复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法

本发明涉及地源热泵控制策略，尤其涉及一种复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法。

背景技术：

1、复合式地源热泵系统，作为一种高效且环保的供暖和制冷系统，巧妙地利用了地球表面浅层的热能。这一系统不仅具备节能空调的功能，而且能够调控室内环境，使居住或工作环境更为舒适。该理念最早在20世纪初被提出，并在70年代的能源危机中受到了广泛关注。值得注意的是，欧洲在此领域的技术发展尤为成熟，部分地区还采取了相应的补贴和保护政策来推广此技术。

2、复合式地源热泵系统的核心构成包括地埋管换热器、地源热泵机组以及建筑物内部的换热器末端。地埋管换热器通过深埋在地下的管道，有效地吸收和利用地下热能。而地源热泵机组则承担着将地下热能转移到建筑物内部，以满足供暖或制冷的需求。这种系统的优势明显，包括高效节能、环保特性以及稳定可靠等。

3、然而，任何技术都不可能完美无缺。地源热泵系统在实际应用中也面临一些挑战，如高昂的建设成本、对地下空间的特定需求以及维护问题等。正因如此，复合式地源热泵系统应运而生，它结合了地源热泵技术与其他供暖或制冷技术，旨在解决单一地源热泵系统在某些特定环境下的局限性。例如，在冬季温度偏低的地区，单一地源热泵系统的供暖性能可能会受到限制。此时，引入其他辅助热源便能显著提升系统的整体供暖性能。

4、复合式地源热泵系统的核心在于其综合了地源热泵技术与各种辅助热源技术。前者主要利用地球表面浅层的热能进行能量转换，满足供暖和制冷的基本需求；而后者则涵盖了空气源热泵、水源热泵以及太阳能等可再生能源。通过与地源热泵技术的结合，这些辅助热源不仅提高了系统的整体性能，还增强了其稳定性。

5、复合式地源热泵系统的出现，不仅突破了单一地源热泵系统在某些特定环境下的应用局限，还显著提升了系统的供暖和制冷性能。更为重要的是，它为可再生能源的推广和应用开辟了新的思路和方法。

6、然而，复合式地源热泵系统在控制方面仍存在一些潜在的不足：

7、1、系统复杂性：由于复合式地源热泵系统融合了多个子系统，如地源热泵、辅助热源等，各子系统间的相互影响和耦合关系使得整个系统的控制变得更为复杂。

8、2、室外环境的影响：复合式地源热泵系统的性能容易受到室外环境因素的干扰，如温度、湿度和太阳辐射等。在某些情况下，这些环境因素的变化可能导致系统性能的波动，进而影响其稳定性。

9、3、控制策略的优化：尽管已有一些控制策略应用于复合式地源热泵系统，但在实际应用中，这些策略可能并不总是最优的。因此，进一步优化控制策略对于提高系统的效率、稳定性和可靠性至关重要。

10、4、能效比：复合式地源热泵系统的能效比可能受到多种因素的影响，如系统的设计、运行方式和维护状况等。为降低运行成本，采取有效的措施来提高系统的能效比是必要的。

11、5、子系统的集成与协同工作：复合式地源热泵系统中的各个子系统需要协同工作以保障整个系统的性能和稳定性。因此，如何实现各子系统的集成与协同工作成为了一个关键问题。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的在于提供一种复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法，针对复合式地源热泵系统控制复杂的问题，进行了全面的优化处理。考虑用户侧出水温度对于维持室内环境的舒适度和健康性、实现较高的热泵机组性能的重要性，提出用户侧开环近似最优控制策略优化方法对用户侧循环泵组运行频率、用户侧出水温度进行优化。根据复合式地源热泵系统机组控制策略优化方法对各地源热泵机组和调峰机组出水温度、负荷率进行优化。这一系列的优化措施使得复合式地源热泵系统在运行过程中能够更好地适应各种环境和工况，为建筑用户提供更加稳定和舒适的供暖和制冷服务。

2、为了实现上述目的，本发明提出了一种复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法，包括以下步骤：

