本文展示了最佳控制混合熱泵系統(tǒng)（包括空氣源和地源熱泵）相較于各自單源場景所帶來的更高效率。以比利時布魯日歷史街區(qū)“Stijn Streuvelstraat”的重新設(shè)計為例?；谖锢淼泥徲蚰Ｐ图安煌┙o選項被用于虛擬比較傳統(tǒng)規(guī)則控制與最優(yōu)控制?；旌蠠岜孟到y(tǒng)的效率提升源于其最佳控制能夠考慮不同源溫度和預(yù)測的建筑行為。

介紹

實現(xiàn)住宅供暖行業(yè)的脫碳是實現(xiàn)能源和排放目標(biāo)的重大挑戰(zhàn)。對于基于可再生和剩余能源（RES）的未來供電系統(tǒng)，通常區(qū)分兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：（1）建筑層面的獨(dú)立熱泵系統(tǒng)，通常使用環(huán)境空氣或地?zé)釤崮?，以及?）集體區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)。對于現(xiàn)代區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)，通常區(qū)分兩個子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：（a）高溫集中產(chǎn)生的熱能，稱為第四代區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)（4GDHN），通常通過可再生能源（熱泵、生物質(zhì)能等）或殘余熱能（廢棄焚燒、工業(yè)過程等）實現(xiàn);（b）低溫網(wǎng)絡(luò)，即所謂的第五代采用低溫?zé)嵩矗ㄌ柲軣嵩?、?shù)據(jù)中心等）和建筑層的分心式熱泵，提供區(qū)域供熱和制冷網(wǎng)絡(luò)（5GDHCN）。

本文評估了混合熱泵系統(tǒng)整合空氣源熱泵（ASHP）和地源熱泵（GSHPs）在4GDHN中集體供熱效率的提升，相較于僅ASHP或僅GSHP的替代方案。比利時布魯日歷史街區(qū)“Stijn Streuvelstraat”的重新設(shè)計被用作實用示范案例。分析利用基于物理的鄰域模型和供暖系統(tǒng)，展示了與傳統(tǒng)規(guī)則控制相比的最優(yōu)控制系統(tǒng)的潛力。本文基于“Stijn Streuvelstraat”項目設(shè)計階段的經(jīng)驗。本文采用了[1]的擴(kuò)展內(nèi)容。

比利時布魯日的“Stijn Streuvelstraat”飛行員

“Stijn Streuvelstraat”是比利時布魯日的一個歷史街區(qū)，擁有15個輔助生活單元（見圖1和圖2）。每個住宅單元底層設(shè)有客廳、臥室和浴室。閣樓空間用于技術(shù)裝置。凈加熱地板面積約為1000平方米。外墻采用內(nèi)部保溫材料（U值0.27 W/m2K），因為遺產(chǎn)特性不允許外部保溫。翻新的目標(biāo)除了建筑改造外，還包括設(shè)計和實施一個集體供熱系統(tǒng)，即

• 100% R2ES 基礎(chǔ)

• 面向氣候變化影響的未來保障

• 成本效益

• 能夠提供良好的室內(nèi)熱舒適

圖1：15個住宅單元中的2個建筑

圖2：場地平面圖（來源：Compagnie Costume）及技術(shù)裝置

基于這些設(shè)計目標(biāo)并考慮場地條件，ASHP或GSHP是可行的供暖技術(shù)。由于聲學(xué)限制，無法完全采用ASHP方案。僅基于GSHP的系統(tǒng)被排除在外，原因是由于鉆井場規(guī)模足夠大，能夠考慮需求端的不確定性，例如氣候變化和極端氣候條件帶來的影響。因此，設(shè)計了一個包含ASHP和GSHP的混合熱泵供水系統(tǒng)（見圖2和圖3）。最大熱容量為ASHP的28千瓦和GSHP的44千瓦。ASHP和GSHP都在調(diào)節(jié)。由于聲學(xué)限制，ASHP在夜間運(yùn)行率最高限制為80%。鉆孔區(qū)分為兩部分，每個有四個深125米的鉆孔。一個0.5立方米的緩沖罐位于供需側(cè)之間。光伏熱電（PVT）系統(tǒng)使鉆孔場在夏季能夠恢復(fù)。通過熱交換器實現(xiàn)被動冷卻，夏季還能提供額外的鉆孔場再生潛力。家庭熱水（DHW）由電加熱器分散供應(yīng)。地暖/制冷被選為房間側(cè)排放系統(tǒng)。溫度設(shè)定點定義為21°C（加熱）和26°C（冷卻）。每個住宅單元都配備了帶有熱回收功能的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。

