第五代區(qū)域供熱與制冷（5GDHC）網(wǎng)絡(luò)為增加剩余和可再生能源（RES）的份額提供了有前景的解決方案。然而，它們的效率取決于建筑的翻新水平和智能控制策略。本文介紹了一項(xiàng)基于情境的模擬研究，探討不同翻新水平如何影響系統(tǒng)性能。該研究展示了最優(yōu)控制（OC）如何提升熱泵運(yùn)行、降低峰值用電，并支持低溫網(wǎng)絡(luò)在未來建筑群的可行性。

介紹

到2050年實(shí)現(xiàn)氣候中和的轉(zhuǎn)變，需要對(duì)我們?nèi)绾谓o城市環(huán)境供暖和制冷進(jìn)行根本性重新思考，既考慮建筑物，也包括整個(gè)社區(qū)。第五代區(qū)域供熱與制冷（5GDHC）網(wǎng)絡(luò)因其能夠通過雙向網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)同時(shí)供暖和制冷而受到越來越多的關(guān)注。通過在接近環(huán)境溫度（Ts < 30°C）下運(yùn)行，這些系統(tǒng)可以整合大量可再生和剩余能源（R2ES），從而減少初級(jí)能源使用和二氧化碳排放。

然而，向低供電溫度和5GDHC網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變要求連接的建筑要么高度節(jié)能，要么配備先進(jìn)的集成控制策略，以補(bǔ)償建筑性能的變化。對(duì)能效較差的現(xiàn)有建筑進(jìn)行翻新是必不可少的，盡管深度翻新既昂貴又耗時(shí)，且可能并非總是必要。與此同時(shí)，在5GDHC網(wǎng)絡(luò)中管理和控制多個(gè)分布式熱源和冷源面臨重大挑戰(zhàn)，泵送功率在低溫時(shí)成為關(guān)鍵因素。

鑒于降低建筑供熱溫度的重要性、集成最優(yōu)控制策略的需求以及大規(guī)模翻新的成本障礙，本文介紹了一項(xiàng)模擬研究的見解，展示了Optimal Control（OC）如何作為小型虛擬5GDHC網(wǎng)絡(luò)在不同建筑翻新場(chǎng)景下發(fā)揮系統(tǒng)集成器的作用。本文內(nèi)容基于[1]中展示的研究成果。

熱能網(wǎng)絡(luò)與建筑描述

一個(gè)小型虛擬5GDHC系統(tǒng)作為雙向能量-定向介質(zhì)流動(dòng)（BiD）配置的用例，圖1示意圖示。該系統(tǒng)由三棟排屋和三棟辦公樓組成，代表比利時(shí)一個(gè)混合的小型區(qū)，以及一個(gè)中央平衡單元。中央泵控制網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)方向，而變電站主側(cè)的三通閥則調(diào)節(jié)變電站內(nèi)介質(zhì)流量，朝向調(diào)節(jié)水源熱泵（WSHP）或熱交換器（HEx）進(jìn)行直接冷卻，具體取決于選擇的供暖模式或制冷模式。為了在建筑的每個(gè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)供暖/制冷，采用了嵌入式地板排放系統(tǒng)，由閥門控制。中央平衡單元通過大型調(diào)節(jié)空氣源熱泵（ASHP）和大型調(diào)節(jié)空氣源冷卻器（ASCH）來管理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的熱量失衡，并將網(wǎng)絡(luò)溫度保持在指定范圍（5-16°C）內(nèi)。還會(huì)增加一個(gè)水緩沖罐以減弱網(wǎng)絡(luò)中的峰值。

圖1：雙向能量定向介流5GDHC網(wǎng)絡(luò)配置的簡(jiǎn)化方案

分析了十種翻新場(chǎng)景，從高度絕緣的機(jī)械通風(fēng)兼熱回收建筑（MVHR）到保溫較差但機(jī)械排氣通風(fēng)（MEV）的建筑，以及混合翻新方案。根據(jù)比利時(shí)分類（表1），考慮三種不同的絕緣等級(jí)（標(biāo)簽A、B和C）。表2中總結(jié)了考慮的翻新方案，突出了與該區(qū)相連建筑的主要參數(shù)差異。

表1：保溫標(biāo)簽A、B、C的傳熱系數(shù)（U值）和氣密性數(shù)值

A

B

C

單位

窗戶

1.5

2.5

3

W/m2/K

屋頂與天花板

0.24

0.4

0.8

W/m2/K

城墻

0.24

0.6

0.6

W/m2/K

樓層

0.24

0.4

1.5

W/m2/K

門與大門

2

2.9

3.5

W/m2/K

氣密性

3.2

4

6

m3/h/m2

表2：所考慮的改造方案匯總（標(biāo)簽、通風(fēng)、住宅與辦公室的Q設(shè)計(jì)）

劇情

房屋（標(biāo)簽/通風(fēng)
/Q設(shè)計(jì)[面積/平方米樓層）])

