（热能工程专业论文）土壤源热泵系统运行特性与动态仿真研究.pdf

中文摘要 土壤源热泵系统因其显著的节能和环保特点，受到越来越多的重视，美国、 德国及瑞典等西方国家的土壤源热泵技术应用日趋成熟。而我国尚缺乏有关土 壤源热泵动态性能和节能潜力的一些基础研究。鉴于此，本文拟开展土壤源热 泵系统的理论和实验研究，以期得到土壤源热泵系统的基本特点和动态运行规 律。 结合一建筑物使用特点和天津当地的水文地质条件，建立了由桩埋管和井 埋管组合型的埋地换热器土壤源热泵供暖空调实验系统，针对该实验系统自行 设计开发一套计算机数据采集和监控系统，以满足不同季节、不同运行工况下 土壤源热泵系统各种运行参数实时自动采集的需要。在此基础上，开展土壤源 热泵系统冬季和夏季工况的运行特性实验研究，重点对以土壤为热汇的耦合式 热泵系统的循环性能：变化规律和特点进行分析和总结。 针对实验系统中水源热泵机组所采用的单螺杆式压缩机，运用热力学方法 对单螺杆式压缩机进行理论研究，建立模拟水源热泵机组运行过程的稳态数学 模型，并编制制冷剂物性参数计算程序联立求解，以获得水源热泵机组在不同 工况下的循环特性，并对典型运行工况下模拟结果与实验结果作验证。 通过分析土壤源热泵系统各个部分的内在耦合关系，结合工程应用特点， 采用机理建模方法，建立土壤源热泵系统的物理模型和动态数学模型，并引入 模糊智能控制方法，以m a t l a b s i m u l i n k 为平台，编制仿真程序进行系统仿真。 区别于常规仿真中，采用运行时间内的外界扰量突然跃变或热泵启动工况下的 非稳态仿真方法，本文首次采用外界扰量在运行时间内连续变化的动态仿真模 型。同时，选取冬季某天实测室外温度变化扰量作为输入，对系统进行仿真模 拟，并将仿真结果与实验值作对比分析，以验证所建动态数学模型的正确性。 关键词： 土壤源热泵计算机数据采集和监控系统循环特性动态仿真 a b s t r a c t g r o u n d c o u p l e dh e a tp u m p ( g c h p ) s y s t e mi sb e c o m i n gt h em o r ea n dm o r e f o c u so f t h ew o r l d sa t t e n t i o na sah v a c t e c h n i q u e o f e n e r g ys a v i n ga n d e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n g c h pt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yi nh e a t i n g ，h a sb e c o m em a t u r i t yi nu s a 、 g e r m a n 、s w e d e na n ds oo n a tp r e s e n t t h e r ei sal a c ko f t h ef u n d a m e n t a ls t u d yo f i t s d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dt h es i t u a t i o n o fi t s e n e r g ys a v i n gp o t e n t i a l i nc h i n a t h e r e f o r e ，i t i s i m p o r t a n t t o i n v e s t i g a t e i t s c o m p o n e n tp e r f o r m a n c e a n dt h e a p p l i c a t i o ni s s u e s f o rt h i sp u r p o s e ，ar e s e a r c h o ng c h ps y s t e mi sc a r r i e do u t t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y i nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h eh y d r o g e o l o g yi nt i a n j i na n du s e r sp r a c t i c a ld e m a n d ，ag c h p e x p e r i m e n ts y s t e mw i t l lt w od i f f e r e n tu n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r so fs t a k e b u r i e d t u b ea n dv e r t i c a lu - t u b ei se s t a b l i s h e db a s e do nt h ef o r m e re x p e r i m e n t a ld a t ao f s i n g l eu - p