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节能混合太阳能空调系统的建模与优化控制
Q.P. Ha , V. Vakiloroaya
Faculty of Engineering and Information Technology, University of Technology, Sydney, PO Box 123 Broadway, NSW 2007, Australia
摘 要
本文介绍了为提高性能和提高能效而开发的新型混合太阳能辅助空调系统的建模和优化控制问题。为了调节通过储水箱的制冷剂蒸汽的质量流量以增加部分负荷下的制冷剂的副冷却过程，我们提出了一个新的排放旁路管路并安装在压缩机之后的直列电磁阀中。同时达到控制空气流量，变速驱动与冷凝器风扇耦合的作用。为了达成控制目的，首先开发了集中参数模型来描述明确的输入 - 输出关系中的系统动力学;然后，对系统的多变量控制采用线性最优控制方案。该系统已经完全检测其在不同运行条件下的性能。然后通过广泛的实验测试验证系统模型。基于获得的动态模型，设计了一个最优控制器来最小化二次成本函数，然后在仿真工具中实现的数值算法用于预测瞬态负载下系统的能量性能。通过PLC实现的实验结果表明，新开发的系统可以通过直接膨胀蒸发器的制冷效果的改善和空气流量的调节来提高系统效率。因此，开发能够提高能源效率，提高系统性能，同时满足冷却需求。
1.介绍
加热，通风和空调（HVAC）系统消耗大量电力。在商业和住宅建筑的能源消耗中，HVAC系统占能源使用总量的50％以上[1]。它们还导致有价值的化石燃料来源的减少和温室气体的生产已知会导致臭氧层消耗[2]。此外，近期的能源概述预测，未来二十年内，建筑环境中的能源使用量将以平均增长速度增长34％[3]。然而，值得注意的是，能源使用的主要部分仍然来自化石燃料[4]。因此，能源消耗的总体可实现的降低和建筑物舒适度的提高取决于HVAC系统的性能。通过使用可再生能源进行冷却的可能性对于如何将空调系统与自由能源结合起来，以降低其功耗是有趣的。近年来，由于世界能源短缺，不同类型的冷却技术结合太阳能热能已被探索。为此，最有效的来源是太阳能热能。太阳能在世界各地都是清洁可及的，特别是在太阳辐射较高的地区是可行的。
到2030年，估计太阳能热冷系统的总体系统成本降低了35-45％左右[5]。在技术上，太阳能通过光伏板或热驱动吸附系统应用于空调系统。将太阳能应用于各种类型的HVAC系统已被证明是减少能源消耗的潜力。然而，太阳辐射是高度依赖时间的能源，并不一定符合建筑需求。这个问题可以通过根据建筑物的负荷调节热能的储存和释放来解决。因此，太阳能辅助HVAC系统应采用适当的控制方法，通过存储的太阳能热能来调整瞬态建筑需求。在建筑自动化方面，建筑节能管理和节能降耗总体上的成本日益成为一个日益重要的课题，具有高度动态的环境，与建筑环境的变化和居住环境的变化相伴随[6]。对于空调建筑，一个重要的问题是能源优化，例如使用可靠的模型来预测整个建筑物的热量和水分转移[7]。在建筑和能源领域，建模与控制工程的应用已被证明是有希望的[8]。
在不同类型的HVAC系统中，通常使用具有蒸气压缩循环的直接膨胀（DX）壁挂式空调。该系统利用化石燃料获得的能源可以通过可再生能源的吸收来输出二至六倍的热能[9]。然而，风冷空调系统的节能效果比水冷空调系统要低[10]，因此在不损害舒适性和室内空气质量的前提下，寻找降低能源消耗的新方法是一个持续的研究课题。已经报道了大量关于太阳能辅助HVAC系统的理论和实验证明。在[11]中研究了使用不同光伏系统供应窗式空调电力的可行性，从混合电网光伏（PV）风力发电系统获得满足空调要求的更好性能。一种太阳能电蒸汽压缩制冷系统，并研究其不同蒸发温度的性能[12]，但是当降低蒸发温度时，系统需要大的光伏面板面积。