太陽(yáng)能熱泵熱水系統循環(huán)水流量控制仿真

低溫與超導其它Cryo. & Supercond.第38卷第12期OthersVol.38 No. 12太陽(yáng)能熱泵熱水系統循環(huán)水流量控制仿真穆振英,由世俊(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津30002 )摘要:設計了一套新的太陽(yáng)能熱泵熱水系統,介紹了該系統的工作原理和特點(diǎn),分析表明,該系統既具有普通太陽(yáng)能熱泵的優(yōu)點(diǎn)，又能夠實(shí)現供暖、供冷、全年供應生活熱水等多種功能。采用機理建模的方法建立了房間冷負荷、風(fēng)機盤(pán)管、執行器、傳感器和循環(huán)水系統的傳遞函數模型。設計了太陽(yáng)能熱泵熱水系統的循環(huán)水系統PID控制、模糊控制和模糊自適應PID控制三種控制方案,并針對設計的三種控制方案對系統進(jìn)行了控制仿真。結果表明,從調節時(shí)間、超調量和階躍響應等幾個(gè)方面綜合考慮,由于模糊自適應PID控制能夠在線(xiàn)調整控制系統的特性參數,隨時(shí)適應系統的運行變化,在太陽(yáng)能熱泵熱水系統的循環(huán)水系統運行控制上具有明顯的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞:太陽(yáng)能熱泵熱水系統;仿真;PID控制;模糊控制;模糊自適應PID控制.Circulating water flow control simulation of solar - assisted heat pumpwater heating ( SAHPWH ) systemMu Zhenying, You Shijun( School of Environment Science and Technology , Tianjin University , Tianjin 300072, China )Abstract: A new kind of solar - assisted heat pump ( SAHP ) system was designed, which not only has the general advanta-ges, but also can heat，cool ，provide domestic hot water throughout the year. Transfer function models for the room cooling load,fan - coil, implementation, sensor and the cireulating water system were established on the mechanism modeling method. Threecontrol scheme were designed, including PID control, fuzzy control and fuzzy adaptive PID control, which were used in the circu-lating water system and the room temperature control system. And all three control scheme were simulated. The results show that ,considering the stting time，overshoot ，the step response，and so on comprehensively, the fuzy adaptive PID contrller can ad-just the control characteristics parameters and adapt to system operation changes at any time. So it has obvious advantages in thecirculating water system operation control of the SAHPWH systemKeywords :SAHPWH system, Simulation, PID control, Fuzzy control, Fuzzy adaptive PID control1前言供暖、也能供冷、還能全年供應生活熱水的功能。