i p eu n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r a i ma t t h es y s t e m ，w er e s e a r c ha n d d e v e l o pad e v i c eo fc o m p u t e rs u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ( s c a d a ) ， w h i c hc a nm e e tt h e a u t o - a c q u i s i t i o nd e m a n d so ft h eg c h ps y s t e m i nd i f f e r e n t s e a s o n sa n dv a r i o t i sm o d e s o nt h i sc o n d i t i o n , e x p e r i m e n t so no p e r a t i o np r o p e r t yo f t h eg c h pw e r ec o n d u c t e di nw i n t e ra n ds u m n l e rr e s p e c t i v e l y t h ec o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c ea n d c h a r a c t e r i s t i c so f t h eg c h p c y c l e a r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d t o a n a l y z ep e r f o r m a n c e o f s i n g l e c o m p r e s s o r i nw a t e rs o n r c eh e a t p u m p ( w s h p ) t h et h e o r e t i c a ls t u d yo ns i n g l e c o m p r e s s o ra r ec a r r i e do u tw i lt h e t h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i s o nt h eb a s i so fa b o v e ，as t e a d y s t a t em a t h e m a t i c a lm o d e l a n dap r o g r a mo nr 2 2a r em a d et os i m u l a t et h eo p e r a t i n gp r o c e s so ft h ew s h p , i n o r d e rt og a i no p e r a t i n g p e r f o r m a n c e o fg c h pa td i f f e r e n tc o n d i t i o n s a p h y s i c a l & d y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e g c h ps y s t e mw i t ht h e m e c h a n i s m m o d e l i n gm e t h o da r em a d e b e s i d e s ，f u z z yc o n t r o lm e t h o da r ea p p l i e di n t h es y s t e m u l t i m a t e l y , d y n a m i co p e r a t i n gs i m u l a t i o np r o g r a m sa r em a d ew i t ht h e h e l po fm a t l a b s i m u l i n k t h em o d e lc a r lb eu s e dt os i m u l a t eo p e r a t i o no ft h eg c h p s y s t e m 、i t hs u r r o u n d i n g sd i s t u r b a n c ec o n t i n u o u sv a r i a t i o n i ti sd i f f e r e n tf r o m t r a d i t i o ns i m u l a t i o no f s k i pv a r i e t yo f d i s t u r b a n c eo rs t a r t u pm o d eo fh e a t p u m p a n d i ti sv e r i f i e db yt h ee x p e r i 1 e mr e s u l t so f t h eg c i - i p s y s t e m k e y w o r d s ：g c h p , s c a d a ，o p e r a t i n gp e d r o r f f l a n c e ，d y n a m i cs i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：江洪军 签字日期：2 d 。