水源热泵系统的仿真与控制

建筑节能与空调
水源热泵系统的仿真与控制
宫香山,王立峰,王晓纯
(北京北方工业大学机电工程学院,北京100041)
摘 要:为了优化水源热泵的供热水系统的控制达到节能目的,将系统分为若干部件用MAT LAB 进行数学建模和仿真,并且根据仿真结果设计了模糊控制器。

结果证明系统能够较好的跟随入户热水负荷的变化,比原来节省了大量的电能。

关键词:水源热泵;建模仿真;模糊控制
中图分类号:T U 83 文献标识码:A 文章编号:1005 7439(2006)02 0072 03
The Simulation and C ontrol of Water source pu mp system
GONG Xiang shan,WANG Li feng,WANG Xiao chun
(N or th China U niv er sity of T echno lo gy ,T he Institute of Electr ic and M echanic Eng ineer ing,Beijing 100041,China)
Abstract:W e apply fuzzy contr ol method to the co nt rol o pt imizatio n of a hot wat er supply system equipped with water so urce pump .We build the mathematical model and the simulat ion by M A T L A B,dividing the sy stem into sev eral par ts,and based on the st udy o f simulatio n mo del,w e desig n fuzzy co ntr oller.T he r esult indicates that the met ho d is effectiv e and saves more elect rical ener gy than before.
Keywords:W ater so ur ce pump;M athematical mo del and simulation;F uzzy contro l
1 系统组成与存在的问题
"漪龙台"高档住宅小区的供热水系统由4部分组成:热泵机组、总水路循环系统、板式换热器和3个区各自的水路循环系统,见图1。

其中热泵机组是由6台压缩机并联而成,每两台压缩机组成一个氟系统,三个氟系统与一个水系统构成一个并联机组。

图中1是内水路水罐;2 4是低、中、高三区水罐,容积分别是1,2,3t,用户端水水温要求在48~50 之间。

系统采用温度回差控制,启停压缩机的数量由若干个温度点确定,这种控制方法虽然可以满足热负荷的需求,但是误差大不能根据热负荷的变化合理运行,造成能量严重浪费。

如果可以使系统随着热负荷需求的变化而合理运行,那末除了可以节约可观的电能和延长机组的寿命外,还可以减少对于地下水的抽取,有利于井水的回灌。

2 水源热泵系统的建模
根据供热水系统组成,可把系统分成3个
部
图1 供热水系统
件:热泵机组,水罐和换热器。

这是一个非线性系统,为此先进行线性化,然后根据能量守恒及传热学规律建立稳定工作点附近小偏差瞬态模型。

另外,假设系统初态已达到稳定,并给定低中高3个区的水罐水温为50 。

(1)热泵机组的传递函数为:
( T (s)) n (s)=PCOP +Q cp q 1s +0.0154
=
72 第27卷第2期2006年4月
能源技术
ENERGY TECH NOLOGY
V ol.27 N o.2A pr. 2006
0.06S +0.0154
式中: !!!水的密度;
Q !!!从井水中提取的热量;
c !!!水的比热容;p !!!压缩机的功率;COP !!!供暖能效比;
n !!!压缩机开启的台数;q !!!水路水的流速; T !!!进出热泵的水的温差。

(2)水罐的传递函数形式为:
T po T pl =1
s +1
式中: T po !!!!流出水罐的水的温度;
T pl !!!流入水罐的水的温度; !!!时间常数。

由于不同的温度点的水,升温速度不同,选择容积为1t 的水罐水温从47 到50 时升温所用的总时间为时间常数 ,4个水罐的传递函数分别是:
0.00314s +0.00314,0.00157s +0.00157,0.00105s +0.00105,0.00785s +0.00785
(3)换热器的传递函数形式:
T co (s) m c (s)=H c ( qc s +1)
s 2
p +2! p s +1 T ho (s) m c (s)=H h ( q h s +1)
s 2
p +2! p s +1
式中:T hi 和T ho 为换热器热侧入口和出口水温;T ci 和T co 为换热器冷侧人口和出口水温;m c 为换热器冷侧水流量。

