（工程热物理专业论文）供热二次网经济设计温差的研究.pdf

中文摘要 集中供热因改善生活质量、改善环境、节能，在城市中发展很快。目前，关 于集中供热的研究，很多学者关注于系统的设计参数上。在我国，关于集中供热 的设计参数的优化研究得到了一定程度的发展。但是，我国对于集中供热设计参 数的研究，很多照搬国外的相关数据，对于这些参数是否适用当前情况，缺乏深 入的研究。本文采用经济学原理对供热系统二次网的供回水设计温差进行优化研 究。 本文首先对当前集中供热系统中的室外管网、室内系统进行了分析。对城市 集中供热的二次网系统做了详细的调研，获得了二次网的典型资料，为本课题的 研究提供素材和依据。 其次对供热系统的经济性分析方法做了较为细致的解释，确定了本课题所要 用的经济模型和方法。利用数学方法对小区供热建设当中的各个细节和发生费用 的环节建立了相关的数学模型，并对模型进行了详细的阐述。将前人研究经济比 摩阻的方法引入到本课题的模型当中，对分项模型进行分析，确定本课题的模型。 对具体的供热系统进行了分析，确定了所要模拟的供热系统的模型，对供热 管网建设发生费用当中的材料因子利用造价预算的方法，在目前的市场价格下确 定了材料因子系数值。 利用本课题建立的数学模型对确定的供热系统进行了编程计算，结果以图表 的形式列在论文里，能够直观的看到不同情况下供热系统的经济温差的变化情 况。针对工程建设和运行中对实际发生费用影响较大的因素做了分析，得到了相 关的影响权重。 通过建立的数学模型对供热系统进行模拟发现了提高小区供热系统温差优 化设计的相关规律，温差的优化设计对减少供热系统初投资、降低运行费用有着 重要的意义。 关键词：供热系统经济温差热媒参数优化 a b s t r a c t c e n t r a lh e a t i n gb e c o m e sp o p u l a ri nt h ew o r l da sat e c h n i q u eo fi m p r o v i n go u r d a i l yl i f e ，i m p r o v i n ge n v i r o n m e n ta n ds a v i n ge n e r g y a tp r e s e n t ，m a n ys c h o l a r sa r e f o c u s i n go nt h ed e s i g np a r a m e t e r s i nc h i n a ，t h es t u d yo fo p t i m i z a t i o no nt h e s ed e s i g n p a r a m e t e r sh a sm a d eap r o g r e s s b u tm a n yr e s e a r c hd a t ao nc e n t r a lh e a t i n gi n c h i n a h a sb e e nt a k e nf r o mt h er e l e v a n ti n f o r m a t i o na b r o a d t h e r ei sn op r o f o u n ds t u d yo n i ft h e s ed a t ai ss u i t a b l ef o rt h ep r e s e n ts i t u a t i o n t h e r e f o r e ，am e t h o dw h i c hi s u s e di n t h i sp a p e ri st h ee c o n o m i ca n a l y s i s t h ep a p e rs t u d yd e s i g nt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo f s e c o n d a r yh e a t i n gn e t w o r k a tf i r s t ，as u r v e yf o c u s e so ns e c o n d a r yn e t w o r ka n a l y s i so u t d o o ra n di n d o o r h e a t i n gs y s t e m t h es u r v e yg e t t i n gs o m ed o c u m e n t sa b o u ts e c o n d a r yn e t w o r ks y s t e m c a ns u p p l ym a t e r i a la n db a s i s s e c o n d l y , t h em e t h o da b o u te c o n o m i ca n a l y s i si se x p l a i n e da n dd e t e r m i n e di n t h i sp a p e r t h em a t h e m a t i c a lm o d e li sc o n s t r u c t e da b o u tp a r t i c u l a r sa n de x p e n d i t u r