先进热能工程丛书--智慧供热系统工程

《智慧供热系统工程》总结了浙江大学“智慧能源系统”团队在智慧供热及综合能源领域的多年积累,旨在为读者提供一个全新的能源领域智慧化转型视角。本书以智慧供热技术和系统架构为开篇,探讨了智慧化技术在供热领域的应用现状与发展方向。进而围绕供热系统的低碳化,引出大型城镇集中供热系统和工业园区综合能源系统的智慧化问题,通过将智慧化深度融入供热及综合能源系统,阐述低碳综合能源的规划与优化调度技术。本书的特色是紧密结合了团队自“十三五”以来牵头承担的国家级项目研究成果,以技术成果为主轴,以系列智慧能源工程为示范案例,深入浅出地阐述智慧化技术在实际场景中的应用价值和效果,为读者提供生动直观的实践经验。
本书可以带领读者了解智慧能源、智慧供热、综合能源系统的理论方法与技术,适合从事能源系统数字化转型与智慧管控的工程师、研究生及本科生学习参考,同时适用于有志从事城镇供热、综合能源领域的相关职能部门人员及对智慧能源感兴趣的读者。

“双碳”目标为中国能源行业转型注入了强劲驱动力。我国实现“双碳”目标的三大关键领域是工业、建筑和交通。本书主要讨论的供热技术与工业及建筑两大领域密切相关,且贯穿了经济与民生发展两大社会主线。在人工智能时代,如何以智慧能源技术驱动供热系统的低碳化和智慧化,推动工业和建筑领域的碳中和,是值得我国能源行业从事者深思的问题。本书旨在探讨现代供热系统工程智慧化发展方向,追溯供热领域智慧化的脉络,使读者能够深入了解供热领域的前沿技术、工程实践和未来发展趋势。本书不仅包含了供热系统工程原理的分析,更通过阐述机理建模方法、优化技术、人工智能方法在供热智慧化中的应用方式与落地场景,从面向未来低碳综合能源系统的角度讨论了供热系统未来的演变路径,致力于为读者呈现一个全新、全面的智慧供热系统工程。
本书分为八章。开篇从智慧供热的基础概念和系统架构开始,讨论了智慧化技术在供热行业的应用及其背后逻辑,包括城市民用供热系统一级网和二级网的灵活精准调控技术。接着,进一步讨论北方供暖之外的我国工业园区蒸汽供热系统的运行优化技术,并以此为契机引入综合能源系统及多能流管控技术。最后,介绍了一系列智慧供热和综合能源系统的工程实践案例,通过深入案例分析,帮助读者更好地理解和应用所学知识。总体而言,本书以供热系统及其智慧化开篇,以面向碳中和的新型综合能源系统结尾,希望通过介绍智慧化技术在供热系统和综合能源领域的发展历程及其关键技术,为读者提供一个前瞻性、综合性的视野。本书具体编写分工如下：钟崴负责第1章与第8章,林小杰负责第2~7章,全书由钟崴进行统稿。中国节能环保集团杜玉吉博士和北京市热力集团李仲博博士为第8章的内容提供了宝贵建议。本书的顺利完成也受益于浙江大学陈嘉映、孙鑫南、李昊、黄伟、张淑婷、封恩程、刘少雄、毛熠辉、戴哲、章楠、蔡晨钰、章宁、周瑜婷、罗政、王家乐、王松杰等同学的支持与帮助。
《智慧供热系统工程》适用于从事供热和综合能源领域的工程师、研究生以及对智慧能源感兴趣的读者。智慧能源是链接“双碳”目标和能源行业升级的核心技术,是第四次工业革命已奏响的澎湃乐章。希望这本书能够激发读者对智慧能源技术的兴趣,共同推动我国供热行业迈向更低碳、更智慧、更可持续的未来。
本书的编写需要感谢国家自然科学基金(51806190)和科技部国家重点研发计划项目(2023YFE0108600、2022YFB3304502、2019YFE0126000)的支持。在此一并表示感谢!
本书涉及供热、综合能源、人工智能等多个领域,由于作者自身学识水平有限,书中难免出现疏漏和不足之处,恳请读者不吝赐教,以促进本书的完善。

钟崴

第1章　绪论001
1.1　我国供热行业发展现状 002
1.2　清洁低碳供热和综合能源系统 004
1.2.1　智慧供热的定义 009
1.2.2　智慧供热总体技术路线 013
1.2.3　智慧供热总体技术架构 021
1.3　总结 026
参考文献 026

第2章　供热系统一级网“源网”协同调控技术029
2.1　供热一级网调控技术概况 030
2.2　智慧供热系统一级网及其关键设备建模方法 031
2.2.1　基于图论的供热网络建模方法 031
2.2.2　燃气锅炉单元建模 036
2.2.3　热电联产机组建模 038
2.2.4　供热系统储热模型 041
2.3　智慧供热系统“源-网-荷”协同多目标运行 045
2.3.1　智慧供热系统多目标优化指标体系构建 045
2.3.2　智慧供热系统多目标优化指标权重确定 046
2.3.3　供热系统“源-网-荷”协同多目标实时优化模型 051
2.4　大型智慧供热系统一级网调控技术 056
2.4.1　大型智慧供热系统一级网优化调度总体框架 056
2.4.2　大型智慧供热系统一级网运行结构 058
2.4.3　大型智慧供热系统一级网调度寻优方法 060
2.5　总结 072
参考文献 072

