利用最优控制优化历史街区供热系统改造中的混合热泵系统效率

本文展示了最佳控制混合热泵系统（包括空气源和地源热泵）相较于各自单源场景所带来的更高效率。以比利时布鲁日历史街区“Stijn Streuvelstraat”的重新设计为例。基于物理的邻域模型及不同供给选项被用于虚拟比较传统规则控制与最优控制。混合热泵系统的效率提升源于其最佳控制能够考虑不同源温度和预测的建筑行为。

介绍

实现住宅供暖行业的脱碳是实现能源和排放目标的重大挑战。对于基于可再生和剩余能源（RES）的未来供电系统，通常区分两种拓扑结构：（1）建筑层面的独立热泵系统，通常使用环境空气或地热热能，以及（2）集体区域供热网络。对于现代区域供热网络，通常区分两个子拓扑结构：（a）高温集中产生的热能，称为第四代区域供热网络（4GDHN），通常通过可再生能源（热泵、生物质能等）或残余热能（废弃焚烧、工业过程等）实现;（b）低温网络，即所谓的第五代采用低温热源（太阳能热源、数据中心等）和建筑层的分心式热泵，提供区域供热和制冷网络（5GDHCN）。

本文评估了混合热泵系统整合空气源热泵（ASHP）和地源热泵（GSHPs）在4GDHN中集体供热效率的提升，相较于仅ASHP或仅GSHP的替代方案。比利时布鲁日历史街区“Stijn Streuvelstraat”的重新设计被用作实用示范案例。分析利用基于物理的邻域模型和供暖系统，展示了与传统规则控制相比的最优控制系统的潜力。本文基于“Stijn Streuvelstraat”项目设计阶段的经验。本文采用了[1]的扩展内容。

比利时布鲁日的“Stijn Streuvelstraat”飞行员

“Stijn Streuvelstraat”是比利时布鲁日的一个历史街区，拥有15个辅助生活单元（见图1和图2）。每个住宅单元底层设有客厅、卧室和浴室。阁楼空间用于技术装置。净加热地板面积约为1000平方米。外墙采用内部保温材料（U值0.27 W/m2K），因为遗产特性不允许外部保温。翻新的目标除了建筑改造外，还包括设计和实施一个集体供热系统，即

• 100% R2ES 基础

• 面向气候变化影响的未来保障

• 成本效益

• 能够提供良好的室内热舒适

图1：15个住宅单元中的2个建筑

图2：场地平面图（来源：Compagnie Costume）及技术装置

基于这些设计目标并考虑场地条件，ASHP或GSHP是可行的供暖技术。由于声学限制，无法完全采用ASHP方案。仅基于GSHP的系统被排除在外，原因是由于钻井场规模足够大，能够考虑需求端的不确定性，例如气候变化和极端气候条件带来的影响。因此，设计了一个包含ASHP和GSHP的混合热泵供水系统（见图2和图3）。最大热容量为ASHP的28千瓦和GSHP的44千瓦。ASHP和GSHP都在调节。由于声学限制，ASHP在夜间运行率最高限制为80%。钻孔区分为两部分，每个有四个深125米的钻孔。一个0.5立方米的缓冲罐位于供需侧之间。光伏热电（PVT）系统使钻孔场在夏季能够恢复。通过热交换器实现被动冷却，夏季还能提供额外的钻孔场再生潜力。家庭热水（DHW）由电加热器分散供应。地暖/制冷被选为房间侧排放系统。温度设定点定义为21°C（加热）和26°C（冷却）。每个住宅单元都配备了带有热回收功能的机械通风系统。

图3：简化水力方案

最优控制混合系统的模拟效率提升

如前所述，单源热泵系统在设计阶段因项目特定考虑被排除。以下我们展示了设计的混合热泵系统在单一来源选项中也达到了最佳效率。以下三种情景进行了比较（为简化起见，PVT系统（见图3）未包含在这些情景中）：

• 仅ASHP

• 仅限GSHP

• 混合系统，包括ASHP和GSHP

为比较，采用基于物理的建模方法对这三种不同供电场景进行了模拟研究。共有61个热区的15个住宅单元（见图2）和供水系统（见图3）均采用Modelica语言建模。观察期为一年。使用比利时鲁汶的每小时气象数据，涵盖室外气温范围，范围从−10°C到+40°C。

