CN118112938B - 复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法 - Google Patents
复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法Info
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Abstract
本发明公开了一种复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法，包括获取地源热泵系统模型参数、调峰供冷系统和供暖系统模型参数、复合式地源热泵系统模型参数及运行参数；分别计算供冷季和供暖季的地源热泵机组、调峰供冷系统、调峰供暖系统对出水温度的敏感系数；根据所得结果，计算供冷季和供暖季复合式地源热泵系统对出水温度的敏感系数；计算热泵机组与调峰机组最大可能运行负荷，根据得到的最大可能运行负荷，计算供冷季和供暖季，任意控制间隔的地源热泵机组负荷率优化目标函数，输出供冷季和供暖季的日控制策略序列。本申请使得复合式地源热泵系统能够更好地适应各种环境和工况，为建筑用户提供更加稳定和舒适的供暖和制冷服务。
Description
技术领域
本发明涉及地源热泵控制策略技术领域，尤其涉及一种复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法。
背景技术
复合式地源热泵系统，作为一种高效且环保的供暖和制冷系统，巧妙地利用了地球表面浅层的热能。这一系统不仅具备节能空调的功能，而且能够调控室内环境，使居住或工作环境更为舒适。该理念最早在20世纪初被提出，并在70年代的能源危机中受到了广泛关注。值得注意的是，欧洲在此领域的技术发展尤为成熟，部分地区还采取了相应的补贴和保护政策来推广此技术。
复合式地源热泵系统的核心构成包括地埋管换热器、地源热泵机组以及建筑物内部的换热器末端。地埋管换热器通过深埋在地下的管道，有效地吸收和利用地下热能。而地源热泵机组则承担着将地下热能转移到建筑物内部，以满足供暖或制冷的需求。这种系统的优势明显，包括高效节能、环保特性以及稳定可靠等。
然而，任何技术都不可能完美无缺。地源热泵系统在实际应用中也面临一些挑战，如高昂的建设成本、对地下空间的特定需求以及维护问题等。正因如此，复合式地源热泵系统应运而生，它结合了地源热泵技术与其他供暖或制冷技术，旨在解决单一地源热泵系统在某些特定环境下的局限性。例如，在冬季温度偏低的地区，单一地源热泵系统的供暖性能可能会受到限制。此时，引入其他辅助热源便能显著提升系统的整体供暖性能。
复合式地源热泵系统的核心在于其综合了地源热泵技术与各种辅助热源技术。前者主要利用地球表面浅层的热能进行能量转换，满足供暖和制冷的基本需求；而后者则涵盖了空气源热泵、水源热泵以及太阳能等可再生能源。通过与地源热泵技术的结合，这些辅助热源不仅提高了系统的整体性能，还增强了其稳定性。
复合式地源热泵系统的出现，不仅突破了单一地源热泵系统在某些特定环境下的应用局限，还显著提升了系统的供暖和制冷性能。更为重要的是，它为可再生能源的推广和应用开辟了新的思路和方法。
然而，复合式地源热泵系统在控制方面仍存在一些潜在的不足：
1、系统复杂性：由于复合式地源热泵系统融合了多个子系统，如地源热泵、辅助热源等，各子系统间的相互影响和耦合关系使得整个系统的控制变得更为复杂。
2、室外环境的影响：复合式地源热泵系统的性能容易受到室外环境因素的干扰，如温度、湿度和太阳辐射等。在某些情况下，这些环境因素的变化可能导致系统性能的波动，进而影响其稳定性。
3、控制策略的优化：尽管已有一些控制策略应用于复合式地源热泵系统，但在实际应用中，这些策略可能并不总是最优的。因此，进一步优化控制策略对于提高系统的效率、稳定性和可靠性至关重要。
4、能效比：复合式地源热泵系统的能效比可能受到多种因素的影响，如系统的设计、运行方式和维护状况等。为降低运行成本，采取有效的措施来提高系统的能效比是必要的。
5、子系统的集成与协同工作：复合式地源热泵系统中的各个子系统需要协同工作以保障整个系统的性能和稳定性。因此，如何实现各子系统的集成与协同工作成为了一个关键问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法，针对复合式地源热泵系统控制复杂的问题，进行了全面的优化处理。考虑用户侧出水温度对于维持室内环境的舒适度和健康性、实现较高的热泵机组性能的重要性，提出用户侧开环近似最优控制策略优化方法对用户侧循环泵组运行频率、用户侧出水温度进行优化。根据复合式地源热泵系统机组控制策略优化方法对各地源热泵机组和调峰机组出水温度、负荷率进行优化。这一系列的优化措施使得复合式地源热泵系统在运行过程中能够更好地适应各种环境和工况，为建筑用户提供更加稳定和舒适的供暖和制冷服务。
为了实现上述目的，本发明提出了一种复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法，包括以下步骤：
