管理工程綜合課程設計報告-游泳館綜合節(jié)能分析和策略

1、<p><b>　　管理工程</b></p><p><b>　　綜合課程設計報告</b></p><p>　　2012年 09 月</p><p>　設 計 題 目 一號院游泳館綜合節(jié)能分析和策略 </p><p>　專 業(yè) 管理工程

2、專業(yè) </p><p>　學 員 姓 名 </p><p>　學 號 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文以研

3、究游泳館的流量流動為基本出發(fā)點，根據能量守恒等熱力學定律建立游泳館的能量轉移模型。對鍋爐的開關機時間進行優(yōu)化，細致地分析了在游泳館開館和閉館兩種情況下的熱能散失情況。并給出在不同外界溫度條件下,開關機時間的最優(yōu)策略,和平均節(jié)能效率。如在24度外界溫度下,應當在8:15打開鍋爐 22:06在閉館時關閉鍋爐，平均節(jié)能效率30%左右。</p><p>　　關鍵詞: 游泳館 節(jié)能分析 最優(yōu)策略</p>

4、<p><b>　　第一部份 研究報告</b></p><p><b>　　1、課程設計題目</b></p><p>　　一號院游泳館綜合節(jié)能分析和策略</p><p><b>　　2、問題背景</b></p><p>　　2011年10月，我校一號院游泳館正式開放

5、，為我校學員軍事訓練和教職員工游泳鍛煉提供了方便。游泳館自運行以來，學校訓練部門針對游泳館的能源消耗情況和運行費用進行了分析，發(fā)現游泳館能源消耗巨大，每天運行費用較高，特別是冬天的運行費用甚至達到每天萬元左右。本著資源節(jié)約的目的，我們希望通過科學的手段最大限度的發(fā)揮能源效率，達到資源節(jié)約的目的。</p><p>　　經實地調查，得知當前游泳館面積約為3700余平米，擁有一個深水游泳池和一個淺水游泳池，游泳館采用圓

6、形拱頂，拱頂兩側平面和東面、背面外墻采用玻璃設計。由于訓練和游泳的需要，游泳館內需要能夠較好地保持室內溫度和水溫，但自開館以來，由于室內溫度一直不能有效的達到28度，所以水溫并沒達到最適合溫度30度。維持游泳館室內和水溫主要通過鍋爐燃燒天然氣來完成。同時輔助以電力帶動的暖風機進行溫度維持。場館運行費用中天然氣的消耗費用是最大的，其次是電力的消耗，在保障游泳館正常開放使用前提下，減少天然氣的使用是最有可能節(jié)省能源和費用的舉措。</p

7、><p>　　游泳館運行的一般流程是這樣的。場館一般是下午3點開放,晚上9點閉館。水溫由底層溫控設備控制，鍋爐溫度可人工手動調節(jié)。為了摸清游泳館的運行和資源消耗情況，我們向管理部門咨詢了相關游泳館的運行數據。</p><p><b>　　3、問題分析</b></p><p>　　游泳館在為我校學員軍事訓練和教職員工游泳鍛煉提供便利的同時，也帶來了大

8、量的能源損耗。場館一般是下午3點開放,晚上9點閉館。只有在場館開放的時候水溫和室溫需要達到要求,然而目前采取的做法是,溫度低于要求時就打開鍋爐,溫度過高時則短時間關閉鍋爐,基本上游泳館水溫,室溫全天維持在要求的標準附近,而每天鍋爐的開機時間也基本上在20個小時以上。因此對于從優(yōu)化開關機時間策略來節(jié)約能源，極具必要性。</p><p>　　為了達到節(jié)約能源的目的，首先要明確游泳館系統(tǒng)的能量流入和流出情況。</

9、p><p>　　我們以研究游泳館的流量流動為基本出發(fā)點，根據能量守恒等熱力學定律建立游泳館的能量轉移模型。針對模型中的某些未知量，我們可以利用相關的數據進行簡單的擬合和估算，從而可完整地給出游泳館的能量轉移模型。據此，便能夠很好地描述游泳館內溫度變化情況。</p><p>　　1．游泳館系統(tǒng)能量流動分析</p><p>　　就所得到的數據來看，室外環(huán)境溫度偏低，初始狀

