[發(fā)明專利]用于建筑物平抑電能供給波動的熱泵蓄熱-供熱優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010802448.0
• 申請日: 2020-08-11
• 公開（公告）號: CN111947206B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉雪玲;付偉娟;牛錦濤;汪健生;王源銘
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G06Q50/06
• 分類號: G06Q50/06;H02J3/28;F24D11/02;F24D19/10
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 程毓英

1.一種用于建筑物的平抑電能供給波動的熱泵機組蓄熱-供熱優(yōu)化方法，所采用的熱泵機組蓄熱-供熱系統(tǒng)包括3個熱泵機組：其中熱泵機組1和熱泵機組3為供熱熱泵機組，熱泵機組2為蓄熱熱泵機組，對于供熱熱泵機組，熱泵機組1是以地下含水層中水源作為熱泵機組供熱的熱源，熱泵機組3是以蓄熱水箱中熱水作為熱泵機組供熱的熱源，蓄熱水箱中水溫高于地下含水層中水溫；熱泵機組2為消納夜間低谷時段電功率的蓄熱熱泵機組，熱泵機組2運行，加熱蓄熱水箱中的水；供熱過程中，熱泵機組3承擔(dān)部分的供熱負(fù)荷，剩余熱負(fù)荷由熱泵機組1提供，其特征在于，包括以下幾個方面：

(1)建筑物熱負(fù)荷的計算：采集目標(biāo)地區(qū)氣候參數(shù)，包括氣候特征、供熱期典型日全天24h逐時平均溫度變化，采集目際地區(qū)的某建筑物層數(shù)、建筑面積；根據(jù)公式CT＝AT+Bu，計算目標(biāo)地區(qū)目際建筑物的瞬時供熱負(fù)荷，式中：T-單一房間的所有溫度節(jié)點；C-每個節(jié)點在單位溫度變化率下，對應(yīng)的蓄熱能力矩陣；A-各相鄰溫度節(jié)點之間，因為溫差而產(chǎn)生的熱流流動關(guān)系的矩陣；B-反應(yīng)各熱擾因子和每個溫度節(jié)點之間作用情況的矩陣；u-由各溫度節(jié)點上的熱擾因子組成的向量；

(2)供熱回路控制方法：構(gòu)建熱泵機組1、3進行供熱，對兩個熱泵機組的供熱負(fù)荷進行分配，熱泵機組1、3的供熱負(fù)荷之和機為建筑物瞬時熱負(fù)荷，即為Q₁(τ)+Q₃(τ)＝Q(τ），式中，Q₁(τ)-熱泵機組1瞬時供熱負(fù)荷，Q₃(τ)-熱泵機組3瞬時供熱負(fù)荷，Q(τ)-建筑的實時瞬時熱負(fù)荷；

熱泵機組的性能系數(shù)COP根據(jù)各熱泵機組的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度計算得到，考慮實際運行中的不可逆損失，熱泵機組的效率系數(shù)η取為0.58；

根據(jù)上述各熱泵機組的瞬時熱負(fù)荷與性能系數(shù)COP，得到熱泵機組1、3的逐時耗電功率為

(3)蓄熱回路控制方法：蓄熱過程主要由熱泵機組2完成，設(shè)夜間熱泵機組2向水箱的蓄熱總量Q₂與日間熱泵機組3從水箱的取熱總量Q₃′相等，則有：成立，且Q₃′(τ)＝Q₃(τ)-Q₃(τ)/COP₃，式中，Q₂(τ)-夜間蓄熱水箱的瞬時蓄熱負(fù)荷，即熱泵機組2冷凝器的瞬時熱負(fù)荷，Q′₃(τ）-日間蓄熱水箱的瞬時放熱負(fù)荷，即熱泵機組3蒸發(fā)器的瞬時熱負(fù)荷，Q₃(t)-熱泵機組3的瞬時供熱負(fù)荷，即冷凝器的瞬時熱負(fù)荷，COP₃-熱泵機組3性能系數(shù)，τ₁-熱泵機組2夜間蓄熱開始運行時間，τ_２-熱泵機組2夜間蓄熱結(jié)束運行時間，τ₃-熱泵機組1、3日間供熱開始運行時間，τ₄-熱泵機組1、3結(jié)束運行時間；

