摘要： 為適應供熱系統(tǒng)的計量收費，本文對系統(tǒng)流量與散熱量的關(guān)系、單雙管的比較與改造、壓差調(diào)節(jié)器的使用范圍、新的水力計算方法以及系統(tǒng)循環(huán)流量的變流量調(diào)節(jié)等技術(shù)問題，進行了分析與探討。
關(guān)鍵詞： 供熱系統(tǒng) 計量收費 遺傳算法
供熱系統(tǒng)計熱量收費勢在必行。然而由于社會、管理等因素，在實施過程中必然會碰到不少必須解決的難題。但就基礎(chǔ)工作而言，我認為就一些關(guān)鍵的技術(shù)問題，取得同行的共識，更具重要意義。因此計量收費，應建立在高技術(shù)含量的基礎(chǔ)之上。這里，我想就大家比較關(guān)心的幾個技術(shù)問題，談一些看法，以便求得深入討論。
一、系統(tǒng)流量變化對室溫的影響
供熱系統(tǒng)按熱量收費，前提條件是供熱效果要優(yōu)于按面積收費的情形。理想狀況應該是室溫能按用戶要求靈活進行調(diào)節(jié)。這里提出了一個理論問題：即要想達到用戶不同的室溫要求，系統(tǒng)流量應該在多大的范圍內(nèi)變化？當室內(nèi)無人時，一般要求值班采暖，此時室溫在6～8℃之間，那么這時系統(tǒng)流量減小到最小，其數(shù)值是多少？再如在單管順流系統(tǒng)上，改裝跨越管后，由于跨越管的分流，進入散熱器的流量減少，此時室溫如何變化？要回答這類問題，就必需研究系統(tǒng)流量變化對室溫的影響。亦即要研究系統(tǒng)水力工況對熱力工況的影響。
一般而言，對系統(tǒng)供熱、散熱器散熱、建筑物耗熱建立如下6個聯(lián)立方程：
Q n = W s (t g-t h) (1)
Q n = ε n W s (t g-t n) (2)
Q n = q v (t n -t w) (3)
(4)
(5)
(6)
式中Qn--供熱系統(tǒng)的供熱量，散熱量，耗熱量（W/h）；
tg--供熱系統(tǒng)的供水溫度（℃）
t h--供熱系統(tǒng)的回水溫度（℃）
W s--供熱系統(tǒng)的流量熱當量（KJ/h·℃），可視為流量的函數(shù)；
ε n--供熱系統(tǒng)的有效系數(shù)，無量綱，為0～1.0之間的數(shù)值；
ωn--供熱系統(tǒng)工況系數(shù)，無量綱；
t n--用戶室內(nèi)溫度（℃）
tω--室外溫度（℃）
上式中帶角碼’′’的為相應參數(shù)的設(shè)計值；， 為運行參數(shù)、設(shè)計參數(shù)之比值。
K′--散熱器設(shè)計狀態(tài)傳熱系數(shù)（KJ/m2 h℃）
F--散熱器散熱面積（m2）；
t′0--供熱系統(tǒng)設(shè)計供、回水溫度的平均值（℃）；
B--散熱器傳熱指數(shù)，一般0.17～0.37。
上述前5個獨立的聯(lián)立方程中，有7個未知數(shù)，即Q n，t g，t h，t n，W s，ε n，ωn，其中通常視W s（流量）為已知（室外溫度tω為已知），當分別給定Q n，t g，即可解出其它參數(shù)，進而獲得系統(tǒng)流量與用戶室溫之間的關(guān)系。
為了便于編程，上機計算，上述5個聯(lián)立方程可以進一步簡化為如下矩陣方程：
Ta =[A0[G] A0T - Ai n[G]H·A0]-1 Ai n[G]W (7)
式中 Ta--供熱系統(tǒng)節(jié)點溫度向量；
G--系統(tǒng)支路流量矩陣；
A0、Ai n--分別為系統(tǒng)流出、流入關(guān)聯(lián)矩陣；
H、W--分別表示系統(tǒng)不同熱部件特性的系數(shù)矩陣，主要反映熱源、管道、換熱器、散熱器等不同熱部件中εn，
ωn的影響因素。
運行根據(jù)（7）式編制的SHIWEN程序，算出供熱系統(tǒng)各節(jié)點溫度，即可求得散熱器的散熱量以及室溫對應于流量的變化關(guān)系。
供熱系統(tǒng)流量、散熱量與室溫關(guān)系計算
用戶名稱
運行流量kg/(m2h)
失調(diào)度X
單位供暖面積散熱量
平均室溫tn(℃)
q(w/m2℃)
(%)
1-5
2.25
1.0
52.4
100
18
1
0.35
0.43
0.16
0.19
26.0
29.1
49.6
55.5