辦公室（標(biāo)簽/通風(fēng)
/Q設(shè)計(jì)【每平方米樓層】])

1

全A級(jí) / MVHR / 27.23

A / MVHR / 38.3

1_2

1 B / MEV / 52.67,2 A / MVHR / 27.23

A / MVHR / 38.3

1_3

1 C / MEV / 62.04,2 A / MVHR / 27.23

A / MVHR / 38.3

2

全部為B / MEV / 52.67

A / MVHR / 38.3

2_1

2個(gè)B/MEV / 52.67,1個(gè)A/MVHR / 27.23

A / MVHR / 38.3

2_3

2 B / MEV / 52.67,1 C / MEV / 62.04

A / MVHR / 38.3

3

全C/MEV / 62.04

A / MVHR / 38.3

3_1

2 C / MEV / 62.04,1 A / MVHR / 27.23

A / MVHR / 38.3

3_2

2 C / MEV / 62.04,1 B / MEV / 52.67

A / MVHR / 38.3

4

全C/MEV / 62.04

C / MEV / 87.53

最優(yōu)控制

最優(yōu)控制（OC）被用作系統(tǒng)集成器，以最大限度地減少能耗，同時(shí)提供熱舒適度。所采用的最優(yōu)控制器是一種理想化的模型預(yù)測(cè)控制器，使用詳細(xì)的白箱系統(tǒng)模型（無模型不匹配）并對(duì)天氣條件有完美的了解�；谖锢淼碾p區(qū)建筑模型、熱系統(tǒng)（如熱泵、冷水機(jī)組）和液壓組件在Modelica中開發(fā)，并集成到TACO（自動(dòng)化控制與優(yōu)化工具鏈）中，TACO是基于Modelica的非線性白盒模型預(yù)測(cè)控制（MPC）工具鏈[2]。

優(yōu)化問題的主要目標(biāo)是在特定約束條件下（例如最低和最高室內(nèi)溫度、地面溫度、網(wǎng)絡(luò)溫度、網(wǎng)絡(luò)溫度）下，最小化（1）包括所有熱泵、冷卻機(jī)、循環(huán)泵和集中泵的總初級(jí)能源使用量，（2）建筑物內(nèi)部的熱不適感。Dell'Isola 等人[3]對(duì)解決BiD配置NLP最優(yōu)控制問題的方法進(jìn)行了更詳細(xì)的描述。

最優(yōu)控制問題在冬季、中季和夏季的三個(gè)代表性月份（1月、4月和7月）進(jìn)行。

為評(píng)估翻新水平的影響，比較不同場(chǎng)景，重點(diǎn)關(guān)注電能消耗、峰值功率和季節(jié)性性能因子（SPF），這些因子以所有建筑在供暖狀態(tài)下提供的總有用熱量或冷卻狀態(tài)下提取的總有用熱量來評(píng)估，與模擬期內(nèi)熱泵總電能消耗為對(duì)比。

5GDHC網(wǎng)絡(luò)性能受翻新程度影響

圖2-3-4展示了三個(gè)代表月份不同翻新場(chǎng)景的主要結(jié)果。在所有月度模擬中，熱不適感都非常低，即低于2.5 Kh/區(qū)域。因此，在相同的熱舒適條件下比較不同的翻新場(chǎng)景。

研究證實(shí)，翻新程度對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有顯著影響，尤其是在冬季。經(jīng)過良好翻新、保溫水平更高、通風(fēng)系統(tǒng)性能更好的建筑，所需的熱量更低，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期的低一級(jí)能源使用（見圖2）。然而，有趣的是，即使是中等或混合翻新水平，最優(yōu)控制策略仍有助于最大化系統(tǒng)效率，通過更高的冷凝器熱泵功率和相當(dāng)?shù)男阅芟禂?shù)（COP）抵消較高的需求。這導(dǎo)致不同場(chǎng)景間SPF的相對(duì)差異僅為1.7%，除了所有C級(jí)標(biāo)簽的場(chǎng)景4，導(dǎo)致能耗更高、供電溫度更高，且建筑間熱相互作用有限。

圖2：1月OC模擬的性能指標(biāo)熱圖

圖3中對(duì)4月過渡季節(jié)的類似觀察也顯示了翻新程度的影響排名。

圖3：4月OC模擬的性能指標(biāo)熱力圖

圖4展示了夏季期的有趣結(jié)果。裝修程度較低的建筑會(huì)影響系統(tǒng)的最佳運(yùn)行，導(dǎo)致熱泵即使在制冷季節(jié)也能啟動(dòng)。最優(yōu)控制利用建筑的熱慣性以及住宅與辦公間熱負(fù)荷的多樣性，以優(yōu)化熱相互作用。

