里送炭。2013年，互聯(lián)網(wǎng)金融出現(xiàn)，大大沖擊了銀行家們。然而，互聯(lián)網(wǎng)金融帶來(lái)便利的同時(shí)，也帶來(lái)了e租寶、泛亞等騙錢的圈套，再想想2015年的股市崩盤(pán)、2016年的外匯離境，讓人不寒而栗。所以，中央把防范系統(tǒng)性金融風(fēng)險(xiǎn)放在重點(diǎn)工作的首位。

目前，我國(guó)有學(xué)者已經(jīng)意識(shí)到隨著供熱管網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大集中蓄熱的不足，而以熱力站為單位的分布式蓄熱方式距離熱用戶更近、靈活性更強(qiáng)，對(duì)供熱系統(tǒng)的節(jié)能作用更加明顯

。也有學(xué)者對(duì)分布式蓄熱罐的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：熱力站熱負(fù)荷越大、與熱源距離越遠(yuǎn)，在熱力站設(shè)置分布式蓄熱罐的經(jīng)濟(jì)性越好

。另外，有學(xué)者提出分布式變頻泵技術(shù)解決大規(guī)模熱網(wǎng)遠(yuǎn)端熱力站資用壓頭不足以及管網(wǎng)水力不平衡的問(wèn)題，該技術(shù)在保證熱網(wǎng)安全運(yùn)行方面也取得了很好的效果

。

3 分布式蓄熱罐容量的優(yōu)化

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)多采用常壓式蓄熱罐，采用從一級(jí)管網(wǎng)蓄熱向二級(jí)管網(wǎng)放熱的方式，蓄熱罐冷熱水溫差比較大，儲(chǔ)存相同熱量時(shí)所需蓄熱罐的有效體積比較小，可以減小占地面積和降低投資。蓄熱罐與二級(jí)管網(wǎng)的連接方式不同，存在不同的效果，確定連接方式后也需要優(yōu)化二級(jí)管網(wǎng)調(diào)節(jié)方式，減少水力失調(diào)現(xiàn)象

。

Stuhlenmiller等人

使用模擬程序TRNSYS對(duì)現(xiàn)有蓄熱罐進(jìn)行建模，找到最佳的蓄熱罐容量，使總成本降至最低。Fragaki等人

利用Energy PRO軟件分析了含有蓄熱罐的熱電聯(lián)供機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益和最佳規(guī)模。結(jié)果表明：含有蓄熱罐的熱電聯(lián)供機(jī)組投資回收率超過(guò)不含蓄熱罐的熱電聯(lián)供機(jī)組，且可有效節(jié)約成本。Lund等人

以實(shí)際熱電廠為例，利用Energy PRO軟件確定蓄熱罐的最佳容量，最佳容量不僅與蓄熱罐成本有關(guān)，還受燃料價(jià)格、電價(jià)等的影響。

盡管老款車型在國(guó)產(chǎn)之后針對(duì)隔音降噪表現(xiàn)進(jìn)行了不少改進(jìn)，但新一代C級(jí)轎車在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。坐進(jìn)車內(nèi)，關(guān)上車門(mén)，我仿佛被關(guān)進(jìn)了醫(yī)院的CT室，四周安靜得很不真實(shí)。當(dāng)然，具有48伏智能電機(jī)的1.5升渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)功不可沒(méi)，而48伏電氣系統(tǒng)的介入也讓不少原本需要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況變?yōu)閮H需電機(jī)工作即可。配合9速自動(dòng)變速箱合理的齒比，想擁有平順且靜謐的行駛體驗(yàn)簡(jiǎn)直是易如反掌。

在丹麥和法國(guó)，小型蓄熱罐廣泛應(yīng)用于供熱調(diào)峰

。北歐一些集中供熱水平較高的國(guó)家，通過(guò)設(shè)置若干個(gè)分布式蓄熱罐配合熱電廠調(diào)整供熱量

。德國(guó)有學(xué)者以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和生態(tài)指標(biāo)為目標(biāo)，分析加裝蓄熱罐對(duì)供熱系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明：熱電聯(lián)供供熱系統(tǒng)配置蓄熱設(shè)備既減少了對(duì)環(huán)境的影響，也節(jié)省了能源供應(yīng)成本。與集中蓄熱裝置相比，分布式蓄熱裝置更加靈活且更加節(jié)能。并提出一種計(jì)算分布式蓄熱罐的最優(yōu)安裝位置、運(yùn)行方式和容量的算法

。歐洲一些學(xué)者提出未來(lái)的供熱系統(tǒng)必須足夠靈活，以應(yīng)對(duì)用戶熱負(fù)荷變化，而熱能儲(chǔ)存是一種成熟有效的技術(shù)，可為供熱提供足夠的靈活性。研究顯示，集中蓄熱裝置的靈活性小于分布式蓄熱裝置