S1、获取地源热泵系统模型参数、调峰供冷系统模型参数、调峰供暖系统模型参数、复合式地源热泵系统模型参数以及复合式地源热泵系统运行参数；
S2、根据所述地源热泵系统模型参数，分别计算供冷季和供暖季的地源热泵机组对出水温度的敏感系数；
根据调峰供冷系统模型参数，计算供冷季调峰系统冷水机组制冷功率对冷冻水出水温度的敏感系数；根据调峰供暖系统模型参数计算供暖季，调峰系统热水锅炉制热功率对热水出水温度的敏感系数；
根据上述所有敏感系数和复合式地源热泵系统模型参数以及复合式地源热泵系统运行参数，计算供冷季和供暖季复合式地源热泵对出水温度的敏感系数；
S3、优化供冷季、供暖季复合式地源热泵系统对用户侧出水温度和用户侧循环泵组水泵运行台数与循环泵组运行频率；
S4、计算供冷季和供暖季，热泵机组与调峰机组最大可能运行负荷，根据得到的最大可能运行负荷，计算供冷季和供暖季，任意控制间隔的地源热泵机组负荷率优化目标函数，输出供冷季和供暖季的日控制策略序列。
进一步优选的，在S2中，按照如下公式（1）计算供冷季地源热泵机组对冷冻水出水温度的敏感系数S chws,gshp,i ；
公式（1）
其中，a 1,i 、a 2,i 、a 5,i 、a 8,i 均为第个地源热泵机组制冷功率模型系数；为第个地源热泵机组冷冻水出水温度；为第个地源热泵机组制冷功率；为第个地源热泵机组额定制冷功率；为复合式地源热泵系统冷冻水设计出水温度；为供冷季浅层土壤源地埋管群换热器设计进水温度；为第个地源热泵机组供冷季设计负荷率；
按照如下公式（2）计算供暖季地源热泵机组对热水出水温度的敏感系数：
公式（2）
其中，、、、均为第个地源热泵机组制热功率模型系数；为第个地源热泵机组制热功率；为第个地源热泵机组额定制热功率；为第个地源热泵机组热水出水温度；为复合式地源热泵系统热水设计出水温度；为供暖季浅层土壤源地埋管群换热器设计进水温度；为第个地源热泵机组供暖季设计负荷率。
进一步优选的，在S2中，根据调峰供冷系统模型参数，按照公式（3）计算供冷季调峰系统冷水机组制冷功率对冷冻水出水温度的敏感系数；
公式（3）
其中，、、、为调峰系统冷水机组制冷功率模型系数；为调峰系统冷水机组制冷功率；为调峰系统冷水机组额定制冷功率；为复合式地源热泵系统冷冻水设计出水温度；为调峰系统冷水机组冷冻水出水温度；为调峰系统冷却塔进口水温；为调峰系统冷水机组供冷季设计负荷率；
根据调峰供暖系统模型参数，按照公式（4）计算供暖季调峰系统热水锅炉制热功率对热水出水温度的敏感系数；
公式（4）
其中，、、、均为调峰系统热水锅炉制热功率模型系数；为调峰系统热水锅炉制热功率；为调峰系统热水锅炉额定制热功率；为调峰系统热水锅炉设计运行流量；为调峰系统热水锅炉热水出水温度；为复合式地源热泵系统热水设计出水温度；为调峰系统冷水机组供暖季设计负荷率。
进一步优选的，在S2中，所述计算供冷季和供暖季复合式地源热泵对出水温度的敏感系数时，包括：按照如下公式（5）计算供冷季复合式地源热泵对冷冻水出水温度的敏感系数：
公式（5）
按照如下公式（6）计算供暖季复合式地源热泵对热水出水温度的敏感系数：
公式（6）
其中，为第个控制间隔第台地源热泵机组启停变量，若，第台地源热泵机组不运行，若，第台地源热泵机组运行；为第个控制间隔调峰系统冷水机组启停变量，若，调峰系统冷水机组不运行，若，调峰系统冷水机组运行；为地源热泵机组总数；为供冷季第台地源热泵机组制冷功率对冷冻水出水温度的敏感系数；为供冷季调峰供冷系统冷水机组制冷功率对冷冻水出水温度的敏感系数；
为第个地源热泵机组额定制热功率；为调峰系统冷水机组额定制冷功率；为供暖季第台地源热泵机组制热功率对热水出水温度的敏感系数；为供暖季调峰供暖系统热水锅炉制热功率对热水出水温度的敏感系数；第个地源热泵机组额定制热功率； 为调峰系统热水锅炉额定制热功率。
进一步优选的，在S3中，优化供冷季、供暖季复合式地源热泵系统对用户侧出水温度，包括：按照公式（7）优化供冷季复合式地源热泵系统对用户侧出水温度；
公式（7）
公式（8）
公式（9）
式中：为第个控制间隔室内湿球温度，为设计室内湿球温度，由设计室内干球温度和设计室内相对湿度计算确定；为设计冷冻水出水温度；由室内干球温度和室内相对湿度计算确定；若为离线优化取；为中间变量；为中间变量；为第个控制间隔复合式地源热泵系统总负荷率；为冷冻水出水温度最小值；为冷冻水出水温度最大值；为第个控制间隔运行的热泵机组（含地源热泵机组、调峰冷水机组）总额定制冷功率；为供冷季第个控制间隔运行的用户侧循环水泵总额定功率；为供冷季复合式地源热泵对冷冻水出水温度的敏感系数。
进一步优选的，还包括按照公式（10）优化供暖季复合式地源热泵系统对用户侧出水温度；
公式（10）
公式（11）
公式（12）
其中，为第个控制间隔室内干球温度，若为离线优化取；为供暖季设计热水出水温度；为供暖季设计室内干球温度；为第个控制间隔复合式地源热泵系统总负荷率；为第个控制间隔地源热泵运行机组总额定制热功率；为供暖季第个控制间隔运行用户侧循环水泵总额定功率；为热水出水温度最小值；为热水出水温度最大值。
