单赤峰富龙热力有限责任公司 内蒙古赤峰 024000
摘要：文章主要针对改进的热泵供暖系统动态实时优化策略进行了系统研究，先介绍了热泵供暖系统建模，随后介绍了优化命题创建和解题策略，最后介绍了热泵供暖过程优化控制意义，希望能给相关人士提供有效参考。
关键词：热泵；供暖系统；实时优化策略
引言：随着时代发展，能源危机逐渐成为威胁整个世界发展的主要挑战，控制暖通空调系统运行能耗对于社会持续发展具有重要意义。而建筑空调系统能耗在消耗电力总和中大概占据65%以上，在全世界范围耗电总量中占据10%到15%。通过系统研究热泵供暖系统动态实时优化策略，对控制能耗具有重要意义。
一、热泵供暖系统建模
空气源热泵供暖相关运行原理具体如下图所示：
.png)
图 1 热泵供暖图
热泵供暖系统借助压缩做工方法能够吸收空气内部能量，从而导致热泵工质整体温度不断提升，热泵工质主要通过传热的方式把热量传递至热泵进水当中，促进热泵内部进水温度从Twr提升至Tws。在结束加热处理后，水泵内部水分主要经过循环水泵传输至用户地暖设施内，能够为用户室内提供热量支持，促进供热回水顺利返回蓄水箱内。蓄热水箱中的出水温度符合以下方程：
.png)
在上述公式中mw代表供热操作中管道内部流量，而Twr以及Tws分别代表回水温度和送水温度，而P则Cw分别代表水箱内部热水的密度和比热容。其中Vt则表示蓄热水箱整体容积。
热泵供暖系统主要通过对运行频率进行控制来调控热泵压缩机运行功率，即热泵的输入功率，从而对热泵供水温度进行控制。在环境温度产生一定波动变化条件下，因为建筑相关散热损失也产生一定变化。所以在热泵供暖系统维持稳态运行条件下，所提供热量和散发的热损失相比处于同等状态。对于热水输送泵来说，处于恒压稳定供水状态下，系统相关功率消耗和对应机械效率、输出流量以及输出压头之间存在一定联系[1]。
从热泵压缩机角度分析，在热泵压缩机相关操作频率开始出现变化后，压缩机不但会出现转速变化，同时相关吸气效率也会呈现出某种非线性变化形式。而研究结果证明，变频压缩机整体功率变化可以通过定频状况下的运行效率和运行功率进行合理计算。处于定频条件下，压缩机功率如下方程所示：
.png)
在上述公式中Wloss代表机械过程所形成的能耗损失，而Wt则代表压缩机的轴功率。压缩机在实际运行中的吸气量和对应吸气效率之间存在一定联系。
二、优化命题创建和解题策略
假设室内温度设定目标数值是TZ，REF，而室内实际平均温度为TZ（T），而主要控制目标便是确保室内实际温度尽量贴合设计目标温度值，同时系统整体运行中的能耗成本相对较低。为此需要创建相应的目标函数式，结合环境中的温度变化以及电价变化等因素考虑，拥有二十四小时周期特性，可以将区间确定为[0，24]。结合热泵蓄水箱整体热惯性因素分析，在优化约束中应该适当融入系统状态约束，定义状态TT=[TWSTWRTFTZ]T，则在优化操作中的终止时刻以及开始阶段，相关系统状态应该满足
TT（0）=TT（24）
此外还需要满足相应的边界约束条件
TTTB≤TT（t）≤TTub
涉及到室内环境关于温度舒适性方面的要求，应该额外加入其它约束条件
.png)
系统内操控变量便是热泵压缩机的操作运行频率以及送水泵的操作运行频率，而和其相对应的便是压缩机输出功率以及输水泵的运送流量。为了针对上述动态优化问题进行合理求解，需要针对状态变量、环境参数变量以及控制变量实施离散化处理，从而把二十四小时合理离散成nd个子区间，控制变量的连续轨线主要包括各种子区间控制变量构成，对应模型参数和环境参数能够进一步离散成nd个。相关优化命题属于非凸形式非线性动态优化内容，很难直接进行求解工作。为此主要选择有限元配置方式下的联立求解方法对微分方程进行合理解析，将其离散成代数方程，随后通过NLP大规模求解器实施求解工作。