第3章　供热系统二级网按需精准调控技术074
3.1　二级网调控技术概况 075
3.2　二级网流量优化调节 076
3.2.1　流量优化理论基础 076
3.2.2　变频水泵调节特点 077
3.2.3　流量优化调控策略 078
3.2.4　热计量技术与按需供热 078
3.3　基于数据的二级网负荷预测和预测性调控 084
3.3.1　机器学习理论及常见算法原理 085
3.3.2　基于机器学习的供热系统预测建模流程 092
3.3.3　模型评价指标 096
3.3.4　热负荷预测方法 097
3.3.5　二级网温度延迟辨识及预测 099
3.3.6　热力站预测性调控建模研究 108
3.4　常见二级网按需精准调控技术 116
3.4.1　二级网调控技术要点 116
3.4.2　分布式变频泵技术 119
3.4.3　楼宇换热站调控技术 121
3.4.4　二级网智慧感知与状态检测技术 123
3.5　总结 126
参考文献 127

第4章　灵活智慧供热技术128
4.1　灵活智慧供热背景 129
4.2　供热系统灵活性量化模型和分析方法 130
4.2.1　供热系统灵活性的构成 131
4.2.2　供热系统灵活性的分析方法 135
4.3　面向可再生能源接入的多能互补供热系统灵活优化调度 140
4.3.1　考虑运行经济性与灵活性的供热系统多目标优化调度方法 141
4.3.2　面向可再生能源接入的供热系统优化案例 146
4.4　总结 164
参考文献 165

第5章　面向太阳能消纳的供热系统粒度分析方法和优化规划166
5.1　国内外零碳供热系统现状 167
5.1.1　供热系统优化研究现状 167
5.1.2　含供热综合能源系统优化研究现状 170
5.2　基于互补结构配置的供热系统规划典型日动态选取方法 171
5.2.1　基于互补结构配置的典型日动态选取方法 172
5.2.2　基于互补结构配置动态选取典型日的两阶段优化规划流程 176
5.2.3　算例研究 178
5.3　供热系统粒度分析方法及二级网经济安全规划 187
5.3.1　供热系统粒度分析方法及综合效益评估 188
5.3.2　基于粒度分析的供热系统二级网规划分析方法 193
5.3.3　粒度视角的供热系统二级网经济安全规划案例 197
5.4　基于粒度的二级网太阳能消纳能力提升规划 206
5.4.1　太阳能消纳及储热容量配置优化 207
5.4.2　配置方案分析与评估 209
5.4.3　算例介绍 210
5.4.4　太阳能消纳分析 211
5.4.5　储热配置优化分析及技术经济性计算评估 213
5.5　总结 219
参考文献 220

第6章　工业园区蒸汽供热系统建模和运行优化224
6.1　基于Modelica 的蒸汽管网系统建模分析 226
6.1.1　工业蒸汽管网热工水力计算模型 227
6.1.2　基于Modelica 的动态特性建模仿真 237
6.1.3　基于Modelica 的蒸汽管道热工水力动态特性研究 250
6.1.4　基于Modelica 的蒸汽管网暖管与储能特性研究 258
6.2　基于需求响应的工业园区蒸汽供热系统优化运行技术 262
6.2.1　需求响应相关理论 263
6.2.2　热力系统需求响应分析 266
6.2.3　蒸汽供热系统需求响应技术方法 268
6.2.4　蒸汽供热系统用户构建及负荷特性分析 272
6.2.5　蒸汽供热系统多目标分时汽价优化模型 289
6.3　总结 301
参考文献 302

第7章　考虑供热系统特性的工业园区综合能源建模和优化调度303
7.1　多能流系统综合网络建模 304
7.1.1　流体网络热工水力动态模型 304
7.1.2　电能网络潮流计算模型 307
7.1.3　能量耦合转换设备模型 310
7.1.4　综合能源系统计算流程 311
7.2　流体网络动态输运解析模型与动态管存量化模型 312
7.2.1　流体网络动态输运过程及储能分析 312
7.2.2　流体网络动态输运解析模型 315
7.2.3　流体网络动态管存量化模型 322
7.3　工业园区综合能源系统优化调度 326
7.3.1　综合能源系统储能环节分析 326
7.3.2　综合能源系统优化调度总体技术路线 330
7.3.3　综合能源系统仿真模型构建 332
7.3.4　考虑管网储热的热负荷削峰填谷分析 344
7.3.5　考虑储热的综合能源系统日前运行优化调度 346
7.4　计及流体网络管存的工业综合能源系统优化调度方法 352
7.4.1　计及流体网络管存的工业综合能源系统优化调度模型 352
7.4.2　算例仿真分析 356
7.5　总结 371
参考文献 372

第8章　智慧供热系统工程实践案例373
8.1　上海化学工业区智慧蒸汽热网系统 374
8.1.1　案例背景 374
8.1.2　技术方案 374
8.1.3　实施效果和系统效益 375
8.1.4　小结 378
8.2　北京智慧城市供热系统运行调度优化 378
8.2.1　案例背景 378
8.2.2　技术方案 379
8.2.3　实施方式和预期效益 382
8.2.4　小结 384
8.3　杭州医药港小镇区域综合能源系统 385
8.3.1　案例背景 385
8.3.2　技术方案 385
8.3.3　预期效益 390
8.3.4　小结 390
8.4　大庆某小区楼宇智慧供热精细化管控 391
8.4.1　案例背景 391
8.4.2　技术方案 392
8.4.3　实施方式和预期效益 393
8.4.4　小结 394
8.5　雄安新区市民服务中心综合能源系统 395
8.5.1　案例背景 395
8.5.2　技术方案 396
8.5.3　实施方式和预期效益 398
8.5.4　小结 398