基于公交车电压波动的直流热泵全球温度控制方法，旨在实现与建筑集成光伏系统的协同运行

《Renewable Energy》：Fluctuated Bus Voltage Based Global Temperature Control of a DC Heat Pump for integration with Building-integrated Photovoltaic System

直流热泵系统在光伏建筑一体化中的电压波动补偿与温度控制策略研究。通过实际建筑数据分析提出基于电压波动的全局温度控制策略，优化光伏与热泵协同运行，实现加热季21.88%和冷却季13.26%的能耗降低，同时保障室内热舒适度。

　　

李一林|王天航|卢浩|卢阳|孙杰|王欣

上海科技大学环境与建筑学院，中国上海200093

摘要

建筑集成光伏系统经常面临母线电压波动的问题，这可能会影响建筑内设备的运行和室内热环境。热泵系统具有为建筑集成光伏系统提供灵活且有效的功率调节的潜力。为了在不牺牲室内热舒适度的条件下保持直流热泵系统的稳定运行，本文提出了一种基于母线电压波动的直流热泵全局温度控制策略。通过对实际光伏建筑的数据收集，获得了集成光伏系统的能源和负载特性。基于这些分析，提出了该全局温度控制策略，该策略根据不同的母线电压条件来设定室内温度。这种方法旨在适应光伏功率的波动，同时确保满足室内舒适度的要求。结果表明，在高太阳辐射期间，所提出的策略可以使光伏功率消耗额外增加9.29%和14.32%。它还能有效维持热泵在电压波动范围内的正常运行，确保建筑内的基本热舒适度。在供暖季节，建筑的电需求可以减少21.88%；在制冷季节，电需求可以减少13.26%。

引言

气候变化和能源危机是当今世界面临的主要问题[1]。随着全球能源需求的增长以及不合理能源使用带来的严重污染和浪费[2]，迫切需要开发新的能源应用系统，并加速能源系统向更绿色、更可持续的方向转型[3]。近年来，光伏技术的进步、持续的经济增长以及支持性的政策框架共同推动了建筑集成光伏（BIPV）的快速全球扩张，使其成为提高建筑能源效率的重要策略[4]。BIPV是指将光伏模块集成到建筑表面和结构中，从而同时实现建筑功能和能源生产功能[5]。除了提升建筑环境的美学价值外，这项技术还具有提高能源效率、减少排放和促进长期可持续性的潜力，从而对建筑性能和可再生能源利用产生积极影响[6]。与传统化石能源系统相比，BIPV减少了建筑对配电网络的依赖[7]，[8]，减轻了对城市电网基础设施的压力[9]，并显著减少了温室气体排放[10]。此外，通过促进经济发展和加强能源安全[11]，BIPV在推动全球能源转型和实现可持续发展目标方面发挥着越来越重要的作用[12]，[13]。

然而，可再生能源发电的间接性、随机性和波动性，加上建筑负载需求的不确定性[14]，给现代电力系统维持供需平衡带来了挑战[15]。这种不平衡常常导致直流母线电压不稳定，对电力设备的可靠性和安全性构成重大风险。可再生能源的主要限制在于其功率输出的间歇性和随机性[16]。在光伏（PV）系统中，长期波动由季节性变化引起[17]，而短期波动则由云层覆盖变化[18]和极端天气条件[19]导致。这些因素可能导致光伏输出出现严重波动，进而影响电力供应系统的稳定性。此外，虽然太阳能光伏产生的是直流电[20]，但传统建筑设备通常依赖交流电，需要额外的转换过程。为了提高能源效率，新兴的趋势是扩大直流电在建筑负载和设备中的直接使用。实现这一目标不仅需要在建筑内部部署合适的直流设备，还需要具备适应直流电源固有变化的能力，并能够动态调整负载需求[21]。因此，迫切需要开发适合光伏集成建筑的直流电源设备和控制策略[22]，[23]。

光伏集成热泵（HP）系统将现场太阳能发电与热能生产相结合，从而实现显著的能源节约和减少建筑相关的碳排放[24]。从系统集成和优化的角度来看，现有研究已经探索了使用先进分析方法的成本效益技术。Olympios等人[25]开发了一个随机双目标优化模型，用于选择带有储能的光伏-热泵系统，发现光伏、电池和可逆热泵的最佳组合不仅可以降低成本和排放，还能产生更加稳健和多样化的系统设计。Bae等人[26]引入了光伏/空气源热泵系统作为光伏/地源热泵系统的替代方案。类似地，Qiu等人[27]优化了光伏/地源热泵配置，以缓解光伏模块过热和土壤热不平衡问题。对于大规模应用，Andalibi等人[28]对一个建筑综合体中的光伏/地源热泵系统进行了数值评估，报告称该系统在20年运行期间的COP为2.866。除了组件级别的优化外，这些集成系统的运行性能还受到其设计和建筑集成方式的影响。Zhang等人[29]研究了一种安装在立面上的BIPV/热泵系统，表明流速和温度阈值对加热能力和运行时间有重要影响。Wang等人[30]将光伏/地源热泵面板集成在一起，以解决土壤热不平衡问题，结果显示该混合系统使COP提高了6.5%，同时保持了长期的热稳定性，并将生命周期成本降低了多达40%。

