（机械电子工程专业论文）太阳能相变蓄热新风控制系统的研究.pdf

独创性 或创新性 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 本人签名 玉函函 日期 2 剑曼 6 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学 学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许学位论文被查阅和借 阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它 复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后遵守此规定 保密论文注释 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书 非保密论 文注释 本学位论文不属于保密范围 适用本授权书 本人签名 上函函日期 塑f q 2 导师签名 兹丑函日期 皇盟旦 z 7 北京邮电大学博十学位论文 摘要 摘要 太阳能一相变蓄热新风系统是把太阳能技术和相变蓄热技术相结合用于房问 有组织通风换气的新型辅助供暖系统 国内针对太阳能 相变蓄热新风系统的研 究相对较少 对其热力学建模 控制算法及系统辨识的研究也不多见 而太阳能 相变蓄热新风系统的建模以及控制问题对整个系统的热利用效率至关重要 关 系到能源消耗问题 将很可能成为这个领域的研究热点 为便于对新风系统理论分析和实验研究 先后搭建了太阳能 相变蓄热新风 系统实验平台和模拟系统实验平台 在此基础上 通过对太阳能一相变蓄热新风 模拟系统的研究和分析 本文提出了系统的运行模式及其控制方法 深入分析了 系统各部件的数学模型 研究了太阳能 相变蓄热新风温度的控制策略 提出把 模糊控制算法应用到太阳能 相变蓄热新风系统的控制中 并最终实现了基于 c a n 总线技术的太阳能 相变蓄热新风模拟系统的模糊控制 此外 本文还利用 采集的新风温度和热媒水流量的数据 进行了基于自适应模糊神经网络的非线性 系统建模与参数辨识的仿真研究 文中的主要内容和成果如下 1 利用一套太阳能热水一相变蓄热一空气 水新风换热体系 研究了太阳能 相变蓄热新风系统的工作原理 分析了在不同的供暖阶段系统的主要运行模式和 各部分的运行规律 最终设计实现了基于c a n 总线的太阳能 相变蓄热新风系统 的测量与控制 2 设计并搭建了太阳能 相变蓄热新风模拟测控系统 首次提出了系统的三 种控制模式及模式转换控制方案 在充分考虑系统非线性 滞后性的基础上 确 定了系统总体控制目标 为整个控制系统的设计与性能评价确立了理论依据 3 基于太阳能 相变蓄热新风模拟系统 设计完成了手动控制实验 通过运 行测控系统验证了系统设计的正确性 掌握了系统各部件的运行特性 同时获得 了大量有效的实验数据 为新风模拟系统模糊控制的实现 自适应神经模糊建模 与参数辨识提供了数据支持 4 研究并构建了太阳能 相变蓄热新风模拟系统的风机盘管数学模型 房间 温度数学模型 其中房间温度数学模型充分考虑了外界环境温度以及热负载等干 扰因素 以更准确地模拟实际系统特性 为验证模糊控制器设计的合理性与有效 性夯实了基础 5 作为本文的主要研究内容 提出将m a m d a n i 型的模糊控制算法用于太阳 能 相变蓄热新风模拟系统的新风温度控制中 设计实现了系统三种运行模式的 模糊控制器 并在建立的风机盘管的模型上进行了m a t l a b 仿真 6 针对太阳能 相变蓄热新风模拟系统的数学模型难以精确建立的特点 设 北京邮电大学博士学位论文摘要 计了基于自适应神经模糊推理的控制器 应用b p 神经元网络的误差反传算法 对输入变量隶属度函数和输出变量进行参数辨识 结果表明 该算法采用神经网 络与模糊推理结合的建模和参数辨识方法 可以很大程度上逼近太阳能 相变蓄 热新风模拟系统的特性 误差几乎为零 7 设计并进行大量的太阳能 相变蓄热新风系统模糊控制实验 验证本文提 出模糊控制算法的合理性 实验结果表明 本文所实现的模糊控制系统具有响应 快速 鲁棒性强 稳定性高的特点 满足对新风出口温度的控制要求 本文的工作可以为今后太阳能 相变蓄热新风系统的控制研究提供理论基础 和技术支持 关键词 太阳能 相变蓄热 新风 数学模型 模糊控制 自适应神经模糊 建模 参数辨识 北京邮电盔堂堕圭兰垡笙壅 竺翌垦垒竺 一一一一 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n a l lt h er e s e a r c hw o r ki sm a i n l ya b o u tan e wt y p eo f 舭s ha i r s y s t e mw i t ht h eh e l po ft h es o l a re n e r g ya n dl h t s p h 舔ec h a n g et h e r m a ls t o m g e w h i c hc a na c h i e v eo r g a n i z e dv e n t i l a t i o n o n l yf e wo fs t u d i e si so nt h i st y p eo f 舶s h a i rs y s t e