4 年f 月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：汪绦军 导师签名：张旧 签字目期：力蝉年，月箩日签字日期：似4 - 年j 月，日 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 能源和环境问题是当代人类面临的两个重大社会问题。能源是促进经济发 展的动力，是人类社会发展的物质基础，但随着世界经济和人口的迅速增长， 能源消耗急剧增加，而能源利用技术的进步将降低能源强度( 单位国民生产总 值所消耗的能源) ，从而缓和日益增长的能源需求。据推算 1 1 ，到2 0 2 0 年全球能 源需求量为1 5 0 亿t o e ，全球消耗的煤炭、石油和天然气将分别达到3 8 、5 3 和 3 5 亿t o e 。能源的过度开发与消费累计的效应，产生了制约经济发展和影响人类 生存的环境污染问题，温室气体排放所引起的气候变化已对全球生态和人类社 会发展构成了严重挑战。据l e a 计算 2 1 ，1 9 9 5 年由人类活动释放到大气中的二 氧化碳总排放量为2 2 0 亿t o e ，j h o u g h t o n 估计 3 1 ，其中的大约4 5 留在大气中。 在我国，进入2 1 世纪以来，建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高。 减少我国冬季采暖所造成的大气污染，降低供暖空调系统的能耗、节约能源是 建筑节能和暖通空调工作者一直追求的目标，特别是近几年来大中城市为改善 大气环境，迫切需要减少燃煤量、大力推广使用包括可再生能源的清洁能源 4 1 。 1 9 9 9 年我国建筑能耗占社会总能耗的2 0 2 5 ，而在西方发达国家，建筑能 耗一般占全国能耗的3 0 4 0 。建筑能耗对温室气体的排放有着重要的影响 ”j 。以日本为例 6 1 ，在所有温室气体相当于c 0 2 的排放量中，建设业占4 l 3 ， 其中建筑业占3 2 9 。在建筑能耗中，采暖和空调占主要比例，一般为5 0 7 0 。所以空调冷热源的选择，对能源发展和环境有着重要的影响 7 1 。根据我国 图1 - 1 日本建筑业c 0 2 排放量的比例图1 2 空调系统与建设期c o ，排放 第一章绪论 目前空调冷热源的使用方式，文献 6 】推算，暖通空调在我国温室气体排放中的 贡献率约在1 5 以上。文献 6 】通过对某典型办公楼建筑物的寿命周期c 0 2 排量 可得出图1 2 所示的结果。 从图1 2 中可以看出，空调设备运行中冷热源排放的c 0 2 等温室气体量最 多，占总量的5 3 ，约在5 k g c m 2 a 范围内，空调输送动力设备等耗电所引 起的排放量占2 6 ，这两项共计7 9 。而建设期c 0 2 排放则主要是因原材料加 工制造所造成的，其总量仅占5 ，由此可见，抑制建筑物对环境负荷的压力， 即温室气体排放，与空调冷热源方式关系很大【7 】。特别是二十世纪7 0 年代发生 的全球能源危机和近年来提出的可持续发展理论，促进了空调行业对旨在减少 能源消耗和改善对环境负面效应的新技术开发和研究。 地源热泵( g r o u n d s o u r c eh e a tp u m p ，简称g s h p ) 技术就是随着全球性的能 源危机和环境问题的出现逐渐兴起的一门技术。g s h p 是一种通过输入少量的高 品位能源( 如电能) ，实现低品位热能( 也称地能，包括地下水、土壤和地表水 等) 向高品位热能转移的热泵空调系统。根据利用地热资源的不同，g s h p 系统 分为三种形式：土壤源热泵系统( g r o u n d c o u p l e dh e a tp u m p ，简称g c h p ) 、地 下水源热泵系统( g r o u n dw a t e rh e a tp u m p ，简称g w h p ) 和地表水源热泵系统 ( s t z r f a c ew a t e rh e a tp u m p ，简称s w h p ) i s j 。本文主要讨论土壤源热泵系统 ( g c h p ) 。土壤源热泵系统其实质就是把传统空调器的冷凝器或蒸发器直接埋 入地下，使其与土壤进行热交换，或是通过中间介质( 通常是水) 作为冷热载 体，并使中间介质在封闭环路中通过土壤循环流动，从而实现与土壤进行热交 换的目的睁j 。其原理见图1 3 。 图1 3 土壤源热泵系统示意图 土壤源热泵真正意义上的商业应用也只有二十多年的历史，最初主要应用 于住宅建筑，最近几年，在学校、办公室等公用建筑中也得到了广泛的应用， j e b o s e 对地源热泵在最近5 年的发展情况进行了评述。