CN113418228A - 基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及供暖空调设备技术领域，具体涉及一种基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统，本发明根据建筑热工设计与气密性情况，建立可反映室温响应与波动的建筑模型；根据空气源热泵运行实测数据，引入状态识别参数区分启动阶段与稳定运行阶段，通过数据驱动算法建立可反映启停动态过程与损失的机组模型；建立考虑动态热过程的末端模型与考虑水路惯性的输配模型；以机组制热量、末端供热量和建筑散热量三者间的动态耦合关系形成空气源热泵系统动态模型；根据目标系统的室内热舒适需求建立变回差水温控制策略，在运行中根据该变回差水温控制策略控制机组运行。本发明改善了低负荷状态下空气源热泵机组的频繁启停问题，提升系统性能，降低系统耗电量，减少启停过程中的噪声影响，并有助于延长压缩机寿命。
Description
技术领域
本发明涉及供暖空调设备技术领域，具体涉及一种基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统。
背景技术
我国北方地区冬季燃煤供暖造成了巨大的能源消耗与严重的环境污染问题。2017年，我国建筑运行总商品能耗为9.63亿tce，约占全国能源消耗总量的21％，其中北方城镇供暖能耗高达2.01亿tce，占建筑运行总商品能耗的21％，其碳排放量占建筑运行碳排放量的22％。为推进建筑节能、改善大气环境，我国政府于2016年提出“清洁取暖”政策并开展“煤改电”工作。空气源热泵因其利用可再生能源、高效节能、安装与操作便捷、运行可靠等优点，成为我国北方农村地区清洁能源取暖的主要方式。
空气源热泵供暖系统的性能受到气候条件、机组供热能力与建筑热负荷的匹配特性、供暖系统配置与运行控制策略等因素的影响。因机组选型基于稳态峰值负荷并考虑一定安全系数，而建筑实际热负荷随室外气象条件动态变化，空气源热泵系统长时间工作在部分负荷工况下，需通过变频、启停等方式调节供热量以匹配建筑需求，低负荷条件下频繁启停问题较为普遍。相关研究表明，空气源热泵开机过程中制冷剂侧高低压力的建立、停机过程中的待机与输配功率等将导致启停损失。
建筑设计负荷基于采暖室外计算温度确定，而供暖季室外温度长期高于此值，由于建筑负荷随室外温度升高而降低、机组制热量随室外温度升高而升高造成的“剪刀差”现象，非设计工况下的启停调节可导致供暖季系统能效相较于名义值降低6％～20％，若机组超配则损失高达30％。因此，制定合理的控制策略优化其部分负荷动态运行至关重要。
水温(供水或回水)控制为空气源热泵供暖系统的主要控制方式之一。既有研究多关注水温设定值的优化，基于4～5K的固定控制回差，在低负荷状态下通过气候补偿等算法降低设定值，可一定程度地提升机组性能，但对频繁启停问题的改善作用有限。而考虑到建筑围护结构性能的逐渐提升与其蓄热功能对室温波动的平抑作用，在较高室外温度下增大控制回差，在室温波动可接受、建筑热需求得到保障的前提下提升机组性能成为可能，是十分值得关注的研究方向。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统，用于改善低负荷状态下空气源热泵机组的频繁启停问题，提升系统性能，降低系统耗电量，减少启停过程中的噪声影响，并有助于延长压缩机寿命。
本发明通过以下技术方案予以实现：
本发明公开一种基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统，所述方法包括以下步骤：
S1根据建筑热工设计、气密性情况，建立可反映室温响应与波动的建筑模型；
S2根据空气源热泵运行实测数据，引入状态识别参数区分启动阶段与稳定运行阶段，通过数据驱动算法建立可反映启停动态过程与损失的机组模型；
S3建立考虑动态热过程的末端模型与考虑水路惯性的输配模型；
S4以机组制热量、末端供热量和建筑散热量三者间的动态耦合关系形成空气源热泵系统动态模型；
