本書作者根據(jù)城市供熱系統(tǒng)智慧化和低碳化發(fā)展的需要,結合所從事研究工作和教學方向,并基于自己多年智慧供熱工程實踐編寫而成。全書從智慧城市供熱系統(tǒng)面臨的機遇與挑戰(zhàn)出發(fā),探討了多種智慧城市供熱系統(tǒng)關鍵技術。全書包括6章,第1章對智慧供熱系統(tǒng)進行簡要介紹;第2章介紹了智慧供熱仿真基礎理論以及現(xiàn)有的仿真軟件;第3章介紹了供熱系統(tǒng)分布式輸配系統(tǒng)技術,該技術提出了一種新的水力調(diào)節(jié)方法來適應分布式變頻供熱系統(tǒng),可以實現(xiàn)多熱源環(huán)狀供熱系統(tǒng)的水力平衡;第4章介紹了供熱系統(tǒng)全網(wǎng)平衡技術,從熱網(wǎng)水力平衡和全網(wǎng)平衡控制兩個方面對供熱系統(tǒng)普遍存在的水力失衡及冷熱不均問題做了深刻分析;第5章介紹了供熱系統(tǒng)智慧診斷技術,通過仿真技術和智能算法的結合對管網(wǎng)常見的老化、泄漏和堵塞故障進行診斷;第6章介紹了供熱系統(tǒng)噴射泵技術,并提出了一種具有良好水力穩(wěn)定性和節(jié)能性的可調(diào)節(jié)噴射泵。
1.智慧供熱作為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標切實可行的技術方案,可助力供熱行業(yè)研究綠色低碳路線。數(shù)字化、低碳化和智慧化的供熱方式已經(jīng)成為中國供熱行業(yè)的共同發(fā)展愿景。此為出版本書的動機與目標。
2.智慧城市供熱系統(tǒng),須圍繞數(shù)字孿生進行管理建設,仿真模擬技術是關鍵。全書即從機理和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動的混合建模技術出發(fā),分別介紹了供熱系統(tǒng)分布式輸配系統(tǒng)技術,供熱系統(tǒng)全網(wǎng)平衡技術,供熱系統(tǒng)管網(wǎng)老化、泄漏和堵塞故障診斷技術,以及供熱系統(tǒng)可調(diào)式噴射泵技術。并輔以大量工程案例及其分析。
3.本書成果總結，依托國家重點研發(fā)計劃國際合作基于數(shù)字孿生的供熱系統(tǒng)全網(wǎng)動態(tài)優(yōu)化及低碳智慧調(diào)控關鍵技術研究。撰寫視野較為廣角。
建筑是社會能源的主要消耗品。在過去10多年中，中國商品房年銷售面積呈逐年擴大趨勢，全國可供熱住宅面積也隨之增長，為城市供熱行業(yè)的發(fā)展提供了機遇。這期間，中國供熱行業(yè)固定資產(chǎn)投資迅速增長，各地供熱配套設施逐步完善，供熱行業(yè)市場規(guī)模實現(xiàn)飛速增長，行業(yè)發(fā)展水平穩(wěn)步提高。在飛速的發(fā)展期后，供熱行業(yè)固定資產(chǎn)投資已呈下滑趨勢，其對行業(yè)發(fā)展的推動作用逐步減弱。與此同時，中國城市化進程正在加速，科學技術正在廣泛應用于供熱行業(yè)各環(huán)節(jié)，新的、更加個性化的供熱需求不斷涌現(xiàn)，這些因素都對供熱行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。未來，中國供熱行業(yè)的主要增長動力會來自智慧供熱技術的創(chuàng)新和發(fā)展。另外，氣候條件日益復雜多變，綠色低碳的發(fā)展模式已成為能源領域不可或缺的考量因素。智慧供熱作為供熱領域?qū)τ趯崿F(xiàn)碳達峰、碳中和目標提交的切實可行的技術方案，是供熱行業(yè)研究綠色低碳路線的一大助力。
十四五期間，城市化進程加快，各地陸續(xù)出臺了對可再生能源供熱、綠色建筑面積的指標，在可再生能源和清潔能源供暖上政策力度更強，從而鼓勵了清潔能源供熱的發(fā)展。國務院、住建部分別印發(fā)了《十四五節(jié)能減排綜合工作方案》《十四五建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》等文件，大力推廣大型燃煤電廠熱電聯(lián)產(chǎn)改造，推動清潔能源供熱，加快設施設備節(jié)能改造，開展節(jié)能減排理論與技術研究，構建綠色低碳的技術體系與標準體系。根據(jù)政策發(fā)展規(guī)劃，未來城市供熱機組能耗降低、推廣工業(yè)余熱集中供熱、加快供熱管網(wǎng)建設改造以及推進清潔能源供熱，將是發(fā)展重點。