3、s1、获取地源热泵系统模型参数、调峰供冷系统模型参数、调峰供暖系统模型参数、复合式地源热泵系统模型参数以及复合式地源热泵系统运行参数；

4、s2、根据所述地源热泵系统模型参数，分别计算供冷季和供暖季的地源热泵机组对出水温度的敏感系数；

5、根据调峰供冷系统模型参数，计算供冷季调峰系统冷水机组制冷功率对冷冻水出水温度的敏感系数；根据调峰供暖系统模型参数计算供暖季，调峰系统热水锅炉制热功率对热水出水温度的敏感系数；

6、根据上述所有敏感系数和复合式地源热泵系统模型参数以及复合式地源热泵系统运行参数，计算供冷季和供暖季复合式地源热泵对出水温度的敏感系数；

7、s3、优化供冷季、供暖季复合式地源热泵系统对用户侧出水温度和用户侧循环泵组水泵运行台数与循环泵组运行频率；

8、s4、计算供冷季和供暖季，热泵机组与调峰机组最大可能运行负荷，根据得到的最大可能运行负荷，计算供冷季和供暖季，任意控制间隔的地源热泵机组负荷率优化目标函数，输出供冷季和供暖季的日控制策略序列。

9、进一步优选的，在s2中，按照如下公式（1）计算供冷季地源热泵机组对冷冻水出水温度的敏感系数 s chws,gshp,i；

10、  公式（1）

11、其中， a 1,i、 a 2,i、 a 5,i、 a 8,i均为第个地源热泵机组制冷功率模型系数；为第个地源热泵机组冷冻水出水温度；为第个地源热泵机组制冷功率；为第个地源热泵机组额定制冷功率；为复合式地源热泵系统冷冻水设计出水温度；为供冷季浅层土壤源地埋管群换热器设计进水温度；为第个地源热泵机组供冷季设计负荷率；

12、按照如下公式（2）计算供暖季地源热泵机组对热水出水温度的敏感系数：

13、     公式（2）

14、其中，、、、均为第个地源热泵机组制热功率模型系数；为第个地源热泵机组制热功率；为第个地源热泵机组额定制热功率；为第个地源热泵机组热水出水温度；为复合式地源热泵系统热水设计出水温度；为供暖季浅层土壤源地埋管群换热器设计进水温度；为第个地源热泵机组供暖季设计负荷率。

15、进一步优选的，在s2中，根据调峰供冷系统模型参数，按照公式（3）计算供冷季调峰系统冷水机组制冷功率对冷冻水出水温度的敏感系数；

16、     公式（3）

17、其中，、、、为调峰系统冷水机组制冷功率模型系数；为调峰系统冷水机组制冷功率；为调峰系统冷水机组额定制冷功率；为复合式地源热泵系统冷冻水设计出水温度；为调峰系统冷水机组冷冻水出水温度；为调峰系统冷却塔进口水温；为调峰系统冷水机组供冷季设计负荷率；

18、根据调峰供暖系统模型参数，按照公式（4）计算供暖季调峰系统热水锅炉制热功率对热水出水温度的敏感系数；

19、     公式（4）

20、其中，、、、均为调峰系统热水锅炉制热功率模型系数；为调峰系统热水锅炉制热功率；为调峰系统热水锅炉额定制热功率；为调峰系统热水锅炉设计运行流量；为调峰系统热水锅炉热水出水温度；为复合式地源热泵系统热水设计出水温度；为调峰系统冷水机组供暖季设计负荷率。

21、进一步优选的，在s2中，所述计算供冷季和供暖季复合式地源热泵对出水温度的敏感系数时，包括：按照如下公式（5）计算供冷季复合式地源热泵对冷冻水出水温度的敏感系数：

22、 公式（5）

23、按照如下公式（6）计算供暖季复合式地源热泵对热水出水温度的敏感系数：

24、   公式（6）

25、其中，为第个控制间隔第台地源热泵机组启停变量，若，第台地源热泵机组不运行，若，第台地源热泵机组运行；为第个控制间隔调峰系统冷水机组启停变量，若，调峰系统冷水机组不运行，若，调峰系统冷水机组运行；为地源热泵机组总数；为供冷季第台地源热泵机组制冷功率对冷冻水出水温度的敏感系数；为供冷季调峰供冷系统冷水机组制冷功率对冷冻水出水温度的敏感系数；