根据换热器参数,可得到下列传递函数[3]。

低区:
T co (s) m c (s)=(-2.34)(-0.009s +1)(0.543)2s 2+2∀1.087∀0.543s +1
=
0.021s -2.34
0.295s 2
+1.18s +1
中区和高区:
T co (s) m c (s)=(-3.44)(-0.006s +1)
(0.562)2s 2+2∀1.125∀0.543s +1
=
0.02s -3.44
0.316s 2
+1.265s +1
低区:
T co (s) m c (s)=(-8.638)(0.206s +1)
(0.543)2s 2+2∀1.087∀0.543s +1
=
-1.779s -8.638
0.295s 2
+1.18s +1
中区和高区:
T co (s) m c (s)=(-11.375)(0.169s +1)
(0.562)2s 2+2∀1.125∀0.562s +1=
-1.922s -11.375
0.316s 2
+1.265s +1
当系统在稳定工作点附近工作时,板换换热稳定,可采用考虑热损的热流量衡算:
kc h q (T hi -T ho )=c i q(T co -T ci )则:
kc h q ( T hi - T ho )=c i q( T co
- T ci )
根据一些数据,得:
T ho =
0.6s +2.5
T hi
则3个区换热器热侧水温的传递函数为:
T ho =0.6
s +2.5
T hi
3 MATLAB-SIMULINL 环境下建模仿真
图3是扰动为1.0t/h(总扰动的均值),开启压缩机台数变化时,系统的响应情况。

很明显,系统的响应时间大约在40min 以上。

由于系统本身的滞后特性,热负荷的变化对热水的输出量的响应要比输入量(压缩机开启台数的变化)对输出的响应快得多。

所以一旦负荷发生变化,系统的输出量一开始不断下降,之后输入量的作用使输出量不断上升,直到基本达到稳定。

图3条响应曲线分别反映了系统3个区的输出水温变化情况,(由于3个区的板式换热器和水罐的物理参数不一样,所以响应曲线也有一定的差别),仿真与实际系统的特性比较接近。

4 模糊控制算法[4]
系统的过渡过程时间一般在40m in 左右,为了保证压缩机机组不出现频繁启动的现象,新的控制方案对于系统热负荷的预测每20min 进行一次,控制系统提前20min 决策并提前执行,使输出水温在20min 以内达到48~50 之间,控制系统采用模糊决策,根据输出水温和负荷情况确定开启压缩机的数量。

通常无论热负荷如何变化,要保持输出水温在48~50 之间,系统6台压缩机中总有2台压缩机在工作。

根据积累的经验,确定模糊控制器有两个输入量,即输出水温和热负荷,其中输出水温分为4级,热负荷分成6级;模糊控制器的输出量,即压缩机工作的台数范围[-2,4],自然分7级。

采用三角形隶属函数,函数的建立及模糊规则见表1。

73
图2
仿真系统图
图3 系统响应曲线表1 模糊规则
水
热负荷
微小小正常大很大非常大
冷222234
偏冷001234
正常-101234
热-2-2-1000
热泵机组采用Z-WORLD OP系列控制器--OP7200对压缩机进行控制,将模糊控制算法装入,安装相应的传感器等设备,对控制方法进行实地检验。

在实测的"漪龙台"小区24小时热水负荷变化下,使用模糊控制器的系统三个区平均输出水温仿真情况;见图4。

图4 控制仿真结果
结果表明,把热负荷做为控制器控制规则制定的要素之一,改善了输出温度变化的滞后,使其更加平稳。

控制系统不但能够较好的保持输出水温稳定,而且比旧控制系统减少了压缩机工作数量,起到较好的节能优化的作用。

参考文献:
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[5] 王立新.自适应模糊系统与控制 设计与稳定性分析
[M].北京:国防工业出版社,1993.
74。