當前，以云計算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的先進的信息化技術在供熱行業(yè)得到了越來越廣泛和深入的應用，越來越多的供熱公司配備了供熱狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，供熱行業(yè)的系統(tǒng)管理水平逐漸提高。然而，傳統(tǒng)的人工控制手段已經(jīng)難以滿足當前供熱行業(yè)發(fā)展的需求，僅僅對關鍵節(jié)點的監(jiān)控和調(diào)整，不足以支撐整個供熱系統(tǒng)的全面平衡調(diào)控。伴隨著第四代區(qū)域供熱系統(tǒng)的提出，越來越多的可再生能源例如太陽能、風能等被使用到供熱系統(tǒng)中，面對熱源的多元化，傳統(tǒng)的人工控制難以達到精準的調(diào)控。此外，伴隨著城市化的發(fā)展，城市供熱系統(tǒng)的結構日益復雜。面對日趨復雜的管網(wǎng)，如何對各供熱源進行優(yōu)化配置來達到全網(wǎng)供需平衡，傳統(tǒng)的人工控制也是難以實現(xiàn)的。因此，人工智能、機器學習等智能化技術在供熱智慧調(diào)控方面發(fā)揮的巨大潛力使其逐步成為供熱行業(yè)中新的熱點。諸如芬蘭、丹麥等歐洲國家的集中供熱事業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，逐步形成了智能、高效且低碳的供熱模式，在供熱智慧調(diào)控方面積累了先進經(jīng)驗。相比之下，中國集中供熱事業(yè)在近幾十年來雖然也有快速發(fā)展，但與世界先進水平仍有一定差距。因此，數(shù)字化、低碳化和智慧化的供熱方式已經(jīng)成為中國供熱行業(yè)的共同發(fā)展愿景。
智慧城市供熱系統(tǒng)，須圍繞數(shù)字李生進行管理建設，仿真模擬技術是關鍵�；谟辛Φ哪M仿真技術，打破目前信息化技術中大數(shù)據(jù)的標簽化應用現(xiàn)狀，以實現(xiàn)城市供熱系統(tǒng)之設計、優(yōu)化調(diào)度、平衡調(diào)控和故障診斷等功能的實際應用。數(shù)字孿生不僅僅是數(shù)字化模型的建立和展示，更多的是對管網(wǎng)內(nèi)部原本不可見的運行狀態(tài)和運行機理的揭示，基于仿真計算的數(shù)字孿生模型是實現(xiàn)城市供熱系統(tǒng)智慧化的關鍵手段。本書作者長期專注于區(qū)域供熱供冷、建筑能源和城市燃氣輸配領域，并在多源復雜拓撲管網(wǎng)仿真的全新模型、核心算法、智慧應用等方面取得了創(chuàng)新性研究成果。同時，作者在十三五國家重點研發(fā)計劃燃氣管網(wǎng)安全運行保障集成智能監(jiān)管平臺和既有居住建筑宜居改造及功能提升關鍵技術項目中被列為骨干成員和任務負責人；自主開發(fā)了多熱源復雜拓撲的熱力管網(wǎng)仿真的全新模型和核心算法，在區(qū)域供熱、能源網(wǎng)絡等領域具備豐富的科研項目經(jīng)驗以及極強的專業(yè)把控能力。本書作者基于多年科研經(jīng)驗，從城市供熱系統(tǒng)的仿真模擬技術出發(fā)，分別介紹了供熱系統(tǒng)分布式輸配系統(tǒng)技術，供熱系統(tǒng)全網(wǎng)平衡技術，供熱系統(tǒng)管網(wǎng)老化、泄漏和堵塞故障診斷技術，以及供熱系統(tǒng)可調(diào)式噴射泵技術，希望可以為從事供熱行業(yè)的工作人員，以及在校相關專業(yè)學生提供一定的理論指導。
本書由王海、楊光撰寫而成，感謝科研助理陳沁、羅為、鄒斯逸，研究生王鳳霞、邢鼎皇、吳有富、喬帆、李碩勛對本書內(nèi)容的整理協(xié)助，感謝國家重點研發(fā)計劃國際合作基于數(shù)字李生的供熱系統(tǒng)全網(wǎng)動態(tài)優(yōu)化及低碳智慧調(diào)控關鍵技術研究(2021YFE0116200)對本書的支持。
本書難免存在不足之處。衷心希望讀者能夠以寬容和建設性的態(tài)度對待其中的不完美之處，并愿意與我們分享您的寶貴反饋和意見，以便在未來的研究和寫作中不斷改進。
王海 同濟大學
2023年3月
王海，工學博士，同濟大學機械與能源工程學院副教授、博士生導師。長期專注于區(qū)域供熱供冷、建筑能源和數(shù)字孿生技術領域研究，致力于提供綜合能源系統(tǒng)的仿真、控制和智能化解決方案。近5年來，主持和負責國家自然科學基金、重點研發(fā)計劃、國家科技重大專項等國家與省部級項目至少6項。教科研領域，已發(fā)表論文80余篇，其中30多篇被SCI、EI收錄，已授權發(fā)明專利16項。自主研發(fā)多源復雜拓撲管網(wǎng)的熱力管網(wǎng)仿真的全新模型和核心算法，并在智慧應用等方面取得了創(chuàng)新性研究成果。2019年榮獲華夏建設科學技術獎一等獎和地理信息科技進步二等獎，2021年榮獲中國房地產(chǎn)業(yè)協(xié)會科學技術獎二等獎。出版著作《數(shù)學建模典型應用案例及理論分析》。