10、態(tài)下游泳館系統(tǒng)與室外環(huán)境溫度相同。為了達到訓練要求，需為游泳館系統(tǒng)提供能量：打開暖風機可將熱量傳遞給游泳館空氣，使其升溫；打開鍋爐加熱循環(huán)水，可通過地暖設備傳遞熱量給游泳館空氣使其升溫，同時通過游泳池地下的熱量交換裝置對淺水池和深水池的水進行加熱，使水溫升高。池水與游泳館空氣有熱量交換，游泳館空氣通過墻壁向室外環(huán)境傳遞熱量，這是游泳館系統(tǒng)的熱量流失，要保證游泳館系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定在一定范圍內，需要鍋爐和暖風機工作補充熱量。能量傳遞情況如下圖

11、所示：</p><p>　　圖1 游泳館能量流動圖</p><p>　　要計算模型中的具體數值，需要給出游泳館結構的參數：</p><p><b>　　2．游泳館結構分析</b></p><p>　　根據游泳館的平面圖和剖面圖可以估算得到以下參數：</p><p>　　表1 游泳館各結構參數游泳館

12、總的表面積</p><p>　　通過觀察數據，我們發(fā)現：通常一號院游泳館的水溫高于室溫，而在大多數時間（冬季、春季）室溫高于外界溫度。所以，一般來說熱量的流動方式是從內到外的：通過水分的蒸發(fā)散熱作用，泳池中水散失的熱量進入了室內的空氣中，而室內空氣又通過墻壁傳導、對流等輻射作用將熱量散失到外界。</p><p>　　弄清楚整個游泳館的能量流動過程后，我們可以建立熱力學模型描述整個游泳館內的

13、熱量流動情況，從而描述題目要求的館內溫度的變化和能源的使用情況。分析針對不同環(huán)境（時間、當時氣溫、訓練計劃）下對鍋爐的開關機時間進行優(yōu)化，從而節(jié)省能源和費用。</p><p>　　4 模型的建立及求解</p><p><b>　　4.1 模型的建立</b></p><p><b>　　問題假設</b></p>

14、<p>　　1) 假設游泳館內空氣溫度在同一時刻相同，不考慮垂直方向上的溫度差異梯度。</p><p>　　2) 泳池內各處的水溫在同一時刻相同，不考慮垂直方向上的溫度差異,以及該局部系統(tǒng)內部的對流、能量流動。</p><p>　　3) 游泳館內的有效熱源只考慮循環(huán)熱水和暖風扇，不考慮其他物質因素，如：陽光的輻射,人體熱輻射、游泳館內各種設備的散熱。</p>&l

15、t;p>　　4) 只考慮蒸發(fā)作用導致的熱量散失，不考慮水分的減少，即水的體積一定。</p><p>　　5) 假設游泳池系統(tǒng)都是通過外墻與室外環(huán)境進行熱量交換的，不考慮對流、熱輻射與外界進行的熱量交換。</p><p><b>　　符號說明</b></p><p><b>　　表2 符號說明</b></p>

16、;<p><b>　　熱量轉移模型</b></p><p>　　根據基本的熱力學知識，我們可以得到如下的熱量轉移關系：</p><p>　　其中各個式子的含義:</p><p>　　（1）式: 內室內空氣向外散失的熱量</p><p>　?。?）式: 內室內空氣的能量變化</p><p&

17、gt;　　（3）式: 內深水池的能量變化關系</p><p>　?。?）式: 內淺水池的能量變化關系</p><p>　?。?）式: 內深水池向外散失的熱量</p><p>　?。?）式: 內淺水池向外散失的熱量</p><p>　　將其寫成微分形式，從而得到其微分方程組：</p><p>　　根據調研得到的信息,得知

18、正常工作條件和待機條件下,各部分工作功率如下表,</p><p>　　此外，方程中仍有兩項和不能根據題目的信息和數據直接得到。我們通過實地考察對進行了解，并隨后用游泳館的停爐測試表中的數據對、進行了估計和擬合。</p><p>　　計算結果詳見4.3節(jié) 模型求解。</p><p>　　優(yōu)化策略的規(guī)劃模型建立</p><p>　　分析針對不同環(huán)