根據(jù)蓄熱瞬時負(fù)荷及熱泵機組2性能系數(shù)COP₂得熱泵機組2瞬時耗電功率

(4)建立平抑電能供給波動的熱泵機組蓄熱-供熱優(yōu)化模型：根據(jù)上述供熱、蓄熱控制過程，求取熱泵機組蓄熱-供熱系統(tǒng)的瞬時耗電總功率P_stand(τ)＝P₁(τ)+P₂(τ)+P₃(τ)；

選取系統(tǒng)瞬時耗電總功率恒定、耗電成本最低為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以全天各時段瞬時耗電總功率變化率為零，即瞬時耗電功率對時間的一階導(dǎo)數(shù)為零與耗電成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，以Q₁(τ)+Q₃(τ)＝Q(τ)與Q₃′(τ)＝Q₃(τ)-Q₃(τ)/COP₃、為約束條件，對系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化匹配，實際熱泵機組蓄熱-供熱系統(tǒng)的運行需滿足如下條件：

設(shè)熱泵機組3供熱負(fù)荷Q₃(τ)占建筑物實際瞬時供熱負(fù)荷Q(τ)的占比為a，

1)若熱泵機組1與熱泵機組3的供熱瞬時耗電功率之和等于熱泵機組2蓄熱瞬時耗電功率，即：P₁(τ)+P₃(τ)＝P₂(τ)，則選擇相應(yīng)占比a確定熱泵機組3瞬時供熱負(fù)荷，進而確定熱泵機組2相應(yīng)蓄熱負(fù)荷；

2)若熱泵機組1與熱泵機組3的供熱瞬時耗電功率之和小于熱泵機組2蓄熱瞬時耗電功率，P₁(τ)+P₃(τ)＜P₂(τ)，則降低占比a，直至P₁(τ)+P₃(τ)＝P₂(τ)，再根據(jù)相應(yīng)占比a確定熱泵機組3瞬時供熱負(fù)荷、熱泵機組2相應(yīng)蓄熱負(fù)荷；

3)若熱泵機組1與熱泵機組3的供熱瞬時耗電功率之和大于熱泵機組2蓄熱瞬時耗電功率，P₁(τ)+P₃(τ)＞P₂(τ)，則提高占比a，直至P₁(τ)+P₃(τ)＝P₂(τ)，再根據(jù)相應(yīng)占比a確定熱泵機組3瞬時供熱負(fù)荷、熱泵機組2相應(yīng)蓄熱負(fù)荷；

根據(jù)公式對系統(tǒng)的運行成本進行計算，式中，P_a(τ)-高峰時段耗電功率，P_b(τ)-下段的耗電功率，P_c(τ)-低谷時段耗電功率，α₁、α₂、α₃-分別為高峰時段、平段、低谷時段電價，τ_a、τ_b、τ_c-分別為高峰時段、平段、低谷時段時間；

根據(jù)公式對系統(tǒng)一天的總耗電量進行計算，式中，P₁(τ)-熱泵機組1的瞬時耗電功率，P₂(τ)-熱泵機組2瞬時耗電功率，P₃(τ)-熱泵機組3的瞬時耗電功率，τ₁-熱泵機組2夜間蓄熱開始運行時間，τ₂-熱泵機組2夜間蓄熱結(jié)束運行時間，τ₃-熱泵機組1、3日間供熱開始運行時間，τ₄-熱泵機組1、3結(jié)束運行時間；

根據(jù)公式計算得到供暖季系統(tǒng)的最大耗電量，式中，P-系統(tǒng)瞬時總功率，τ-供暖季總供暖時間；

(5)輸出結(jié)果：系統(tǒng)日耗電總量、系統(tǒng)瞬時總耗電功率、各熱泵機組瞬時耗電功率、各熱泵機組瞬時供熱負(fù)荷、蓄熱負(fù)荷。