mi nc h i n a s oa r et h et h e r m o d y n a m i cm o d e l i n g c o n t r o la l g o r i t h ma n d s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n h o w e v e r t h em o d e l i n ga n dc o n t r o lo f t h i sf r e s ha i rs y s t e mi so f g r e a ti m p o r t a n c et ot h et h e r m a le f f i c i e n c y o ft h es y s t e ma n dr e l a t e dt oe n e r g y c o n s u m p t i o n s o t h es t u d yi nt h i sd i s s e r t a t i o nw i l lc e r t a i n l yb e c o m e ah o tt o p i ci nt h i s a r e a t of a c i l i t a t et h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h i sn e wt y p e o f 缸s ha i rs y s t e m a ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma n d as i m u l a t i n gp l a t f o r mw e r e d e v e l o p e di nt u r n i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ea d v a n c e dm o n i t o r i n gs y s t e m sw e r ef i r s t l y r e a l i z e dw i t ht h eh e l po fl a b w i n d o w s c v ia n dc a n b u sb yu s i n gt h e s et w op l a t f o r m s t h e n t a k i n gt h es i m u l a t i n gf l e s ha i rs y s t e ma st h eo b j e c t as e r i e so fs t u d i e sw e r e d o n et h o r o u g h l yo nt h et h e r m o d y n a m i cm o d e l i n g c o n t r o ls t r a t e g i e sa n dp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n t h ef a nc o i la n dr o o ma i rt e m p e r a t u r em o d e lw e r ee s t a b l i s h e d f u z z y c o n t r o la l g o r i t h mw a sp r o p o s e dt ot h i s 能s ha i rs y s t e m a n da l s ot h es i m u l a t i o nw a s d o n eo nt h ef a nc o i lm o d e l b a s i n go nt h ea c q u i s i t i o no ff l e s ha i rt e m p e r a t u r ea n d h e a t w a t e rf l o w t h es i m u l a t i o no fn o n l i n e a rs y s t e mi d e n t i f i c a t i o nw a sr e a l i z e du s i n gt h e a d a p t i v en e u r o f u z z yi n f e r e n c em e t h o d f i n a l l y l o t so ff u z z yc o n t r o le x p e r i m e n t so n t h es i m u l a t i n gf r e s ha i rs y s t e mw e r ed e s i g n e da n da c c o m p l i s h e d t h em a i nc o n t e n t s a n dr e s u l t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s t h en o v e ls t r u c t u r eo faf l e s ha i rs y s t e mw a sf i r s t l yi n t r o d u c e d a n dt h e nt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eo