GIS下供热管网之设计模型与水力状况概述
第1章绪论
1.1课题研究的目的和意义
因此，建筑节能已成为我国建设资源节约型、环境友好型社会的重要内容。国家针对我国建筑节能工作提出了相应的措施。从加大建筑节能工作的组织领导、加大建筑节能的宣传力度、建立建筑节能产品认证制度、健全建筑节能政策体系及出台配套措施与建立健全建筑节能监管体系等方面开展了大量工作。尤其是2007年颁布的《中华人民共和国节约能源法》和2008年国务院颁布的《民用建筑节能条例》的法律法规对今后建筑节能工作的开展奠定了基础。在十一五;期间，我国建筑节能工作取得了良好效果。
我国建筑能耗高主要表现在冬季采暖和夏天空调能耗居高不下。根据2021清华大学建筑节能研究中心发布的数据，我国北方城镇采暖能耗占全国城镇建筑总能耗的65%，为建筑能源消耗的最大组成部分。另外根据建设部统计数据显示，2006年我国北方城镇采暖总用能约为1.3亿吨标准煤，占全社会总能耗的10%。由此可见，我国北方冬季采暖的能耗之高，能耗比例之大。我国南方地区的夏天空调能耗和冬季采暖一样也是能耗大户。由于我国自身气候的原因，相比于其他同纬度地区而言，夏天温度明显较高，且时间较长。加之南方地区建筑大多不采取遮阳，夏天冷负荷十分大。在这种情况下，居民多采用小型分体式空调来降低室内温度。
1.2国内外研究历史及现状
1.2.1供热管网研究历史及现状
1.2.1.1国外研究
供热是历史最悠久的行业之一。在新石器时期中国就有长方形灶炕和双连灶形的火炕，在夏、商、周时代就有了火炉采暖。在现代，真正采用系统化的供热技术是起源于欧洲。在18世纪法国人和英国人就开始利用蒸汽和热水管道加热房间用于采暖。19世纪，美国纽约建立了小规模的区域锅炉房，可以算是最初的集中供热系统。20世纪初，供热已经成为一些发达国家的生活息息相关的行业。人们已经开始利用电厂汽轮机的蒸汽余热供热，这种思想至今一直是主流的供热方式。
20世纪是供热行业迅猛发展的关键时期。人们多供热的认识已经更加深入，不仅仅停留在供与不供的问题上，而是探讨如何监测和控制供热效果。20世纪是计算机应用开始初显端倪的时候，许多国家已经开始利用计算机对供热管网进行研究。前苏联利用计算机对集中供热管网进行分析，编制水力计算和工况分析软件，如当时著名的优化供热软件COCHA。该软件对我国今后的水力计算和工况分析软件的编制启到了启发作用。除了应用计算机对管网进行模拟外，一些国家还利用计算机对供热系统进行优化分析，包括技术上与投资上的，并且开发出了一整套的软件系统。如瑞典的ENO软件和芬兰的EOND能源规划系统。还有一些国家对系统能耗进行了模拟，有效的提高了供热系统能源利用效率。例如加拿大的DESA能源分析系统。
20世纪末世界上许多发达国家的供热以及发展成熟稳重，主要体现在系统规模已经足够庞大、系统形式已经足够复杂。德国、加拿大、已经北欧一些国家在供热中应用的设备、技术、管理等都居世界领先的水平。特别是多热源环形网在这些国家的普遍采用。当时有许多学者对这一新内容作了研究。研究趋势主要是针对原来的静态模拟缺点，逐步采用动态的模拟手段，如热负荷的预测、管网的工况分析与热源的自动控制等。
第2章供热管网的数学模型
目前，我国供热管网的形式主要分为支状和环状两类。支状管网与环状管网相比较为简易。在支状管网中，水流的方向是确定不变的，都是从热源端流向用户端，再从用户端流向热源端，形成一个循环，多个用户就形成多个并联的循环。在环状管网中区别于支状管网，水流方向不确定，当系统中某一管段的阻抗发生变化时，会引起整个管网的流量分配变化，以及部分管段的流向变化。虽然两者之间有许多的不同之处，但是它们都遵循基本的数学和物理原理，即质量守恒和能量守恒原理。本章我们先分析基本的质量守恒和能量守恒方程，然后结合图论和矩阵理论建立一系列的水力工况计算方程，并表述成矩阵方程组的形式。这些矩阵方程组是后面章节进行水力计算和工况分析的基础。
2.1水力计算和工况分析基本方程