4.4
6.0
2
0.70
0.31
39.4
75.2
11.3
3
1.60
0.71
51.4
98.1
17.5
4
3.20
1.42
56.1
107.1
19.9
5
5.40
2.40
56.7
108.2
20.2
現(xiàn)舉實例加以說明，一個地處北京的有5個熱用戶的供熱系統(tǒng)，設(shè)定設(shè)計供回水溫度為75/55℃，單位建筑面積的設(shè)計流量為2.25 kg/m2 h，選用813型鑄鐵四柱散熱器。在設(shè)計外溫-9℃下，各用戶流量與室溫、散熱量之間的關(guān)系為表1所示：當運行流量只有設(shè)計流量的16～31%時，室溫只有4.4～11.3℃；當室溫維持值班采暖時（即+6℃），此時運行流量是設(shè)計流量的19%，實際散熱量只有設(shè)計散熱量的55.5%；當運行流量是設(shè)計流量的31%時，室溫為11.3℃，實際散熱量是設(shè)計散熱量的75.2%。
這一計算結(jié)果，與美國SHRAE手冊系統(tǒng)篇給出的關(guān)系曲線完全一致（見圖1、圖2）。該曲線橫坐標為相對流量，縱坐標為散熱器相對散熱量 ，圖1表示≤1.0的情形，圖2表示>1.0的情形。在圖中，供水溫度為90℃，曲線1、2、3、4分別表示供、回水溫差為10、20、30、40℃。不難發(fā)現(xiàn)，對于圖1即≤1.0時，供回水溫差愈大，曲線愈接近于線性；供回水溫度愈小，流量與散熱量的關(guān)系愈接近上拋物線。對于圖2，>1.0，即大于設(shè)計流量的狀態(tài)下，散熱量增加并不多。
關(guān)系曲線圖 關(guān)系曲線圖
圖1中的曲線1、2，其供回水溫降分別為10、20℃，比較符合我國目前的供暖現(xiàn)狀。從中可以得到一個明晰的概念：即當流量在設(shè)計流量±20～30%范圍內(nèi)變動時，散熱量的波動只有±10%左右；而當流量減小到設(shè)計流量的±20～30%時，散熱量明顯減少，只有設(shè)計值的50～80%，室溫只能維持在5～14℃之間。
系統(tǒng)流量與散熱量的上述關(guān)系，完全是由于散熱器的熱力特性決定的，這一關(guān)系正好說明了供熱系統(tǒng)之所以存在冷熱不均現(xiàn)象的本質(zhì)。如果認為流量減少到設(shè)計流量的30%時，散熱量還始終不低于設(shè)計散熱量的90%，也就是室溫不低于16℃，這樣就會得出供熱系統(tǒng)始終不會發(fā)生冷熱不均的失調(diào)狀況，這是與事實不相符的。
對于單管順流改裝跨越管的情形，若分流比按3：7考慮，進入散熱器的流量是設(shè)計流量的30%，此時從同一根立管的總散熱量來計算的話，其減少量仍然會大于10%。但還需要指出的是，各層房間的散熱量的減少不是均勻分配的，對于上分系統(tǒng)，愈是低層，吃虧愈多，室溫過冷現(xiàn)象愈嚴重（下節(jié)細述）。假如把散熱器與跨越管的3：7分流比作為設(shè)計條件，這就意味著加大了供回水溫差，增加了房間散熱器面積，不同的設(shè)計條件，進行流量與散熱量的比較是無意義的。
二、室內(nèi)單雙管系統(tǒng)的比較與改造
為了適應于計量收費，對于室內(nèi)供熱系統(tǒng)人們普遍傾向于今后都設(shè)計為雙管系統(tǒng)，舊有單管系統(tǒng)逐漸改造為雙管系統(tǒng)。然而我國現(xiàn)有住宅，絕大多數(shù)是采用單管系統(tǒng)。然而我國現(xiàn)有住宅絕大多數(shù)是采用單管系統(tǒng)。粗略統(tǒng)計也有十幾億建筑面積。如果全部改為雙管系統(tǒng)，其難度可能大到幾乎成為不可能，甚至可能導致計量收費中途夭折。因此，在適應計量收費的前提下，通過全面分析比較單雙管系統(tǒng)的特性，提出經(jīng)濟可行的設(shè)計改造方案，就顯得十分有意義。
眾所周知，單、雙管系統(tǒng)有如下一些優(yōu)缺點：
1．雙管系統(tǒng)比單管系統(tǒng)易于和溫控閥配套使用。由于雙管系統(tǒng)每個散熱器自成一個回路，很容易在每個散熱器安裝一個溫控閥。其優(yōu)點是各個房間，都可按用戶的要求調(diào)節(jié)到所需要的室溫，這是順應計量收費，人們普遍看好雙管系統(tǒng)的主要原因。而單管系統(tǒng)因為是"串糖葫蘆"式的，如果每個散熱器前都裝溫控閥，必然造成互相"扯皮"，使系統(tǒng)失控，滿足不了室溫要求，這也是單管系統(tǒng)被判"死刑"的主要原因。
