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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(jié)合所從事研究工作和教學(xué)方向,并基于自己多年智慧供熱工程實(shí)踐編寫而成。全書從智慧城市供熱系統(tǒng)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)出發(fā),探討了多種智慧城市供熱系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。全書包括6章,第1章對(duì)智慧供熱系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹;第2章介紹了智慧供熱仿真基礎(chǔ)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(shù),該技術(shù)提出了一種新的水力調(diào)節(jié)方法來適應(yīng)分布式變頻供熱系統(tǒng),可以實(shí)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(shù),從熱網(wǎng)水力平衡和全網(wǎng)平衡控制兩個(gè)方面對(duì)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(shù),通過仿真技術(shù)和智能算法的結(jié)合對(duì)管網(wǎng)常見的老化、泄漏和堵塞故障進(jìn)行診斷;第6章介紹了供熱系統(tǒng)噴射泵技術(shù),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。

建筑是社會(huì)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(kuò)大趨勢(shì)，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(jī)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(shè)施逐步完善，供熱行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模實(shí)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(shì)，其對(duì)行業(yè)發(fā)展的推動(dòng)作用逐步減弱。與此同時(shí)，中國城市化進(jìn)程正在加速，科學(xué)技術(shù)正在廣泛應(yīng)用于供熱行業(yè)各環(huán)節(jié)，新的、更加個(gè)性化的供熱需求不斷涌現(xiàn)，這些因素都對(duì)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(dòng)力會(huì)來自智慧供熱技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。另外，氣候條件日益復(fù)雜多變，綠色低碳的發(fā)展模式已成為能源領(lǐng)域不可或缺的考量因素。智慧供熱作為供熱領(lǐng)域?qū)τ趯?shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)提交的切實(shí)可行的技術(shù)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(jìn)程加快，各地陸續(xù)出臺(tái)了對(duì)可再生能源供熱、綠色建筑面積的指標(biāo)，在可再生能源和清潔能源供暖上政策力度更強(qiáng)，從而鼓勵(lì)了清潔能源供熱的發(fā)展。國務(wù)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(dòng)清潔能源供熱，加快設(shè)施設(shè)備節(jié)能改造，開展節(jié)能減排理論與技術(shù)研究，構(gòu)建綠色低碳的技術(shù)體系與標(biāo)準(zhǔn)體系。根據(jù)政策發(fā)展規(guī)劃，未來城市供熱機(jī)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(shè)改造以及推進(jìn)清潔能源供熱，將是發(fā)展重點(diǎn)。
當(dāng)前，以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的先進(jìn)的信息化技術(shù)在供熱行業(yè)得到了越來越廣泛和深入的應(yīng)用，越來越多的供熱公司配備了供熱狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(dāng)前供熱行業(yè)發(fā)展的需求，僅僅對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控和調(diào)整，不足以支撐整個(gè)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(fēng)能等被使用到供熱系統(tǒng)中，面對(duì)熱源的多元化，傳統(tǒng)的人工控制難以達(dá)到精準(zhǔn)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(jié)構(gòu)日益復(fù)雜。面對(duì)日趨復(fù)雜的管網(wǎng)，如何對(duì)各供熱源進(jìn)行優(yōu)化配置來達(dá)到全網(wǎng)供需平衡，傳統(tǒng)的人工控制也是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等智能化技術(shù)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(diǎn)。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(jìn)經(jīng)驗(yàn)。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(jìn)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(jìn)行管理建設(shè)，仿真模擬技術(shù)是關(guān)鍵。基于有力的模擬仿真技術(shù)，打破目前信息化技術(shù)中大數(shù)據(jù)的標(biāo)簽化應(yīng)用現(xiàn)狀，以實(shí)現(xiàn)城市供熱系統(tǒng)之設(shè)計(jì)、優(yōu)化調(diào)度、平衡調(diào)控和故障診斷等功能的實(shí)際應(yīng)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(duì)管網(wǎng)內(nèi)部原本不可見的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行機(jī)理的揭示，基于仿真計(jì)算的數(shù)字孿生模型是實(shí)現(xiàn)城市供熱系統(tǒng)智慧化的關(guān)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?xì)廨斉漕I(lǐng)域，并在多源復(fù)雜拓?fù)涔芫W(wǎng)仿真的全新模型、核心算法、智慧應(yīng)用等方面取得了創(chuàng)新性研究成果。同時(shí)，作者在十三五國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃燃?xì)夤芫W(wǎng)安全運(yùn)行保障集成智能監(jiān)管平臺(tái)和既有居住建筑宜居改造及功能提升關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目中被列為骨干成員和任務(wù)負(fù)責(zé)人；自主開發(fā)了多熱源復(fù)雜拓?fù)涞臒崃芫W(wǎng)仿真的全新模型和核心算法，在區(qū)域供熱、能源網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域具備豐富的科研項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)以及極強(qiáng)的專業(yè)把控能力。本書作者基于多年科研經(jīng)驗(yàn)，從城市供熱系統(tǒng)的仿真模擬技術(shù)出發(fā)，分別介紹了供熱系統(tǒng)分布式輸配系統(tǒng)技術(shù)，供熱系統(tǒng)全網(wǎng)平衡技術(shù)，供熱系統(tǒng)管網(wǎng)老化、泄漏和堵塞故障診斷技術(shù)，以及供熱系統(tǒng)可調(diào)式噴射泵技術(shù)，希望可以為從事供熱行業(yè)的工作人員，以及在校相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供一定的理論指導(dǎo)。
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(duì)本書內(nèi)容的整理協(xié)助，感謝國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃國際合作基于數(shù)字李生的供熱系統(tǒng)全網(wǎng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化及低碳智慧調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)研究(2021YFE0116200)對(duì)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(shè)性的態(tài)度對(duì)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(jìn)。