由于太陽(yáng)能能量密度低、分散,且具有明顯的太陽(yáng)能取之不盡,用之不竭,是一種清潔的可間歇性。因此,太陽(yáng)能熱泵熱水系統的合理控制再生能源,我國太陽(yáng)能資源豐富,利用空間較調節是保證供能效果的重要技術(shù)措施。仿真分析大1。太陽(yáng)能熱泵系統是太陽(yáng)能和熱泵的有機是確定控制系統方案和控制算法的重要研究方結合,具有較高的綜合能量利用效率,并且能夠提法,不但安全、方便,而且可大大降低研究成本,應供穩定的冷熱量[2-4],是--種先進(jìn)的太陽(yáng)能利用用廣泛。方式。為了進(jìn)一步增強太陽(yáng)能熱泵系統的功能，目前,太陽(yáng)能熱利用系統控制調節的文獻多擴大其使用范圍,本實(shí)驗室太陽(yáng)能利用課題組設以直接膨脹式系統和太陽(yáng)能熱泵系統為研究對計了一種全新的太陽(yáng)能熱泵熱水系統(SolarAs-象[5-9],針對太陽(yáng)能熱泵熱水系統的研究較少。sisted Heat Pump W ater Heating System, SAHP-因此本文以夏季 T況為例,主要針對太陽(yáng)能熱泵中國煤化工55問(wèn)題進(jìn)行仿真研究。WH ),通過(guò)對管路的合理設計,最終實(shí)現了既能YHCNMHG收稿日期:2010 -06-12基金項目“十一.五”國家科技支撐計劃( 2006BAJ04A15 )資助。作者簡(jiǎn)介:穆振英(1978-),女,博士,研究方向為太陽(yáng)能熱利用技術(shù)研究。.70.其它Others第12期多樣,設備利用率高;2太陽(yáng)能熱泵熱水系統原理及特點(diǎn)(2 )太陽(yáng)能集熱系統可以與空氣源熱泵、水源熱泵、土壤源熱泵等多種熱泵形式結合,形成各2.1太陽(yáng)能熱泵熱水系統原理種太陽(yáng)能熱泵熱水系統,應用范圍廣;太陽(yáng)能熱泵熱水系統是對混合式太陽(yáng)能熱泵. ( 3 )太陽(yáng)能熱泵熱水系統可以與風(fēng)機盤(pán)管、系統的改進(jìn),通過(guò)合理切換管路,使系統能夠實(shí)現地板輻射盤(pán)管、輻射頂板等多種系統形式相結合,冬季供熱、夏季供冷和全年供應生活熱水的功能。布置靈活,適合集中供熱、空調和供熱水;該系統原理如圖1所示。(4)太陽(yáng)能熱泵熱水系統不但能夠充分利用太陽(yáng)能集熱,而且還能夠發(fā)揮熱泵的高能效優(yōu)勢,V11Vi6T↑生活熱水門(mén)V14 *zv3供水整體能量利用效率高;V6本8V5生活熱水( 5 )同傳統的太陽(yáng)能直接供熱系統相比,太補水陽(yáng)能熱泵熱水系統可以采用結構簡(jiǎn)單的低溫集熱器,提高了集熱效率、降低了成本;(6)太陽(yáng)能熱泵熱水系統可以降低太陽(yáng)能集V2V78V10圣V4 .-8V13|88V12|系統熱器的板面溫度,從而提高集熱效率、減少集熱器P2V15回水O-向外界的散熱損失;也可以提高熱泵系統的蒸發(fā)溫度,從而提高系統的總體性能。1-集熱器;2 -換熱水箱;3-蒸發(fā)器(冷凝器);4-壓縮機;5-換熱水箱;6-節流閥;P1、P2 -循環(huán)水泵;V13傳遞函數模型及仿真~ V16-閥門(mén)圖1太陽(yáng)能熱泵熱水系統原理圖3.1傳遞 函數模型Fig. 1 Schematic diagram of SAHPWH system建立太陽(yáng)能熱泵熱水系統的循環(huán)水系統傳遞其中,蒸發(fā)器(冷凝器)可以根據具體應用情函數模型是進(jìn)行循環(huán)水系統仿真的基礎。從機理況選擇水冷或者風(fēng)冷的不同形式。建模的角度依據熱力學(xué)原理可以建立系統中各對冬季:象的能量平衡方程,對方程進(jìn)行拉氏變換可以得采暖模式-一:閥門(mén)V1 ~ V3開(kāi)啟,其他閥門(mén)全到滿(mǎn)足要求的傳遞函數模型。部關(guān)閉;采暖模式二:閥門(mén)V1 ~ V5開(kāi)啟,其他閥各對象的傳遞函數模型如下:門(mén)全部關(guān)閉;采暖模式三:閥門(mén)V6~V12開(kāi)啟,其(1)房間對象傳遞函數模型他閥門(mén)全部關(guān)閉;生活熱水模式:閥門(mén)V13、V14設輸入信號(送風(fēng)溫度和室內外熱擾)是時(shí)開(kāi)啟,其他閥門(mén)全部關(guān)閉。間的函數,得到帶純滯后環(huán)節的房間對象的傳遞夏季:函數為: .