上述研究表明，光伏-热泵集成在各种建筑类型和气候条件下具有广泛的适用性，为其节能潜力和经济可行性提供了有力证据。然而，大多数现有研究侧重于系统级别的能源优化和经济可行性，而未能充分解决实时运行稳定性的关键问题。

在控制策略方面，大量研究致力于提高光伏集成热泵系统的运行效率和可再生能源利用率。Wu等人[31]表明，在空气源热泵（ASHP）中采用可变水温和流量控制可以实现24.13%的能源节约。Sang等人[32]比较了两种双源热泵的切换策略，发现基于COP的策略在能源、经济和环境性能方面优于传统的基于水箱温度的切换策略。Ma等人[33]强调了不同的光伏/热泵控制策略如何影响热泵性能，表明仔细调整控制参数可以降低总体能源消耗并提高平均COP。这些发现支持了协调光伏发电和热泵运行以改善整体系统性能的潜力。

最近，预测建模已被集成到控制框架中，以考虑在不同运行条件下的系统动态。例如，Wang等人[34]开发了一个考虑室外温度、供水温度和压缩机速度的可变频率空气源热泵性能预测模型；该模型能够在典型天气条件下实现100%的自消耗率。Wei等人[35]通过结合可变频率ASHP模型和焓图方法，开发了一个通用的结霜率预测模型。该模型能够准确预测结霜行为，初始结霜率误差在±15%以内，最大结霜质量误差为9.25%，为除霜控制优化提供了支持。

为了实现更高水平的系统智能，人工智能方法的应用日益增多。Nicoletti等人[36]开发了一个基于人工神经网络的实时最优控制器，用于协调光伏、储能、热泵和燃气锅炉的运行。Zhou等人[37]引入了一种基于贝叶斯推断的深度学习方法，用于光伏驱动热泵系统的性能预测和不确定性量化，表明考虑不确定性的预测可以提高系统设计和控制的可靠性。Wüllhorst等人[38]认为，在热泵和热储存的成本最优配置中，忽略光伏和过剩控制可以作为一种合理的简化方法。

这些发现表明，光伏-热泵集成的核心挑战不在于系统设计，而在于实时运行控制。特别是光伏发电的间歇性会导致直流母线电压波动，这可能影响系统的稳定性和设备性能。解决这一差距需要开发先进的控制策略，能够在维持热泵可靠高效运行的同时直接管理波动的母线电压。

尽管现有研究支持系统设计和经济运行，但光伏引起的直流母线电压波动如何影响热泵在热舒适度约束下的稳定性仍不清楚。当前的策略通常依赖于复杂的预测模型，并且缺乏波动的光伏供应与建筑热负载之间的直接实时联系。为了解决这一差距，本文提出了一种基于母线电压波动的全局温度控制（FBV-GTC）策略，用于BIPV系统中的直流热泵。该策略通过动态调整温度设定点，建立了光伏母线电压与室内热调节之间的直接实时联系。实际建筑数据被用来表征能源特性并确定控制阈值。与以前的方法不同，该策略直接将光伏母线电压与室内热调节联系起来，结合实际建筑数据和实用阈值，提高了稳定性、效率和可再生能源利用率，同时确保了居住者的舒适度。其新颖之处在于架起了波动的直流母线电压与热负荷管理之间的桥梁。

系统配置和案例研究建筑概述

建筑电力分配系统的示意图如图1所示。该系统集成了公用电源和建筑屋顶的光伏阵列，它们为直流母线供电。一个变压器与双向AC/DC转换器相连，便于将电力传输到直流母线。然后，该母线通过一个灵活的能源网关将电力分配给工作在750 VDC的高功率直流热泵。此外，还包括循环水等暖通空调（HVAC）组件

能源特性分析及母线电压确定

基于苏州案例建筑的计量能源数据，分析了光伏集成建筑的冷却季节的源负载能源特性。如图5(a)所示，光伏发电能够满足建筑98.5%的电力需求，仅需要1.5%的电网补充电力。在能源消耗方面，暖通空调系统是最大的消费者，占总电力使用的61.8%，其次是照明系统

结论

本研究调查了一种直流热泵系统，并提出了一种全局温度控制（GTC）策略，以应对光伏（PV）集成建筑中的母线电压波动问题。基于案例建筑数据，该策略协调了电源侧的供电和负载侧的需求，以在不同电压条件下保持热泵的稳定运行，同时满足室内舒适度要求。

首先分析了光伏发电和建筑电力消耗的季节性特征

CRediT作者贡献声明

孙杰：资源管理、项目行政、方法论。卢阳：验证、软件开发、方法论、数据分析。王欣：写作-审稿与编辑、项目行政。李一林：写作-审稿与编辑、初稿撰写、监督、方法论、资金获取、概念化。卢浩：调查、数据分析、数据管理。王天航：初稿撰写、可视化、方法论、数据管理

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了上海自然科学基金（25ZR1402388）、江苏省建筑碳中和工程技术研究中心（项目编号JZTZH2023-0201）、教育部高端设备与新能源系统智能运行工程技术研究中心（项目编号KFKT-25ERC-04）以及上海市建设委员会科学技术项目（项目编号Hu-Jian-Ke 2024-002-013）的资助。