一种响应分时电价的空气源热泵供暖水温动态规划方法技术

一种响应分时电价的空气源热泵供暖水温动态规划方法，属于空气源热泵供热系统优化控制领域

【技术实现步骤摘要】
一种响应分时电价的空气源热泵供暖水温动态规划方法


[0001]本专利技术属于空气源热泵供热系统优化控制领域，具体涉及一种响应分时电价的空气源热泵供暖水温动态规划方法
。

技术介绍

[0002]响应分时电价是电力需求侧响应中一种主要的手段，电网公司根据电力供应情况调节各个小时电度电价，利用电价价差引导用户科学错峰用电
。
随着可再生能源装机容量不断扩大，电力供需不匹配问题进一步凸显，为了引导用户更好地消纳可再生能源，
2022
年来分时电价机制得到了进一步完善，响应要求也进一步提高
。
[0003]冬季供暖过程中，空气源热泵基于逆卡诺循环原理，通过消耗一定电能将低温空气中热量提取出来，制备供暖热水以保证建筑热负荷
。
目前，空气源热泵凭借其高效环保
、
安全可靠
、
初投资低等优势，已成为供暖电气化转型的关键措施
。
[0004]现有公布的空气源热泵响应电力变化的方法，主要分为两类：
[0005]1)
专利技术专利
CN 112211308 A
公开了一种采用空气源热泵系统的多级辐射相变墙体，谷电时利用空气源热泵将热能蓄存于多级辐射相变墙体中，峰电时将蓄存的热量释放出来，并结合空气源热泵作为辅助加热装置提供生活热水
。
专利技术专利
CN 111550861 A
则是利用热泵与固体蓄热设备响应电力变化，采用线性规划方法确定热泵和蓄热设备的工作模式
。
专利技术专利
CN 111928428 A
提供了一种考虑需求响应的空调系统控制方法，利用缓冲水箱进行电网的需求响应
。
专利技术专利
CN 113723709A
利用空气源热泵和相变材料响应峰谷电价变化，谷电时利用空气源热泵对相变材料进行蓄冷
/
热，峰电时利用相变材料结合空气源热泵对建筑进行供冷
/
热
。
上述方法通过增设储能装置，改变空气源热泵的能耗时段，响应了电力或电价的变化，但忽略了建筑及管网自身的热惰性，不仅增加了供暖系统的建造成本，同时供暖调控容易出现滞后性，导致室内温度控制不佳
。
[0006]2)
专利技术专利
CN 113673785 A
公布了一种基于峰谷电价的空气源热泵负荷优化运营方法及系统，利用建筑物及水循环系统蓄热
/
冷能力，以空气源热泵负荷总费用最低为目标，采用优化热泵运营模型计算热泵开启数量，实现空气源热泵负荷优化运营
。
专利技术专利
CN 110543713 A
公开了一种考虑用户舒适度与建筑蓄热的热泵
‑
地暖系统控制方法，该方法构建了能源系统模型和建筑热负荷模型；以空气源热泵运行费用与温度惩罚之和最小为系目标，滚动优化确定了供暖室内温度设定值
。
上述方法利用了建筑热惰性响应电价变化，降低了空气源热泵运行费用，但未充分发掘供暖水温与空气源热泵运行效率关系，导致空气源热泵供暖系统长期处于低效率运行，空气源热泵电力响应能力仍存在较大优化空间
。
[0007]专利技术专利
CN 112541213 A
介绍了供暖水温的变化直接影响室内供暖末端的供热量，同时供暖水温的调节也是空气源热泵制热能力的通用调节手段，但该专利技术未考虑电力变化的影响，不具备电力响应能力
。
因此，在空气源热泵响应电价过程中，为了保证供暖系统高效
、
稳定地运行，亟需开发一种能够充分利用建筑热惰性的空气源热泵供暖水温调控方法，应重点解决三个问题：
(1)
准确预测不同室外环境不同供暖水温下未来
24
小时室内温
度及供暖负荷变化；
(2)
准确预测不同室外环境不同供暖水温下未来
24
小时空气源热泵能耗及供暖运行成本变化；
(3)
以响应分时电价为目标，动态规划未来
24
小时空气源热泵供暖水温设定值
。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的局限性，本专利技术提供了一种响应分时电价的空气源热泵供暖水温动态规划方法，其能够动态规划空气源热泵供暖水温设定值，在保证室内热舒适前提下，响应以
24
小时为周期的分时电价变化，促进电力削峰填谷，缓解能源供需不匹配问题，降低空气源热泵供暖运行费用
。
