0 引言

區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)是由能源站集中制備空調(diào)冷熱水，并通過(guò)輸配管網(wǎng)進(jìn)行供給，以滿足區(qū)域內(nèi)建筑物冷熱量需求的系統(tǒng)。近年來(lái)隨著城市中心商業(yè)區(qū)、大型交通樞紐等建筑群的涌現(xiàn)，區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)的規(guī)模大、輸配距離長(zhǎng)、系統(tǒng)復(fù)雜，管網(wǎng)的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜多變，且管網(wǎng)的初投資、系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)比一般系統(tǒng)更高，其經(jīng)濟(jì)性分析就更為重要，因此有必要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

影響管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的因素很多，主要包括管網(wǎng)的布置、管徑的選取及管網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)的取值等，管網(wǎng)的布置及設(shè)計(jì)參數(shù)的取值主要根據(jù)平面布局及系統(tǒng)需求確定，而管徑的合理選取對(duì)于設(shè)計(jì)人員則較為困難。工程設(shè)計(jì)中常采用經(jīng)濟(jì)比摩阻法確定管徑，即根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]給出的主干線經(jīng)濟(jì)比摩阻范圍和各管段的計(jì)算流量，確定主干管管徑。由于經(jīng)濟(jì)比摩阻范圍與能源、材料價(jià)格密切相關(guān)，隨著能源和材料價(jià)格的變化，既有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的比摩阻數(shù)據(jù)在當(dāng)前情況下不一定仍然“經(jīng)濟(jì)”。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)的管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些相關(guān)研究。劉金平等人建立了區(qū)域供冷管網(wǎng)年度費(fèi)用的多變量數(shù)學(xué)模型，通過(guò)實(shí)例計(jì)算發(fā)現(xiàn)不同管段的經(jīng)濟(jì)比摩阻各不相同且相差很大，并提出不宜按等比摩阻進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]，但該方法計(jì)算量大，推廣有難度。閔曉丹等人提出在確定經(jīng)濟(jì)比摩阻時(shí)應(yīng)考慮所選擇的管段在整個(gè)管網(wǎng)中的位置，并建立了最不利環(huán)路年折算費(fèi)用和管徑的函數(shù)關(guān)系，采用微分法分段求解了各管段的優(yōu)化管徑[4]，該方法實(shí)際操作性較強(qiáng)，但其優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是最不利環(huán)路年折算費(fèi)用，未考慮支路管段的初投資、維修費(fèi)用及冷熱損失費(fèi)用等對(duì)管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的影響，不能完全反映全管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性情況。

因此，本文針對(duì)區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)提出一種結(jié)合管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的枝狀管網(wǎng)管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以全管網(wǎng)(主干線+支路)壽命周期費(fèi)用年值作為目標(biāo)函數(shù)，而非最不利環(huán)路的費(fèi)用年值，建立管網(wǎng)費(fèi)用年值與各管段管徑的函數(shù)關(guān)系，編制管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)程序進(jìn)行求解，并與傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)法進(jìn)行對(duì)比，為管網(wǎng)整體優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是基于投資與運(yùn)行費(fèi)用之和的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，因此本文采用全壽命周期管網(wǎng)費(fèi)用年值作為管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。管網(wǎng)費(fèi)用年值考慮了管網(wǎng)初投資和運(yùn)行費(fèi)用，其中管網(wǎng)初投資包括管道的初投資和循環(huán)水泵的初投資，運(yùn)行費(fèi)用包括水泵運(yùn)行電費(fèi)、維修費(fèi)用、管道冷熱損失費(fèi)用和水泵溫升費(fèi)用。

在管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)參數(shù)已知的情況下，管徑減小，管道的初投資、管道冷熱損失費(fèi)用和管道維修費(fèi)用就會(huì)減少，但管網(wǎng)的阻力損失會(huì)增大，水泵的初投資、水泵運(yùn)行費(fèi)用和水泵維修費(fèi)用就會(huì)增加，二者是相互制約的關(guān)系，因此一定存在一組最優(yōu)管徑，使得全管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性最佳。

