CN109523081A - 一种地源热泵系统运行温度调节优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地源热泵系统运行温度调节优化方法，兼顾考虑经济性指标和热舒适度指标两个因素，其中，经济性指标采用系统的运行费用来度量，热舒适度指标选用PMV指标进行计算，建立了温度调节优化的目标函数，采用机会约束规划理论将这些不确定性因素建立至模型的约束条件中，允许所做决策在一定程度上不满足约束条件，但所做决策使约束条件成立的概率要大于等于一定的置信水平。本发明针对地源热泵用户对温度设定及调节做出优化，在保证不同用户热舒适度需求的前提下，结合经济性因素确定最优温度，可以有效降低能耗，合理利用能源。

Description

一种地源热泵系统运行温度调节优化方法

技术领域

本发明涉及一种地源热泵系统运行温度调节优化方法，属于智能用电领域。

背景技术

随着社会经济的快速发展，不合理的能源结构带来了很多环境问题。电能替代战略被视为治理能源结构不合理的重要手段，“煤改电”是电能替代战略重要组成部分。电采暖作为电能替代在生产生活领域的重要形式对于优化能源结构、防治大气污染、解决雾霾问题起着至关重要的作用，而地源热泵电采暖具有更高的社会效益以及经济效益。在保证用户需求的前提下，如何优化地源热泵系统的运行方式，以降低用户用电费用，同时减少高峰期用电，有效降低电网峰谷差，具有重要的意义。在地源热泵系统的运行中，合理的温度设定将降低设备运行的能耗。

发明内容

发明目的：本发明提出一种地源热泵系统运行温度调节优化方法，平衡经济性与热舒适度，既满足用户热舒适度要求，又降低了用电费用。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种地源热泵系统运行温度调节优化方法，包括以下步骤：

1)建立温度调节方法的目标函数；

2)建立热舒适度的机会约束条件；

3)建立电采暖设备的设定温度约束；

4)建立电采暖设备的设定功率约束。

所述步骤1)中目标函数为

式中，E表示期望，ω为用电费用与热舒适度的权重系数，p(τ)为τ时刻的电价；P^GSHP,*(τ)为τ时刻电采暖系统用电功率的标幺值，其实际值为P^GSHP(τ)，基准值为P_B ^GSHP；PMV^*(τ)为τ时刻热舒适度的标幺值，其实际值为PMV(τ)，基准值为PMV_B。

所述PMV(τ)为

PMV(τ)＝0.13(1+K₁)T_in(τ)+0.15K₂T_out(τ)-8.07

式中，K₁、K₂表示相关系数；T_out表示室外温度，T_in表示室内温度，单位：℃。

所述热舒适度的机会约束条件为

P{|PMV(τ)|≤PMV_max}≥β_PMV

式中，P{·}为约束条件成立的概率，PMV_max为用户可接受的热舒适度边界值；β_PMV为预先给定的热舒适度约束置信水平。

所述电采暖设备的设定温度约束为

P{T_min≤T_set(τ)≤T_max}≥β_T

式中，P{·}为约束条件成立的概率，T_min、T_max分别为电采暖设备所允许设定温度的下限和上限；β_T为预先给定的设定温度约束置信水平。

所述电采暖设备的设定功率约束为

式中，P{·}为约束条件成立的概率；为电采暖设备的最大允许功率；β_P为预先给定的功率约束置信水平。

有益效果：本发明兼顾考虑经济性指标和热舒适度指标两个因素，针对地源热泵用户对温度设定及调节做出优化，在保证不同用户热舒适度需求的前提下，结合经济性因素确定最优温度，可以有效降低能耗，合理利用能源。