在利用离散配置方法，通过微分代数方程对优化命题转化成大规模非线性规划问题进行描述过程中，可以选择IPOPT相关大规模优化解析器实施合理优化求解。因为在对未来24小时的环境温度实施预测过程中无法确保预测准确性，而其中的模型参数扰动和参数变化还会直接影响优化控制轨线和求解工作，为此在研究中借助非线性预测控制方法，联合操作优化，通过动态优化策略对最优操作进行实时调整，相关求解计算流程如下：首先给出未来发展中二十四小时内不同时间段的温度预测数值，并对模型参数进行实时检测。并对原优化命题进行有效求解，能够得到未来24小时内压缩机最优送水泵运行频率以及压缩机操作频率轨线，认真按照当下时间最优压缩机操作频率以及送水泵操作频率运行。接着，持续在下一阶段创新模型参数和环境温度预测参数，通过对原优化命题实施合理求解得到最优控制轨线，认真按照当下时间点最优控制方案执行。以此类推，直到24小时为止。为此需要对原动态优化命题nd次进行合理求解，在每次对动态优化命题实施求解过程中，需要赋予适合的变量初值。选择先模拟后优化的执行策略，在每次操作和优化求解前，率先给出环境变量预测值、状态变量初值以及符合约束条件的变量控制值，随后逐一针对子区间和有限元实施模拟求解，利用nd×nef次模拟进行求解操作，从而得到优化命题求解中所需的基础所有初值[2]。
三、热泵供暖过程优化控制意义
针对热泵整个供暖活动过程实施全面优化控制对于节约能源、降低能耗具有重要意义。结合从前研究模型并不完善的发展特征分析，且没有意识到模型参数变化性和环境温度不确定性对于系统动态实时优化影响。此次研究中，以健全热泵供暖系统模型，合理创建水泵频率、热泵压缩机操作频率以及功耗之间操作关系的条件下，以24小时为基础周期，给出拥有终端状态约束热泵供暖动态优化这一基础命题，同时对实时动态优化提出有效的实施方案以及求解策略。联系电价、环境温度等周期性特征进行综合考虑，把二十四小时进一步划分为数个子区间，通过持续实施环境温度和模型预测更新、优化命题求解以及当下最优控制实现，促进系统实现动态实施的优化操纵，提升整体优化效果，满足温度状态终端的约束条件。为了提高优化求解效率，改善优化求解稳定性，提出逐步模拟得到优化求解初值方法。而相关结果证明，此次提出策略，在不能准确预测模型参数以及环境温度变化条件下，能够改善热泵供暖系统整体节能优化操作效果。但假如没有实施动态实施优化，单纯借助最优控制轨线实施控制工作，便会导致节能效应无法满足预期目标，出现各种问题。而借助优化求解策略能够快速、稳步实施优化求解工作。同时此优化策略能够顺利求解得到拥有长时域和周期性终端约束动态优化问题。通过此次研究热泵供暖系统动态实时优化策略，对于热泵供暖系统全面优化操作，节约运行成本具有重要意义。
结语：综上所述，在新时期发展背景下，为了迎合节能优化的发展目标，联系建筑动态特征的空调系统和热泵优化控制逐渐成为当下研究人员的主要关注内容。通过研究热泵供暖系统动态实时优化策略，考虑模型参数和环境温度变化，形成动态优化策略，创新优化控制轨线，提升系统运行节能效果，减少能耗浪费。
参考文献：
[1]王汝金，袁旭东.蓄热温度对水蓄热型空气源热泵系统供暖经济性的影响[J].制冷与空调，2021，21（02）：33-37.