一号院游泳馆综合节能分析和策略—课程设计论文

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1、管理工程综合课程设计报告 管理工程综合课程设计报告摘 要本文以研究游泳馆的流量流动为基本出发点，根据能量守恒等热力学定律建立游泳馆的能量转移模型。对锅炉的开关机时间进行优化，细致地分析了在游泳馆开馆和闭馆两种情况下的热能散失情况。并给出在不同外界温度条件下,开关机时间的最优策略,和平均节能效率。如在24度外界温度下,应当在8:15打开锅炉 22:06在闭馆时关闭锅炉，平均节能效率30%左右。关键词: 游泳馆 节能分析 最优策略18第一部份 研究报告1、课程设计题目一号院游泳馆综合节能分析和策略2、问题背景2011年10月，我校一号院游泳馆正式开放，为我校学员军事训练和教职员工游泳锻炼提供了方便

2、。游泳馆自运行以来，学校训练部门针对游泳馆的能源消耗情况和运行费用进行了分析，发现游泳馆能源消耗巨大，每天运行费用较高，特别是冬天的运行费用甚至达到每天万元左右。本着资源节约的目的，我们希望通过科学的手段最大限度的发挥能源效率，达到资源节约的目的。经实地调查，得知当前游泳馆面积约为3700余平米，拥有一个深水游泳池和一个浅水游泳池，游泳馆采用圆形拱顶，拱顶两侧平面和东面、背面外墙采用玻璃设计。由于训练和游泳的需要，游泳馆内需要能够较好地保持室内温度和水温，但自开馆以来，由于室内温度一直不能有效的达到28度，所以水温并没达到最适合温度30度。维持游泳馆室内和水温主要通过锅炉燃烧天然气来完成。同时

3、辅助以电力带动的暖风机进行温度维持。场馆运行费用中天然气的消耗费用是最大的，其次是电力的消耗，在保障游泳馆正常开放使用前提下，减少天然气的使用是最有可能节省能源和费用的举措。游泳馆运行的一般流程是这样的。场馆一般是下午3点开放,晚上9点闭馆。水温由底层温控设备控制，锅炉温度可人工手动调节。为了摸清游泳馆的运行和资源消耗情况，我们向管理部门咨询了相关游泳馆的运行数据。3、问题分析游泳馆在为我校学员军事训练和教职员工游泳锻炼提供便利的同时，也带来了大量的能源损耗。场馆一般是下午3点开放,晚上9点闭馆。只有在场馆开放的时候水温和室温需要达到要求,然而目前采取的做法是,温度低于要求时就打开锅炉,温度过

4、高时则短时间关闭锅炉,基本上游泳馆水温,室温全天维持在要求的标准附近,而每天锅炉的开机时间也基本上在20个小时以上。因此对于从优化开关机时间策略来节约能源，极具必要性。为了达到节约能源的目的，首先要明确游泳馆系统的能量流入和流出情况。我们以研究游泳馆的流量流动为基本出发点，根据能量守恒等热力学定律建立游泳馆的能量转移模型。针对模型中的某些未知量，我们可以利用相关的数据进行简单的拟合和估算，从而可完整地给出游泳馆的能量转移模型。据此，便能够很好地描述游泳馆内温度变化情况。1游泳馆系统能量流动分析就所得到的数据来看，室外环境温度偏低，初始状态下游泳馆系统与室外环境温度相同。为了达到训练要求，需为游

5、泳馆系统提供能量：打开暖风机可将热量传递给游泳馆空气，使其升温；打开锅炉加热循环水，可通过地暖设备传递热量给游泳馆空气使其升温，同时通过游泳池地下的热量交换装置对浅水池和深水池的水进行加热，使水温升高。池水与游泳馆空气有热量交换，游泳馆空气通过墙壁向室外环境传递热量，这是游泳馆系统的热量流失，要保证游泳馆系统的温度稳定在一定范围内，需要锅炉和暖风机工作补充热量。能量传递情况如下图所示：图1 游泳馆能量流动图要计算模型中的具体数值，需要给出游泳馆结构的参数：2游泳馆结构分析根据游泳馆的平面图和剖面图可以估算得到以下参数：表1 游泳馆各结构参数游泳馆总的表面积通过观察数据，我们发现：通常一号院游泳

