CN111882369B - 一种基于㶲经济的供暖直埋热力管道最优保温厚度的获取方法 - Google Patents

一种基于㶲经济的供暖直埋热力管道最优保温厚度的获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于
Figure DDA0002627510660000011
经济的供暖直埋热力管道最优保温厚度的获取方法，首先针对供暖直埋热力管道计算整个供暖季内管道的年热损失；其次计算管道热损失引起的
Figure DDA0002627510660000012
损失、单位质量燃料提供的
Figure DDA0002627510660000013
、单位质量燃料的烟气
Figure DDA0002627510660000014
损失，进而获得整个供暖季内燃料的消耗量；然后根据整个供暖季内燃料的消耗量得到燃料的年费用，并根据所述燃料的年费用和保温材料的年折算费用计算得到年总费用；再以年总费用最小为目标建立关于求解管道最优保温厚度的数学模型，通过求解所建立的数学模型得到最优
Figure DDA0002627510660000015
经济保温厚度。该方法基于
Figure DDA0002627510660000016
经济对供暖直埋双管的保温厚度进行了优化，解决了节能与省钱之间的矛盾。

Description

一种基于㶲经济的供暖直埋热力管道最优保温厚度的获取方法
技术领域
本发明涉及供热工程技术领域，尤其涉及一种基于经济的供暖直埋热力管道最优保温厚度的获取方法。
背景技术
Figure BDA0002627510640000012
定义为系统在特定环境温度下的最大可用功。
Figure BDA0002627510640000013
分析结合了热力学的第一、二定律，以提高能量系统的效率为目的，这无疑比单纯的热力学第一定律的能量分析法更进了一步，从热力学的角度看，热量
Figure BDA00026275106400000120
电能
Figure BDA00026275106400000121
热力学能
Figure BDA0002627510640000016
以及化学
Figure BDA0002627510640000017
等，都是等价的；但是从工程的角度看，它们并不是等价的。例如对于1kJ煤的化学
Figure BDA0002627510640000018
和1kJ的电能
Figure BDA00026275106400000122
它们的
Figure BDA00026275106400000110
值相同，但是在实际工程中，它们各自的经济费用却并不相同。因此在进行
Figure BDA00026275106400000111
分析和优化时，需要考虑经济问题，即将
Figure BDA00026275106400000112
分析与经济学分析相结合，称为
Figure BDA00026275106400000113
经济学，以解决节能与省钱的矛盾。
现有技术中存在基于经济对供暖架空单管进行保温厚度优化，但这些方案存在一些不足：第一，集中研究了架空管道的保温厚度，对直埋管道的研究很少；第二，在进行管道热损失计算时，仅仅计算的是单管的热损失，并没有计算双管的热损失，更没有考虑管道之间温度的相互作用；第三，在计算过程中使用的是系统的设计参数，并没有考虑这些参数在供暖季中是不断变化的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于
Figure BDA00026275106400000114
经济的供暖直埋热力管道最优保温厚度的获取方法，该方法基于
Figure BDA00026275106400000115
经济对供暖直埋双管的保温厚度进行了优化，解决了节能与省钱之间的矛盾。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于
Figure BDA00026275106400000116
经济的供暖直埋热力管道最优保温厚度的获取方法，所述方法包括：
步骤1、针对供暖直埋热力管道计算整个供暖季内管道的年热损失；
步骤2、根据整个供暖季内管道的年热损失，计算得到管道热损失引起的
Figure BDA00026275106400000117
损失、单位质量燃料提供的
Figure BDA00026275106400000123
单位质量燃料的烟气
Figure BDA00026275106400000119
损失，进而获得整个供暖季内燃料的消耗量；
步骤3、然后根据整个供暖季内燃料的消耗量得到燃料的年费用，并根据所述燃料的年费用和保温材料的年折算费用计算得到年总费用；
步骤4、再以年总费用最小为目标建立关于求解管道最优保温厚度的数学模型，通过求解所建立的数学模型得到最优
Figure BDA0002627510640000021
