一种空气源热泵负荷优化方法及系统与流程

1.本公开涉及空气源热泵技术领域，特别涉及一种空气源热泵负荷优化方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.空气源热泵是一种利用高位能使热量从低位热源空气流向高位热源的节能装置，它是热泵的一种形式，可以把不能直接利用的低位热能(如空气、土壤、水中所含的热量)转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能(如煤、燃气、油、电能等)的目的。
4.发明人发现，现有的空气源热泵在进行优化控制时，或者单纯的进行成本控制而不考虑对室内温度波动的影响，或者单纯的进行室内温度控制而缺乏有效的成本控制；同时，现有的空气源热泵在进行优化时没有考虑到相变材料在具体应用中的影响，无法同时获取左右的相变材料配置数量。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种空气源热泵负荷优化方法及系统，实现了楼宇室内温度、运行成本、相变材料数量三者的平衡优化控制，在保证成本最低的同时，提高了楼宇室内温度控制的稳定性，有效的避免了室内温度大范围波动。
6.为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
7.本公开第一方面提供了一种空气源热泵负荷优化方法。
8.一种空气源热泵负荷优化方法，包括以下过程：
9.获取空气源热泵机组的运行参量数据；
10.根据获取的参量数据，以相变材料的成本与控制时段内运行成本之和最低为目标，得到最优相变材料配置数量和最优的空气源热泵开启数量。
11.本公开第二方面提供了一种空气源热泵负荷优化系统。
12.一种空气源热泵负荷优化系统，包括：
13.数据获取模块，被配置为：获取空气源热泵机组的运行参量数据；
14.负荷优化模块，被配置为：根据获取的参量数据，以相变材料的成本与控制时段内运行成本之和最低为目标，得到最优相变材料配置数量和最优的空气源热泵开启数量。
15.本公开第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的空气源热泵负荷优化方法中的步骤。
16.本公开第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的空气源热泵负荷优化方法中的步骤。
17.与现有技术相比，本公开的有益效果是：
18.1、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，实现了楼宇室内温度、运行成本、相
变材料数量三者的平衡优化控制，在保证成本最低的同时，提高了楼宇室内温度控制的稳定性，有效的避免了室内温度大范围波动。
19.2、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，充分利用空气源热泵负荷及相变材料的蓄热/冷特性，根据峰谷电价实现空气源热泵负荷优化运营，使运行周期内运行成本的相变材料配置成本之后费用最低。
20.3、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，分析了空气源热泵负荷和利用相变材料蓄热/冷的空气源热泵机组群供暖/冷工作原理，并建立了空气源热泵负荷用电模型，能够准确描述空气源负荷电功率与所属建筑物楼宇室内温度之间定量关系。
附图说明
21.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
22.图1为本公开实施例1提供的空气源热泵负荷优化方法的流程示意图。
23.图2为本公开实施例1提供的电网峰谷电价示意图。
24.图3为本公开实施例1提供的不考虑相变材料存在时优化运行策略示意图。
25.图4为本公开实施例1提供的最优相变材料量配置示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
27.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
28.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
29.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
30.实施例1：
31.如图1所示，本公开实施例1提供了一种空气源热泵负荷优化方法，包括以下过程：
32.获取空气源热泵机组的运行参量数据；
33.根据获取的参量数据，以相变材料的成本与控制时段内运行成本之和最低为目标，得到最优相变材料配置数量和最优的空气源热泵开启数量。
34.具体的，包括以下内容：
35.多组同型号的热泵机组一般并联使用，构成热泵机组群。对热泵机组群进行自动化控制：当房间内热量使用少时，可以通过控制只使用部分热水泵机组而把其他关闭。当房间内热量使用较多时，可以把热水泵机组全部开启。在空气源热泵系统中配置相变材料蓄冷/热装置，增加空气源热泵系统的蓄热/冷能力。
36.空气源热泵先把水制热成50℃/7℃左右的热/冷水，然后通过水泵经水管路输送到各个房间，与室内进行热交换，达到制热/冷目的。楼宇房间内温度做出小范围改变不会
明显影响用户温度舒适性，由于水和建筑物热惯性时间常数较大，因此可以存储大量热量，能够实现空气源热泵启停(用电)状态与室内目标温度之间的解耦。
37.相变材料是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。基于相变材料的潜热储存具有储热密度高、放热过程温度近似恒定、结构简单、成本低等优点。配置相变材料的储热装置将进一步增加空气源热泵系统的蓄热/冷能力，促进电热解耦。根据峰谷电价优化热泵负荷出力曲线，将使空气源热泵供热/冷负荷费用成本大为降低。
38.s1：建立基于相变材料蓄冷/热的空气源热泵负荷模型
39.空气源热泵j的制热/冷效率，即空气源热泵电功率与制热/冷量之间关系，可表示为：
40.q
ej
＝cop
j
q
hpj
ꢀꢀꢀ
(1)
41.式中：q
ej
和q
hpj
分别表示空气源热泵j的电功率和制热/冷量；cop
j
为制热/冷能效比，表示空气源热泵负荷j单位功率下的制热/冷量。
42.根据热力学第一定律，空气源热泵出水温度随时间t的变化可表示为：