6、馆的水温高于室温，而在大多数时间（冬季、春季）室温高于外界温度。所以，一般来说热量的流动方式是从内到外的：通过水分的蒸发散热作用，泳池中水散失的热量进入了室内的空气中，而室内空气又通过墙壁传导、对流等辐射作用将热量散失到外界。弄清楚整个游泳馆的能量流动过程后，我们可以建立热力学模型描述整个游泳馆内的热量流动情况，从而描述题目要求的馆内温度的变化和能源的使用情况。分析针对不同环境（时间、当时气温、训练计划）下对锅炉的开关机时间进行优化，从而节省能源和费用。4 模型的建立及求解4.1 模型的建立4.1.1 问题假设1) 假设游泳馆内空气温度在同一时刻相同，不考虑垂直方向上的温度差异梯度。2) 泳池

7、内各处的水温在同一时刻相同，不考虑垂直方向上的温度差异,以及该局部系统内部的对流、能量流动。3) 游泳馆内的有效热源只考虑循环热水和暖风扇，不考虑其他物质因素，如：阳光的辐射,人体热辐射、游泳馆内各种设备的散热。4) 只考虑蒸发作用导致的热量散失，不考虑水分的减少，即水的体积一定。5) 假设游泳池系统都是通过外墙与室外环境进行热量交换的，不考虑对流、热辐射与外界进行的热量交换。4.1.2 符号说明表2 符号说明温度相关符号: 体积相关: 表面积相关: 热量相关: 功率相关: 其他符号: 4.1.3 热量转移模型根据基本的热力学知识，我们可以得到如下的热量转移关系： (1) (2) (3) (4

8、) (5) (6)其中各个式子的含义:（1）式: 内室内空气向外散失的热量（2）式: 内室内空气的能量变化（3）式: 内深水池的能量变化关系（4）式: 内浅水池的能量变化关系（5）式: 内深水池向外散失的热量（6）式: 内浅水池向外散失的热量将其写成微分形式，从而得到其微分方程组：根据调研得到的信息,得知正常工作条件和待机条件下,各部分工作功率如下表,正常工作条件下待机工作条件下此外，方程中仍有两项和不能根据题目的信息和数据直接得到。我们通过实地考察对进行了解，并随后用游泳馆的停炉测试表中的数据对、进行了估计和拟合。计算结果详见4.3节 模型求解。4.1.4 优化策略的规划模型建立分析针对不同

9、环境（时间、当时气温、训练计划）下对锅炉的开关机时间进行优化，从而节省能源和费用。我们从反面考虑：如果使游泳馆在达到训练计划的情况下，尽可能少的向外界释放热量，就可以最大地节省能源。所以，接下来，我们对一天24小时内游泳馆的散热情况进行分析。已知场馆一般是下午3点开放,晚上9点闭馆。为了达到训练要求，在这段时间内，室内温度保持在26度左右，水温保持在27-28度左右。所以在开馆的时间内，认为室外温、水温等决定游泳馆散热的条件相对恒定，就这段时间而言，游泳馆对外散发的热量相对固定，不会因锅炉的开关机时间的优化而节省能源和费用。所以，我们将节能优化的时间段放在闭关段，即：前一天晚上9：00至第二天

10、下午3：00。锅炉开关机优化策略分析根据实际的调查，我们发现游泳馆场馆一般是下午3点开放,晚上9点闭馆。只有在场馆开放的时候水温和室温需要达到要求,然而目前采取的做法是,温度低于要求时就打开锅炉,温度过高时则短时间关闭锅炉,基本上游泳馆水温,室温全天维持在要求的标准附近,而每天锅炉的开机时间也基本上在20个小时以上。因此对于从优化开关机时间策略来节约能源，极具必要性。首先，我们提出如下基本策略模式，并在其基础上求解优化策略：为了方便实际管理和操作,我们假定每天只开关一次,开关机的具体时间由外界温度条件而定,如此对比以往操作策略,分析所给优化策略的节能效果,在闭馆（前一天晚上9：00）后某个时间