2．雙管系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性優(yōu)于單管系統(tǒng)。通過雙管系統(tǒng)每個散熱器的供、回水溫度就是供暖系統(tǒng)的總供回水溫度，因此供回水溫差比較大，一般都在15～25℃之間。而單管系統(tǒng)對于同一根立管而言，各個散熱器供回水溫差的總和才與雙管系統(tǒng)每個散熱器的供回水溫差相等。也就是說，單管系統(tǒng)每個散熱器的供回水只有幾度的溫差。從ASHRAE手冊給出的圖1曲線可知，當供回水溫差愈大時，散熱器的散熱量與流量之間的關(guān)系愈接近于線性特性；當供回水溫差愈小時，散熱特性愈接近于快開特性。這就是說，對于雙管系統(tǒng)，調(diào)節(jié)性能較好，配套的調(diào)節(jié)閥（如溫控閥）接近線性特性就能使室溫調(diào)節(jié)到位；而對于單管系統(tǒng)，由于調(diào)節(jié)特性不如雙管系統(tǒng)，配套的調(diào)節(jié)閥，要求接近等百分比特性才能達到理想的調(diào)節(jié)目的。
3．單管系統(tǒng)比雙管系統(tǒng)也有明顯的優(yōu)點，這就是系統(tǒng)少一根立管（當垂直布置）或少一根水平干管（當水平布置即水平串連）。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，造價低，便于房間布置，這也是我國歷來習慣多采用單管系統(tǒng)的主要原因。特別當人們生活水平逐漸提高、室內(nèi)裝修愈趨考察的情況下，為了美觀起見，供暖系統(tǒng)布置在地板內(nèi)或踢腳板里的呼聲愈來愈高。在這種情況下，單管系統(tǒng)比雙管系統(tǒng)又體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。
綜上所述，簡單地全盤否定單管系統(tǒng)是片面的。正確作法應針對單管系統(tǒng)的特點，揚長避短，提出一種合理的結(jié)構(gòu)形式，既保留單管系統(tǒng)的優(yōu)點，又能與溫控閥配套使用，適應計量收費的要求。
為了提出在單管系統(tǒng)上能安裝溫控閥的合理結(jié)構(gòu)形式，有必要對單管系統(tǒng)散熱量與流量之間的變化規(guī)律進行更深層次的分析。還是利用SHIWEN程序，對一個五層樓的上分式單管順流系統(tǒng)進行計算，其結(jié)果見表2、表3。表2為供熱量恒定的情況，表3為供水溫度給定的情況。分析數(shù)據(jù)可以得到一個很有趣的現(xiàn)象：不論哪一種情況，凡實際流量小于設(shè)計流量的（在設(shè)計外溫下），均出現(xiàn)上層熱、下層冷的現(xiàn)象；凡實際流量大于設(shè)計流量的，都發(fā)生上層冷、下層熱的情形。
表2 上分式單管順流系統(tǒng)供暖量恒定時流量與室溫變化 相對流量（%） 室溫（℃） 5層 4層 3層 2層 1層 1.80 17.5 17.7 17.9 18.3 18.6 1.00 18.3 18.1 17.9 17.9 17.8 0.52 20.0 18.9 17.8 17.1 16.1 0.28 23.2 20.3 17.6 15.5 13.3 表3 上分式單管順流系統(tǒng)供水溫度恒定時流量與室溫變化 相對流量（%） 室溫（℃） 5層 4層 3層 2層 1層 1.80 18.4 18.6 18.9 19.2 19.5 1.00 18.3 18.1 18.0 17.9 17.8 0.48 17.9 16.8 15.8 14.8 13.9 0.24 17.0 14.3 12.0 9.9 8.0注：供水溫度81℃
上述室溫與流量之間的變化規(guī)律，具有普遍性。當室外溫度不等于設(shè)計外溫時，這種變化規(guī)律仍然存在，所不同的只是在設(shè)計外溫，即氣溫最冷時，系統(tǒng)垂直失調(diào)最嚴重，也就是最高層與最低層之間的室外溫偏差最大；隨著氣溫變暖，垂直失調(diào)也逐漸趨緩。這種變化規(guī)律，不僅存在于單管系統(tǒng)，對于雙管系統(tǒng)，也一樣適用。只是單、雙管系統(tǒng)發(fā)生垂直失調(diào)的原因不同：單管系統(tǒng)，是由于流量變化引起散熱器平均溫度的變化所致；而雙管系統(tǒng)則是由于自然循環(huán)作用壓頭的變化而造成的。
