区域供能系统控制策略研究

谭智仁 文 敏 张 恒 吴义勇

(中节能先导城市节能有限公司，湖南 长沙 410208)

早在20世纪30年代，国外一些国家就开始展开了对热泵供能技术的研究，并将该项技术应用于小型项目中，而我国介入研究的时间相对国外较晚[1]。伴随着热泵技术的不断完善以及相关应用项目的不断成熟，热泵技术被逐渐应用于大型区域供能项目中，就诞生了区域供能系统。目前，区域供能系统包含多种技术形式，比如地源热泵、冷热电三联供、水源热泵、空气源热泵等，控制策略作为这些区域供能系统的重要组成部分之一，该项技术的重要性不言而喻，其直接影响整个系统的经济性及运行效率[2]。很多研究人员对这些系统控制策略进行了研究。本文重点对地源热泵、冷热电联供、水源热泵以及空气源热泵等四个区域供能系统的控制策略的相关研究文献进行了综述分析。

1 地源热泵系统控制策略

针对地源热泵控制策略的研究成果较多，国内很多研究人员就围绕这一课题开展了大量的研究工作。方辉旺[3]在对比分析地源热泵系统冷冻水系统控制策略的基础上，重点围绕地源井系统作了理论及试验分析，研究结果表明：地源井出水温度越低，整个系统COP越高，基于此，他提出了一种较为合理的变频控制策略，并在搭建的试验平台上进行了验证。王亮等[4]在构建变频水泵能耗以及地源井传热模型的基础上，分别对不同地源井布置系统分区运行控制方式下所对应的能耗、出水温度及钻孔壁温进行了数值分析，研究结果表明：采取分区运行控制方式的地源井系统出水温度、钻孔壁温恢复较好，并得到了采取时间控制策略、分区运行控制策略、负荷控制策略、变流量控制策略等的运行特点。庄运超[5]以株洲市某一建筑为例，构建了地源热泵系统仿真模型，对其在不同控制策略下的运行特性进行了仿真分析。

乔卫来等[6]以南京市某一地源热泵项目为例，采用Energyplus软件对其能耗进行了分析，并分析了温差控制与热泵进水温度控制策略的优劣。谢鹂等[7]分别针对地源热泵—锅炉系统及地源热泵—冷却塔系统提出了控制策略，并分别以哈尔滨和武汉市某一建筑为研究对象，探究了两种控制策略在相应系统中的运行特性。王华军等[8]针对复合式地源热泵系统，建立了3种运行策略，并分别对其特性进行了分析，提出可合理采用组合控制策略的观点；虢伟[9]也结合实例对复合式地源热泵系统的控制策略问题展开了研究。

2 冷热电联供系统控制策略

随着区域能源技术形式的发展，清洁能源的应用越来越重要，主要采用燃气的冷热电联供系统项目数量逐渐增加，围绕其控制策略的研究成果不断涌现。

陈娟等[10]在探究区域能源系统架构的同时，基于智能系统建立了冷热电三联供系统的互联网模型，并提出了相应的分布式协调控制方式，验证了其有效性。石可颂[11]围绕冷热电三联供系统中的储能、供能单元，构建了相应的优化调度模型，构建了包含环境效应成本和运营成本的多目标函数，分析了系统的运行特性，设计了优化工况，为类似系统运行策略的设计与优化提供了参考。王巍巍[12]在分析冷热电联供系统控制方式特点的基础上，基于集散控制技术以及物联网技术，针对该系统提出了集散控制策略，即冷冻水系统的模糊PID控制策略，其提出的集散控制系统更加稳定。吴静怡等[13]结合工程实例，设计了一种基于现场可编辑程序控制装置以及上位控制计算器，并对冷热电三联供系统作了控制策略分析，达到了自动化控制的目的。