根据a r i 和美国能源部 能源气象局e i a ( e n e r g yi n f o r m a t i o no f a d m i n i s t r a t i o n ) 统计，美国每年新安装的地 源热泵为3 5 0 0 0 到5 0 0 0 0 台，目前已安装地源热泵5 0 万台，总装机容量为 4 8 0 0 k w 。2 0 0 1 年世界范围内地源热泵的安装总容量为6 6 7 5 4 r o w 。总的供热量 第一章绪论 和供冷量为2 3 2 6 8 9 t j y r i l 。 国内在土壤源热泵方面的研究工作尚属起步阶段，目前真正的实际工程应 用实例还较少，而且我国地处北温带，国土的大部分一年四季分明，因此简单 的引进西方技术是不行的，必须根据我国地理气象条件和土壤条件研究开发出 一套适合我国国情的土壤源热泵技术资料，以促进我国土壤源热泵的市场化、 产业化的发展，使我国土壤源热泵的研究开发尽快跟上国际潮流降j 。 1 2 课题研究现状 1 2 1 壤源热泵技术国内外研究现状 1 国外研究现状 土壤源热泵供暖空调技术是一项使用可再生能源的高效节能、有利于环境 保护和可持续发展的工程技术。1 9 1 2 年瑞士z o e l l y 首次提出利用土壤源作为热 泵系统低温热源的概念，并申请了专利。二十世纪五十年代，z o e l l y 的专利技术 真正引起了人们的普遍关注，欧美各国开始了研究利用地源热泵的第一次高潮， 在此期间i n g e r s o l l 等开展了地下埋管传热的理论研究 1 1 】。 1 9 7 3 年在欧美等国开始的“能源危机”促使人们对土壤源热泵的研究逐渐 活跃。欧洲在8 0 年代初先后召开了5 次大型的土壤源热泵的专题国际学术会议， 瑞典已安装了1 0 0 0 多台( 套) 土壤源一水热泵装置。美国从8 0 年代初开始， 在能源部( d o e ) 的直接资助下由o r n l ( 橡树岭) 、b n l ( 布鲁克黑文) 等国 家实验室和o k l a h o m as 龇eu n i v e r s i t y 等研究机构开展了大规模的研究，为土壤 源热泵的推广起到了重要的作用。这一时期的主要工作是对埋地换热器的地下 换热过程进行研究，建立相应的数学模型并进行数值仿真，这些成果反映在j e b o s e 、j dp a r k e r 1 2 】、e d m e t z 1 3 及v cm d 1 4 等人的论文和研究报告中。 这一阶段的成果最终体现在两本a s h r a e 出版设计安装手册中 15 、【1 6 】和文献 【1 7 中。 上世纪9 0 年代以来，土壤源热泵的研究热点依然集中在埋地换热器的换热 机理、强化换热及热泵系统与埋地换热器匹配等方面。与前阶段单纯采用的“ 线热源”传热模型不同，最新的研究更多地关注相互耦合的传热、传质模型，以 便更好的模拟埋地换热器的真实换热状况【18 】、【1 9 ；同时开始研究采用热物性 更好的回填材料，以强化埋管在土壤中的导热过程，从而降低系统用于安装埋 管的初投资 2 0 】、 2 l 】；为进一步优化系统，有关埋地换热器与热泵装置的摄佳 匹配参数的研究也在开展【2 2 】、 2 3 】。国际最新研究动态表明，有关埋地换热器 第一章绪论 的传热强化、土壤源热泵系统仿真及最佳匹配参数的研究都是土壤源热泵发展 的”核心”技术课题，也是涉及多个基础学科领域且极具挑战性的研究工作。 2 国内研究现状 土壤源热泵的研究在国内大致可分为两个阶段。 在9 0 年代初以前，主要由天津大学吕灿仁、马一太等开展的地热水源热泵 采暖的研究和天津商学院高祖锟等人所开展的浅层螺旋盘管埋地换热器土壤源 热泵系统的研究( 埋管深度地下1 , 6 m ) 。这一阶段研究工作的主要内容是研究利 用热泵技术实现低温地热水采暖研究和探讨在我国利用土壤源热泵技术的可行 性，相对而言，地热水源热泵取得了较多的理论研究成果，而对土壤源热泵的 埋管换热机理和地源热泵的运行性能则没有开展更多的研究。 自1 9 9 7 年以来，我国开始了以土壤为热源的地源热泵的理论与实验研究的 高潮。其中具有代表性的有：重庆建筑大学开展的浅埋竖直套管的实验与理论 研究、同济大学开展的4 0 m 5 0 m 埋深的u 型竖直埋管地源热泵的性能试验和 土壤热物性的测试试验、青岛建筑工程学院的5 3 m 的地源热泵性能测试和实验 分析、天津大学开展的结合示范性系统工程进行的施工前期土壤源热泵理论和 实验研究等j 。 1 2 2 制冷空调系统计算机仿真技术研究现状【2 5 】 自2 0 世纪6 0 年代开始，仿真技术开始在制冷、+ 空调领域开始得到应用。 经过几十年的发展，这种技术在该领域内得到了充分的研究和广泛的应用，对 制冷空调系统的运行特性研究、产品技术创新起到了非常重要的作用。 传统的制冷、空调装置设计手段是开发研究人员提出一种系统方案，并制 出相应的样机，然后在实验台上进行样机性能测试，通过实验对装置的可靠性 和运行效率进行改进。从理论上讲，实验改进方法是一种科学严谨的研究方法， 但由于实验条件、测试精度、经济条件以及开发时间上的限制，使其无法对装 置的实际运行进行较全面的预测和较理想的改进。而仿真技术则可以帮助人们 更有效地利用计算机手段最大限度地改进所研究系统的性能。通过计算机仿真， 原来需要在实际装置上进行的实验，很多就可以在计算机上实现，这样不仅可 以节省大量的实验费用，而且节省开发时间，使厂家根据市场开发产品的反应 速度大大加快。 