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地源热泵控制策略理论与系统实验研究

作　者: 胡涛
导　师: 朱家玲
学　校: 天津大学
专　业: 热能工程
关键词: 前馈–反馈控制能量调节地源热泵运行优化控制水蓄能火用分析
分类号: TK523
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来，由于能源短缺，国家鼓励节能减排技术与清洁能源的发展，使一种经济环保、高效节能的新型空调技术——地源热泵在我国迅速发展壮大起来。同时，许多学者也开始对地源热泵进行了不断深入的研究，主要集中在地下埋管换热器（BHE）的传热模型和传热机理、过程参数的模拟、能源互补联合应用以及工质等研究上。然而，在地源热泵的控制策略及优化运行方法上较为欠缺。因此，本文将现代控制理论方法、非线性优化方法与地源热泵技术相结合，研究融合先进控制技术的地源热泵控制系统，并对该系统的运行过程、节能效果等进行了全面的分析和研究。本文以现代控制理论为基础，提出了带前馈的地源热泵能量调节智能控制策略，并对该策略的实现方法进行了详细的分析。采用机理分析与实验相结合的方法，完整的建立了地源热泵控制系统的仿真模型，并搭建了地源热泵系统及智能控制系统实验台。在设定值变化、流量干扰、频率放大系数突变条件下对地源热泵供水温度进行了控制仿真与实验研究。结果表明：当设定值变化时，变速积分PID控制比模糊控制的超调量大，调节时间更短，且模糊控制最终存在稳态偏差；流量干扰下，加入前馈后两种控制策略的控制性能都得到很大提高；当频率放大系数变化时，模糊控制逐渐产生发散的非稳定控制状态，而变速积分PID表现出了较好的鲁棒性。同常规控制系统的对照研究表明：在前馈-反馈的控制策略下，地源热泵控制性能显著提高。空调末端存在较大的负荷波动时，系统的供水温度波动幅度能够保持在1.0℃以内（常规控制为3.4℃），空调室内平均温度能够保持在24.4~25.9℃（常规控制为23.1~26.1℃）。因此，前馈-反馈的控制策略表现出了良好的抗干扰性与动态响应特性，控制输出的稳定性及响应迅速性远超过常规地源热泵空调系统。在负荷预测的基础上，提出了地源热泵与蓄能耦合系统的优化运行控制方法，详细分析了该方法的实现过程。根据本文建立的系统实验台，对该方法进行了实验验证。研究发现：优化运行控制的作用显著，可以较明显地降低运行成本，日运行费用的节省比例达到20%以上，运行效率显著提高（系统的COP由3.0提高至4.5左右），减少了运行能耗。根据建立的实验系统，研究了地源热泵的三种典型运行状态：地源与太阳能耦合运行模式、蓄能运行模式及独立地源热泵运行模式。在进行性能分析、环境影响、能源结构、能分析与火用分析的基础上，得出：(1)地源与太阳能耦合运行时，太阳能对提高热泵系统效率的短期效果不明显，主要作用在于保持系统长期运行的高效性及稳定性；(2)水蓄能装置的内部结构可直接影响分层效果，是影响蓄能过程综合效率的一个重要因素；(3)地源热泵循环中能量传递效率最高的环节是BHE中热交换过程（效率可达96.1%），但火用效率却最低（火用效率仅为7.2%）。在进行系统设计时，需要综合考虑这两种效率对于整个系统的影响。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-19
  1.1 研究背景  10-12
  1.2 地源热泵空调系统研究现状  12-15
    1.2.1 地源热泵的发展  12-13
    1.2.2 地源热泵的研究方向  13-15
  1.3 热泵控制策略的研究现状  15-17
  1.4 研究的目的和意义  17-18
  1.5 本文研究的主要内容及方法  18-19
第二章控制理论及控制策略方法的研究  19-54
  2.1 控制策略及理论分析  20-42
    2.1.1 传统控制策略  20-21
    2.1.2 现代控制策略  21-30
    2.1.3 核心控制器的控制算法设计  30-37
    2.1.4 辅助控制器的控制算法设计  37-39
    2.1.5 前馈-反馈控制  39-42
  2.2 控制策略分析  42-43
  2.3 控制对象动态特性的数学描述  43-47
