低碳区域式多源暖通控制技术研究1118.docx

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低碳区域式多源暖通控制技术研究1118

低碳区域式多源暖通控制技术研究

一、立题依据

（包括研究目的、意义、国内外研究现状和发展趋势，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。

附主要参考文献目录）

1.1研究目的

本项目低碳区域式多源暖通控制技术研究在建筑节能行业有着较深远的意义，可以充分研究可再生能源（地下水、空气、太阳能等）在暖通空调节能行业的应用，通过有效利用可再生能源（地下水、空气、空气能）将暖通空调能耗降低，同时结合自动控制的先进技术实现能源的有效利用、自动调节与自动控制，达到更加节能的目的。

本研究项目主要结合西南科技大学城市学院研究的双源（水源、空气源复合）热泵机组，对新型肋片式双源双工道热泵机组换热器侧流体流量控制研究，使其在强化换热方面实现节能，提高传热效果。

从而应用到低碳区域分布式暖通空调工程中，实现工程应用的多参数控制，根据用户需求即温度需求、冷热量需求来实现热泵机组换热器侧换热介质的温度控制、流量控制，从而实现节能减排。

1.2研究意义

随着建筑行业的发展，建筑能耗在社会能耗中所占有的比例也越来越高，

而在这些建筑能耗中有65%[1]（[1]张超.太阳能_空气双热源复合热泵系统性能研究[J].流体机械.2011.39（8）；74-76.）是用于建筑空调、采暖以及生活用水的加热。

能源和环境问题是本世纪最具挑战的两个重大问题，提高能源利用效率、发展低碳经济是当今世界实现可持续发展的必然选择。

经济、能源与环境的协调发展，也是实现我国现代化和可持续发展目标的重要前提。

中国政府在2009年召开的哥本哈根大会上承诺：

到2020年，单位GDP的二氧化碳排放量相比2005年降低40%-45%，并以此承诺作为约束性指标纳入社会发展中远期规划；高消耗、粗放型发展模式势将被节能减排、量入为出的能源技术创新所取代。

本选题从节能角度出发，对低碳区域式多源暖通控制技术进行研究，在新型肋片式双源双工道热泵机组上实现流量自动控制，对暖通空调工程降低能耗起到一定的研究意义。

1.3国内外发展趋势

（1）国内研究现状

在国内张小松、徐国英等[16-18]（小康师兄论文参考文献）研制了一种新型太阳能－空气复合热源热泵热水装置，并建立了系统的数学模型，研究了系统的运行模式与特性。

通过螺旋翅片蒸发盘管的平板型集热器和蒸发器的太阳能－空气复合热源热泵热水器，复合利用太阳能和空气中的热量进行热泵工作，来完成用户端的供热采暖。

通过建立系统的数学模型，采用我国南京地区的气象参数，模拟得出该热水器生产100L的50℃热水，在夏季晴天时耗电约0.48kwh，热泵COP为5.64；在冬季晴天耗电约l.65kwh，热泵COP为3.61；阴雨天耗电约2.3Ikwh，热泵COP为2.45。

再根据江苏南京的当年的气象资料，模拟该工作环境，实验研究得出全年逐月的平均运行参数，全年晴天COP平均为4.69；阴雨天的COP平均为2.55。

结果得出太阳能—空气复合热源热泵热水器能常年高效节能地为满足用户的供热采暖。

根据太阳能辐射条件和空调负荷变化的几种工作模式，刘业凤[19]（小康师兄论文参考文献）设计了太阳能—空气双热源式热泵及热水系统，该系统的运行过程，在冬季供暖期间，如果当地的太阳辐射强度足够大时，太阳能—空气双热源式热泵及热水系统不需要开启热泵,直接利用太阳能即可满足要求；该过程自动实现，当太阳辐射强度比较弱以致水箱中的水温很低时，系统自动开启热泵使其以空气为热源进行工作；当太阳辐射强度介于两者之间时，系统自动开启太阳能循环泵，实现热泵以水箱中被太阳能加热了的热水为热源进行工作；当太阳能和单一空气源热泵都不能满足热水供应要求时，系统自动启动热水蓄水箱中的电加热器来辅助加热。