19、境（時間、當時氣溫、訓練計劃）下對鍋爐的開關機時間進行優(yōu)化，從而節(jié)省能源和費用。</p><p>　　我們從反面考慮：如果使游泳館在達到訓練計劃的情況下，盡可能少的向外界釋放熱量，就可以最大地節(jié)省能源。所以，接下來，我們對一天24小時內游泳館的散熱情況進行分析。</p><p>　　已知場館一般是下午3點開放,晚上9點閉館。為了達到訓練要求，在這段時間內，室內溫度保持在26度左右，水溫保持

20、在27-28度左右。所以在開館的時間內，認為室外溫、水溫等決定游泳館散熱的條件相對恒定，就這段時間而言，游泳館對外散發(fā)的熱量相對固定，不會因鍋爐的開關機時間的優(yōu)化而節(jié)省能源和費用。所以，我們將節(jié)能優(yōu)化的時間段放在閉關段，即：前一天晚上9：00至第二天下午3：00。</p><p>　　鍋爐開關機優(yōu)化策略分析</p><p>　　根據實際的調查，我們發(fā)現游泳館場館一般是下午3點開放,晚上9點

21、閉館。只有在場館開放的時候水溫和室溫需要達到要求,然而目前采取的做法是,溫度低于要求時就打開鍋爐,溫度過高時則短時間關閉鍋爐,基本上游泳館水溫,室溫全天維持在要求的標準附近,而每天鍋爐的開機時間也基本上在20個小時以上。因此對于從優(yōu)化開關機時間策略來節(jié)約能源，極具必要性。</p><p>　　首先，我們提出如下基本策略模式，并在其基礎上求解優(yōu)化策略：為了方便實際管理和操作,我們假定每天只開關一次,開關機的具體時間

22、由外界溫度條件而定,如此對比以往操作策略,分析所給優(yōu)化策略的節(jié)能效果,在閉館（前一天晚上9：00）后某個時間t1關閉鍋爐，然后在下次開館（次日下午3：00）前某時刻t0打開鍋爐，使開館時的室溫和水溫剛好達到訓練要求。</p><p>　　優(yōu)化策略的規(guī)劃模型建立</p><p>　　在上述策略下，由于管理人員所提供的數據有限，無法擬合得到每一個季節(jié)里具體的外界溫度條件下的熱量傳遞的解析關系，

23、然而結合實際考慮，相近的月份里外界溫度基本相同，因此我們決定在相近的月份里選擇特定天數的數據進行計算，從而相近月份下的同一溫度選擇同樣的開關鍋爐策略。</p><p>　　為了方便模型的表達，我們將第一天的時間0:00用“0時刻”表示，第二天的0：00點用“24時刻”表示，類似的，第二天凌晨1:00則可以用“25時刻”表示，則單位“1”表示一小時的時間，從中選擇最優(yōu)時間點t0打開鍋爐，t1關閉鍋爐，使得在保證開館

24、時能達到訓練環(huán)境的要求。</p><p>　　為了滿足溫度的要求，我們先根據熱量轉移模型，可以得到：</p><p>　　其中，熱量與溫度滿足關系：</p><p>　　為了滿足訓練要求，應該有：</p><p>　　根據附表中的數據，我們觀察得：游泳館室溫、深水池溫度、淺水池溫度大致分別穩(wěn)定到26度、27度、28度。所以，在計算中我們設置初

25、始點為：</p><p>　　在上文中，我們已得到結論：若在整個游泳館開放時間，館內溫度剛好維持訓練的溫度要求，則在整個開放的時間內釋放的熱量與策略無關，這里我們假定為一恒定值b。</p><p>　　又根據能量流動模型，我們可以得到不同溫度下游泳館系統(tǒng)的熱量損失情況：</p><p>　　所以，我們可以描述室外溫度為，選擇在時刻開啟鍋爐，時刻關閉鍋爐，在一個周期內

26、，系統(tǒng)向外釋放的熱量為：</p><p>　　在相鄰的月份里，我們若選擇同樣的開鍋爐時間，則該最優(yōu)策略的規(guī)劃模型可以寫為：</p><p><b>　　目標函數：</b></p><p><b>　　約束條件：</b></p><p><b>　　初始點：</b></p&

