课题组博士生郭炜辰（导师：叶蔚副教授）围绕建筑冷冻水输配系统中分布式变速泵（DVSP）的泵间干扰问题开展研究，通过图论建模、物理信息水力模型构建与实验校准、遗传算法与仿真相结合的模型预测控制，首次揭示了单泵转速变化引发的不成比例反向流量扰动及下游泵更易受干扰传播影响的机理，并提出了一种轻量化且感知干扰的控制框架。研究发现，被动响应强度与流量之间存在强烈的负线性相关性（r=-0.88）。该成果发表在中科院一区期刊《Energy》，影响因子为9.4。

论文信息

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.energy.2026.140993

研究背景

本研究背景立足于建筑能耗持续增长的宏观挑战，其中HVAC系统能耗占据显著比例，而冷冻水输配系统是其关键组成部分。传统系统普遍采用中央循环泵配合阀门进行流量调节，这种方式依赖节流，导致了可观的能量浪费。分布式变速泵（DVSP）系统被视为一种有前景的解决方案，它通过在每个末端用变频泵替代控制阀，从根本上消除了节流损失，并已在区域供热供冷及HVAC应用中展现出显著的节能潜力（可达30%-50%）和改善水力平衡的能力。

然而，DVSP系统在带来能效优势的同时，也引入了更复杂的水力工况。其核心挑战在于多个并联泵的异步运行会引发强烈的泵间干扰：即单一末端泵的变速会通过管网压力波动，严重干扰其他并联泵的运行工况及其对应末端的流量。这种干扰严重影响了系统的水力稳定性，但当前对其现象和机理的理解尚不充分，这限制了DVSP系统动态调节优势的充分发挥，阻碍了其进一步应用。

由于泵间干扰的存在，传统的单点反馈控制方法无法应对控制动作引发的全局性交互影响。因此，DVSP系统需要一种能够抑制此种干扰的协调变速控制算法。模型预测控制（MPC）虽被认为是一种合适的解决方案，但其性能高度依赖模型的准确性。当前研究多采用数据驱动建模，但这类方法在DVSP系统中面临两大挑战：一是缺乏物理可解释性和领域知识，导致泛化能力差；二是通常计算和存储需求大，难以实现轻量化部署。因此，开发基于物理原理、轻量且可靠的控制算法，成为推动DVSP技术发展的关键。

研究结果

通过基于图论建立的轻量化水力模型及缩尺实验台校准验证，本研究从理论上深入分析了DVSP系统中的泵间干扰现象，并构建了集成遗传算法的物理信息MPC控制框架以抑制干扰、提升稳定性。主要发现如下：

  （1）建立的基于图论和L-M算法求解的DVSP管网水力物理模型，经缩尺实验台标定验证，预测与实测误差低于10%，证实了模型合理性与高效性，为后续分析奠定了基础。

  （2）基于验证模型的分析表明，DVSP系统中单泵变速会显著改变其他末端流量。由于泵间干扰的存在，单泵调速运行范围受限，系统易产生回流。进一步分析揭示，位于更下游、通常设计流量更小的末端，既更容易引发泵间干扰，也更容易受到干扰影响。

  （3）针对DVSP系统开发的、集成轻量化水力模型与遗传算法的物理信息MPC控制框架，能够通过建立被动末端相对于主动末端的响应性调速机制，有效满足动态调节中的水力稳定性要求。分析表明，被动响应强度与末端设计流量之间存在强烈的线性负相关关系（相关系数=-0.88），且这一结论可扩展至不同规模的DVSP系统。

局限性与未来研究方向

本研究主要聚焦于DVSP系统中单泵变速引发干扰的机理分析。在实际运行中，多泵异步变速更为常见，而针对此种复杂场景下干扰可能产生的叠加或拮抗效应研究仍显不足。未来的协调调速不仅需考虑各支路需求流量，还需有效识别并抵消系统中其他泵变速引发的干扰，这需要在算法设计中引入泵间信息交互机制并构建相应的前馈控制架构。此外，本研究的优化框架主要针对末端泵的协调，对于更复杂的、包含源侧泵、分配泵和末端泵的多级泵网络，实现全局最优的控制策略仍有待深入探索。

相关图表

图1 轻量化MPC扰动抑制算法流程

图2 水力模型校准结果

图3 MPC算法的求解准确性

图4 抵消泵间干扰所需的被动响应值分布