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热泵系统目标函数、评价指标及数学模型的建立

优化设计即根据现有技术条件和给定的设计要求,运用专业理论和优化方法,通过计算机辅助软件,在满足设计要求的可行性方案中按照规定的性能指标寻找最佳方案。按照水泵优化设计的内容可以分为设计优化和控制优化。控制优化的前提是设计优化。在当今时代,水源热泵系统设计的各项理论和规范已趋于完备,技术也日臻成熟,产品性能均有显著的提升,因此优化设计的重点是水泵控制优化。


控制优化是指以某种性能或效益最佳为目的,建立目标函数和约束条件,寻求最大值。水泵控制优化中如果仅考虑慢干扰对结果的影响称为稳态优化,主要用于经济性分析;如果考虑了控制过程中的干扰、变量等影响因素的影响则称为动态优化,主要用于性能分析和能效分析。优化计算的结果可以作为ca88手机版厂设计人员的设计依据或者控制器的设定值。控制优化的过程可以分为:

确定优化系统:根据现有技术条件、研究水平和优化目的确定优化对象和范围。

建立优化模型:建立目标函数和约束条件。

优化计算:针对不同的系统选择合适的优化设计算法。

结果分析:对各个变量的变化情况和最终结果的合理性进行判断。

图1:负荷泵在额定转速下的Q-H及Q-n曲线

负荷泵在额定转速下的Q-H及Q-n曲线

一、系统优化的目标函数


目标函数是进行系统优化的前提,本文以系统总能耗为目标函数,建立数学模型并采用TRNSYS模拟,寻求使得能耗最低的最佳控制策略。系统能耗以系统年总耗电量N来表示,包括水源热泵机组、ca88会员登录、ca88手机版网页在制冷、制热运行时的年耗电量。根据前文对水源热泵机组制冷及制热循环的热力学分析,热泵机组的理论输气量、理论制冷/热量、压缩机理论耗功率可以通过其IgP-H图上的6个状态点而确定,是蒸发温度、冷凝温度、井水供回水温度及流量、空调供回水温度及流量的函数。根据热泵机组运行的IgP-H图进而可以确定井水泵、ca88手机版网页的流量等参数。井水泵的功率取决于其流量和扬程。井水泵的扬程需克服抽水井与回灌井之间的液位差产生的压头损失(含回灌压力)、机组内部井水的阻力损失及抽水回灌管路的阻力损失。ca88手机版网页的功率同样由其流量和扬程确定。ca88手机版网页的扬程需克服冷冻水(热水)循环最不利环路的阻力损失,包括机组内部冷冻水(热水)的阻力损失、输送管路的沿程阻力损失和局部阻力损失、末端空调设备的阻力损失等。地下水源热泵的优化设计是一个多变量非线性有约束的求解过程。由于问题的非线性和复杂性,必须借助专业软件求解并对结果的合理性和准确性做出判断。


二、系统优化的评价指标


为了全面评价地下水源热泵系统在供热季、空调季及全年的热力经济性,达到优化设计的目的,ca88手机版厂分别引入供热季节能效比HSPF、供冷季节能效比SEER和全年性能系数作为评价地下水源热泵系统性能的指标。地下水源热泵的HSPF指标不仅与热泵特性,还与水温条件、气候条件及部分负荷率有关。由于地下水源热泵水温常年恒定,受气候影响较小,因此上述估算方法:


三、系统优化的数学模型


地下水源热泵优化目标函数的求解是一个非常复杂的过程,传统的静态估算法虽然简单明了,但是难以体现系统空调设备的动态运行特性,与系统的实际运行存在差距。因此,本文以DsST和TRNSYS软件为平台,采用计算机动态模拟的方法,进一步分析地下水源热泵系统的全年运行能耗,需求使得目标函数最优的控制过程。


地下水源热泵系统主要由建筑物模块、水源热泵机组模块、井水输配系统模块、空调水输配系统及空调末端系统等模块组成。其中水源热泵机组、井水输配系统、空调水输配系统及空调末端系统均在TRNSYS中建模,而建筑物在DeST中建模,模拟分析得到的建筑逐时热负荷通过导入部件与TRNSYS相连,用于下一步的系统分析。下面就系统模拟中用到的主要部件的数学模型进行分析:


四、建筑热过程数值模型


建筑热过程模拟就是在给定的空调系统形式、使用状况及气象参数条件下分析建筑物内温度变化及维持建筑物热舒适需要带走或提供的热量,是地下水源热泵系统模拟分析的基础。


由于建筑物围护结构的热惯性,得热量与热负荷之间存在着衰减和延迟的关系。准确的描述建筑物围护结构的吸放热特性,才能精确模拟建筑的热过程。大多数建筑物的墙体一面由多层结构均匀的材料组成,同时厚度方向的尺寸远小于表面长宽尺寸,因此墙体的传热过程可以简化为一维导热过程。


DeST采用状态空间法求解上述建筑热过程。既在时间上保持连续,而在空间上将房间离散为一系列的温度节点,对所有节点列出热平衡方程组并联立求解,获得房间的热特性系数,最后结合逐时热扰分布获得房间温度逐时变化值。DeST采用的这种方法计算量小,速度快,适宜于作为系统分析中的建筑模型。


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点击次数:  更新时间:2018-01-03 09:51:03  【打印此页】  【关闭