进一步优选的，在S3中，所述优化用户侧循环泵组水泵运行台数与循环泵组运行频率包括以下步骤：
S301、计算用户侧采用量调节运行模式时，供冷季与供暖季的用户侧循环流量；
S302、根据得到的供冷季与供暖季的用户侧循环流量和用户侧出水温度，计算供冷季与供暖季用户侧回水温度；
S303、按照用户侧循环泵组并联运行且统一变频时，不同水泵运行台数下，泵组满频运行时的最大运行流量；
S303、根据用户侧循环流量，用户侧循环水泵泵组的水泵运行台数，计算每台用户侧循环水泵泵组运行频率。
进一步优选的，在S4中，按照如下公式（34）计算供冷季和供暖季，任意控制间隔的地源热泵机组负荷率优化目标函数；
公式（34）
其中，为，为第台地源热泵机组负荷率；为地源热泵机组总数；
为目标函数二次项矩阵，为二次项矩阵系数；
为目标函数一次项行向量，为二次项矩阵系数；
为等式约束矩阵，为等式约束矩阵系数；
为等式约束列向量，为等式约束矩阵系数；
为决策变量下限列向量，地源热泵机组最小负荷率；
为决策变量上限列向量，为第台地源热泵机组最大负荷率；
本发明还提供一种电子设备，包括：存储器，存储有计算机程序指令；处理器，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现如上述复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储指令，当存储的指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行如上述复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法的步骤。
本申请公开的一种复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法，相比于现有技术，至少具有以下优点。
该方法的核心在于全面提升系统的运行效能，特别是强调用户侧出水温度对于维持室内环境舒适与健康的重要性。通过深入研究用户侧开环控制的最佳实践，并在此基础上，提出了近似最优控制策略优化方法。该方法旨在精确调整用户侧循环泵组的运行台数、运行频率以控制用户侧运行流量，根据建筑末端传热机理对用户侧出水温度的精准控制，确保室内温度的稳定，还有效提升热泵机组的运行效率。此外，针对复合式地源热泵系统的机组控制策略优化问题，通过调整各地源热泵机组和调峰机组的出水温度以及负荷率，我们进一步提升了系统的整体性能。增强了复合式系统的适应性，使其能够在各种环境和工况下稳定运行，同时也为建筑用户提供了更为稳定、舒适的供暖和制冷服务。
附图说明
图1为本发明提供的复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法的实施步骤示意图。
具体实施方式
以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明一方面实施例提供的一种复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法，包括以下步骤：
S1、获取地源热泵系统模型参数、调峰供冷系统模型参数、调峰供暖系统模型参数、复合式地源热泵系统模型参数以及复合式地源热泵系统运行参数；
S2、根据所述地源热泵系统模型参数，分别计算供冷季和供暖季的地源热泵机组对出水温度的敏感系数；
根据调峰供冷系统模型参数，计算供冷季调峰系统冷水机组制冷功率对冷冻水出水温度的敏感系数；根据调峰供暖系统模型参数计算供暖季，调峰系统热水锅炉制热功率对热水出水温度的敏感系数；
根据上述所有敏感系数和复合式地源热泵系统模型参数以及复合式地源热泵系统运行参数，计算供冷季和供暖季复合式地源热泵对出水温度的敏感系数；
S3、优化供冷季、供暖季复合式地源热泵系统对用户侧出水温度和用户侧循环泵组水泵运行台数与循环泵组运行频率；
S4、计算供冷季和供暖季，热泵机组与调峰机组最大可能运行负荷，根据得到的最大可能运行负荷，计算供冷季和供暖季，任意控制间隔的地源热泵机组负荷率优化目标函数，输出供冷季和供暖季的日控制策略序列。
在S1中，地源热泵系统模型参数包括：
a 0,i 、a 2,i 、a 5,i .....a 9,i ：第个地源热泵机组制冷功率模型系数；
P gshp,rated,cooling,i ：第个地源热泵机组额定制冷功率，单位kW；
T chws,des ：复合式地源热泵系统冷冻水设计出水温度，单位℃；
T g,in,cooling,des ：供冷季浅层土壤源地埋管群换热器设计进水温度，单位℃；
PLR gshp,cooling,des,i ：第个地源热泵机组供冷季设计负荷率；
、、、：第个地源热泵机组制热功率模型系数；
P gshp,rated,heating,i ：第个地源热泵机组额定制热功率，单位kW；
T hws,gshp,i ：第个地源热泵机组热水出水温度，单位℃；
T hws,des ：复合式地源热泵系统热水设计出水温度，单位℃；
T g,in,heating,des ：供暖季浅层土壤源地埋管群换热器设计进水温度，单位℃；
