供热系统动态热特性研究.docx

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供热系统动态热特性研究

供热系统动态热特性研究

摘要　供热系统动态热特性研究不仅可以优化供热系统运行调节，对于提高新能源供热的安全性、经济性、环保性也具有重要意义。

本文利用节点法对供热系统的动态热特性进行研究，在快速且大幅度的热源供水温度变化情况下，利用节点法模拟距离热源不同远近换热站的供水温度，并与实测数据进行对比，分析节点法对不同温度变化阶段的模拟精度，结果表明节点法在快速且大幅度温度变化下的平均误差和标准差分别为0.46℃和1.18℃，可以满足实际工程的要求。

最后通过对室内温度的实验测试表明，热源供热量快速且大幅度变化的情况下，室内温度能够维持在人体舒适的温度范围内，不影响供热质量，可以为新能源供热提供保障。

关键词　集中供热系统；动态温度模拟；节点法；新能源供热

0引言

供热管网的动态热特性研究不仅对于供热系统本身的优化运行是非常重要的，比如说确定热源和水泵的启停时间、根据热负荷调节热源的供热量以满足用户的热需求等，同时对于研究可再生能源供热（比如风能、太阳能等）也是必须的研究内容。

可再生能源具有随机性、波动性、不确定性的特点，当利用可再生能源供热时，势必会造成供热系统的波动，影响供热系统的安全稳定运行和供热质量。

而供热系统动态热特性的研究不仅可以为可再生能源供热提供安全供热的保障，同时通过供热系统热动态特性研究获得并利用供热系统的热惯性，可以提高可再生能源供热的经济性和环保性。

但是与供热管网稳态热特性建模[1-2]相比，动态热特性建模需要追踪流体在管道中的传递时间、流体在传输中的热损失以及管网在当前时间之前的温度分布[3-4]，所以动态热特性建模将更加复杂。

国内外对供热管网动态热特性建立的模型主要有统计方法和物理方法。

统计方法主要利用相关参数的历史数据来预测管网的温度，这种方法并未考虑管网的具体结构，使用起来很方便[5]。

但是统计方法并不能很好地应对管网结构或者运行模式改变时的温度预测[6]，同时当热源的温度发生大的波动的时候，统计方法并不能准确的追踪管网流体的传递时间[7]。

所以近十几年来，统计方法已经很少用于供热管网动态热特性建模。

物理方法是目前使用最广泛地用于供热管网动态热特性建模的方法。

物理方法综合考虑了整个供热系统的结构，能够很好地适应管网结构或者运行模式的改变。

物理方法主要包括元素法、节点法、特征线法。

根据文献[7-8]对元素法和节点法的数值计算的研究，元素法相对于温度预测的准确度和稳定性上都劣于节点法。

同时，在元素法和特征线法中，都需要将每一根管道离散成各个元素，并对每一元素对象进行离散求解，势必会增加计算所需时间并提高对计算机计算能力的要求，这对于实现供热系统在线监控和运行是不利的。

节点法[8-13]的原理是根据管道进口的温度并将流体在管道中的时间考虑进去之后获得管道出口的初始节点温度，之后考虑管道的热惰性以及热损失，获得管道出口的温度。

由于节点法对温度预测的高度准确度和稳定性以及对流体传递时间的有效追踪性，节点法是目前世界上使用最广泛的用于供热管网动态热特性建模的方法。

Gabrielaitiene[14]为了研究供热管网的动态温度分布，同时研究研究有限的热用户负荷数据对管网动态温度模拟的影响，使用节点法和商业软件TERMIS对丹麦Naestved供热管网进行模拟预测并与实测数据对比分析，结果表明：

节点法和软件TERMIS的预测精度基本相同；由于流体流经远端换热站经过更多的弯道、三头、阀门等简化处理附件，换热站进口温度预测精度低于近端换热站的供水温度；同时使用越多的热用户年平均负荷代替热用户实际负荷，对热源回水温度的预测精度越低。

同时作者也指出节点法和软件TERMIS预测精度都比较高原因可能是管网的温度波动不大，所以本文利用节点法对某实际供热管网模拟快速且大幅度的温度变化，分析节点法对供热系统动态热特性的模拟能力。

最后，在快速且大幅度的温度变化下，通过实测数据获得建筑室内温度变化规律，分析供热系统的热惯性，为新能源供热提供保障。

1供热系统建模

1.1模型假设

在研究供热系统动态热特性的时，为了研究管道的主要热动态特性，作出如下假设：

（1）水力工况保持恒定；

（2）假设流体为理想流体；

（3）忽略水力扩散、热力扩散、轴向传热的影响；

（4）忽略保温层、保护壳、土壤的热惯性。

1.2节点热平衡

节点连接着所有供水管线和回水管线，如图1。

从图1可以看出，与节点i相关的温度有三个：

管道出口温度Tjout，节点温度Ti，管道进口温度Tkin。

管道出口温度指管道出口未在节点i处混合的流体温度，如果两个管道之间没有混合（如与散热器等效管道相连的管道），那么管道出口的温度可以认为等于节点温度[15]。

假设有m根管线的热水流向节点i，同时有n根管线的热水流出节点i，那么每个节点的热平衡方程可以写成方程

（1）。

通常与热源相连接的节点温度都设有温度采集系统，所以可以假设与热源相连接的节点温度是已知的。

1.3管道热平衡——节点法

当流体从管道中缓慢传播时，管道出口温度相对于管道进口温度就会有时间的延迟，同时在流体传播过程中，流体与外环境进行热量交换，造成流体的热损失。

在本文中将使用节点法建立管道的热平衡方程。

节点法的原理可以以下三步进行描述[16]。

①在当前时间步长t，管道出口温度Tj,t首先通过公式

（2）获得：

式中：

Vt为体积流量（m3/s）；t为当前时间周期（s）；Δt为时间间隔（s）；Z为管道容积（m3）；Tit为在当前时间步长t管道进口温度；n和m表示应该从当前时间步长应该减去n和m个时间周期，n和m分别满足公式（3）和（4）。