计算机仿真模型在房间空调器系统中得到应用以来，有关房间空调器系统及 部件的仿真模拟得到了越来越深入的研究。房间空调器模拟的目的之一是对现 第一章绪论 有的房问空调器系统的性能进行校核，其次是通过改变系统或部件的结构实现 系统的最优化设计，同时为控制系统提供被控软件。仿真模拟的最终目的是期 望最大限度地代替实验【2 5 2 8 1 。 1 制冷空调系统仿真模型的研究 1 ) 建模方法 系统模型的建立是系统仿真的核心问题。系统模型是实际系统或过程在某 些方面特性的一种表现形式，它能反映出系统和过程的行为特性。围绕着系统 应该有什么样的模型，如何建立或获取模型以及所建模型是否真实地反应了实 际系统运行特性等同题，人们展开了大量的工作。系统建模方法主要有机理建 模方法和辨识建模方法两种。 机理建模方法是最基本的系统建模方法，采用机理建模方法时，必须对实 际系统进行深入的分析、研究，善于提取本质、主流方面的因素，忽略一些非 本质、次要的因素，合理确定对系统模型准确度有决定性影响的物理变量及其 相互作用关系，适当舍弃对系统性能影响徽弱的物理变量和相互作用关系，避 免出现冗长、复杂、繁琐的公式方程堆砌。最终目的是要建造出既简单清晰， 又有相当精度，基本反映实际物理过程的系统模型。本文所研究的土壤源热泵 系统就是基于此方法进行建模的。 辨识建模方法就是采用系统辨识技术，根据系统实际运行或试验过程中所 取得的输入输出数据，利用各种辨识算法来建立模型的动静态数学模型，近十 几年来，尤其是近几年，随着模糊集合理论和神经网络理论的发展，模糊建模 方法、基于神经网络的建模方法和基于模糊神经网络的建模方法等发展十分迅 速，并在具有不确定性、非线性等特性的系统的建模方面，得到了广泛的应用。 目前，线性系统的辨识理论比较成熟，其主要方法有：最小二乘法，递推 最小二乘法，广义最小二乘法，增广最小二乘法，辅助变量法，k a l m a n 滤波法， 极大似然法等。而非线性系统的辨识还没有构成完整的科学体系，在理论上和 应用上都没有线性系统那样完善，所有对非线性系统辨识进行的研究一般都是 针对具体的系统。非线性系统的辨识一般有：多项式逼近法，v o l t e r r a 级数展开 法( 包括h a m m e r s t e i n 模型，w i e n e r 模型) 等，非线性系统的辨识方法仍然有许多 理论问题没有很好地解决，有待于进一步的研究和探讨。 2 ) 机组仿真模型 制冷系统机组是由换热器、节流装置和压缩机等部件相互连接而构成的一 个封闭系统，部件模型是系统模型的关键和基础。 第一章绪论 换热器 换热器模型常用集总参数法建立的黑箱模型，随着对精度要求的不断提高， 出现了分段法模型，将冷凝器分为过热气体、两相流体和过冷液体三个区段， 将蒸发器分为两相流体和过热气体两个区段，因为两项流体与单相流体在换热 与流动特性上有着很大的差别，很多工作都围绕分界点而展开。随着研究的深 入，很多学者发现两相区内不同干度下，制冷剂的流动与换热仍相差很大，更 为细致的分布参数法模型也应运而生 2 5 2 6 捌。 节流装置 房间空调器系统中的节流装置基本为毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀。 毛细管主要用于小型房间空调器系统中，而热力膨胀阀在大型房间空调系统中 的应用较多。目前，毛细管也有大型房间空调器系统中应用的趋势。电子膨胀 阀的出现增加了制冷空调系统的调节手段，提高了系统的自动化程度，现在主 要应用于变频空调系统中。 毛细管具有结构简单、价格便宜、运行可靠等优点，从本世纪二十年代起， 毛绍管褥劲越来越多的应用。但圆管内存在两相流动，使对其建模变得较为复 杂。制冷剂在两相区的流动可能存在着临界点，即最大流速点。临界点的准确 计算是判断制冷剂流动状况的关键。此外，“延时闪发”得到了许多研究者越来 越多的关注。葛云亭博士 1 】在考虑了毛细管进、出口界面突变而产生的压力损 失及临界现象外，在国内率先考虑并分析了“延迟闪发”对管内制冷剂流动的 影响，建立了分布参数法毛细管仿真模型。文献 3 0 ，3 t 也通过采用神经网络辨 识建立了基于平均参数的简化绝热毛细管仿真模型。 热力膨胀阉为节流装置，其结构比毛细管复杂得多，其模型可近似简化为 节流孔，只是进口可能为单相流或两相流。h u e l l e 3 2 1 、b e c k e y 3 3 谰力平衡分析法 建立了膨胀阀模型方程，此方程需要引进一些经验或实验得出系数。 电子膨胀阀是通过步进电机等手段使阀芯产生连续位移，从而改变制冷剂 流通面积的节流装置，文献 3 4 】借鉴热力膨胀阀的研究成果，用热力膨胀阀的建 模方法对电子膨胀阀进行建模，在后来的很多文献中都得以采用f 2 6 2 9 1 。 压缩机 压缩机是蒸汽压缩式系统中最为复杂的部件，其种类很多，如活塞式，涡 旋式，叶片式，螺杆式及离心式等。制冷范围有很大不同，使相应的建模方法 也不尽相同，有关压缩机性能方面的研究已成为一个专门学科。但是应用于制 冷空调系统仿真中，通常对其进行集总参数法建模。