區(qū)域供能系統(tǒng)控制策略研究

譚智仁 文 敏 張 恒 吳義勇

(中節(jié)能先導城市節(jié)能有限公司，湖南 長沙 410208)

早在20世紀30年代，國外一些國家就開始展開了對熱泵供能技術(shù)的研究，并將該項技術(shù)應用于小型項目中，而我國介入研究的時間相對國外較晚[1]。伴隨著熱泵技術(shù)的不斷完善以及相關(guān)應用項目的不斷成熟，熱泵技術(shù)被逐漸應用于大型區(qū)域供能項目中，就誕生了區(qū)域供能系統(tǒng)。目前，區(qū)域供能系統(tǒng)包含多種技術(shù)形式，比如地源熱泵、冷熱電三聯(lián)供、水源熱泵、空氣源熱泵等，控制策略作為這些區(qū)域供能系統(tǒng)的重要組成部分之一，該項技術(shù)的重要性不言而喻，其直接影響整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性及運行效率[2]。很多研究人員對這些系統(tǒng)控制策略進行了研究。本文重點對地源熱泵、冷熱電聯(lián)供、水源熱泵以及空氣源熱泵等四個區(qū)域供能系統(tǒng)的控制策略的相關(guān)研究文獻進行了綜述分析。

1 地源熱泵系統(tǒng)控制策略

針對地源熱泵控制策略的研究成果較多，國內(nèi)很多研究人員就圍繞這一課題開展了大量的研究工作。方輝旺[3]在對比分析地源熱泵系統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)控制策略的基礎上，重點圍繞地源井系統(tǒng)作了理論及試驗分析，研究結(jié)果表明：地源井出水溫度越低，整個系統(tǒng)COP越高，基于此，他提出了一種較為合理的變頻控制策略，并在搭建的試驗平臺上進行了驗證。王亮等[4]在構(gòu)建變頻水泵能耗以及地源井傳熱模型的基礎上，分別對不同地源井布置系統(tǒng)分區(qū)運行控制方式下所對應的能耗、出水溫度及鉆孔壁溫進行了數(shù)值分析，研究結(jié)果表明：采取分區(qū)運行控制方式的地源井系統(tǒng)出水溫度、鉆孔壁溫恢復較好，并得到了采取時間控制策略、分區(qū)運行控制策略、負荷控制策略、變流量控制策略等的運行特點。莊運超[5]以株洲市某一建筑為例，構(gòu)建了地源熱泵系統(tǒng)仿真模型，對其在不同控制策略下的運行特性進行了仿真分析。

喬衛(wèi)來等[6]以南京市某一地源熱泵項目為例，采用Energyplus軟件對其能耗進行了分析，并分析了溫差控制與熱泵進水溫度控制策略的優(yōu)劣。謝鸝等[7]分別針對地源熱泵—鍋爐系統(tǒng)及地源熱泵—冷卻塔系統(tǒng)提出了控制策略，并分別以哈爾濱和武漢市某一建筑為研究對象，探究了兩種控制策略在相應系統(tǒng)中的運行特性。王華軍等[8]針對復合式地源熱泵系統(tǒng)，建立了3種運行策略，并分別對其特性進行了分析，提出可合理采用組合控制策略的觀點；虢偉[9]也結(jié)合實例對復合式地源熱泵系統(tǒng)的控制策略問題展開了研究。

2 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)控制策略

隨著區(qū)域能源技術(shù)形式的發(fā)展，清潔能源的應用越來越重要，主要采用燃氣的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)項目數(shù)量逐漸增加，圍繞其控制策略的研究成果不斷涌現(xiàn)。

陳娟等[10]在探究區(qū)域能源系統(tǒng)架構(gòu)的同時，基于智能系統(tǒng)建立了冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)模型，并提出了相應的分布式協(xié)調(diào)控制方式，驗證了其有效性。石可頌[11]圍繞冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)中的儲能、供能單元，構(gòu)建了相應的優(yōu)化調(diào)度模型，構(gòu)建了包含環(huán)境效應成本和運營成本的多目標函數(shù)，分析了系統(tǒng)的運行特性，設計了優(yōu)化工況，為類似系統(tǒng)運行策略的設計與優(yōu)化提供了參考。王巍巍[12]在分析冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)控制方式特點的基礎上，基于集散控制技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對該系統(tǒng)提出了集散控制策略，即冷凍水系統(tǒng)的模糊PID控制策略，其提出的集散控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定。吳靜怡等[13]結(jié)合工程實例，設計了一種基于現(xiàn)場可編輯程序控制裝置以及上位控制計算器，并對冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)作了控制策略分析，達到了自動化控制的目的。