11、t1关闭锅炉，然后在下次开馆（次日下午3：00）前某时刻t0打开锅炉，使开馆时的室温和水温刚好达到训练要求。优化策略的规划模型建立在上述策略下，由于管理人员所提供的数据有限，无法拟合得到每一个季节里具体的外界温度条件下的热量传递的解析关系，然而结合实际考虑，相近的月份里外界温度基本相同，因此我们决定在相近的月份里选择特定天数的数据进行计算，从而相近月份下的同一温度选择同样的开关锅炉策略。为了方便模型的表达，我们将第一天的时间0:00用“0时刻”表示，第二天的0：00点用“24时刻”表示，类似的，第二天凌晨1:00则可以用“25时刻”表示，则单位“1”表示一小时的时间，从中选择最优时间点t0打开

12、锅炉，t1关闭锅炉，使得在保证开馆时能达到训练环境的要求。 为了满足温度的要求，我们先根据热量转移模型，可以得到：其中，热量与温度满足关系：为了满足训练要求，应该有：根据附表中的数据，我们观察得：游泳馆室温、深水池温度、浅水池温度大致分别稳定到26度、27度、28度。所以，在计算中我们设置初始点为：在上文中，我们已得到结论：若在整个游泳馆开放时间，馆内温度刚好维持训练的温度要求，则在整个开放的时间内释放的热量与策略无关，这里我们假定为一恒定值b。又根据能量流动模型，我们可以得到不同温度下游泳馆系统的热量损失情况：所以，我们可以描述室外温度为，选择在时刻开启锅炉，时刻关闭锅炉，在一个周期内，系统

13、向外释放的热量为：在相邻的月份里，我们若选择同样的开锅炉时间，则该最优策略的规划模型可以写为：目标函数： 其中，代表不同的日期约束条件：初始点：4.2 模型数据来源我们组利用课下时间到游泳馆进行实地考察，并与相关工作人员进行交流，了解到游泳馆的一些基本的参数。结合网上其他游泳馆的实际运行数据对手头收集资料进行了修正和补充，最终得到适合我们模型使用的数据。具体数据如下：当前游泳馆面积约为3700余平米，拥有一个深水游泳池和一个浅水游泳池，两个游泳池面积均约为1325平米，两个游泳池长均为50米,每个游泳池在25米又将深度分为两部分，深水池深度分别为1.4米和2米，浅水池深度分别为0.9米和1.4

14、米。游泳馆采用圆形拱顶，拱顶两侧平面和东面、背面外墙采用玻璃设计（游泳馆一层平面图和剖面图如附件1所示，详细构造可到一号院游泳馆考察和咨询游泳馆工作人员）。由于训练和游泳的需要，游泳馆内需要能够较好地保持室内温度和水温，一般室内温度保持在26度（实际上冬天室内温度应该达到28度左右更合适），水温保持在27-28度较合适（冬天实际达到30度左右更合适），但游泳馆自开馆以来，由于室内温度一直不能有效的达到28度，所以水温并没达到30度。维持游泳馆室内和水温主要通过锅炉燃烧天然气来完成，由位于游泳馆地下的锅炉燃烧天然气，产生循环利用的热水，一部份通过游泳池地下的热量交换装置为游泳池水升温，另一部分通

15、过地暖设备对游泳馆室内进行升温，同时辅助以电力带动的暖风机进行温度维持。场馆运行费用中天然气的消耗费用是最大的，其次是电力的消耗，其他资源如水的消耗则相对较少。为了摸清游泳馆的运行和资源消耗情况，我们从管理部门拿到了部分游泳馆的运行数据（见附件）。 4.3 模型求解4.3.1 游泳馆向外散失热量规律的探讨，拟合我们假设,在开启锅炉后，循环热水能在一定时间内上升到恒定温度，并直到关闭锅炉的时间内，自身的内能均不会改变；达到此条件后，我们可以以整个游泳馆为对象，根据能量守恒定律，我们得出：根据比热容的定义，有：从而，我们可以得到：进一步，我们便可以根据游泳馆管理员提供给的数据，计算在不同条件（、）

