基于室外溫度變化的供熱系統(tǒng)運行參數(shù)的優(yōu)化關鍵詞：室外溫度變化供回水溫差散熱損費用流動損費用針對供熱系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性差，工況調(diào)節(jié)與室外溫度變化同步性差的特點，本文根據(jù)工程熱力學、傳熱學、流體力學、熱經(jīng)濟學及高等數(shù)學的有關原理，通過一系列分析推導，得到了供熱系統(tǒng)優(yōu)化運行且反應供熱系統(tǒng)運行參數(shù)與室外溫度關系的函數(shù)關系式，提出了基于室外溫度變化的供熱系統(tǒng)優(yōu)化的調(diào)節(jié)的思想。供熱系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的損主要由散熱器散熱過程產(chǎn)生的散熱損和系統(tǒng)熱媒流動阻力引起的流動損兩部分組成。而系統(tǒng)熱媒的供回溫差，一方面決定著系統(tǒng)散熱損的大小，同時也決定著熱媒流動損的大小。供回水溫差越大，則系統(tǒng)的水流量越小，系統(tǒng)的阻力損失也越小，由此引起的流動損越??；而系統(tǒng)的散熱損卻越大；反之，供回水溫差減小，系統(tǒng)的流動損將增大，而散熱損將減小。因此，從熱經(jīng)濟學的角度，必然存在一個最優(yōu)的溫差值，使得由這兩種損引起的費用損失最小。本文首先根據(jù)傳熱學的有關理論，通過對供熱系統(tǒng)的模型進行適當簡化，推導出了系統(tǒng)熱媒水的供回水平均溫度與室外溫度的函數(shù)關系。在此基礎上，分別對供熱系統(tǒng)散熱損費用與熱媒供回水溫差及室外溫度之間的函數(shù)關系以及流動損費用與熱媒供回水溫差及室外溫度之間的函數(shù)關系進行了推導，進而得到了供熱系統(tǒng)總損費用與熱媒供回水溫差及室外溫度之間的函數(shù)關系。然后，根據(jù)數(shù)學的極值理論，得到了系統(tǒng)總損費用最小條件下供回水溫差及室外溫度之間的函數(shù)關系。利用該函數(shù)關系，就可以得到任意室外溫度下，使系統(tǒng)的總損費用最小的供回水溫差（即最優(yōu)溫差）之值，由此可以求出一系列與之相關的參數(shù)值（流量，流速，供回水溫度等）。按照這些參數(shù)對系統(tǒng)進行工況調(diào)節(jié)，就可以實現(xiàn)供熱系統(tǒng)運行工況的優(yōu)化調(diào)節(jié)。1前言供熱系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)，主要有質調(diào)節(jié)、量調(diào)節(jié)、間歇調(diào)節(jié)及分階段改變流量的質調(diào)節(jié)等幾種形式。以上幾種運行調(diào)節(jié)方式，雖然分別在不同程度上提高了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟經(jīng)濟性，但由于系統(tǒng)工況調(diào)節(jié)與室外溫度變化不同步，所以仍然存在著較大的能源和經(jīng)濟浪費。鑒于此，本文提出了基于室外溫度變化的供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)方法，并從熱力學第二定律出發(fā)，利用熱經(jīng)濟學的觀點，推導出供熱系統(tǒng)運行參數(shù)的最優(yōu)值與室外溫度的函數(shù)關系。利用該函數(shù)關系，就可以根據(jù)室外溫度的變化情況，實現(xiàn)對供熱系統(tǒng)運行參數(shù)的優(yōu)化調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。2基于室外溫度變化的供熱系統(tǒng)運行參數(shù)的優(yōu)化2.1基于室外溫度變化的供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)基于室外溫度變化的供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié),是指系統(tǒng)以室外溫度作為輸入變量，以系統(tǒng)的供回水溫差及流量等參數(shù)作為輸出變量的系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)方式。輸出變量與輸入變量之間的對應關系，就是通過系統(tǒng)的優(yōu)化過程實現(xiàn)的。2.2系統(tǒng)熱媒水的供回水平均溫度與室外溫度的函數(shù)關系為了分析問題的方便，對供熱系統(tǒng)進行如下簡化。設室外溫度為，外圍護結構的折和面積（冷風侵入、冷風滲透散熱量均折合為圍護結構散熱量）為，外圍護結構的傳熱系數(shù)為，室內(nèi)溫度為。則系統(tǒng)的總散熱量可表示為室外溫度的函數(shù)，即：設散熱器的傳熱系數(shù)為，散熱器內(nèi)熱媒的平均溫度為。則散熱器的傳熱系數(shù)可表示為其傳熱溫差的函數(shù)，即：（2）忽略管道系統(tǒng)散熱，假定所有熱量全部通過散熱器散之采暖房間。設散熱器總的傳熱面積為，則系統(tǒng)的總散熱量又可表示為：(3)對于已投入使用的系統(tǒng)而言，、、、、、可均視為常數(shù)。