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小容量热泵空调系统室内温度优化控制 华中科技大学建筑环境与能源应用工程系 高佳佳 万航 徐新华 摘要：本文针对启停式热泵空调系统的室内温度控制，提出了一种优化控制算法。该优 化控制算法根据实时的负荷情况，对冷冻水控制温度设定值进行在线优化，使得送入房间的 冷量始终满足房间负荷需求，进而提高室内温度控制的鲁棒性。利用TRNSYS 软件建立空调 系统仿真平台，对该优化控制算法的控制效果进行测试。测试结果表明该优化控制方法在不 同的负荷条件下均能明显的提高室内温度控制的鲁棒性。 关键词：热泵 空调系统 开关控制 优化控制 室内温度控制 0 概述 [1] 在全球能源消耗中，建筑能耗约占40% ，主要用于为使用者提供舒适的室内环境 . 但 是，在许多建筑中，室内环境并未达到设计的要求[2]. 室内环境的优化和能效的提高取决于 实际的控制效果，由于受外界条件的干扰和不确定因素的影响，室内环境的实际控制效果往 往与理想的结果相差甚远[3]. 为了提高室内温度的控制效果，研究者们提出了大量的优化控制方法[4,5] ，如模糊控制 [6,7,8] [9] [10] ，鲁棒控制 等。其中，由Huang 提出的双线性控制的控制效果尤为显著，在典型变 风量空调系统的应用中，双线性控制可以很好地追踪室内温度设定值，提高控制的鲁棒性[2] 。 但是，这些控制方法多适用于送风温度比较稳定或者波动不大的空调系统。 在小型中央空调系统中，多采用开关控制的小容量热泵机组作为冷热源[11] 。热泵机组 的启停一般根据冷冻水回水温度进行控制。当冷冻水回水温度高于设定的最大限值时，压缩 机启动；当冷冻水回水温度低于设定的最小限值时，压缩机停机。最大限值和最小限值由水 温设定值和温度控制范围决定[12] 。当热泵机组停机时，冷冻水供水温度将会升高，导致末 端空调送风温度升高。此时如果空调负荷较大，可能会导致送风量调节到最大时也没有足够 的冷量送入房间以维持室内温度的稳定，室内温度将会失控。传统的优化控制方法将不能满 足控制需求。 针对这种启停式热泵空调系统的室内温度控制，本文提出一种在线优化的控制方法用以 提高室内温度控制的鲁棒性。该控制方法根据房间实时负荷，对冷冻水控制温度设定值进行 在线优化，使得送入房间的冷量始终满足房间负荷需求，进而实现室内温度的优化控制。 1 系统描述 图1 为常见的小型中央空调系统的控制原理图。其中热泵机组为开关控制，压缩机的启 停根据冷冻水回水温度进行控制，即当温度传感器测量的冷冻水回温度比设定的上限值高时， 机组将会启动且满负载运行；当冷冻水回温度比设定的下限值低时，机组将会关闭，没有冷 量/热量输出。冷冻水回水温度设计的设定值为14℃，控制范围为设定值的±3℃，热泵机组 高佳佳(1988.01-),男,博士后 通讯地址：武汉市洪山区珞瑜路1037 号华中科技大学 联系电话 邮箱：gjj1988@ 的最小运行时间和最小停机时间均为3 分钟。冷冻水系统为定流量系统。热泵机组冷冻水出 口处设有缓冲水箱，用以增加冷冻水容量，减少热泵机组启停频率。末端为小型的空气处理 器（AHU ），当热泵机组运行时，冷量经冷冻水传到AHU 冷却送入室内的空气，为房间提 供冷量。房间温度由室内温度控制器 （本文采用双线性控制器）根据房间温度测量值和设定 值，通过调节风机频率调节送风量，从而实现室内温度的控制。 冷冻水回水温度设定值 优化控 房间总负荷和显热负荷 制器 开关控 T : 淍幊仄惃嘌 室内温度 制器 控制器 冷冻水供水 送风 水 风机 热泵机组 箱 空气处理