16、下，一定时间内的，游泳馆向外排放的热量。又另一方面，可由下式描述，因此可以拟合估计游泳馆的平均导热系数通过计算，我们发现游泳馆的平均导热系数随着温度的增加而增加，大致在1.42.0mW/(K)范围内（取）。后续的求解计算中我们取用到能量流动模型中。4.3.2 泳池蒸发散热规律的探讨，拟合，同理，在假设4）的前提下，我们以泳池为对象，根据能量守恒定律有：从而，我们可以计算出、与相关的条件（如：、等）的关系，并在此基础上，对两个游泳馆的蒸发散热速率与进行拟合。以附表中外界 外界温度24度，维持T1=26情况下,得到拟合结果：4.3.3 规划模型求解由之上的分析,知待求解问题已转化成以下规划模型.目

17、标函数： 其中，代表不同的日期约束条件：初始点：由于待求目标函数为当前季节的全局最优解，然而考虑到该类组合问题，求解规模较大，另一方面游泳馆数据不全，因此我们选定当月中外界温度平均水平计算一天内的最优值，其实是一种贪心算法。大大降低了问题的计算复杂度，由实际物理意义易得，约束条件取等号不改变目标函数的最优解，该问题即为条件极值问题，求解的方法有很多，如拉格朗日条件极值求解算法。这里我们由函数取极值的必要条件，函数在x0取极值，则x0必为其驻点。因此我们求解目标函数的驻点，然后逐一用驻点验证约束条件。相关的计算代码如下：%此处选取24度温度为例子 拟合求解微分方程%dq1/dt=p电+p地暖+p

18、深水+p浅-c1m1*detT1/dt-c2m2*detT2/dt-c2m2*detT2/dtfor i=1:11 LowPower_dq1_24(i,1)=i+7; LowPower_dq1_24(i,2)=sum(LowPower_P)-C1M1*LowPower_time_detT_24(i,2)-C2M2*LowPower_time_detT_24(i,3)-C21M21*LowPower_time_detT_24(i,4); HighPower_dq1_24(i,1)=i+7; HighPower_dq1_24(i,2)=sum(HighPower_P)-C1M1*HighPower

19、_time_detT_24(i,2)-C2M2*HighPower_time_detT_24(i,3)-C21M21*HighPower_time_detT_24(i,4); LowPower_dq2_24(i,1)=i+7; LowPower_dq2_24(i,2)=LowPower_P(3)-C2M2*LowPower_time_detT_24(i,3); HighPower_dq2_24(i,1)=i+7; HighPower_dq2_24(i,2)=HighPower_P(3)-C2M2*HighPower_time_detT_24(i,3); LowPower_dq21_24(i,1

20、)=i+7; LowPower_dq21_24(i,2)=LowPower_P(4)-C21M21*LowPower_time_detT_24(i,4); HighPower_dq21_24(i,1)=i+7; HighPower_dq21_24(i,2)=HighPower_P(4)-C21M21*HighPower_time_detT_24(i,4);end%拟合dq1LowPower_poly_24_dq1=polyfit(LowPower_dq1_24(:,1),LowPower_dq1_24(:,2),1);HighPower_poly_24_dq1=polyfit(HighPowe

21、r_dq1_24(:,1),HighPower_dq1_24(:,2),1); %拟合dq2LowPower_poly_24_dq2=polyfit(LowPower_dq2_24(:,1),LowPower_dq2_24(:,2),1)HighPower_poly_24_dq2=polyfit(HighPower_dq2_24(:,1),HighPower_dq2_24(:,2),1)%拟合dq2LowPower_poly_24_dq21=polyfit(LowPower_dq21_24(:,1),LowPower_dq21_24(:,2),1)HighPower_poly_24_dq21=