圖3：簡化水力方案

最優(yōu)控制混合系統(tǒng)的模擬效率提升

如前所述，單源熱泵系統(tǒng)在設(shè)計階段因項目特定考慮被排除。以下我們展示了設(shè)計的混合熱泵系統(tǒng)在單一來源選項中也達(dá)到了最佳效率。以下三種情景進(jìn)行了比較（為簡化起見，PVT系統(tǒng)（見圖3）未包含在這些情景中）：

• 僅ASHP

• 僅限GSHP

• 混合系統(tǒng)，包括ASHP和GSHP

為比較，采用基于物理的建模方法對這三種不同供電場景進(jìn)行了模擬研究。共有61個熱區(qū)的15個住宅單元（見圖2）和供水系統(tǒng)（見圖3）均采用Modelica語言建模。觀察期為一年。使用比利時魯汶的每小時氣象數(shù)據(jù)，涵蓋室外氣溫范圍，范圍從?10°C到+40°C。

比較三種供給選項在兩種控制方法下的表現(xiàn)：傳統(tǒng)基于規(guī)則的控制和最優(yōu)控制。傳統(tǒng)的基于規(guī)則的控制使用比例積分（PI）控制器，根據(jù)加熱曲線確定的罐子目標(biāo)溫度調(diào)節(jié)熱泵。在混合型情況下，使用PI序列控制器優(yōu)先考慮ASHP（溫和環(huán)境條件下）或GSHP（寒冷環(huán)境條件下）。優(yōu)先級會根據(jù)室外空氣溫度使用滯后控制器切換。地暖閥由連接到分區(qū)溫度的PI控制器調(diào)節(jié)。最優(yōu)控制使用上述基于物理的模型預(yù)測未來的建筑和供水系統(tǒng)行為。數(shù)學(xué)優(yōu)化器利用這些預(yù)測調(diào)整熱泵的調(diào)制度和地暖閥門，以最小化（1）總用電量（包括熱泵和循環(huán)泵），（2）每個住宅單元的熱不適，以及（3）夜間調(diào)節(jié)ASHP以降低噪音水平。

圖4展示了三種供電選項（僅ASHP、僅GSHP、混合）在傳統(tǒng)規(guī)則控制（左列）和最優(yōu)控制（右列）中的熱泵行為。選定的兩天期間環(huán)境溫度波動較大，介于0°C至20°C之間（見圖4-a）。地面溫度在8°C到10°C之間。

采用常規(guī)規(guī)則控制（見圖4，左欄），熱泵在夜間啟動（見圖4-b-i），當(dāng)區(qū)域溫度低于加熱設(shè)定點時（見圖4-c-i）。[1] 在混合模式下，僅使用GSHP。由于地暖系統(tǒng)的慣性，區(qū)域溫度會比加熱設(shè)定點低約0.5°C。

在最優(yōu)控制下，熱泵行為在三種場景間差異顯著：僅ASHP情況下，最佳控制器“意識到”高熱泵COP在高室外溫度下，僅在白天運(yùn)行熱泵（圖4-b-ii中的“僅ASHP”）。這種“預(yù)熱”行為避免了熱泵在夜間的運(yùn)行，導(dǎo)致三種情景中室內(nèi)溫度最高，最高可達(dá)23°C（見圖4-c-ii）。僅使用GSHP的情況下，熱泵運(yùn)行更為平順，午夜左右壓縮機(jī)功率最高（見圖4-b-ii中的“僅限GSHP”）。在混合熱泵（圖4-b-ii中的“混合”）中，最優(yōu)控制器根據(jù)源溫度選擇兩臺熱泵：ASHP白天運(yùn)行，GSHP夜間運(yùn)行。