中效率法是一种最为简单 的建模形式，根据实际工况，用经验系数确定容积效率及电效率等，在通过与 实验数据对比来修正这些经验系数，也可得到一定的建模精度。图形法需要根 第一章绪论 据制造厂家提供的压缩机性能曲线进行回归，再由实际工况进行修正得到，一 般可得到较理想的建模精度，但所建模型只适用于某些特定性能曲线、特定型 号的压缩机，使应用范围变小。另一种相对简单的建模形式是多变压缩指数法， 这种方法一般需要对实验数据进行回归，得出压缩指数及容积效率。 关于变频压缩机的模型研究，国内外至今仍以类似于定速压缩机的效率法 为主，该方法将输气系数取为定值，均以线性改变理论输气量h ) 的方法来模拟 压缩机的频率变化3 5 1 ，其本质是认为变频压缩机的制冷能力和输入功率均与频 率( 或转速) 呈线性变化。陈华俊【3 6 】提出了基于实验数据或者厂家样本数据的变频 压缩机图形法模型，并通过修正输气系数提高了图形法模型的通用性，在很多 变频空调系统的仿真模型应用中也取得了很好的效果。 系统模型 系统的仿真模型由系统的部件模型在其必须满足的条件( 质量守恒、动量守 恒及能量守恒) 下有机结合而成。房间空调器系统的部件包括压缩机、冷凝器、 蒸发器和节流装置( 毛细管和热力膨胀阀、电子膨胀阀) 。 自从1 9 7 7 年福岛敏彦等人首次提出了帝4 冷剂充注量方程，使得模型封闭后， 系统仿真模型一直都是以质量方程、动量方程和能量方程作为控制方程对模型 进行求解。变频空调系统出现后，系统模型并无太多改变，而重点集中在变频 压缩机的模型上，采用毛细管作节流装置的变频空调系统模型与定速空调系统 模型是一样的即4 2 1 ，邵双全【4 3 1 在采用电子膨胀阀作为节流装置的变频空调系统 中，用电子膨胀阀开度满足动量方程的方法，从而使传统的三层迭代简化为两 层迭代。关于多元空调系统仿真研究方面的文献还非常少，周兴禧1 4 4 】等建立了 双联蒸发器系统仿真模型，石文星博士【2 6 】从单元系统与多元系统的相似性出发， 建立了多元空调系统两相流体网络模型，并对其求解方法进行了尝试。 但是，到目前为止，由于两相区空隙率模型还不够完善，系统内部的制冷 剂充注量计算误差还比较大，面且对于系统高低压贮液器并没有模型可以对其 内部存贮的制冷剂质量进行求解，也很大程度上影响了系统的制冷剂充注量， 这些都是需要进一步解决的问题。 3 ) 仿真算法研究 要对一个实际系统进行仿真研究，仅仅完成了数学模型的建立是不够的。 还必须将原始系统数学模型变换成能够在计算机上进行运算或试验的仿真模 型。这就涉及到仿真算法问题。因为实际系统的模型形式是多种多样的( 状态方 程、微分方程、差分方程、传递函数等) ，在求解时，都是通过计算机采用数值 计算的方法求取数值解。因此仿真算法是系统仿真的又一个重要的基础理论。 仿真算法主要有如下几个方面的问题：算法的收敛性和数值稳定性，算法精度， 第一章绪论 算法速度。 传统迭代算法 传统制冷空调系统的仿真都是针对简单制冷空调系统的，般都是采用动 量守恒、能量守恒和制冷守恒三大方程作为控制方程，一般都是采用假定初值- 迭代求解的方法对制冷空调数学模型进行计算。用毛细管作为节流装置的单元 空调系统，假定了压缩机的吸排气压力和压缩机入口过热度三个参数，用三个 方程构成三层循环进行迭代求解的；采用电子膨胀阀作为节流装置的单元空调 系统，由于引入电子膨胀阀对用压缩机入口吸气过热度的控制特性，压缩机吸 气过热度成为定值，用电子膨胀阀开度来满足动量方程，假定参数为压缩机吸 排气压力，模型求解只需要两层迭代。 有限差分算法 有限差分方法已经广泛应用于模拟仿真的各个方面，制冷系统也有采用， 但主要用于换热器的建模和计算。是将系统模型中的压缩机和电子膨胀阀采用 集总参数法模型，将毛细管，系统管路和换热器等都划分为一系列的微元段， 每个微元段都建立质量守恒、动量守恒、能量守恒和两相流动界面方程或空泡 系数方程，然后采有限差分的求解算法进行仿真求解。 这样的计算方法优点在于可以建立任意形式的系统，但是对于新建一个系 统，都要重新进行微元段的划分，增加了系统建模的工作量。同时对于复杂大 系统，模型的收敛性和求解速度还需要进一步的研究。 n r 算法 到目前为止，用n r 方程求解制冷空调系统仿真模型的方法并不多见，只 有j u n i c h i r oh a r a 等人【4 5 】用数学仿真的方法研究采用r 1 2 为制冷剂的汽车空调 制冷循环的特性时用n e w t o n r a p b _ s o n 算法求解了非线性的压力方程、温度 方程和质量方程。u i u c 的一些学者1 4 6 用此方法求解了房间空调器系统模型，但 是其蒸发器采用两区段模型，冷凝器采用三区段模型，最后模型方程共达到1 6 0 余个，如果对于采用分布参数法建立的蒸发器和冷凝器以及管路模型的系统仿 真模型，其方程的数量将远远多于其现在采用的模型，n 最方程所求解的矩阵 的维数也将大大增加，模型的可解性和收敛性也需要进一步进行研究。 人工神经网络算法 人工神经网络是近年来得到迅速发展的一个前沿课题。神经网络由于其大 规模并行处理、容错性、自组织和自适应能力的特点，已成为解决很多问题的 有力工具，对突破现有科学技术的瓶颈，更深入探索非线性等浮在现象起到了 重大作用，已广泛应用在许多工程领域。