基于动态过程模型的土壤源热泵系统运行优化控制研究

论文摘要

我国的建筑能耗在社会总能耗的比例逐渐提高,在建筑的全寿命周期内,建筑运行能耗在建筑节能中处于重要的地位,重点是提高采暖、空调系统的能源利用率。土壤源热泵系统以节能、环保、可靠性高等优点,被称为是21世纪最具有发展前途的建筑节能技术之一,在世界范围内迅速发展和广泛应用。作为一项复杂的系统工程,土壤源热泵系统得到深入的研究,研究的领域主要集中在土壤换热器传热特性的模拟计算、提高传热性能、土壤源热泵系统运行特性的试验研究和土壤换热器的设计方法等,这些研究主要对系统的设计提供理论上的指导。尽管可以通过输入少量的电能获得较高的能量输出,然而在运行时,不论周围环境和设备本身特性如何变化,如果始终使土壤源热泵系统维持在最优状态运行,最大限度地挖掘系统的节能潜力,将能够大幅提高系统的性能,这就需要实现真正的优化控制。对于优化控制的关键是从本质上分析与能量特性有关的动态特性,基于此,本文针对土壤源热泵系统的优化控制进行了深入的理论和实验研究。土壤源热泵系统在运行过程中持续受到外界环境的扰动,而优化控制结构的设计和实现则强烈依赖于扰动的特性,对于土壤源热泵系统,按照扰动的频率可以分为两类：一类是与优化过程无关的快扰动；另一类是慢扰动,这类扰动将影响土壤源热泵系统运行的经济性指标。在充分分析土壤源热泵系统优化控制的可行性、特点及优化控制中所面临问题的基础上,基于大系统的分层递阶控制结构进行控制任务的分解与协调,提出适用于土壤源热泵系统的优化控制结构,该结构由调节层、优化层和自适应层组成,其中调节层抑制不可控的快扰动,并使控制变量维持在设定值；优化层根据经济性指标和相应的模型计算调节层的设定值；自适应层则适时地修正优化层的模型参数。这样的优化控制结构为进一步研究土壤源热泵系统的优化控制创建了理论框架。在基于模型的优化控制方法中,系统的过程模型是实现优化的基础,而系统过程模型由部件模型组成。土壤源热泵系统由地上的水-水热泵机组和土壤换热器组成,其动态模型作为自适应层的模型结构,对应的稳态模型为优化层提供必要的约束条件。对于水-水热泵机组,由蒸发器、冷凝器、节流机构和压缩机组成,蒸发器和冷凝器采用分段集中参数的方法建立动态参数模型,与压缩机和膨胀阀的稳态模型相结合,建立了完全由系统状态变量和输入变量表示的水-水热泵机组的数学模型。将仿真结果和试验数据进行比较,验证了模型的正确性。作为土壤源热泵系统的重要组成部分——土壤换热器,通过载能流体与水-水热泵机组相互耦合、相互影响。在深入分析土壤换热器模型的基础上,从有限长线热源模型出发,建立热渗耦合作用下的土壤换热器动态数学模型,采用格林函数法得到解析解表达式,通过解析解的分析,纯导热情况下的解析解只是一个特例。对于钻孔内部的传热过程,采用能量平衡法,建立钻孔内单U和双U支管内载能流体的温度分布模型,得到温度分布的解析解表达式,进而能够确定进出换热器温度。在水-水热泵机组和土壤换热器动态参数模型的基础上,提出利用实际存在的操作波动造成的系统动态变化过程辨识模型中的参数,根据辨识结果对优化层进行校正,使数学模型和实际系统由于失配造成的误差最小。根据最大似然估计将参数辨识问题转化为有约束的非线性规划问题,避免了复杂的数学推导,并可以把参数所具有的先验知识作为约束条件结合在这一框架之中。通过理论分析,证明了所建立的土壤源热泵系统模型存在唯一解及参数的可辨识性。对于循环水泵能耗模型,采用慢时变递推最小二乘法进行辨识。在全局搜索算法Scatter Search和局部搜索算法SQP的基础上,提出了一种新型的混合算法SS-SQP。通过分别采用Scatter Search算法、GAS算法和SS-SQP算法对水-水热泵机组模型参数进行辨识,结果表明SS-SQP算法充分发挥了Scatter Search算法和SQP算法各自的特点,使搜索性能获得了较大的提升。根据所提出的土壤源热泵系统的优化控制结构,将水-水热泵机组、循环水泵和土壤换热器模型耦合,从全局系统的角度建立土壤源热泵系统的运行优化模型,确立了目标函数、约束条件和控制变量。由于各部件之间相互耦合、相互作用,变量之间存在复杂的约束关系,属于有约束的多变量非线性问题。通过对优化模型的仿真计算,分析了钻孔壁温、回水温度和负荷率对最优运行工况的影响,并与定流量工况进行了比较。