附图说明

图1为算例中热泵机组COP曲线图；

图2为算例中室外温度逐时变化曲线图；

图3为算例中地源热泵电采暖系统逐时设定温度与用电量关系图；

图4为算例中逐时PMV指标图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

首先以满足用户的热舒适度需求为前提，兼顾考虑经济性指标和热舒适度指标两个因素，建立温度调节方法的目标函数。

地源热泵运行的前提是必须满足用户的热舒适度需求，因而本实施例的优化目标兼顾了经济性和热舒适度两个指标。其中，经济性指标采用地源热泵系统的运行费用来度量；热舒适度指标选用ISO-7730中的PMV-PPD指标进行计算，该指标代表了人群对周围热环境的模糊感知程度以及人员对热舒适度的不满意程度来度量，其中PMV指标表征人体热反应(冷热感)，PPD指标为预计处于热环境中的群体对于热环境不满意的投票平均值。本实施例仅使用PMV指标，量值如下表所示：

ISO-7730中的PMV指标

为了简化PMV指标的计算，本发明采用下式计算PMV指标。

PMV(τ)＝0.13(1+K₁)T_in(τ)+0.15K₂T_out(τ)-8.07

式中，K₁、K₂表示围护结构传热的相关系数；T_out表示室外温度，T_in表示室内温度，单位：℃。

PMV(Predicted Mean Vote)预测平均评价，是以人体热平衡的基本方程式以及心理生理学主观热感觉的等级为出发点，考虑了人体热舒适感诸多有关因素的全面评价指标，为ISO7730中用于评价热舒适度的指标。ISO7730标准中给出的推荐范围是-0.5≤PMW≤0.5，根据我国国家标准(GB/T18049-2000中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定)及设计规范中的规定，PMV的取值范围是[-1,1]。

本实施例的目标函数如下式所示。

式中，E表示期望，ω为用电费用与热舒适度的权重系数，取值范围为[0,1]，其值越接近1，说明用户越关注用电费用，反之，用户更为关注热舒适度；p(τ)为τ时刻的电价；P^GSHP,*(τ)为τ时刻电采暖系统用电功率的标幺值，其实际值为P^GSHP(τ)，基准值为P_B ^GSHP；PMV*(τ)为τ时刻热舒适度的标幺值，其实际值为PMV(τ)，基准值为PMV_B。

接着考虑到外界温度的不确定性变化，建立热舒适度的机会约束条件。

由于地源热泵系统的日前优化是基于外界环境温度的预测结果进行的，而温度预测值具有一定的不确定性，从而导致地源热泵系统对应的用电量以及热舒适度指标具有一定的不确定性。因此，本实施例采用机会约束规划理论将温度预测的不确定性因素建立至模型的约束条件中，即允许所做决策在一定程度上不满足约束条件，但所做决策使约束条件成立的概率要大于等于一定的置信水平。

室内温度直接影响着用户的热舒适度，考虑到外界环境温度的不确定性变化，热舒适度的机会约束条件如下式所示。

P{|PMV(τ)|≤PMV_max}≥β_PMV

式中，P{·}为约束条件成立的概率，PMV_max为用户可接受的热舒适度边界值；β_PMV为预先给定的热舒适度约束置信水平。

然后考虑热泵机组出口所允许设定的温度下限和上限，建立电采暖设备设定温度约束。

考虑热泵机组出口所允许设定的温度下限和上限，使温度满足预先给定的设定温度约束置信水平，应当满足：

P{T_min≤T_set(τ)≤T_max}≥β_T

式中，P{·}为约束条件成立的概率，T_min、T_max分别为热泵机组出口所允许设定温度的下限和上限；β_T为预先给定的设定温度约束置信水平。

考虑地源热泵系统的最大允许功率，建立电采暖设备设定功率约束。

考虑地源热泵系统的最大允许功率，使整个地源热泵系统运行功率满足预先给定的功率约束置信水平，应当满足：

式中，P{·}为约束条件成立的概率；为地源热泵系统的最大允许功率；β_P为预先给定的功率约束置信水平。

最后使用PSO算法进行求解，得到最优运行温度。算例

基础数据：

选取某校园中教学楼的数据进行仿真研究，该教学楼的供热面积约为30000m²，工作时间为6:00-22:00，配备3台额定功率相同但性能系数不同的热泵机组，热泵机组的负载率下限取为60％，COP(能效比)曲线如图1所示；机会约束条件的置信度取为0.9，热泵机组的出水温度范围取为[40,50]，日前预测的室外温度变化曲线如图2所示。