人工神经元是生物神经元特性及功能 的数学抽象，神经网络通常指由大量神经元互连而构成的一种计算结构，它在 第一章绪论 某种程度上可以模拟生物神经系统的工作过程，从而具备解决实际问题的能力。 神经网络优化算法就是利用神经网络逐年国神经元的协同并行计算能力来构造 的优化算法，它将实际问题的优化解与神经网络的稳定状态相对应，把对实际 问题的优化过程映射为神经网络的演化过程。上海交通大学丁国良等人。u j 一 直致力于制冷空调系统仿真中智能算法的研究。其中主要尝试了神经元算法等 在制冷空调仿真建模与模型求解中的应用。在毛细管与压缩机的建模方面取得 了比较好的效果。 2 、土壤源热泵系统仿真模型的研究p j 土壤源热泵系统包括埋地换热器、热泵机组和空调末端装置三部分，所以， 系统仿真模型包括埋地换热器传热模型、热泵机组工作性能数学模型和空调末 端房间模型，系统仿真模型包括稳态模型和非稳态模型两种。 所谓稳态模型是指土壤源热泵系统模型中埋管传热模型和热泵机组以及房 间模型都是稳态模型。稳态模型从埋管方式分有垂直埋管稳态模型和水平埋管 稳态模型。1 9 7 9 年f o r d s m a n d 和e g g e r s - l u r a 提出了垂直埋管系统，在埋管传热 和热泵机组运行工况都进入稳定情况下的土壤热源热泵系统数学模型，可以计 算每月的热泵机组性能参数；1 9 7 9 年o e e m e r t 和s t e f f e n s ，1 9 8 0 年g e e r a e r t 课题 组提出了二维、线热源、半无限大传热的水平盘管系统，在埋管传热和热泵机 组运行都进入稳态工况情况下的土壤热源热泵系统数学模型，该模型与实测数 据相比，计算结果总的盘管偏大，相差2 2 ，所以稳态模型一般作为估算用。 动态模型根据动态导热方程建立，包括埋管传热模型和热泵机组模型都是 动态模型，单独的埋管动态传热模型和热泵机组动态数学模型以及两者结合的 系统动态模型都有文献报道【8 j 。但对整个土壤源热泵系统的动态模型未见详细报 道，在文献 5 1 曾提到t r n s y s ( t r a n s i e n ts y s t e ms i m u l a t i o np r o g r a m ) 动态系 统模拟软件，此软件包括维护结构、房间。风机、水泵、太阳能集热器、蓄热 器、热泵等子模块，但其中热泵机组模型是稳态数学模型，只模拟机组稳态性 能参数，其热泵机组输入功率模拟结果与实际工况偏差2 5 。埋管动态传热模 型和热泵机组动态性能模型，按照模型建立和求解方法可以分为：分析法 ( i n g e r s o l la n dp l a s s1 9 4 8 ；h a d l e y1 9 4 9 ；v e s t a l1 9 5 6 ) 、集中参数法( s k a r t r e d t 1 9 8 0 ；c l a e s s o na n dj o h a n s s o n1 9 8 0 ) 、有限差分法( s c h l o s s e r1 9 7 8 ；a n d r e w sa n d m e t g1 9 7 9 ；等) 、有限元法( w h i t a e r e1 9 7 2 ；a t k i n s o n1 9 7 8 ；等) 四种，各种模型各 有特点，如有限元模型利用数学关系，计算中时间步长比有限差分法取得长， 计算稳定性好，但是所有模型中，埋管的传热都是以一维导热分析。 第一章绪论 1 3 本文主要工作 根据对国内外热泵技术的发展现状和最新研究动态分析，结合天津市梅江 小区综合办公楼科研工程，建立了土壤源热泵工程应用实验系统。本文主要工 作内容有：针对该实验系统建立了一套实时数据采集系统，开展实验和水源热 泵机组循环理论研究，在此基础上，开展对整个壤源热泵系统智能控制的动 态仿真研究。 ( 1 ) 针对所建立的实验系统，研制开发了一套计算机数据采集与监控( s c a d a ) 系统，该系统由传感器、数据采集模块及工控机等硬件和组态软件与自行编制 的应用软件等组成。实现对整个土壤源热泵系统的计算机自动采集与处理，采 集和显示数据包括地下土壤、埋地换热器、空调水环路、水源热泵机组等的温 度、流量和功率信号，并可实时计算出相关的热性能参数。 ( 2 ) 开展土壤源热泵系统实验研究，考虑到当地的水文地质条件和实际工程需 要，以及在对该地区施工前期单井单管实验研究的基础上，建立了由桩埋管和 井埋管组合而成的埋地换热器土壤源热泵供暖空调实验系统。在此实验系统上， 分别进行冬季供热工况和夏季供冷工况的实验研究。 ( 3 ) 结合所建实验系统，开展单螺杆式水源热泵机组冬、夏季节热力循环和不 同运行参数条件下的循环特性研究，并对典型运行工况下理论模拟值进行了实 验验证对比。鉴于所研究实验系统中采用的单螺杆压缩机目前尚缺乏基础的性 能数据，所以，首先对单螺杆式压缩机的循环性能迸行了分析。 ( 4 ) 开展土壤源热泵系统智能控制的动态仿真研究。在对目前土壤源热泵系统 模型研究的基础上，利用机理建模方法建立起基于课题组前期提出的内热源理 论耦合地上水源热泵机组以及房间负荷的动态数学模型，并引入模糊( f u z z y ) 智能控制方法，采用m a t l a b s i m u l i n k 搭建系统模型，开展了土壤源热泵系统智 能控制的动态运行仿真。