智慧城市热力系统仿真技术及应用

　　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。

　　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