地源、空气源热泵系统调节与控制 关键技术研究与应用——新一代人工智能驱动下的低碳供热系统仿真、辨识与控制技术
新一代人工智能驱动下的低碳供热系统仿真、辨识与控制技术 1.城市供热低碳化发展现状：以天津市为例 2.低碳供热系统源侧运行优化技术 2.1中深层地热供热系统运行优化2.2地源热泵长短周期滚动优化2.3空气源热泵（结霜控制、群组优化)<2.4热泵群组优化技术国城镇供热协会2.5燃气锅炉群组优化控制2.6燃煤/生物质锅炉优化控制 3.低碳供热系统网侧运行优化技术 3.1热水管网动态仿真与优化控制 镇供 在《天津市供热专项规划（2021~2035）》中提出： 以安全高效、科学严谨、梯级利用的原则利用地热能（稳妥开发中深层、有条件地区宜联网、鼓励公建开发浅层地热）污水厂经济半径范围内的区域优先利用污水源热泵供热，宜使用再生水（冬季10～15℃），而非原生污水，持续推动空气源热泵（避免大规模集中布置带来的“冷岛”问题），垃圾处理厂经济半径内应充分利用垃圾焚烧及生物质供热，有条件的宜采用分户太阳能供热，工业余热供热应围绕大型数据中心、钢铁石化治金，并考虑生产的稳定性（适当配备蓄热或补热设备） 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.1中深层地热供热系统运行优化城镇城镇供热 中深层地热+电热泵供暖系统运行特点：岩层热响应慢，热恢复时间长，长时间持续取热能力衰减快（天津市学苑供热站的项目测试结果和仿真结果互相印证，都说明了上述问题） 地下取热的热量应与供热负荷在长周期内实现动态匹配，因为地下岩层温度场的恢复时间长，应兼顾热泵COP、地源侧循环泵耗，并同时满足供热负荷，地源侧不同阶段的循环流量应以全年为尺度进行长周期优化 运行时按优化后的地源侧循环量调节，机组则同步实现台数、用户供水温度、循环泵频率的优化。（水直供热协代镇供热切 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.1中深层地热供热系统运行优化式镇：国城镇供热 2 岩层导热过程热平衡方程： 十内管中流体的热平衡方程： 环腔中流体的热平衡方程： 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.1中深层地热供热系统运行优化城镇供热 流量越低，泵耗越低但相同的热负荷下，进出水温差越大，从而蒸发温度更低，热泵 COP更低。 ·流量越大，泵耗越高，但相同的热负荷下，进出水温差更小，从而蒸发温度更高，热 ·二者矛盾，但特定工况下，一定存在水泵电耗和热泵电耗之和最低的最优流量。可以通过求解优化问题解决。 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.1中深层地热供热系统运行优化中国城镇供热 2 不同的逐时流量对应不同的总电耗，逐时累计计算得到地下温度场后，借助仿真模型可实现流量的逐时优化。 ·为简化计算，可在日间、夜间分别采用固定的流量，从而每天仅给出两个最优的日间和夜间的流量。 2低碳供热系统源侧运行优化技术：2.2地源热泵长短周期滚动优化国城镇供热中国城镇供热 目前，埋管群的地下动态蓄放热过程、冷热堆积整体状态难以获知，难以实现地源热泵系统的地下热平衡，无法根据地下温度场演化情况，动态优化机组运行，导致地源热泵系统运行效率衰减。 传统地下温度场仿真方法仅用于设计或离线分析，未用于实热时估计地下冷热蓄存情况，没办法直接在线指导机组的运行地源侧循环量多大，总运行费用才最省）。 I．不同深度处，地下岩土物性差异大，传统数值计算算法、半解析方法在考虑各层差异时，若同时计算上干个钻孔时，计算太慢，无法用于实时优化热泵机组、调峰/补热设备的投运及地源侧的循环量，工程应用时，往往仅凭经验，制定简单中国城镇供 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.2地源热泵长短周期滚动优化械镇位数城镇供热 构造分层有限长线热源模型（单钻孔地埋管换热器的Green函数，单位热流阶跃响应函数） 根据线性叠加原理，将连续热流响应近似为矩形脉冲响应 16111213 141516 171819 2021222324进一步导出钻孔群的温度场响应，写成离散传递矩阵形式 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.2地源热泵长短周期滚动优化国城镇供热中国城镇供热 2 供冷季仿真结果最大误差为0.5℃，供暖季仿真结果最大误差为0.3℃，精度完全满足要求 该模型可以在1min内完成全年的工况计算，可实时在线运行。 