p e r a t i o nm o d e so ft h es y s t e mw e r ea n a l y z e d i nd e t a i l m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo ft h e 仔e s ha i rs y s t e mw i t hs o l a rc o l l e c t o r sa n dl h t sw a s f i n a l l yr e a l i z e db a s i n g o nc a nb u s s e c o n d l y a no b s e r v i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo f t h es i m u l a t i n g 舭s ha i rs y s t e m w a sd e s i g n e da n df i n a l l ye s t a b l i s h e d t h eo p e r a t i o nm o d e so ft h es y s t e ma n dt h ew a y i tt r a n s f e r sb e t w e e nm o d e sw e r ep r e s e n t e df o rt h ef i r s tt i m e i nf u l lc o n s i d e r a t i o no f t h en o n l i n e r i t ya n dh y s t e r e s i so ft h ef l e s ha i rs y s t e m t h eo v e r a l lc o n t r o lg o a lw a s d e t e r m i n e d t h i sw o r kl a y st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n向r t h ee s t a b l i s h m e n t a n d p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f t h ew h o l ec o n t r o l l i n gs y s t e m a f t e r w a r d s t h em a n u a le x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e db a s e do n t h es i m u l a t i n gf l e s h 1 i i 北京邮电大学博士学位论文 a i rs y s t e m t h r o u g he x p e r i m e n t s t h ev a l i d i t yo ft h es y s t e mi sv 鲥f i e d t h eo p e r a t i o n f e a t u r e so ft h es y s t e mc o m p o n e n t sa r em a s t e r e d a n dam a s so fv a l i dt e s td a t aa r e a c h i e v e d w h i c hp r o v i d es u f f i c i e n td a t as u p p o r tf o rt h ef u z z yc o n t r o lr e a l i z a t i o no ft h e f r e s ha i rs y s t e m a d a p t i v en e u r o f u z z ym o d e l i n ga n dp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n f o u r t h l y t h ef a nc o i la n dt h er o o mt e m p e r a t u r em o d e lw e r ef o c u s e do na n d e s t a b l i s h e d i nt h er o o mt e m p e r a t u r em o d e l t h ee x t e r n a le n v i r o n m e n ts u c ha so u ta i r t e m p e r a t u r ea n dh e a t1 0 a dd i s t u r b a n c e sa r ea l lt a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n w h i c hm a k e s t h ec o n t r o lm o d e ls i m u l a t et h e a c t u a ls y s t e mc h a r a c t e r i s t i c sm o r ea c c u r a t e l y t h i s w o r ki st h es o l i db a s i st ov e r i f yt