22、polyfit(HighPower_dq21_24(:,1),HighPower_dq21_24(:,2),1)%求解偏微分方程二元函数驻点T_off=(HighPower_poly_24_dq1(2)+LowPower_poly_24_dq1(2)/(LowPower_poly_24_dq1(1)-HighPower_poly_24_dq1(1)+8;T_open=(HighPower_poly_24_dq1(2)+24*LowPower_poly_24_dq1(1)-LowPower_poly_24_dq1(2)/(LowPower_poly_24_dq1(1)-HighPower_pol

23、y_24_dq1(1)+8;disp( sprintf(外界温度24度的条件下 开机时间 %f,关机时间 %f n,T_open,T_off);运行求解结果如下:图2 MATLAB 求解结果5 结果分析5.1 最优策略用数值方法求解上面建立的规划模型，数据有限,不防只用外界温度24度的高低功率，得出结果如下表：外界温度24度的条件下 开机时间 8.258182,关机时间 22.011825 表3 天气温度24 开关锅炉运行策略开机时间8:15 22:06待机时间22:06 次日 8:15游泳馆按照这个策略进行停炉，可节省部分能源，达到比以前节约能源的目的。运行过程中温度随时间变化曲线如下图,图

24、3 游泳馆各部分温度变化图5.2 节能效果分析对比学校游泳馆以往运行策略，由于以往没有明确的开关机时间策略，所以以往的开关机由仿真得到，各个部分在优化前后功率变化如下图，比较前后所围面积的改变，可以明显发现，有效的降低了总功率，起到了游泳馆建设综合节能的要求。图4热风扇功率优化前后对比图图5地暖功率优化前后对比图图6深水加热功率优化前后对比图图7浅水功率优化前后对比图由以上图像,我们可以大概的看出来,优化后的策略确实起到了一定的效果,为了更好的对比结果，我们引入节约效率的概念，其中。可得优化后各部分能源节约效率表4 优化前后对比能源节约效率部分名称热风扇地暖深水浅水节约效率302%327%34

25、0%325%6 模型优缺点6.1 模型优点1. 密切联系实际需求，以一号院游泳馆为实际背景，模型针对性强。2. 以微分方程刻画能量流动关系，以游泳馆统计数据来拟合求解其解析关系，逻辑严谨。6.2 模型缺点1. 实际情况过于复杂，像气温变化显然与辐射（太阳照射）有及其密切的联系，然而因为无法刻画辐射进游泳馆的能量的解析关系，从而模型不够全面，准确。2. 由于数据有限，并没有真正对一个月或一个季度里进行全局最优的搜索，因此得到的往往只是局部优解，然后再进一步的验证各个优化条件。7 管理对策与建议该模型全面细致的刻画了整个游泳馆的能量流动，以能量守恒描述宏观的能量变化，以微分方程刻画各个部分能量传递

26、的细节。充分考虑现实因素，模型与现实联系紧密。模型根据不同的时令制定出相关的停炉改进措施，例如在外界温度为24度时可以选择8:15开锅炉, 22:06关闭锅炉,极大的节省了能源和费用，改进措施停炉时间段明确，简单，方便，实际应用中可行性良好。但是模型没有很好的考虑到辐射，对流等其他很影响馆内温度变化的条件。由于天气，散热随时间季节改变并不具备严格的增减关系，存在着不少的离群值，对于拟合的结果，很难精确的说明每一天的状况。另外微分方程求解过程较为复杂，对原始数据的记录要求较严格。而提供的详细的温度数据只有3月到7月初。部分结论不够精确。综上，我们模型在一定程度上，解决了目前游泳馆存在的能源浪费问

27、题，若按照模型制定的不同的时令相关停炉改进措施进行管理，可极大的节省能源和费用。参考文献1 徐玖平等，运筹学（第二版），科学出版社，20042 导热系数 百度百科3http:/zh.wikipedia.org/zh-cn/%E7%86%B1%E5%B0%8E%E7%8E%87导热率 wiki百科附录附件1：游泳馆一层平面图和剖面图第二部份 工作总结报告综合设计课程是一门实践性很强的课程，同时也是一门集编程、设计、分析为一体的综合性很强的课程。在听完老师的详细介绍后，我们便对综合设计的思路有了清晰的认识和理解。通过自由组队之后，我们组集思广益、群力群策，将问题聚焦在了游泳馆节能应用上面。节能环保

