李 立,劉向龍,陳 曉,李 明,林漢柱

(1湖南工程學(xué)院電氣信息學(xué)院,湘潭411101;2湖南凌天科技有限公司,湘潭411100)

0 引 言

隨著能源短缺問題和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻,電力、化工、交通等行業(yè)對(duì)煤炭、油、氣等有形能源的需求越來越大,而可開采量卻日益減少,因此有形能源供應(yīng)愈發(fā)緊張.在不環(huán)保、高能耗、供應(yīng)緊張的多重壓力下,原來依靠煤、油、氣等有形能源的各類建筑物的供冷、供暖問題成為亟待解決的難題.水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用為全面解決能源危機(jī)問題,提供了新的思路.據(jù)統(tǒng)計(jì)資料,熱泵運(yùn)行費(fèi)用比耗電空調(diào)節(jié)約22%～25%,比燃油、燃煤鍋爐節(jié)約 40%～60%,該項(xiàng)技術(shù)將會(huì)成為21世紀(jì)最有效的建筑空調(diào)技術(shù).

目前,中央空調(diào)的耗能量已經(jīng)占到整個(gè)建筑耗能量的40%以上.其中,有相當(dāng)一部分是由于不合理的運(yùn)行控制方式而白白浪費(fèi)掉的.因此,能否找到一種節(jié)能控制方式,使得在滿足負(fù)荷要求的前提下,盡可能提高系統(tǒng)運(yùn)行效率,節(jié)約能源,已經(jīng)成為能否充分挖掘中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能潛力的關(guān)鍵 .

1 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

熱泵技術(shù)作為一種回收利用可再生熱能的有效手段,可以把水中不能直接利用的熱能轉(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能.一個(gè)完整的水源熱泵系統(tǒng)是由以下三個(gè)子系統(tǒng)組成,三個(gè)子系統(tǒng)聯(lián)合工作,從而完成將熱量從低溫?zé)嵩磦鬟f到高溫?zé)嵩吹娜蝿?wù),如圖1所示.首先是熱泵設(shè)備所包含的制冷劑子系統(tǒng),制冷劑在壓縮機(jī),冷凝器,膨脹閥及蒸發(fā)器之間進(jìn)行循環(huán).蒸發(fā)器使制冷劑液體蒸發(fā),以吸收被冷卻物體的熱量,冷凝器把吸收的熱量輸出到熱量接收裝置中,膨脹閥的作用是對(duì)循環(huán)工質(zhì)起到節(jié)流降壓作用,并調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的循環(huán)工質(zhì)流量;第二為蒸發(fā)器側(cè)水循環(huán)開式子系統(tǒng),水系統(tǒng)中的水在蒸發(fā)器中放出熱量給制冷劑后被冷卻,然后被水泵送出蒸發(fā)器;第三是冷凝器側(cè)循環(huán)水閉式子系統(tǒng),系統(tǒng)中的循環(huán)水在冷凝器中吸收制冷劑放出的熱量后,被循環(huán)水泵送至用戶端,再返回冷凝器.

圖1 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理

湖南凌天科技有限公司與高校合作研發(fā)的LD-III地表水源熱泵機(jī)組成功應(yīng)用于湘潭市城市中心區(qū)的市政大樓.系統(tǒng)充分利用中心區(qū)內(nèi)約6.6 m2的人工湖,從湘江引水蓄湖再利用地源熱泵進(jìn)行制冷供暖.為確保湖水泵吸水側(cè)不出現(xiàn)負(fù)壓和操作方便,在吸水管上安裝有止回閥,各用戶都設(shè)立了冷熱水循環(huán)泵,冬夏工況轉(zhuǎn)換由兩組閥門切換控制.集中機(jī)房總面積880m2,采用總體預(yù)留機(jī)位方式,布置機(jī)位16個(gè),第一期工程安裝了5臺(tái)機(jī)組.集中機(jī)房與傳統(tǒng)中央空調(diào)機(jī)組相比,一期工程節(jié)省運(yùn)行年成本171萬(wàn)元.

2 水源熱泵節(jié)能運(yùn)行控制的意義

節(jié)能運(yùn)行控制問題就是求解一個(gè)魯棒最優(yōu)控制規(guī)律,在保證機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的前提下,使機(jī)組動(dòng)態(tài)性能最優(yōu).首先,與熱泵系統(tǒng)的新型工質(zhì)、關(guān)鍵部件、穩(wěn)態(tài)模擬、優(yōu)化設(shè)計(jì)等研究領(lǐng)域取得的成果相比,其節(jié)能運(yùn)行控制問題還沒有得到解決.其次,在熱泵的設(shè)計(jì)階段由于存在著太多不確定因素,如:應(yīng)用側(cè)負(fù)荷變化,水源熱泵的蒸發(fā)器側(cè)水的水質(zhì)、流量和進(jìn)口水溫的波動(dòng),熱泵設(shè)備的實(shí)際參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)總存在著差異,電子膨脹閥的流量調(diào)節(jié)或壓縮機(jī)變頻調(diào)節(jié),這些人為或自動(dòng)的控制都會(huì)引起系統(tǒng)狀態(tài)的改變.