制冷模式:閥門(mén)V4、V5、V12 開(kāi)啟，其他閥門(mén)T,( s)KG( s)=(1)全部關(guān)閉;生活熱水模式:閥門(mén)V15、V16開(kāi)啟，其T(s)+T(s)F Ts+1他閥廣]全部關(guān)閉。式(1)就是空調房間對象的傳遞函數表達式。式2.2太陽(yáng)能熱泵熱水系統特點(diǎn)中:T。(s)為空調房間室內空氣溫度的拉氏變換;太陽(yáng)能熱泵熱水系統將太陽(yáng)能熱利用技術(shù)與T(s)為空調系統送風(fēng)溫度的拉氏變換;T(s)為熱泵技術(shù)結合起來(lái),在性能上彌補了傳統的太陽(yáng)空調房間的內外執擾昂按送風(fēng)狀態(tài)折算的送風(fēng)溫中國煤化工能系統和熱泵系統各自的缺點(diǎn)，使得整個(gè)系統的COP有較大的提高，而系統性能的提高使得運行式YHCNMHGCNM.用滯后時(shí)間TI、時(shí)間常費用減少,從而降低了系統總投資。數T和放大系數K,表示,這三個(gè)參數的估算公( 1 )太陽(yáng)能熱泵熱水系統不但能實(shí)現冬季供式參見(jiàn)文獻[ 10]。.暖和夏季制冷;而且還能全年提供生活熱水,功能(2)風(fēng)機盤(pán)管傳遞函數模型第12期其它Others●71●帶純滯后環(huán)節的風(fēng)機盤(pán)管對象的傳遞函數采用的基本控制思想是:設定房間溫度值,將其與為:反饋值進(jìn)行比較所得到的差值及差值變化率作為T(mén)(s)=-( axs+β)T.(s)+ym_(s)_(2 )控制器的輸人值，通過(guò)對電動(dòng)調節閥、風(fēng)機盤(pán)管、δs +φ空調房間的作用,最后得到溫度的實(shí)際輸出值;另式中:T。( s)、T。( s )為風(fēng)機盤(pán)管進(jìn)出口空氣溫度一方面,設定末端循環(huán)水系統壓差值，將其與反饋的拉氏變換;m。(s)為系統循環(huán)水質(zhì)量流量的拉值進(jìn)行比較所得到的差值及差值變化率作為控制氏變換;τ2為風(fēng)機盤(pán)管對象的滯后時(shí)間,s;a=器的輸人值,經(jīng)過(guò)變頻器、水泵、水系統管網(wǎng)等一(2m.ca -K,F )C,;B=2m.c.K,F;y=2K(Fc(1wi-系列過(guò)程,最后得到壓差的實(shí)際輸出值,從而完成..);δ=(2m.c。+K,F )C, ;φ =2m.c KF;m。為流系統的控制過(guò)程。經(jīng)風(fēng)機:盤(pán)管的空氣質(zhì)量流量, kg/s;c。為空氣比熱本文主要是采用MATLAB/Simulink工具,利容,kJ/(kg.C);K為風(fēng)機盤(pán)管內的傳熱系數,用前文建立的各對象模型,在PID控制、模糊控W/(m2●C);F為風(fēng)機盤(pán)管的換熱面積,m2;C,制模糊自適應PID控制三種控制器條件下,對太為風(fēng)機盤(pán)管的熱容量,kJ/C;cn為系統循環(huán)水比陽(yáng)能熱泵熱水系統循環(huán)水系統的控制部分進(jìn)行仿熱容,kJ/( kg. C );w.\t，分別為系統循環(huán)水的進(jìn)真研究。出口溫度,C;。(3)執行器傳遞函數模型4仿真結果及分析具有等百分比流量特性電動(dòng)調節閥的傳遞函數為:4.1 控制仿真結果I( s)=Lmanl(3)三種控制方案的仿真結果列于圖2至圖7。式中:L( s )為系統循環(huán)水流量的拉氏變換;Lmas為調節閥最大流通能力,kg/s;n為凋節閥的可調比;入(s)為調節閥相對開(kāi)度的拉氏變換。(4)室內溫度傳感器傳遞函數模型ζ 20溫度傳感器的傳遞函數為:贈15h。A。1G(s)=zCs+h.A。T2s+1( 4)式中:h。為溫度傳感器表面對流換熱系數,W/0100020003000 400050006000( m2. C );A。為溫度傳感器表面積,m2 ;C為溫度傳感器的熱容,kJ/C;T2為溫度傳感器的時(shí)間常圖2 PID 控制溫度階躍響應數,T2=C/( hA.)。Fig.2 PID control temperature step response(5)循環(huán)水傳遞函數模型6.5-循環(huán)水傳遞函數模型為:.5G(s)=__ 1T;s+I°°(5)式中:T3為循環(huán)水的時(shí)間常數;τ3為循環(huán)水的滯4.后時(shí)間,s。垢至此,系統中各對象的傳遞函數模型已經(jīng)建立完畢,下文將利用這些模型進(jìn)行模擬研究。