e o fs e c o n d a r yn e t w o r ks y s t e m t h em e t h o da b o u ts p e c i f i cf d c t i o n a lr e s i s t a n c e i s a p p l i e dt ot h em o d e l t h i r d l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec o n c r e t en e t w o r ka n dd e f i n i t et h er u d i m e n to f h e a t i n gn e t 、v o r l ( t h ef a c t o ro fm a t e r i a lp a r a m e t e ri sd e t e r m i n e db yt h em a r k e tp r i c e n o w d a y l a s t l v t h en e t w o r ki ss o l v e da c c o r dt ot h em o d e lo fn u m e r i c a la n a l y s i s t h e r e s u l ti sr e v e a l e di nt h ep a p e rb yt h ec h a r t w ec a l l s e ei n t u i t i v e l yt h ev a r yo f e c o n o m i cd i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r e s o m ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ec o n s t r u c t i o n c o s t s e v e r e l ya r ea n a l y z e da n dg o tt h ew e i g h i n g t h r o u g h tt h em o d e l ，i tw a sf o u n dt h a ts o m ed i s c i p l i n e sw h i c hc a ni m p r o v et h e o p t i m i z a t i o no fe c o n o m i cd i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r e t h eo p t i m i z a t i o nc a nm i n i m i z e i n i t i a lc o s to fh e a t i n gn e t w o r ka n do p e r a t i o nc o s t k e yw o r d s ：h e a t i n gs y s t e m ，e c o n o m i c a ld i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r e ，h e a t i n g m e d i u mp a r a m e t e r , o p r i m i z a t i o n 独创- h j 声明 本人j hi l 所，交的j j ，f 、：沦义坦小人n j ：土师指诤f 进行的研究工作和取得的 研究成粜，除了文i l t 特别d i i 以标 i ：4 ：1 1 致蹦之处外，论义中不包含其他人已经发表 或撰7 ，= j 过的研7 ，成果，眦 i ， 生禽为软搿玉壹盘生或其他教育机构的学位或证 书而使川j d _ t l , j 材料。! o 找一旧i - f i - f i j m 小- t - 1 1 小研可f 所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说叫_ = j = 太j j ：了f ! j j ，溉。 学讧沦文作杉答轵：匆影褡7 l j ：7 p8 年乡月同 学位沦文版权使用授权书 本学位涂文作行- t 令了f f i 4 ：叁盎基茎有天f 宋篇、使用学位论文的规定。 特授权一丞叠盘鲎一，j m , 4 1 f7 j 七f 沙沦史的食部! 戈部分内容编入有关数据库进行检 索，7 1 ：采川影【：= | j 、缩印或【ji - j i “i i 锋复制下段保存、f 编以供查阅和借阅。同意学校 向吲家仃父阁”, c4 ；s 1 构j 鏊史除文的复印 7 t - 年i i 磁髓。 f 保律吖i j 。j j ：f 口论艾亿解律j 7 7 j l r , j ：lj 本授十义说f i j ) 猢：高彤、 签寄：i1 g j ：) 瑚8 i 乡jjg | i ! j ：f j f i j 钨名： p 厂 丹 驴 哆百万v 年玉 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 城市集中供热是节约燃料、改善环境及实现城市生活现代化的一项重要技术 措施，自1 8 7 7 年在美国开始采用后，到目前己经有一百多年的历史。