Minimization of heat losses in district heating networks by optimizing their configuration

Abstract

The objective of this work is to elucidate the mathematical foundations for optimizing the configuration of district heating system networks. Existing and most effective approaches to optimizing thermal networks based on minimizing heat losses were analysed, and principles and corresponding mathematical tools were proposed to account for objective technical constraints imposed on these district heating networks by regulatory requirements, both at the technological and urban planning levels. The goal is achieved by solving the problems of modeling the coordinates of nodes and the lengths of sections of thermal networks using instrumental means to determine the most rational positions of the branching nodes in terms of their coordinates to identify economically viable directions for laying each fragment of the corresponding networks. To make the proposed approach to optimizing thermal networks practical, additional mathematical tools must be introduced to account for specific urban planning conditions and constraints imposed on heating systems, which must be considered in the design process. The most important results are the obtained mathematical model of the district heating network, which allows for considering the actual technical conditions for connection to the networks and urban planning conditions and constraints. The significance of the results obtained is that the application of the developed algorithm allows not only to reduce the total heat losses during the transportation of the heat carrier from heat sources to consumers but also, as a consequence, to increase the energy efficiency level of the entire heating system, reduce primary energy costs, and greenhouse gas emissions.

Obiectivul acestei lucrări este de a elucida fundamentele matematice pentru optimizarea configurației rețelelor sistemelor de termoficare. Au fost analizate abordările existente și cele mai eficiente de optimizare a rețelelor termice bazate pe minimizarea pierderilor de căldură și au fost propuse principii și instrumente matematice corespunzătoare care să țină seama de constrângerile tehnice obiective impuse acestor rețele de termoficare de cerințele de reglementare, atât la nivel tehnologic, cât și la nivel de urbanism. Scopul este atins prin rezolvarea problemelor de modelare a coordonatelor nodurilor și a lungimilor secțiunilor rețelelor termice folosind mijloace instrumentale pentru a determina pozițiile cele mai raționale ale nodurilor de ramificare în ceea ce privește coordonatele acestora, pentru a identifica direcțiile viabile din punct de vedere economic pentru așezarea fiecărui fragment de rețelele corespunzătoare. Pentru ca abordarea propusă pentru optimizarea rețelelor termice să fie practică, trebuie introduse instrumente matematice suplimentare care să țină seama de condițiile specifice de urbanism și de constrângerile impuse sistemelor de încălzire, care trebuie luate în considerare în procesul de proiectare. Cele mai importante rezultate sunt modelul matematic obținut al rețelei de termoficare, care permite luarea în considerare a condițiilor tehnice reale de conectare la rețele și a condițiilor și constrângerilor de urbanism. Semnificația rezultatelor obținute este că aplicarea algoritmului dezvoltat permite nu numai reducerea pierderilor totale de căldură în timpul transportului vehiculului de căldură de la sursele de căldură la consumatori, ci și, în consecință, creșterea nivelului de eficiență energetică a întregul sistem de încălzire, reduce costurile cu energia primară și emisiile de gaze cu efect de seră.

Целью работы является освещение математических основ оптимизации конфигурации сетей систем централизованного теплоснабжения. В качестве целевой функции процесса оптимизации предложено принимать суммарные теплопотери, происходящие на всей протяженности исследуемого участка теплотрассы от источника теплоснабжения и до каждого из потребителей. Были проанализированы существующие и наиболее эффективные подходы к оптимизации тепловых сетей на основе минимизации теплопотерь, а также предложены принципы и соответствующие математические инструменты учета объективных технических ограничений, налагаемых на эти централизованные сети теплоснабжения нормативными требованиями, как на технологическом, так и градостроительном уровнях. Поставленная цель достигается за счет решения задач моделирования координат узлов и длин участков тепловых сетей с применением инструментальных средств для определения наиболее рациональных положений узлов их разветвления в части их координат с целью идентификации целесообразных с экономической точки зрения направлений прокладки каждого из фрагментов соответствующих сетей. Для того чтобы предложенный подход к оптимизации теплосетей было удобно применять на практике, следует вводить дополнительные математические инструменты, которые делают возможным учет специфических градостроительных условий и ограничений, налагаемых на системы теплоснабжения и должны быть обязательно учтены в процессе проектирования. Наиболее важными результатами являются полученная математическая модель сети централизованного теплоснабжения, которая позволяет учитывать фактические технические условия присоединения к сетям и градостроительные условия и ограничения. Значимость полученных результатов состоит в том, что применение разработанного алгоритма позволяет не только уменьшить суммарные теплопотери при транспортировке теплоносителя от источников теплоты к потребителям, но и, как следствие, повысить уровень энергоэффективности всей системы теплоснабжения, уменьшить расходы первичной энергии и выбросы парниковых газов.