從系統(tǒng)控制的角度來看,節(jié)能優(yōu)化控制問題卻非常復(fù)雜,目前必須面對(duì)和需要解決的難點(diǎn)有:

(1)水源熱泵系統(tǒng)具有強(qiáng)耦合性

通常,水源熱泵系統(tǒng)基本上都包含如下的多個(gè)子系統(tǒng):壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹機(jī)構(gòu)、蒸發(fā)器、二次水循環(huán)回路等,這些子系統(tǒng)都通過熱力、流動(dòng)、傳熱過程緊密耦合.任何部件受到擾動(dòng)后自身狀態(tài)量必將發(fā)生波動(dòng),一個(gè)部件的狀態(tài)量波動(dòng)通過流動(dòng)、換熱等方式引起相關(guān)聯(lián)部件的狀態(tài)量波動(dòng).因此在研究系統(tǒng)的性能時(shí)應(yīng)該從系統(tǒng)的角度去數(shù)字仿真、預(yù)測(cè)、自動(dòng)控制熱泵機(jī)組的等多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo).

(2)水源熱泵系統(tǒng)具有強(qiáng)非線性

因?yàn)槊枋鲞@類系統(tǒng)的工質(zhì)對(duì)流換熱、蒸氣壓縮和節(jié)流過程的方程都具有非線性形式,這使得整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性.而現(xiàn)在的最優(yōu)控制理論和魯棒控制理論成熟的結(jié)果只能處理具有線性模型的系統(tǒng).這給水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行節(jié)能控制帶來挑戰(zhàn).

(3)水源熱泵系統(tǒng)為多輸入一多輸出系統(tǒng)

經(jīng)典控制理論無法解決,必須采用最新的先進(jìn)控制理論.因此必須緊密結(jié)合水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理,尋求切實(shí)可行的辦法.水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行控制問題會(huì)逐漸成為熱泵研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn),水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能作為一個(gè)系統(tǒng),必須從各個(gè)方面考慮.

本文基于模糊PID控制的水源熱泵機(jī)組控制系統(tǒng)的應(yīng)用,為水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能高效運(yùn)行提供了一種可以借鑒的解決方案.

3 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

由于水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的控制對(duì)象,其空調(diào)機(jī)組的構(gòu)造比較復(fù)雜、控制變量較多,而且整個(gè)系統(tǒng)存在著非線性、時(shí)滯特性及可利用測(cè)量手段的局限性.因此水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)處在不確定性環(huán)境中很難以精確的數(shù)學(xué)模型描述,依賴于數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制,僅僅在一定的條件范圍內(nèi)有效,受到偶然擾動(dòng)時(shí),控制就很難穩(wěn)定.本文提出的基于模糊PID控制技術(shù)在水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用,可在保證穩(wěn)定的同時(shí)具有快速響應(yīng)控制性能和較好的精度,有效地改善系統(tǒng)的滯后特性.

3.1 模糊PID控制策略

對(duì)于采用地表水或冷卻塔的冷卻水系統(tǒng),一方面,蒸發(fā)器進(jìn)出水溫度都比較低,如果對(duì)蒸發(fā)器環(huán)路變流量,會(huì)使水流速不均勻,甚至形成不流動(dòng)的“死水”,為了保證機(jī)組的正常運(yùn)行,蒸發(fā)器側(cè)的水泵為定流量泵.另一方面,冷凝器側(cè)的水量更大,冷凝器側(cè)變流量運(yùn)行的節(jié)能效果更明顯.針對(duì)定溫差控制法存在的控制效果與控制適應(yīng)性差的缺點(diǎn),本設(shè)計(jì)采用制冷運(yùn)行時(shí)蒸發(fā)器側(cè)定流量,而冷凝器側(cè)變流量運(yùn)行.變流量水泵控制能夠根據(jù)負(fù)荷的變化改變水量,降低輸配系統(tǒng)能耗.

4可知,在不同負(fù)荷狀態(tài)下所需的流量及在此流量下系統(tǒng)所需的總壓頭(即水泵的出、入口壓差)有確定的關(guān)系.以系統(tǒng)設(shè)定壓力目標(biāo)值與實(shí)際壓力值的偏差作為系統(tǒng)的輸入變量,根據(jù)最不利環(huán)路兩端壓差的變化改變水泵的轉(zhuǎn)速,使該壓差維持恒定.常規(guī)的二維模糊控制器是以誤差和誤差變化作為輸入量的,因此這種控制器具有模糊比例-微分作用,但缺少模糊積分控制作用,因而系統(tǒng)穩(wěn)定性較差.PID控制既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度,又具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng),因此把PID控制引入模糊控制,構(gòu)成模糊PID復(fù)合控制,以改善模糊控制器的穩(wěn)態(tài)性能,模糊PID控制如圖2所示.