在世界范围 内，北欧等国因地理环境的影响发展集中供热较早，供热规模及供热质量较好， 同时所有的供热系统均采用计算机自动监控，自动化程度较高。 随着我国集中供热规模的稳步增加，人们对于城市集中供热的要求已不仅仅 局限于供热规模的不断扩大，对供热系统的能源利用率和可靠性提出了更高的要 求。在工程设计时，节约能源，充分发挥热网的各种应用效率，避免发生更大的 经济损失，因此我国已经在大力发展热网的优化及经济计算分析。集中供热是一 项复杂的系统工程，系统的优化包括能源优化、热网走向的优化、供热参数优化 以及调节控制的优化。 集中供热系统一般分为供热一次网和二次网，二次网为用户侧室外管网系 统，设计管网系统涉及到热媒参数的选取，这些参数的选取对整个管网系统的优 化运行和节能起到至关重要的作用。 在室内、室外供热系统的设计当中，已知供热系统的供热负荷，确定供热系 统的网路直径和经济比摩阻以及供回水温差是供热系统计算当中非常必要的。在 进行计算时，对于管网系统的供回水温差还需作出技术经济分析。 面对巨大的建筑采暖市场，我们应该制定一个整体规划。应该根据我国的实 际情况，参照我国的能源结构和能源政策，本着提高采暖水平、降低成本、保护 环境的原则，制定一个我国采暖行业整体上应坚持的方向。虽然经济供回水温差 等参数的研究计算在我国有了一个很快的发展。但是随着国家经济的迅速发展以 及各种政策的规范及强化，需要对经济温差做进一步的研究。本课题主要随着天 津大学承担的国家“十一五”计划中建筑节能研究项目“既有建筑供能系统升级 改造关键技术研究”而定，利用这个项目的研究背景和资源开展相关供热工程调 研和理论技术的研究。 出于以上介绍的情势要求，本论文的题目确定为小区供热系统供回水经济温 差的研究，希望借鉴前人的方法和思路，通过个人的仔细分析，进一步对经济温 差进行研究，探讨我国应用的经济温差存在的问题，最大限度地减少工程建设中 天津大学硕士学位论文第一章绪论 不必要的损失。 1 2 课题研究背景和现状 对于每一个供热企业来说，要想生存、要想发展、都必须充分重视供热质量、 经营管理、收费和经济运行等各个方面的问题，而各个方面的问题又都是有机地 连在一起的，都是互相关联、缺一不可的，忽视了哪一方面都会给企业的经济效 益和社会效益带来不良的后果。有些问题( 如收费难的问题、用户冷热不均的问 题) 大家都认识到了，但由于种种原因一直困扰着供热企业，很难解决。还有一 些问题在很大程度上影响着供热企业的供热质量、成本，从而影响着供热企业的 经济效益和社会效益，但由于认识不清或被一些不合理的传统做法和习惯势力左 右着，已成了“司空见惯”的状态。 欧洲一些国家在七十年代建成热网水力工况计算机模型并可以计算一些经 济性问题，国外的水力计算发展很快，以水力模型来计算其它的经济参数，并且 水力计算经过了辉煌的发展。从1 9 6 6 年西尔克的管道层流非恒定摩阻项，到1 9 7 5 年奇卡的权函数近似表达式。1 9 8 5 年欧米、凯欧曼等的综合特征线方程和湍流 的零方程模型，计算结果都很成功，为经济比摩阻的发展起了推动力的作用，供 热系统设计参数的优化研究也取得了长足的进步。热网经济参数的概念被推出 来，兼顾了系统的经济性和技术性。 在这样的背景下，供热系统的优化设计问题日益活跃起来，其中供热系统的 设计参数的优化成为其中一个热点；供热系统的设计参数主要包括管网的经济比 摩阻、供回水温差、供水温度、管道温度降、管道保温厚度等几个方面。其中经 济比摩阻、管道保温厚度、供水温度、管道温度降四个问题研究的较多，供回水 经济温差的研究相对比较少。从我国经典供热教材的发展来看，1 9 8 6 年单文昌、 尚雷对前苏联a a 约宁的供热学一书的引进，对供热系统的研究起到了旗帜 性的作用，1 9 8 8 年北京建筑工程学院的安英华等人引进的前苏联经典教材热 化与热力网，对我国的供热系统的设计参数的优化分析提供了参考依据；1 9 9 2 年山东建筑工程学院的戎卫国，应用热经济学原理和静态的经济技术分析学，对 最佳供水温度和经济比摩阻做了深入的讨论和研究，在建立经济费用和供热参数 之间的关系时，利用计算机优化程序对供回水温差、经济比摩阻及供热半径同时 优选，较为合理，提高了计算经济温差、经济比摩阻的计算精度；1 9 9 8 年，南 京建筑工程学院的刘金祥利用动态的经济技术分析方法，考虑了资金的时间价值 因素，通过工程实例的应用，详细的对供热参数进行了细化。在这以后吕琦、刘 宗波等人对经济供回水温差的模型进行了推导和实际工程的应用，但模型都较为 天津大学硕士学位论文第一章绪论 简单，考虑的因素相对较少。 清华大学热能系根据参数互相影响，必须综合选出这些参数的最佳组合才能 保证供热系统整体经济性的原理，对供热系统设计参数进行了长期的理论研究和 和实验研究，其方法是在已知热源点位置和热用户的热负荷分布时，同时求得最 佳热化系数、供回水温度和管道比摩阻的最佳组成u 。，这些研究为其它科学技术 人员研究此类问题起到了促进和指导作用。 国外在进行供热系统设计参数的优化选取时，没有统一的计算方法，依然采 用实验推荐的数值。俄罗斯的一些大的设计公司，只是推出自己工程要用的计算 图和计算表。这些成果大多以实验为基础，针对某一具体管段进行分析时，当条 件改变时加以修正系数来确定，推荐值对于具体供热系统的合理性并没有做过具 体的分析和探讨。 