基于Android 的供热管网水力平衡调节系统的研究与实现∗

刘文英 于明晓 李 萍

（中国石油大学计算机与通信工程学院 青岛 266580）

1 引言

供暖系统是一个复杂的流体网络系统，其理想水力状况是各管段中的热水流量应当与该管段的用户热负荷相一致，但是由于受多种因素的影响，供热的管网中某些管段的实际流量与设计流量的不一致，称为水利失调［1］。热水流量在管网中各管线中的分配取决于网络中各部分的阻力情况［2］，而各管段中热水的流量大小又直接决定了该管段供暖热负荷的大小，当实际流量比所需流量大时，室内温度会偏高，反之，则会偏低。

随着移动通信技术的迅猛发展，手机已成为现代人们工作生活中必不可少的工具。Android 平台凭借其开放性，迅速发展成为主流的智能手机应用系统。相比于其它系统来说，Android 平台给开发商提供了一个非常自由的环境，具有更大的活力［3］。为改善某热力公司的供热质量，减轻供热管网调节人员劳动负担，研究并设计基于Android 平台［4～5］的供热管网水力平衡调节系统具有重要现实意义。设计的关键是建立供暖管网水力状况分析计算模型，该模型以流体力学及流体网络理论为基础，借助数值求解方法，来分析目前供暖网络的水力状况。如果目前的管网水力状况失调，则通过模型分析计算得出供热管网参数［6］的调节量，从而指导制定如何纠正失衡状况的管网调整方案，为管网的水力状况调整提供理论依据。

2 热网水力平衡调节研究

2.1 热网水力特性调节

热网水力特性调节子系统中“温度调节法”所涉及模型的实现是热网水力平衡调节的关键，中间变量计算分别由式（1）～（4）计算得出。

式中：nqpsrl 为暖气片散热量；lths_temp 为楼头回水温度；ltjs_temp为楼头进水温度；snhj_temp为室内环境温度；nqpmj为暖气片面积；α为暖气片传热系数；mbsrl 为目标散热量；mbsn_temp 为目标室内环境温度；swtq_temp为室外天气温度；rsll为热水流量。

最终变量计算分别由式（5）～（8）计算给出：

式中：mbhs_temp 为目标会水温度；mbsrl 为目标散热量；nqpmj 为暖气片面积；α为暖气片传热系数；mbsn_temp为目标室内环境温度；ltjs_temp为楼头进水温度；wdtzl为温度调整量；mbhs_temp为目标会水温度；lths_temp 为楼头回水温度；mbrsll为目标热水流量；mbsrl 为目标散热量；lltzl 为流量调整量；rsll为热水流量。

2.2 热网热负荷预测

根据计算方式的不同，热网热负荷预测可以分为“比值法”热负荷预测和“面积法”热负荷预测。

1）“比值法”热负荷预测计算由式（9）给出。输入包括天气情况、天气修正系数、风力情况、风力修正系数、当前室外温度和目标室内温度。

式中：Q 为热负荷；JZ_Q 为基准热负荷；mbhs_temp为目标会水温度；dqsw_temp 为当前室外温度；α 为天气修正系数；β为风力修正系数；sn_temp 为室内温度；sw_temp为室外温度。

2）“面积法”热负荷预测计算由式（10）给出。输入包括总热负荷原始数据、目标室内温度、当前室外温度、室内温度和室外温度。

式中：Q 为热负荷；Z_Q 为总热负荷；mbsn_temp 为目标室内温度；dqsw_temp为当前室外温度；sn_temp为室内温度；sw_temp为室外温度。

2.3 新增热网水力特性预测

新增热网水力特性预测涉及“热水质量流量”、“最小管径”和“比摩阻”三个热网重要参数。“热水质量流量”由供热负荷、热水比热容、热水入口温度和热水回水温度等数据计算得出，按式（11）计算；“最小管径”由公比摩阻、管内流体密度、质量流量和粗糙度等数据计算得出，按式（12）计算；“比摩阻”由管径大小、管内流体密度、热水质量流量和粗糙度等数据计算得出，按式（13）计算。

式中：rszlll 为热水质量流量；Q 为供热负荷；c 为热水比热容；rsrs_temp 为热水入水温度；rshs_temp 为热水回水温度。

式中：Dm 为最小管径；rszlll 为热水质量流量；Ra 为粗糙度；Rm为比摩阻；ρ为管内流体密度。

式中：Rm 为比摩阻；rszlll 为热水质量流量；Ra 为粗糙度；ρ为管内流体密度；D为管径大小。

3 系统设计与实现

根据现实供热需求，完成热用户工况信息管理、热网水力特性调节、热网热负荷预测、新增热网水力特性预测及系统管理等功能［7］。

3.1 系统设计

1）系统用例设计

供热管网水力平衡调节系统的主要用例有登录系统、注销登录、发送邮件、管理工况信息、调节水力特性、获取指导方案、预测热负荷、预测新增热网水力特性、管理系统、管理个人信息等。根据提炼出的用例绘制系统用例图［8］，系统用例图如图1所示。