2低碳供热系统源侧运行优化技术：2.2地源热泵长短周期滚动优化中国城镇供热 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.2地源热泵长短周期滚动优化 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.2地源热泵长短周期滚动优化 系统形式：地源热泵系统为主，螺杆式冷水机组+冷却塔系统夏季调峰，冷水机组与地源热泵机组蒸发器并联 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.2地源热泵长短周期滚动优化 2 长周期优化方法、根据室外气温、地源优先，三个策略的地源侧吸放热不平衡率分别为0.05%、31.2%、59.6% 优化方法应用后，在地源侧吸放热平衡性好，但系统运行经济性短期内不如另两种策略，但地温场平衡，长期运行可靠性高 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.2地源热泵长短周期滚动优化城镇 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.2地源热泵长短周期滚动优化国城镇供热中国城镇供# 2低碳供热系统源侧运行优化技术：2.3空气源热泵（应用形式）成镇品城镇件中国城镇供热 楼顶安装，可“一机一栋”或“多机多栋”配置，调节非常灵活、高效，输配损耗低，适宜住宅和公建。（需解决好噪声、震动问题） 可实现灵活的“多机群控、质-量并调”，泵组定最不利未端压差变频运行，未端温控器可变流量调节，热泵机组根据室外气温调节供温。（最大限度） .改造原采用市政供暖的办公楼、学校等公共建筑，可利用分布式空气源热泵解决方案。（天津地区，加上蓄热水箱，充分利用低谷电，每平米运行成本 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.3空气源热泵（低环温性能)中国城镇供然中国城镇供热 单级压缩热泵，相同冷凝温度下，随着室外气温的下降， 供热能力迅速下降，平均供热量衰减率：室外气温每降5℃，供热量下降10~25%。协会 性能系数也迅速下降，平均COP衰减率：室外气温每下降中国城镇 输入功率(kW)但室外温度降低，负荷随之提高，空气源供热能力不足问题凸显，室外气温低于-20℃时，空气源热泵供热能力将不足额定供热量的1/3。当室外温度过低，压缩机的压缩比过大，般会采用喷气（液）增烩、双级压缩等技术。中国城镇快中国城镇供热协会 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.3空气源热泵（低环温性能）城镇供城镇 量下的单级压缩制热量提升20~30% 与单机压缩相比，双级压缩各级压比降低，容积效率提高，中间补气增大蒸发器吸热量，相同工况下COP提高10～15% 但低环温对蒸汽压缩式空气源热泵而言，仍然是严峻考验，往往配合燃气供暖才更可靠，但燃气锅炉的能效比又较低，最多不超过1.1（冷凝锅炉），燃气驱动的空气源热泵是破解之道 1-翅片管蒸发器；2-立式降膜吸收器；3-电子膨胀阀：4-燃烧器：5-套管冷凝器；6-风机盘管：7-数据采集仪：8-立式降膜发生器：9-板式溶液热交换器：10-溶液泵：11-压力表；12-铜球阀门：13-波纹管烟肉：14-储液罐：15-体积流量计：16-液视镜：17-燃烧器控制器：18-热水流量计：19-冷库；20-制冷机：21-填料罐：22-烟气-水换热器：23-烟气-制冷剂蒸汽换热器：24-冷库控制柜 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.3空气源热泵（燃气吸收式热泵研发）找镇供热 2 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.3空气源热泵（燃气吸收式热泵研发） 1-立式二级U型管发生器；2-吸收器；3-冷凝器；4-换热器生器：9-燃烧器：10-风机；11-翅片换热器（蒸发器）；12-电子腻胀阀中国 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.3空气源热泵（燃气吸收式热泵研发）镇供热 2 替代燃气锅炉，热效率直接提升40%，配合空气源热泵，适于极寒天气调峰在电网容量不足，但燃气管网完善的区域，它是解决供暖问题的有力候选方案中国城镇供热协会可进一步小型化，实现分散布置，是燃气壁挂炉的高效替代方案。 