PLR gshp,heating,des,i ：第个地源热泵机组供暖季设计负荷率；PLR gshp,min ：地源热泵机组负荷率最小值。
调峰供冷系统模型参数包括：c 1 、c 2 、c 5 、c 8 为调峰系统冷水机组制冷功率模型系数；P peak,rated,cooling 为调峰系统冷水机组额定制冷功率，单位kW；T chws,peak 为调峰系统冷水机组冷冻水出水温度，单位℃；T tower,in,des 为调峰系统冷却塔进口水温，单位℃；PLR peak,cooling,des 为调峰系统冷水机组供冷季设计负荷率。
调峰供暖系统模型参数包括：a 12 、a 22 、a 23 、b 2 为调峰系统热水锅炉制热功率模型系数；P peak,rated,heating 为调峰系统热水锅炉额定制热功率，单位kW；G boiler,des 为调峰系统热水锅炉设计运行流量，单位m3/h；T hws,peak 为调峰系统热水锅炉热水出水温度，单位℃；T hws,des 为调峰系统热水锅炉热水出水温度，单位℃；PLR peak,heating,des 为调峰系统冷水机组供暖季设计负荷率；
复合式地源热泵系统模型参数包括：
为供冷季，第k个控制间隔运行的热泵机组（含地源热泵机组、调峰冷水机组）总额定制冷功率，单位kW；为第k个控制间隔运行的用户侧循环水泵总额定功率，单位kW；
T n,wb,des 为设计室内湿球温度，由设计室内干球温度和设计室内相对湿度计算确定，单位℃；
T chws,des 为设计冷冻水出水温度，单位℃；
为第k个控制间隔室内湿球温度，由室内干球温度和室内相对湿度计算确定，若为离线优化取T n,wb,des ，单位℃；
T chws,min 为冷冻水出水温度最小值，单位℃；
T chws,max 为冷冻水出水温度最大值，单位℃；
为供暖季，第k个控制间隔运行机组(地源热泵机组及锅炉)总额定制热功率，单位kW；
为第k个控制间隔运行用户侧循环水泵总额定功率，单位kW；
T n,db,des 为供暖季设计室内干球温度，单位℃；
T hws,des 为供暖季设计热水出水温度，单位℃；
为第k个控制间隔室内干球温度，若为离线优化取T n,db,des ，单位℃；
T hws,min 为热水出水温度最小值，单位℃；
T hws,max 为热水出水温度最大值，单位℃；
T chwr,des 为供冷季冷冻水设计回水温度，单位℃；
T chws,des 为供冷季冷冻水设计出水温度，单位℃；
T hws,des 为供暖季热水设计出水温度，单位℃；
T hwr,des 为供暖季热水设计回水温度，单位℃；
G chw,min 为供冷季冷冻水循环流量最小值，单位m3/h；
G chw,max 为供冷季冷冻水循环流量最大值，单位m3/h；
G hw,min 为供暖季热水循环流量最小值，单位m3/h；
G hw,max 为供暖季热水循环流量最大值，单位m3/h；
n p,u 为用户侧循环泵组水泵总台数；
f p,u,min 为统一变频最低运行频率，单位Hz；f max 为满频频率，单位Hz；
n gshp 为地源热泵机组数目。
复合式地源热泵系统运行参数包括：为第k个控制间隔第台地源热泵机组启停变量，若，第台地源热泵机组不运行，若，第台地源热泵机组运行；为第k个控制间隔调峰系统冷水机组启停变量，若，调峰系统冷水机组不运行，若，调峰系统冷水机组运行；为第k个控制间隔复合式地源热泵系统运行负荷，单位kW；PLR k 为第个控制间隔复合式地源热泵系统总负荷率；c p 为循环水比热容；为循环水密度；为供冷季，第台地源热泵机组用户侧循环流量，单位m3/h；为供暖季，第台地源热泵机组用户侧循环流量，单位m3/h。
在S2中，根据所述地源热泵系统模型参数，计算供冷季的地源热泵机组对出水温度的敏感系数,包括按照如下公式（1）计算供冷季地源热泵机组对冷冻水出水温度的敏感系数；
公式（1）
其中，、、、为第个地源热泵机组制冷功率模型系数；为第个地源热泵机组冷冻水出水温度；为第个地源热泵机组制冷功率；为第个地源热泵机组额定制冷功率；为复合式地源热泵系统冷冻水设计出水温度；为供冷季浅层土壤源地埋管群换热器设计进水温度；为第个地源热泵机组供冷季设计负荷率。
按照如下公式（2）计算供暖季地源热泵机组对热水出水温度的敏感系数；
公式（2）
其中，、、、均为第个地源热泵机组制热功率模型系数；为第个地源热泵机组制热功率；为第个地源热泵机组额定制热功率；为第个地源热泵机组热水出水温度；为复合式地源热泵系统热水设计出水温度；为供暖季浅层土壤源地埋管群换热器设计进水温度；为第个地源热泵机组供暖季设计负荷率。
在S2中，根据调峰供冷系统模型参数，按照公式（3）计算供冷季调峰系统冷水机组制冷功率对冷冻水出水温度的敏感系数；
公式（3）
其中，、、、为调峰系统冷水机组制冷功率模型系数；为调峰系统冷水机组制冷功率；为调峰系统冷水机组额定制冷功率；为复合式地源热泵系统冷冻水设计出水温度；为调峰系统冷水机组冷冻水出水温度；为调峰系统冷却塔进口水温；为调峰系统冷水机组供冷季设计负荷率；