S5基于建立的动态模型，根据目标系统的室内热舒适需求建立变回差水温控制策略；
S6在运行中根据该变回差水温控制策略控制机组运行。
更进一步的，所述机组模型，包括机组功率、制热量、能效比任两者的启动段与稳定段求解算法组合。
更进一步的，所述机组模型的一种可行组合为：启动段与稳定段的机组功率求解算法P1、P2，启动段与稳定段的机组制热量求解算法Q1、Q2。
更进一步的，所述机组模型中，对测试获得的源数据引入状态识别参数iP、iQ，对应机组功率、制热量在启动阶段的逐步变化，根据机组由开机运行至稳定所需的时长与模拟计算时间步长确定其取值。
更进一步的，所述状态识别参数iP、iQ的一种可行取值为：iP＝1、2、3，对应刚开机的第1分钟、第2分钟、其后稳定运行段，即功率在开机2分钟后达到稳定；iQ＝1、2、3、4，对应刚开机的第1分钟、第2分钟、第3分钟、其后稳定运行段，即制热量在开机3分钟后达到稳定，进而由数据驱动出4个求解算法。
更进一步的，所述求解算法，包括：启动段机组功率求解算法P1、稳定段机组功率求解算法P2、启动段机组制热量求解算法Q1、稳定段机组功率求解算法Q2，根据机组特征确定各求解算法的输入变量。
更进一步的，所述求解算法一组可行的输入变量为：启动段机组功率求解算法P1，以室外温度Tout、室外相对湿度RHout、前一时刻供水温度Ts0、回水温度Tr、状态识别参数iP为输入变量，以启动阶段机组耗电量为输出变量；稳定段机组功率求解算法P2，以Tout、RHout、Ts0、Tr为输入变量，以稳定运行阶段机组耗电量为输出变量；启动段机组制热量求解算法Q1，以Tout、RHout、Ts0、Tr、iQ为输入变量，以启动阶段机组制热量为输出变量；稳定段机组功率求解算法Q2，以Tout、RHout、Ts0、Tr为输入变量，以稳定运行阶段机组制热量为输出变量。
更进一步的，所述方法中，以机组制热量、末端供热量和建筑散热量三者间的动态耦合关系形成空气源热泵系统动态模型，由输配耗电量与机组耗电量共同构成系统耗电量。
更进一步的，所述方法中，根据项目位置确定室外气象参数情况，根据室内热舒适需求确定室内温度Tin允许波动范围，在不同的室外温度水平下，通过试算不同水温下的室内温度情况，确定可使室内温度保持在允许范围内的水温范围，从而建立目标系统的变回差水温控制策略。
更进一步的，所述方法中，可结合实际运行模式与机组内置设定要求等将该水温范围拆解为控制中通用的水温设定值Tw,set组合上下回差
模式，即可将目标水温范围表达为
格式。
更进一步的，目标水温范围表达的一种可行的拆解方式为：以目标水温范围中心值为Tw,set，而
更进一步的，所述方法中，实时采集室外空气温度、空气源热泵系统水温、水温控制设定值与回差，在回差调整时刻，调用该策略更新水温控制设定值与回差，反之则保持不变，对比本时刻水温值与目标控制范围，控制机组变频或启停操作。
更进一步的，所述方法被执行时，使用一种电子设备，包括处理器以及存储有执行指令的存储器，当所述处理器执行所述存储器存储的所述执行指令时，所述处理器执行上述的基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法。
本发明的有益效果为：
本发明随着室外温度的升高动态增大水温控制回差，依靠建筑围护结构的蓄热性能控制室温波动在允许范围内，可改善低负荷状态下空气源热泵机组的频繁启停问题，提升系统性能，降低系统耗电量，减少启停过程中的噪声影响，并有助于延长压缩机寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是空气源热泵供水温度回差控制示意图；
图2是空气源热泵系统示意图；
图3是基于含状态识别参数的BP神经网络算法的空气源热泵机组模型示意图；
图4是空气源热泵系统模型算法示意图；
图5是空气源热泵变回差供水温度控制策略图；
图6是空气源热泵变回差供水温度控制逻辑图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例公开一种基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统，包括以下步骤：