在夏季供冷期间，系统开启空调优先转换阀实现热泵的供冷模式，系统的热泵用于制冷以满足房间舒适性要求，而同时利用太阳能热水器提供生活热水。

在春秋过渡季节没有空调负荷时，环境温度比较舒适，空调系统可以以全新风方式运行，不启动热泵供冷，仅送新鲜空气为室内换气改善室内空气品质，而生活热水可以由太阳能集热系统提供，只有用户需求供热不足时启动热泵系统进行补充。

太阳能—空气双热源式热泵及热水系统设计了控制系统[20]，（小康师兄论文参考文献）做了大量的实验，验证了系统稳定性和可控性。

国内已经对太阳能-空气复合热源热泵系统进行研究【1】（刘寅.太阳能-空气复合热源热泵系统性能研究【D】.西安：

西安建筑科技大学，2010；18-19），目前在换热器理论研究、新技术和新产品开发方面已经进入高层次的探索阶段[2]（陆璐.换热器的研究现状及发展【J】.产业与科技论坛，2011,10

（2）；49-50），换热器的新技术得到应用，并进一步扩大其适用范围，开发出高效、低耗、性能优越的新型换热器必然是未来能源利用领域的发展趋势[3]（康玉宽，李众立.新型肋片式双源（双工道）换热器研究与开发[J],暖通空调ＨＶ＆ＡＣ,２０１６（４６）第３期;98-102），因而新型换热器中的流量控制技术也将是节能应用亟待解决的控制问题。

（2）国外研究现状

在美国科罗拉多州的一座独立的建筑中，JamesA.Eibling[12]（小康师兄论文参考文献）设计安装了由太阳能集热器、蓄热水箱、热水箱、换热器、压缩机、室外换热盘管等组成的太阳能热泵。

该种热泵机组实现室外换热器用于夏季制冷和冬季制热，平时还利用太阳能制取生活热水，当冬季利用空气作为热源制热量不足时，切换至另一换热器采用太阳能热水作为热源，过渡季节直接太阳能热源采暖。

研究证明,该系统比常规系统效率可提高5～10百分比。

在约旦扎尔卡[14]（小康师兄论文参考文献）测试了一种复合热泵系统的两种热源温差从1℃到25℃的复合热泵系统的性能，该复合热泵系统通过双管式蒸发器实现了对太阳能热水和空气热源的复合利用，分析了两种热源温差对系统性能的影响，当两种热源温差在25℃时，系统COP可提高25%左右。

在希腊哈尼亚MichaliSKaragiorgas[15]（小康师兄论文参考文献）建立了太阳能热泵系统，通过太阳能空气集热器提升空气温度，实现空气源热泵热源温度的提升。

经冬季运行测试，室内温度可以保持在20℃，系统效率与空气源热源相比，当环境温度为5℃时，太阳能热泵系统可提高约17%，但是当环境温度为10℃时，太阳能热泵系统效率会下降7.6%。

在大趋势上，世界各国在空调热泵领域的发展模式也不尽相同。

如美国主要致力于单风冷热泵机组的研究，根据其建筑物的自身情况，对其他热源形式如水源热泵，空气源与水源相结合的复合热泵系统也在大型商业建筑中有大量应用；日本由于自身地小物薄，其热泵的研究主要集中在家用小型风冷热泵机组；西欧和前苏联则主要致力于大型热泵装置的研究，如区域供热和热泵站的建设和研究方面。

综上所述，国际上各国在热泵领域的发展道路都不尽相同，各国根据本国国情和自身实际情况如地理、人文条件等，合理选择适合自己的发展道路和发展方向。

1.4发展趋势及应用前景

我国正处于快速城市化发展阶段,城市化率以每年接近1%的速度增长,2008年达到45.7%,2020年预期将达到60%以上。

根据我国的一份研究报告,2006年我国地级以上城市的CO2排放量占全国总量的55%,其中仅“100强”城市（GDP最高的100座城市）的CO2排放量就占全国总量的41%。