其中需要特別注意的是，水泵初投資、水泵運(yùn)行維修費(fèi)用和水泵溫升損失費(fèi)用僅與最不利環(huán)路管段和系統(tǒng)總流量有關(guān)，而管道初投資、管道冷熱損失費(fèi)用和管道維修費(fèi)用與最不利環(huán)路和其他分支環(huán)路管段均有關(guān)，故管網(wǎng)費(fèi)用年值可表示為

(1)

Fg(i)=Xt[Cpi(i)+Cpu(i)]+Cr(i)+

CΔQ,s(i)+CΔQ,pu(i)+Cω(i)

(2)

Fz(k)=XtCpi(k)+CΔQ,s(k)+Cω(k)

(3)

式(1)～(3)中F、Fg(i)、Fz(k)分別為全管網(wǎng)、最不利環(huán)路管段i、其他分支環(huán)路管段k的費(fèi)用年值，元/a；n、m分別為最不利環(huán)路、其他分支環(huán)路管段數(shù)；Xt為等額分付資金回收系數(shù)，Xt=i0(1+i0)n0/[(1+i0)n0-1]，其中i0為利率，n0為方案壽命年限；Cpi(i)、Cpu(i)分別為管段i的管道初投資、水泵初投資，元；Cr(i)、CΔQ,s(i)、CΔQ,pu(i)、Cω(i)分別為管段i對(duì)應(yīng)的水泵運(yùn)行費(fèi)用、管道冷熱損失費(fèi)用、水泵溫升損失費(fèi)用、維修費(fèi)用，元/a；Cpi(k)為管段k的管道初投資，元；CΔQ,s(k)、Cω(k)分別為管段k的管道冷熱損失費(fèi)用、維修費(fèi)用，元/a。

1.2 管道初投資

直埋敷設(shè)是管網(wǎng)常用的敷設(shè)方式之一，本文以直埋敷設(shè)為例進(jìn)行分析。管道初投資包括管道、保溫材料、保護(hù)材料和安裝工程等費(fèi)用，單位長(zhǎng)度管道的綜合造價(jià)可近似表示為管徑的線性函數(shù)，一般根據(jù)實(shí)際工程的造價(jià)擬合而成：

Cpi(i)=f(di)li=(a0di+b0)li

(4)

式中f(di)為管段i的單位長(zhǎng)度管道投資，元/m；di為管段i的管徑，m；li為管段i的管道(供、回水管)長(zhǎng)度，m；a0、b0為擬合系數(shù)。

1.3 水泵初投資

考慮管道的沿程阻力和局部阻力損失，管段i管道的阻力損失可表達(dá)為

(5)

(6)

式(5)、(6)中H(i)為管段i管道的阻力損失，m；ld,i為管段i的局部阻力當(dāng)量長(zhǎng)度，m；G(i)為管段i的設(shè)計(jì)流量，m3/h；ζi為管段i的局部阻力系數(shù)；λi為管段i的摩擦阻力系數(shù)，λi=0.11(Km/di)0.25，其中Km為管壁當(dāng)量絕對(duì)粗糙度，室外管網(wǎng)取0.000 5 m[5]。

本文考慮采用定末端壓差的情況，因此可以認(rèn)為末端的阻力損失在一個(gè)已知系統(tǒng)中是一個(gè)常數(shù)[4]，管段i對(duì)應(yīng)的水泵設(shè)計(jì)功率計(jì)算公式如下：

(7)

式中Wpu(i)為管段i對(duì)應(yīng)的水泵設(shè)計(jì)功率，kW；Wpu,l(i)為管段i管道阻力損失引起的水泵設(shè)計(jì)功率，kW；Wpu，0(i)為管段i分?jǐn)偟哪┒俗枇p失引起的水泵設(shè)計(jì)功率，kW；G為系統(tǒng)設(shè)計(jì)總流量，m3/h；η為水泵效率；H0為末端的阻力損失，m；l為主干線(供、回水管)總長(zhǎng)度，m。