根据调峰供暖系统模型参数，按照公式（4）计算供暖季调峰系统热水锅炉制热功率对热水出水温度的敏感系数；
公式（4）
其中，、、、均为调峰系统热水锅炉制热功率模型系数；为调峰系统热水锅炉制热功率；为调峰系统热水锅炉额定制热功率；为调峰系统热水锅炉设计运行流量；为调峰系统热水锅炉热水出水温度；为复合式地源热泵系统热水设计出水温度；为调峰系统冷水机组供暖季设计负荷率。
所述计算供冷季和供暖季复合式地源热泵对出水温度的敏感系数时，包括：按照如下公式（5）计算供冷季复合式地源热泵对冷冻水出水温度的敏感系数：
公式（5）
按照如下公式（6）计算供暖季复合式地源热泵对热水出水温度的敏感系数：
公式（6）
其中，为第个控制间隔第台地源热泵机组启停变量，若，第台地源热泵机组不运行，若，第台地源热泵机组运行；为第个控制间隔调峰系统冷水机组启停变量，若，调峰系统冷水机组不运行，若，调峰系统冷水机组运行；
为供冷季第台地源热泵机组制冷功率对冷冻水出水温度的敏感系数； 为供冷季调峰供冷系统冷水机组制冷功率对冷冻水出水温度的敏感系数；
为第个地源热泵机组额定制热功率；为调峰系统冷水机组额定制冷功率；为供暖季第台地源热泵机组制热功率对热水出水温度的敏感系数；为供暖季调峰供暖系统热水锅炉制热功率对热水出水温度的敏感系数；第个地源热泵机组额定制热功率； 为调峰系统热水锅炉额定制热功率。在S3中，优化供冷季、供暖季复合式地源热泵系统对用户侧出水温度，包括：按照公式（7）优化供冷季复合式地源热泵系统对用户侧出水温度；
公式（7）
公式（8）
公式（9）
式中：为第个控制间隔室内湿球温度，为设计室内湿球温度，由设计室内干球温度和设计室内相对湿度计算确定；为设计冷冻水出水温度；由室内干球温度和室内相对湿度计算确定；若为离线优化取；为中间变量；为中间变量；为第个控制间隔复合式地源热泵系统总负荷率；为冷冻水出水温度最小值；为冷冻水出水温度最大值； 为第个控制间隔运行的热泵机组（含地源热泵机组、调峰冷水机组）总额定制冷功率；为供冷季第个控制间隔运行的用户侧循环水泵总额定功率；为供冷季复合式地源热泵对冷冻水出水温度的敏感系数。
还包括按照公式（10）优化供暖季复合式地源热泵系统对用户侧出水温度；
公式（10）
公式（11）
公式（12）
其中，为第个控制间隔室内干球温度，若为离线优化取；为供暖季设计热水出水温度；为供暖季设计室内干球温度；为第个控制间隔复合式地源热泵系统总负荷率；为第个控制间隔地源热泵运行机组总额定制热功率；为供暖季第个控制间隔运行用户侧循环水泵总额定功率；为热水出水温度最小值；为热水出水温度最大值。
在S3中，所述优化用户侧循环泵组水泵运行台数与循环泵组运行频率包括以下步骤：
S301、计算用户侧采用量调节运行模式时，供冷季与供暖季的用户侧循环流量；
S302、根据得到的供冷季与供暖季的用户侧循环流量和用户侧出水温度，计算供冷季与供暖季用户侧回水温度；
S303、按照用户侧循环泵组并联运行且统一变频时，不同水泵运行台数下，泵组满频运行时的最大运行流量；
S303、根据用户侧循环流量，用户侧循环水泵泵组的水泵运行台数，计算每台用户侧循环水泵泵组运行频率。
具体包括：
用户侧采取量调节运行模式，供冷季与供暖季用户侧循环流量计算公式分别如下所示：
公式（13）
公式（14）
式中：
为第个控制间隔供冷季冷冻水循环流量，单位m3/h；
为第个控制间隔供暖季热水循环流量，单位m3/h；
为第个控制间隔复合式地源热泵系统运行负荷，单位kW；
为供冷季冷冻水设计回水温度，单位℃；
为供冷季冷冻水设计出水温度，单位℃；
为供暖季热水设计出水温度，单位℃；
为供暖季热水设计回水温度，单位℃；
为循环水比热容，单位；
为循环水密度，单位；
为供冷季冷冻水循环流量最小值，单位m3/h；
为供冷季冷冻水循环流量最大值，单位m3/h；
为供暖季热水循环流量最小值，单位m3/h；
为供暖季热水循环流量最大值，单位m3/h；
根据用户侧循环流量和用户侧出水温度，供冷季与供暖季用户侧回水温度计算公式分别如下所示：
公式（15）
公式（16）
式中：
为第个控制间隔复合式地源热泵系统冷冻水回水温度，单位℃；
为第个控制间隔复合式地源热泵系统冷冻水回水温度，单位℃；
用户侧循环泵组并联运行且统一变频，不同水泵运行台数下，泵组满频运行时的最大运行流量，计算公式如下所示：
公式（17）
式中：
为用户侧循环泵组水泵运行台数；
为用户侧循环泵组水泵总台数；
为各地源热泵机组启停序列，，其中为第台地源热泵机组启停变量；
为调峰机组启停变量；
根据用户侧循环流量确定用户侧循环水泵泵组的水泵运行台数，计算公式如下所示：
式中：
为第个控制间隔用户侧循环水泵泵组的运行台数；
为用户侧循环泵组水泵运行台数为时，泵组满频运行时的最大运行流量，单位m3/h；
进一步确定用户侧循环水泵泵组运行频率，计算公式如下所示：
公式（18）
式中：
为第个控制间隔用户侧循环水泵泵组运行频率，单位Hz；
为统一变频最低运行频率，单位Hz；
为满频频率，单位Hz；
