学术研究丨实现水力平衡与需求响应协同的分布式变速泵系统单自由度控制方法

论文解读

冷冻水输送是传统阀门调节式HVAC系统能耗的重要组成部分。虽然分布式变速泵（DVSP）系统通过用泵替代阀门消除了节流损失，但其多自由度控制面临一个核心矛盾：恒定流量运行缺乏需求响应能力，而需求调节又会因终端间流量分配不均导致水力失衡。尽管现有优化算法可以解决此矛盾，但它们计算复杂，难以轻量化部署。为应对这一根本性挑战，本研究开发了一种新颖的单自由度协调控制策略。该方法的核心创新在于其显式的白箱算法，能将复杂的多自由度问题有效地简化为通过单一基准输入直接确定所有泵的转速。这显著区别于传统黑箱优化方法固有的计算复杂性。所提出的方法本质上确保了水力平衡，同时也为集成需求响应提供了一个天然的接口。通过对上海浦东国际机场整个供冷季的全面现场实测，该算法表现出超过99.7%的预测精度，从而证实了其在实际大型基础设施应用中的可行性和直接适用性。此外，高保真仿真进一步证实，所提策略在各种系统工况下能保持优异的温度稳定性，将水力失衡率限制在1.2%以下，并实现相较于传统控制模式平均32.5%和13.1%的显著节能。本研究提出了一个统一且可扩展的控制框架，显著提升了DVSP系统的水力稳定性和能效。该成果发表在中科院一区期刊《Energy》，影响因子为9.4，论文第一作者为课题组在读博士生郭炜辰，指导老师为叶蔚副教授。

论文信息

研究背景

随着社会经济的发展，飙升的能源消耗导致资源短缺和环境问题日益严峻，其中建筑能耗在全球能源使用中占据显著比例（可达35%-40%）。HVAC系统能耗随着生活水平和工业过程要求的提高而持续增长，通常超过建筑总能耗的三分之一，因此优化其能效对降低整体能源需求至关重要。

在HVAC系统中，冷冻水分配系统负责输送和分配冷量，既是关键环节，也是能耗大户，但相比其他部件获得的研究关注相对有限。目前主流系统仍采用传统中央循环泵系统，其流量调节主要依赖控制阀门，运行中的巨大阻力导致大量能量浪费（阀门能耗约占总泵耗30%），并且存在远近端水力失衡问题，影响环境控制并增加能耗。

为解决这些问题，利用末端变频泵替代控制阀的分布式变速泵系统日益受到关注。DVSP系统在区域供热、供冷和HVAC网络中能显著提高能效，研究表明可降低循环泵电耗30%-50%，在部分负荷下节能潜力尤其突出，同时有助于改善水网水力平衡。然而，DVSP系统在节能的同时也带来了更复杂的水力工况。研究表明，对所有泵实施恰当的转速控制对确保系统最优性能至关重要。在DVSP系统中，恒定流量模式虽能保持水力平衡但无法响应需求，而温度反馈模式虽能实现需求响应却会导致严重的水力失衡和流量分配不均。这一矛盾源于分散泵速调节固有的多自由度控制问题。为解决此难题，研究转向高级协调控制策略，但其通常计算密集、泛化能力有限且成本高，阻碍了轻量化部署。针对具有多并行末端的大型空间DVSP系统，本研究开发了一种单自由度协调变速算法，从根本上规避了MDoF优化的复杂性，提供了一种基于流体动力学理论的显式白箱解决方案。

研究结果

研究专注于为工业厂房等多末端大型空间的冷冻水DVSP系统开发控制框架和算法。通过提出单自由度均匀流量变速算法、在上海浦东国际机场进行现场实测以及基于Modelica进行系统仿真，本研究建立了一种能同时解决DVSP系统水力平衡和能效提升的控制策略。本研究的结果可应用于DVSP系统的高效控制和节能运行。具体发现如下：

(1) 基于流体动力学理论，开发了一种用于实现均匀流量的单自由度协调变速控制算法。该算法能够基于基准转速显式计算各末端泵为实现均匀流量所需的转速，从而减轻与分布式PID控制相关的振荡。此外，通过将基准转速作为需求响应接口，建立了均匀流量需求响应控制算法。这种集成方法同时实现了均匀流量分配和末端需求响应。

(2) 对上海浦东国际机场T1航站楼出发大厅空调系统中的一段DVSP系统进行了现场实测。收集并分析了包括流量、扬程和转速在内的运行数据。利用实测数据验证了所提出的单自由度协调变速均匀流量控制算法。结果表明预测精度超过99.7%，证实了算法的有效性。

(3) 使用经过验证的Modelica模型和新开发的控制算法组件，对5分支DVSP系统进行了高保真仿真，比较了三种控制模式：恒定流量、温度反馈和提出的均匀需求响应。结果表明，在相同的负荷波动以及不同的摩擦和末端阻力系数下，所提出的均匀DR控制框架能保持室温稳定，将流量不平衡率控制在1.2%以下，并实现最低能耗。在设计条件下，相较于传统的CF和TF控制模式，其节能率分别达到33.11%和13.15%。更重要的是，对不同系统阻抗的统计分析表明，该策略相较于CF模式平均节能约32.5%（标准差±2.8%），相较于TF模式平均节能约13.1%（标准差±0.3%），表明其性能稳健，尤其相对于TF基线。此外，这些节能率随着系统阻力和流量的增加而进一步提高。

局限性与未来研究方向

本研究证明了SDoF策略在其界定范围内的有效性，但仍需承认若干局限性以明确其适用边界。这些局限性也为未来研究提供了方向。

(1) 所提出的控制策略及其验证主要针对服务于需要均匀流量分配的多相同末端的大型空间（如机场大厅或工业厂房）的HVAC系统。其在具有高度多样化分区且需要完全独立、异步控制末端的建筑（常见于办公或混合用途建筑）中的性能和直接适用性需要进一步研究。

(2) 当前的SDoF框架侧重于通过末端泵的同步调速实现水力平衡，有效缓解了所研究背景下的泵间干扰。然而，在异步运行条件下（即一个支路的调速会水力影响其他支路运行），DVSP系统中的泵间干扰这一重大挑战已被认识到，但未在当前控制范式内明确解决。制定管理此干扰的策略仍是未来工作的关键任务。

(3) 本工作的优化范围仅限于末端泵的协调。对于更复杂的大型分配系统，例如工业园区中的系统，通常存在包含源侧泵、分配泵和末端泵的三级泵网络。本研究未探索将提出的末端级SDoF控制与上游泵站运行相协调的全局最优控制策略，而这对于最大化全厂系统的整体能效至关重要。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.energy.2026.140045