分时电价数据如下表所示：

分时电价

结果分析：

采用PSO算法求解本文模型时，本文设定粒子种群数量为300，算法的最大迭代次数设定为500，粒子的初始权重w_s为0.85，终止权重w_e为0.35，初始学习因子c_1s和c_2s分别为2.80，0.45，终止迭代时值为1.30，2.30，目标函数中的权重系数w取为0.5。

(1)用电费用

为了方便比较通过优化温度设定所达到的效果，在同等条件下，对地源热泵系统运行结果进行对比，如下表所示。

用电费用对比

可以看出：地源热泵系统在对温度进行优化控制后用电费用较低，与常态的恒温控制模式相比较，地源热泵系统采用温度动态优化设定之后，用户的用电费用降低了10.43％，效果较好。

在这两种模式下的热泵机组出水温度设定策略和用电量如图3所示。

由图3可以看出：优化后的地源热泵系统的设定温度基本上在44℃上下浮动，较恒温模式下设定的温度46℃约低了2℃，且地源热泵系统的设定根据室外温度变化进行动态设定，所以，优化后地源热泵系统的用电量较恒温设定方案减少了许多，地源热泵系统的用电负荷高峰得到大幅减少，用户全天用电量水平更为平稳，峰谷差得以降低，负荷波动性削弱。

(2)热舒适度分析

在地源热泵系统的不同运行模式下，教学楼内房间内的PMV指标如图4所示。从图4可以看出：总体上各个时刻的PMV指标均在区间[-0.5,0.5]内，即室内人员则会得到较好的供暖体验，因此用户具有较高的供暖舒适满意度。在本文提出的优化控制模式下，地源热泵系统的温度设定值随外界环境温度波动而动态改变，当外界环境温度升高的时候，地源热泵系统将适当调整设定温度值，保证用户可以在适应的PMV指标内，即不影响用户是热舒适度体验的前提下，减少地源热泵系统的用电量，进而减少用户的用电费用。

Claims (6)

1.一种地源热泵系统运行温度调节优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立温度调节方法的目标函数；

2)建立热舒适度的机会约束条件；

3)建立电采暖设备的设定温度约束；

4)建立电采暖设备的设定功率约束。

2.根据权利要求1所述的地源热泵系统运行温度调节优化方法，其特征在于，所述步骤1)中目标函数为

式中，E表示期望，ω为用电费用与热舒适度的权重系数，p(τ)为τ时刻的电价；P^GSHP,*(τ)为τ时刻电采暖系统用电功率的标幺值，其实际值为P^GSHP(τ)，基准值为P_B ^GSHP；PMV^*(τ)为τ时刻热舒适度的标幺值，其实际值为PMV(τ)，基准值为PMV_B。

3.根据权利要求2所述的地源热泵系统运行温度调节优化方法，其特征在于，所述PMV(τ)为

PMV(τ)＝0.13(1+K₁)T_in(τ)+0.15K₂T_out(τ)-8.07

式中，K₁、K₂表示相关系数；T_out表示室外温度，T_in表示室内温度，单位：℃。

4.根据权利要求1所述的地源热泵系统运行温度调节优化方法，其特征在于，所述热舒适度的机会约束条件为

P{|PMV(τ)|≤PMV_max}≥β_PMV

式中，P{·}为约束条件成立的概率，PMV_max为用户可接受的热舒适度边界值；β_PMV为预先给定的热舒适度约束置信水平。

5.根据权利要求1所述的地源热泵系统运行温度调节优化方法，其特征在于，所述电采暖设备的设定温度约束为

P{T_min≤T_set(τ)≤T_max}≥β_T

式中，P{·}为约束条件成立的概率，T_min、T_max分别为电采暖设备所允许设定温度的下限和上限；β_T为预先给定的设定温度约束置信水平。

6.根据权利要求1所述的地源热泵系统运行温度调节优化方法，其特征在于，所述电采暖设备的设定功率约束为

式中，P{·}为约束条件成立的概率；为电采暖设备的最大允许功率；β_P为预先给定的功率约束置信水平。