(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211110907.4 (22)申请日 2022.09.13 (71)申请人 浙江大学 地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘 路866号 (72)发明人 张俊伟　钟崴　林小杰　 (74)专利代理 机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 专利代理师 万尾甜　韩介梅 (51)Int.Cl. G06F 30/18(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06K 9/62(2022.01) F24D 19/10(2006.01)G06F 111/04(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 113/14(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于仿生原理的供热系统拓扑结构优 化方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于仿生原理的供热系 统拓扑结构优化方法。 本发明方法步骤如下： 步 骤S1， 获取热用户的位置和数量信息， 根据热用 户的分布情况， 进行聚类分析； 步骤S2， 基于仿生 原理， 将供热系统的热源、 热力站、 各级热用户建 筑物和各级管道阀组作为系统管网节 点， 根据系 统管网节点和现有管线信息， 利用ArcGIS构建供 热管网的拓扑结构模型； 步骤S3， 根据血液系统 的阻抗模型， 构建供热系统的耗散热阻模型； 步 骤S4， 以供热系统的耗散 热阻最小为目标函数并 对其求解， 得到管网各节点及管线结构的参数优 化值。 本发 明实现了供热系统拓扑结构的整体优 化， 为城市供热系统拓扑结构的分析与评估提供 了新思路， 对实际供热系统工程 设计与改造具有 参考价值。 权利要求书3页 说明书7页 附图1页 CN 115455621 A 2022.12.09 CN 115455621 A 1.一种基于 仿生原理的供 热系统拓扑 结构优化方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤S1， 获取 热用户的位置和数量信息， 根据热用户的分布情况， 进行聚类分析； 步骤S2， 基于仿生原理， 将供热系统的热源、 热力站、 各级热用户建筑物和各级管道阀 组作为系统管网节点， 根据所述系统管网节点和现有管线信息， 利用ArcGIS构建供热系统 中供热管网的拓扑 结构模型； 步骤S3， 根据血 液系统的阻抗模型， 构建供 热系统的耗散热阻模型； 步骤S4， 以供热系统的耗散热阻最小为目标函数， 求解所述目标函数得到管网各节点 及管线结构的参数优化 值， 从而得到供 热系统拓扑 结构的整体优化结果。 2.根据权利要求1所述的一种基于仿生原理的供热系统拓扑结构优化方法， 其特征在 于， 所述的步骤S1中， 根据热用户的分布情况， 进行聚类分析， 具体方法为： S11， 首先将供热系统中分散的热用户组成一个低密度的数据点集D＝{X1,X2,X3,…, Xn}， 其中X1～Xn分别对应其中的一个热用户； 假定邻域参数( ε， MinPts),所述邻域参数的具 体数值依据实际情况选定， 用于确定热用户的ε ‑核心邻域以及选取热用户核心对 象； 对于 Xj∈D， 其 ε‑邻域为： ε ‑邻域包含数据集D中与Xj的距离不大于 ε 的样本； 若热用户Xj的ε‑核心 邻域至少包含MinPts个样本， 则Xj为一个核心对象； 利用DBSCAN算法找出D中各数据的ε ‑邻 域并确定核心对象集 合Ω； S12， 随机选取Ω中的一个核心对象， 若Xj位于Xi的ε‑邻域中， 且Xi是核心对象， 则Xj由Xi 密度直达； 找出由所述核心对象密度直达的所有样本， 形成一个新簇C1； 然后将C1中包含的 核心对象从Ω去除， 得到更新后的集 合Ω； S13， 重复步骤S12， 直至集 合Ω为空则结束， 得到热用户的聚类分析 结果。 3.根据权利要求2所述的一种基于仿生原理的供热系统拓扑结构优化方法， 其特征在 于， 所述的步骤S2具体为： 步骤S21， 首先获取供热系统中的热源、 各级热力站、 各级热用户建筑物以及管网中各 级阀组的具体位置坐标， 供热管网的管线长度和管道的起点和终点的具体位置坐标和管道 流体流动方向数据； 步骤S22， 将供热系统中的热源类比为人体的心脏， 换热站及各级阀组类比为人体的调 节器官； 将热源及各级换热站内的加压泵对热媒流体介质的推动作用类比为人体心脏对血 液的推动作用， 其中所述的各级阀组包括截止阀、 排气阀、 止回阀， 所述的各级热用户建筑 物包括末端水箱、 调压塔及散热器； 步骤S23， 将热源和各级区域换热站的换热器和加压泵设备作为供热系统管网模型的 推动节点， 各级热用户建筑物所在的小区换热站作为一级调节节点， 热用户的散热器及阀 门作为二级调节节点， 所有的调节节点和供热管网管线均为供热系统拓扑结构的组成单 元； 步骤S24， 基于步骤S23中拓扑结构的组成单元信息， 利用ArcGIS构建供热管网的拓扑 结构模型； 由此得到供热系统拓扑结构的三维可视化模型， 所述三维可视化模型包括供热 管网的干支线三维模型以及整体供 热区域的地形模型。 4.根据权利要求3所述的一种基于仿生原理的供热系统拓扑结构优化方法， 其特征在 于， 所述的步骤S3具体为： 步骤S31， 基于血 液系统仿生原理， 首 先得到血液管网的流动阻抗模型， 用下式表示：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115455621 A 2式中， R为血液流动阻力； Q为血液流量； P1和P2分别为血液管网中节点首端和尾端的压 力， Pa； 步骤S32， 对于集中供热系统， 首先获得热力站、 供热管网和末端热用户散热器各节点 的流量和温度数据， 分别构建相应的耗散热阻模型； 热力站中换 热器的耗散热阻可表示 为 式中， m0和mt分别为一次和二次供热网中热水的质量流量； cp为热水 的比定压热容， (KA)sub为热力站中换热器的热导； mi为第i幢建筑中热水的质量 流量， i＝1,2,…,n； 供热管网中管道各节点的耗散热阻可表示 为 式中， 下标ab表示第a根管道第b个节点， mab为ab节点间管道内热水的质量 流量； (KA)ab表示管道的热导； 末端热用户散热器的耗散热阻可表示 为 式中， 下标rad为散热器， 下标ij为第i幢建筑的第j个末端热用户的散热器， ， (KA)ij为 该热用户散热器热导。 5.根据权利要求4所述的一种基于仿生原理的供热系统拓扑结构优化方法， 其特征在 于， 所述的步骤S4具体为： 步骤S41， 以供 热系统的耗散热阻最小构建优化目标函数， 可表示 为： 式中， n为建筑物总数， Ni为第i幢建筑中的末端热用户散热器总数； 步骤S42， 确定求 解优化目标函数的约束条件； 在供热系统中， 二次供 热网供水的总热容 量一定， 即 在集中供热网络 中， 同一支路的热用户建筑为并联关系， 即输送至第1 幢建筑热用户和 第i幢建筑热用户的热 水温度相等， 则集中供 热管网的并联约束条件表示 为：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115455621 A 3