S1根据建筑热工设计、气密性情况，基于有限差分法建立建筑模型；
S2根据空气源热泵逐分运行实测数据，基于含状态识别参数的BP神经网络算法建立机组模型；
S3建立考虑动态热过程的末端模型与考虑水路惯性的输配模型；
S4以机组制热量、末端供热量和建筑散热量三者间的动态耦合关系形成空气源热泵系统动态模型；
S5基于建立的动态模型，根据目标系统的室内热舒适需求建立变回差水温控制策略；
S6在运行中根据该变回差水温控制策略控制机组运行。
本实施例实时采集室外空气温度、空气源热泵系统水温、水温控制设定值与回差，在回差调整时刻，调用该策略更新水温控制设定值与回差，反之则保持不变，对比本时刻水温值与目标控制范围，控制机组变频或启停操作。
实施例2
本实施例公开机组模型，包括启动段与稳定段的机组功率求解网络BP-P1、BP-P2，启动段与稳定段的机组制热量求解网络BP-Q1、BP-Q2。
本实施例机组模型中，对测试获得的源数据引入状态识别参数iP、iQ，对应机组功率、制热量在启动阶段的逐步变化，其中：iP＝1、2、3，对应刚开机的第1分钟、第2分钟、其后稳定运行段，即功率在开机2分钟后达到稳定；iQ＝1、2、3、4，对应刚开机的第1分钟、第2分钟、第3分钟、其后稳定运行段，即制热量在开机3分钟后达到稳定，进而训练出4个BP神经网络。
本实施例的BP神经网络，包括：启动段机组功率网络BP-P1，以室外温度Tout、室外相对湿度RHout、前一时刻供水温度Ts0、回水温度Tr、状态识别参数iP为输入变量，以启动阶段机组耗电量为输出变量；稳定段机组功率网络BP-P2，以Tout、RHout、Ts0、Tr为输入变量，以稳定运行阶段机组耗电量为输出变量；启动段机组制热量网络BP-Q1，以Tout、RHout、Ts0、Tr、iQ为输入变量，以启动阶段机组制热量为输出变量；稳定段机组功率网络BP-Q2，以Tout、RHout、Ts0、Tr为输入变量，以稳定运行阶段机组制热量为输出变量。
本实施例以机组制热量、末端供热量和建筑散热量三者间的动态耦合关系形成空气源热泵系统动态模型，由输配耗电量与机组耗电量共同构成系统耗电量。
实施例3
本实施例基于建立的动态模型，根据项目位置确定室外气象参数情况，根据室内热舒适需求确定室内温度Tin允许波动范围，在不同的室外温度水平下，通过试算不同水温下的室内温度情况，确定可使室内温度保持在允许范围内的水温范围，从而建立目标系统的变回差水温控制策略。
更进一步的，所述方法中，可结合实际运行模式与机组内置设定要求等将该水温范围拆解为控制中通用的水温设定值Tw,set组合上下回差
模式，即可将目标水温范围表达
格式。
本实施例目标水温范围表达的一种可行的拆解方式为：以目标水温范围中心值为Tw,set，而
实施例4
本实施例以一实际项目为例，说明该控制方法实施过程与效果。该项目位于北京郊区，采用定频空气源热泵机组配合散热器末端，采用供水温度回差控制模式(附图1)，供水温度设定值由用户自主设定，建立以1分钟为数据采集步长的运行监测系统，为建模与运行控制系统提供源数据。该空气源热泵系统形式参见附图2。
建模过程与变回差供水温度控制策略求解过程如下：
(1)通过调研与实测明确建筑尺寸、围护结构设计、渗风换气次数等，作为有限差分法建筑模型的输入参数。
(2)统计空气源热泵逐分运行实测数据，源数据应尽可能地覆盖供暖季室外温度变化范围，以提升模型质量；并对源数据进行分析，加入表征机组启动过程中耗电量、制热量变化特性的状态识别参数iP、iQ，其中：iP＝1、2、3，对应刚开机的第1分钟、第2分钟、其后稳定运行段，即耗电量在开机2分钟后达到稳定；iQ＝1、2、3、4，对应刚开机的第1分钟、第2分钟、第3分钟、其后稳定运行段，即制热量在开机3分钟后达到稳定。进而，训练出4个人工神经网络，如附图3所示，包括：启动段机组功率网络BP-P1，以室外温度Tout、室外相对湿度RHout、前一时刻供水温度Ts0、回水温度Tr、状态识别参数iP为输入变量，以启动阶段机组耗电量为输出变量；稳定段机组功率网络BP-P2，以Tout、RHout、Ts0、Tr为输入变量，以稳定运行阶段机组耗电量为输出变量；启动段机组制热量网络BP-Q1，以Tout、RHout、Ts0、Tr、iQ为输入变量，以启动阶段机组制热量为输出变量；稳定段机组功率网络BP-Q2，以Tout、RHout、Ts0、Tr为输入变量，以稳定运行阶段机组制热量为输出变量。