供热管网水力计算和工况分析的原理是一致的。本节在此不做区分，只介绍基本方程。供热管网中，管内热水在流动时，由于水分子间及其管壁间的摩擦，会造成能量损失；同样热水流过管道附件如阀门、弯头、散热器等时，会产生碰撞，也会造成能量损失。所以能量方程可表示为：
2.2图论和矩阵理论基本概念
图论是一门由多个学科组成的综合学科，它属于离散数学的一部分。图论在许多领域都得到广泛应用，如网络、社交等方面。网络图论是应用图论研究网络的几何结构及其基本性质的理论。在网络图论中，通过分析研究现实中物体之间的关系，将其抽象成方便分析的图形网络，而网络中包括点、线、面等元素，用这些元素反应物体的关系就是网络图论的基本思想。
最早研究图论和拓扑的人是数学家欧拉，1736年他发表了一篇论文用图论解决著名的七桥问题。如图2-1所示。问题是能否从A、B、C、D任意一点出发，恰好不重复的通过每个桥，最后回到出发点？结果被证明是不可能完成的。
之后，图论被用于描述和研究大自然界和人类社会中很多事物以及事物间关系，交通运输、市政基础设施、人与人之间的关系等。这使得网络拓扑成为一门应用广泛并快速发展的学科。
由于图论网络研究的对象为几何图形，关系为几何关系，若要利用图论来研究供热管网，首先要做的是将供热管网用图来抽象表示。我们可以将供热管网简化成由许多管段和节点组成的图。这里的节点指的是管段之间的交汇点。这其实就是最简易的管网拓扑结构。下面介绍与管网关于的图论基本概念。
第3章水力计算流程与模块设计........20
3.1供热管网设计水力计算流程.........20
3.1.1支状管网...........20
3.1.2环状管网.......21
第4章管网水力计算与GIS二次开发开发..........27
4.1GIS工具与开发原理.........27
4.1.1GIS软件及开发工具........27
第5章案例分析........42
第5章案例分析
前几章的内容中，我们首先分析了管网水力计算的原理，然后根据图论和矩阵理论对供热管网建立了数学模型，并给出了模型的求解步骤，接着结合水力计算流程设计了水力计算模块。最后结合GIS工具将计算模块应用到了整个供热管网的设计计算和水力工况分析中。由于GIS二次开发对笔者时间和精力要求太高，只是进行了理论框架方面的研究，没有真正的编制出水力计算软件。但是为了验证我们软件采用的数学模型的正确性，我们选择一个简易环状供热管网进行计算分析。
以某区域锅炉房一次网的管网规划图和负荷资料为依据进行设计水力计算，图5-1为管网分布简图。
第6章结论与展望
本文在对供热管网设计水力计算的理论和方法、图论和矩阵理论以及MyGIS地理信息系统的基本功能研究的基础上，利用MyGIS 9二次开发功能，结合Microsofyt Access，采用visual c++编程语言进行了供热管网地理信息系统的水力计算与工况分析。通过本文研究，得出以下结论：
（1）本文通过研究图论和矩阵理论，结合供热管网水力计算的理论和方法，建立了管网的数学模型，并采用基本回路法对模型进行了理论求解。
（2）总结了支状管网和环状管网水力计算的流程，结合数学模型和模型理论求解方法，采用迭代的数值计算方法，建立了水力计算模块。该模块可以对不同形式的供热管网进行设计水力计算和水力工况分析，如支状和环状管网，单热源和多热源管网。
（3）通过对比分析其他管网和供热管网的不同，结合供热管网的特殊性，提出在设计水力计算时采用供水管网建立拓扑图进行计算，在工况分析时采用供回水管网建立拓扑图进行计算的方式。
（4）建立供热管网计算与GIS相结合的基本框架，为利用GIS对管网进行实时查询、在线监测、管网维护、事故分析等功能拓展提供了参照。
展望
将地理信息系统应用到供热中是一项十分用价值的工作。如果在以后的工作中能够实现对整个供热管网进行动态模拟，对供热数据做到更深入细致的统计管理查询，对供热系统进行运行和调度的量化管理。在水力算过程中，如果能够结合热力计算，不仅反应流量、流速、压力损失等参数，而且还能反应供热量、温度、热量损失等参数。
参考文献（略）