中國煤化工0 4000-- 500060003.2循環(huán)水 系統控制仿真MHCNMHG/s太陽(yáng)能熱泵熱水系統循環(huán)水系統的控制問(wèn)題圖3 PID 控制流量響應比較復雜,主要涉及到兩個(gè)互相耦合的控制過(guò)程:Fig.3 PID control flow response一是房間溫度控制,二是循環(huán)水流量控制。本文●72●其它Others第12期4.2控制仿真 結果分析30文章所建立的各對象傳遞函數模型主要應用25在了PID控制方案中，通過(guò)PID控制仿真結果可ξ20知，太陽(yáng)能熱泵熱水系統循環(huán)水系統中各對象的國20輔15傳遞函數模型建立正確,各對象的特性參數設置10恰當，仿真程序設計合理,初始階段能夠較迅速地5實(shí)現溫度和流量調節，對階躍f擾響應良好,能夠0- 1000 2000- 3000一 4000- 5000 6000滿(mǎn)足系統的控制要求,仿真結果可以作為進(jìn)一步時(shí)間/s .實(shí)際控制器的設計參考和調試依據。圖4模糊控制溫度階躍響應下面以PID控制方案為基礎,分析其與模糊Fig.4 Fuzzy control temperature step response控制方案和模糊自適應PID控制方案這三者之間6.4的性能差異,主要分析的內容包括溫度和水系統6HA在初始調節和階躍響應過(guò)程中的調節時(shí)間和超調量,意在為進(jìn)一-步確定系統的實(shí)際控制策略提供5.6依據。5.2(1)PID控制與模糊控制.對于PID控制和模糊控制這兩種方案,通過(guò)4.8分析仿真結果可知:0售1000 2000 3000 4000 5000 6000對于溫度控制仿真，模糊控制方案室內溫度時(shí)間/s圖5模糊控制流 量響應初始調節過(guò)程的調節時(shí)間要比PID控制長(cháng),前者Fig.5 Fuzzy control flow response約為后者的1.57倍;模糊控制的超調量也要比PID控制大,前者是后者的2.03倍。在溫度的階30 -躍響應仿真中，兩種方案的階躍響應基本相當。25 -由此可以看出,在室內溫度的初始調節過(guò)程中，無(wú)? 20..論是調節時(shí)間還是超調量，PID控制方案都要比知15模糊控制效果好。對于溫度的階躍響應,兩種方案具有基本相當的調節能力。對于循環(huán)水流量的調節,模糊控制方案在初0o- 1000”2000 3000“4000 5000 6000始階段要比PID控制平穩得多,二者的調節時(shí)間基本相當,在超調量方面,模糊控制僅為PID控制圖6模糊自適應PID控制溫度響應的74.77%;對階躍信號的響應,模糊控制的調節Fig. 6 Fuzzy adaptive PID control temperature response時(shí)間比PID 控制稍短,超調量方面模糊控制是6.3p6.PID控制的60. 23%。從分析來(lái)看,模糊控制比PID控制有優(yōu)越性,不但在初始調節階段能夠較三6---平穩地實(shí)現流量的調節,在階躍響應仿真中,二者5.9-的調節時(shí)間基本相當,而超調量要比PID控制小。瑞5.8-對pIn榕制和橫糊控制兩種方案的比較分析5.7中國煤化工:系統循環(huán)水系統存在5.CHCNMHG.......__.....生,所以室內溫度控制5.5歲 1000 2000 3000 4000 5000 6000系統和循環(huán)水流量調節系統間存在明顯的相互影圖7模糊自適應PID控制流量響應響。從室內溫度控制來(lái)看,模糊控制在初始階段Fig.7 Fuzzy adaptive PID control flow response的調節時(shí)間和超調量方面比PID控制差些,但還第12期其它Others●73●都在可以接受的范圍內，階躍響應基本相當;對于荷、風(fēng)機盤(pán)管執行器、傳感器和循環(huán)水系統的傳循環(huán)水流量控制系統，還是應該選擇相對平穩的遞函數模型。我們設計了太陽(yáng)能熱泵熱水系統循調節方式,這樣可以避免水泵頻繁改變流量,維持環(huán)水系統的PID控制、模糊控制、模糊自適應PID系統管路的水力穩定。因此,對于室內溫度和循控制三種方案。.環(huán)水流量組成的聯(lián)合控制系統而言,模糊控制方( 3 )利用MATLAB/Simulink工具,對設計的案更合適。