[0009]为实现上述技术目的，一方面，本专利技术提供一种响应未来
24
小时分时电价的空气源热泵供暖水温设定值预测方法，具体包括如下步骤：
[0010]S1
：准确预测不同室外环境不同供水温度下未来
24
小时室内温度及供暖负荷变化
。
本专利技术基于热阻热容类比原理，考虑室外空气温度
、
太阳辐射强度
、
供水温度
、
末端换热形式以及建筑围护结构
、
墙体及管网等蓄热体带来的热惰性，建立了建筑传热动态预测模型，如公式
(1)
至
(6)
所示
。
[0011][0012]式中，
C
ai
为室内空气热容，
J/(m2·
℃)
；
T
ai
为室内空气温度预测值，
℃
；
t
为时间，
h
；
i
为第
i
个非透明围护结构，如外墙
、
屋顶；
n
为非透明围护结构总数；
T
w_in,i
为第
i
个非透明围护结构内表面温度，
℃
；
R
w_in,i
为第
i
个非透明围护结构的内表面与室内空气换热热阻，
m2·
℃/W
；
T
im
为内部蓄热体温度，
℃
；
R
im
为内部蓄热体与室内空气换热热阻，
m2·
℃/W
；
Q
window
为透明围护结构传热量，
W/m2；
Q
heat
为供暖末端与室内空气的对流换热量，
W/m2；
[0013]其中，对于公式
(1)
中右侧第一项房间通过非透明围护结构的传热量，采用如公式
(2)
和
(3)
所示的进一步计算
。
[0014][0015][0016]式中，
C
w,i
为第
i
个非透明围护结构热容，
J/(m2·
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种响应未来
24
小时分时电价的空气源热泵供暖水温设定值预测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1
：准确预测不同室外环境不同供水温度下未来
24
小时室内温度及供暖负荷变化
。
本发明基于热阻热容类比原理，考虑室外空气温度
、
太阳辐射强度
、
供水温度
、
末端换热形式以及建筑围护结构
、
墙体及管网等蓄热体带来的热惰性，建立了建筑传热动态预测模型，如公式
(1)
至
(6)
所示；式中，
C
ai
为室内空气热容，
J/(m2·
℃)
；
T
ai
为室内空气温度预测值，
℃
；
t
为时间，
h
；
i
为第
i
个非透明围护结构；
n
为非透明围护结构总数；
T
w_in,i
为第
i
个非透明围护结构内表面温度，
℃
；
R
w_in,i
为第
i
个非透明围护结构的内表面与室内空气换热热阻，
m2·
℃/W
；
T
im
为内部蓄热体温度，
℃
；
R
im
为内部蓄热体与室内空气换热热阻，
m2·
℃/W
；
Q
window
为透明围护结构传热量，
W/m2；
Q
heat
为供暖末端与室内空气的对流换热量，
W/m2；其中，对于公式
(1)
中右侧第一项房间通过非透明围护结构的传热量，采用如公式
(2)
和
(3)
所示的进一步计算；所示的进一步计算；式中，
C
w,i
为第
i
个非透明围护结构热容，
J/(m2·
℃)
；
T
w_out,i
为第
i
个非透明围护结构外表面温度，
℃
；
R
w,i
为第
i
个非透明围护结构传热热阻，
m2·
℃/W
；
R
w_out,i
为第
i
个非透明围护结构外表面与室外空气换热热阻，
m2·
℃/W
；
T
ao
为室外空气温度，
℃
；
Q
solar_w,i
为第
i
个非透明围护结构表面太阳辐射得热量，
W/m2；由内墙
、
家具等构成的建筑内部蓄热体通过对流换热或受到透过窗户的太阳辐射，自身温度不断升高，当内蓄热体表面温度高于室内空气温度时，再以对流的形式将蓄积的热量逐渐地释放到室内空气中，保证室内舒适性；对于公式
(1)
中建筑内部蓄热体的蓄放热特性，计算方法具体如公式
(4)
所示
。
式中，
C
im
为内部蓄热体热容，
J/(m2·
℃)
；
Q
solar,im
为透过窗户与内蓄热体换热的太阳辐射得热量，
W/m2；其中，太阳辐射得热量可由公式
(5)
计算；
Q
solar
＝
p
×
I (5)
式中，
Q
solar
为太阳辐射得热量，
W/m2；