经济保温厚度。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法基于系统的运行供热参数计算了供暖直埋双管的热损失，并考虑到供、回水管道之间温度的相互作用，基于
Figure BDA0002627510640000022
经济对供暖直埋双管的保温厚度进行了优化，解决了节能与省钱之间的矛盾。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的基于经济的供暖直埋热力管道最优保温厚度的获取方法流程示意图；
图2为本发明实施例所述供暖直埋热力管道的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的基于
Figure BDA0002627510640000023
经济的供暖直埋热力管道最优保温厚度的获取方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、针对供暖直埋热力管道计算整个供暖季内管道的年热损失；
在该步骤中，整个供暖季内管道的年热损失计算过程具体为：
首先计算保温材料热阻、土壤热阻以及管道之间的附加热阻，需要说明的是，附加热阻是供、回水管之间温度相互作用的结果；
假设供暖直埋供、回水管的保温厚度相同，则保温材料热阻Rins(m·℃/W)由下式计算得到：
Figure BDA0002627510640000031
其中，λins为保温材料的导热系数(W/(m·℃))；d为管道的外径(m)；x为保温材料的厚度(m)；
土壤热阻Rsoil(m·℃/W)由下式计算得到：
Figure BDA0002627510640000032
其中，λsoil为土壤的导热系数(W/(m·℃))；h为管道的埋深(m)；
管道之间的附加热阻Rc(m·℃/W)由下式计算得到：
Figure BDA0002627510640000033
其中，b为供暖直埋供、回水管道中心线之间的距离(m)；
如图2所示为本发明实施例所述供暖直埋热力管道的示意图，图2中包括集中供暖系统的供水管(左)和回水管(右)，供暖管道直埋铺设在地下，供暖管道使用钢管，热水用作热媒，供水管与回水管采用相同的保温厚度，分别计算供暖直埋供水管的热损失和回水管的热损失，其中：
单位长度供水管的热损失Qs(W/m)由下式计算得到：
Figure BDA0002627510640000034
其中，ts为供水温度(℃)；tsoil为土壤温度(℃)；tr为回水温度(℃)；
单位长度回水管的热损失Qr(W/m)由下式计算得到：
Figure BDA0002627510640000035
由此，单位长度供暖直埋热力管道的热损失Qt(W/m)由下式计算得到：
Figure BDA0002627510640000036
在供暖季内，供水温度和回水温度是随着热需求而不断变化的，土壤温度也会随着室外气象参数的变化而变化，因此在计算供暖季内管道的年热损失时需要计算每个小时的热损失Qt，最后再将每小时热损失累加，即可得到整个供暖季内管道的年热损失，具体来说：
假设在一小时内的供水温度、回水温度以及土壤温度保持不变，则结合公式(1)、(2)、(3)和(6)得到整个供暖季内管道的年热损失Qloss(kJ/(m·year))表示为：
Figure BDA0002627510640000041
其中，k为总供暖小时数(h)；ts(τ)为第τ个小时的供水温度(℃)；tr(τ)为第τ个小时的回水温度(℃)；tsoil(τ)为第τ个小时的土壤温度(℃)。
步骤2、根据整个供暖季内管道的年热损失，计算得到管道热损失引起的
Figure BDA0002627510640000044
损失、单位质量燃料提供的
Figure BDA00026275106400000410
单位质量燃料的烟气
Figure BDA0002627510640000046
损失，进而获得整个供暖季内燃料的消耗量；
在该步骤中，管道热损失引起的
Figure BDA0002627510640000047
损失Exloss,Q(τ)(kJ/m)由下式计算得到：
Figure BDA0002627510640000042
其中，Qloss为整个供暖季内管道的年热损失；To(τ)为第τ个小时的室外温度(K)；Ts(τ)为第τ个小时的供水温度(K)；Tr(τ)为第τ个小时的回水温度(K)；
单位质量燃料提供的
Figure BDA0002627510640000048
Exf(τ)(kJ/kg)由下式计算得到：
Figure BDA0002627510640000043
其中，Qf为燃料释放的有效热量(kJ/kg)，当进口温度为10℃，出口温度为130℃时，煤的Qf取18242.8kJ/kg；Tc为燃烧室的温度(K)；
单位质量燃料的烟气
Figure BDA0002627510640000049
损失Exloss,S(τ)(kJ/kg)由下式计算得到：
Exloss,S(τ)＝To(τ)[(∑njsj)outlet-(∑njsj)inlet] (10)