赵峰[14]针对冷热电三联供系统创新性的提出了一种三级协同整体优化策略，并通过仿真试验进行了验证，结果表明：新控制策略比常规以电定热及以热定电运行策略在一次能源利用效率、温室气体排放、经济性方面更优。刘星月等[15]将CCHP系统与太阳能系统相融合，设计了一种综合利用太阳能光热光伏且能提供冷热电的复合式系统，并基于以电定热、以热定电运行策略，提出了三种不同的运行策略，通过对比分析，验证了三种运行策略的可行性和有效性，为后续类似复合式系统的设计提供了参考。此外，芦思为[16]对冷热电三联供系统中微电网的运行控制策略进行了研究。

3 水源热泵系统控制策略

我国部分地区水资源丰富，随着我国城市建设及城镇化的快速发展，在水资源丰富的城市出现了很多水源热泵供能项目。水源热泵技术形式的优势十分明显，其控制策略也至关重要。

李文涛[17]以陕西杨凌地区某水源热泵项目为例，对其控制算法问题展开了研究，针对由于对象具有非线性、大滞后、时变等特性而PID控制效果不佳的问题，结合神经网络与模糊控制的特性，采取PID分别与BP神经网络、模糊控制相适应的神经PID控制与模糊PID控制算法，完成了对PID参数的自优化；基于此，设计了基于BP神经网络的PID控制装置、自适应模糊PID控制装置、常规PID控制装置，并分别对其作了仿真分析，结果表明：后两种控制装置在稳态性和动态特性方面优势更大，可以用于控制水源热泵系统；此外，侯凯[18]以西安某水源热泵项目为例，阐述了其基础控制方式，根据BP神经网络控制设计了控制系统架构，并对其进行了仿真分析；杨黎峰[19]也对BP神经网络算法在水源热泵系统中的控制特性进行了分析。

李立等[20]以湘潭市某水源热泵项目为例，提出了基于模糊PID控制的控制方式，研究结果表明：这一控制策略很好的改善了常规控制方式存在的不足，实际运行效果较好，动态响应快。徐幼斌等[21]在阐述模块式水源热泵集中控制思路及控制要求的基础上，设计了控制软件，介绍了控制系统组成，并进行了应用，应用结果表明：控制系统能够准确的控制水源热泵集中冷媒水的出水温度，尤其是在变负荷工况下，温度波动小，节水节能效果良好。李洪斌等[22]针对水源热泵系统存在的效率不高的不足，基于稳态模型提出了一种在线优化控制策略，根据分级控制方法，构建了优化模型，对水泵模型作了优化，并采取该模型对实例作了求解，结果表明该优化方法能够提供水源热泵系统的COP。

4 空气源热泵控制策略

空气源热泵是一种极为常见的供能技术形式，在一些区域供能项目中，空气源热泵也得到了较好的应用。

靳成成等[23]针对空气源热泵提出了一种变回水温度控制策略，并作了试验验证，结果表明：变回水温度工况能够满足室内冷负荷的要求。与常规系统相比较，采用该控制策略的系统运行效率更高，能耗更低。洪阳[24]针对空气源热泵系统提出了回水温度最佳工况点预测分析模型，并基于此设计了一种变回水温度控制策略，分别对低、中、高负荷率工况作了仿真验证分析，该优化控制策略降低系统能耗分别为10.1%,8.4%,3.3%。陈剑波等[25]针对复叠式空气源热泵系统，基于二级压缩比大致一致的方法确定了最优中间温度，继而控制中间冷凝压力，并采取编程方式进行了核心控制，试验验证结果表明该控制方法实现了对复叠式空气源热泵系统的较好控制。丁鸿昌等[26]针对空气源—太阳能热泵机组系统，在综合考虑多种影响因素的基础上，设计了一种自动控制系统，实现了对该系统的控制，且提高了能源利用效率。

5 结语

区域供能系统技术形式较多，随着相关技术、设备等的不断创新，单一式、复合式区域供能项目数量逐年增加，控制策略作为这些系统的重要组成部分之一，直接影响系统的运行效率及经济性，其作用至关重要。针对区域供能系统控制策略的研究成果较多，相关研究课题的介入程度越来越深，也更加具体。伴随着我国城市发展的快速推进，未来将会涌现大量的区域供能项目，而针对这些系统控制策略的研究将会成为重点课题之一。