对复合式地源热泵系统机组控制策略优化首先需明确热泵机组与调峰机组最大可能运行负荷，因调峰机组与地源热泵机组并联运行且机组，各地源热泵机组用户侧循环流量与调峰机组用户侧循环流量近似一致，调峰冷水机组有保障安全需要的冷冻水最低出水温度限制，调峰热水机组有热水最高出水温度限制，供冷季、供暖季调峰机组各控制间隔最大可能运行负荷计算公式如下所示：
公式（19）
公式（20）
式中：
为第个控制间隔，供冷季调峰冷水机组最大可能运行负荷，单位kW；
为第个控制间隔，供暖季调峰热水锅炉最大可能运行负荷，单位kW；
为地源热泵机组数目；
根据各地源热泵机组启停序列，确定供冷季、供暖季各控制间隔内地源热泵系统的最大可能运行负荷（）；
若调峰机组运行而地源热泵机组并不运行（即，），供冷季、供暖季各控制间隔内调峰系统运行负荷、调峰系统出水温度、调峰系统负荷率计算公式如下所示：
公式（21）
式中：
为供冷季，第个控制间隔，调峰系统冷水机组运行负荷，单位kW；
为供冷季，第个控制间隔，调峰系统冷水机组冷冻水出水温度，单位℃；
为供冷季，第个控制间隔，调峰系统冷水机组负荷率；
公式（22）
式中：
为供暖季，第个控制间隔，调峰系统热水锅炉运行负荷，单位kW；
为供暖季，第个控制间隔，调峰系统热水锅炉热水出水温度，单位℃；
为第个控制间隔，调峰系统热水锅炉负荷率；
若地源热泵机组运行而调峰机组并不运行（即，），供冷季、供暖季各控制间隔内地源热泵系统运行负荷、地源热泵系统出水温度、地源热泵系统负荷率计算公式如下所示：
公式（23-1）
式中：
为供冷季第个控制间隔，地源热泵系统运行负荷，单位kW；
为供冷季第个控制间隔，地源热泵系统冷冻水出水温度，单位℃；
公式（23-2）
式中：
为供暖季第个控制间隔，地源热泵系统运行负荷，单位kW；
为供暖季第个控制间隔，地源热泵系统冷冻水出水温度，单位℃；
若地源热泵机组与调峰机组均运行（即，），供冷季、供暖季各控制间隔内地源热泵系统运行负荷、地源热泵系统总出水温度、调峰系统运行负荷、调峰系统出水温度、调峰系统负荷率计算公式如下所示：
公式（24）
式中：
为供冷季，第个控制间隔，地源热泵系统运行负荷，单位kW；
为供冷季，第个控制间隔，地源热泵系统冷冻水出水温度，单位℃；
公式（25）
式中：
为供冷季，第个控制间隔，调峰系统冷水机组运行负荷，单位kW；
为供冷季，第个控制间隔，调峰系统冷水机组冷冻水出水温度，单位℃；
为供冷季，第个控制间隔，调峰系统冷水机组负荷率；
公式（26）
式中：
为供暖季，第个控制间隔，地源热泵系统运行负荷，单位kW；
为供暖季，第个控制间隔，地源热泵系统热水出水温度，单位℃；
公式（27）
式中：
为供暖季，第个控制间隔，调峰系统热水锅炉运行负荷，单位kW；
为供暖季，第个控制间隔，调峰系统热水锅炉热水出水温度，单位℃；
为第个控制间隔，调峰系统热水锅炉负荷率；
供冷季、供暖季地源热泵机组最大负荷率计算公式如下所示：
公式（28）
公式（29）
式中：
为供冷季，第个控制间隔，第个地源热泵机组地源热泵机组最大负荷率，单位kW；
为供暖季，第个控制间隔，第个地源热泵机组地源热泵机组最大负荷率，单位kW；
确定地源热泵系统运行负荷后，进一步对控制间隔地源热泵系统地源热泵机组负荷率、各地源热泵机组供冷季冷冻水出水温度（供暖季热水出水温度）进行优化，供冷季地源热泵机组负荷率优化目标函数如下所示：
公式（30）
式中：
a 0,i 、a 1,i ...a 9,i 为第台地源热泵机组制冷功率模型系数；
为供冷季，第个控制间隔第台地源热泵机组冷冻水出水温度，单位℃；
为第个控制间隔第台地源热泵机组负荷率；
为供冷季，第台地源热泵机组用户侧循环流量，单位m3/h；
为地源热泵机组负荷率最小值；
供暖季地源热泵机组负荷率优化目标函数如下所示：
公式（31）
式中：
b 0,i 、b 1,i .....b 9,i 为第台地源热泵机组制热功率模型系数；
为供暖季，第个控制间隔第台地源热泵机组热水出水温度，单位℃；
为第个控制间隔第台地源热泵机组负荷率；
为供暖季，第台地源热泵机组用户侧循环流量，单位m3/h；
为地源热泵机组负荷率最小值；
经进一步整理，供冷季地源热泵机组负荷率优化目标函数如下所示：
公式（32）
其中：
供暖季地源热泵机组负荷率优化目标函数如下所示：
公式（33）
最终得到：
公式（34）
通过求解供冷季、供暖季地源热泵机组负荷率优化二次规划问题，确定各地源热泵机组运行负荷率。根据机组运行负荷率，供冷季供暖季各地源热泵机组出水温度计算公式如下所示：
公式（35）
式中：
为供冷季，第个控制间隔，第台地源热泵机组冷冻水出水温度，单位℃；
为供暖季，第个控制间隔，第台地源热泵机组热水出水温度，单位℃；
最终输出：供冷季日控制策略序列、供暖季日控制策略序列；
供冷季日控制策略序列：
为第个控制间隔复合式地源热泵系统用户侧冷冻水出水温度，单位℃；
为第个控制间隔供冷季冷冻水循环流量，单位m3/h；
为第个控制间隔复合式地源热泵系统冷冻水回水温度，单位℃；
为第个控制间隔用户侧循环水泵泵组的运行台数；
为第个控制间隔用户侧循环水泵泵组运行频率，单位Hz；
为供冷季，第个控制间隔，调峰系统冷水机组冷冻水出水温度，单位℃；