p
为太阳辐射吸收系数，受吸收率
、
朝向或角度等影响，由遗传算法辨识得到；
I
为太阳辐射强度预测值，
W/m2，由气象网站获取；对于
Q
window
透明围护结构传热量，计算方法如公式
(6)
所示；
式中，
j
为第
j
个透明围护结构；
z
为透明围护结构总数；
R
window,j
为第
j
个透明围护结构传热热阻，
m2·
℃/W
；
Q
heat
为换热末端风机盘管对室内的换热量，计算方法如公式
(7)
所示；式中，
α
，
β
分别为风机盘管换热能力系数，根据风机盘管型号确定；
T
ws
为供水温度，
℃
；
Q
f0
为风机盘管额定换热能力，
W
；
T
ai,f0
为风机盘管额定进风温度，
℃
；
T
ws,f0
为风机盘管额定供水温度，
℃
；
A
为房间面积，
m2；由于模型中部分参数会受室外环境变化的影响，如风速增大导致外表面热阻降低等
。
因此，为了得到准确的
R、C
及
p
的值，采用一种利用遗传算法的滚动辨识参数的优化方法；遗传算法输入参数集为供暖系统最近连续5天；时间间隔为
1h
的室内空气温度模型预测值及实际测量值，以模型预测室内温度与实际室内温度偏差最小为目标，滚动寻优辨识各个参数值，滚动频率为1次
/
天，具体目标函数如式
(8)
所示；式中，
t1、t2分别为辨识寻优起始
、
结束时刻，间隔为
120h
；
T
ai,test
为室内空气温度监测值，
℃
；在建筑传热动态预测模型建立并完成参数辨识优化后，将未来
24
小时室外空气温度
、
太阳辐射及空气源热泵供水温度，输入上述建筑传热动态预测模型可预测得到未来
24
小时室内空气温度；由能量守恒原理可知风机盘管散热量等于管网热水散失的热量，因此根据公式
(7)
可得空气源热泵供暖系统回水温度及供暖负荷；式中，
c
为水的比热容，
J/(kg
·
℃)
；
m
为系统水流量，
kg/s
；
T
wr
为空气源热泵回水温度，
℃
；
S2
：准确预测不同室外环境不同供暖水温下未来
24
小时空气源热泵能耗及供暖运行成本变化；根据室外空气温度
、
供水温度以及空气源热泵供热运行功率
、
制热能力，多元回归拟合空气源热泵运行性能预测模型，具体如公式
(10)
至公式
(18)
所示；进而结合分时电价建立空气源热泵供暖系统运行成本预测模型，准确预测不同负荷率
、
不同室外环境工况及供水温度下的空气源热泵供暖系统运行成本；
Q
ASHP
(T
ws
,T
ao
,ff)
＝
cap(T
ws
,T
ao
)cap(ff)Q
nom
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
其中，
Q
ASHP
(T
ws
,T
ao
,ff)
为空气源热泵制热量预测值；
cap(T
ws
,T
ao
)
为供水温度及室外空气温度对空气源热泵供热量的修正系数；
cap(ff)
为空气流量或水流量对空气源热泵供热量的修正系数；
Q
nom
为空气源热泵机组名义工况制热量，
kW
，根据机组铭牌获得；
T
ws
为空气源热泵供水温度，
℃
；
T
ao
为室外空气温度，
℃
；
ff
为空气或水流量系数，为实际流量和额定流量
之比；公式
(10)
中
cap(T
ws
,T
ao
)
计算方法如下；
cap(T
ws
,T
ao
)
＝
a1+a2T
ws
+a3T
ws2
+a4T
ao
+a5T
ao2
+a6T
ws
T
ao
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
其中，
a1～
a6为拟合系数，由实验数据拟合得到；公式
(10)
中
cap(ff)
计算方法如下；
cap(ff)
＝
b1+b2ff+b3ff2+b4ff3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
其中，
b...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，李欣田，孙育英，魏文哲，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：