而“100强”城市的GDP总量占到全国总量的67.36%,是经济、技术、人才集聚的高地。

[5]（低碳城市的城市形态和能源愿景.[J]建筑科学.2010（26）2.13-18）提高能源利用效率、发展低碳经济是当今世界实现可持续发展的必然选择。

经济、能源与环境的协调发展，是实现我国现代化和可持续发展目标的重要前提。

【6】翟羽.北京市某工程项目分布式能源系统的应用研究.[D].北京工业大学.2014年

复合热源热泵的研究受到行业的广泛关注，多种可再生能源应用形式结合，将有效降低高位能源的利用，充分利用低品位能源，研究成果将可以应用在各种类型的空调系统中，达到建筑节能的目的。

在能源总线式空调系统中应用同程双热源复合型热泵机组，该机组以太阳能集热系统产生的具有一定热能的液体热媒向热泵机组的蒸发段的内套管传递热量，再同时通过同程双热源机组从空气中吸收空气自带的低品位热能，实现一种工质同时与两种热媒进行复合换热。

满足用户对暖通空调的需求，不仅有利于环境保护而且节约能源。

特别是太阳能—空气同程双热源热泵以两种热源同时和工质在同一台设备上进行有效的热传递。

这种换热模式和换热器结构创新的课题研究也为太阳能—空气双热源复合热泵的进一步发展指明了方向。

实现全天候持续供水采暖的前提下，考虑省电和能源的回收利用，实现系统的节能。

这种在能源总线式系统中应用同程双热源复合型热泵机组，实现低碳区域式暖通系统的综合、高效、节能应用的专家控制系统也是暖通空调领域的研究趋势。

二、立题依据

（说明课题的具体研究内容，研究目标和效果，以及拟解决的关键科学问题。

）

2.1研究内容

本研究项目主要从能源总线式系统研究出发，采用新型的工程型双源热泵机组，对新型肋片式双源双工道热泵机组流体流量控制研究，使其在强化换热方面实现节能，提高传热效果。

从而应用到低碳区域式多源暖通空调工程中，实现工程应用的多参数控制，根据用户需求即温度需求、冷热量需求来实现热泵机组换热器侧换热介质的温度控制、流量控制，从而实现节能减排。

2.2研究目标和效果

在紧凑型城市区域热系统中,最有发展前景的是能源总线系统。

即来自于可再生能源或未利用能源的热源/热汇水,通过作为基础设施的管网输送到用户。

能源总线有很多优点:

1）集成应用低品位的“未利用能源”（例如我国所谓的“浅层地热能”）,发挥规模效益;

2）克服了分散的末端空气源热泵机组的许多缺陷,为末端机组提供优质的热源和热汇,提高机组效率,减缓热岛效应;

3）克服了区域供冷供热系统温差与流量之间的矛盾,对管网保温隔热的要求也大大降低;

4）末端机组可以根据需要运行调节,实现分户计量。

[龙惟定1,白　玮1,梁　浩2,范　蕊1,张改景2]

能源总线式系统应用工程型双源热泵机组，结合储能水箱，综合利用低品位能源。

低碳区域式多源暖通控制技术研究通过空调末端冷热量需求对双源热泵机组的换热器侧的换热介质进行控制，达到综合节能的目标。

此外，通过较新的控制技术可以达到能源总线变工况运行的节能效果。

三、方案设计

包括：

研究方法，技术路线，理论分析、计算、实验方法和步骤及其可行性（字数不少于：

800）

3.1研究方法

本课题采取理论分析、实验研究与工程实践相结合的方法，通过多学科交叉融合，使得新技术得以集成，突破传统的暖通空调系统控制技术研究，提高热泵空调系统的控制水平，为低碳区域式暖通空调系统节能减排提供有效改进措施。

理论研究思路和路线：

通过分析暖通空调工程现状，分析控制技术在暖通空调工程节能应用中的影响因素，结合双源热泵机组的优势研究双源（双工道）翅片式强化换热，总结出适合双源（双工道）热泵机组翅片式强化换热的控制方法。

实验研究：

在西南科技大学城市学院城西校区的教学工厂进行双源热泵机组的翅片式强化换热器的变空气、变水量等变工况控制运行下的制冷制热效率，经过实验测试，总结出在双源热泵机组翅片式强化换热的机组控制技术中较好的控制方法，为低碳区域型暖通空调控制技术打下基础。