为了平衡太阳辐射和冷却负荷之间的不一致性，在[13]中提出了一种太阳能吸收式制冷系统，使用质量能量转换和储存技术来获得空冷冷凝器的系统COP为0.7525，以及0.7555用于水冷冷凝器。通过实验测试和动态模拟研究了使用PV / T空气加热收集器再生干燥剂以减少空调室的能量使用的冷凝器热回收的性能，其中通过实验测试和动态模拟表明约6％的电力从PV / T收集器可以获得每日太阳总辐射量。所提出的系统能够节约空调总能耗的18％左右。与传统的基于压缩机的空调相比，在[15]中提出了一个用于调查太阳能喷射制冷设备性能的动态模型，其中显示了超过75％的电力的保护。太阳能驱动的两级旋转干燥剂冷却装置与蒸汽压缩空调系统[16]相结合，实验研究表明，太阳能驱动的干燥剂冷却系统可以处理大约33％的冷负荷，这意味着与蒸气压缩系统相比，功耗降低了34％。太阳能辅助热泵干燥系统也被证明能够提高性能系数（COP）和热效率，同时降低能耗，从而提高需要低温和良好控制干燥条件的农业和海洋产品的质量[17]。
迄今为止，压缩机对蒸汽压缩空调系统能量性能的影响已经不太多，太多的真空收集器的影响已经不大了。在现有的太阳能辅助空调器中，压缩机的尺寸完全取决于排气压力要求，额外的热量输入到太阳能集热器及其相关的热水储存箱。在本文中，根据通过闭环控制实现太阳能空调更高性能的建模和控制框架[18]，该系统已经配置为通过调节部分负载来增加部分负载下的冷却过程热水箱中制冷剂的质量流量以及冷凝器出口处的空气流量作为控制变量。由于建筑冷却负荷随时间变化，HVAC系统可配备有效控制器，通过将过程变量保持在所需的最佳设定点来降低能耗。这激发了本文提出的工作，通过实验验证的精细模型重新配置[19]开发的系统，并设计并实现了其闭环多变量控制的最优调节器。新的混合太阳能辅助系统具有排放旁路管线，在线控制的电磁阀，可变速驱动的冷凝器风扇和用于两个输出的闭环控制的可编程逻辑控制器，即离开冷凝器的制冷剂的温度并分别离开压缩机。因此，本文的贡献取决于（i）太阳能辅助DX空调的新配置，其具有通过热水箱和来自冷凝器出口的空气的可控流量，其变化为速度，（ii）重构系统的综合模型，以及（iii）基于线性二次调节器（LQR）技术的多输入多输出控制方案，用于最佳控制系统动力学。
因此，本研究的目的是描述混合太阳能辅助空调系统的新配置，推导其虚拟模型并开发最优控制器，并报告其系统性能的最终目标。的能源消耗。在我们的系统中，由于太阳能集热器安装在压缩机之后以减少压缩机的工作，所以由于在冷凝器之前添加了额外的热量，特别是在部分负载条件下，会增加离开冷凝器的制冷剂温度。这导致系统COP的一些减少。因此，适当的控制策略应该降低离开冷凝器的制冷剂温度，从而提高整体COP [20]。为了实现这一点，在压缩机之后的排气管线中插入了包括旁路线和电流控制的三通比例阀的新颖结构，以控制制冷剂温度[21]。此外，变频驱动器（VSD）也连接到冷凝器风扇，以根据旁通阀的关闭和打开来调节冷凝器风扇速度。我们的目标包括调节制冷剂流量，以提高各种冷负荷和环境条件的次冷温度，并且还控制来自冷凝器风扇的空气流量，以便降低进入蒸发器的制冷剂温度，最终目标是提高系统的制冷效果，从而提高其系统性能。数学模型和实验数据在瞬态模拟工具TRNSYS 16 [22]上实现，以预测系统的性能。结果表明，新的实施机械设计及其提出的控制系统可以在冷凝器后产生更高的次冷温度，这可以进一步提高整体性能系数达9％。
本文的组织结构如下。 在介绍之后，系统的配置配置在第2节中描述。系统的动态模型在第3节中得出，其次是第4节关于其最佳控制设计。 结果和讨论包括在第5节。最后在第6节中得出结论。
2建议配置
2.1 系统描述