(3)通过调研与实测明确散热器类型与面积，建立末端模型；明确缓冲水箱体积及系统水容量，循环水泵功率等参数，建立输配系统模型。
(4)以机组制热量、末端供热量和建筑散热量三者间的动态耦合关系形成空气源热泵系统动态模型，由输配耗电量与机组耗电量共同构成系统耗电量。该系统模型可反映建筑室温的波动与机组的启停特性，算法逻辑如附图4所示。
(5)基于建立的动态模型，以Tin＝19±1℃为室内温度控制目标，通过试算求得可使室内温度保持在允许范围内的供水温度控制范围
从而形成该系统的变回差水温控制策略，如附图5所示。
进而，将该变回差控制策略加入运行中，运行控制逻辑如附图6所示，其过程为：实时采集室外空气温度、空气源热泵机组供水温度、供水温度控制设定值与回差。在回差调整时刻，调用前述策略更新供水温度控制设定值与回差，反之则保持不变。对比本时刻供水温度与目标控制范围，控制机组启停操作。
对比两种运行方案：一为供水温度设定值由用户决定，回差为(+2℃，-2℃)的系统默认方案；二为前述变回差水温控制方案。则后者可以根据室外气象条件调整空气源热泵系统水温控制回差值，改善了低负荷状态下空气源热泵机组的频繁启停问题，提升了系统性能，降低了系统耗电量，减少了启停过程中的噪声影响，并有助于延长压缩机寿命。经模拟计算与实验验证，对一个供暖季而言，可减少启停次数45％，提升系统能效比17％，降低系统耗电量15％。
实施例5
本实施例公开一种电子设备，包括处理器以及存储有执行指令的存储器，当所述处理器执行所述存储器存储的所述执行指令时，所述处理器执行基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法。
综上，本发明随着室外温度的升高动态增大水温控制回差，依靠建筑围护结构的蓄热性能控制室温波动在允许范围内，可改善低负荷状态下空气源热泵机组的频繁启停问题，提升系统性能，降低系统耗电量，减少启停过程中的噪声影响，并有助于延长压缩机寿命。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (13)
1.一种基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1根据建筑热工设计、气密性情况，建立可反映室温响应与波动的建筑模型；
S2根据空气源热泵运行实测数据，引入状态识别参数区分启动阶段与稳定运行阶段，通过数据驱动算法建立可反映启停动态过程与损失的机组模型；
S3建立考虑动态热过程的末端模型与考虑水路惯性的输配模型；
S4以机组制热量、末端供热量和建筑散热量三者间的动态耦合关系形成空气源热泵系统动态模型；
S5基于建立的动态模型，根据目标系统的室内热舒适需求建立变回差水温控制策略；
S6在运行中根据该变回差水温控制策略控制机组运行。
2.根据权利要求1所述的基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统，其特征在于，所述机组模型，包括机组功率、制热量、能效比任两者的启动段与稳定段求解算法组合。
3.根据权利要求2所述的基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统，其特征在于，机组模型的一种可行组合为：启动段与稳定段的机组功率求解算法P1、P2，启动段与稳定段的机组制热量求解算法Q1、Q2。
4.根据权利要求3所述的基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统，其特征在于，所述机组模型中，对测试获得的源数据引入状态识别参数iP、iQ，对应机组功率、制热量在启动阶段的逐步变化，根据机组由开机运行至稳定所需的时长与模拟计算时间步长确定其取值。
