大型建筑群复合式热泵供热供冷技术研究及规模化应用_徐伟.pdf

建设科技 59一 等 奖2022 年“华夏建设科学技术奖”获奖项目（一等奖）大型建筑群复合式热泵供热供冷技术研究及规模化应用徐伟1 李骥3 杜玉吉2 冯晓梅1 孙德宇1 钱辉金2 范蕊4 江绍辉5 张向荣6 董汝刚7 时伟8 贺继超5 白凤美6 周霖2 马宁9（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 1 0 0 0 1 3；2.中节能城市节能研究院有限公司，常州 2 1 3 0 0 2；3.建科环能科技有限公司，北京 1 0 0 0 1 3；4.同济大学，上海 2 0 0 0 9 2；5.中国中元国际工程有限公司，北京 1 0 0 0 8 9；6.北京金茂绿建科技有限公司，北京 1 0 0 0 1 2；7.青岛海尔空调电子有限公司，青岛 2 6 6 0 0 0；8.常州英集动力科技有限公司，常州 2 1 3 0 0 2；9.山东宜美科节能服务有限责任公司，济南 2 5 0 1 0 1）摘要 建筑供热供冷是社会各界高度关注的民生工程，热泵是将热能从低品位提升到高品位的高效低碳供能方式，也是国际建筑领域实现碳中和的重要途径。本项目针对大型建筑群复合式热泵供热供冷系统存在总冷热负荷动态预测方法缺失、规划设计体系不完备、系统运行能效低、关键技术和产品不配套、规模化推广难度大等问题，以提升复合式热泵系统能效、有效推进规模化应用为目标，系统性地开展了“负荷预测-优化设计-智慧运行-关键产品-标准推广”的全链条创新工作：提出了基于建筑特征、用户需求的大型建筑群供热供冷系统总负荷动态预测方法，开发了冷热动态负荷特征因子数据库和建筑群负荷集合寻优工具；提出了一种多场景复合式热泵系统能源总线架构理论，建立了仿真平台及综合评价体系，形成了系统容量弹性配置方法；建立了数字孪生复合式热泵系统模型，提出分层控制架构和预测方法，建立了智慧优化运行控制体系；研发了大型复合式热泵系统的关键技术和成套产品；制定了相关工程标准。相关研究成果实现了规模化稳定高效利用可再生能源供热供冷的技术突破，对推进建筑用能方式变革和实现建筑领域国家双碳战略起到重要支撑作用。关键词 热泵；供热供冷；建筑群；负荷预测；分层控制；混合优化算法；容量弹性配置；多能耦合Research and Application of Hybrid Heat Pump Heating and Cooling Technology for Large-scale Buildings ComplexXu Wei1,Li Ji3,Du Yuji2,Feng Xiaomei1,Sun Deyu1,Qian Huijin2,Fan Rui4，Jiang Shaohui5,Zhang Xiangrong6,Dong Rugang7,Shi Wei8,He Jichao5,Bai Fengmei6,Zhou Lin2,Ma Ning9(1.China Academy of Building Research,Beijing,100013;2.CECEP City Energy Conservation Co.,Ltd.,Changzhou,213002;3.Institute of Building Environment and Energy,Beijing,100013;4.Tongji University,Shanghai,200092;5.China IPRR International Engineering Co.,Ltd.,Beijing,100089;6.Beijing Jinmao Green Building Technology Co.,Ltd.,Beijing,100012;7.Qingdao Haier Air Conditioning Electronics Co.,Ltd.,Qingdao,266000;8.Changzhou Engipower Co.,Ltd.,Changzhou,213002;9.Shandong Yimeike Energy-saving Service Co.,Ltd.,Jinan,250101)Abstract:Building heating and cooling is a livelihood project highly concerned by all sectors of society.Heat pump is an efficient and low-carbon energy supply way to improve heat energy from low grade to high grade,which is also an important way to achieve carbon neutral in the international building field.For the hybrid heat pump in the large-scale buildings complex,there are some existing problems such as the lack of dynamic prediction method for the total cooling and heating load,incomplete planning and designing systems,low energy efficiency of system operation,mismatch of key technologies and product and the difficulty of large-scale promotion.The objectives of this project are improving the efficiency of the hybrid heat DOI:10.16116/ki.jskj.2023.11.01260 