楊光，同濟大學熱能工程博士研究生，主要研究方向為區(qū)域供熱、建模理論及數(shù)字孿生技術。已發(fā)表論文20余篇，其中6篇被SCI、EI收錄，已授權發(fā)明專利4項。參與國家自然科學基金、重點研發(fā)計劃、國家科技重大專項等國家與省部級項目至少5項。2018年榮獲研究生國家獎學金，2019 年獲評同濟大學優(yōu)秀畢業(yè)生，2021年榮獲 供熱工程建設與高效運行研討會（第七屆）會議論文一等獎。
第1章 緒論1
1.1 智慧城市供熱系統(tǒng)的背景 ………………………………………………………1
1.2 智慧城市供熱系統(tǒng)的關鍵技術 ………………………………………………3
1.3 智慧城市供熱系統(tǒng)的機遇與挑戰(zhàn) ………………………………………………5
1.3.1 現(xiàn)有供熱系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及問題………………………………………5
1.3.2 現(xiàn)有供熱系統(tǒng)的治理難點………………………………………………6
1.3.3 現(xiàn)有供熱系統(tǒng)監(jiān)管存在問題……………………………………………6
1.3.4 智慧供熱系統(tǒng)的發(fā)展目標………………………………………………7
參考文獻………………………………………………………………………………7
第2章 智慧供熱系統(tǒng)仿真理論基礎與應用9
2.1 水力工況 ………………………………………………………………………………9
2.1.1 穩(wěn)態(tài)水力工況 ………………………………………………………………10
2.1.2 動態(tài)水力工況 ………………………………………………………………15
2.2 熱力工況……………………………………………………………………………18
2.2.1 穩(wěn)態(tài)熱力工況 ………………………………………………………………19
2.2.2 動態(tài)熱力工況 ………………………………………………………………22
2.3 管網(wǎng)求解的方法……………………………………………………………………23
2.3.1 基于圖論的方法 ……………………………………………………………23
2.3.2 數(shù)值求解的方法 …………………………………………………………27
2.3.3 面向?qū)ο蟮姆椒?……………………………………………………………29
2.4 現(xiàn)有仿真軟件簡介………………………………………………………………35
2.4.1 國外現(xiàn)有仿真軟件 …………………………………………………………36
2.4.2 國內(nèi)現(xiàn)有仿真軟件 …………………………………………………………37
參考文獻 ……………………………………………………………………………………43
第3章 供熱系統(tǒng)分布式輸配系統(tǒng)技術及應用45
3.1 問題提出……………………………………………………………………………45
3.2 研究現(xiàn)狀………………………………………………………………………………47
3.2.1 分布式輸配系統(tǒng)的調(diào)控技術 ……………………………………………47
3.2.2 分布式輸配系統(tǒng)的智慧運行 ………………………………………………48
3.3 解決方案………………………………………………………………………………50
3.3.1一次熱網(wǎng)調(diào)頻方法 …………………………………………………………50
3.3.2 二次熱網(wǎng)智慧運行方法 ……………………………………………………54
3.4 案例驗證………………………………………………………………………………58
3.4.1 案例一 …………………………………………………………………………58
3.4.2 案例二 ………………………………………………………………………65
參考文獻 ……………………………………………………………………………………72
第4章 供熱系統(tǒng)全網(wǎng)平衡技術及應用74
4.1 問題提出……………………………………………………………………………74
4.1.1熱網(wǎng)水力失調(diào) …………………………………………………………………74
4.1.2 熱網(wǎng)平衡控制 ………………………………………………………………80