5.根据权利要求4所述的基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统，其特征在于，所述状态识别参数iP、iQ的一种可行取值为：iP＝1、2、3，对应刚开机的第1分钟、第2分钟、其后稳定运行段，即功率在开机2分钟后达到稳定；iQ＝1、2、3、4，对应刚开机的第1分钟、第2分钟、第3分钟、其后稳定运行段，即制热量在开机3分钟后达到稳定，进而由数据驱动出4个求解算法。
6.根据权利要求5所述的基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统，其特征在于，所述求解算法，包括：启动段机组功率求解算法P1、稳定段机组功率求解算法P2、启动段机组制热量求解算法Q1、稳定段机组功率求解算法Q2，根据机组特征确定各求解算法的输入变量。
7.根据权利要求6所述的基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统，其特征在于，所述求解算法一组可行的输入变量为：启动段机组功率求解算法P1，以室外温度Tout、室外相对湿度RHout、前一时刻供水温度Ts0、回水温度Tr、状态识别参数iP为输入变量，以启动阶段机组耗电量为输出变量；稳定段机组功率求解算法P2，以Tout、RHout、Ts0、Tr为输入变量，以稳定运行阶段机组耗电量为输出变量；启动段机组制热量求解算法Q1，以Tout、RHout、Ts0、Tr、iQ为输入变量，以启动阶段机组制热量为输出变量；稳定段机组功率求解算法Q2，以Tout、RHout、Ts0、Tr为输入变量，以稳定运行阶段机组制热量为输出变量。
8.根据权利要求1所述的基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统，其特征在于，所述方法中，以机组制热量、末端供热量和建筑散热量三者间的动态耦合关系形成空气源热泵系统动态模型，由输配耗电量与机组耗电量共同构成系统耗电量。
9.根据权利要求1所述的基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统，其特征在于，所述方法中，根据项目位置确定室外气象参数情况，根据室内热舒适需求确定室内温度Tin允许波动范围，在不同的室外温度水平下，通过试算不同水温下的室内温度情况，确定可使室内温度保持在允许范围内的水温范围，从而建立目标系统的变回差水温控制策略。
10.根据权利要求1所述的基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统，其特征在于，所述方法中，可结合实际运行模式与机组内置设定要求等将该水温范围拆解为控制中通用的水温设定值Tw,set组合上下回差
模式，即可将目标水温范围表达为
格式。
11.根据权利要求10所述的基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统，其特征在于，目标水温范围表达的一种可行的拆解方式为：以目标水温范围中心值为Tw,set，而
12.根据权利要求1所述的基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统，其特征在于，所述方法中，实时采集室外空气温度、空气源热泵系统水温、水温控制设定值与回差，在回差调整时刻，调用该策略更新水温控制设定值与回差，反之则保持不变，对比本时刻水温值与目标控制范围，控制机组变频或启停操作。
13.根据权利要求1-12任一项所述的基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法及系统，其特征在于，所述方法被执行时，使用一种电子设备，包括处理器以及存储有执行指令的存储器，当所述处理器执行所述存储器存储的所述执行指令时，所述处理器执行如权利要求1至12中任一所述的基于供需匹配的空气源热泵变回差水温控制方法。
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