摘要：本文说明了与各自的单源场景相比，最佳控制的混合热泵系统（包括空气源和地源热泵）的效率提高。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和不同的供应选项用于对传统的基于规则的控制和最优控制进行虚拟比较。混合

卡尔·瓦尔特、路易斯·赫尔曼斯、Lone Meertens、Lieve Helsen、比利时

本文说明了与各自的单源场景相比，最佳控制的混合热泵系统（包括空气源和地源热泵）的效率提高。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和不同的供应选项用于对传统的基于规则的控制和最优控制进行虚拟比较。混合热泵系统的效率提升源于考虑不同源温度和预测建筑行为的最佳控制能力。

住宅供暖行业的脱碳是实现能源和排放目标的一项重大挑战。对于基于可再生能源和剩余能源 （RES） 的未来供电系统，通常区分两种拓扑结构：（1） 建筑层的单个热泵系统，通常使用环境空气或地热，以及 （2） 集体区域供热网络。对于现代区域供热网络，通常区分两种子拓扑结构：（a） 高温水平上的集中产生的热量，即所谓的第四代区域供热网络 （4GDHN），通常通过可再生能源（热泵、生物质等）或余热（垃圾焚烧、工业过程等），或 （b） 低温网络，即所谓的第五代发电区域供热和制冷网络 （5GDHCN），具有低温热源（太阳能热能、数据中心等）和建筑层的分散式热泵。

本文评估了与替代的纯 ASHP 或仅 GSHP 场景相比，集成空气源热泵 （ASHP） 和地源热泵 （GSHP） 的混合热泵系统在 4GDHN 中用于集体供热的效率的提高。比利时布鲁日历史街区“Stijn Streuvelstraat”的重新设计被用作实际示范案例。这些分析使用基于物理的邻里和供暖模型来说明与传统的基于规则的控制相比，最佳控制系统的潜力。本文基于“Stijn Streuvelstraat”项目设计阶段的经验。文章使用了 [1] 的扩展内容。

“Stijn Streuvelstraat”是布鲁日（比利时）的一个历史街区，拥有 15 个辅助生活单元（见图 1 和图 2）。每个住宅单元均设有客厅、卧室和位于一楼的浴室。阁楼空间用于技术安装。净加热地板总面积约为1,000 m2。外墙使用内部保温材料（U 值 0.27 W/m2K），因为遗产特征不允许外部保温。改造的目标是，在建筑改造旁边，设计和实施一个集体供热系统，即

图 1：拥有 2 个（共 15 个）住宅单元的建筑

图 2：场地平面图（来源：Compagnie Costume）和技术装置

在这些设计目标的背景下，考虑到现场条件，ASHP或GSHP是可行的供热技术。由于声学限制，不可能完全基于 ASHP 的选项。由于一个井田的成本，该系统足够坚固，可以考虑需求方面的不确定性，例如，通过不断变化的极端气候条件，完全基于 GSHP 的系统被排除在外。因此，设计了一种包括 ASHP 和 GSHP 的混合热泵供电系统（见图 2 和图 3）。ASHP 的最大热容量为 28 kW th，GSHP 的最大热容量为 44 kWth。ASHP 和 GSHP 都在调制。由于声学限制，ASHP 在夜间最多只能运行 80%。钻孔场分为两部分，有四个钻孔，每个钻孔深度为 125 米。一个 0.5 m3 的缓冲罐位于供需侧之间。光伏热能 （PVT） 系统可在夏季实现钻井场再生。通过热交换器可以进行被动冷却，并在夏季提供额外的钻孔场再生潜力。每个住宅单元均由电加热器分散提供生活热水。地暖/制冷被选为房侧排放系统。温度设定值定义为 21 °C（加热）和 26 °C（冷却）。每个住宅单元都有一个带热回收功能的机械通风系统。

图3：简化液压方案

如前所述，由于项目特定的考虑，单一源热泵系统在设计阶段被排除在外。在下文中，我们说明与单一来源选项相比，设计的混合热泵系统也达到了最佳效率。对比了以下三种场景（为简单起见，PVT系统（见图3）不包括在这些场景中）：

为了进行比较，使用基于物理的建模方法对这三种不同的供应场景进行了仿真研究。使用 Modelica 语言对总共 61 个热区的 15 个住宅单元（见图 2）和供水系统（见图 3）进行建模。观察期为一年。使用比利时鲁汶测量的每小时天气数据，涵盖 -10 °C 至 +40 °C 的室外温度。