[0043][0044]
式中：t
e
表示空气源热泵出水温度(℃)；c
e
表示空气源热泵出水热容(j/℃)；k
w
＝cv是热/冷冻水的热导(w/℃)；c是热/冷冻水的比热容(j/℃
·
kg)；v是热/冷冻水的流量(kg/s)；s
j
表示热泵j的启停状态：开启时为1，关闭时为0；n表示非变频热泵机组的台数。
[0045]
根据热力学第一定律，空气源热泵回水温度随时间t的变化可表示为：
[0046][0047]
式中：t
b
表示空气源热泵回水温度(℃)；c
b
表示空气源热泵回水热容(j/℃)；q
ex
是热/冷冻水与房间的热交换功率(w)。
[0048]
热/冷冻水与末端房间的冷冻水与室内热量交换满足：
[0049]
q
ex
＝k
air
‑
water
(t
i
‑
t
e
)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0050]
式中：t
i
是室内平均温度(℃)；k
air
‑
water
是热交换热导(w/℃)。
[0051]
相变材料蓄冷/热能力可以等效为楼宇的热容，室内平均温度变化可以用热空间模型描述：
[0052][0053]
式中：k
air
和c
eq
分别末端房间的热导(w/℃)和基于相变材料蓄冷/热的楼宇热容(j/℃)；t
o
是室外温度(℃)。
[0054]
s2：建立基于峰谷电价的空气源热泵负荷优化运营模型
[0055]
s2.1：峰谷电价
[0056]
峰谷电价是指高峰用电和低谷用电分别计算电费的一种电价制度，高峰用电收费标准高，低谷用电收费标准低。峰谷电价制度能充分发挥价格的经济杠杆作用，使用电单位错开用电时间，调动用户削峰填谷、均衡用电的积极性，促进充分利用设备和能源。我国很多地区在执行峰谷电价制度，峰谷电价之间甚至接近3倍。以某地电网为例，峰谷电价如图2
所示。
[0057]
s2.2：空气源热泵负荷优化运营模型
[0058]
s2.2.1：未配置相变材料蓄冷/热的空气源热泵负荷优化运营模型
[0059]
基于峰谷电价的空气源热泵负荷优化运营模型追求空气源热泵运行过程中电费花费最低，优化的周期一般为24小时。在t1谷价时段，热泵开启数为p3，室内温度被抬升。在平电价t2及峰电价t3时段，适量关停热泵到p2及p1台，通过错峰以降低电费成本，如图3所示。
[0060]
优化热泵运营模型的目标函数为：
[0061][0062]
式中，f为空气源热泵负荷总费用；t为一个周期内被均分成的时段数；p
hpj
(t)为空气源热泵群功率，对于非变频热泵机组开启时为额定功率，关闭时功率为零；c(t)为分时电价；t为时段。
[0063]
满足以下约束条件：
[0064]
1)室内温度约束
[0065]
t
min
≤t
i
≤t
max
ꢀꢀꢀ
(7)
[0066]
式中：t
max
、t
min
分别为楼宇室内温度的最高、低温度限制。
[0067]
2)楼宇室内温度与空气源热泵群功率之间关系如式(1)
‑
(5)。
[0068]
s2.2.2：配置相变材料蓄冷/热的空气源热泵负荷优化运营模型
[0069]
配置相变材料蓄冷/热相当于增加了空气源热泵供暖/冷楼宇的热容，相变材料的最优配置如图4所示。
[0070]
相变材料的配置成本，如式(8)所示：
[0071]
f1＝f1(c
pt
)
ꢀꢀꢀ
(8)
[0072]
式中：c
pt
为配置相变材料的数量；f1(.)为配置相变材料的成本函数，与配置的相变材料的数量c
pt
成正比，如图4所示曲线f1(c
pt
)所示。
[0073]
配置相变材料后的运营成本，如式(9)所示：
[0074]
f2＝f2(c
pt
)
ꢀꢀꢀ
(9)
[0075]
式中：f2(
·
)为不考虑相变材料成本的空气源热泵负荷优化运营函数，如图4所示曲线f2(c
pt
)所示。当日的运营成本由s2.2.1的优化模型确定，相应的优化周期内作相应的倍乘即可，随着配置的相变材料数量增加空气源热泵负荷优化运营成本降低，当增加到一定数量之后，运营成本基本不再下降。
[0076]
不考虑相变材料成本的空气源热泵负荷优化运营函数如图4所示曲线f
op
(c
pt
)所示。基于峰谷电根据经济利益的最大化原则确定最优相变材料量配置数量，如图4可以表示为如下优化问题：
[0077]
minf
op
(c
pt
)＝f1(c
pt
) f2(c
pt
)
ꢀꢀꢀ
(10)
[0078]
如图4所示，图中c
op
即为根据经济利益最大化原则所得出的最优相变材料配置数量。
[0079]
实施例2：
[0080]
本公开实施例2提供了一种空气源热泵负荷优化系统，包括：
[0081]
数据获取模块，被配置为：获取空气源热泵机组的运行参量数据；
[0082]
负荷优化模块，被配置为：根据获取的参量数据，以相变材料的成本与控制时段内运行成本之和最低为目标，得到最优相变材料配置数量和最优的空气源热泵开启数量。
[0083]
所述系统的工作方法与实施例1提供的空气源热泵负荷优化方法相同，这里不再赘述。
[0084]
实施例3：
[0085]
本公开实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的空气源热泵负荷优化方法中的步骤。
[0086]
实施例4
[0087]
本公开实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的空气源热泵负荷优化方法中的步骤。
[0088]
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0089]
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0090]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0091]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0092]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read
‑
only memory，rom)或随机存储记忆体(random accessmemory，ram)等。
[0093]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。