采用傳統(tǒng)規(guī)則控制時，壓縮機(jī)的最大功率在7千瓦到9千瓦之間。在所有最優(yōu)控制的場景下，最大壓縮機(jī)功率顯著較低（在3千瓦到5千瓦之間）。這強(qiáng)調(diào)了最優(yōu)控制能夠?qū)⑦\(yùn)行轉(zhuǎn)移到高源溫度的時段（參見僅ASHP的情況），并避免高供電溫度和較低COP的峰值運(yùn)行（參見僅GSHP情景）。此外，在所有最優(yōu)控制場景中，21°C的加熱設(shè)定點比傳統(tǒng)規(guī)則控制更能保持得好，這得益于最優(yōu)控制能夠預(yù)判地暖慣性并避免過高溫度下降。

[1] 當(dāng)儲罐溫度降至閾值以下時（圖4未顯示），熱泵才被激活。

圖4：僅ASHP系統(tǒng)、僅GSHP和混合選項在2天內(nèi)的表現(xiàn)

圖5比較了年度總性能，包括年發(fā)熱量、用電量和季節(jié)性能系數(shù)（SCOP，年冷凝器供熱/年用電量）。比較顯示，最優(yōu)控制的系統(tǒng)能降低供暖需求（?8%至?10%），熱泵壓縮機(jī)的用電需求降低（?24%至?32%）。節(jié)約通過對地暖閥門的集成最優(yōu)控制和熱泵運(yùn)行管理實現(xiàn)，考慮了基于源溫度（空氣和地面）的性能系數(shù)（COP）。 編譯 陳講運(yùn)

比較的一個重要方面是不同供應(yīng)選項的排名。

在傳統(tǒng)的基于規(guī)則的控制中，僅ASHP選項的SCOP最低為3.9，遠(yuǎn)低于最優(yōu)控制系統(tǒng)，因為基于規(guī)則的控制在夜間激活熱泵（見圖4-b）。僅供水的選項差異較小，且通過避免高供水高峰運(yùn)行實現(xiàn)。在最優(yōu)控制下，混合機(jī)殼的最高SCOP為5.6，相較于僅ASHP選項（SCOP=5.2）和僅GSHP方案（SCOP=5.4），因為兩臺熱泵的運(yùn)行均根據(jù)源溫和相應(yīng)COP最優(yōu)分布。

圖5：僅ASHP電量、僅GSHP（僅GSHP）和混合供電方案的熱量需求、電力需求及SCOP（混合機(jī)殼下ASHP和GSHP的總和，僅空間供暖，無DHW）。

結(jié)論

本文利用基于物理的模型分析了最佳控制混合熱泵系統(tǒng)相較于單源場景的效率提升。在“Stijn Streuvelstraat”案例研究中，混合系統(tǒng)達(dá)到了最高的5.6 SCOP，相較于僅GSHP選項（SCOP=5.4）和僅ASHP選項（SCOP=5.2）。效率提升源于最優(yōu)控制器能夠考慮不同源溫度和未來系統(tǒng)行為的能力。這凸顯了在日益復(fù)雜的供電系統(tǒng)中，作為系統(tǒng)集成者最優(yōu)控制的優(yōu)勢。標(biāo)準(zhǔn)的基于規(guī)則的控制無法充分發(fā)揮這一潛力，混合系統(tǒng)的SCOP僅為4.3，而僅GSHP系統(tǒng)的SCOP為4.5。

除了通過優(yōu)化控制提升效率外，采用混合系統(tǒng)還能使用更小的單個系統(tǒng)。較小的ASHP具有較低噪聲排放的優(yōu)勢，且較小的GSHPs，尤其是較小的鉆孔，能降低投資成本。最后，由最優(yōu)控制器管理兩個熱源，為應(yīng)對氣候變化帶來的韌性提供了保障。相關(guān)研究[1]也強(qiáng)調(diào)了混合系統(tǒng)的生命周期競爭成本。

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