則由式（1）、（3），可將表示為的函數(shù)，即：（4）2.3系統(tǒng)供回水溫差與室外溫度的函數(shù)關系在對供熱系統(tǒng)作上述簡化及假定的基礎上，系統(tǒng)運行產(chǎn)生的火用損可認為僅由散熱器散熱過程產(chǎn)生的散熱火用損和系統(tǒng)熱媒流動阻力引起的流動火用損兩部分組成。而系統(tǒng)熱媒的供回溫差，一方面決定著系統(tǒng)散熱火用損的大小，同時也決定著熱媒流動火用損的大小。供回水溫差越大，則系統(tǒng)的水流量越小，系統(tǒng)的阻力損失也越小，由此引起的流動火用損越?。欢到y(tǒng)的散熱火用損卻越大；供回水溫差減小，系統(tǒng)的流動火用損將增大，而散熱火用損將減小。因此，從熱經(jīng)濟學的角度，必然存在一個最優(yōu)的溫差值，使得由這兩種火用損引起的費用損失最小。2.3.1散熱火用損費用與熱媒供回水溫差的關系設系統(tǒng)供回水溫差為，則水的質量流量可表示為：（5）熱媒水的供回水溫度可分別表示為：（6）（7）散熱過程的散熱火用損可表示為環(huán)境溫度與由溫差傳熱引起的系統(tǒng)熵變的乘積，即：（8）而為室內(nèi)空氣的熵增量和熱媒的熵增量之和。（9）（10）設為散熱火用損費用因子，則散熱火用損費用可表示為：（11）2.3.2流動火用損費用與熱媒供回水溫差的關系系統(tǒng)正常運行時，管內(nèi)流體的流態(tài)處于阻力平方區(qū)，系統(tǒng)的阻力損失與熱媒體積流量的平方成正比。為了簡化計算，忽略熱媒在散熱器內(nèi)的阻力損失。設熱媒水供路的總阻抗為，管內(nèi)流體密度為，則熱媒水供路的阻力損失可表示為：（12）由此可得到熱媒水在供路因流動阻力產(chǎn)生的熵增：（13）同理，可得熱媒水在回路因流動阻力產(chǎn)生的熵增：所以，熱媒水因流動阻力引起的總熵增可表示為：所以，流動火用損可表示為：（14）設為流動火用損費用因子，則流動火用損費用可表示為：（15）2.3.3總火用損費用與供回水溫差的關系供熱系統(tǒng)的總火用損費用可表示為散熱火用損費用與流動火用損費用之和，即：（16）2.3.4系統(tǒng)供回水溫差與室外溫度的函數(shù)關系：由（16）式可以看出，在、、、、、一定時，供熱系統(tǒng)的總火用損費用與熱媒供回溫差及室外溫度呈一定的函數(shù)關系。根據(jù)高等數(shù)學的極值理論，對式（16）進行數(shù)學處理，就可以得到總火用損費用最小時，系統(tǒng)的供回水溫差及室外溫度之間的函數(shù)關系。處理過程如下：對式（16）的等號兩邊分別對求偏導數(shù)，并令：（17）則可以得如下形式的函數(shù)：（18）該函數(shù)即表達了系統(tǒng)總火用損費用最小時，熱媒的供回水溫差及室外溫度之間的函數(shù)關系。利用該函數(shù)關系，可以得到兩者的函數(shù)關系曲線。利用函數(shù)關系或函數(shù)關系曲線，就可以得到任意室外溫度下，使系統(tǒng)的總火用損費用最小的供回水溫差（即最優(yōu)溫差），由此可以求出一系列與之相關的參數(shù)值（流量，流速，供回水溫度等）。求出的這些參數(shù)值，就是使系統(tǒng)總用損費用最小的最優(yōu)值。按照這些參數(shù)對系統(tǒng)進行工況調(diào)節(jié)，就可以實現(xiàn)供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。3實例分析某一供熱系統(tǒng)，其外圍護結構的折合面積，外圍護結構的傳熱系數(shù)按/℃計算，室內(nèi)溫度為℃。散熱器形式為閉式對流串片式型，其傳熱系數(shù)，總傳熱面積。熱媒水供回路總阻抗。散熱火用損費用因子，流動火用損費用因子。設供水溫度、回水溫度、供回水溫差、供回水平均溫度及室外溫度分別用、、、及表示。根據(jù)以上條件及公式（1）~（4），可得熱媒的供回水平均溫度與室外溫度的關系：（19）將條件中給定的數(shù)值代入式（16），進行整理。然后將等式兩邊對求偏導，并令：，可得系統(tǒng)總火用損費用最小時，熱媒的供回水溫差及室外溫度之間的函數(shù)關系的具體函數(shù)關系：（20）則系統(tǒng)供回水溫差及供回水平均溫度隨室外溫度的變化關系滿足（19）、（20）兩式確定的函數(shù)關系。由此可進一步確定出系統(tǒng)的供回水溫度、及系統(tǒng)流量（或）隨室外溫度的變化關系。4結論本文針對供熱系統(tǒng)運行工況的調(diào)節(jié)與室外溫度變化同步性差，導致系統(tǒng)運行經(jīng)濟性差的特點，提出了基于室外溫度變化的經(jīng)濟運行調(diào)節(jié)方法，并利用熱力學第二定律的熵增原理及熱經(jīng)濟學的觀點，對系統(tǒng)運行過程各項火用損費用進行分析，推導出了供熱系統(tǒng)總火用損費用與供回水溫差及室外溫度的函數(shù)關系。通過該函數(shù)進行數(shù)學處理，得到了系統(tǒng)經(jīng)濟運行（總火用損費用最?。┑臒崦焦┗厮疁夭罴笆彝鉁囟戎g的函數(shù)關系。利用該函數(shù)關系，就可以根據(jù)室外溫度的變化情況，實現(xiàn)對供熱系統(tǒng)運行參數(shù)的優(yōu)化調(diào)節(jié)。參考文獻[1]沈維道，鄭佩芝．工程熱力學．北京：高等教育出版社，1983．[2]楊