图1 系统用例图

2）数据库设计

数据库设计需要提高数据库的一致性和可维护性，避免出现冗余信息，减少软件访问数据库的难度，提高数据库访问效率。基于Android 平台供热管网水力平衡调节系统的数据库组成包括客户端数据库和服务器端数据库两部分。客户端使用SQLite 数据库［9］，设计工具为SQLite Expert；服务器端使用SQL Server数据库［10］，设计工具为SQL Server Management Studio。

系统客户端数据库主要包括水力特性表、中间结果表和工况信息表。工况信息表用于存储热用户实时工况信息数据，包括各小区的楼头回水温度、楼头进水温度、室内环境温度、目标室内温度、室外天气温度和暖气片面积等；中间结果表用于存储通过“温度调节法”计算模型，在对热用户工况信息进行计算时得到的中间结果，包括暖气片散热量、暖气片散热系数、目标散热量和热水流量；水力特性表用于存储系统通过“温度调节法”计算模型，计算得到的各小区供热管网水力特性参数值，包括小区名称、目标回水温度、温度调整量、目标热水流量和流量调整量。

3.2 系统实现

3.2.1 系统服务器端实现

系统服务器端工程主要包括三个部分：服务器端数据库操作部分、服务器端与客户端通信部分以及服务器端与客户端的公共消息类。upc.edu.ClientCommon 包中存放了三个消息的实体类，包括用户类、消息类和消息类型类，用于服务器与客户端通信时传递客户端要求或发送的消息［11］。

1）服务器数据库操作

供热管网水力平衡调节系统服务器端数据库操作部分放置在工程的bishe.tempcontrol.server.dao包中，包中共有三个数据库操作类：DBUtil.java、MessageDao.java 和UserDao.java。服务器端使用SQL Server数据库，DBUtil.java 类是数据库连接类，使用了jdbc 的连接方式［12］。MessageDao.java 类和UserDao.java 类中放置了所有要对用户消息表和用户表进行的操作函数。

2）服务器与客户端通信

供热管网水力平衡调节系统服务器端与客户端之间使用Socket进行通信［13～14］。使用Socket通信时需要引入java.net 包中的两个类Socket 类和ServerSocket 类［15］。Socket 通信过程如下［16］：首先创建一个SocketServer 的类作为服务端，该服务端使用了多线程机制，可以在特定端口处监听多个客户请求，一旦有客户请求，SocketServer 会创建一个服务来服务新来的客户，而自己则继续进行监听。创建SocketServer 类对象时需要为服务端设置端口号，本项目中端口号设为5050。Socket 实例对象由SocketServer对象调用accept（）函数生成。accept（）是一个阻塞性方法，所谓阻塞性方法就是该方法被调用后将等待客户的请求，直到有一个客户启动并请求连接到相同的端口，然后accept（）返回一个对应于客户的Socket。这时，服务器端和客户端都建立了用于通信的Socket，接下来就是由各个Socket分别调用getInputStream（）函数和getOutputStream（）函数打开各自的输入、输出流，然后进行数据通信。

3.2.2 系统实现

基于Android的供热管网水力平衡调节客户端采用三层架构的思想，整个系统框架分为表现层、业务逻辑层和数据访问层三个部分。其中数据访问层封装了项目中所有对SQLite 数据库操作方法的实现，并提供了一个接口，业务逻辑层通过该接口来进行对客户端数据库的操作。当需要对数据库操作部分进行修改时，只需要将封装的类进行修改，无需改动其他代码。

工况信息管理设计了随时间变化曲线形式，直观显示“楼头回水温度”、“楼头进水温度”和“室外天气温度”等参数的随时间的变化，如图2所示。

热网水力特性调节通过“温度调节法”计算模型计算生成，根据供热单位的级别不同，系统能够生成三级指导方案，指导方案包括两部分：1）温度、流量参数柱状图；2）各级别具体的调节方案，如图3、图4、图5所示。

图2 参数变化曲线图

图3 一级单位水力调节指导方案界面

图4 二级单位水力调节指导方案界面

图5 三级单位水力调节指导方案界面

4 结语

论文针对供热管网水力平衡调节展开研究，设计并实现了基于Android 的水力平衡调节系统，实现了供热管网的水力工况分析计算模型，可以对供热管网现状进行分析诊断，依据“温度调节法”计算模型对应不同级别的供热单位生成各自的水力调节指导方案，该成果应用于某大型供暖企业，效果良好，证明了该系统的科学性、有效性。