并以实测某一天室外温度值作为输入进行系统运行仿 真，将仿真结果与实验结果作对比，来验证所建模型的正确性。 第二章土壤源热泵s c a d a 系统的研制与实现 第二章土壤源热泵s c a d a 系统的研制与实现 在自然科学领域，任何新理论和新发现的验证都需要高精度的测量实验数 据。土壤源热泵系统作为一门新兴的供暖空调技术，为对其进行深入的研究， 获得全面而又准确的实验测试数据显得尤为重要。本章结合所建立的土壤源热 泵实验系统( 实验系统详细介绍祥见本文第三章) ，研制开发了一套由西门予 s 7 2 0 0p l c 与巨腾x c 2 0 0 0 p l c 和p c 机组成的计算机数据采集与监控( s c a d a ) 系统，在本章中将详细介绍s c a d a 系统的设计特点、硬件配置、软件组成和测 试系统所实现的功能，并对测量系统的精度进行分析。以期能对后几章拟开展 的实验和理论研究提供了必要的测试方法和手段。 2 1s c a d a 系统组成与软、硬件配置 s c a d a 系统包括相应的硬件系统和软件系统，可实现采集包括温度、流量、 功率传感器变送的4 0 路4 2 0 m a d c 或1 5 v 标准信号，以及2 2 路输入输出 开关变量以实现对机组报警保护监控。并且还预留8 个通道以便拓展采集路数。 该s c a d a 系统由天津市梅江生态小区综合办公楼监控中心集中控铷。站控系统 采用基于真正客户服务器模式和i n t e r n e t i n t e m e t 浏览器技术的k i n g v i e w 6 0 1 监 控软件，它是一种分布式的自动化和控制软件 5 2 1 。其基本功能是数据采集和过 程监控，还具有报警、控制、报表和绘制实时历史曲线等功能。 2 1 1 硬件配置 图2 - 1 为土壤源热泵数据采集系统的硬件组成框图，可编程控制器( p l c ) k 3 j 对各传感器数据进行实时采集，然后将采集数据和信号送至上位机，上位杌 将数据存入数据库，并实现对系统的实时监控等功能。 1 上位机与通讯接口 p c 机作为上位机，主要完成整个系统的运行监控和流程的控制、数据后期 处理、曲线、报表的生成和打印以及与下位机的通讯等功能。p c 机与p l c 的通 讯通过两个2 3 2 串行口进李亍。 2 传感器和数据采集 第二章土壤源热泵s c a d a 系统的研制与实现 系统中3 2 个温度传感器、4 个涡轮流量传感器和4 个功率传感器通过x c 2 0 0 0 实现数据采集；其余8 个温 度传感器和2 2 个开关保护 变量则使用s 7 2 0 0 来完成 对机组的实时采集和监控。 3 p l c 系统 该系统采用了巨腾 p l c x c 2 0 0 0 和西门子 p l c s 7 2 0 0 分别实现对整 个土壤源热泵系统的测试 和两台热泵机组的监控。 x c 2 0 0 0 主要承担系统的 数据采集，s 7 - 2 0 0 承担系 统的控制任务以实现对机 组的保护。系统配置如表2 1 凰 功f 功 引剥 i 开l开】 淄 量11 量1 | ! 2 2 f 图2 1 硬件系统原理结构框图 表2 - 1p l c 系统配置 p l c 型号 模块名称通道( 点) 数 功能 x c 2 0 0 0 x c _ 2 0 0 0 q s ( c p u ) i 块逻辑和数学运算 ( 巨腾)p o w e r ( 电源) 1 块p l c 系统工作电源 r s 2 3 2 4 8 5 ( 通信) 1 块 与上位机间的通信 u a i i s o o g ( 模拟输入) 3 2 路温度测量 模拟输出 ( u a i ) 3 2 路温度测量值送入p c 机 a l h l 8 ( 模拟输入) 8 路 流量、功率测量 模拟输出 ( a i )8 路 流量、功率测量送入p c 机 s 7 _ 2 0 0 c p u 2 2 6l 块逻辑和数学运算 ( 西门子) p o w e r ( 电源) 1 块p l c 系统工作电源 r s 2 3 2 4 8 5( 通信)1 块 与上位机间的通信 模拟输入( v w )8 路温度测量 模拟输出 ( v w ) 8 路温度测量值送入工业p c 开关量输入( i ) 1 2 路 压机高、低压保护 开关量输出( q ) 1 0 路 电机相序、水流量控制保护 第二章土壤源热泵s c a d a 系统的研制与实现 2 1 2 系统软件 土壤源热泵数据采集系统软件模块结构图如图2 - 2 所示，系统以 下水流冬夏运行工况，如图2 - 3 所示。 图2 2 系统软件模块结构图 2 一层机房运行模块：利用土壤 源热泵系统实际运行模式自动调节不同的运行工况，对温度、流量、功率测量 参数实时显示，并对压缩机排气温度、电机相序和断水保护等进行实时报警监 控，如图2 - 4 所示。 3 二层机房运行模块：实时动态显示二层机房地下水平埋管的进出口温度以 及流量、空调循环水进出口温度以及流量和机组的功率。 4 报表模块：报表有实时报表和历史报表组成，实时报表实现对采集数据的 实时报表输出，并能联结系统检测总貌画面：历