    2.3.1 关键部件动态特性的数学描述  43-45
    2.3.2 控制对象的传递函数  45-47
  2.4 控制器最佳整定参数的优化方法  47-50
    2.4.1 响应曲线法  47-49
    2.4.2 稳定边界法  49
    2.4.3 衰减曲线法  49-50
  2.5 非线性优化求解方法  50-53
  2.6 本章小结  53-54
第三章智能控制与实验系统构建  54-73
  3.1 实验系统构建  54-59
    3.1.1 实验系统原理  54-55
    3.1.2 实验系统的设备组成  55-59
  3.2 控制系统构建  59-66
    3.2.1 系统整体结构  59-60
    3.2.2 硬件系统  60
    3.2.3 软件集成方案  60-61
    3.2.4 软件设计方案  61-63
    3.2.5 上位机  63-64
    3.2.6 下位机  64
    3.2.7 数据采集变送单元  64-66
  3.3 地源热泵系统运行调控设计方法分析  66-72
    3.3.1 运行模式设计  66-70
    3.3.2 特定调控方法分析  70-72
  3.4 本章小结  72-73
第四章地源热泵能量调节控制系统仿真与实验研究  73-92
  4.1 主控制器参数整定实验  73-74
  4.2 辅助控制器参数整定实验  74-76
  4.3 控制对象传递函数的参数辨识实验  76-77
    4.3.1 压缩机频率对空调供水温度对象的传递函数  76
    4.3.2 流量干扰对空调供水温度对象的传递函数  76-77
  4.4 前馈-反馈控制策略应用于地源热泵控制的仿真  77-83
    4.4.1 仿真实验结构  77-78
    4.4.2 供水温度设定值变化的跟踪性能仿真  78-80
    4.4.3 流量干扰下的供水温度跟踪性能仿真  80-82
    4.4.4 控制系统的鲁棒性仿真研究  82-83
  4.5 基于能量调节智能控制策略的地源热泵系统实验研究  83-88
    4.5.1 定容量运行状态下的实验特性研究  83-86
    4.5.2 变容量调节时前馈-反馈控制策略的实验验证  86-88
  4.6 常规控制与智能控制模式下地源热泵系统的实验研究  88-90
  4.7 本章小结  90-92
第五章地源热泵空调系统优化运行方法与实验研究  92-130
  5.1 地源热泵与蓄能耦合优化运行的控制方法研究  92-110
    5.1.1 气象参数预测方法  92-99
    5.1.2 负荷预测模型  99
    5.1.3 ANN预测模型建立与验证  99-102
    5.1.4 优化运行模式的目标函数  102-105
    5.1.5 数据处理与相关参数的确定  105-107
    5.1.6 优化运行实验  107-110
  5.2 独立运行及与太阳能耦合运行的实验研究  110-117
    5.2.1 能源构成  111-112
    5.2.2 两循环侧流量变化对独立供能性能的优化  112-113
    5.2.3 耦合供热模式对性能及环境影响的分析  113-117
  5.3 系统能效的分析方法  117-122
    5.3.1 能效率与火用效率分析模型  117-119
    5.3.2 本实验系统的火用分析模型  119-122
  5.4 蓄能实验运行的能效分析  122-123
  5.5 地源独立运行的能效分析  123-128
    5.5.1 能量传递效率分析  124-127
    5.5.2 可用能效率分析  127-128
  5.6 本章小结  128-130
第六章结论与建议  130-133
  6.1 结论  130-131
  6.2 论文创新点  131-132
  6.3 对后续工作的建议  132-133
参考文献  133-145
发表论文和参加科研情况说明  145-146
致谢  146

地源热泵控制策略理论与系统实验研究

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