圖2 模糊PI控制器結(jié)構(gòu)圖

3.2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

模糊制器主要由控制變量、模糊量化處理、模糊控制規(guī)則、模糊推理(模糊決策)和去模糊化處理等部分組成.實(shí)現(xiàn)模糊控制有以下過程:①模糊化過程:將精確量壓力偏差、壓力偏差變化率、模糊控制器的輸出(水泵轉(zhuǎn)速)轉(zhuǎn)化為模糊量,并確定其論域;②根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的操作者或者專家的經(jīng)驗(yàn)制定出模糊控制規(guī)則,并進(jìn)行模糊推理,以得到一個(gè)模糊輸出集合;③確定各模糊子集的隸屬函數(shù),進(jìn)行模糊控制器的關(guān)系運(yùn)算,計(jì)算采樣時(shí)刻的偏差和偏差變化量并使其模糊化;④進(jìn)行模糊決策和模糊判決,去模糊化,得到一個(gè)精確值作為控制量.

(1)確定輸入輸出的模糊子集及論域

設(shè)壓力偏差e語(yǔ)言變量E,壓力偏差變化率語(yǔ)言變量EC,其相應(yīng)的模糊子集PM,PB}={負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,正零,正小,正中,正大},論域?yàn)?X,劃分為13個(gè)級(jí)別 ,X={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6};設(shè)輸出水泵轉(zhuǎn)速u的變量U,模糊子集為Bi(i=1,2,3,……10),Bi的語(yǔ)言變量為{SL,ML,HL,SM,MM,HM,SH,MH,HH,OH}={最低速,低速,較低速,慢中速,中速,快中速 ,慢高速,高速,較高速 ,最高速},論域?yàn)閅,劃分為19個(gè)級(jí)別,Y={-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}.

(2)控制決策

語(yǔ)言值的隸屬函數(shù)選擇三角形和梯形,初始設(shè)計(jì)時(shí),采用均勻等分的方式分布,然后根據(jù)實(shí)際控制結(jié)果進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn),從而建立模糊控制規(guī)則如表1所示:

表1 水泵轉(zhuǎn)速的決策控制

(3)PID控制參數(shù)的確定

水泵控制分為開機(jī)設(shè)定階段(6 min)、模糊控制階段、PID調(diào)節(jié)階段.開機(jī)設(shè)定階段采用模糊控制,模糊控制和PID控制間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換的原則是:當(dāng)誤差較大時(shí)采用模糊控制,誤差較小時(shí)采用PID控制.

PID控制的參數(shù)確定同樣通過相應(yīng)的試驗(yàn)確定不同工況的數(shù)值并形成控制表,比例項(xiàng)用于糾正偏差,積分項(xiàng)用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,微分項(xiàng)用于減少系統(tǒng)的超調(diào)量,表達(dá)式為:

式中,T為采樣周期,U 0為系統(tǒng)退出模糊控制時(shí)水泵轉(zhuǎn)速,未知量是控制器參數(shù)K p,K I,K D,根據(jù)開機(jī)工況的不同取不同的設(shè)定值,PID算法控制流程圖如圖3所示.

4 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用MATLAB分別對(duì)常規(guī) PID和模糊 PID控制方案進(jìn)行仿真,在對(duì)象參數(shù)不變,單位階躍給定的情況下,模糊PIDA控制調(diào)節(jié)時(shí)間短,幾乎沒有超調(diào),如圖4所示.

圖4 常規(guī)PID與模糊PID的仿真波形

對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,將水泵定流量系統(tǒng)與采用模糊PID變流量系統(tǒng)比較:當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷減小到50%時(shí),只開一臺(tái)冷水機(jī)組及其對(duì)應(yīng)水泵,運(yùn)行240 h,結(jié)果表明:采用恒壓差變流量的集中控制變速泵比采用定流量泵要節(jié)能48%,效果顯著.

5 結(jié) 論

水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用為全面解決能源危機(jī)及環(huán)境保護(hù)問題,提供了新的思路.針對(duì)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制變量較多,而且整個(gè)系統(tǒng)存在著非線性、時(shí)滯特性且溫差控制效果與控制適應(yīng)性差等問題,提出了一種基于模糊PID控制的水源熱泵機(jī)組控制策略.既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度,又具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng),實(shí)際運(yùn)行效果良好.為水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能高效運(yùn)行提供了一種可以借鑒的解決方法.

參 考 文 獻(xiàn)

[1]Rose R.Heat pumps in Europe-an overview.In:Proceedings of the 7th International Energy Agency Heat Pump Conference[J].Beijing,2002,4:7-53.

[2]Kavanaugh S P,Rafferty K.Ground-source Heat Pumps-design of Geothermal Systems for commercial and institutional Buildings[J].Atlanta:American Society of Heating,Ref rigerating,and Air-Conditioning Engineers,Inc.,1997:119-120.

[3]Lu A,Charters W S.Electrical and Engine Driven Heat Pumps for Effective Utilization of Renewable Energy Resources[J].A pplied Thermal Engineering,2003,23(10):1295-1300.

[4]龍惟定,王長(zhǎng)慶,丁文婷.試論中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)與空調(diào)冷熱源的選擇取向[J].暖通空調(diào),2000,30(5):27-3..

[5]陳 曉,張國(guó)強(qiáng),彭建國(guó),等.開式地表水源熱泵在湖南某人工湖的應(yīng)用研究[J].制冷學(xué)報(bào),2006,27(3):10-13.