由于單管系統(tǒng)的垂直失調(diào)有上述規(guī)律可循，我們就可以提出現(xiàn)有住宅單管順流系統(tǒng)與溫控閥配套的既簡單又適用的改造方案：方法是只在每一根立管的最低層散熱器前裝一個溫控制閥，便可以實現(xiàn)對住宅各室溫的自動控制。這個方法之所以可行，就因為在最底層，室溫過低與流量過小（同樣，室溫過高與流量過大也一致）是一致的。而溫控閥的作用，正好是在室溫偏低時能增大流量（過熱時減少流量），調(diào)節(jié)的結(jié)果是底層室溫提高，上層室溫降低。這種方法，只用一個溫控閥，就可以使同一根立管的所有房間的室溫得到控制。如果再與水表或熱量分配相配套，就可以使現(xiàn)有住宅單管系統(tǒng)的節(jié)能改造成為可能。當然，這種改造方案，與雙管系統(tǒng)比較還有不足之處，主要是室溫的調(diào)節(jié)靈活性不夠，但它畢竟為舊有單管系統(tǒng)的發(fā)行開拓了新的途徑。
綜合以上分析，為適應計量收費，提出室內(nèi)供暖系統(tǒng)可供選擇的幾種形式：
1．舊有單管系統(tǒng)的改造，只在底層散熱器前裝一個溫控閥，仍保留順流式，不必加裝跨越管；
2．新建住宅，采暖標準高的，優(yōu)先采用雙管系統(tǒng)；采暖標準要求的一般的，仍可采用單管系統(tǒng)。當選擇順流單管系統(tǒng)時，溫控閥安裝方案同舊有單管系統(tǒng)的改造方案，當采用帶有跨越管式的單管系統(tǒng)時，跨越管與支管管徑應與立管同管徑，每個散熱器上宜安裝三通溫控閥，目的是保證散熱器的流量能在設(shè)計流量的0～100%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
3．無論是雙管系統(tǒng)還是單管系統(tǒng)，為了便于按戶計量和暗管敷設(shè)，都宜采用水平布置，即供暖系統(tǒng)只有總立管和水平干管。
三、壓差調(diào)節(jié)器的使用范圍
在國外的供熱系統(tǒng)中，與熱量計、溫控閥相配套的主要設(shè)備還有壓差調(diào)節(jié)閥。通常要求，不但在熱力站、熱力入口安裝，甚至要求室內(nèi)和各立管上都要安裝壓差調(diào)節(jié)閥。由于這種壓差調(diào)節(jié)閥，價格很貴，因此，研究其合理的使用范圍就顯得非常必要。
安裝壓差調(diào)節(jié)器的基本功能是消耗掉多余壓頭，保證要求的資用壓頭，以滿足配套設(shè)備正常工作。如在換熱器前安裝硬度差調(diào)節(jié)器，可防止換熱器內(nèi)水流速過大，超過允許壓降。在限流器（亦稱自力式溫控閥、流量調(diào)節(jié)閥），平衡閥（調(diào)節(jié)閥），溫控閥前安裝壓差調(diào)節(jié)器，一般有三個作用：（1）保證工作壓差不超過最大允許壓差；（2）保證通過的流量限制在最大流量范圍以內(nèi)；（3）保證不產(chǎn)生噪音和氣蝕現(xiàn)象。
了解了壓差調(diào)節(jié)器的上述作用后，就應該適當、有效地設(shè)計安裝壓差調(diào)節(jié)器，以防濫設(shè)亂裝。
對于熱力站（含熱入口）中的換熱器，應在換熱器允許壓降的前提下，盡量由換熱器自身克服管網(wǎng)的多余壓頭；只在換熱器無法消耗額外壓頭時，才設(shè)置壓差調(diào)節(jié)器。目前，我國在換熱器設(shè)計中，普遍存在換熱器設(shè)計壓降偏小的傾向，通常為0.07Mpa。由于允許壓降受到限制，使換熱器（主要指板式換熱器）流速只能達到0.2～0.3m/s，導致傳熱系數(shù)過小，只有2000～3000W/m2，造成換熱器傳熱面積普遍選擇過大。形成了一平方米傳熱面積傳熱面積只帶500平方米供熱面積的錯誤概念，無謂增加了投資。而真正發(fā)揮板式換熱器強化傳熱的優(yōu)勢，應該一平方米的傳熱面積帶到800平方米供熱面積才對。此時，通過換熱器的流速應在0.5～0.6m/s之間，傳熱系數(shù)5000～6000W/m2 ，相應壓降在0.1～0.12 Mpa的范圍之內(nèi)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析，換熱器允許壓降從目前的0.07 Mpa，提高到0.1～0.12 Mpa，不但可以提高換熱器的性能價格比，而且可以少裝或不裝壓差調(diào)節(jié)器，具有明顯的經(jīng)濟意義。
