本书作者根据城市供热系统智慧化和低碳化发展的需要,结合所从事研究工作和教学方向,并基于自己多年智慧供热工程实践编写而成。全书从智慧城市供热系统面临的机遇与挑战出发,探讨了多种智慧城市供热系统关键技术。全书包括6章,第1章对智慧供热系统进行简要介绍;第2章介绍了智慧供热仿真基础理论以及现有的仿真软件;第3章介绍了供热系统分布式输配系统技术,该技术提出了一种新的水力调节方法来适应分布式变频供热系统,可以实现多热源环状供热系统的水力平衡;第4章介绍了供热系统全网平衡技术,从热网水力平衡和全网平衡控制两个方面对供热系统普遍存在的水力失衡及冷热不均问题做了深刻分析;第5章介绍了供热系统智慧诊断技术,通过仿真技术和智能算法的结合对管网常见的老化、泄漏和堵塞故障进行诊断;第6章介绍了供热系统喷射泵技术,并提出了一种具有良好水力稳定性和节能性的可调节喷射泵。
1.智慧供热作为实现碳达峰、碳中和目标切实可行的技术方案,可助力供热行业研究绿色低碳路线。数字化、低碳化和智慧化的供热方式已经成为中国供热行业的共同发展愿景。此为出版本书的动机与目标。
2.智慧城市供热系统,须围绕数字孪生进行管理建设,仿真模拟技术是关键。全书即从机理和数据双驱动的混合建模技术出发,分别介绍了供热系统分布式输配系统技术,供热系统全网平衡技术,供热系统管网老化、泄漏和堵塞故障诊断技术,以及供热系统可调式喷射泵技术。并辅以大量工程案例及其分析。
3.本书成果总结，依托国家重点研发计划国际合作基于数字孪生的供热系统全网动态优化及低碳智慧调控关键技术研究。撰写视野较为广角。
建筑是社会能源的主要消耗品。在过去10多年中，中国商品房年销售面积呈逐年扩大趋势，全国可供热住宅面积也随之增长，为城市供热行业的发展提供了机遇。这期间，中国供热行业固定资产投资迅速增长，各地供热配套设施逐步完善，供热行业市场规模实现飞速增长，行业发展水平稳步提高。在飞速的发展期后，供热行业固定资产投资已呈下滑趋势，其对行业发展的推动作用逐步减弱。与此同时，中国城市化进程正在加速，科学技术正在广泛应用于供热行业各环节，新的、更加个性化的供热需求不断涌现，这些因素都对供热行业发展产生了重要影响。未来，中国供热行业的主要增长动力会来自智慧供热技术的创新和发展。另外，气候条件日益复杂多变，绿色低碳的发展模式已成为能源领域不可或缺的考量因素。智慧供热作为供热领域对于实现碳达峰、碳中和目标提交的切实可行的技术方案，是供热行业研究绿色低碳路线的一大助力。
十四五期间，城市化进程加快，各地陆续出台了对可再生能源供热、绿色建筑面积的指标，在可再生能源和清洁能源供暖上政策力度更强，从而鼓励了清洁能源供热的发展。国务院、住建部分别印发了《十四五节能减排综合工作方案》《十四五建筑节能与绿色建筑发展规划》等文件，大力推广大型燃煤电厂热电联产改造，推动清洁能源供热，加快设施设备节能改造，开展节能减排理论与技术研究，构建绿色低碳的技术体系与标准体系。根据政策发展规划，未来城市供热机组能耗降低、推广工业余热集中供热、加快供热管网建设改造以及推进清洁能源供热，将是发展重点。
当前，以云计算、大数据、互联网、物联网等为代表的先进的信息化技术在供热行业得到了越来越广泛和深入的应用，越来越多的供热公司配备了供热状态监测系统，供热行业的系统管理水平逐渐提高。然而，传统的人工控制手段已经难以满足当前供热行业发展的需求，仅仅对关键节点的监控和调整，不足以支撑整个供热系统的全面平衡调控。伴随着第四代区域供热系统的提出，越来越多的可再生能源例如太阳能、风能等被使用到供热系统中，面对热源的多元化，传统的人工控制难以达到精准的调控。此外，伴随着城市化的发展，城市供热系统的结构日益复杂。面对日趋复杂的管网，如何对各供热源进行优化配置来达到全网供需平衡，传统的人工控制也是难以实现的。因此，人工智能、机器学习等智能化技术在供热智慧调控方面发挥的巨大潜力使其逐步成为供热行业中新的热点。诸如芬兰、丹麦等欧洲国家的集中供热事业经过多年的发展，逐步形成了智能、高效且低碳的供热模式，在供热智慧调控方面积累了先进经验。相比之下，中国集中供热事业在近几十年来虽然也有快速发展，但与世界先进水平仍有一定差距。因此，数字化、低碳化和智慧化的供热方式已经成为中国供热行业的共同发展愿景。
智慧城市供热系统，须围绕数字李生进行管理建设，仿真模拟技术是关键。基于有力的模拟仿真技术，打破目前信息化技术中大数据的标签化应用现状，以实现城市供热系统之设计、优化调度、平衡调控和故障诊断等功能的实际应用。数字孪生不仅仅是数字化模型的建立和展示，更多的是对管网内部原本不可见的运行状态和运行机理的揭示，基于仿真计算的数字孪生模型是实现城市供热系统智慧化的关键手段。本书作者长期专注于区域供热供冷、建筑能源和城市燃气输配领域，并在多源复杂拓扑管网仿真的全新模型、核心算法、智慧应用等方面取得了创新性研究成果。同时，作者在十三五国家重点研发计划燃气管网安全运行保障集成智能监管平台和既有居住建筑宜居改造及功能提升关键技术项目中被列为骨干成员和任务负责人；自主开发了多热源复杂拓扑的热力管网仿真的全新模型和核心算法，在区域供热、能源网络等领域具备丰富的科研项目经验以及极强的专业把控能力。本书作者基于多年科研经验，从城市供热系统的仿真模拟技术出发，分别介绍了供热系统分布式输配系统技术，供热系统全网平衡技术，供热系统管网老化、泄漏和堵塞故障诊断技术，以及供热系统可调式喷射泵技术，希望可以为从事供热行业的工作人员，以及在校相关专业学生提供一定的理论指导。