。日本學(xué)者提出將蓄熱裝置安裝在用戶端，研究發(fā)現(xiàn)，這種分布式蓄熱方式可縮短熱量調(diào)整時(shí)間，降低安裝成本，減少二氧化碳排放

。

蓄熱罐容量過(guò)小，易因罐體自身限制而不能充分發(fā)揮蓄熱技術(shù)的節(jié)能潛力。容量過(guò)大，易造成蓄熱罐空間閑置，蓄熱效率降低的同時(shí)也增加供熱系統(tǒng)的投資。籍舒然

以實(shí)際熱力站在整個(gè)供暖期的模擬熱負(fù)荷為基礎(chǔ)，計(jì)算逐日所需蓄熱量，從而確定蓄熱罐的最大容量。計(jì)算結(jié)果顯示：最大所需蓄熱量在供暖期僅出現(xiàn)數(shù)日。部分國(guó)內(nèi)企業(yè)降低白天供熱量，在保證一定室溫的前提下蓄熱，將原有室內(nèi)溫度與蓄熱工況室內(nèi)溫度產(chǎn)生的熱負(fù)荷差作為分布式蓄熱罐的蓄熱量，但這并非是對(duì)蓄熱罐容量的優(yōu)化

。

4 二級(jí)管網(wǎng)調(diào)節(jié)的改進(jìn)途徑

隨著供熱系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，國(guó)外許多學(xué)者開(kāi)始對(duì)熱網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行進(jìn)行研究。Bojic等人

建立了供熱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析結(jié)果顯示：在合適的地方設(shè)置循環(huán)泵、閥門(mén)可以緩解供熱系統(tǒng)的冷熱不均與水力失調(diào)。Sarbu等人

、Green

建模比較調(diào)節(jié)閥、變頻泵在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)采用變頻泵變流量調(diào)節(jié)時(shí)，供熱系統(tǒng)的節(jié)能效果比采用調(diào)節(jié)閥時(shí)更好。Truschel

通過(guò)對(duì)變流量系統(tǒng)的研究指出，將變頻泵應(yīng)用在二級(jí)管網(wǎng)，能耗和電力成本均有大幅下降。Bahnfleth等人

通過(guò)對(duì)設(shè)置變頻泵的變流量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬得出，二級(jí)管網(wǎng)設(shè)置變頻泵每年可節(jié)能2%～5%，節(jié)省投資4%～8%。

國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)熱網(wǎng)的調(diào)節(jié)方式提出了很多新的想法并進(jìn)行了研究。紀(jì)博淵

研究得出分布式供熱系統(tǒng)比傳統(tǒng)熱集中供熱系統(tǒng)能耗低，分布式供熱系統(tǒng)只有選擇合適的調(diào)節(jié)方式，才能更好地發(fā)揮節(jié)能效果。馬婉路

分析了采用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)的二級(jí)管網(wǎng)的水力、熱力工況。結(jié)果顯示：在有限制的條件下，閥門(mén)調(diào)節(jié)可以滿足需求，但造成了明顯的能源浪費(fèi)。王紅霞等人

指出采用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)方式至少要損失30%的能量，而采用用戶混水變頻泵、加壓變頻泵和主循環(huán)變頻泵相結(jié)合的方法，可節(jié)能75%。尹榮杰

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，分布式變頻泵技術(shù)可以保證供熱質(zhì)量，并最大限度保證供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

薛林

采用TRNSYS軟件搭建居住建筑系統(tǒng)，模擬發(fā)現(xiàn)采用分布式變頻泵系統(tǒng)可以有效地降低供暖初期和末期的室內(nèi)過(guò)熱情況，提高室內(nèi)舒適度，建筑能耗有所降低。張昆

詳細(xì)闡述了分布式變頻泵系統(tǒng)的基本形式、特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法和節(jié)能效果，并針對(duì)運(yùn)行控制策略進(jìn)行了重點(diǎn)分析。對(duì)水力工況特性對(duì)比分析可知，分布式變頻泵系統(tǒng)具有更好的水力穩(wěn)定性和節(jié)能性；并對(duì)采用變頻泵變流量調(diào)節(jié)的二級(jí)管網(wǎng)水力平衡過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真模擬，制定了合理有效的調(diào)節(jié)方案。

5 結(jié)論

國(guó)內(nèi)外均重視分布式蓄熱、二級(jí)管網(wǎng)調(diào)節(jié)方法的研究。采用蓄熱罐在帶來(lái)良好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，蓄熱罐容量對(duì)供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性存在較大影響。對(duì)分布式蓄熱罐容量進(jìn)行優(yōu)化，是提高供熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的有效方法。在熱網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)方面，變頻泵技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，對(duì)變頻泵變流量調(diào)節(jié)與分布式蓄熱系統(tǒng)相結(jié)合的優(yōu)化研究還比較缺乏。

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