比较三种供给选项在两种控制方法下的表现：传统基于规则的控制和最优控制。传统的基于规则的控制使用比例积分（PI）控制器，根据加热曲线确定的罐子目标温度调节热泵。在混合型情况下，使用PI序列控制器优先考虑ASHP（温和环境条件下）或GSHP（寒冷环境条件下）。优先级会根据室外空气温度使用滞后控制器切换。地暖阀由连接到分区温度的PI控制器调节。最优控制使用上述基于物理的模型预测未来的建筑和供水系统行为。数学优化器利用这些预测调整热泵的调制度和地暖阀门，以最小化（1）总用电量（包括热泵和循环泵），（2）每个住宅单元的热不适，以及（3）夜间调节ASHP以降低噪音水平。

图4展示了三种供电选项（仅ASHP、仅GSHP、混合）在传统规则控制（左列）和最优控制（右列）中的热泵行为。选定的两天期间环境温度波动较大，介于0°C至20°C之间（见图4-a）。地面温度在8°C到10°C之间。

采用常规规则控制（见图4，左栏），热泵在夜间启动（见图4-b-i），当区域温度低于加热设定点时（见图4-c-i）。[1] 在混合模式下，仅使用GSHP。由于地暖系统的惯性，区域温度会比加热设定点低约0.5°C。

在最优控制下，热泵行为在三种场景间差异显著：仅ASHP情况下，最佳控制器“意识到”高热泵COP在高室外温度下，仅在白天运行热泵（图4-b-ii中的“仅ASHP”）。这种“预热”行为避免了热泵在夜间的运行，导致三种情景中室内温度最高，最高可达23°C（见图4-c-ii）。仅使用GSHP的情况下，热泵运行更为平顺，午夜左右压缩机功率最高（见图4-b-ii中的“仅限GSHP”）。在混合热泵（图4-b-ii中的“混合”）中，最优控制器根据源温度选择两台热泵：ASHP白天运行，GSHP夜间运行。

采用传统规则控制时，压缩机的最大功率在7千瓦到9千瓦之间。在所有最优控制的场景下，最大压缩机功率显著较低（在3千瓦到5千瓦之间）。这强调了最优控制能够将运行转移到高源温度的时段（参见仅ASHP的情况），并避免高供电温度和较低COP的峰值运行（参见仅GSHP情景）。此外，在所有最优控制场景中，21°C的加热设定点比传统规则控制更能保持得好，这得益于最优控制能够预判地暖惯性并避免过高温度下降。

[1] 当储罐温度降至阈值以下时（图4未显示），热泵才被激活。

图4：仅ASHP系统、仅GSHP和混合选项在2天内的表现

图5比较了年度总性能，包括年发热量、用电量和季节性能系数（SCOP，年冷凝器供热/年用电量）。比较显示，最优控制的系统能降低供暖需求（−8%至−10%），热泵压缩机的用电需求降低（−24%至−32%）。节约通过对地暖阀门的集成最优控制和热泵运行管理实现，考虑了基于源温度（空气和地面）的性能系数（COP）。 编译 陈讲运

比较的一个重要方面是不同供应选项的排名。

在传统的基于规则的控制中，仅ASHP选项的SCOP最低为3.9，远低于最优控制系统，因为基于规则的控制在夜间激活热泵（见图4-b）。仅供水的选项差异较小，且通过避免高供水高峰运行实现。在最优控制下，混合机壳的最高SCOP为5.6，相较于仅ASHP选项（SCOP=5.2）和仅GSHP方案（SCOP=5.4），因为两台热泵的运行均根据源温和相应COP最优分布。

图5：仅ASHP电量、仅GSHP（仅GSHP）和混合供电方案的热量需求、电力需求及SCOP（混合机壳下ASHP和GSHP的总和，仅空间供暖，无DHW）。

结论

本文利用基于物理的模型分析了最佳控制混合热泵系统相较于单源场景的效率提升。在“Stijn Streuvelstraat”案例研究中，混合系统达到了最高的5.6 SCOP，相较于仅GSHP选项（SCOP=5.4）和仅ASHP选项（SCOP=5.2）。效率提升源于最优控制器能够考虑不同源温度和未来系统行为的能力。这凸显了在日益复杂的供电系统中，作为系统集成者最优控制的优势。标准的基于规则的控制无法充分发挥这一潜力，混合系统的SCOP仅为4.3，而仅GSHP系统的SCOP为4.5。

除了通过优化控制提升效率外，采用混合系统还能使用更小的单个系统。较小的ASHP具有较低噪声排放的优势，且较小的GSHPs，尤其是较小的钻孔，能降低投资成本。最后，由最优控制器管理两个热源，为应对气候变化带来的韧性提供了保障。相关研究[1]也强调了混合系统的生命周期竞争成本。

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