本文是一篇工程硕士论文，本文以实际供热系统为对象，通过对某热力站系统的运行工况调研，使用PID和Flowmaster软件对实际热力站和小区供热系统进行管路和供暖房间模型的建立，并进行仿真分析，得到质调节、变频调节和分阶段改变流量的质调节三种方式的热耗、电耗以及供回水温差等，研究了三种调节模式的节能性和热舒适性。
1. 绪论
1.1 引言
近年来我国供热产业不断发展，供热面积逐年增加，管理和控制系统越来越复杂，供热系统的安全性和稳定性的要求也越来越高。但我国传统的供热调节方式还相对比较落后，不能满足日益增长的供热技术要求，因此，我们应加快调节技术方面的研究和发展，能够及时地获取供热参数信息，并做出尽快的调整，提高效率节约能源，减少对人力和物力的浪费。
随着供热系统的不断更新和完善，变频调速技术也迎来了快速发展阶段，热力站对循环水泵进行变频调节的量调节方法变得越来越重要。在进行阀门调节时会因为产生较大的阻力而产生能量的浪费和水力失调，而水泵变频调速有利于提升供热系统的水力稳定性，保证系统的稳定运行。一般热力站都是通过改变一次流量来改变二次的供水温度，这种方式会造成较大的能量损耗，不利于节能，因此研究水泵变频调节对现阶段供热系统运行模式的改进有重要意义。
当前，集中供热系统以不合理方式运行增加了系统能耗增高以及管路稳定性降低的风险，单纯追求扩大供热系统的规模已不再是集中供热的主流，而是思考如何提高运行的经济性，减少调节和运行的能耗与成本，避免因为设计不合理导致的水力失调和热力失调现象的发生，最大程度的提高管网的稳定性。及时将各系统的各项参数整合到一起，因为建筑围护结构的热惰性和供热的延迟性，必要以最快的速度和最优的方式进行调节，才能减少能量的浪费，由于近年来计算机水平的不断提高，仿真模拟的技术也有很大的改变，准确率和计算速度都不断提升。
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1.2 国内外研究现状
根据国内外供热运行研究现状可以看出，冬季供热量在能源领域的占比较大，供暖调节在节能方法具有重大潜力，因此在满足供需平衡的条件下，应选择合理的供热设计及调节模式。提高热负荷计算精度，减小误差，是供暖调节减小成本提高效率的前提，也是供热系统实现按需供热、均匀供热的基础，许多研究人员对如何提高热负荷预测的准确性做了大量的研究，结果表明室内外温差是提高精度的主要目标。
发达国家的供热系统调节策略与国内不同，国外的调节运行方式普遍为动态量调节，既满足热舒适的要求又节约了能源。相比于国外，我国集中供热系统主要为定流量运行，与国外在热源、热网、热用户侧调节方面有较大差异。一般在热源处采用集中质调节或量调节，在二次管网系统中安装变频水泵对流量进行调节，和电动调节阀等设备来改变管网阻力的大小。随着国内外学者对水泵变频技术的深入研究，供暖变频调节技术日渐成熟，变频器的成本也逐渐降低，传统调节模式在未来将会被取代逐渐。
现如今实际工程中存在监测供暖调节系统的各项参数的时间和经济成本较高的问题，许多学者采用了模拟仿真的方法来进行研究集中供热系统运行特性规律，大大提高了效率，减少了资源的浪费，但是普遍都缺乏实例进行模型的验证，且所研究的案例在模型的设计上进行了较多的简化和删除，缺乏准确性。
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2. 集中供热系统及调节特性概况
2.1 供热系统
2.1.1 城市供热系统概述
随着我国经济由高速发展向高质量发展的转变，减少碳排放和节约能源逐渐引起了人们的重视，集中供热系统作为对生活质量影响巨大的项目，能源浪费的现象普遍存在，如何提高效率成为研究的重点。
供热系统就是热能产生、输送、消耗的一个循环过程，低温热媒经过加热以后变成了高温热媒，然后在压差的作用下沿着管道流动到达用户。热网管路分为一次管网和二次管网，一次管管网连接热源和热力站，二次管网连接热力站与热用户，热源大部分都以煤炭作为燃料在锅炉房中进行加热。一次管网和二次管网都配有换热器，其中一次管网换热器两侧为水蒸气和热水，二次管网换热器两侧均为热水。热力站会使用高压循环水泵将热水送出，通过一次管网回路输出给热力站，管网中还设置各种监测设备来监测各项参数，为调节系统提供参考依据，减少系统的不稳定性。热力站输送来的高温热水由于压力较高，在一次管网不设置水泵，但二次管网压力相对没有那么大，需要水泵提供动力，但管网长期使用和腐蚀会导致有一定的泄漏，原本恒定的压力会不断的下降，因此将补水泵和补水箱安装在回水管路上相互协调，使二次管路保持恒定压力。
2.1.2 热力站的作用及工作原理
集中供热过程中规定直连式管网的用户散热器所能承受的压力应大于用户的入口压力，一次管网的高温、高压热水不能直接与热用户管网相连，因为热用户与热源在同一管网时，过大的集中供热面积会导致流体的沿程阻力增加引起能量的损失，最终热用户的热量需求不能得到保障。热用户的供热温度由热负荷与流量等因素决定，由于用户流量的改变会影响整个管网的水力稳定性，导致供热系统的运行效果发生改变，因此集中供热系统不适合使用直连式供热方式。
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2.2 供热调节方式
集中供热系统在运行过程中的安全性、高效性和稳定性一直受到广泛关注，因此在满足供热量需求的前提下降低运行成本，对供热系统进行合理的运行调节对供热系统有着重要意义。集中供热系统的运行调节的目的是满足室内温度设计要求，当室外气象参数变化时，热负荷也随之改变，通过对集中供热系统的运行参数如循环流量、供回水温度等进行调节，保证热用户的供热效果。供热系统通过运行调节不仅可以保证供热质量，同时还可以提高水力稳定性，防止水力失调，避免供热热用户室内温度过高或过低，尽量维持在一个稳定的范围内。因此，供热系统的运行调节的优化研究需要以满足供热量为前提，在保证室内热舒适性的同时降低能耗和成本。