本书由王海、杨光撰写而成，感谢科研助理陈沁、罗为、邹斯逸，研究生王凤霞、邢鼎皇、吴有富、乔帆、李硕勋对本书内容的整理协助，感谢国家重点研发计划国际合作基于数字李生的供热系统全网动态优化及低碳智慧调控关键技术研究(2021YFE0116200)对本书的支持。
本书难免存在不足之处。衷心希望读者能够以宽容和建设性的态度对待其中的不完美之处，并愿意与我们分享您的宝贵反馈和意见，以便在未来的研究和写作中不断改进。
王海 同济大学
2023年3月
王海，工学博士，同济大学机械与能源工程学院副教授、博士生导师。长期专注于区域供热供冷、建筑能源和数字孪生技术领域研究，致力于提供综合能源系统的仿真、控制和智能化解决方案。近5年来，主持和负责国家自然科学基金、重点研发计划、国家科技重大专项等国家与省部级项目至少6项。教科研领域，已发表论文80余篇，其中30多篇被SCI、EI收录，已授权发明专利16项。自主研发多源复杂拓扑管网的热力管网仿真的全新模型和核心算法，并在智慧应用等方面取得了创新性研究成果。2019年荣获华夏建设科学技术奖一等奖和地理信息科技进步二等奖，2021年荣获中国房地产业协会科学技术奖二等奖。出版著作《数学建模典型应用案例及理论分析》。
杨光，同济大学热能工程博士研究生，主要研究方向为区域供热、建模理论及数字孪生技术。已发表论文20余篇，其中6篇被SCI、EI收录，已授权发明专利4项。参与国家自然科学基金、重点研发计划、国家科技重大专项等国家与省部级项目至少5项。2018年荣获研究生国家奖学金，2019 年获评同济大学优秀毕业生，2021年荣获 供热工程建设与高效运行研讨会（第七届）会议论文一等奖。
第1章 绪论1
1.1 智慧城市供热系统的背景 ………………………………………………………1
1.2 智慧城市供热系统的关键技术 ………………………………………………3
1.3 智慧城市供热系统的机遇与挑战 ………………………………………………5
1.3.1 现有供热系统发展现状及问题………………………………………5
1.3.2 现有供热系统的治理难点………………………………………………6
1.3.3 现有供热系统监管存在问题……………………………………………6
1.3.4 智慧供热系统的发展目标………………………………………………7
参考文献………………………………………………………………………………7
第2章 智慧供热系统仿真理论基础与应用9
2.1 水力工况 ………………………………………………………………………………9
2.1.1 稳态水力工况 ………………………………………………………………10
2.1.2 动态水力工况 ………………………………………………………………15
2.2 热力工况……………………………………………………………………………18
2.2.1 稳态热力工况 ………………………………………………………………19
2.2.2 动态热力工况 ………………………………………………………………22
2.3 管网求解的方法……………………………………………………………………23
2.3.1 基于图论的方法 ……………………………………………………………23
2.3.2 数值求解的方法 …………………………………………………………27
2.3.3 面向对象的方法 ……………………………………………………………29
2.4 现有仿真软件简介………………………………………………………………35
2.4.1 国外现有仿真软件 …………………………………………………………36
2.4.2 国内现有仿真软件 …………………………………………………………37
参考文献 ……………………………………………………………………………………43
第3章 供热系统分布式输配系统技术及应用45
3.1 问题提出……………………………………………………………………………45
3.2 研究现状………………………………………………………………………………47
3.2.1 分布式输配系统的调控技术 ……………………………………………47
3.2.2 分布式输配系统的智慧运行 ………………………………………………48
3.3 解决方案………………………………………………………………………………50