28、是21世纪的主题，也是我国构建和谐社会的一个重要内容，更是当前我国经济转型重要的一环。作为一门课程的研究课题，我们下定决心将这样一个课题，当做成一门全新的艺术来研究和探索，以此得到我们想要的结果。我们组的成员及其分工如下：组员：张鹏乐、刘春辉、张饶组员分工：搜集资料张鹏乐、刘春辉问题分析、编程张鹏乐、刘春辉论文撰写张鹏乐、刘春辉、张饶报告及PPT制作张鹏乐、刘春辉综合工作总结撰写张饶开题之初，我们对问题了解并不深入透彻。经过上网搜集资料、到三号院游泳馆实地查看和现场采访游泳馆管理人员，我们知晓了游泳馆锅炉房的基本工作制度和各个关键时间点。通过现场的考察，我们愈加清楚自己需要的数据和解决问题关键

29、点。尽管其间遇到了许多问题，但团队合作，成为激励我们克服困难、刻苦攻关的不竭源泉。初期报告上交之后，我们对问题的把握不够全面，心里不免有些许困惑，但在经过老师的答疑解惑和点拨指导之后，我们终于形成了自己独有的解决问题的思路。一个良师的指引，对于迷茫的学子来说，是多么的重要啊！在整个课题研究过程中，我们小组的三名同志，既有分工，又有合作，关系融洽，处理问题迅速得当。我们集体讨论了研究的工作划分；然后，根据各自特长进行了分工，可是在课题接近尾声的时候，由于我们的分工过于绝对化，交流不是很多，导致最后的工作自己对自己的很熟悉，但是对别人的工作却不甚了解。在整个论文中，我们用到的方法是正确的，具体的步

30、骤也给出了，但是在编程方面可能考虑问题不是很全面很细致，以致发生分歧，遇到了前所未有的困难。但我们仍然坚持把我们的方案做了下去，坚持做到了最后，得到了一个较为满意的结果。短短的两三周时间，时间虽然有点紧，但我们齐心协力，团结一心，努力做出了自己的东西。加班加点在所难免，往往长时间的在图书馆里呆很久，因为需要查询资料的原因，每每遇到新的方法，都有种推翻原先想法重新建立更有效地模型的冲动。从一开始的的不清晰不明朗到更深入的认识和全面的了解，从最初建立单一简单的模型到系统建模，一路走来，我们阅尽路边风景，知识增长了，动手实践能力增强了，视野更加开阔。有位科学家曾经说过，“你知识越多，你就感觉自己越加

31、渺小。你知识越少，你越感觉自己越高大。”我想我们此刻已有些许懂得其中的含义。因为学得越多，自己越知道周边世界的广大，自己也就更加渺小。综合设计课给予我们一次有意义的尝试，将为我们接下来的毕业设计打下坚实的基础。在第一次汇报中，我组的成果得到了教员和同学们的肯定。在接下来的工作中，我们努力发现更加细小的问题，然后结合实际，完善了我们的模型。由于时间紧，所以程序等都做得有些粗糙，但是数据确是通过深入的调查和各种渠道得到的，是真实可信的。现在最为遗憾的事，是时间过短，我们无法继续完善我们的程序和模型，让它更加贴近实际，让我们的锅炉开关时间上更加人性化，更具有合理性。本次综合设计课，感触良多，老师的亲切指导，同学之间的帮助、相互间的信任，以及共同熬夜奋斗的难以忘怀的夜晚，都深深刻入我们的记忆深处。面对那份风雨同舟患难与共的磨砺，我想我们团队将会携手走得更远。享受过程，享受挑战，享受成果！梦想就在前方。虽然综合设计课程结束了，当我们奋勇前行的脚步不会停下来。毕业设计擂鼓喧天之时，我们仍将携手前行！