圖4：7月OC模擬的性能指標(biāo)熱圖

圖5展示了性能較低的住宅建筑在辦公區(qū)制冷高峰時(shí)作為散熱器（仍滿足熱舒適約束）的使用方式，達(dá)到情景二中最低的總電能消耗。分散式熱泵從網(wǎng)絡(luò)中吸收熱量，減少了對(duì)高能耗中央冷水機(jī)的作需求。另一方面，建筑物業(yè)主不必要的熱泵啟動(dòng)會(huì)在SPF計(jì)算中受到懲罰。

圖5：情景二：7月18日至29日期間的熱需求與供給

熱泵與冷水機(jī)容量

圖6展示了不同區(qū)內(nèi)翻新場(chǎng)景下中央/分散式熱泵（HP）和中央冷水機(jī)（CH）容量的變化。[1] 結(jié)果凸顯了建筑性能如何通過最小化總電能消耗和熱不適，影響區(qū)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的峰值用電和最佳運(yùn)行策略。

在性能較差的區(qū)域，隔熱和熱慣性較低的建筑需要更連續(xù)的供暖以確保熱舒適。這導(dǎo)致建筑層面分散式高壓容量增加。中央高壓容量可能增加（例如情景一對(duì)比1_2），或保持不變（例如情景二對(duì)比2_3），中央高壓運(yùn)行更連續(xù)但容量相近。但這會(huì)以更高的總能耗為代價(jià)，因?yàn)樵谛阅茌^差的區(qū)，熱泵通常運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)。另一方面，隨著區(qū)內(nèi)性能下降（冷卻需求增加），中央冷水機(jī)容量總是上升，以便在無需額外分散式冷水機(jī)的情況下提供直接冷卻。

[1] 在情景1、2和2_1中，考慮了第二高峰值功率。中央HP的最高峰值功率已被濾除，因?yàn)樗悄M結(jié)束時(shí)僅出現(xiàn)一次的殘差 period.mp 動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件下的系統(tǒng)“，亞琛工業(yè)大學(xué)，德國(guó)亞琛，2022年。doi：10.18154/RWTH-2022-06640。

圖6：按場(chǎng)景劃分的熱泵和冷水機(jī)容量

在表現(xiàn)更好的區(qū)域，高隔熱和良好的氣密性使建筑具有更大的熱慣性。對(duì)這些建筑的最佳控制使得供暖需求減少，當(dāng)熱泵運(yùn)行到最高COP時(shí)，供暖峰值會(huì)更明顯。分散式高壓容量較低，因?yàn)樾枨筝^低（建筑熱損失較低），而中央高壓容量則因建筑類型組合而變化（類似上述考慮）。無論如何，表現(xiàn)更好的學(xué)區(qū)總能耗總是較低。冷卻機(jī)容量也隨著翻新水平的提升而持續(xù)下降，這得益于制冷需求減少。編譯 陳講運(yùn)

帶有標(biāo)簽B和標(biāo)簽C的場(chǎng)景之間的差異，比跳到標(biāo)簽A建筑的場(chǎng)景要小。這是因?yàn)锽和C都使用相同的MEV系統(tǒng)，而標(biāo)簽A通過機(jī)械通風(fēng)和熱回收受益，顯著提升能量性能并減輕系統(tǒng)負(fù)荷。

在情景4中，住宅和辦公樓的翻新程度較低，使得熱泵和冷水機(jī)的容量明顯高于其他情景。

結(jié)論

本研究表明，如果配備集成的最優(yōu)控制策略，5GDHC網(wǎng)絡(luò)即使在建筑翻新水平混合的地區(qū)也能取得強(qiáng)勁表現(xiàn)。夏季熱泵啟動(dòng)策略展示了先進(jìn)控制如何將看似劣勢(shì)的劣勢(shì)，如性能不佳的建筑，轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)層面資產(chǎn)，從而幫助平衡網(wǎng)絡(luò)并降低整體能源消耗。

對(duì)于極端翻新場(chǎng)景，結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)一致：翻新良好的建筑（情景1）能提供高效和良好的熱舒適性，而翻新不良的區(qū)域（情景4）因負(fù)荷較大且靈活性較低，不適合5GDHC。在此類情況下，系統(tǒng)不再自平衡（如僅辦公區(qū)或僅住宅區(qū)內(nèi)可能出現(xiàn)），則第四代區(qū)供熱（4GDH）網(wǎng)絡(luò)可能更為合適�？傮w而言，研究結(jié)果表明，最佳控制對(duì)于釋放低溫區(qū)域供熱和制冷系統(tǒng)的全部潛力至關(guān)重要。

未來工作將包括全年模擬、利用不同天氣數(shù)據(jù)集進(jìn)行地理位置敏感度分析，以及智能通風(fēng)控制的研究。此外，熱泵和冷水機(jī)組在不同場(chǎng)景中峰值功率需求的觀察趨勢(shì)，凸顯了在5GDHC網(wǎng)絡(luò)中整合最優(yōu)尺寸和控制策略進(jìn)行進(jìn)一步研究的必要性。

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