26、为第个地源热泵机组额定制热功率；为调峰系统冷水机组额定制冷功率；为供暖季第台地源热泵机组制热功率对热水出水温度的敏感系数；为供暖季调峰供暖系统热水锅炉制热功率对热水出水温度的敏感系数；第个地源热泵机组额定制热功率； 为调峰系统热水锅炉额定制热功率。

27、进一步优选的，在s3中，优化供冷季、供暖季复合式地源热泵系统对用户侧出水温度，包括：按照公式（7）优化供冷季复合式地源热泵系统对用户侧出水温度；

28、    公式（7）

29、    公式（8）

30、    公式（9）

31、式中：为第个控制间隔室内湿球温度，为设计室内湿球温度，由设计室内干球温度和设计室内相对湿度计算确定；为设计冷冻水出水温度；由室内干球温度和室内相对湿度计算确定；若为离线优化取；为中间变量；为中间变量；为第个控制间隔复合式地源热泵系统总负荷率；为冷冻水出水温度最小值；为冷冻水出水温度最大值；为第个控制间隔运行的热泵机组（含地源热泵机组、调峰冷水机组）总额定制冷功率；为供冷季第个控制间隔运行的用户侧循环水泵总额定功率；为供冷季复合式地源热泵对冷冻水出水温度的敏感系数。

32、进一步优选的，还包括按照公式（10）优化供暖季复合式地源热泵系统对用户侧出水温度；

33、      公式（10）

34、     公式（11）

35、    公式（12）

36、其中，为第个控制间隔室内干球温度，若为离线优化取；为供暖季设计热水出水温度；为供暖季设计室内干球温度；为第个控制间隔复合式地源热泵系统总负荷率；为第个控制间隔地源热泵运行机组总额定制热功率；为供暖季第个控制间隔运行用户侧循环水泵总额定功率；为热水出水温度最小值；为热水出水温度最大值。

37、进一步优选的，在s3中，所述优化用户侧循环泵组水泵运行台数与循环泵组运行频率包括以下步骤：

38、s301、计算用户侧采用量调节运行模式时，供冷季与供暖季的用户侧循环流量；

39、s302、根据得到的供冷季与供暖季的用户侧循环流量和用户侧出水温度，计算供冷季与供暖季用户侧回水温度；

40、s303、按照用户侧循环泵组并联运行且统一变频时，不同水泵运行台数下，泵组满频运行时的最大运行流量；

41、s303、根据用户侧循环流量，用户侧循环水泵泵组的水泵运行台数，计算每台用户侧循环水泵泵组运行频率。

42、进一步优选的，在s4中，按照如下公式（34）计算供冷季和供暖季，任意控制间隔的地源热泵机组负荷率优化目标函数；

43、   公式（34）

44、其中，为，为第台地源热泵机组负荷率；为地源热泵机组总数；

45、为目标函数二次项矩阵，为二次项矩阵系数；

46、为目标函数一次项行向量，为二次项矩阵系数；

47、为等式约束矩阵，为等式约束矩阵系数；

48、为等式约束列向量，为等式约束矩阵系数；

49、为决策变量下限列向量，地源热泵机组最小负荷率；

50、为决策变量上限列向量，为第台地源热泵机组最大负荷率；

51、本发明还提供一种电子设备，包括：存储器，存储有计算机程序指令；处理器，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现如上述复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法的步骤。

52、本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储指令，当存储的指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行如上述复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法的步骤。

53、本技术公开的一种复合式地源热泵系统短周期控制策略优化方法，相比于现有技术，至少具有以下优点。

54、该方法的核心在于全面提升系统的运行效能，特别是强调用户侧出水温度对于维持室内环境舒适与健康的重要性。通过深入研究用户侧开环控制的最佳实践，并在此基础上，提出了近似最优控制策略优化方法。该方法旨在精确调整用户侧循环泵组的运行台数、运行频率以控制用户侧运行流量，根据建筑末端传热机理对用户侧出水温度的精准控制，确保室内温度的稳定，还有效提升热泵机组的运行效率。此外，针对复合式地源热泵系统的机组控制策略优化问题，通过调整各地源热泵机组和调峰机组的出水温度以及负荷率，我们进一步提升了系统的整体性能。增强了复合式系统的适应性，使其能够在各种环境和工况下稳定运行，同时也为建筑用户提供了更为稳定、舒适的供暖和制冷服务。