变量Y，R，S分别从公式（5）~（7）获得。

②考虑管壁热容的作用（T′j,t）

式中：

Tp,t-1为前一个时间周期的管壁温度；CP为管道热容（J/K）；ρ为水的密度（kg/m3）；cP为水的定压比热（J/kg·K）；下标f为流体。

③考虑管道热损失（T′′j,t）

2工程应用实例

本实验验证是针对某实际供热系统进行测试、模拟完成的。

2.1供热系统

该供热系统一次网平面图见图3。

在该供热系统中热源的装机容量为406MW，连接着71个换热站为290万m2的住宅提供热量。

供热管网包含6.6km的预制保温管，管径从80mm到1000mm。

2.2运行策略

在整个供暖季，该供热系统采用“分阶段改变流量质调节”的运行策略，而在具体的某天，流量由“分阶段改变流量质调节”确定，而供暖温度则由室外温度做决定，有时候在中午温度高时，锅炉停止运行，利用供热管网和建筑的热惯性维持室内温度在合适的水平[17-18]。

此外，在该供热系统中，换热站的一次侧没有安装自动调节装置，同时也没有为热用户提供热水，所以当热源处的供水流量保持恒定，则整个供热系统的水力工况将保持恒定。

由于缺少先进的自动调节装置，这种情况在中国普遍存在[19]。

2.3测量

本实验的测量针对三个不同距离换热站的供水温度以及热源的回水温度进行测量（见图3），而供热系统的水力工况采用数据采集系统上传的流量数据。

三个换热站EX1~EX3距离热源的距离分别为1324m，3429m和6080m。

本次测量在2015年1月15日进行，每10min测量一次。

热源处的测量流体流速和环境温度见图4。

从图4中可以看出，热源处的流体流速在1.16m/s~1.19m/s的范围内波动，所以可认为整个供热系统的水力工况保持稳态。

2.4结果与分析

为了突出模型对于不同的温度变化阶段的模拟精度，同时去除用于模拟计算初始化所需数据，本实验对于换热站供水温度的模拟结果展示从6:

00到21:

00（见图5~图7）。

从图5~图7中可以看出，节点法模拟的结果与测量结果高度吻合，模拟值与实测值的结果差别很小。

所以通过计算6:

00~21:

00期间两个模型的平均误差和标准差来比较两种模型的精度（见表1）。

从表1可得，节点法的平均误差和标准差分别为0.46℃和1.18℃，模拟的结果可以满足工程的实际应用。

从图5~图7中也可以看出，节点法的模拟结果在不同的温度变化阶段与实测值的偏差幅度是不同的，所以针对不同温度变化阶段的模拟结果进行比较分析，包括快速下降阶段（阶段1）、快速上升阶段（阶段2）和相对平稳阶段（阶段3），结果见表3。

表3中每个阶段平均误差和标准差的计算时间都是3h，对于阶段1就是到达温度最低点的前3h，对于阶段2就是温度最低点之后的3h，对于阶段3则阶段2结束后的3h。

从表2可以看出，在三个温度变化阶段，节点法的平均误差和标准差都随着与热源距离的增大而增大，同样的现象可以在图5~图7和表1中得到。

一个可能的原因是当温度波从热源传递到热用户的过程中，越远的用户需要经过越多的分支、弯头、连接点以及其他附属设备，在经过这些附属设备时，会引起流速的分散以及二次流动的产生从而加强热损失和流动速度。

但是这些影响都没有在这两种方法中考虑，所以会出现误差随着与热源距离的增大而增大。

同时，两种方法在阶段1和阶段2的模拟精度高于阶段3。

这是因为在温度快速且大幅度变化阶段的模拟精度主要受到延迟时间的影响：

一点点的延迟时间误差将会引起比较大的模拟误差；而平稳阶段主要受到衰减倍数的影响，并且这种影响没有延迟时间对快速且大幅度变化阶段的影响来得强烈。

2.5建筑室内温度变化

为了分析在快速且大幅度温度变化的影响下，室内温度的变化规律，对该供热系统某室内建筑进行室内温度测试，测试结果见图8。

从图8可以看出即使在供热量大幅度变化的情况下，室内温度在19.44℃~19.94℃的温度范围内变化，仍然保持在人体舒适温度范围内。

所以当利用新能源供热时，供热系统的热惰性可以平抑新能源的波动，为供热系统安全、可靠提供保障。

3结论

本文利用节点法建立供热系统的动态热特性模型，并将节点法应用在某实际管网中，分析在快速且大幅度温度变化下，供热系统的动态热特性。

主要结论有以下三点。

（1）节点法对快速且大幅度温度变化模拟的平均误差和标准差分别为0.46℃和1.18℃，所以应用节点法模拟供热系统动态热特性可以满足工程的实际应用。

（2）节点法对温度快速下降阶段、快速上升阶段的模拟精度比对相对平稳阶段的模拟的精度低。

（3）室内温度在大幅度供热量变化的情况下仍然能够维持在人体舒适温度范围内，不影响供热质量，为新能源供热提供一定的保障。

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