为供冷季，第个控制间隔，调峰系统冷水机组负荷率；
为供冷季，第个控制间隔，第台地源热泵机组冷冻水出水温度，单位℃；
为第个控制间隔第台地源热泵机组负荷率；
供暖季日控制策略序列：
为第个控制间隔复合式地源热泵系统用户侧热水出水温度，单位℃；
为第个控制间隔供暖季热水循环流量，单位m3/h；
为第个控制间隔复合式地源热泵系统冷冻水回水温度，单位℃；
为第个控制间隔用户侧循环水泵泵组的运行台数；
为第个控制间隔用户侧循环水泵泵组运行频率，单位Hz；
为供暖季，第个控制间隔，调峰系统热水锅炉热水出水温度，单位℃；
为第个控制间隔，调峰系统热水锅炉负荷率；
为供暖季，第个控制间隔，第台地源热泵机组热水出水温度，单位℃；
为第个控制间隔第台地源热泵机组负荷率。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取地源热泵系统模型参数、调峰供冷系统模型参数、调峰供暖系统模型参数、复合式地源热泵系统模型参数以及复合式地源热泵系统运行参数；
S2、根据所述地源热泵系统模型参数，分别计算供冷季和供暖季的地源热泵机组对出水温度的敏感系数；
根据调峰供冷系统模型参数，计算供冷季调峰系统冷水机组制冷功率对冷冻水出水温度的敏感系数；根据调峰供暖系统模型参数计算供暖季，调峰系统热水锅炉制热功率对热水出水温度的敏感系数；
根据上述所有敏感系数和复合式地源热泵系统模型参数以及复合式地源热泵系统运行参数，计算供冷季和供暖季复合式地源热泵对出水温度的敏感系数；
包括：按照如下公式（1）计算供冷季地源热泵机组对冷冻水出水温度的敏感系数；
公式（1）
其中，、、、均为第个地源热泵机组制冷功率模型系数；为第个地源热泵机组冷冻水出水温度；为第个地源热泵机组制冷功率；为第个地源热泵机组额定制冷功率；为复合式地源热泵系统冷冻水设计出水温度；为供冷季浅层土壤源地埋管群换热器设计进水温度；为第个地源热泵机组供冷季设计负荷率；
按照如下公式（2）计算供暖季地源热泵机组对热水出水温度的敏感系数；
公式（2）
其中，、、、均为第个地源热泵机组制热功率模型系数；为第个地源热泵机组制热功率；为第个地源热泵机组额定制热功率；为第个地源热泵机组热水出水温度；为复合式地源热泵系统热水设计出水温度；为供暖季浅层土壤源地埋管群换热器设计进水温度；为第个地源热泵机组供暖季设计负荷率；
按照公式（3）计算供冷季调峰系统冷水机组制冷功率对冷冻水出水温度的敏感系数；
公式（3）
其中，、、、均为调峰系统冷水机组制冷功率模型系数；为调峰系统冷水机组制冷功率；为调峰系统冷水机组额定制冷功率；为复合式地源热泵系统冷冻水设计出水温度；为调峰系统冷水机组冷冻水出水温度；为调峰系统冷却塔进口水温；为调峰系统冷水机组供冷季设计负荷率；
根据调峰供暖系统模型参数，按照公式（4）计算供暖季调峰系统热水锅炉制热功率对热水出水温度的敏感系数；
公式（4）
其中，、、、均为调峰系统热水锅炉制热功率模型系数；为调峰系统热水锅炉制热功率；为调峰系统热水锅炉额定制热功率；为调峰系统热水锅炉设计运行流量；为调峰系统热水锅炉热水出水温度；为复合式地源热泵系统热水设计出水温度；为调峰系统冷水机组供暖季设计负荷率；
包括：按照如下公式（5）计算供冷季复合式地源热泵对冷冻水出水温度的敏感系数：
公式（5）
按照如下公式（6）计算供暖季复合式地源热泵对热水出水温度的敏感系数：
公式（6）
其中，为第个控制间隔第台地源热泵机组启停变量，若，第台地源热泵机组不运行，若，第台地源热泵机组运行；为第个控制间隔调峰系统冷水机组启停变量，若，调峰系统冷水机组不运行，若，调峰系统冷水机组运行；为地源热泵机组总数；为供冷季第台地源热泵机组制冷功率对冷冻水出水温度的敏感系数； 为供冷季调峰供冷系统冷水机组制冷功率对冷冻水出水温度的敏感系数；
为第个地源热泵机组额定制冷功率；为调峰系统冷水机组额定制冷功率；为供暖季第台地源热泵机组制热功率对热水出水温度的敏感系数；为供暖季调峰供暖系统热水锅炉制热功率对热水出水温度的敏感系数；第个地源热泵机组额定制热功率；为调峰系统热水锅炉额定制热功率；
S3、优化供冷季、供暖季复合式地源热泵系统对用户侧出水温度和用户侧循环泵组水泵运行台数与循环泵组运行频率；
S4、计算供冷季和供暖季，热泵机组与调峰机组最大可能运行负荷，根据得到的最大可能运行负荷，计算供冷季和供暖季，任意控制间隔的地源热泵机组负荷率优化目标函数，输出供冷季和供暖季的日控制策略序列。
2.根据权利要求1所述的复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法，其特征在于，在S3中，优化供冷季、供暖季复合式地源热泵系统对用户侧出水温度，包括：按照公式（7）优化供冷季复合式地源热泵系统对用户侧出水温度；
公式（7）
公式（8）
公式（9）
式中：为第个控制间隔室内湿球温度，为设计室内湿球温度，由设计室内干球温度和设计室内相对湿度计算确定；为复合式地源热泵系统冷冻水设计出水温度；为中间变量；为第个控制间隔复合式地源热泵系统总负荷率；为中间变量；为冷冻水出水温度最小值；为冷冻水出水温度最大值； 为第个控制间隔运行的热泵机组总额定制冷功率；为第个控制间隔运行的用户侧循环水泵总额定功率；为供冷季复合式地源热泵对冷冻水出水温度的敏感系数。