h er e a s o n a b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ed e s i g no ft h e f u z z yc o n t r o l l e r f i f t h l y t h em a m d a n if u z z ya l g o r i t h mw a sp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m et oc o n t r o l t h et e m p e r a t u r eo ft h es i m u l a t i n g 舶s ha i rs y s t e ma c c o r d i n gt ot h en o n l i n e a r i t ya n d h y s t e r e s i so ft h es y s t e m 1 1 1 ef u z z yc o n t r o l l e r so ft h r e eo p e r a t i o nm o d e so ft h es y s t e m a r ea l s od e s i g n e di nw o r k s p a c ea n ds i m u l a t e dn u m e r i c a l l yw i t hm a t l a b s i x t h l y a d a p t i v en e u r a lf u z z yi n f e r e n c ec o n t r o l l e rw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l w h i c hc o m b i n e st h en e u r a ln e t w o r kt h e o r y w i t ht h et sf u z z ym o d e l r e g a r d i n gt h ed e v i a t i o na n dt h er a t eo ft h ed e v i a t i o na st h e i n p u ta n dt h ec o n t r o l l i n gv a r i a b l ea so u t p u t t h ep r o p o s e dc o n t r o l l e rw a sr e a l i z e db y c o n t i n u o u sb pn e u r a ln e t w o r ku s i n gt h ea p p r o x i m a t i o na b i l i t yo ft h en e t w o r k t h e a d a p t i v en e u r o f u z z yc o n t r o l l e r o ft h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o war e a s o n a b l e i d e n t i f i c a t i o no ft h ep a r a m e t e r s a n dt h es i m u l a t e do u t p u tc a na p p r o a c ht h eo r i g i n a l o u t p u tv e r yc l o s e l ya n dt h ee r r o ri sa l m o s tz e r o w h i c hv e r i f i e st h ep r o p o s e da d a p t i v e n e u r a lm o d e l i n g f i n a l l y an u m b e ro ff u z z ye x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e da n dc a r r i e do u tt ov e n f y t h ec o r r e c t e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h ef u z z ya r i t h m e t i c t h er e s u l ts h o w st h a tt h ef u z z y c o n t r o l l e ri so fg o o dp e r f o r m a n c eo fr o b u s t n e s sa n da d a p t a b i l i t y a n di tm e e t st h e c o n t r o lr e q u i r e m e n to ft h ef r e s ha i rt e m p e r a t u r e t 1 1 i ss t u d yp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rf u t u r ea p p l i c a t i o n o ft h ef l e s ha i rs y s t e mw i t hs o l a rc