项目介绍 | TRNSYS-Python基于制热量与热负荷平衡约束下的水泵最佳运行频率求解.

2026-08-20 10:21:25

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一、项目背景

随着集中供热系统规模不断扩大和用户用热需求的日益多样化，供热系统的运行控制正面临更高的要求。在实际运行中，末端用户的热需求并非恒定不变，而是受室外气象条件、建筑围护结构热惰性、使用时段、用户行为模式等多种因素影响，呈现出明显的动态波动特征。如何在末端热需求动态变化的情况下，保证系统供给的制热量能够及时、精准地与之匹配，是供热系统运行控制中的核心难题。

传统运行方式下，水泵频率往往依据人工经验或固定调度方案设定，缺乏对末端实际需求变化的实时响应能力，这种做法容易导致两种不利情况：

（1）供热量大于实际需求，造成能源浪费和过供热；
（2）供热量不足，影响用户舒适度和供热质量。

无论哪种情况，都意味着水泵运行频率并非当前工况下的最优选择，系统整体能效存在进一步优化的空间。

基于以上问题，本项目以“供需平衡”为约束条件、以“水泵频率寻优”为核心目标的动态调控策略。利用TRNSYS软件对各运行水泵的最佳运行频率进行求解。基本控制调节思路为：在保证系统总制热量与末端实时热需求保持一致的前提下，针对不同热负荷需求，自动探索各水泵的最优运行频率组合，使系统在满足供热品质的同时，尽可能降低输配能耗，提升综合运行效率。

二、系统描述

该系统以地下热水为主要热源，通过一级板换提取热量并汇集至集水器，再经两级热泵逐级梯次提升温度后送入分水器，最终经由三级板换向热用户末端供热，形成以热泵为主体的高效基载运行模式；同时配置锅炉与四级板换作为调峰备用，当极端严寒或地热出力不足时，锅炉产生的高温热水经四级板换对供热循环水进行二次补热或混水提温，从而确保极端工况下的供热稳定性。整套系统实现了“地热基载、热泵主调、锅炉峰调”的多热源梯级利用与安全冗余，兼顾了全年运行的经济性与可靠性，系统原理图如下所示：

在该多热源耦合系统中，末端热负荷实时动态波动，因此水泵最佳运行频率并非固定值，而是一个随负荷变化的动态寻优目标。如地热水提取（P1、P2）、两级热泵耦合输配（P3、P4）、调峰侧切换（P5、P6）到末端热量释放（P7、P8），因此所有水泵的最佳频率必须为相互耦合的全局变量进行协同寻优。

这一寻优的核心意义在于：通过精准匹配流量与温差，在满足末端热量输送的前提下实现能耗最低，同时协调各水流量使系统始终维持在高能效区间，避免为单纯节能而牺牲系统制热性能；更重要的是，动态最佳频率能调节地热与热泵的基载出力，从而将锅炉调峰向后推移，最大化减少一次能源燃料消耗。

本质上，该寻优是在能耗、能效与成本三者间实现实时动态平衡，直接决定了系统从“常规工况”滑向“调峰工况”的临界点，是推动整个梯级利用系统从粗放运行走向智慧运行、充分挖掘地热资源全周期利用率的关键技术。

三、模型描述及优化算法逻辑

3.1 TRNSYS仿真模型

模型技术路径：Python-TRNSYS

寻优求解器：Python

采用的特殊模块：Type207变频水泵（实现变频控制调节）
TRNSYS频率输入型Type207水泵模块，流量调控更精准

3.2 寻优求解逻辑

整个求解逻辑分为四个核心阶段：

1. 独立样本生成阶段

为了确保各台水泵的运行状态相互独立、不出现“数据完全重合”的失真现象，算法在仿真初始阶段利用蒙特卡洛随机采样思想，生成了N组（如3组）完全不同的“基础频率矩阵”。

在此后的寻优中，算法不再同时调节8个独立的水泵频率，而是引入了一个标量参数 global_offset。通过改变这一个变量，带动整组频率上下平移。这一步将原本复杂的8维非线性控制问题降维成了1维搜索问题。

2. 负荷跟随阶段

对于生成的每一组“基础频率”，控制器通过计算系统的实际制热量与目标负荷之间的偏差，采用动态步长二分法对global_offset进行迭代调节。

当制热量不足时，步长为正，整体提高频率；

当制热量过大时，步长为负，整体降低频率；

每次穿过零点时，步长自动减半。通过这种方式，可以在几个仿真迭代步内，迅速且稳定地使当前这组频率组合精确匹配目标负荷。

3. 极值寻优与决策阶段

控制器会依次对生成的N组随机基础频率进行上述的“负荷匹配测试”。

每当一组频率成功匹配负荷并在系统中稳定运行后，控制器会记录当前状态下的系统总能耗参数。

当所有组别测试完毕后，算法在内部进行对比，选取产生最小能耗的那组频率及其对应的平移量，作为当前负荷下的最优解，并将其激活为最终输出。

4. 自适应深度冻结阶段

为了输出平稳的控制信号，算法引入了“相对死区深度冻结”机制：当系统找到最优解后，进入“深度冻结”状态。在该状态下，控制器直接在物理层面“短路”计算过程，跳过求解器，直接向外输出上一秒的稳定数组结果。只有当外部环境发生剧烈改变，导致偏差突破该死区时，控制器才会“解冻”，并在最优解的基础上进行微调，从而彻底消除了曲线在容差边缘的微小锯齿波动。