比较了两种控制方法中三种供应选项中每一种的性能：传统的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储罐目标温度来调节热泵。在混合情况下，PI 序列控制器用于确定 ASHP（在温和环境条件下）或 GSHP（在寒冷环境条件下）的优先级。使用滞后控制器根据室外空气温度切换优先级。地暖阀由连接到区域温度的 PI 控制器调节。最优控制使用前面描述的基于物理的模型来预测未来的建筑和供电系统行为。数学优化器使用这些预测来调整热泵调节程度和地暖阀门，以最大限度地减少 （1） 总电力消耗（包括热泵和循环泵），（2） 每个住宅单元的热不适，以及 （3） 夜间调制 ASHP 以降低噪音水平。

图 4 说明了传统基于规则的控制（左列）和最佳控制（右列）的三种供应选项（仅 ASHP、仅 GSHP、混合）的热泵行为。所选的 2 天周期在 0 °C 和 20 °C 之间具有较高的环境温度波动（见图 4-a）。地面温度在8°C至10°C之间。

使用传统的基于规则的控制（图 4，左栏），当区域温度降至加热设定点以下时，热泵在夜间启动（见图 4-b-i）（见图 4-c-i）。[1] 在混合场景中，仅使用 GSHP。由于地暖系统的惯性，区域温度比加热设定值低约 0.5 °C。

在最佳控制下，热泵行为在三种情况下存在显着差异：在仅使用ASHP的情况下，最佳控制器“意识到”在较高室外温度下较高的热泵COP，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运行，导致三种场景中的室内温度最高，最高可达 23 °C（见图 4-c-ii）。在仅 GSHP 的情况下，热泵运行更加平稳，午夜左右压缩机功率最高（图 4-b-ii 中的“仅限 GSHP”）。在混合热泵的情况下（图 4-b-ii 中的“混合”），最佳控制器根据源温度选择两个热泵：ASHP 在白天运行，GSHP 在夜间运行。

采用传统基于规则的控制的最大压缩机功率在 7 kW 至 9 kW 之间。在所有最佳控制情况下，使用的最大压缩机功率都明显较低（在 3 kW 和 5 kW 之间）。这强调了最佳控制的能力，可以将作转移到源温度较高的时期（参见仅 ASHP 案例），并避免在高电源温度和较低 COP 下出现峰值运行（参见仅 GSHP 场景）。此外，在所有最佳控制场景中，21 °C的加热设定值比传统的基于规则的控制要好得多，因为最佳控制能够预测地暖惯性并避免温度过大下降。

[1] 当储罐温度降至阈值以下时，热泵就会启动（图 4 中未描述）。

图 4：2 天内仅 ASHP、仅 GSHP 和混合选项的系统行为

图 5 比较了年度总绩效，包括年发热量、电力消耗量和季节性性能系数（SCOP，年冷凝器热量/年用电量）。比较表明，优化控制的系统产生更低的加热需求（-8% 至 -10%）和更低的热泵压缩机电力需求（-24% 至 -32%）。通过考虑取决于源温度（空气和地面）的性能系数 （COP），对地暖阀门进行综合优化控制和热泵的运行管理，可以节省成本。

比较的一个重要方面是如何对不同的供应选项进行排名。

对于传统的基于规则的控制，仅 ASHP 选项的 SCOP 最低，为 3.9，明显低于最佳控制系统，因为基于规则的控制在夜间激活热泵（见图 4-b）。仅 GSHP 选项的差异较小，并且通过避免在高电源温度下实现峰值运行来实现。与仅 ASHP 选项 （SCOP=5.2） 和仅 GSHP 选项 （SCOP=5.4） 相比，在最佳控制下，混合机箱达到了 5.6 的最高 SCOP，因为两个热泵的运行都根据源温度和相应的 COP 进行最佳分配。

图 5：仅 ASHP、仅 GSHP 和混合电源选项的热需求、电力需求和 SCOP（混合情况下 ASHP 和 GSHP 的总和，仅空间供暖，无 DHW）。

本文使用基于物理的模型来分析与各自的单一源场景相比，优化控制的混合热泵系统的效率提高。在“Stijn Streuvelstraat”案例研究中，与仅 GSHP 选项 （SCOP=5.4） 和仅 ASHP 选项 （SCOP=5.2） 相比，混合系统达到了 5.6 的最高 SCOP。效率提升源于最佳控制器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应系统中作为系统集成商的最佳控制的优势。标准的传统基于规则的控制无法充分利用这一潜力，并且与仅 GSHP 系统的 SCOP 为 4.5 相比，混合系统的 SCOP 较低，为 4.3。编译 陈讲运

除了通过优化控制提高效率之外，使用混合系统还可以使用更小的单个系统。较小的 ASHP 具有较低的噪声排放的优点，而较小的 GSHP，特别是较小的钻孔场，可降低投资成本。最后，由最佳控制器管理两个热源可以提供应对气候变化影响的弹性。[1]中的相关研究还强调了混合动力系统的竞争性生命周期成本。

来源：小猪的美食铺一点号