水泵初投資可以近似看作設(shè)計(jì)功率的線性函數(shù)，根據(jù)廠家提供的價(jià)格進(jìn)行擬合。由于區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)管網(wǎng)中冷熱水泵分開(kāi)設(shè)置，因此管段i對(duì)應(yīng)的水泵初投資計(jì)算公式為

Cpu(i)=μ[a1Wpu(i)+b1]=μ{a1[Wpu,c(i)+Wpu,h(i)]+2b1}

(8)

式中μ為水泵的投資系數(shù)，指運(yùn)輸安裝費(fèi)用部分；a1、b1為水泵價(jià)格擬合系數(shù)；Wpu,c(i)、Wpu,h(i)分別為供冷、供熱季管段i的水泵設(shè)計(jì)功率，kW。

1.4 水泵運(yùn)行費(fèi)用

區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)多采用變頻水泵，變頻水泵功率計(jì)算公式為

Wpu(i,j)=Wpu,l(i,j)+Wpu,0(i,j)=α(j)3Wpu,l(i)+α(j)Wpu,0(i)

(9)

式中Wpu(i,j)為j時(shí)刻管段i對(duì)應(yīng)的水泵實(shí)時(shí)功率，kW；Wpu,l(i,j)為j時(shí)刻管段i的管道阻力對(duì)應(yīng)的水泵實(shí)時(shí)功率，kW；Wpu,0(i,j)為j時(shí)刻管段i分?jǐn)偟哪┒俗枇σ鸬乃脤?shí)時(shí)功率，kW；α(j)為j時(shí)刻負(fù)荷率(流量比)，在供回水溫差不變的情況下有α(j)=G(j)/G=Q(j)/Q，其中G(j)為j時(shí)刻的系統(tǒng)實(shí)時(shí)總流量，m3/h，Q(j)為j時(shí)刻的系統(tǒng)實(shí)時(shí)總負(fù)荷，kW，Q為系統(tǒng)設(shè)計(jì)總負(fù)荷，kW。

管段i的全年水泵運(yùn)行能耗Epu(i)為管段i全年逐時(shí)運(yùn)行能耗之和。夏季供冷、冬季供熱的管網(wǎng)管段i全年的水泵運(yùn)行費(fèi)為

(10)

1.5 管道冷熱損失費(fèi)用

區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)能源形式豐富多樣，本文以供冷時(shí)用電作為能源、供熱時(shí)用天然氣作為能源的情況為例，管段i在全年、供冷季、供熱季與外界熱傳遞的冷熱損失費(fèi)用分別為

CΔQ,s(i)=CΔQ,s,c(i)+CΔQ,s,h(i)

(11)

(12)

(13)

式(11)～(13)中CΔQ,s,c(i)、CΔQ,s,h(i)分別為管段i管道的供冷季、供熱季冷熱損失費(fèi)用，元/a；ΔQs,c(i)、ΔQs,h(i)分別為管段i供冷、供熱季管網(wǎng)熱傳遞的冷、熱量，kW·h/a；COP為冷水機(jī)組的性能系數(shù)；K為管網(wǎng)的平均傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；tp,c、tp,h分別為供冷、供熱季循環(huán)水的平均溫度，℃；t0,c、t0,h分別為供冷、供熱季管網(wǎng)周圍介質(zhì)的平均溫度，℃；β為管道附件、閥門(mén)、補(bǔ)償器、支座等部件的散熱損失附加系數(shù)；cg為天然氣價(jià)格，元/m3；ηb為鍋爐效率。

1.6 水泵溫升損失費(fèi)用

在計(jì)算管網(wǎng)熱損失時(shí)，還應(yīng)考慮水泵溫升產(chǎn)生的影響。水泵運(yùn)行產(chǎn)生的熱量約等于水泵的軸功率，該熱量在供冷季起到消極作用，供熱季起到積極作用[6]，管段i對(duì)應(yīng)的全年、供冷季、供熱季水泵溫升損失費(fèi)用計(jì)算公式分別如下：

CΔQ,pu(i)=CΔQ,pu,c(i)-CΔQ,pu,h(i)

(14)

(15)

(16)