其中，nj为燃烧方程中j组分的摩尔数(mol)；sj为燃烧方程中j组分的熵(kJ/(kg·K))；outlet为燃烧后的状态；inlet为燃烧前的状态；
假设一小时内的管道热损失和
Figure BDA0002627510640000055
损失保持不变，则由公式(8)、(9)和(10)得到整个供暖季内燃料的消耗量mf(kg/(m·year))表示为：
Figure BDA0002627510640000051
其中，k为总供暖小时数(h)。
步骤3、然后根据整个供暖季内燃料的消耗量得到燃料的年费用，并根据所述燃料的年费用和保温材料的年折算费用计算得到年总费用；
在该步骤中，保温材料的年折算费用Cins(￥/(m·year))由下式计算得到：
Figure BDA0002627510640000052
其中，cins为保温材料的价格(￥/m3)；n为保温材料的使用年限(year)；I为利率(％)；d为管道的外径(m)；x为保温材料的厚度(m)；
燃料的年费用Cf(￥/(m·year))由下式计算得到：
Cf＝mfcf (13)
其中，cf为燃料的价格(￥/kg)；mf为整个供暖季内燃料的消耗量；
则由公式(12)和(13)得到年总费用Ct(￥/(m·year))表示为：
Ct＝Cins+Cf (14)。
步骤4、再以年总费用最小为目标建立关于求解管道最优保温厚度的数学模型，通过求解所建立的数学模型得到最优
Figure BDA0002627510640000056
经济保温厚度。
在该步骤中，所建立的关于求解管道最优保温厚度的数学模型表示为：
Figure BDA0002627510640000053
其中，Ct为年总费用；x为保温材料的厚度；
当
Figure BDA0002627510640000054
时，即可获得最优
Figure BDA0002627510640000057
经济保温厚度。
上述数学模型的求解过程是利用fsolve函数在MATLAB中进行，具体过程为：
(1)设定自变量保温材料厚度x的寻优范围[xmin,xmax]，自变量间隔△x，以及计算中需要的数据；
(2)设定x1＝xmin，x2＝xmin+△x；
(3)利用零点定理求模糊解，设定循环条件
Figure BDA0002627510640000063
若满足循环条件，则将x1存储于模糊解数组x3中，并进入(4)；若不满足循环条件，则进入(5)；
(4)设定循环条件x2<xmax，若满足循环条件，则设定x1＝x1+△x，x2＝x2+△x，返回(3)；若不满足循环条件，则进入(5)；
(5)用fsolve函数求取x3数组中的精确解，fsolve是MATLAB的一条函数，它采用最小二乘法求解非线性方程组。
下面以具体的实例对上述管道最优保温厚度获取方法进行详细说明，本实例以北京的直埋供暖管道为例，选用煤作为供暖系统的燃料，选用泡沫橡塑作为管道的保温材料，表1列出了在计算过程中所使用的数据：
表1
Figure BDA0002627510640000061
按照上述方法实施例的各步骤进行操作，最终在MATLAB中使用fsolve函数求解所建立的数学模型，设定自变量保温厚度x的寻优范围为[0,0.5]，以及自变量的间隔△x＝0.0005，最终求得最优
Figure BDA0002627510640000062
经济保温厚度为0.047m。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于
Figure FDA0003850292530000014
经济的供暖直埋热力管道最优保温厚度的获取方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、针对供暖直埋热力管道计算整个供暖季内管道的年热损失；
步骤2、根据整个供暖季内管道的年热损失，计算得到管道热损失引起的
Figure FDA0003850292530000015
损失、单位质量燃料提供的
Figure FDA00038502925300000112
单位质量燃料的烟气
Figure FDA0003850292530000017
损失，进而获得整个供暖季内燃料的消耗量；
其中，管道热损失引起的
Figure FDA0003850292530000018
损失Exloss,Q(τ)由下式计算得到：
Figure FDA0003850292530000011
其中，Qloss为整个供暖季内管道的年热损失；To(τ)为第τ个小时的室外温度；Ts(τ)为第τ个小时的供水温度；Tr(τ)为第τ个小时的回水温度；
单位质量燃料提供的
Figure FDA0003850292530000019
Exf(τ)由下式计算得到：
Figure FDA0003850292530000012
其中，Qf为燃料释放的有效热量；Tc为燃烧室的温度；
单位质量燃料的烟气
Figure FDA00038502925300000110
损失Exloss,S(τ)由下式计算得到：