o l l e c t o r sa n dl h t s k e y w o r d s s o l a re n e r g y l h t s f r e s ha i r m a t h e m a t i c a lm o d e l f u z z yc o n t r o l a n f i s p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n i v 北京邮电人学博士学位论文 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i i 目录 v 第一章绪论 1 1 1 弓i 言 1 1 2 太刚能一相变蓄热新风系统应用研究 2 1 2 1 国外研究现状 3 1 2 2 国内发展动态 一4 1 3 太阳能 相变蓄热新风系统控制策略研究 5 1 3 1 智能控制理论发展 一5 1 3 2 国外研究现状 7 1 3 3 国内发展动态 9 1 4 太刚能与相变蓄热技术现状总结 1 0 1 5 本论文研究的主要内容 1 0 第二章太阳能 相变蓄热新风系统实验平台 1 2 2 1 引言 一l2 2 2 太阳能 相变蓄热新风系统原理与结构 1 2 2 2 1 系统运行原理 1 2 2 2 2 系统结构分析 1 3 2 3 太阳能 相变蓄热新风系统的运行模式 1 5 2 3 1 集热系统运行模式 1 5 2 3 2 蓄热系统运行模式 1 7 2 4 新风系统测控功能与实现 2 3 2 5 本章小结 2 3 第三章太阳能 相变蓄热新风模拟系统实验平台 2 4 3 1j i 言 2 z l 3 2 太阳能 相变蓄热新风模拟系统控制目标 2 4 3 3 太阳能 相变蓄热新风模拟系统测控设计与实现 2 6 3 3 1 测控参数分析 2 6 3 3 2 硬件结构设计 2 7 3 3 3 软件实现 3 0 3 4 太阳能 相变蓄热新风模拟系统运行模式转换控制 3 2 3 4 1 系统各部分启停控制 3 2 3 4 2 模式运行确定 3 3 3 4 3 模式运行转换依据 3 5 3 4 4 模式运行转换控制 3 7 3 5 太阳能 相变蓄热新风模拟系统实验设计与分析 3 9 3 5 1 实验设计 3 9 3 5 2 结果分析 4 0 v 北京邮电大学博士学位论文目录 3 6 本章小结 4 2 第四章太阳能 相变蓄热新风模拟系统各部分模型建立 4 3 4 1 弓i 言 z l i 4 2 相变蓄热装置数学模型 4 3 4 2 1 相变蓄热装置内部相变蓄热材料的计算模型 4 3 4 2 2 相变蓄热装置内部热媒水的计算模型 4 6 4 3 风机盘管数学模型 4 6 4 3 1 风机盘管微分方程式 4 7 4 3 2 风机盘管控制模型 4 8 4 4 新风房间控制模型 一4 9 4 4 1 室温调节对象微分方程式 4 9 4 4 2 传递函数模型 51 4 4 3 房间温控经验模型 5 3 4 5 本章小结 5 3 第五章太阳能 相变蓄热新风模拟系统模糊控制设计与实现 5 5 5 1 引言 5 5 5 2 模糊控制的特点 5 5 5 3 模糊控制算法选择 5 6 5 3 1m a m d a n i 型模糊控制器 5 6 5 3 2 模糊控制器设计 5 7 5 3 3 模糊控制系统结构 5 9 5 4 太阳能 相变蓄热新风温度模糊控制研究 6 0 5 4 1 总体算法分析 6 0 5 4 2 新风温度模糊控制器设计 6 0 5 a 3 仿真结果分析 6 3 5 5 太阳能 相变蓄热新风温度模糊控制系统实现 6 5 5 5 1 太阡l 能全供风模式模糊控制设计 6 5 5 5 2 蓄热装置全供风模式模糊控制设计 6 8 5 5 3 太阳能边供风边蓄热模式模糊控制设计 7 l 5 6 本章小结 7 5 第六章太阳能 相变蓄热新风模拟系统自适应神经模糊建模与参数辨识 7 6 6 1 引言 一7 6 6 2t s 型模糊推理模型确定 9 8 1 0 1 7 6 6 2 1 输出函数职l 2 选择 7 6 6 2 2 系统输出u 确定 7 7 6 2 3 规则权重w i 选择 7 7 6 3b p 神经网络系统 1 0 2 7 8 6 3 1b p 神经元网络模型 7 8 6 3 2 学习训练算法 7 8 6 3 3 激活函数选择 8 l 6 4 新风温度自适应神经模糊控制建模与参数辨识 81 6 4 1 新风模拟系统的自适应神经模糊控制系统设计 8 l 6 4 2 模糊控制器的b p 网络参数辨识 8 4 v l 北京邮电大学博士学位论文目录 6 4 3 自适应神经模糊系统建模 8 5 6 4 4 仿真结果与分析 8 7 6 5 本章小结 9 l 第七章太阳能 相变蓄热新风温度模糊控制实验结果 9 2 7 1 响应速度与随动特性 9 2 7 1 1 实验设计 9 2 7 1 2 结果分析 9 2 7 2 鲁棒性与稳定性 9 3 7 2 1 实验设计 9 3 7 2 2 结果分析 9 3 7 3 运行模式之间的转换 9 4 7 3 1 实验设计 9 4 7 3 2 结果分析 9 4 7 4 本章小结 9 5 第八章总结与展望 9 6 8 1 总结 9 6 8 2 展望 9 7 附萄毛 一9 8 参考文献 10 7 致谢 11 4 个人简历 1 l5 v h 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 