趙峰[14]針對冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)創(chuàng)新性的提出了一種三級協(xié)同整體優(yōu)化策略，并通過仿真試驗進行了驗證，結(jié)果表明：新控制策略比常規(guī)以電定熱及以熱定電運行策略在一次能源利用效率、溫室氣體排放、經(jīng)濟性方面更優(yōu)。劉星月等[15]將CCHP系統(tǒng)與太陽能系統(tǒng)相融合，設計了一種綜合利用太陽能光熱光伏且能提供冷熱電的復合式系統(tǒng)，并基于以電定熱、以熱定電運行策略，提出了三種不同的運行策略，通過對比分析，驗證了三種運行策略的可行性和有效性，為后續(xù)類似復合式系統(tǒng)的設計提供了參考。此外，蘆思為[16]對冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)中微電網(wǎng)的運行控制策略進行了研究。

3 水源熱泵系統(tǒng)控制策略

我國部分地區(qū)水資源豐富，隨著我國城市建設及城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，在水資源豐富的城市出現(xiàn)了很多水源熱泵供能項目。水源熱泵技術(shù)形式的優(yōu)勢十分明顯，其控制策略也至關(guān)重要。

李文濤[17]以陜西楊凌地區(qū)某水源熱泵項目為例，對其控制算法問題展開了研究，針對由于對象具有非線性、大滯后、時變等特性而PID控制效果不佳的問題，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡與模糊控制的特性，采取PID分別與BP神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制相適應的神經(jīng)PID控制與模糊PID控制算法，完成了對PID參數(shù)的自優(yōu)化；基于此，設計了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制裝置、自適應模糊PID控制裝置、常規(guī)PID控制裝置，并分別對其作了仿真分析，結(jié)果表明：后兩種控制裝置在穩(wěn)態(tài)性和動態(tài)特性方面優(yōu)勢更大，可以用于控制水源熱泵系統(tǒng)；此外，侯凱[18]以西安某水源熱泵項目為例，闡述了其基礎控制方式，根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡控制設計了控制系統(tǒng)架構(gòu)，并對其進行了仿真分析；楊黎峰[19]也對BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法在水源熱泵系統(tǒng)中的控制特性進行了分析。

李立等[20]以湘潭市某水源熱泵項目為例，提出了基于模糊PID控制的控制方式，研究結(jié)果表明：這一控制策略很好的改善了常規(guī)控制方式存在的不足，實際運行效果較好，動態(tài)響應快。徐幼斌等[21]在闡述模塊式水源熱泵集中控制思路及控制要求的基礎上，設計了控制軟件，介紹了控制系統(tǒng)組成，并進行了應用，應用結(jié)果表明：控制系統(tǒng)能夠準確的控制水源熱泵集中冷媒水的出水溫度，尤其是在變負荷工況下，溫度波動小，節(jié)水節(jié)能效果良好。李洪斌等[22]針對水源熱泵系統(tǒng)存在的效率不高的不足，基于穩(wěn)態(tài)模型提出了一種在線優(yōu)化控制策略，根據(jù)分級控制方法，構(gòu)建了優(yōu)化模型，對水泵模型作了優(yōu)化，并采取該模型對實例作了求解，結(jié)果表明該優(yōu)化方法能夠提供水源熱泵系統(tǒng)的COP。

4 空氣源熱泵控制策略

空氣源熱泵是一種極為常見的供能技術(shù)形式，在一些區(qū)域供能項目中，空氣源熱泵也得到了較好的應用。

靳成成等[23]針對空氣源熱泵提出了一種變回水溫度控制策略，并作了試驗驗證，結(jié)果表明：變回水溫度工況能夠滿足室內(nèi)冷負荷的要求。與常規(guī)系統(tǒng)相比較，采用該控制策略的系統(tǒng)運行效率更高，能耗更低。洪陽[24]針對空氣源熱泵系統(tǒng)提出了回水溫度最佳工況點預測分析模型，并基于此設計了一種變回水溫度控制策略，分別對低、中、高負荷率工況作了仿真驗證分析，該優(yōu)化控制策略降低系統(tǒng)能耗分別為10.1%,8.4%,3.3%。陳劍波等[25]針對復疊式空氣源熱泵系統(tǒng)，基于二級壓縮比大致一致的方法確定了最優(yōu)中間溫度，繼而控制中間冷凝壓力，并采取編程方式進行了核心控制，試驗驗證結(jié)果表明該控制方法實現(xiàn)了對復疊式空氣源熱泵系統(tǒng)的較好控制。丁鴻昌等[26]針對空氣源—太陽能熱泵機組系統(tǒng)，在綜合考慮多種影響因素的基礎上，設計了一種自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對該系統(tǒng)的控制，且提高了能源利用效率。

5 結(jié)語

區(qū)域供能系統(tǒng)技術(shù)形式較多，隨著相關(guān)技術(shù)、設備等的不斷創(chuàng)新，單一式、復合式區(qū)域供能項目數(shù)量逐年增加，控制策略作為這些系統(tǒng)的重要組成部分之一，直接影響系統(tǒng)的運行效率及經(jīng)濟性，其作用至關(guān)重要。針對區(qū)域供能系統(tǒng)控制策略的研究成果較多，相關(guān)研究課題的介入程度越來越深，也更加具體。伴隨著我國城市發(fā)展的快速推進，未來將會涌現(xiàn)大量的區(qū)域供能項目，而針對這些系統(tǒng)控制策略的研究將會成為重點課題之一。