在我国，二次网供回水温度主要有9 5 7 0 。c 、8 5 6 5 、8 0 6 0 、7 0 5 0 等集中情况“。，建筑供暖系统的设计温差一般为2 5 、2 0 ，而这一数值是否 满足我国目前的管网造价、热价、电价以及热负荷等相关因素的变化，是否真正 体现供热管网的经济性以及如何确定具体条件下的供回水温差还待研究。在文献 2 中也提n - - 次网供回水温度要经过详细技术经济分析后确定。对于如何确定 具体工程的经济供回水温差并没有给出相应的方法。 总的说来，对于经济供回水温差这一问题，在供热系统参数优化当中应当做 更深入的研究。 1 3 本课题相关的建筑物热负荷状况 本课题针对典型地区的供热企业开展建筑热负荷调研，进行分析论证，得到 第一手的有关既有建筑与新建建筑以及改造建筑的热负荷资料，为经济温差模拟 分析提供素材和依据；下面是根据具体地区调研得到的详细相关数据： 表1 1 改造与未改造建筑的耗热量 顷目建筑面积累计热量耗标煤量 - 单位面积耗热量热指标 名称 m 2m w h m w h 时w m 2吨天 未改 2 4 0 2 1 93 5 6 50 1 4 3 3 27 2 5 9o 3 9 已改3 0 4 3 1 6 3 2 4 8 8 90 0 9 1 2 44 6 2 10 3 2 供暖期内室外平均气温一4 0 6 c ，室内温度平均1 8 。c ，供热期1 4 5 天； 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表1 - 1 为经过供暖改造的建筑和未经过供暖改造的建筑的耗热比较；采集时间 2 0 0 7 年- 2 0 0 8 年一个运行期。 表1 2 既有建筑热负荷 项目建筑面积 累计热量 单位面积耗与中间层对比 热指标 ， 热量高出百分数 名称 m ?m w h m w h i n 2 w 时 中间层 1 4 4 3 9 31 5 3 6 3 4 4 0 1 0 6 4 4 4 0 7 底层 1 1 6 8 21 3 7 8 5 80 1 1 8 01 14 8 8 8 项层2 2 9 8 0 3 1 7 8 5 9 o 1 3 8 33 05 7 2 9 中间层 3 6 0 6 14 0 1 3 6 30 1 1 1 354 6 1 0 两侧 底层两 5 3 2 07 2 5 7 70 1 3 6 42 85 6 5 0 侧 顶层两 6 3 7 7 9 0 9 9 90 1 4 2 73 45 9 1 1 侧 总建筑2 2 6 8 1 52 5 5 7 0o 1 1 2 75 1 9 9 平均热负荷：5 1 9 9 w m ，采集整个运行期数据； 设计手册住宅标准热负荷：5 8 6 4 w m 2 ；住宅区综合6 0 - 6 7 w m 2 ； 表1 3 既有办公楼热计量负荷 l 单位面积耗热热指 颚目面积累计热量平均温度室内平 i 量标 均温度 厚f 号l i i n 2 g jm j m w m ? l2 6 2 47 7 5 8o 3 0一4 5 03 5 0 71 9 2 5 0 8 71 3 1 1 90 2 64 1 63 1 4 21 9 34 6 2 51 6 5 6 9 0 3 6 4 2 54 7 2 51 6 4 4 2 4 61 8 0 2 40 4 2 4 1 6 5 2 5 51 8 办公标准热负荷：6 0 一s o w r e ，整个供暖期1 4 5 天； 表卜3 为承德市区供热企业2 0 0 7 - 2 0 0 8 年运行期采集的相关数据； 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表1 - 4 既有建筑供热现状 项目面积管径瞬时流量供水温度回水温度瞬时热 且 墓 0 m ?m m t h 吣 序号 11 4 1 2 58 01 9 34 63 80 6 5 25 0 2 3i 0 03 2 0 4 53 61 2 1 36 3 0 91 5 02 4 04 93 5 1 4 0 4 8 7 8 21 2 56 8 34 23 42 2 9 53 5 5 98 01 6 24 7 3 40 8 8 66 4 0 08 08 85 03 70 4 8 7 5 1 8 31 0 01 4 04 43 80 3 5 8i 1 9 0 81 2 51 1 33 92 6 0 6 2 采集时间2 0 0 8 年2 月1 7 日 表1 - 5 典型供热方式和建筑的热指标 项目 供热面积( m 2 )热指标( w m )平均温度建成时间 名称 m 2? 证 年 3 5 1 4 33 8- 82 0 0 5 世纪城 1 6 1 9 8 93 9- 82 0 0 5 3 4 5 3 53 6 - 82 0 0 5 露露集团 5 0 8 4 73 7- 82 0 0 5 一幼儿园 7 9 2 35 2 - 81 9 9 0 低真空 7 3 9 6 34 5- 81 9 9 6 公交站 1 6 3 0 0 4 9- 81 9 9 5 别墅区 8 7 8 34 5- 82 0 0 2 二六六医院 8 0 2 9 2 3 7- 82 0 0 0 军分区 1 2 9 2 7 83 8- 81 9 9 8 医学院 1 5 1 4 4 1 3 0- 82 0 0 4 五监狱 4 8 0 1 83 9- 82 0 0 0 油专 1 4 1 0 0 0 3 7- 81 9 9 5 - 5 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 i 避暑山庄 1 2 9 8 1 8 4 14 1- 8 1 9 9 2 1 0 0 3 9 7 4 3 4 2- 81 9 9 2 承德热电厂根据历年运行数据得到的2 0 0 7 2 0 0 8 年运行供暖期运行指标。 