4.1.3多熱源優(yōu)化控制 ……………………………………………………………83
4.2 研究現(xiàn)狀………………………………………………………………………………83
4.2.1水力失調(diào)研究現(xiàn)狀 ………………………………………………………83
4.2.2 平衡控制研究現(xiàn)狀 ………………………………………………………88
4.2.3 優(yōu)化控制研究現(xiàn)狀 …………………………………………………………90
4.3 解決方案………………………………………………………………………………92
4.3.1 水力平衡改造 ………………………………………………………………92
4.3.2 平衡控制路線 …………………………………………………………………93
4.3.3 優(yōu)化控制路線 ………………………………………………………………95
4.4 案例驗證………………………………………………………………………………97
4.4.1 案例一 ………………………………………………………………………97
4.4.2 案例二……………………………………………………………………101
4.4.3案例三……………………………………………………………………104
4.4.4 案例四…………………………………………………………………………107
4.4.5 案例五……………………………………………………………………110
參考文獻…………………………………………………………………………………112
第5章 供熱系統(tǒng)智慧診斷技術及應用114
5.1 問題提出 ………………………………………………………………………………114
5.1.1 管道老化…………………………………………………………………114
5.1.2 管道泄漏………………………………………………………………………115
5.1.3 管道堵塞…………………………………………………………………116
5.2 研究現(xiàn)狀 …………………………………………………………………………116
5.2.1 國外管網(wǎng)故障檢測研究情況………………………………………………116
5.2.2 國內(nèi)管網(wǎng)故障檢測研究情況………………………………………………123
5.2.3 未來發(fā)展趨勢……………………………………………………………125
5.3 解決方案 …………………………………………………………………………126
5.3.1 管道老化故障診斷………………………………………………………126
5.3.2 管道泄漏故障診斷…………………………………………………………129
5.3.3 管道堵塞故障診斷…………………………………………………………130
5.4 案例分析 ………………………………………………………………………132
5.4.1 管網(wǎng)故障水力對稱性………………………………………………………132
5.4.2 供熱管網(wǎng)中管段粗糙度辨識………………………………………………146
5.4.3 供熱管網(wǎng)中管道泄漏辨識…………………………………………………159
5.4.4 供熱管網(wǎng)中管道堵塞辨識…………………………………………………164
參考文獻…………………………………………………………………………………167
第6章 供熱系統(tǒng)噴射泵技術及應用171
6.1 問題提出 ………………………………………………………………………………171
6.2 研究現(xiàn)狀 …………………………………………………………………………172
6.2.1噴射泵技術研究現(xiàn)狀……………………………………………………172
6.2.2 噴射泵技術在供熱領域的應用現(xiàn)狀……………………………………173
6.3 解決方案 …………………………………………………………………………175
6.3.1噴射泵結構、原理及尺寸設計 ……………………………………………175
6.3.2 噴射泵運行特性模擬……………………………………………………182
6.3.3可調(diào)節(jié)噴射泵系數(shù)辨識……………………………………………………188
6.4 案例分析 …………………………………………………………………………192
6.4.1噴射泵在供熱系統(tǒng)中的應用場景………………………………………192
6.4.2 噴射泵供熱系統(tǒng)節(jié)能性分析………………………………………………195
參考文獻 …………………………………………………………………………………199
書單推薦