中国是建筑业大国 建筑业已成为国民经济的支柱产业之一 建筑节能和建 筑业的可持续发展不仅关系到老百姓的生活质量 而且也是关系国计民生的大 事 在国民经济可持续发展中发挥着非常重要的作用 中国正处于城镇化和工业化快速发展时期 每年大约2 0 亿m 2 的建筑总量 接近全球年建筑总量的一半 据有关部门测算 目前住宅总能耗已占全国能耗的 3 7 t 1 1 而中国目前的能耗结构仍以不可再生能源为主 煤炭消费约占总能耗的 6 7 相当于全球煤炭消费占总能耗比例的3 倍 2 据统计 我国华北 东北和 西北地区的采暖能耗约占全年总商品能源消费量的1 3 以北京市为例 北京地 区全年消耗标准煤约2 7 0 0 万吨 仅冬季采暖用煤就达6 0 0 万吨左右 约占全年 总能耗的2 2 2 3 6 0 0 万吨煤炭集中在四个月烧尽 而且大量小型采暖锅炉 的热效率仅在5 0 左右 标准煤耗5 5 6 2k e d c j t 3 1 这种高密度的 多点的低空 污染物排放 造成北京地区的大气污染相当严重 冬季空气中的二氧化硫与飘尘 浓度是非采暖期的六倍以上 严重超过国家大气质量标准 众多的商务办公楼宇 酒店 商场 企事业大多采用中央空调系统实现室内 温度调节 据统计 中央空调系统的耗电占这些单位日常耗电量的6 0 以上 可以说用电开支中最大的一项 中央空调系统运行时间长 耗电量大 是企事业 单位一直难以解决的课题之一 因此降低中央空调系统的耗电量的技术具有很高 的经济价值和社会价值 随着人们生活水平的提高和建筑节能的开展 建筑的密闭性越来越高 减少 了因开窗和冷风渗透所引起的热负荷 然而却带来了室内空气品质低劣的情况 伴随人们对环境和健康的日益注重 新风量的有效供给对空调系统来说尤为重 要 但是 对于冬季空调供暖系统 由于室内外温差大 用于加热新风所需的能 耗比较大 目前采用比较多的方式是 利用全热回收热交换器回收一部分排风中 的热量 但是因为回收热量有限 送入房间的新风温度偏低 仍然需要补充加热 太阳能以其取之不尽 廉价 安全 无需运输 清洁无污染等特点受到人们 的重视 中国位于地球的北纬18 5 4 这一区域太阳的年辐射总量为3 3 5 1 0 0 0k j c m 2 年照度时数为1 0 0 0 3 0 0 0 h 通常 位于全年辐射强度大于 5 0 0 k j c m 2 年照度时数超过2 2 0 0 h 的地区 都属于太阳能资源利用价值高的地 区 根据中国城镇太阳能采暖资源划分区综合数据 北京地区属于太阳能资源利 用价值高的地区 4 1 但是 太阳能作为一种间歇式能源 热流密度不高 并且其 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 辐射受到昼夜 季节以及雨雪天气等因素的影响 辐射强度变化大 不稳定 表 现为间断性和不稳定性 这给太阳能的利用带来了很大的难度 导致其白天和夜 里工作状况不能一致 针对以上问题 本课题对一种新型的太阳能 相变蓄热新风系统进行了深入 的研究 它把太阳能技术与相变蓄热技术应用于冬季辅助供暖系统中 实现房间 有组织的通风换气 用太阳能来加热新风 使新风具有承担部分室内采暖负荷的 能力 实现可再生能源直接应用于空调供暖系统的节能目的 为国家缓解能源和 环境压力提出一种新的节能减排方法 同时 要想满足新风舒适 节能和稳定的需要 必须有合理的系统控制策略 太阳能 相变蓄热新风系统的控制策略可以分为基于模型的控制和无模型智能控 制 基于模型的控制是以模型预测为基础的计算机优化控制方法 为了提高系统 的控制精度 实现对新风温度更有效稳定的控制 需要采用各种基于热力学模型 的控制算法来提高控制器的稳定性和响应速度 这就需要建立精确的数学模型 无模型智能控制主要是以实验数据和专家经验为基础的自动控制方法 在无 模型控制中 系统的控制精度很大程度上取决于手动控制的经验和规律 对本文所研究的太阳能一相变蓄热新风系统来说 基于模型的控制精度一方 面取决于模型的结构 另一方面与模型中各个参数密切相关 由于系统中各执行 器 如 阀f j 的运行特性是非线性的 并且随着时间的推移 设备会老化和更 换 从而也会造成系统参数的变化 并且在不同环境条件下 新风温度的模型和 新风空调房间的模型是时变且不确定的 所以 在新风系统罩 系统的数学模型 很难建立 综上所述 为了推动太阳能 相变蓄热新风系统的研究和应用 本论文一方 面深入研究并设计实现了太阳能 相变蓄热新风模拟系统的无模型智能控制 另 一方面重点尝试建立系统各部分的热力学模型 并提出了太阳能 相变蓄热新风 模拟系统自适应神经模糊建模和参数辨识的方法 这些研究对提高太阳能 相变 蓄热新风模拟系统的控制精度具有重要的理论意义和实际应用价值 1 2 太阳能 相变蓄热新风系统应用研究 本节将从太阳能技术应用 相变蓄热技术应用 太阳能与相变蓄热技术相结 合的应用的方向出发分别研究国外和国内的发展历史和研究现状 2 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 1 2 1 国外研究现状 由于国外太阳能技术比较成熟 早在2 0 世纪5 0 年代 太阳能热利用的先驱 j o d a n 和t h e r k e l d 就指出了太阳能水泵联合系统的有利性 国外很多专家学者在 太阳能应用方面的研究开始得很早 