备注：g j j 3 4 9 0 城市热力网设计规范热指标5 5 1 5 6 ( w m 2 ) 从以上数据分析得出： 供热热指标与传统标准相比呈下降趋势； 建筑物房间热负荷根据不同位置有不同的热负荷，并不是传统单一的平均指 标； 供热运行参数，供热温度过低，供热温差没有确定的经济分析；供热系统设 计不合理现象严重，室外管网管径存在过大或过小的现象； 另外根据对承德市热力公司供暖改造的技术规范进行总结得到以下数据和 情况： 根据运行数据及节能改造效果显示室内系统单管串联形式散热器不多于5 组或5 0 片，否则应加设跨越管和调节阀或采用其他系统形式。 比摩阻按照6 0 1 2 0 p “m 的经济比摩阻。采用铸铁散热器形式的系统温差设 计低限为1 5 ，高限一般在3 0 。 1 4 当前供热系统存在的问题 供热企业是能耗大户。如果设备选型不当，系统设计不合理，很容易造成能 源的大量浪费。尤其电能浪费非常严重。这样的供热系统很普遍，甚至一些相当 大的供热企业也是如此。经多方调查、研究可知，造成这种局面有以下几个原 因： 1 4 1 设计习惯造成能源浪费 一些设计人员“墨守成规”或生搬硬套，不加分析、不加研究地始终按习惯做 法搞设计。同时还存在着“宁大勿小”的心理，因为怕担责任，总是把用电设备选 得很大，而不考虑是否会造成能源浪费如多台泵并联或水泵扬程偏高，脱离实际 需要等问题。 1 4 2 不合理的选型造成的能源浪费 还有一些设计院人员或供热企业的工程技术人员，对一些基本理论认识不 清，研究不够，往往造成了错误设计、错误选型，使供热系统或用电设备自白浪 费了宝贵的能源。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 3 不合理的技改措施造成的能源浪费 一些企业的工程技术人员在供热系统运行过程中因出现技术问题而影响供 热质量时，不做认真的分析研究，找出问题的主要原因，抓住主要矛盾，而是凭 经验、凭感觉采取了更换用电设备或盲目增加用电设备的方法。虽然使问题有了 一定程度的改善( 有时反而加大了问题的严重性) ，却进一步浪费了大量的电能 ( 如热网水力失调，不去调网，却增加循环水泵台数或更换大泵) 。 1 4 4 运行管理不善造成的能源浪费 还有一些其它原因，如对供热设备的使用条件认识不清或运行管理不到位， 造成水循环阻力增加等，都可造成能源浪费。 而对这些情况往往又错误的认为是正常的，许多企业的领导或工程技术人 员又“视而不见”或“听之任之”，处在一种麻木的状态下。他们不去同其它企业 比较，不向先进企业学习，使企业一直处在高能耗的情况中，造成了运行成本 过高，企业亏损严重。甚至错误地认为电费只占供热成本的一小部分，不用计 较，供热企业就是一个“半福利”的单位，亏损是正常现象等等。 1 5 解决问题的节能途径 由以上的情况可知，供热系统的节能潜力是非常大的，必须引起充分的重视。 但要想节能还必须从供热系统的各组成部分如：热源、热网、热力站、热用户， 从供热系统的各个环节如：设计、施工、以及运行管理、技术改造等全方位地分 析问题，研究问题，找出各方面的主要矛盾，从而采取综合措施，达到最大程度 的节约能源。这样企业的经济效益和社会效益，才能得到更大的提高。 1 5 1 根除水力失调是供热系统节能运行的首要条件 所谓水力失调，就是管网各处实际流量与所需不一致。任何一个供热系统都 不可能通过对管网、热力站和热用户等系统的设计、管网的布置、水力计算、管 径、管件及设备的选型等，彻底解决运行时的水力平衡问题。任何一个供热系统 都必须在系统运行时进行认真地调节，才有可能逐步接近水力平衡。如果调节水 力平衡的设备选择不当，使用不当，调节的手段不先进，不合格，甚至不进行运 行调节，供热系统就一定会存在不同程度的水力失调问题。从而造成部分热用户 室温过高而浪费了热能，部分用户室温不达标，影响了供热质量。而此时，许多 供热部门往往又错误地采用更换循环水泵，加大循环水流量等办法解决。虽然使 天津大学硕士学位论文第一章绪论 水力工况在一定程度上有所改善，水力失调状况有所减轻，但由此却带来了电能 的大量浪费，使供热企业的运行成本大大提高，同时使其它的节电措施无法实施。 应该从根本上消除热网的水力失调，才能确保用户的供热质量。但以前消除 水力失调的方法人工调节关断阀、调节阀或平衡阀的方法，不但给运行调节 人员带来相当大的工作量，而且根本无法使管网的水力失调得到彻底改善。采用 自动控制的方法又大大提高了热网建设资金的投入。 1 5 2 提高供回水温差是节能的重要途径 根据热量计算公式： q = g c , ( f 。t h ) 可知，当供热系统向热用户提供相同 的热量q 时，供回水温差a t = t 。