集中供热系统一般的调节方式主要为质调节、量调节、间歇调节、分阶段改变流量的质调节等，其中量调节又可以分为阀门调节和频率调节来控制供热管路中的热水流量，本文主要对比的是质调节、水泵变频调节和分阶段改变流量的质调节三种方式的对比分析。
2.2.1 质调节
质调节是一种只改二次管网供水温度不改变流量的调节方式，这种调解方法简便高效，减少了水力不平衡现象，因此普遍运用在实际工程中。但在室外温度较高、热用户热负荷非常小的时候，就会造成管网的流量过大，水泵的大电耗就会造成能源的浪费，且有时供热管路也会因热媒温度变化产生失调。
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3集中供热系统运行控制策略研究............................. 22
3.1工程平台.................................... 22
3.1.1热力站介绍................................... 22
3.1.2北京某住宅小区二次系统概况.................. 22
4集中供热系统二次管网动态模型分析................................. 53
4.1仿真软件的选取..................... 53
4.1.1伯努利方程............................................... 53
4.1.2换热方程............................................ 53
5 结论与展望........................................ 72
5.1结论........................................ 72
5.2展望....................................... 73
4. 集中供热系统二次管网动态模型分析
4.1 仿真软件的选取
Flowmaster是一种建模软件，利用了能量守恒、动量守恒、传热学及流体力学等线数学公示来计算流量、压力和温度等流体的参数，还可以实时监测管网内的各项参数。Flowmaster提供了一个全面的平台，使用户可以根据研究对象建立复杂的模型，并快速的计算出想要得到的各项指标。本文的主要研究对象是包括热力站、二次管网以及建筑用户在内的集中供热管网，本研究选用Flowmaster作为仿真软件。
供热期若对供水温度、频率、室内温度等实际运行参数进行监控和管理，可以有助于合适的调节策略的选取。但全面且高效的监测系统需要消耗大量的人力物力，成本太高，而且实际运行过程中影响因素过多，且系统比较复杂，导致效率较低。而通过模拟仿真软件对实际的供热工况进行建模分析，可以实时监测供热系统各项参数，对比不同调节模式下的动态响应特性，在保证热舒适性的基础上，选择最合适的最节能的运行方法。因此，本章介绍了仿真平台软件Flowmaster的原理及作用，借助仿真平台，根据PID控制分析结果与某热力站和二次管网的实际运行情况建立完整的动态仿真模型，基于其动态特性来研究分阶段改变流量的质调节模式下系统的供热特性。且将模拟仿真运用在实际工程平台中，借助物联网室温采点设备，进行主动按需供热监控，提高了效率和经济性，在供热系统运行调节的研究中具有较大潜力。
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5. 结论与展望
5.1 结论
供热系统中合理的调节方式对供热系统的节能性发挥着重要作用，国内供热系统的调节方式，普遍是对某一类建筑的单独控制调节，不仅造成能源的浪费还会严重影响水力稳定性，解决这个问题对于实现供热系统优化运行十分重要。目前变频水泵调节和分阶段变流量质调节是比较普遍的节能降耗的调节模式，分阶段变流量质调节一般的区间划分是通过变换不同功率、流量的水泵将供热时间段分为五个区间，本文以节能减排和提高水力稳定性为目标，对分阶段变流量质调节的进行了优化设计，利用水泵的变频将流量划分区间为100%，90%，85%。本文以实际供热系统为对象，通过对某热力站系统的运行工况调研，使用PID和Flowmaster软件对实际热力站和小区供热系统进行管路和供暖房间模型的建立，并进行仿真分析，得到质调节、变频调节和分阶段改变流量的质调节三种方式的热耗、电耗以及供回水温差等，研究了三种调节模式的节能性和热舒适性。
鉴于北京地区目前巨大的供暖需求，本文结合北京某热力站集中供热系统进行控制策略优化研究，得到如下结论：
（1）变频调节是水泵根据负荷变化改变转速以改变循环水流量，是我国目前很少采用的一种调节方法，根据PID控制下的计算结果表明，采用本文提出依靠无人值守平台的质调节和水泵变频的量调节相结合的分阶段改变流量的质调节，相比于传统的质调节方式，运行能耗降低9.5%，系统耗电量相比原系统降低了17.1%，说明了在二次管网中加入变频水泵运行调节具有很好的节能潜力。
（2）本文提出的分阶段改变流量的质调节能降低系统供热量和耗电量，其中分阶段的各流量区间采用频率控制的改变流量，各阶段内的流量保持不变，通过实际工程平台验证结果显示，仅供暖初期，采用分阶段改变流量的质调节的运行能耗相比于质调节降低了5.68%，系统耗电量相比原系统降低了22.54%。
（3）在三种调节方法下，供热系统变频调节的运行电耗较低，但与分阶段改变流量质调节相比，运行能耗较高。结合物联网测温设备辅助室温监测，分阶段变流量质调节在维持管网稳定的基础上，不仅减少了能耗和成本，还能达到按需供热的供热要求。
参考文献（略）