但是在提高換熱器允許壓降的工作中，目前存在二方面的認識問題：一是怕增大系統(tǒng)阻力，提高循環(huán)水泵揚程，多耗電能；二是一、二次管網(wǎng)流速難以同時滿足要求。對于第一個問題，純粹屬于認識上的誤區(qū)：我們所說的提高換熱器壓降，是為了克服管網(wǎng)提供的多余壓頭，這種情況一般發(fā)生在供熱系統(tǒng)的中、前端。因此，不會增大循環(huán)水泵的揚程。對于第二問題，可以采用不等截面的板式換熱器，目前能夠做到一、二次管網(wǎng)流量比為1：4的范圍。因此，技術(shù)上是完全可行的。
對于溫控閥，一般有兩種調(diào)節(jié)功能；第一種是室溫調(diào)節(jié)功能。根據(jù)對室溫的不同要求，用戶可以自行設(shè)定，這種操作通常都很方便。第二種調(diào)節(jié)稱不預置調(diào)節(jié)，主要目的是限定溫控閥的最大流量，保證不產(chǎn)生噪音。具體操作是根據(jù)房間熱負荷，和壓降為0.1Mpa時的最大流量，設(shè)定溫控閥的流量系統(tǒng)Kv(m3/h·m0.5)。從溫控閥的預置調(diào)節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，這種溫控閥本身實際上就是一個限流器或自力式平衡閥。
在正常情況下，溫控閥兩端的工作壓降應為0.01～0.03Mpa，此時通過溫控閥的實際流量遠比溫控閥的預置值Kv（壓降為0.1Mpa時的最大流量）小。多數(shù)溫控閥，由于防止噪音的限制，其工作壓降最大不許超過0.06～0.1 Mpa，因此0.1 Mpa是溫控閥工作壓降的最大極限。
對于一個8層帶有跨越管安裝有二通溫控閥的管徑為DN20的立管，其總流量系統(tǒng)Kv為3.95(m3/hm0.5)。當只有一個房間供暖，其它7個房間的溫控閥全部關(guān)死，此時該立管的流量系數(shù)Kv為1.41(m3/h·m0.5)。當供暖房間溫控閥未調(diào)時，該房間室溫必然過熱；當該溫控閥關(guān)小，直至室溫合格時，溫控閥才停止調(diào)節(jié)，這時該立管的流量系數(shù)將≥0.5(m3/hm0.5)，即通過該立管的流量接近設(shè)計流量的1/8。如果給定該供熱系統(tǒng)的總資用壓頭為0.1Mpa，則該立管調(diào)節(jié)前后的總壓降從0.09 Mpa增大到0.096Mpa。對于同一個系統(tǒng)，只把二通溫控閥，換為三通溫控閥，立管總流量系數(shù)Kv為0.6(m3/hm0.5)，但在同上的調(diào)節(jié)過程中Kv值幾乎不變，亦即立管壓降也波動很小。
根據(jù)上述分析，可以得出如下結(jié)論：
1．對于室內(nèi)供熱系統(tǒng)，除對溫控閥進行預置設(shè)定外，每一立管無需另裝壓差調(diào)節(jié)器。因為對于一個有8組散熱器的單管系統(tǒng)（如水平布置，一戶超過8組散熱器的不多），在極限調(diào)節(jié)下，立管壓降波動都不超過0.01 Mpa，完全在溫控閥允許范圍內(nèi)。
2．采用新的室內(nèi)系統(tǒng)水力計算方法。從設(shè)計階段即消除了各立管之間的壓降不平衡。這樣可以避免溫控閥的大幅度的調(diào)節(jié)，進而減少立管壓降的波動。
3．在每個建筑物的熱入口，優(yōu)先安裝限流器或自力式平衡閥，使每個建筑物的熱入口的資用壓頭限制在設(shè)定范圍之內(nèi)，心量減少壓差調(diào)節(jié)器的裝設(shè)。
4．二次管網(wǎng)采用最佳調(diào)節(jié)方法即質(zhì)量并調(diào)方法。系統(tǒng)循環(huán)流量采用循環(huán)水泵的調(diào)頻調(diào)速控制。根據(jù)熱負荷的變動，調(diào)節(jié)系統(tǒng)總流量，可以使溫控閥都工作在微調(diào)的狀態(tài)下。
四、新的室內(nèi)系統(tǒng)水力計算方法