工程实践：

在西南科技大学城市学院城西校区的部分楼层暖通空调系统进行双源热泵机组控制系统应用，分析双源热泵机组翅片式强化换热器的控制技术在工程实践中的应用效果。

（1）实验所需的设备和控制器采购及准备，控制设备准备。

（2）搭建实验台，实验用带翅片式强化换热的双源双工道热泵机组组装，水箱储能系统模拟，室内空气温度变化控制，模拟变工况末端。

（3）开始实验阶段，通过储能水箱模拟能源总线的水源侧水量、水温的模拟，连接双源双工道热泵机组，同时连接变工况的制冷剂末端空调室内机组，带翅片式强化换热的双源热泵机组。

3.2技术路线

（1）实验机组控制设计

在确定的工况下，系统上电，机组的控制系统启动，此时控制器对整个太阳能—空气复合热源热泵供水取暖系统平台中的各个I/O进行读取，记录状态，与初始值比对，确定整个平台的工作状态。

开始读取电子膨胀阀的阀位数据，再根据读取的阀位状态，进行阀位置零并置位。

与此同时系统开始读取温度传感器的数据、水位传感器的数据以及水位状态。

机组的控制系统对采集到的数据进行处理，判断太阳能水箱水温，根据判断结果进行下一步程序的执行，当在太阳能水温小于7度时，系统自动启动电加热辅助使得温度升高；当温度大于7度，系统自动启动太阳能循环泵使得温度降低，开始启动压缩机机组运行，机组在运行启动后随即控制系统时时检测机组的水源温度传感器和空气温度传感器，在空调水箱温度小于35度时系统自动启动，并作温差T1的比对，判断两者的差值的绝对值是否大于或者小于7度。

时间检查和专家控制：

程序执行另一条判断—时间：

9

接下来，系统开始处理采集到的数据判断确定开泵和风机，水温低开风机和冷凝器的换热的循环水泵，当水温高于空气源温度时，关闭风机和水泵，在此每隔1分钟判断一次，接下来控制系统开始采集两者中最小温度源的温度与吸气温度的温差T2，当T2大于5度或者小于1度，系统执行减小或者增大电子膨胀阀的开度命令，每次执行以5%为单位进行。

报警和处理办法：

在阀的开度小于20%开始报警，空调水箱在50度时报警，停机标志开始置零，等待3分钟进行排气温度的检测，当温度大于80度是，系统报警并有序进行机组和整个系统的关闭命令。

如图3-10所示流程。

工程型复合热源热泵机组系统的控制方案的设计采用可视化上位机和下位机协同工作实现。

（2）控制系统设计

控制系统在实现全天候的持续供暖前提下，考虑省电和能源的回收利用，在水源温度达到系统设置温度时开启单水源模式进行换热，当空气源和水源温差大与7度时开启较高者的单一热源进行供热。

只有当空气和液态水源温度都较低时或者温差小于7度时开启双模式，在开启单源模式下要靠自动控制系统进行对电子膨胀阀的开度调节，进而比对最小温度源与吸气温度的差值！

实现整个控制系统的正常运行，在这里控制系统会不多对整个系统中加的温度传感器进行温度值的采集，系统专家处理实现全天候的持续节能供暖。

在及其恶劣的环境下，液态水源不能仅仅依靠太阳能集热板获得有效的能量使温度达到机组正常运行的条件，而且空气源温度过低，这时为了能够实现整个系统的正常运行，采用60Kw辅助加热对液态水源进行补给热量，另外太阳能石蜡水箱也储存一部分能量供液态热源吸收利用。

整个控制系统方案流程如图所示：

图4-7控制系统初步架构图

控制系统架构如图4-7所示。

控制系统由上位机、下位机、驱动器、温度和水位检测模块、电源管理单元、JTAG调试接口、LAN总线通信口、液晶触摸显示屏等组成。

上位机采用工控可触屏PC机，下位机采用单片机ARMCortex-M3的STM32和相关电器元件构架（如图4-8）。

STM32具有较强的事务管理能力，其主要优势体现在总体控制上；下位机控制器采用主从式双CPU设计，STM32作为系统的主要控芯片，上位机配备专用控制软件，包括各类设置信息、三维场景再现、虚拟样机同步显示等。

