一种适用于高海拔地区农村住宅中太阳能辅助热泵的天气适应控制策略：基于数据驱动的聚类与优化方法

《ENERGY AND BUILDINGS》：A weather-adaptive control strategy for solar-assisted heat pumps in high-altitude rural dwellings: a data-driven clustering and optimization approach

高原地区冬季供暖中光伏/空气源热泵系统通过天气模式聚类与PSO-HJ算法优化实现能效提升，减少83%光伏设备频繁启停，降低72.2%热泵能耗，确保极寒早晨供暖可靠性。

　　

赵磊|王迪|陈祖良|夏遵生|刘洋

西安建筑科技大学，中国西安710055

摘要

高海拔寒冷地区，如青藏高原，面临严重的空间供暖需求，但由于大气密度低，空气源热泵（ASHP）的性能会受到影响，而多变的天气条件使得固定的控制策略失效。本研究提出了一种新颖的、数据驱动的自适应控制框架，适用于西藏那曲地区典型的农村住宅中的光伏/热收集器（PV/TC）与空气源热泵（ASHP）混合系统。首先，使用K均值聚类方法将254个供暖季节内的天气模式分为17种不同的类型。系统仿真诊断出传统基于规则的控制方法存在的三个关键问题：（i）由于光照强度波动导致的光伏/热收集器频繁启停；（ii）在寒冷晴朗的日子里空气源热泵过度运行；（iii）在极端寒冷条件下早晨供暖不足。为了解决这些问题，我们开发了一种基于天气的自适应控制策略，并使用混合粒子群优化-Hooke-Jeeves（PSO-HJ）算法为每种天气模式优化了激活设定点。实验结果表明：光伏/热收集器的启停频率降低了75-83%，同时减少了72.2%的空气源热泵电能消耗；在极端寒冷条件下，早晨供暖的可靠性得到了保障，太阳能利用率也提高了6.9%。该策略的实用性在于它仅依赖于标准的天气预报和预先计算好的优化设定点表，为高海拔地区的清洁供暖提供了一种可移植且计算效率高的解决方案。

引言

西藏地区漫长的严冬和平均海拔超过4000米的特点，导致了巨大的空间供暖需求[1]。对于分散的农村居民点来说，传统的区域供暖方式并不实用，因此生物质燃烧成为主要的供暖来源[2]、[3]。然而，高海拔地区的大气氧气含量低严重影响了燃烧效率，导致有害排放物的产生，并对脆弱的高原生态系统造成压力[4]、[5]。因此，开发清洁、高效且可靠的供暖技术对于保护环境和公共健康至关重要。

青藏高原丰富的太阳辐射使得太阳能供暖系统成为一个非常有前景的替代方案[6]、[7]。特别是将光伏/热收集器（PV/TC）与空气源热泵（ASHP）结合使用的混合系统，可以最大化可再生能源的利用，提供清洁的供暖解决方案[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。尽管具有这种潜力，但由于系统运行与当地极端气候之间的根本不匹配[14]、[15]、[16]、[17]，其有效实施仍然是一个未解决的挑战。虽然简单的基于规则的控制方法（RBC）很常见，但在该地区剧烈的昼夜温差和快速变化的天气条件下却无法有效运行[15]、[18]。相比之下，像模型预测控制（MPC）这样的先进方法在资源有限的农村环境中计算复杂度过高[19]、[20]。更重要的是，现有的优化研究大多基于稳定的低海拔气候条件[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]，并未考虑到高原气候带来的组件频繁启停和太阳能利用不足等独特问题。因此，迫切需要一种针对这些环境的定制且实用的控制策略。

为了填补这一空白，本研究提出了一种新型的气候自适应控制框架，摒弃了传统的“一刀切”方法。我们的方法结合了实际操作智能和简单性。首先，我们使用K均值聚类将复杂的供暖季节天气模式分为不同的、具有代表性的类型。其次，我们模拟了这些模式下的系统性能，以诊断特定的重复性运行问题。最后，我们开发并优化了一种基于天气的自适应控制策略，其中关键设定点根据预测的天气模式动态调整，使用混合粒子群优化-Hooke-Jeeves（PSO-HJ）算法进行优化。最终得到了一张预先计算好的最优设定点表，只需基本的天气预报即可实施。

将这一框架应用于西藏那曲地区的典型农村住宅，我们验证了其有效性。分析显示，我们的自适应策略解决了三个关键问题：光伏/热收集器的频繁启停、空气源热泵的过度日间运行以及早晨供暖不足。优化后的控制策略带来了显著的性能提升，包括光伏/热收集器启停频率降低了75-83%，空气源热泵能耗减少了72.2%。本文详细介绍了这三步方法，展示了针对不同天气类型的优化控制参数，并讨论了性能提升背后的物理机制，为高海拔寒冷地区的清洁供暖提供了一种可移植的解决方案。

案例研究建筑描述

选择西藏那曲地区一栋新建的两层农村住宅作为案例研究建筑。该建筑的主立面朝南，总面积为128平方米，布局如图1所示。建筑围护结构的构造及其相应的热性能在表1中详细说明，符合当地的能效标准（挤塑聚苯乙烯泡沫是一种高效的热绝缘材料）[29]、[30]。该建筑需要持续的空间供暖。

针对目标天气类型的优化控制参数

表7展示了通过PSO-HJ优化得到的每种目标天气类型的关键控制参数（ΔT、T_stop、T_start）的最优值及其默认值。

整体性能提升

自适应优化成功解决了三个关键运行问题，量化结果总结在表7中，并在图13中进行了可视化对比。

为了减少光伏/热收集器的频繁启停，将ΔT从5°C增加到8°C（类型8）和10°C（类型9），使得启停次数减少了83%

性能提升的机制

第3节中报告的显著性能提升可归因于以下物理和控制机制。

结论

本研究证明了在高海拔寒冷地区，针对太阳能辅助热泵系统的天气自适应控制的必要性和有效性。主要发现和贡献总结如下：

（1）气候自适应优化框架：我们开发了一种实用的数据驱动框架，利用天气模式聚类来诊断系统故障并推导出针对不同气候模式的优化控制规则，为多变的气候条件提供了一种可移植的方法。

（2）问题的解决...

CRediT作者贡献声明

赵磊：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念构思。王迪：撰写 – 原稿撰写，软件开发，形式分析，数据整理。陈祖良：撰写 – 原稿撰写，验证，软件开发，方法论研究。夏遵生：撰写 – 原稿撰写，可视化设计。刘洋：验证，数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2022YFC3802701-01）的支持，该项目属于“太阳能丰富地区的零碳建筑技术路径与设计方法”主题，属于“十四五”规划期间。