式(14)～(16)中CΔQ,pu,c(i)、CΔQ,pu,h(i)分別為管段i對(duì)應(yīng)的供冷、供熱季水泵溫升損失費(fèi)用，元/a；ΔQpu,c(i)、ΔQpu,h(i)分別為管段i對(duì)應(yīng)的水泵溫升冷、熱損失量，kW·h/a。

1.7 維修費(fèi)用

管網(wǎng)維修費(fèi)用一般按工程造價(jià)的百分率進(jìn)行估算，管段i年維修費(fèi)用可表示為

Cω(i)=ω[Cpi(i)+Cpu(i)]

(17)

式中ω為維修費(fèi)率。

2 求解方法及程序

2.1 求解方法

2.1.1選取最不利環(huán)路及其各管段管徑初算

我國(guó)的大部分國(guó)有電力企業(yè)均具有較為龐大的機(jī)制，從而導(dǎo)致在開(kāi)展組織管理的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)由于組織龐大而導(dǎo)致組織的管理精細(xì)化缺失問(wèn)題，且許多企業(yè)均未能建立有效的高效管理體系。不同于其他工程類型，電力工程的質(zhì)量問(wèn)題將嚴(yán)重影響工程的安全性，甚至將存在一定的安全隱患，為國(guó)家和人民均帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。在實(shí)際施工的過(guò)程中，許多施工企業(yè)由于缺乏高效的管理體系，導(dǎo)致部分施工人員的施工行為未能得到有效的規(guī)范，導(dǎo)致工程內(nèi)存在許多安全風(fēng)險(xiǎn)，影響了施工管理質(zhì)量。

工程上通常選擇機(jī)房到最遠(yuǎn)用戶的管線為最不利環(huán)路。

根據(jù)上述公式，對(duì)于一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)已知的管網(wǎng)，其費(fèi)用年值可以表示為最不利環(huán)路管徑di、其他分支環(huán)路管徑dk的多變量函數(shù)。由于支路管段管徑的選擇很大程度上受到環(huán)路資用壓力的制約，也就是受到最不利環(huán)路管徑的影響，因此本文將最不利環(huán)路費(fèi)用年值中的管道初投資、管道冷熱損失和管道維修費(fèi)用乘以支路修正系數(shù)αz(該系數(shù)在設(shè)計(jì)初期無(wú)法準(zhǔn)確獲得，可以先假設(shè)一個(gè)大于等于1的初值，再進(jìn)行不斷迭代修正，找到能反映當(dāng)前管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的修正系數(shù))來(lái)反映全管網(wǎng)的費(fèi)用構(gòu)成。這種情況下，對(duì)于一個(gè)具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)已知的管網(wǎng)而言，管網(wǎng)費(fèi)用年值就可以看作管徑的單變量函數(shù)，管網(wǎng)費(fèi)用年值可以表示為

C(i)=Xt[αzCpi(i)+Cpu(i)]+Cr(i)+αzCΔQ，s(i)+CΔQ,pu(i)+αzCω(i)

(18)

令?C(i)/?di=0，得到在假定支路修正系數(shù)αz下C(i)最小時(shí)對(duì)應(yīng)的管段i的管徑計(jì)算公式：

(19)

式中αc(j)、αh(j)分別為j時(shí)刻供冷、供熱負(fù)荷率(流量比)；Gc、Gh分別為供冷、供熱季系統(tǒng)設(shè)計(jì)總流量，m3/h；Gc(i)、Gh(i)分別為管段i供冷、供熱季設(shè)計(jì)流量，m3/h。

工程上通常按標(biāo)準(zhǔn)管徑系列設(shè)計(jì)水管，因此需將求解得到的管徑圓整到最接近的標(biāo)準(zhǔn)管徑；管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流速上限按3.5 m/s控制[7]。

2.1.2其他分支環(huán)路各管段管徑初算

首先計(jì)算其他分支環(huán)路各管段滿足最大流速約束條件的最小管徑，再計(jì)算各個(gè)分支環(huán)路阻力，并與最不利環(huán)路阻力對(duì)比，若其他分支環(huán)路阻力大于最不利環(huán)路阻力，則將其他分支環(huán)路中壓降最大的管段管徑放大一號(hào)，循環(huán)上述過(guò)程，直至其他分支環(huán)路阻力小于最不利環(huán)路阻力，得到優(yōu)化后的其他分支環(huán)路管段管徑。