一t h 与循环水量g 成反比例关系。即系统的供回 水温差大，则循环水量就小，水泵的电耗就会大大降低。从下面的一个例子，就 可看出温差与电耗之间的关系。 例如一个供热系统设计热负荷为7 m w ，一次网供回水温差a t = 3 0 。经计 算，其循环水量为2 0 0 m 3 h 。外网管径为d n 2 0 0 。查表可知比摩阻为1 7 0 p a m 。 经水力计算，管网沿程总阻力损失为5 0 m 水柱，如果按此流量和扬程选水泵， 即水泵功率为4 5 k w 。 如果把供回水温差由a t = 3 0 提高到a t - - 6 0 0 c ，其循环水量可下降到 1 0 0 m 3 h ，按外网管径d n 2 0 0 查表可知，比摩阻为4 2 p a m 。同温差3 0 时的比摩 阻之比是：4 2 ：1 7 0 = 1 ：4 。按此推算，此时管网沿程总阻力损失应为 h = 5 0 m 4 = 12 5 m 。按流量l0 0 m 3 h 和扬程12 5 米选泵，其水泵功率只有5 5 k w 。 由此发现一个规律：当供回水温差提高到原来的两倍时，循环水量也降至原 来的二分之一，而管网的沿程阻力降至原来的四分之一，而水泵的功率要降至原 来的八分之一。即：血，= 她，则g = 1 2g i h 2 = 1 2 2 g l n 2 = 1 2 3 l 由此可看出， 提高供热系统的供回水温差，可大大降低运行电耗。同时由于阻力损失的大幅度 降低，取消了中继泵站，节省了建设投资和中继泵站的运行费用。 目前，直供系统或间供系统的二次管网，也都存在着运行温差过小的问题。 用户的室内采暖系统一般都按供回水温差2 5 设计，但实际运行的温差都在2 0 以下，有的甚至只有1 0 。c 左右。因此存在着大量电能浪费问题。二次管网和 室内采暖系统的节能潜力也很大。 目前在建筑采暖工程中，普遍存在着设计采暖供回水温度高、温差大、流量 小，而实际运行却是供回水温度低、温差小、流量大的现象，造成了相比之下设 计管径小、流量小，不能满足实际的大流量、小温差的运行方式，能源浪费严重。 但是具体的管网系统形式多样，具体条件不同，是否所有的系统都要按大温差设 计，具体到按多大温差设计正是本课题研究的目的。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 6 本课题的主要研究内容和创新 通过调研、归纳、总结我国目前经济供回水温差的现状及其发展趋势，讨论 经济供回水温差的研究方法及其优缺点确定了本课题的研究方法： ( 1 ) 、针对供热系统设计供回水温差，设计一套较为合理的计算模型，考虑 到实际影响因素进行分析； ( 2 ) 、将改进的经济温差的计算模型用于特定条件下的小区供热系统，对热 网工程和室内供热系统相关参数进行调整，应用线性回归计算出具体供热系统的 经济影响参数一材料系数影响因子b 的实际值； ( 3 ) 、针对供热系统设计温差进行数值模拟，找到相关规律性，预测温差变 化趋势，变化特性，以尽可能得到具体供热系统的经济温差； ( 4 ) 、根据小区供热管网建成区进行运行数据采集，发现实际存在问题。 对经济温差模型的改进和创新： ( 1 ) 、以计算费用为目标函数建立数学模型，考虑资金的时间因素，应用动 态分析法对工程总投资进行技术经济计算； ( 2 ) 、建立模型时尽量考虑到每个影响因素，以尽可能减小不必要的误差； 通过建立的经济费用和供热参数的之间的数学关系，利用单目标优化对经济温差 进行优选分析；考虑到系统的热损失和补水泵的能耗以及补水量；对室内管道的 影响进行分析，确定现实情况下的影响性； ( 3 ) 、对管网系统和散热器利用预算软件计算材料影响因子b 的值。 1 7 本章小结 在供热系统的设计和运行当中机械的利用规范手册中规定的设计供回水温 度和温差有欠经济性考虑，应随着热水采暖系统热负荷的大小，热用户的分布密 度，网路的作用半径，用户系统内散热设备的形式以及热力管道的敷设方式等因 素的变化而变化，在确定了网路的供水温度后应该对采暖系统进行经济技术性分 析，以确定经济的网路回水温度即确定供热系统的经济供回水温差。 天津大学硕士学位论文 第二章经济温差技术评价方法 第二章经济温差技术经济评价方法 2 1 供热经济简介 随着生产技术和科研水平的不断提高，在工程应用中怎样选择设计参数，使 得设计的供热系统满足需要的同时又降低成本，成为广大技术人员和科研人员不 断寻求的目标，尤其在传统化石燃料不断减少，节能减排日趋紧迫的背景下，供 热系统节能变得尤为突出。 供热系统经济温差的选择这一类问题在供热行业中是比较显见的问题，已经 日益活跃起来；在所有可能的方案中，选择最合理的、能达到预期目标的方案， 就是最优方案。 当前确定供热参数的优化方法很多，随着最优化理论的发展，大致可分为两 类，非线性法和线性法。在确定供热管网最佳温差的同时，介绍一下供热经济技 术评价的原则和方法。 2 2 供热技术经济评价的原则 对于不同的技术方案，在进行经济比较时，必须遵循可比原则，有可比的条 件和原则，保证这些分析、论证正确、全面的反映实际情况，有助于决策的正确 选择；由于在经济技术方面存在很多差异，有很多方面不能进行比较。为了进行 方案比较和选择，把不可比因素转换为可比因素，使各方案具有可比性。 