四、课题特色

本研究课题的特色与新颖（创新）之处（字数不少于：

500）

4.1本研究课题的特色

本研究课题主要是多学科融合，将控制工程技术应用在暖通空调行业，以行业为依托，实现节能减排的目标。

本研究课题主要有四个特色：

（1）本项目有实际研制完成的双源（双工道）热泵机组设备成品，已经研发完

成的同程式双源（双工道）热泵机组，在此基础上解决在能源总线空调系统工程中的应用控制问题。

项目使用的热泵机组是一种近期研发的创新设备。

（2）在温差控制、压差控制及复合控制。

（3）本项目研究的热泵机组应用载体为能源总线暖通空调系统，多能源（太阳能、水源、地源、空气能）融合的暖通应用控制系统研究。

（4）在本项目研究之前，已经在西南科技大学城市学院学生宿舍应用西南科技大学城市学院自主研发的双源热泵机组（已经申请专利的产品），具有一定的研究基础，且具有一定的控制试验基础。

（5）本项目目前国内外研究较少，研究成功将是一项创新技术。

（6）本项目针对机组自适应性的控制要求研究了工程型双源中央热水机组在不同工况下的最大有效温差，拟定了不同工况下的控制方案，实现了机组在复杂环境下的自适应专家控制。

五、基础条件

1.与本项目相关的研究工作积累基础2.包括已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决途径（字数不少于：

500）

5.1本项目相关的研究工作积累基础

本项目研究自2014年底开始进行初步研究，2015年初在西南科技大学城市学院已经完成学生宿舍楼的双源热泵机组暖通空调及热水系统设计与施工、运行，同时采用的双源热泵式空调/热水系统的控制技术均为自主研发，目前运行效果良好，节能效果显著。

自2014年下半年参与双源热泵空调/热水系统设计与施工，有较好的暖通空调系统设计基础，同时积累了一些自动化控制研究基础。

5.2已经具备的实验条件

（1）本项目由西南科技大学城市学院校级项目立项，有实际的绿色多源暖通空调热泵机组生产基地；

（2）西南科技大学城市学院城西校区建立的实习工厂，具有暖通空调系统测试平台，可以模拟环境温度的测试系统，可以实现统一工况下的测试基础；

（3）本项目有成品机组的换热设备，双源（双工道）热泵机组有一定的研究基础；

（4）储能水箱模拟实现温度控制，可以开展换热器侧的换热介质（水）的流量控制、温度控制，测试换热效果；

（5）具有本项目研究所需要的实验器材/工具，如铜管/切割刀/焊机/真空泵/温度传感器/电钻等

（6）能源总线的末端设备已经采购，可以对其进行研究分析，测试等。

（7）自动控制技术有一定的基础，在此基础上对工程型双源热泵机组测试。

5.3尚缺少的实验条件和拟解决途径

由于西南科技大学城市学院城西校区大部分实验条件具备，但是任然缺少一些进行实验的条件，如：

（1）机组成品完成之后的管路设计，管件焊接技术是一项难点；

（2）机组水源侧换热器的流量控制技术设计是一项难点；

（3）缺少部分控制模块，开发板；

针对以上的问题，为了保证实验效果/减小实验测试的数据误差，本项目邀请西南科技大学刘东副教授进行暖通空调系统设计指导，保证暖通空调系统设计的正确性/机组运行的可靠性；同时在焊接技术，保证管路严密性方面，将请专门的焊接工人进行焊接，减少管材浪费，降低安全风险；缺少的控制部件，在试验前罗列清单，进行采购。

同时在控制技术方面，我将向学院自动化专业相关师兄/同事请教，确保顺利完成本项目。

六、论文计划

6.1论文计划

本研究项目论文于2017年11月初开始研究进行，2018年6月完成初稿，2018年8月准备发表，毕业前见刊。

七、经费开支

包括：

低值仪器设备费用

7.1经费开支