结果表明无论是在制冷模式还是制热模式,采用优化控制能够降低系统的总能耗,系统COP得到提高。对土壤源热泵统进行了实验研究,实测得到土壤的初始温度和土壤的综合导热系数,并验证土壤源热泵系统模型的正确性。在运行过程中,将各控制环路的设定值重置为优化值,对比优化前后的系统能耗及运行效果,结果表明采用优化控制后,系统运行稳定、可靠,系统的能耗降低,从而验证运行优化控制的可行性及可靠性,为土壤源热泵控制系统的设计和运行管理提供了重要的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 空调系统优化模型的研究
• 1.2.2 模型参数辨识的研究
• 1.2.3 优化算法的研究
• 1.3 递阶优化结构的提出
• 1.3.1 递阶控制结构
• 1.3.2 土壤源热泵系统优化控制结构的建立
• 1.4 本文研究的内容
• 2 土壤源热泵系统动态参数模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 系统各环节间的耦合关系
• 2.3 水-水热泵机组数学模型的建立
• 2.3.2 压缩机的数学模型
• 2.3.3 膨胀阀数学模型
• 2.3.4 蒸发器和冷凝器数学模型
• 2.3.5 对流换热系数模型
• 2.4 水-水热泵机组动态数学模型及验证
• 2.4.1 水-水热泵机组的动态数学模型
• 2.4.2 模型的验证
• 2.5 土壤换热器模型
• 2.5.1 土壤换热器的传热过程
• 2.5.2 土壤温度场的动态解析解模型
• 2.5.3 多个钻孔的钻孔壁温度
• 2.5.4 变热流时钻孔壁温的计算
• 2.6 钻孔内数学模型及进出口温度的计算
• 2.6.1 单U型钻孔内数学模型
• 2.6.2 双U型埋管的数学模型
• 2.7 变频循环水泵能耗模型
• 2.8 本章小结
• 3 土壤源热泵系统模型参数辨识及优化算法的研究
• 3.1 引言
• 3.2 参数辨识的理论基础
• 3.3 土壤源热泵动态系统参数模型的辨识方法
• 3.3.1 土壤源热泵动态系统参数辨识的数学模型
• 3.3.2 土壤源热泵系统模型参数的可辨识条件
• 3.3.3 土壤源热热泵系统模型参数可辨识性理论分析
• 3.4 优化算法研究
• 3.4.1 局部搜索算子——序列二次规划SQP
• 3.4.2 分散搜索（Scatter Search）算法原理与方法
• 3.4.3 混合算法SS-SQP
• 3.5 优化算法性能比较
• 3.6 本章小结
• 4 土壤源热泵系统运行优化分析
• 4.1 引言
• 4.2 优化模型的理论分析
• 4.3 土壤源热泵系统的运行优化模型
• 4.3.1 优化目标函数的确定
• 4.3.2 控制变量的选择
• 4.4 土壤源热泵系统优化模型的约束条件
• 4.4.1 土壤源热泵系统过程数学模型的约束
• 4.4.2 基于能量协调目标的用户末端约束条件
• 4.4.3 不等式约束条件
• 4.4.4 制冷剂热力性质计算
• 4.5 土壤源热泵系统优化仿真及分析
• 4.5.1 仿真计算条件
• 4.5.2 优化仿真结果及分析
• 4.5.3 模型参数的敏感性分析
• 4.6 本章小结
• 5 土壤源热泵系统的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验目的
• 5.3 土壤源热泵实验系统介绍
• 5.3.1 垂直U型土壤换热器
• 5.3.2 水-水热泵机组
• 5.3.3 循环水泵
• 5.3.4 控制系统
• 5.4 测试方案及内容
• 5.4.1 测试内容
• 5.4.2 测试系统
• 5.5 实验结果与分析
• 5.5.1 土壤初始温度的确定
• 5.5.2 土壤综合导热系数的确定
• 5.5.3 系统模型的验证
• 5.5.4 优化运行节能效果的验证
• 5.6 本章小结
• 6 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 课题展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文和参与的科研项目
• 致谢