2.1.3管網(wǎng)費(fèi)用年值計(jì)算

將求解得到的最不利環(huán)路和其他分支環(huán)路各管段管徑代入式(1)～(3)，計(jì)算該組管徑下真實(shí)管網(wǎng)的費(fèi)用年值。

2.1.4迭代尋優(yōu)

改變支路修正系數(shù)，重復(fù)以上步驟，得到一組管網(wǎng)費(fèi)用年值。當(dāng)費(fèi)用年值最小時(shí)，其對(duì)應(yīng)的管徑組合即為管網(wǎng)的優(yōu)化管徑組合。

2.2 求解程序

根據(jù)求解思路，在MATLAB軟件環(huán)境中編制相應(yīng)的管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，設(shè)計(jì)人員只需要輸入管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性參數(shù)，即可得到管網(wǎng)的優(yōu)化管徑組合，管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的求解框圖如圖1所示。

圖1 管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)程序求解框圖

3 案例分析

3.1 工程概況

本文采用優(yōu)化算法對(duì)某區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)的冷熱源機(jī)房出口至各地塊換熱機(jī)房的管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示(其中管段1～7為最不利環(huán)路管段)。該系統(tǒng)供冷季空調(diào)冷水供/回水溫度為5.5 ℃/13.0 ℃，供冷時(shí)間為5月1日至9月30日；供熱季空調(diào)熱水供/回水溫度為60 ℃/50 ℃，供熱時(shí)間為11月1日至次年2月28日。采用EnergyPlus軟件對(duì)區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)服務(wù)的建筑進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬，結(jié)果如圖3所示。

注：1～23為管段編號(hào)。圖2 某區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 供冷、供熱季冷熱負(fù)荷

3.2 參數(shù)取值

通過(guò)對(duì)設(shè)備、材料的市場(chǎng)價(jià)格和實(shí)際工程造價(jià)調(diào)研，結(jié)合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[8]，確定本案例優(yōu)化模型中各參數(shù)取值，如表1所示。

表1 優(yōu)化模型各參數(shù)取值

3.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

3.3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果分析

利用MATLAB編制的區(qū)域供冷供熱管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)程序?qū)υ摴芫W(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果如表2、圖4所示。

表2 各項(xiàng)費(fèi)用優(yōu)化結(jié)果 萬(wàn)元

圖4 優(yōu)化結(jié)果各項(xiàng)費(fèi)用占比

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果可知：管道的初投資是管網(wǎng)系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)最主要的費(fèi)用，占比高達(dá)33.98%；其次是水泵的運(yùn)行費(fèi)用，占33.17%。二者是相互制約、此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，可見(jiàn)管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中最為重要的就是投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用的權(quán)衡。

3.3.2優(yōu)化算法與傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)法結(jié)果對(duì)比

工程上傳統(tǒng)采用推薦比摩阻法進(jìn)行管徑設(shè)計(jì)，現(xiàn)采用傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)法對(duì)本文案例進(jìn)行計(jì)算，并與優(yōu)化算法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)給出了管網(wǎng)主干線的不同推薦比摩阻范圍，CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]推薦的比摩阻為60～100 Pa/m，《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施 暖通空調(diào)·動(dòng)力》[2](以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)措施》)給出了不同規(guī)模管網(wǎng)的推薦比摩阻，本文傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)法采用《技術(shù)措施》的推薦值，即50～80 Pa/m進(jìn)行計(jì)算。優(yōu)化算法和傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)法的計(jì)算結(jié)果如表3、圖5所示。

