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，建立了基于敏感性分析的系统容量弹性配置方法；研究成果为复合式热泵系统的工程设计提供了理论基础和优化方法（见图34）。3 构建复合式热泵系统智慧优化运行控制体系，提高系统实际工程应用运行能效基于管网热工机理与和设备特性辨识，建立全工况、全周期、多能流耦合一体化复合式热泵系统模型，利用数字孪生技术，在三维数字时空下将复合式热泵系统运行参数、用户需求等信息实时精准映射到运行调控系统；提出复合式热泵系统的分层控制架构和动态需求预测方建设科技 61一 等 奖表1 单位建筑面积冷热负荷指标表（单位W/m2）序号省/直辖市 城市名称办公酒店商业文化场馆医院学校住宅建筑公寓冷热冷热冷热冷热冷热冷热冷热冷热1黑龙江严寒B-哈尔滨7080556595909892709042854654 2新疆严寒C-乌鲁木齐757560651028510887768545804452 3北京寒冷B-北京855475501206012565956055583238 4宁夏寒冷A-银川755665551056210865806245603440 5上海夏热冬冷-上海100548652135581426110860725668447850 6广东夏热冬暖-广州12511015516012095901007云南温和-昆明75701051107548图3 复合式热泵系统仿真平台图4 综合评价指标体系图5 “数字孪生”建筑智慧能源管控平台架构图图6 复合式热泵系统分层控制架构法，结合粒子群、神经网络的多参数混合优化算法，形成了智慧优化运行控制体系（见图56）。4 研发大型复合式热泵系统的关键技术和成套产品，为大型建筑群复合式热泵系统规模化应用奠定基础研发了大型复合式热泵系统的关键技术和成套产品，主要包括：多能耦合、供需联动的供能子母站技术，分布式输配与主动式平衡的管网协同寻优调控技术，大容量多工况磁悬浮热泵机组、智能化大功率双级涡旋热泵机组、低温大容量双机头串联热源塔热泵机组，源侧热能采集装置、弹性蓄能装置，大幅度提升系统能效，扩大了供能范围，为热泵规模化应用奠定了基础（见图7）。5 主编工程建设标准，跟踪测试和运行优化工程项目，保障复合式热泵系统规模化应用质量主编国标可再生能源建筑应用工程评价标准、国标地源热泵系统工程技术规范、行标蓄能空调工程技术标准、团标 区域供冷供热系统应用技术规程62 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊等系列工程标准，形成规划、设计、运行及测评全过程技术体系；支撑国家相关政策制定，有力保障了复合式热泵规模化应用质量和节能减碳效果。开展了1500万m2复合式热泵工程的长期跟踪测试和运行优化，实测系统供热性能系数达到3.55.2，较常规供热效率提高30%以上，节能效果显著（见图8）。图8 贵阳中天未来方舟可再生能源集中供能系统项目现场测试6 应用与未来前景本项目研究过程中，授权发明专利30项、实用新型80项、软件著作权20项，出版专著10部，发表高水平论文80余篇；相关成果及项目获中国建筑学会科技进步一等奖、国家首批绿色生态示范区、中国建筑学会优秀工程设计一等奖、北京市优秀工程勘察设计一等奖等荣誉；由中国建筑节能协会组织，经王浚院士为主任的委员会鉴定，成果达到国际领先水平。截止2021年底，在北京、河北、山东、陕西、贵州、重庆、江苏、浙江、湖南、广西等地区开展数百项大型建筑群复合式热泵供热供冷项目，总面积达1.1亿m2，累计投资达212亿元，经多年监测，项目运行效果良好，重点项目包括北京城市副中心政务区、北京大兴国际机场、冬奥会延庆赛区、雄安新区市民中心、贵阳中天未来方舟等。预计未来10年，大型建筑群复合式热泵供热供冷技术规模化应用5亿m2以上，将形成近1000亿元经济效益，年减排二氧化碳约630万吨。图9为重大、重点工程应用。（a）北京大兴国际机场（b）贵阳中天未来方舟图9 重大重点工程应用 （1）磁悬浮热泵机组 （2）低温大容量双机头串联热源塔热泵机组 （3）在线反冲洗成套装置取能技术图7 大型复合式热泵系统的关键技术和成套产品C