2 3 技术经济评价的方法 在一般性的经济技术评价体系中技术经济评价方法有很多种，并且各种评价 方法有各自的适用范围，每种方法各自的优缺点不同，在本课题研究的项目当中 确定了几种评价的基本方法。 ( 1 ) 、静态分析法 静态分析法是一种未考虑资金时间价值的技术经济分析方法，主要包括投资 回收期法、追加投资回收期法、折算费用法等；这种方法简单、易行，但存在如 下缺点：没有考虑资金的时间价值，使计算的回收期与实际回收期有差距，这将 给投资回收经济评价带来误差，给决策带来一定的风险。没有考虑方案残值对经 天津大学硕士学位论文第二章经济温差技术评价方法 济效益的影响；未考虑各种方案的经济寿命的差异；没有考虑回收期后的收益现 状，使各方案的之间的收益状况无法对比。 因此静态分析法有很大局限性，一般在两个方案比较优选时采用或只采用粗 略分析时用到，在详细分析时采用动态分析法。 ( 2 ) 、动态分析法 动态分析法是考虑了资金的时间价值的技术方案分析方法，主要有总投资回 收期法、现值法、年均值法和内部收益率等； 在任何系统的的建设和运行中，都有一个时间上的运动发展过程，资金在时 间上的运动表现就是资金的时间价值，为了正确评价各种经济技术方案的经济效 果，必须考虑发生在不同时间点上的资金额，在相同时间基础上进行比较，这是 方案比较的重要条件。 ( 3 ) 、补偿年限法 在进行两个和两个以上的技术方案比较时经常采用这种方法，尤其是两个技 术方案的选择更为简单，该方法的实质是在两个方案的多投资方案的投资超出部 分可以通过改方案每年运行费用的节约，在一定的时期内补偿回来，但是两个方 案又一定满足相同需要，相同的基础条件和相同的计算期，否则两个方案是不可 比的，具体计算如下： ：要粤：一a t 年 ( 2 1 ) 一l a y r 补偿年限年 l ，乃a 、b 两方案项目总投资 万元 l ，a 、b 两方案项目建成后每年运行费用 万元年 用该式得出的补偿年限与国家规定的补偿年限对比，若n 比其小时则该方 案是可行的，反之则不可行。 ( 4 ) 、年计算费用法 年计算费用法是把各不相同的技术方案，在规定的投资回收期内的“年计算 费用”加以比较，年费用较低的方案最优，“年计算费用 由项目建成后每年的 运行费用和投资回收期内每年的平均投资费用之和组成，具体计算： s ：l ，+ 一t n 一 ( 2 2 ) 天津大学硕士学位论文第二章经济温差技术评价方法 或s = y + t x x r s年计算费用，万元年 m 投资回收年限，年 以投资效果系数 y 系统运行费用 目前国家对热电工程的投资回收期一般为8 1 0 年，相应的x t - - 0 1 0 1 2 5 ， 小型热电工程一般为t = 7 年。h 。 ( 5 ) 、投资回收期法 投资回收期是项目建成投产后到盈利并且把投资全部回收的时间； 一k n = m z ( 2 3 ) 投资回收期年 k 总投资，元 m ，若是企业自筹资金，系企业年收入；若是财政拨款，系企业的年收入和 每年上缴国家的税金、利润以及折旧费的的总和；做方案的经济评价时，投资回 收期若等于或小于国家和部门制定的标准回收期，则方案是可取的，否则予以否 定； 上述投资回收期法也没有考虑资金的时间价值，没有考虑整个寿命期内的经 济效益，这对于那些收益较大而使用期短的较为有利，相反就不利，因此具有一 定局限性； 同时在用投资回收期作为经济评价指标时，应注意以下几点： ( 1 ) 、到目前为止，国家各部门规定的标准回收期，数值并不是十分严格， 供热系统的投资回收期一般在7 年左右； ( 2 ) 、供热系统投资费用较高，投资回收期较长，仅用该指标难以进行评价。 2 4 敏感性分析法 技术经济分析建立在对未来所处环境、呈现状态所作预测的基础上。由于事 物的不断变化，加上人们对客观事物认识的局限性，所以目前的预测与未来状况 的发展总是存在偏移，不可避免的会产生误差，从而使评估结果脱离实际情况， 主要内容表现在： 天津大学硕士学位论文第二章经济温差技术评价方法 自然因素：自然气候等导致的不确定因素； 技术因素：采用的技术达不到技术要求，技术的无形损耗； 管理因素：项目的施工，运转过程中组织管理不善，达不到预先的效果； 市场环境因素：供应不能满足要求，销售市场的变化； 宏观经济环境和社会环境等的变化：国家宏观经济政策的改变； 由于不确定的因素给评估结果带来一定的误差，影响经济评价的稳定性，因 此在做方案评价时需对改方案作出不确定因素的敏感性分析； 敏感性分析是在影响技术方案的不确定因素当中，假定其中一个或几个发生 变化的前提下，分析决策目标对于这些变化所作出的反映程度，以判定各个因素 对整个结果的影响大小。 通过敏感性因素的分析来确定优化目标的变动性和稳定性，能够对优化目标 长远期的变化情况作出科学的判断，使优化结果更加准确和符合实际情况。 2 5 利用经济比摩阻计算确定经济供回水温差的原则 利用单目标优化的方法在特定模型的供热系统中，以费用年值为目标函数 法，利用最优化方法实现目标函数最小值的参数优化，对于供热系统的温差优化 既要考虑到热网费用年值最少，又要保证满足负荷要求，满足室温要求，并且整 个室内系统散热器布置不能超过室内散热器布置的有限空间，因此对于供回水温 差来说既有上限值，又有下限值，总的来说供热温差是在一个最佳的温差范围内 波动。