27、gt;<p>　　4.2 模型數據來源</p><p>　　我們組利用課下時間到游泳館進行實地考察，并與相關工作人員進行交流，了解到游泳館的一些基本的參數。結合網上其他游泳館的實際運行數據對手頭收集資料進行了修正和補充，最終得到適合我們模型使用的數據。</p><p><b>　　具體數據如下：</b></p><p>　　當前游

28、泳館面積約為3700余平米，擁有一個深水游泳池和一個淺水游泳池，兩個游泳池面積均約為1325平米，兩個游泳池長均為50米,每個游泳池在25米又將深度分為兩部分，深水池深度分別為1.4米和2米，淺水池深度分別為0.9米和1.4米。</p><p>　　游泳館采用圓形拱頂，拱頂兩側平面和東面、背面外墻采用玻璃設計（游泳館一層平面圖和剖面圖如附件1所示，詳細構造可到一號院游泳館考察和咨詢游泳館工作人員）。由于訓練和游泳

29、的需要，游泳館內需要能夠較好地保持室內溫度和水溫，一般室內溫度保持在26度（實際上冬天室內溫度應該達到28度左右更合適），水溫保持在27-28度較合適（冬天實際達到30度左右更合適），但游泳館自開館以來，由于室內溫度一直不能有效的達到28度，所以水溫并沒達到30度。維持游泳館室內和水溫主要通過鍋爐燃燒天然氣來完成，由位于游泳館地下的鍋爐燃燒天然氣，產生循環(huán)利用的熱水，一部份通過游泳池地下的熱量交換裝置為游泳池水升溫，另一部分通過地暖設備

30、對游泳館室內進行升溫，同時輔助以電力帶動的暖風機進行溫度維持。場館運行費用中天然氣的消耗費用是最大的，其次是電力的消耗，其他資源如水的消耗則相對較少。</p><p>　　為了摸清游泳館的運行和資源消耗情況，我們從管理部門拿到了部分游泳館的運行數據（見附件）。 </p><p><b>　　4.3 模型求解</b></p><p>　　游泳館向

31、外散失熱量規(guī)律的探討，擬合</p><p>　　我們假設,在開啟鍋爐后，循環(huán)熱水能在一定時間內上升到恒定溫度，并直到關閉鍋爐的時間內，自身的內能均不會改變；達到此條件后，我們可以以整個游泳館為對象，根據能量守恒定律，我們得出：</p><p>　　根據比熱容的定義，有：</p><p>　　從而，我們可以得到：</p><p>　　進一步，我

32、們便可以根據游泳館管理員提供給的數據，計算在不同條件（、、、）下，一定時間內的，游泳館向外排放的熱量。</p><p>　　又另一方面，可由下式描述，因此可以擬合估計游泳館的平均導熱系數</p><p>　　通過計算，我們發(fā)現游泳館的平均導熱系數隨著溫度的增加而增加，大致在1.4~2.0mW/(㎡·K)范圍內（取）。后續(xù)的求解計算中我們取用到能量流動模型中。</p>

33、<p>　　泳池蒸發(fā)散熱規(guī)律的探討，擬合，</p><p>　　同理，在假設4）的前提下，我們以泳池為對象，根據能量守恒定律有：</p><p>　　從而，我們可以計算出、與相關的條件（如：、、等）的關系，并在此基礎上，對兩個游泳館的蒸發(fā)散熱速率與進行擬合。</p><p>　　以附表中外界 外界溫度24度，維持T1=26情況下,得到擬合結果：</

34、p><p><b>　　規(guī)劃模型求解</b></p><p>　　由之上的分析,知待求解問題已轉化成以下規(guī)劃模型.</p><p><b>　　目標函數：</b></p><p><b>　　約束條件：</b></p><p><b>　　初始點：