而且取得了很多值得借鉴的成果 这些研究 基本分为以下几类 1 直膨式太阳能直接供暖系统 2 带有蓄热装置的太阳能 供暖系统3 太阳能一土壤源水泵供暖系统 在过去的几十年内 国外学者们从设计 计算模型 测试的角度对太阳能技 术的应用进行了研究 1 太阳能直接供暖方面 日本的柳木政助进行了直膨式太阳能直接供暖研究 并于1 9 5 8 年设计并建 造了典型的双槽式太阳能供暖系统 美国在上个世纪6 0 7 0 年代最先开始了 太 阳房发展计划 5 迄今为止历经了3 个阶段 主动式系统阶段 被动式系统阶 段 太阳能蓄存与有效利用阶段 随着设计经验 实验方法以及计算机技术的不 断发展 太阳房技术日趋成熟 2 0 世纪8 0 年代以后 日本建造了木村太阳房 积水十三菱重工 永大十夏普等多种具有太阳能供暖系统的太阳房 6 k i t a m i 工程学院对串联和并联两种太阳能供热系统进行了5 年的测试和研究 并在此基 础上开发了用于评价太阳能供热系统热性能的计算机模拟程序f 7 1 意大利学者对 本土气候条件下太阳能供热系统的性能进行了研究 并建立了用于计算机分析的 太阳能供热系统理论模型8 1 t o n e s r e y e s 等学者理论和实验研究了制冷剂在太 阳能集热器内膨胀的太阳能水泵系统 并进行了热力学优化 考虑了典型的设计 参数和性能系数 9 1 0 1 德国将传统的被动式太阳房与太阳能集热器 热交换器等 相结合 对房间的生活用热水进行预处理 以实现整栋建筑5 0 8 0 的供热需 求 全年房间平均热负荷仅为5 6w m 远远低于德国的节能标准1 5w m t h 13 1 2 带有蓄热装置的太阳能供暖方面 y u m r u t a s 和k o s k a 设计并研究了带有蓄热水箱的太阳能热泵供暖系统 该 供暖系统基本上由平板太阳能集热器 热泵 蓄热水箱 测量装置组成 作者研 究了气候条件和运行参数对系统运行性能系数的影响并评价了其性斛1 4 芬兰赫 尔辛基大学对具有季节性蓄热器的太阳能供热系统的集热面积 蓄热器容积及供 能成本随纬度变化的最优化问题进行了研究 l5 1 b a d e s c u 研究了太阳能热泵供暖 系统中热能储存装置的模型 并应用热力学第一定律和第二定律进行了分析 1 6 1 8 a u c a r m i n a l l i 分析了在不同的气候条件下 太阳能季节性热储存集中 供暖系统的热性能及经济可行性 并分别建立了平板太阳能集热器 热泵 蓄热 装置 供暖负荷的仿真模型 1 9 太阳能与相变蓄热技术相结合方面 日本学者对采用了粒状相变蓄热材料的 3 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 蓄热型地板空调送风系统的蓄放热特性及其对室内热环境的影响 进行了数值模 拟计算和实验研究 2 她2 1 尼日利亚学者采用单层平板集热器 其内部通过加入 以石蜡为主要成分的定型相变材料 来减少集热器内部的对流热损失并提高集热 器的效率 2 3 1 c h o w t t 对太阳能热水和光伏整合系统进行了模拟分析 数学模 型采用有限插分法和控制容积法 并搭建了实验台 通过对系统日效率的分析 数学模型与实验结果有很好的匹配性 k o c a a h m c t 采用c a c l 2 6 h 2 0 作为蓄热 槽中的相变材料 把平板集热器的热量储存到装有相变材料的蓄热槽中 2 4 3 2 l 3 太阳能一土壤源热泵供暖方面 太阳能集热器和埋地盘管组合的设想是彭罗德 p e n r o d 于1 9 5 6 年首次提 出的 随后他又相继给出了太阳能 土壤源热泵系统 简称s e s h p 系统的工作 原理图和s e s h p 系统的设计过程 3 3 3 5 1 9 7 8 1 9 8 1 年 美国布鲁克海文国家实 验室 b r o o k h a v e nn a t i o n a ll a b o r a t o r y 对带圆柱型地下蓄热罐的串连太阳能 热泵系统进行了实验与模拟研究 结果表明 在冬季供暖运行工况下 地下蓄热 罐可以使太阳能热泵工作性能更稳定 而且可以减小辅助热源的容量 3 6 1 y u m r u t a s 等研究了带有季节性地下蓄热装置的太阳能热泵系统的运行性能 并编制计 算机程序 研究了全年蓄热体中水温的分布情况 结果表明 土壤类型以及蓄热 装置尺寸对整个系统的性能影响很大 3 7 法国的v t r i l l a t b e r d a l 等利用太阳能作 为热源 结合土壤源热泵进行了供暖 供生活热水的实验 在实验中 过剩的太 阳能蓄存到土壤中 这样有助于保证土壤蓄热和取热的平衡 提高太阳能集热器 的利用率 3 引 o n d e ro z g e n e r 研究 测试了太阳能热泵系统结合u 型管土壤换 热器的性能 结果表明这种组合形式可以降低土壤耦合热泵系统的设计尺寸 并 且由于有较高的换热流体温度 提高了系统性能参数 3 1 1 2 2 国内发展动态 我国关于太阳能和相变蓄热技术利用方面的研究起步比较晚 对太阳能热利 用的研究的热点仍然集中在太阳房和太阳能热水器上 对太阳能供暖系统的研究 基本处于初级阶段 天津大学 上海交通大学 东南大学 天津商学院 哈尔滨 工业大学 清华大学 北京工业大学的学者在太阳能的应用方面进行了实验分析 以及理论研究 取得了一定的成果 天津大学的赵军 