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2025年长三角高校数模竞赛B题Q1-Q3详细求解与Q4详细分析

B题  空气源热泵供暖的温度预测

问题背景

空气源热泵是一种与中央空调类似的设备,其结构主要由压缩主机、热交换 器以及末端构成,依靠水泵对末端房屋提供热量来实现制热。空气源热泵作为热  惯性负载,调节潜力巨大。工作时通过水循环系统将水输送到各个房间,与室内  进行热交换,从而达到调节室内温度的目的。由于其具有较大的热惯性,对楼宇  房间进行小范围的温度调整不会明显影响用户的舒适度,并且由于水和楼宇建筑物的储热性能(可以增加储热水罐增加储热性能),可以将电能转化为热能进行储存。随着“电供暖 ”方式的普及应用,空调负荷在楼宇供暖方式占比逐渐增高, 将空气源热泵作为调节对象加入电网的调度中,对缓解电网调峰压力起重要作用。

不同的供回水温度设定对应能耗也不同,供回水温度越高,机组消耗电能越多,如果供回水温度不能随着环境温度、室内温度的改变而及时调整,则会导致电能消耗过多,进而提高公司供暖成本。目前的调整策略是依据之前的预测模型,预测的是24 小时的供回水温度,根据这个温度控制机组的开关,效果不是很理 想。为了降低成本,拟采用数学建模方法,利用公司采集的历史数据,构建模型, 预测4 小时之后的供回水设定温度,以便及时调整机组的使用量,进而达到降低 电力能耗的目的。

问题分析:该问题聚焦于如何利用历史数据和热力学知识,建立能有效预测并优化空气源热泵供暖策略的模型。目标是平衡舒适性与能耗成本,包括预测未来4小时的室内温度、控制供回水温度以保持室温20±1℃优化能耗与电费支出以及考虑建筑差异、时间段(峰谷电价)等现实因素

数据预处理:

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问题1分析:温度变化与能耗特性分析

问题1:统计所给不同建筑的室内温度波动规律;绘制室内外温度相关性曲线,分析热泵能耗与温差的定量关系;分析影响室内温度的影响因素

本问题的核心在于基于历史数据,刻画建筑的热响应特性,并分析影响室内温度与热泵能耗的主要因素。

1.数据预处理

数据文件包括:室内温度采集数据(需对歹个测点平均)与供热历史数据(含设定温度、实际供回温、功率、环境温度等)。

时间对齐:以小时为单位,将温度数据与供热参数按时间戳匹配。

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图1展示了地点1与地点2在2022年11月至2025年3月期间的月度平均室内温度变化趋势,是对不同建筑供热水平与热稳定性能最直观的刻画。从整体趋势来看,地点1在大多数月份的室内温度均显著高于地点2,尤其是在冬季(如2022年12月至2023年2月)期间差异最为显著,表明地点1在建筑保温、热泵系统效能或控制策略方面更优。此外,两地点在2024年3月均出现室温突降现象,提示存在某种极端外部因素(如寒潮)或系统失效事件。该图揭示了不同建筑在长期运行中热响应的基本模式,也为后续建筑热惯性建模与舒适度评估提供了重要基础。

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图2刻画了热泵功率与室内外温差之间的散点关系以及整体拟合趋势,是分析热泵能耗与热负荷之间定量耦合的重要依据。图中横轴表示室内温度与环境温度之差,纵轴为热泵功率(单位:kW),不同颜色代表不同地点数据点。整体来看,功率随温差的增加呈现出上升趋势,体现了热泵系统在温差增大时为维持设定室温而加大能耗的响应机制。然而拟合曲线表明该关系虽然存在正相关,但并非线性强相关,且部分数据点表现出能耗过高或过低的离群状态,可能受到短时工况变化或传感误差影响。

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图3为各变量之间的皮尔逊相关系数热力图,展示了包括室内温度、设定温度、环境温度、供回水温度、功率及温差等在内的关键指标之间的线性相关关系。分析结果显示,室内温度与环境温度之间呈现较强正相关,说明外界气候条件对室内温度具有显著影响,这也符合建筑热力传导的基本规律。同时,室内温度与供水温度、回水温度之间亦存在较高的正相关性,表明系统热水循环性能在一定程度上决定了室温水平。设定温度与室温之间的相关性反而较弱,提示当前设定策略未能有效转化为实际室温输出,存在调控滞后或执行误差。

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图4通过对影响室内温度的主要因素进行标准化多元线性回归,定量衡量了各变量对室温变化的贡献程度。其中,回水温度对室温的正向影响最为显著,说明供热系统中热水回流效率越高,其传热效果越好,有助于维持稳定舒适的室温;供水温度亦呈现正相关,进一步验证了热水系统的核心地位。相比之下,设定温度和环境温度则均呈负相关,表明在实际系统中,设定温度越高,反而可能反映控制失效或用户对低温的被动反应;环境温度的降低同样会加重系统负荷,导致室温难以提升。此外,功率的回归系数较小,说明单纯提高功率并不能直接提升室温,可能存在能量利用效率不高的问题。

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http://www.xdnf.cn/news/467749.html

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