表3 2種設(shè)計(jì)方法的管徑計(jì)算結(jié)果

圖5 2種設(shè)計(jì)方法各項(xiàng)費(fèi)用對(duì)比

根據(jù)管徑計(jì)算結(jié)果可知，采用該固定的經(jīng)濟(jì)比摩阻范圍作為主干線平均比摩阻計(jì)算管網(wǎng)管徑時(shí)，主干線的管徑明顯偏大，可見(jiàn)《技術(shù)措施》推薦的主干線比摩阻范圍在本案例中并不“經(jīng)濟(jì)”。不同的區(qū)域供冷供熱項(xiàng)目的敷設(shè)方式、輻射半徑、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及年供能時(shí)間等差異較大，材料、能源的價(jià)格隨建設(shè)時(shí)期存在變動(dòng)，不同的項(xiàng)目很難有統(tǒng)一的經(jīng)濟(jì)比摩阻。設(shè)計(jì)人員參照現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的推薦比摩阻范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)，管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性難以得到保證。

在本案例的輸入條件下，傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)法計(jì)算的主干線管徑偏大，導(dǎo)致其他分支環(huán)路的資用壓頭偏小，各支管的管徑相應(yīng)放大，整個(gè)管網(wǎng)的管道初投資、冷熱損失和維修費(fèi)用都有較大增量。而采用優(yōu)化程序計(jì)算出的主干管管徑大多小于傳統(tǒng)法確定的管徑，主干線管道費(fèi)用有所減少，水泵費(fèi)用有所增加，就最不利環(huán)路而言不是經(jīng)濟(jì)最優(yōu)，但為其他分支環(huán)路提供了更大的資用壓頭，支路管段可以選擇更小的管徑，從而減少了支路的管道初投資、冷熱損失和維修費(fèi)用，全管網(wǎng)的費(fèi)用年值(初投資+運(yùn)行費(fèi))得到了有效降低。

從各項(xiàng)費(fèi)用上來(lái)看也可以很好地驗(yàn)證上述內(nèi)容，優(yōu)化算法因?yàn)楦玫仄胶饬溯斉涔芫W(wǎng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)之間的關(guān)系，減小了部分管道的規(guī)格，管道初投資有較大幅度的降低，其年費(fèi)用減少了15.55萬(wàn)元，較傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)法降低了28.77%，而冷熱損失和維修費(fèi)用的節(jié)省量抵消了大部分水泵的初投資年費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用的增量，因此總的管網(wǎng)費(fèi)用年值降低，比傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)法減少了11.74萬(wàn)元，全壽命周期費(fèi)用降幅達(dá)到7.38%，管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性有明顯提高。

4 結(jié)論

1) 區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)復(fù)雜多變，各項(xiàng)目的規(guī)模、負(fù)荷特性、敷設(shè)方式等差異性較大，很難確定適用于所有項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)比摩阻推薦值。本文提出了一種區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)枝狀管網(wǎng)管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以全管網(wǎng)全壽命周期費(fèi)用年值最低為優(yōu)化目標(biāo)，考慮了不同能源形式下的冷熱價(jià)、管網(wǎng)各管段局部阻力構(gòu)件的差異及全年部分負(fù)荷運(yùn)行下變頻水泵的能耗費(fèi)用，能夠更好地應(yīng)用于供能形式多變、管網(wǎng)復(fù)雜、部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)。

2) 優(yōu)化算法能更好地平衡管網(wǎng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)，綜合優(yōu)化最不利環(huán)路和其他分支環(huán)路，提高管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性?；诒疚陌咐妮斎霔l件，優(yōu)化算法得到的管徑較傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)法有所縮小，管道初投資費(fèi)用降低28.77%，而水泵的初投資年費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用的增量?jī)H大致與冷熱損失和維修費(fèi)用的節(jié)省量相等，全壽命周期費(fèi)用降幅達(dá)到7.38%，具有明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

3) 本文在MATLAB環(huán)境下編制了管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，設(shè)計(jì)人員可以結(jié)合工程實(shí)際情況，輸入管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)及經(jīng)濟(jì)參數(shù)，即可得到管網(wǎng)的優(yōu)化管徑組合及各項(xiàng)費(fèi)用情況，能夠降低區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)枝狀管網(wǎng)管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)難度，在精細(xì)化設(shè)計(jì)的前提下減少設(shè)計(jì)工作量，有利于建設(shè)高質(zhì)量的區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)。