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.3空气源热泵（燃气吸收式热泵研发）日城镇供城镇供城镇供热 蒸发器表面的结霜危害： 结霜会增加空气源热泵蒸发器表面热阻、阻塞风道（增大风阻），从而降低空气源热泵能效，基至破坏热泵组件 1.我国293个地级市，结霜频率高达50%以上的城市占到60% 现有的除霜控制方法普遍存在：“无霜误除”和“有霜不除”的问题，导致中国城镇供# 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.3空气源热泵（除霜优化控制)中国城镇供热中国城镇供热 现有除霜控制方法的问题： 1.无法有效预测霜层生长的厚度、密度及温度分布 II.难以精确判别最佳除霜起始点和除霜时长 新方法原理 建立霜层生长过程模型，在线辨识模型参数（传热、传质系数） 利用模型在线估计霜层厚度，实施除霜启动时间的精准优化计算 新方法 d’T,(x)热平衡方程：k（isvCpa (x)(w (x) - Wsa (x))dx供热协质平衡方程：De(x)pa(x)I'w (x)Cpa (x)(w(x)= wsat (x))dxdx中国城 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.3空气源热泵（除霜优化控制）国城镇供”中国城镇供热 解决思路： 基于运行数据实时瓣识模型中的不确定参数 将不确定参数的辨识结果输入结霜模型预测霜层生长情况 Ta*out来流空气出口温度监测值，℃Taout来流空气出口温度计算值，℃Wa"out来流空气出口含湿量监测值，g/kg;Waout来流空气出口含湿量计算值，g/kg; ·利用梯度下降算法实现待定参数的辨识： 模型预测准确度 参数辩识过程 每次传入一组实测进出口空气温、湿度。 ：对残差关于待定传热传质系数计算梯度，并实施梯度下降。·对一组工况实施下降一次，多组工况可实现多次下降，即构成随机梯度下降 (SGD)。中国城镇供热 所有工况下计算霜层厚度的平均值与测试值误差都在 10% 以内中国城镇 2低碳供热系统源侧运行优化技术：2.3空气源热泵（除霜优化控制）城镇件 霜层厚度达到1.5mm时，启动除霜操作（四通换向阀动作，热泵反向运转，蒸发器、冷凝器反转） 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.3空气源热泵（除霜优化控制）城镇中国城镇供热 i=li=1P,< Pdes中国城镇供裁协 2）输入参数 热泵 COP 曲线： COP, =G(PLR,)热泵供水温度：tchws,ji室外气温：tamb,j协会 4）核心原理 基于初始COP-PLR曲线，辨识热泵功率函数，引入供水温度和室外气温，完善对热泵功率函数的修正。土执协会 3）热泵功率特性辩识 定流量分配比下的变频机组的最优控制点。 2低碳供热系统源侧运行优化技术：2.4热泵群组优化技术（应用效果)城镇供热 应用成效：经A-BTest验证，以15%的节能优势击败了某国外品牌的控制技术，目前上核心算法已授权给霍尼韦尔、西门子等工控巨头，并内嵌至其各自品牌的控制器产品中，实现规模化应用。 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.5燃气锅炉群组优化控制（应用案例) 2 应用成效：为天津津安热电开发首站调峰锅炉房优化控制平台，年平均节省天然气5%，创造经济效益过亿元 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.6燃煤/生物质锅炉优化控制中国城镇供热 2 中小型热电联产机组的“调控优化困境(人工调节为主) 单台锅炉至少要同时操作6个控制回路，还要兼顾负荷分配且各回路之间相互干扰、耦合。 低碳供热系统源侧运行优化技术：2.6燃煤/生物质锅炉优化控制霸城镇供热 由于锅炉、汽机、管网等系统热力特性本身的复杂性（热情性、负荷随机性、多变量耦合性）加之人工操作的主观性强，及操作工人的责任心不足、专业技能不足，心理，达到： 最优氧量（一、二次风量比）最优床温及循环倍率IV.群组产汽量的最佳分配V.最佳的主蒸汽、汽机排汽参数设定VI.．平稳、无震荡的快速负荷跟踪调节； 节煤空间总计约4～6%，非常可观！ 低碳