对于经济比摩阻常用的经济求解方法有： 2 5 1 非线性法 非线性法指：采用动态程序设计，对热网干线分段进行优化的方法。在计算 管网整个系统的年计算费用时，采用微分方法求得某一管段的年计算费用，然后 通过积分求得整个管网年计算费用总值的函数关系，最后通过求导得出：当年计 算费用总值取得最小值时的经济值。 该计算方法计算结果精确，求解过程复杂，不同热网采用的计算条件有所不 同。 2 5 2 线性法 线性法指将干线各管段的计算目标取做定值而采取的优化方法，线性法又分 为解析法、方案比较法和多目标函数法。 ( 1 ) 、解析法即函数分析法，运用数学方法来进行方案比较的技术经济分析。 天津大学硕士学位论文第二章经济温差技术评价方法 根据技术方案的基本参数与各项费用之间的函数关系，建立经济数学模型，通过 数学运算和图表分析，找出最经济合理的目标值。 ( 2 ) 、方案比较法即对比分析法，通过一组能够从各方面说明方案技术经济 效果的指标体系，对实现同一目标的几个不同技术方案进行计算、分析和比较， 选用最优方案的方法。该方法简单明确，考虑的指标和因素比较全面，可以定性 分析也可以定量分析； ( 3 ) 、多目标函数法即系统分析法建立函数关系和计算都很复杂，工程实践 当中应用不多。采用系统工程理论的方法从众多的规划方案当中确定最佳方案。 本课题拟采用解析法，以费用年值最小为优化目标来确定小区供热系统的最 佳设计供回水温差，考虑资金的时间因素，采用动态分析法，以线性数学规划法 求得目标值。 2 6 本章小结 本章对供热经济学当中常用的方法手段做了简洁的介绍，分析了每一种方法 的优点和缺点，对于本课题所采取的手段做了阐释，确定了本课题研究小区供热 系统经济供回水温差的方法和理论，为下一章小区供热系统经济供回水温差的理 论数学模型的构建创造了先决条件。通过本章的论证，清楚了供热经济当中存在 的优化手段，了解了其中的利弊，明确了目标，为下一章开辟了思路。 天津大学硕士学位论文 第三章数学模型的建立 第三章数学模型的建立 3 1 供热系统费用组成 热源与热用户之间通过管网相连，热水输送到热用户，换热后回到回水管网。 经济合理的供回水温差决定了系统的初投资和运行方式。按优选的方法确定系统 经济设计温差，做到技术可行，经济效益要好。 经济设计温差很大程度上决定了供热系统的初投资和运行方式的经济性。供 热管网的费用包括很多方面，一般供热管网费用的组成包括基建费用和运行费用 两大部分，整个供热管网的费用需要对具体的供热管网分项工程进行详细分析。 3 1 1 供热管网基建投资费用 供热管网的基建投资费用取决于管材、保温、敷设方式、管径的大小和施工 费用等因素，供热管网的费用分为两类，主材费取决于管径的大小。 建设费用取决于管径的大小，根据管径和敷设条件编制预算，所得的费用可 按与管径成线性关系计算：们 s i = 口+ b d l s 每米管长( 双管) 的投资费用， 元m ； 盔管子的公称直径， m ； 整个热水管网总的投资费用为： s t = s l = 再l + b m j r 一 j = l 式中：m网路的材料特性，它表示网路消耗材料多少的指标，m 2 口、6 与管网敷设方式有关的常数 m ：了d jl _ 一 f ，= l ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 天津大学硕士学位论文 第三章数学模型的建立 z 计算管段直径，i l l 厶各管段的长度，m 上式中管网材料特性m 的大小，决定热网投资的主体，其值随网路的布置形 式，管径大小，管段长度和热媒流量而定，a 、b 是与管网敷设方式有关的数据， 依照全国市政工程投资估算指标和安装工程第八册暖通空调工程用最小 二乘法确定a 、b 的值。 3 1 2 用户系统内散热设备的基建投资 用户系统内主要包括各立管和分支管道以及室内的散热器等设备，经过实际 工程调研发现在工程实践当中由于检修、运行、维护等原因，在实际设计当中进 户分支管道一般采用d n 3 2 和d n 2 5 的管道，按照独立用户实际供热面积的大小来 确定管径大小，根据对现在分户计量工程设计当中实际设计情况分析，一般6 0 时以下利用d n 2 5 管道，超过6 0m 2 使用d n 3 2 管道，经过实际调研室内支管的散热 量在设计当中作为安全因素，不予考虑。因此在室内系统的费用当中室内管道的 造价基本成为定值对整个系统无可比性影响；并且一般认为热用户系统的投资主 要取决于散热器的散热面积，且与之成线性关系。驯 因此室内系统造价模型为： 用户系统基建投资= 采暖负荷单位面积散热设备散热量单位散热设备的投资 s n ：垒c s 吼 s用户系统内散热设备费用 q设计总热负荷 q 。 单位面积散热设备在一定热媒温度下的散热量 g单位面积散热设备的基建投资 又已知： ( 3 - 4 ) 兀 w w 盯 元7 谣 q 。= k ( t 一乙) ：k 垃。【5 ( 3 - 5 ) k 散热设备的传热系数w m 天津大学硕士学位论文 第三章数学模型的建立 t 散热设备的平均温度 室内计算温度 散热设备传热系数根据公式： k ：p a t , g 5 p 、q ：散热设备特性系数，经过买验测定； 厶：t , j t 。 带入上式得到： q 。=