刘倩等对太阳能热泵供暖供热水系统进行了实验研究和理 论分析 实验结果表明 系统可以四季稳定运行 节约了能源 4 2 4 3 上海交通大 学的旷玉辉 王如竹等对直膨式太阳能热泵热水器进行了实验验研究 该热水器 可全天候提供4 5 5 0 c 生活热水 并且其分体式的结构尤其适合于高层或多层 建筑 州 东南大学则针对典型的太阳能供暖系统 给出了系统各设备的能量平衡 4 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 方程 分析了太阳能热泵供热系统的供热性能系数 4 5 1 天津商学院林国星等人对 太阳能一土壤源热泵交替供暖运行进行了实验研究m 在太阳能与蓄热系统相结合的方面 张喜明等介绍了太阳能热泵低温地板辐 射供暖系统的工作原理和构成 并以青岛地区为例 设计了太阳集热器 蓄热器 地板换热盘管等设备 探讨了系统的总体的设计方法f 4 7 施明恒等着重分析了液体除湿空调系统中溶液的再生机理和再生过程的传 热传质特性 对再生器的蓄能特性进行分析 讨论了太阳能液体除湿空调系统蓄 能工况的运行方式 钢 胡洋等在探讨建筑的完整意义的基础上 提出将太阳热水系统节能技术纳入 建筑有机设计过程的整合设计概念 4 9 北京建筑工程学院采用太阳能地板辐射采 暖的方式将太阳能集热与地板辐射采暖结合在一起 并对其进行了理论和实验研 究 实验结果表明 该系统具有良好的使用效果 不仅具有较好的舒适性 而且 具有一定的环保性能 节能效果明显即 建成并投入使用的拉萨火车站暖通空 调设计 采用了室内地板采暖系统 太阳能集热系统 蓄热系统 其运行节能效 果显著 5 王永川等探讨了组合相变蓄热材料用于储热的问题 研究表明 该相变蓄热 材料具有环保 高效 节能 安全等多个优点 非常适合于太阳能供暖系统的蓄 热 可以替代传统的取暖设备 5 羽 清华大学提出了一种与太阳能集热器结合的定形相变蓄能地板采暖系统 并 搭建了应用此系统的实验房间 测量了系统和房间温度 结果表明 此系统明显 提高了房间夜间温度 可以作为常规供暖的补充 减小采暖能耗 5 3 1 北京工业大学的陈超教授带领的科研小组研究了板状定形相变材料的中温 蓄热装置在空调采暖系统中的应用 采用数值模拟与实验结合的方法 分析相变 蓄热装置蓄 放热特性的影响规律 并对相变蓄热装置应用于采暖系统进行了模 拟研究 为蓄热装置的优化设计和实际应用提供理论参考依据瞰 5 引 本课题的研 究是基于与陈超教授合作承担的北京市教委项目 太阳能 相变蓄热复合技术 1 3 太阳能 相变蓄热新风系统控制策略研究 本节将从智能控制理论的发展和空调系统控制策略的方向出发 研究国内国 外的控制策略发展历史和现状 1 3 1 智能控制理论发展 自动控制理论是自动控制科学的核心 智能控制理论是综合了人工智能 自 5 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 动控制 运筹学 信息论等多学科的最新成果并在此基础上形成的 从 智能控 制 概念的提出到现在 自动控制和人工智能专家和学者已经提出了各种智能控 制理论 有些已经在实际中发挥了重要作用 下面对一些有影响的智能控制理论 和系统进行介绍 1 递阶智能控制 递阶智能控制 h i e r a r c h i c a li n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 是在研究早期学习控制系统 的基础上 从工程控制论角度总结人工智能与自适应控制 自学习控制和自组织 控制的关系之后逐渐形成的 该系统由组织级 协调级 执行级3 级组成 智能 主要体现在高的层次即组织级上 由人工智能起控制作用 协调级是组织级和执 行级之间的接口 承上起下 由人工智能和运筹学共同作用 执行级要求具有较 高的精度和较低的智能 仍然采用现有数学解析控制算法 对相关过程执行适当 的控制作用 5 9 2 专家智能控制 专家系统 e x p e r ts y s t e m 是人工智能的一个重要分支 应用专家系统的概 念和技术 模拟人类专家的控制知识与经验而建造的控制系统 就是专家控制系 统 虽然专家控制系统是基于专家系统建立起来的 但是它与专家系统之间存在 一些重要差别 首先 一般的专家系统中操作人员是系统的组成部分 通过人机 对话完成 计算机专家 的功能 而专家控制系统中没有操作人员的参与 要求专 家控制系统能够独立和自动地对控制对象做出决策 其次 专家系统通常以离线 方式工作 而专家控制系统需要获取在线动态信息 并对系统进行实时控制删 3 模糊智能控制 模糊理论是美国加利福尼亚大学的自动控制理论专家l a z a d e h 教授最先提 出的 1 9 6 5 年他在 i n f o r m a t i o n c o n t r o l 杂志上发表了 f u z z ys e t 模糊集 一文 首次提出了模糊集合的概念 并很快被人们接受 1 9 7 4 年 英国的m a m d a n i 首 先把模糊理论用于工业控制 取得了良好的效果 从此 模糊逻辑控制理论和模 糊逻辑控制系统的应用发展很快 展示了模糊理论在控制领域中有着很好的发展 前景 模糊逻辑控制现已成为智能控制的重要组成部分唧 4 神经网络智能控制 1 9 4 3 年麦卡洛克和皮茨 p i t t s 提出一种叫做 似脑机器 m i n d l i k em a c h i n e 的 思