35、</b></p><p>　　由于待求目標函數為當前季節(jié)的全局最優(yōu)解，然而考慮到該類組合問題，求解規(guī)模較大，另一方面游泳館數據不全，因此我們選定當月中外界溫度平均水平計算一天內的最優(yōu)值，其實是一種貪心算法。大大降低了問題的計算復雜度，由實際物理意義易得，約束條件取等號不改變目標函數的最優(yōu)解，該問題即為條件極值問題，求解的方法有很多，如拉格朗日條件極值求解算法。</p><p>

36、　　這里我們由函數取極值的必要條件，函數在x0取極值，則x0必為其駐點。因此我們求解目標函數的駐點，然后逐一用駐點驗證約束條件。相關的計算代碼如下：</p><p><b>　　運行求解結果如下:</b></p><p>　　圖2 MATLAB 求解結果</p><p><b>　　5 結果分析</b></p>

37、;<p><b>　　5.1 最優(yōu)策略</b></p><p>　　用數值方法求解上面建立的規(guī)劃模型，數據有限,不防只用外界溫度24度的高低功率，得出結果如下表：</p><p>　　外界溫度24度的條件下 開機時間 8.258182,關機時間 22.011825 </p><p>　　表3 天氣溫度24℃ 開關鍋爐運行策略<

38、;/p><p>　　游泳館按照這個策略進行停爐，可節(jié)省部分能源，達到比以前節(jié)約能源的目的。運行過程中溫度隨時間變化曲線如下圖,</p><p>　　圖3 游泳館各部分溫度變化圖</p><p>　　5.2 節(jié)能效果分析</p><p>　　對比學校游泳館以往運行策略，由于以往沒有明確的開關機時間策略，所以以往的開關機由仿真得到，各個部分在優(yōu)化前后

39、功率變化如下圖，比較前后所圍面積的改變，可以明顯發(fā)現，有效的降低了總功率，起到了游泳館建設綜合節(jié)能的要求。</p><p>　　圖4熱風扇功率優(yōu)化前后對比圖</p><p>　　圖5地暖功率優(yōu)化前后對比圖</p><p>　　圖6深水加熱功率優(yōu)化前后對比圖</p><p>　　圖7淺水功率優(yōu)化前后對比圖</p><p>

40、;　　由以上圖像,我們可以大概的看出來,優(yōu)化后的策略確實起到了一定的效果,為了更好的對比結果，我們引入節(jié)約效率的概念，其中。</p><p>　　可得優(yōu)化后各部分能源節(jié)約效率</p><p>　　表4 優(yōu)化前后對比能源節(jié)約效率</p><p><b>　　6 模型優(yōu)缺點</b></p><p><b>　　6.

41、1 模型優(yōu)點</b></p><p>　　1. 密切聯(lián)系實際需求，以一號院游泳館為實際背景，模型針對性強。</p><p>　　2. 以微分方程刻畫能量流動關系，以游泳館統(tǒng)計數據來擬合求解其解析關系，邏輯嚴謹。</p><p><b>　　6.2 模型缺點</b></p><p>　　1. 實際情況過于復雜，

42、像氣溫變化顯然與輻射（太陽照射）有及其密切的聯(lián)系，然而因為無法刻畫輻射進游泳館的能量的解析關系，從而模型不夠全面，準確。</p><p>　　2. 由于數據有限，并沒有真正對一個月或一個季度里進行全局最優(yōu)的搜索，因此得到的往往只是局部優(yōu)解，然后再進一步的驗證各個優(yōu)化條件。</p><p><b>　　7 管理對策與建議</b></p><p>

43、　　該模型全面細致的刻畫了整個游泳館的能量流動，以能量守恒描述宏觀的能量變化，以微分方程刻畫各個部分能量傳遞的細節(jié)。充分考慮現實因素，模型與現實聯(lián)系緊密。模型根據不同的時令制定出相關的停爐改進措施，例如在外界溫度為24度時可以選擇8:15開鍋爐, 22:06關閉鍋爐,極大的節(jié)省了能源和費用，改進措施停爐時間段明確，簡單，方便，實際應用中可行性良好。</p><p>　　但是模型沒有很好的考慮到輻射，對流等其他很影