為了減少溫控閥的大幅度調(diào)節(jié)，進而避免在各立管上安裝壓差調(diào)節(jié)器，室內(nèi)供熱系統(tǒng)水力計算應采用不等溫降法。但傳統(tǒng)的不等溫降法存在二個致命的缺點：一是在多環(huán)路中，要進行繁雜的流量壓降和溫降的修正；二是在允許的立管溫降下，難以實現(xiàn)最佳立管管徑的尋優(yōu)。由于這些缺點較難克服，導致這種水力計算方法長期不能在設(shè)計中廣泛推廣使用。
本文所提出的新的水力計算方法，正是基于不等溫降法的基本原理，應用圖論網(wǎng)絡(luò)理論和新興的遺傳算法，十分理想地解決了上述二個難題。
1．管網(wǎng)流量壓降的平衡
按照圖論、圖絡(luò)理論，可建立如下的矩陣方程：
Bf(S|G|G-DH)=0
式中Bf--管網(wǎng)基本回路矩陣；
S--管網(wǎng)陰力系數(shù)矩陣；
DH--系統(tǒng)資用壓頭向量；
|G|--管網(wǎng)支路流量矩陣；
G--管網(wǎng)支路流量向量。
式中，Bf、S皆為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（含管徑、管長、管網(wǎng)走向）的函數(shù)，DH為管網(wǎng)流量的函數(shù)，當Bf、S已知時 ，解（8）矩陣方程，即可求得管網(wǎng)流量與相應的壓力降。
在室內(nèi)供熱系統(tǒng)系統(tǒng)的水力計算中，根據(jù)熱負荷和系統(tǒng)布置，先按等溫降法，計算系統(tǒng)各支路的流量、壓降。由于矩陣方程的數(shù)值求解，是對整個管網(wǎng)一次性完成的，因此，管網(wǎng)各支路和流量、壓力降將自動達到平衡，無需進行各環(huán)路的流量、壓降修正。
2、最佳立管管徑的尋優(yōu)
上述矩陣方程的一次性求解，通常并不能完成水力計算的任務，因為所選擇的各立管管徑還必須符合規(guī)定的溫降要求：
Δtmin≤Δti≤Δtmax （9）
此約束條件指出，當各立管溫降Δti滿足允許最大、最小溫降時，水力計算的任務才算完成。
上述約束條件的滿足，傳統(tǒng)作法是靠試湊法進行。實踐證明，這種方法實際上是"碰運氣"，短時間內(nèi)很難得到理想方案。
本文采用的遺傳算法，十分成功地實現(xiàn)了立管管徑尋優(yōu)的問題。遺傳算法是近年來國內(nèi)外廣泛興起的一種并行尋優(yōu)算法。它的基本原理是模擬生物遺傳的優(yōu)勝劣汰法則。在迭代尋優(yōu)過程中，仿真生物繁殖通過雜交、變異方式，使子代優(yōu)于父代，逐漸接近全局最優(yōu)。
遺傳算法是通過二進制編碼來表示待選方案的。如一個供熱系統(tǒng)，有20個立管，則用一個40位二進制數(shù)來表示，每二位代表一個立管，如00可表示該立管徑為DN15，01表示管徑DN20，10對應DN25，11即為DN32等。而且每次迭代，可同時選擇多個待選方案，這種并行尋優(yōu)算法，不但速度快，而且容易找到全局最優(yōu)方案。
應用這種方法，計算機自動給出最佳立管管徑配置，十分方便。
本課題在應用遺傳算法時，為提高收斂性，還要用了其它運算技巧。詳細論述可參閱論文"遺傳算法在室內(nèi)供熱系統(tǒng)水力計算中的應用"。
3．程序簡介
該程序流程圖如下：
4．工程實例
北京地區(qū)某一建筑物，樓層為5層，供熱系統(tǒng)共有20根立管，供回水設(shè)計溫度為95/70℃。各立管熱負荷見表4，立管管徑計算結(jié)果見表5。表中NB為立管編號，QL為立管熱負荷，DT為立管溫降（℃），IBD為立管管徑負荷， S為立管阻力系數(shù)（h2/m5），G為立管流量（kg/h）。
該工程實例中，Δtmin=10℃，Δtmax=35℃，經(jīng)過17次迭代，即得表5結(jié)果，其中只有立管編號29，其溫降為37.3℃，略大于允許值，其它立管均符合約束條件，說明計算結(jié)果還是比較理想的。
對于雙管系統(tǒng)，該水力計算方法同樣適用。