三種控制方案進(jìn)行了仿真,結果表明,模糊自適應(2)模糊自適應PID控制與另兩方案的比較PID控制室內溫度初始調節過(guò)程的調節時(shí)間和超模糊自適應PID控制室內溫度初始調節過(guò)程調量與PID控制相當,均比模糊控制少得多。對的調節時(shí)間和超調量與PID控制相當,均比模糊于溫度的階躍響應，三種方案的反應能力基本相控制少得多。在溫度階躍響應仿真中,三種方案當。循環(huán)水流量的調節方面，模糊自適應PID控的反應能力基本相當。在循環(huán)水流量的調節上，制條件下,循環(huán)水系統的調節效果均比另兩種方模糊自適應PID控制初始調節過(guò)程的調節時(shí)間是案理想。PID控制和模糊控制的80%,超調量分別是PID(4)模糊自適應PID控制能夠在線(xiàn)調整控制控制和模糊控制的14.95%和20%;在階躍響應系統的特性參數,適應系統運行變化的能力強,在方面,模糊自適應PID控制的調節時(shí)間分別是太陽(yáng)能熱泵熱水系統的循環(huán)水系統運行控制問(wèn)題PID控制和模糊控制的75%和85.71%,超調量上,具有明顯的優(yōu)勢。分別是PID控制和模糊控制的12. 5%和20.75%。由對比分析可見(jiàn),模糊自適應PID控制條參考文獻件下循環(huán)水系統的調節效果最理想。太陽(yáng)能熱泵熱水系統的循環(huán)水系統比較復[1 ]何梓年.太陽(yáng)能熱利用[ M]合肥:中國科學(xué)技術(shù)大雜,而且系統在運行過(guò)程中存在較明顯的不確定學(xué)出版社,2009.性擾動(dòng),一方面是系統對象的特性參數隨著(zhù)設備[ 2 ] Huang B J, ChyngJ P. Performance characteristic of in-的磨損老化發(fā)生了改變,使系統本身的特性產(chǎn)生tegral type solar - assisted heat pump[ J ]. Solar Ener-gy, 2001, 71: 403 -414.變化;另--方面是系統在運行過(guò)程中存在不確定. 3 ] Cervantes J G,Torres - Reyes E. Experiments on a solar的室內外擾動(dòng),如室外環(huán)境的變化,室內人員、照- assisted heat pump and an exergy analysis of the sys-明、設備的不規律變化引起的負荷波動(dòng)等。由于tem[ J ]. Applied Thermal Engineering, 2002, 22: 1PID控制和模糊控制本身的局限性,不能很好地289-1 297. .適應系統這種適時(shí)的變化。模糊自適應PID控制[4]董玉平,由世俊,汪洪軍,等.太陽(yáng)能-地源熱泵綜合能夠在線(xiàn)調整控制系統的特性參數,隨時(shí)適應系系統的經(jīng)濟分析[ J]. 煤氣與熱力,2003,23( 12 ):734統的運行變化,有效克服了PID控制和模糊控制- 737 ,740.的不足。通過(guò)仿真也可以看出,模糊自適應PID[5]徐優(yōu)優(yōu).直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水系統微型自動(dòng)控制控制具有比另兩種方案更好的控制效果。因此，器開(kāi)發(fā)及其控制性能研究[ D].上海:上海交通大學(xué),綜合比較文中提出的三種控制方案可以得出,在.2007.[6]李郁武.直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水裝置的優(yōu)化分析與變容量運行研究[ D]. 上海:上海交通大學(xué),2007.上,模糊自適應PID控制具有明顯的優(yōu)勢。[7]王磊.太陽(yáng)熱水系統控制器的研究和應用[D].天津:天津大學(xué),2003.5結論中國煤化工的自適應模糊控制[ D](1)所設計的太陽(yáng)能熱泵熱水系統既具有普1HCNMHG9]餒耶.升聯(lián)式太陽(yáng)能熱呆熱水機組智能控制系統研通太陽(yáng)能熱泵的優(yōu)勢,又能夠實(shí)現供暖、供冷、全究[ D].長(cháng)沙:中南大學(xué),2009.年供應生活熱水等多種功能,具有廣闊應用空間。[ 10 ;施俊良.室溫自動(dòng)調節原理和應用[ M ].北京:中國(2 )采用機理建模的方法建立了房間冷負建筑工業(yè)出版社, 1983.