风机盘管系统分布式模型预测控制研究

作     者：董菲菲 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵安军

授予年度：2023年

学科分类：080705[工学-制冷及低温工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：风机盘管 混合热工水力模型 分布式模型预测控制 室内热环境 优化控制 

摘      要：随着建筑规模增长及能源消耗水平提升,公共建筑占建筑总能耗的比例高达42%。风机盘管是公共建筑最常用的空调终端设备,对风机盘管系统进行优化控制是提高公共建筑能源效率的关键。风机盘管机组自身热交换以及与室内空气热交换大多具有非线性、时变以及纯滞后等特点,使其在实际工程应用中控制效果不能获得令人满意的结果。本论文主要针对风机盘管系统优化控制问题进行了探究,一方面建立面向控制的风机盘管模型;另一方面,利用分布式模型预测控制方法对风机盘管系统进行控制。论文主要研究内容归纳如下:(1)针对风机盘管系统建模研究中大多数未考虑水力学特性对其的影响,提出混合热工和水力特性的风机盘管系统建模方法,以满足实际工程中对于风机盘管系统控制的数学模型需要。在水力学模型中考虑风机盘管电动水阀,基于基尔霍夫定律建立水力平衡方程,通过遗传-粒子群相结合的(GA-PSO)优化算法求解各个盘管的水流量及对应的阀门开度;以水流量为输入,考虑风机盘管风量,采用非线性最小二乘法辨识求解其总传热系数,建立基于牛顿冷却定律的风机盘管热力学模型。实验结果表明:混合热工和水力特性的建模方法能够更好的反应风机盘管的物理过程;GA-PSO算法具有很好的稳定性和收敛性,能够更准确的求解水流量及对应的阀门开度,所提出的风机盘管控制系统模型能够精确反映风机盘管的传热过程。(2)针对办公建筑室内外热环境,对其影响因素进行研究,综合考虑建筑室内温度、相邻房间温度、风机盘管工作状态以及室外温度等因素。采用灰箱建模法,建立引入风机盘管热功率的室内热环境数学模型;提出了最小二乘-卡尔曼滤波相结合的LS-KF算法,利用卡尔曼滤波对最小二乘算法进行校正,辨识室内热环境模型未知参数并进行室温预测。实验结果表明:所建立的室内热环境模型在不同采样周期及相关工况下能较好地跟踪反映真实物理系统的实际热过程,具有很好的预测稳定性。(3)针对风机盘管系统非线性和滞后问题,依赖所建立的风机盘管系统数学模型和室内热环境模型,在满足房间负荷并维持室内热舒适前提下,建立以压降最小为目标函数,提出了一种用于多区域建筑室温调节的分布式模型预测控制(DMPC)方法,将纳什优化作用于分布式结构中搜索全局平衡点,利用天牛须-粒子群(BASPSO)混合优化算法对局部MPC进行在线优化。通过与传统控制方法进行了比较,验证了BASPSO-DMPC控制方法的合理性,具有良好的预见性,能够提前规划风机盘管系统供冷量,有效缓解系统惯性造成的控制滞后问题。本文针对中央空调系统末端风机盘管系统进行优化控制,解决了系统动态调节滞后和能耗过大等问题。研究对风机盘管系统进行分布式模型预测控制,系统以最小能耗运行的同时提高室内的舒适度,大幅提升风机盘管的控制能力和公共建筑用能效率,有利于实现节能降碳目标。