表4 立管熱負荷 NB 24 25 26 27 28 29 30 QL（W） 17229 12425.6 14053.6 15769 2245.2 12926 15915 NB 31 32 12 33 34 35 36 QL（W） 11897 11890 11890.4 12456.8 16163.2 14205.6 20594 NB 37 38 39 40 41 231 QL（W） 11454 10544 12068.6 11850.5 11849.5 11890.4 表5 計算結(jié)果 NB 24 25 26 27 28 29 30 DT 30.97 26.16 29.78 28.05 13.48 37.27 25.79 IBD 25 25 25 25 15 20 25 S 0.93 0.93 0.93 0.93 11.88 2.96 0.93 G 556.4 475.07 471.88 562.09 166.6 346.85 617.17 NB 31 32 12 33 34 35 36 DT 33.31 31 30.74 23.63 29.34 25.31 34.6 IBD 20 20 20 25 25 25 25 S 3.41 3.41 3.41 0.93 0.93 0.93 0.93 G 357.12 383.57 386.79 527.23 550.92 561.27 578.48 NB 37 38 39 40 41 231 DT 31.95 28.61 34.86 32.11 29.63 29.38 IBD 20 20 20 20 20 20 S 2.95 2.96 3.41 3.41 3.41 3.41 G 358.55 368.49 346.16 369.08 399.91 404.73
五、系統(tǒng)循環(huán)水泵的變流量調(diào)節(jié)
無論單管系統(tǒng)還是雙管系統(tǒng)，最佳調(diào)節(jié)方式都是質(zhì)量并調(diào)，即隨著室外氣溫的變化，不但要調(diào)節(jié)供水溫度，而且要調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量，這樣才能真正消除系統(tǒng)的水平失調(diào)和垂直失調(diào)。當散熱器前安裝有溫控閥時，系統(tǒng)在整個供暖期中，實際上是按變流量的方式運行。此時如果二次網(wǎng)的循環(huán)水泵仍按定流量（即質(zhì)調(diào)節(jié)）運行，那么，必然會引起：（1）溫控閥大幅度的調(diào)節(jié)和系統(tǒng)壓降的波動；（2）循環(huán)水泵提供的電能，相當部分無謂地消耗在溫控閥的節(jié)流上，浪費能源。因此，為與溫控閥配套，合理的運行方式應該是二次網(wǎng)循環(huán)水泵，也進行變流量調(diào)節(jié)。
1．循環(huán)水泵的設(shè)置形式
對于二次網(wǎng)系統(tǒng)，在運行期間，換熱器對循環(huán)流量大小無嚴格限制。因此，二次網(wǎng)系統(tǒng)采用一級泵系統(tǒng)即換熱站循環(huán)泵與熱用戶循環(huán)泵合二為一的方式為宜。
對于熱源為鍋爐房的一次網(wǎng)系統(tǒng)，鍋爐循環(huán)流量一般不應小于額定流量的70%，這是因為：（1）流量過小，會引起鍋爐浸熱管水量分配不均，出現(xiàn)熱偏差，導致鍋爐爆管等事故；（2）流量過小，會導致回水溫度過低，造成鍋爐尾部腐蝕。為克服這一矛盾，一次網(wǎng)循環(huán)水泵常采用雙級泵系統(tǒng)，即一級泵為鍋爐循環(huán)泵，二級泵為熱網(wǎng)循環(huán)泵。具體形式，如圖3所示：
圖3 雙級泵系統(tǒng)
2．節(jié)電分析
對于圖3中A型雙級泵系統(tǒng)，一般熱源循環(huán)泵0，采用定流量運行，而熱網(wǎng)循環(huán)泵1采用變流量運行。這種雙級泵變流量系統(tǒng)與傳統(tǒng)的一級泵流量系統(tǒng)相比較，節(jié)電效果明顯，其計算公式如下：
（10）
式中 --A型雙級泵變流量系統(tǒng)與一級泵定流量系統(tǒng)耗電比值；
E’,E--分別為一級泵和二級泵的全年運行耗電量；
H’o--熱源循環(huán)泵的額定揚程；
H’1--熱網(wǎng)循環(huán)泵的額定揚程；
Hall--供熱系統(tǒng)全年運行小時數(shù)；
ho--室外溫度低于設(shè)計外溫的延續(xù)小時數(shù)；
--熱網(wǎng)設(shè)計流量與實際運行流量的比值。
對于圖3中的B型雙級泵系統(tǒng)，循環(huán)泵2和循環(huán)泵3額定揚程分別為：