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊pump systems and promoting its application in large scale.The project systematically carries out innovation work along the chain of load prediction-optimised design-intelligent operation-key products-standard promotion.A dynamic prediction method for the total load of heating and cooling system in large-scale buildings complex based on building characteristics and user needs is proposed,the database of characteristic factors of dynamic heating and cooling load and the optimization tool of buildings complex load collection are developed.An energy framework theory of multi-scenarios compound heat pump system is proposed,the simulation platform and comprehensive evaluation system are established,and the elastic configuration method of system capacity is formed.The digital twin compound heat pump system model is established,the hierarchical control structure and prediction method are proposed,and so as the intelligent optimal operation control system.The key technologies and complete sets of products of large-scale building complex heat pump system have been developed,and relevant engineering standards have been formulated.Relevant research results have achieved technical breakthroughs in the large-scale,stable and efficient use of renewable energy for heating and cooling,which plays an important supporting role in promoting the reform of building energy use mode and realizing the national Dual Carbon Strategy in the construction field.Keywords:heat pump,heating and cooling,buildings complex,load prediction,hierarchical control,hybrid optimization algorithms,capacity elastic provisioning,multi-energy coupling建筑供热供冷是社会各界高度关注的民生工程，热泵是将热能从低品位提升到高品位的高效低碳供能方式，也是国际建筑领域实现碳中和的重要途径。大型建筑群复合式热泵系统是以热泵为主，与太阳能、地热能等可再生能源及燃气锅炉等常规热源进行耦合，克服了单一热泵系统源侧热流密度低、波动大、初投资高的问题，具有高能效、高保证率、有效与电网协同等优势，实现安全、稳定、经济、高效供热供冷。然而，大型建筑群复合式热泵供热供冷系统存在总冷热负荷动态预测方法缺失、规划设计体系不完备、系统运行能效低、关键技术和产品不配套、规模化推广难度大等问题。为攻克上述难题，本项目“产学研用”深度融合，以大幅度提升复合式热泵系统能效、有效推进规模化应用为目标，系统性地开展了“负荷预测-优化设计-智慧运行-关键产品-标准推广”的全链条创新工作，建立了大型建筑群复合式热泵规模化应用的技术体系，实现了规模化稳定高效利用可再生能源供热供冷的技术突破，对推进建筑用能方式变革和实现建筑领域国家双碳战略起到重要支撑作用。1 提出大型建筑群动态冷热负荷预测方法及数据库，为系统规划设计提供精准快速的基础工具项目组提出了基于建筑特征、用户需求的大型建筑群供热供冷系统总负荷动态预测方法，克服了规划设计方案采用传统静态指标法导致冷热源设备选型过大的缺陷；建立了覆盖我国全部气候区和典型类型的建筑动态负荷理论计算模型，开发了适用于不同气候区、不同建筑类型的冷热动态负荷特征因子数据库和建筑群负荷集合寻优工具，系统地解决了大型建筑群供热供冷系统规划设计方案总负荷动态预测不准确、计算周期长的难题（见图12、表1）。图1 典型建筑3D模型 图2 34个典型城市2 创建系统容量弹性配置方法与联合仿真平台，为系统工程设计优化提供理论依据和技术方案项目组提出了以低品位热源为核心的多场景复合式热泵能源总线架构理论；建立了基于数据驱动的复合式热泵系统仿真平台，构建了多维度指标的综合评价体系；将动态模拟仿真技术与粒子群-虎克捷夫混合优化算法相融合，建立了基于敏感