王海同濟(jì)大學(xué)
2023年3月

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(guān)鍵技術(shù) ………………………………………………3
1.3 智慧城市供熱系統(tǒng)的機(jī)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(diǎn)………………………………………………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(biāo)………………………………………………7
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………7
第2章智慧供熱系統(tǒng)仿真理論基礎(chǔ)與應(yīng)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(dòng)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(dòng)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(jiǎn)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(xiàn) ……………………………………………………………………………………43
第3章供熱系統(tǒng)分布式輸配系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)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(shù) ……………………………………………47
3.2.2 分布式輸配系統(tǒng)的智慧運(yùn)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(yùn)行方法 ……………………………………………………54
3.4 案例驗(yàn)證………………………………………………………………………………58
3.4.1 案例一 …………………………………………………………………………58
3.4.2 案例二 ………………………………………………………………………65
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………………72
第4章供熱系統(tǒng)全網(wǎng)平衡技術(shù)及應(yīng)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(yàn)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(xiàn)…………………………………………………………………………………112
第5章供熱系統(tǒng)智慧診斷技術(shù)及應(yīng)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(cè)研究情況………………………………………………116
5.2.2 國內(nèi)管網(wǎng)故障檢測(cè)研究情況………………………………………………123
5.2.3 未來發(fā)展趨勢(shì)……………………………………………………………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(duì)稱性………………………………………………………132
5.4.2 供熱管網(wǎng)中管段粗糙度辨識(shí)………………………………………………146
5.4.3 供熱管網(wǎng)中管道泄漏辨識(shí)…………………………………………………159
5.4.4 供熱管網(wǎng)中管道堵塞辨識(shí)…………………………………………………164
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………167
第6章供熱系統(tǒng)噴射泵技術(shù)及應(yīng)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(shù)研究現(xiàn)狀……………………………………………………172
6.2.2 噴射泵技術(shù)在供熱領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀……………………………………173
6.3 解決方案 …………………………………………………………………………175
6.3.1噴射泵結(jié)構(gòu)、原理及尺寸設(shè)計(jì) ……………………………………………175
6.3.2 噴射泵運(yùn)行特性模擬……………………………………………………182
6.3.3可調(diào)節(jié)噴射泵系數(shù)辨識(shí)……………………………………………………188
6.4 案例分析 …………………………………………………………………………192
6.4.1噴射泵在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景………………………………………192
6.4.2 噴射泵供熱系統(tǒng)節(jié)能性分析………………………………………………195
參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………199

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