44、響?zhàn)^內溫度變化的條件。由于天氣，散熱隨時間季節(jié)改變并不具備嚴格的增減關系，存在著不少的離群值，對于擬合的結果，很難精確的說明每一天的狀況。另外微分方程求解過程較為復雜，對原始數據的記錄要求較嚴格。而提供的詳細的溫度數據只有3月到7月初。部分結論不夠精確。</p><p>　　綜上，我們模型在一定程度上，解決了目前游泳館存在的能源浪費問題，若按照模型制定的不同的時令相關停爐改進措施進行管理，可極大的節(jié)省能源和費用。

45、</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 徐玖平等，運籌學（第二版），科學出版社，2004</p><p>　　導熱率 wiki百科</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　附件1：游泳館一層平面圖和剖面圖</p&

46、gt;<p>　　第二部份 工作總結報告</p><p>　　綜合設計課程是一門實踐性很強的課程，同時也是一門集編程、設計、分析為一體的綜合性很強的課程。在聽完老師的詳細介紹后，我們便對綜合設計的思路有了清晰的認識和理解。通過自由組隊之后，我們組集思廣益、群力群策，將問題聚焦在了游泳館節(jié)能應用上面。節(jié)能環(huán)保是21世紀的主題，也是我國構建和諧社會的一個重要內容，更是當前我國經濟轉型重要的一環(huán)。作為一門

47、課程的研究課題，我們下定決心將這樣一個課題，當做成一門全新的藝術來研究和探索，以此得到我們想要的結果。</p><p>　　開題之初，我們對問題了解并不深入透徹。經過上網搜集資料、到三號院游泳館實地查看和現場采訪游泳館管理人員，我們知曉了游泳館鍋爐房的基本工作制度和各個關鍵時間點。通過現場的考察，我們愈加清楚自己需要的數據和解決問題關鍵點。盡管其間遇到了許多問題，但團隊合作，成為激勵我們克服困難、刻苦攻關的不竭源

48、泉。初期報告上交之后，我們對問題的把握不夠全面，心里不免有些許困惑，但在經過老師的答疑解惑和點撥指導之后，我們終于形成了自己獨有的解決問題的思路。一個良師的指引，對于迷茫的學子來說，是多么的重要?。?lt;/p><p>　　在整個課題研究過程中，我們小組的三名同志，既有分工，又有合作，關系融洽，處理問題迅速得當。我們集體討論了研究的工作劃分；然后，根據各自特長進行了分工，可是在課題接近尾聲的時候，由于我們的分工過于絕

49、對化，交流不是很多，導致最后的工作自己對自己的很熟悉，但是對別人的工作卻不甚了解。在整個論文中，我們用到的方法是正確的，具體的步驟也給出了，但是在編程方面可能考慮問題不是很全面很細致，以致發(fā)生分歧，遇到了前所未有的困難。但我們仍然堅持把我們的方案做了下去，堅持做到了最后，得到了一個較為滿意的結果。</p><p>　　短短的兩三周時間，時間雖然有點緊，但我們齊心協(xié)力，團結一心，努力做出了自己的東西。加班加點在所難

50、免，往往長時間的在圖書館里呆很久，因為需要查詢資料的原因，每每遇到新的方法，都有種推翻原先想法重新建立更有效地模型的沖動。從一開始的不清晰不明朗到更深入的認識和全面的了解，從最初建立單一簡單的模型到系統(tǒng)建模，一路走來，我們閱盡路邊風景，知識增長了，動手實踐能力增強了，視野更加開闊。有位科學家曾經說過，“你知識越多，你就感覺自己越加渺小。你知識越少，你越感覺自己越高大。”我想我們此刻已有些許懂得其中的含義。因為學得越多，自己越知道周邊世界

51、的廣大，自己也就更加渺小。綜合設計課給予我們一次有意義的嘗試，將為我們接下來的畢業(yè)設計打下堅實的基礎。在第一次匯報中，我組的成果得到了教員和同學們的肯定。在接下來的工作中，我們努力發(fā)現更加細小的問題，然后結合實際，完善了我們的模型。由于時間緊，所以程序等都做得有些粗糙，但是數據確是通過深入的調查和各種渠道得到的，是真實可信的?，F在最為遺憾的事，是時間過短，我們無法繼續(xù)完善我們的程序和模型，讓它更加貼近實際，讓我們的鍋爐開關時間上更加人性