区域供冷系统管网优化设计方法及应用研究

罗龙

摘    要：区域供冷系统管网是现代城市基础设施建设的重要组成部分，也是城市整体管网系统的一部分。随着城市建设规模到不断扩大，区域供冷系统管网的造价直接关系到城市整体运营的成本投入，因此实际工作中需要通过对区域供冷系统管网的优化设计来降低其运营成本，提升管网系统的经济性。针对这一问题，国内外都进行了相关优化设计方法的研究讨论，并在实践中对各种方法不断进行验证，最终得出了多种有效的优化设计方法。本文分析了区域供冷管网优化研究进展，进而对各种优化设計方法及其应用进行梳理分析，希望能对其未来优化设计工作和发展提供参考，使供冷管网更符合现代城市建设发展要求。

关键词：区域供冷系统;管网优化;管网布置;设计方法

1  引言

随着城市化进程的不断推进，现代城市建设水平日益提高，人们对良好物质生活条件的需求也越来越强烈。在此情况下，城市区域供冷系统建设优化就成为城市建设中不可忽略的问题。在区域供冷系统中，区域供冷管网是其重要组成部分，其规划设计的科学合理性将直接决定整个系统的运行成本与安全可靠性，所以相关领域已经展开了对区域供冷系统管网的各项研究与应用探索工作，并围绕区域供冷系统管网优化设计提出了一些方法。此处笔者久对当前的相关设计方法及其应用进行梳理分析。

2  区域供冷管网优化研究概述

区域供冷系统管网规模较大且结构复杂，因此其涉及到较多的资金成本投入，后期运行与养护的费用投入也较多，这就使我们必须对其规划设计加以优化，以确保其在城市日常运行中具有较高的经济性。从区域供冷系统管网的特点看，其设计过程中需要考虑到能源站与用户之间管道的连接问题。但由于这种连接的方式较多，往往会有多种选择方案，所以就需要对其管网的设计加以优化。这一优化过程实际上就是一个追求最佳组合的过程。根据当前人们对区域供冷系统管网优化的界定分析，其本质上是要在最小的管网费用年值基础上达到管网布置目的。根据这一要求，我国众多学者都对此项工作展开了研究。如最早在上世纪八十年代蔡启林等就采取最小生成树算法对管网的优化布置进行求解。随后又有研究人员先后提出了全部树方法、权生成树方法以及遗传算法。这些研究都对供冷管网的布置优化不断科学合理化产生积极作用，并为新型城镇建设奠定良好基础。而在进入二十一世纪后，2003年李世武等又在最小生成树算法的基础上依靠热经济孤立优化法提出了管网布局与结构优化的设计方法，从而解决了管网技术性、节能性以及经济性间的综合性问题。此外，还有研究人员对枝状热网布局的经济性进行研究。而对于区域供冷管网的设计优化，冯小平等依靠图论理论和遗传算法对枝状区域供冷管网进行了布局优化，并通过与Dijkstra算法的对比分析得出依靠单亲遗传算法对区域供冷管网进行设计优化会具有更高效率，且管网稳定性更好。蔡龙俊等主要以造价最小化原则运用最小生成树方法对区域供冷管网布局进行了设计优化。综上所述，我国当前关于区域供冷管网优化设计已经形成了多套理论模型，对其优化设计起到积极促进作用。

3  区域供冷管网优化的相关方法

在区域供冷系统管网优化中，管径优化是设计的核心，解决管网优化就需要对管径流量与经济比摩阻进行研究分析，并以此来科学确定管径。根据当前国内外关于区域供冷系统管网的研究情况，其已被证实有效的优化方法包含模拟退火算法、遗传算法、禁忌搜索算法、蚁群算法、粒子群算法等，这些算法的应用都可以对区域供冷管网优化起到作用。但不同算法在实际应用中的应用方向却存在一定差异。此处笔者就对各种优化设计方法及其应用进行整理分析。

3.1  模拟退火算法及应用

该算法在供冷管网优化上拥有较高使用价值。，其是在固体退火原理基础上产生的，是一种概率算法。该算法的产生是源于Monte-Carlo迭代求解策略，能够在随机运算时找到最佳算法，能够在概率层面对全局进行优化。对于该算法在供冷管网中的应用，我国学者黄善波等研究出了相关成果，其以管径与保温层厚度作为优化变量，然后据此构建出管网优化设计的非线性规划数学模型，再依靠模拟退火算法求解，使该算法的简便性以及优越性得到检验。豆中州将退火模拟算法运用到区域管网水力模型的求解中，最终帮助区域管网获得了各管段流量与压力降值，再通过构建管网费用年值优化设计模型对管网各段离散标准公称直径加以优化，再结合实际工程中具体水力约束条件最终计算出其管径最优值。

3.2  遗传算法及应用

该算法较早运用于供冷系统管网优化设计方面，且国内外也多有相关研究成果，为供冷管网发展起到积极作用。这一算法主要是在模拟达尔文生物进化论相关理论原理的基础上创造出的一种运算方法，可以依靠模拟自然进化过程找到最佳解决方案。在实际应用中，该算法可以结合区域供冷管网费用最小年值目标进行管网管径优化，其最终优化结果能够达到更低的费用年值，有益于提高冷管网运行经济性。

3.3  禁忌搜索算法及应用

禁忌搜索算法在实践中主要用于区域供冷系统管网中给排水管网的优化设计中，然而给排水管网优化同样对供冷管网优化有重要意义。该算法是一种启发式算法，主要通过跳脱局部最优解来进行最优解搜索的方法。其在实际应用中能够帮助城市给水管网找到最优设计路径，而这也在国内外众多研究中被证实。

3.4  蚁群算法及应用

该算法同样主要运用于给排水管网优化设计方面，也是一种概率算法，能够进行分布运算，实现信息正反馈并进行启发式搜索，在全局优化方面应用较普遍。在实际应用中，其可以对枝状给水管网的布局和管径进行优化设计，从而使其布局更为合理，并最大程度上降低管网的造价，这无异于提升了区域供冷管网的经济性。

3.5  粒子群算法及应用

该算法也是管网优化设计中常用的方法。该算法是在模拟鸟群觅食过程时发现的一种以群体协作为参考依据的的随机搜索算法。该算法在区域供冷系统管网优化设计中通常将管网进行整体上的统筹把握，然后再结合管网费用年值最小化的目标来对管网进行优化设计。具体操作中可以把网布置形式与管径视为优化参数，然后构建出管网优化设计模型，再通过粒子群算法进行模型求解，如此就可以通过更新粒子位置来搜索道管网的最佳布局和管径，最终达到优化设计的目的。

4  结束语

综上所述，区域供冷系统管网优化设计方法的研究与应用对现代城市管网建设起到促进作用。但随着城市建设的不断发展，还需要进一步探索出更多有效的优化设计方法，以切实提升区域供冷系统管网设计水平，为居民创造羹优质的生活环境。

参考文献：

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[2] 廖兴中.某区域供冷工程水系统方案分析[J].建材与装饰，2017（16）：124～125.

[3] 蔡勤龙.区域供冷系统经济供冷参数研究[D].湖南大学，2015.

[4] 冯小平，龙惟定.区域供冷系统管网优化设计方法和应用[J].建筑科学，2012（S2）：242～245.