Exloss,S(τ)＝To(τ)[(∑njsj)outlet-(∑njsj)inlet] (10)
其中，nj为燃烧方程中j组分的摩尔数；sj为燃烧方程中j组分的熵；outlet为燃烧后的状态；inlet为燃烧前的状态；
假设一小时内的管道热损失和
Figure FDA00038502925300000111
损失保持不变，则由公式(8)、(9)和(10)得到整个供暖季内燃料的消耗量mf表示为：
Figure FDA0003850292530000013
其中，k为总供暖小时数；
步骤3、然后根据整个供暖季内燃料的消耗量得到燃料的年费用，并根据所述燃料的年费用和保温材料的年折算费用计算得到年总费用；
其中，保温材料的年折算费用Cins由下式计算得到：
Figure FDA0003850292530000021
其中，cins为保温材料的价格；n为保温材料的使用年限；I为利率；d为管道的外径；x为保温材料的厚度；
燃料的年费用Cf由下式计算得到：
Cf＝mfcf (13)
其中，cf为燃料的价格；mf为整个供暖季内燃料的消耗量；
则由公式(12)和(13)得到年总费用Ct表示为：
Ct＝Cins+Cf (14)；
步骤4、再以年总费用最小为目标建立关于求解管道最优保温厚度的数学模型，通过求解所建立的数学模型得到最优
Figure FDA0003850292530000025
经济保温厚度。
2.根据权利要求1所述基于
Figure FDA0003850292530000026
经济的供暖直埋热力管道最优保温厚度的获取方法，其特征在于，在步骤1中，整个供暖季内管道的年热损失计算过程具体为：
首先计算保温材料热阻、土壤热阻以及管道之间的附加热阻，假设供暖直埋供、回水管的保温厚度相同，则保温材料热阻Rins由下式计算得到：
Figure FDA0003850292530000022
其中，λins为保温材料的导热系数；d为管道的外径；x为保温材料的厚度；
土壤热阻Rsoil由下式计算得到：
Figure FDA0003850292530000023
其中，λsoil为土壤的导热系数；h为管道的埋深；
管道之间的附加热阻Rc由下式计算得到：
Figure FDA0003850292530000024
其中，b为供暖直埋供、回水管道中心线之间的距离；
然后分别计算供暖直埋供水管的热损失和回水管的热损失，其中：
单位长度供水管的热损失Qs由下式计算得到：
Figure FDA0003850292530000031
其中，ts为供水温度；tsoil为土壤温度；tr为回水温度；
单位长度回水管的热损失Qr由下式计算得到：
Figure FDA0003850292530000032
由此，单位长度供暖直埋热力管道的热损失Qt由下式计算得到：
Figure FDA0003850292530000033
进一步的，在计算供暖季内管道的年热损失时需要计算每个小时的热损失Qt，再将每小时热损失累加，即得到整个供暖季内管道的年热损失，具体来说：
假设在一小时内的供水温度、回水温度以及土壤温度保持不变，则结合公式(1)、(2)、(3)和(6)得到整个供暖季内管道的年热损失Qloss表示为：
Figure FDA0003850292530000034
其中，k为总供暖小时数；ts(τ)为第τ个小时的供水温度；tr(τ)为第τ个小时的回水温度；tsoil(τ)为第τ个小时的土壤温度。
3.根据权利要求1所述基于
Figure FDA0003850292530000037
经济的供暖直埋热力管道最优保温厚度的获取方法，其特征在于，在步骤4中，所建立的关于求解管道最优保温厚度的数学模型表示为：
Figure FDA0003850292530000035
其中，Ct为年总费用；x为保温材料的厚度；
当
Figure FDA0003850292530000036
时，即可获得最优
Figure FDA0003850292530000038
经济保温厚度。
4.根据权利要求1所述基于
Figure FDA0003850292530000039
经济的供暖直埋热力管道最优保温厚度的获取方法，其特征在于，在步骤4中，数学模型的求解过程是利用fsolve函数在MATLAB中进行，具体过程为：
(1)设定自变量保温材料厚度x的寻优范围[xmin,xmax]，自变量间隔△x，以及计算中需要的数据；
(2)设定x1＝xmin，x2＝xmin+△x；
(3)利用零点定理求模糊解，设定循环条件
Figure FDA0003850292530000041
若满足循环条件，则将x1存储于模糊解数组x3中，并进入(4)；若不满足循环条件，则进入(5)；
(4)设定循环条件x2<xmax，若满足循环条件，则设定x1＝x1+△x，x2＝x2+△x，返回(3)；若不满足循环条件，则进入(5)；
(5)用fsolve函数求取x3数组中的精确解，具体是采用最小二乘法求解非线性方程组。
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