单级蒸汽压缩太阳能空调由六个主要部件组成：压缩机，冷凝器，膨胀装置，蒸发器，太阳能真空收集器和太阳能储罐。该布置的扫描图如图1所示。循环开始于进入蒸发器的液体和蒸汽制冷剂的混合物（点1）。来自暖空气的热量被蒸发器盘管吸收。在该过程中，制冷剂的状态从液体变为气体，并在蒸发器出口处变为过热。超热蒸汽进入压缩机（点2），其中增加的压力导致制冷剂温度升高。压缩机使用太阳辐射来加热水后安装的真空太阳能电池板。绝缘储水箱连接到真空太阳能集热器以保持水温。来自压缩机的制冷剂经过罐内的铜线圈并进行热交换（点3）。真空太阳能集热器重新加热制冷剂达到必要的过热温度。此时，高压过热气体行进到冷凝器，用于热交换至环境空气（点4）。在冷凝器中发生进一步的温度降低，并导致其过热，因此制冷剂液体在进入毛细管时被过冷却。
图2 具有两个控制变量的混合太阳能辅助空调的新配置
由于在该设备中使用旋转涡旋式压缩机，当达到建筑物内的脱气温度时，压缩机将被关闭，并通过一个直列二通阀将制冷剂返回到吸入管路，安装在储罐后的冷凝器入口处。在这种情况下，关闭冷凝器入口阀，从而增加热水储存箱的热交换器内的制冷剂的温度和压力。这将稍微增加制冷剂压力，当重新启动时降低压缩机的排放压力。与常规空调系统相比，从热水储存罐获得的附加压力在再次接通时降低压缩机压力比，即压缩机以较小的排出压力工作。另一方面，当压缩机运行时，进入冷凝器的制冷剂的温度由于储水箱的热量而升高，这可能降低副冷却温度并降低系统COP。考虑到这一点，所提出的配置包括一个新的放电旁路线及其在线电磁阀，安装在压缩机之后，以通过储罐或旁路线引导制冷剂质量流与储罐的水温和离开压缩机的制冷剂温度之间的差异[21]。换句话说，当离开压缩机的制冷剂温度低于储罐的水温时，旁通阀打开，允许制冷剂在进气阀关闭时直接通过新的旁路管路进入冷凝器。相反，当离开压缩机的制冷剂温度高于水温时，旁通阀关闭，在冷凝器入口阀打开时引导冷藏库通过储水箱。此外，当压缩机关闭时，两个阀都关闭。由于建筑冷却负荷和环境条件的性质非常短暂，所以电磁旁路阀将被控制以与压缩机入口阀同步运行，以在所有条件下连续监测进入冷凝器的制冷剂方向。
此外，为了与在线阀关闭和打开同步地允许冷凝器出口（点5）处的空气流量的控制，电流驱动的变速驱动器与致密风扇耦合以调节冷凝器 风扇转速，从而增强冷凝器后的副冷却。 这又降低了进入蒸发器的制冷剂温度。 总的来说，两个控制变量有助于提高系统制冷效果，从而有助于提出太阳能空调系统的性能系数。
2.2 实验装置
使用新开发的太阳能DX混合空调进行实验工作，如图1所示。 2.系统配备传感器和数据记录仪，作为建筑HVAC绿色自动化技术的典范[18]。
实验装置主要由两部分组成：由直接膨胀蒸发器单元提供的空调房间和与太阳能真空收集器结合的冷凝单元。空调的额定输出功率为5.7 kW。该设备具有一个使用制冷剂R410A作为工作流体的涡旋密闭式压缩机。系统中充入的制冷剂量为1.8 kg。蒸发器风机的设计空气流量为850 m3 / h。设备中的冷凝器是空气冷却管，并使用涂层翅片管。冷凝器轴流风机的脱气流量为2500 m3 / h，额定功率输入为50 W.集电器以5°倾斜角度集中，朝北（用于南半球）。太阳能收集器由长度为55厘米，直径为10厘米的11个抽真空管制成。太阳能收集器配有一个18升的水平圆柱形储罐，绝缘厚度为55毫米的聚氨酯。该系统已经完全仪器化，以便在不同的运行条件下进行一些测试[23]。连续运行现场测试以监测各种天气条件下的系统性能两周。进行24小时的日间测试，并以20分钟的间隔监测所有测量数据。然后对所有测量进行计算机化，以便将所有测量数据记录下来进行后续分析。
图2实验混合太阳能辅助空调与其PLC实现
3.系统建模
本节通过应用能量和质量平衡原理来描述系统组件的数学模型。 系统的配置结构可以通过离开压缩机的制冷剂温度动态地表征，离开冷凝器并离开储罐，控制变量是制冷剂质量流量和冷凝器空气流量。
分别表示Tamb，Trlc，Tcomp和Twst作为环境温度和离开冷凝器，压缩机和储水箱的制冷剂的温度; Tw，Tcon，Tin和Tsup分别作为储罐内的水温，冷凝器温度，室温和蒸发器出口过热温度; 冷凝器线圈的能量平衡原理给出：
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