3.3.1一次热网调频方法 …………………………………………………………50
3.3.2 二次热网智慧运行方法 ……………………………………………………54
3.4 案例验证………………………………………………………………………………58
3.4.1 案例一 …………………………………………………………………………58
3.4.2 案例二 ………………………………………………………………………65
参考文献 ……………………………………………………………………………………72
第4章 供热系统全网平衡技术及应用74
4.1 问题提出……………………………………………………………………………74
4.1.1热网水力失调 …………………………………………………………………74
4.1.2 热网平衡控制 ………………………………………………………………80
4.1.3多热源优化控制 ……………………………………………………………83
4.2 研究现状………………………………………………………………………………83
4.2.1水力失调研究现状 ………………………………………………………83
4.2.2 平衡控制研究现状 ………………………………………………………88
4.2.3 优化控制研究现状 …………………………………………………………90
4.3 解决方案………………………………………………………………………………92
4.3.1 水力平衡改造 ………………………………………………………………92
4.3.2 平衡控制路线 …………………………………………………………………93
4.3.3 优化控制路线 ………………………………………………………………95
4.4 案例验证………………………………………………………………………………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
参考文献…………………………………………………………………………………112
第5章 供热系统智慧诊断技术及应用114
5.1 问题提出 ………………………………………………………………………………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 研究现状 …………………………………………………………………………116
5.2.1 国外管网故障检测研究情况………………………………………………116
5.2.2 国内管网故障检测研究情况………………………………………………123
5.2.3 未来发展趋势……………………………………………………………125
5.3 解决方案 …………………………………………………………………………126
5.3.1 管道老化故障诊断………………………………………………………126
5.3.2 管道泄漏故障诊断…………………………………………………………129
5.3.3 管道堵塞故障诊断…………………………………………………………130
5.4 案例分析 ………………………………………………………………………132
5.4.1 管网故障水力对称性………………………………………………………132
5.4.2 供热管网中管段粗糙度辨识………………………………………………146
5.4.3 供热管网中管道泄漏辨识…………………………………………………159
5.4.4 供热管网中管道堵塞辨识…………………………………………………164
参考文献…………………………………………………………………………………167
第6章 供热系统喷射泵技术及应用171
6.1 问题提出 ………………………………………………………………………………171
6.2 研究现状 …………………………………………………………………………172
6.2.1喷射泵技术研究现状……………………………………………………172
6.2.2 喷射泵技术在供热领域的应用现状……………………………………173
6.3 解决方案 …………………………………………………………………………175
6.3.1喷射泵结构、原理及尺寸设计 ……………………………………………175
6.3.2 喷射泵运行特性模拟……………………………………………………182
6.3.3可调节喷射泵系数辨识……………………………………………………188
6.4 案例分析 …………………………………………………………………………192
6.4.1喷射泵在供热系统中的应用场景………………………………………192
6.4.2 喷射泵供热系统节能性分析………………………………………………195
参考文献 …………………………………………………………………………………199
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