區域供能系統控制策略研究

譚智仁 文 敏 張 恒 吳義勇

(中節能先導城市節能有限公司，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的研究，并將該項技術應用于小型項目中，而我國介入研究的時間相對國外較晚[1]。伴隨著熱泵技術的不斷完善以及相關應用項目的不斷成熟，熱泵技術被逐漸應用于大型區域供能項目中，就誕生了區域供能系統。目前，區域供能系統包含多種技術形式，比如地源熱泵、冷熱電三聯供、水源熱泵、空氣源熱泵等，控制策略作為這些區域供能系統的重要組成部分之一，該項技術的重要性不言而喻，其直接影響整個系統的經濟性及運行效率[2]。很多研究人員對這些系統控制策略進行了研究。本文重點對地源熱泵、冷熱電聯供、水源熱泵以及空氣源熱泵等四個區域供能系統的控制策略的相關研究文獻進行了綜述分析。

1 地源熱泵系統控制策略

針對地源熱泵控制策略的研究成果較多，國內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冷凍水系統控制策略的基礎上，重點圍繞地源井系統作了理論及試驗分析，研究結果表明：地源井出水溫度越低，整個系統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分區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值分析，研究結果表明：采取分區運行控制方式的地源井系統出水溫度、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，構建了地源熱泵系統仿真模型，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劣。謝鸝等[7]分別針對地源熱泵—鍋爐系統及地源熱泵—冷卻塔系統提出了控制策略，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中的運行特性。王華軍等[8]針對復合式地源熱泵系統，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]也結合實例對復合式地源熱泵系統的控制策略問題展開了研究。

2 冷熱電聯供系統控制策略

隨著區域能源技術形式的發展，清潔能源的應用越來越重要，主要采用燃氣的冷熱電聯供系統項目數量逐漸增加，圍繞其控制策略的研究成果不斷涌現。

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

趙峰[14]針對冷熱電三聯供系統創新性的提出了一種三級協同整體優化策略，并通過仿真試驗進行了驗證，結果表明：新控制策略比常規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、經濟性方面更優。劉星月等[15]將CCHP系統與太陽能系統相融合，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，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，為后續類似復合式系統的設計提供了參考。此外，蘆思為[16]對冷熱電三聯供系統中微電網的運行控制策略進行了研究。

3 水源熱泵系統控制策略

我國部分地區水資源豐富，隨著我國城市建設及城鎮化的快速發展，在水資源豐富的城市出現了很多水源熱泵供能項目。水源熱泵技術形式的優勢十分明顯，其控制策略也至關重要。

李文濤[17]以陜西楊凌地區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，結合神經網絡與模糊控制的特性，采取PID分別與BP神經網絡、模糊控制相適應的神經PID控制與模糊PID控制算法，完成了對PID參數的自優化；基于此，設計了基于BP神經網絡的PID控制裝置、自適應模糊PID控制裝置、常規PID控制裝置，并分別對其作了仿真分析，結果表明：后兩種控制裝置在穩態性和動態特性方面優勢更大，可以用于控制水源熱泵系統；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BP神經網絡控制設計了控制系統架構，并對其進行了仿真分析；楊黎峰[19]也對BP神經網絡算法在水源熱泵系統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，研究結果表明：這一控制策略很好的改善了常規控制方式存在的不足，實際運行效果較好，動態響應快。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，介紹了控制系統組成，并進行了應用，應用結果表明：控制系統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，節水節能效果良好。李洪斌等[22]針對水源熱泵系統存在的效率不高的不足，基于穩態模型提出了一種在線優化控制策略，根據分級控制方法，構建了優化模型，對水泵模型作了優化，并采取該模型對實例作了求解，結果表明該優化方法能夠提供水源熱泵系統的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形式，在一些區域供能項目中，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，結果表明：變回水溫度工況能夠滿足室內冷負荷的要求。與常規系統相比較，采用該控制策略的系統運行效率更高，能耗更低。洪陽[24]針對空氣源熱泵系統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，該優化控制策略降低系統能耗分別為10.1%,8.4%,3.3%。陳劍波等[25]針對復疊式空氣源熱泵系統，基于二級壓縮比大致一致的方法確定了最優中間溫度，繼而控制中間冷凝壓力，并采取編程方式進行了核心控制，試驗驗證結果表明該控制方法實現了對復疊式空氣源熱泵系統的較好控制。丁鴻昌等[26]針對空氣源—太陽能熱泵機組系統，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，實現了對該系統的控制，且提高了能源利用效率。

5 結語

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