3.根据权利要求2所述的复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法，其特征在于，还包括按照公式（10）优化供暖季复合式地源热泵系统对用户侧出水温度；
公式（10）
公式（11）
公式（12）
其中，为第个控制间隔室内干球温度，若为离线优化取；为供暖季设计热水出水温度；为供暖季设计室内干球温度；为第个控制间隔复合式地源热泵系统总负荷率；为第个控制间隔地源热泵运行机组总额定制热功率；为第个控制间隔运行用户侧循环水泵总额定功率；为热水出水温度最小值；为热水出水温度最大值。
4.根据权利要求3所述的复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法，其特征在于，在S3中，所述优化用户侧循环泵组水泵运行台数与循环泵组运行频率包括以下步骤：
S301、计算用户侧采用量调节运行模式时，供冷季与供暖季的用户侧循环流量；
S302、根据得到的供冷季与供暖季的用户侧循环流量和用户侧出水温度，计算供冷季与供暖季用户侧回水温度；
S303、按照用户侧循环泵组并联运行且统一变频时，不同水泵运行台数下，泵组满频运行时的最大运行流量；
S303、根据用户侧循环流量，用户侧循环水泵泵组的水泵运行台数，计算每台用户侧循环水泵泵组运行频率。
5.根据权利要求1所述的复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法，其特征在于，在S4中，按照如下公式计算供冷季和供暖季，任意控制间隔的地源热泵机组负荷率优化目标函数；
公式（34）
其中，为，为第个控制间隔第台地源热泵机组负荷率；为地源热泵机组总数；为目标函数二次项矩阵，为目标函数一次项行向量；为等式约束矩阵；为等式约束列向量；为决策变量下限列向量；为决策变量上限列向量。
6.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器，存储有计算机程序指令；处理器，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储指令，当存储的指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行如权利要求1至5中任一项所述复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法的步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410530195.4A CN118112938B (zh) | 2024-04-29 | 复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410530195.4A CN118112938B (zh) | 2024-04-29 | 复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法 |
Publications (2)
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|---|---|
| CN118112938A CN118112938A (zh) | 2024-05-31 |
| CN118112938B true CN118112938B (zh) | 2024-07-09 |
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111723533A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-09-29 | 湖北洁能工程技术开发公司 | 一种地源热泵系统变频水泵节能计算方法 |
| CN115930469A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-04-07 | 国网陕西省电力有限公司电力科学研究院 | 一种热泵耦合相变蓄能系统及其控制方法 |
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|---|---|---|---|---|
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| CN115930469A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-04-07 | 国网陕西省电力有限公司电力科学研究院 | 一种热泵耦合相变蓄能系统及其控制方法 |
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