H2=ΔP0 （11）
H3=ΔP0+ΔP1 ?。?2）
式中ΔP0--鍋爐房的額定壓降；
ΔP1--熱網(wǎng)的額定壓降；
H2，H3--分別為循環(huán)泵2，循環(huán)泵3的額定揚程。
B型雙級泵系統(tǒng)在運行中，循環(huán)泵2、循環(huán)泵3都可進行變流量調(diào)節(jié)。設(shè)Go為通過鍋爐的循環(huán)流量，一般在運行期間保持定流量不變。則循環(huán)泵2、循環(huán)泵3的循環(huán)流量G2、G3按如下關(guān)系運行：
G2max= Go- G1min (13)
G2min= Go- G1max =0 (14)
顯而易見，無論A型和B型雙及泵系統(tǒng)，鍋爐循環(huán)泵的額定揚程皆取鍋爐房的設(shè)計壓降為宜。而B型雙級泵的熱網(wǎng)循環(huán)泵的額定揚程則是鍋爐房和熱網(wǎng)設(shè)計壓降的總和，大于A型雙級泵系統(tǒng)的熱網(wǎng)循環(huán)泵額定揚程（后者額定揚程為熱網(wǎng)設(shè)計壓降）。無論哪一種循環(huán)泵，額定流量都是設(shè)計流量。因此，從初投資考慮，B型雙級泵系統(tǒng)要大于A型雙級泵系統(tǒng)。但B型雙級泵系統(tǒng)在運行中的節(jié)電效果好于A型雙級泵系統(tǒng)，通過計算，
在北京地區(qū)：
（15）
在哈爾濱地區(qū)：
（16）
實際工程選用哪一種方案，需通過經(jīng)濟比較確定。
但經(jīng)過粗略計算，對于二次管網(wǎng)，在循環(huán)水泵采用變流量調(diào)節(jié)時，當平均運行流量是設(shè)計流量的80%時，節(jié)電約49%；平均運行流量是設(shè)計流量的70%時，節(jié)電66%。對于一次管網(wǎng)，選用A型雙級泵系統(tǒng)，在熱網(wǎng)泵平均流量是設(shè)計流量的70%時，節(jié)電44%；平均流量是設(shè)計流量的50%時，節(jié)電57%。
3．循環(huán)泵的調(diào)節(jié)方法
對于大功率的循環(huán)泵，由于投資原因，宜采用液力偶合方式調(diào)速。在功率小于150KW以下的循環(huán)泵，皆可采用變頻調(diào)速。變頻調(diào)速比起其它調(diào)速方法，最大的優(yōu)點是調(diào)速過程轉(zhuǎn)差率小，轉(zhuǎn)達差損耗小，能使電機實現(xiàn)高效調(diào)速。在變頻的同時，電源電壓可以根據(jù)負載大小作優(yōu)化調(diào)節(jié)。在調(diào)頻過程，能使功率因素保持在80%以上。此外，還可以在額定電流下起動電機，從而降低配用變壓器的容量。變頻器體積小巧，運行平穩(wěn)，可靠性高。變頻調(diào)速應用于循環(huán)水泵的變流量調(diào)節(jié)，已逐漸被人們所認識。
對于多臺泵并聯(lián)的循環(huán)水泵，可以采用每臺泵皆由變頻調(diào)速控制，也可采用其中的一臺循環(huán)泵實行變頻調(diào)速速，其它各臺循環(huán)泵都為定流量運行。采用后一種調(diào)速控制方案時，變頻調(diào)速泵，起著峰荷的調(diào)節(jié)作用。當熱負荷較小時，只有變頻調(diào)速泵運行。隨著熱負荷的增大，變頻控制柜可自動起動第二臺、第三臺……并聯(lián)循環(huán)泵的滿負荷運行；當熱負荷減少時，定流量循環(huán)泵依次可自動停運。在電機功率為75KW以下時，定流量循環(huán)泵的啟動可由變頻控制柜直接啟動；當電機功率超過75KW以上時，采用降壓啟動。
采用單泵變頻調(diào)速方案，可大大降低初投資，由于節(jié)電效果明顯，投資一年左右即可回收。
參考文獻：
1．石兆玉，《供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)與控制》，清華大學出版社，1994，1。
2．石兆玉，《流體網(wǎng)絡(luò)分析與綜合》，校內(nèi)教材，1993，8。
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4．史登峰，"可調(diào)式水噴射泵在供熱系統(tǒng)中的研究與應用"，工程碩士論文，1998，5。
