利用最優控制優化歷史街區供熱系統改造中的混合熱泵系統效率

本文展示了最佳控制混合熱泵系統（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“Stijn Streuvelstraat”的重新設計為例。基于物理的鄰域模型及不同供給選項被用于虛擬比較傳統規則控制與最優控制。混合熱泵系統的效率提升源于其最佳控制能夠考慮不同源溫度和預測的建筑行為。

介紹

實現住宅供暖行業的脫碳是實現能源和排放目標的重大挑戰。對于基于可再生和剩余能源（RES）的未來供電系統，通常區分兩種拓撲結構：（1）建筑層面的獨立熱泵系統，通常使用環境空氣或地熱熱能，以及（2）集體區域供熱網絡。對于現代區域供熱網絡，通常區分兩個子拓撲結構：（a）高溫集中產生的熱能，稱為第四代區域供熱網絡（4GDHN），通常通過可再生能源（熱泵、生物質能等）或殘余熱能（廢棄焚燒、工業過程等）實現;（b）低溫網絡，即所謂的第五代采用低溫熱源（太陽能熱源、數據中心等）和建筑層的分心式熱泵，提供區域供熱和制冷網絡（5GDHCN）。

本文評估了混合熱泵系統整合空氣源熱泵（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“Stijn Streuvelstraat”的重新設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，展示了與傳統規則控制相比的最優控制系統的潛力。本文基于“Stijn Streuvelstraat”項目設計階段的經驗。本文采用了[1]的擴展內容。

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，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有客廳、臥室和浴室。閣樓空間用于技術裝置。凈加熱地板面積約為1000平方米。外墻采用內部保溫材料（U值0.27 W/m2K），因為遺產特性不允許外部保溫。翻新的目標除了建筑改造外，還包括設計和實施一個集體供熱系統，即

• 100% R2ES 基礎

• 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）及技術裝置

基于這些設計目標并考慮場地條件，ASHP或GSHP是可行的供暖技術。由于聲學限制，無法完全采用ASHP方案。僅基于GSHP的系統被排除在外，原因是由于鉆井場規模足夠大，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，設計了一個包含ASHP和GSHP的混合熱泵供水系統（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都在調節。由于聲學限制，ASHP在夜間運行率最高限制為80%。鉆孔區分為兩部分，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之間。光伏熱電（PVT）系統使鉆孔場在夏季能夠恢復。通過熱交換器實現被動冷卻，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。地暖/制冷被選為房間側排放系統。溫度設定點定義為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械通風系統。

圖3：簡化水力方案

最優控制混合系統的模擬效率提升

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

• 僅ASHP

• 僅限GSHP

• 混合系統，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行了模擬研究。共有61個熱區的15個住宅單元（見圖2）和供水系統（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據，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：傳統基于規則的控制和最優控制。傳統的基于規則的控制使用比例積分（PI）控制器，根據加熱曲線確定的罐子目標溫度調節熱泵。在混合型情況下，使用PI序列控制器優先考慮ASHP（溫和環境條件下）或GSHP（寒冷環境條件下）。優先級會根據室外空氣溫度使用滯后控制器切換。地暖閥由連接到分區溫度的PI控制器調節。最優控制使用上述基于物理的模型預測未來的建筑和供水系統行為。數學優化器利用這些預測調整熱泵的調制度和地暖閥門，以最小化（1）總用電量（包括熱泵和循環泵），（2）每個住宅單元的熱不適，以及（3）夜間調節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）在傳統規則控制（左列）和最優控制（右列）中的熱泵行為。選定的兩天期間環境溫度波動較大，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。

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

在最優控制下，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，僅在白天運行熱泵（圖4-b-ii中的“僅ASHP”）。這種“預熱”行為避免了熱泵在夜間的運行，導致三種情景中室內溫度最高，最高可達23°C（見圖4-c-ii）。僅使用GSHP的情況下，熱泵運行更為平順，午夜左右壓縮機功率最高（見圖4-b-ii中的“僅限GSHP”）。在混合熱泵（圖4-b-ii中的“混合”）中，最優控制器根據源溫度選擇兩臺熱泵：ASHP白天運行，GSHP夜間運行。

采用傳統規則控制時，壓縮機的最大功率在7千瓦到9千瓦之間。在所有最優控制的場景下，最大壓縮機功率顯著較低（在3千瓦到5千瓦之間）。這強調了最優控制能夠將運行轉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的峰值運行（參見僅GSHP情景）。此外，在所有最優控制場景中，21°C的加熱設定點比傳統規則控制更能保持得好，這得益于最優控制能夠預判地暖慣性并避免過高溫度下降。

[1] 當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、僅GSHP和混合選項在2天內的表現

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

比較的一個重要方面是不同供應選項的排名。

在傳統的基于規則的控制中，僅ASHP選項的SCOP最低為3.9，遠低于最優控制系統，因為基于規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行實現。在最優控制下，混合機殼的最高SCOP為5.6，相較于僅ASHP選項（SCOP=5.2）和僅GSHP方案（SCOP=5.4），因為兩臺熱泵的運行均根據源溫和相應COP最優分布。

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（混合機殼下ASHP和GSHP的總和，僅空間供暖，無DHW）。

結論

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

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

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