太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)自適應(yīng)模糊PID復(fù)合控制方法

關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)能；地源熱泵式空調(diào)；自適應(yīng)；模糊PID復(fù)合控制；變頻器；熱泵機(jī)組

中圖法分類號(hào)： TK511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1000-2324（2024）01-0123-08

1引言

在全球面臨“溫室效應(yīng)”危機(jī)的背景下，低碳節(jié)能已成為重要的社會(huì)議題。作為建筑能耗的主要部分，空調(diào)耗能在整個(gè)能耗中的占比高達(dá)64%，因此，如何降低空調(diào)能耗成為了亟待解決的問(wèn)題[1-2]。地源熱泵空調(diào)，作為一種環(huán)保節(jié)能的解決方案，采用埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)作為冷熱源，具有安裝靈活、易于控制的優(yōu)勢(shì)。在制冷狀態(tài)下，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，通過(guò)與室內(nèi)空氣的熱交換，將熱量吸收并轉(zhuǎn)移到制冷劑中。隨后，制冷劑中的熱量再被水循環(huán)系統(tǒng)吸收，并最終傳遞到地下水或土壤中。而在供暖狀態(tài)下，制冷劑通過(guò)四通閥改變流向，從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，將地下水或土壤中的熱量吸收，再通過(guò)與水熱交換器的熱交換，將熱量釋放到空氣中[3]。太陽(yáng)能作為一種可再生的能源，可以通過(guò)相關(guān)設(shè)備將其轉(zhuǎn)化為電能。這種能源能夠分擔(dān)部分熱負(fù)荷，并為生活提供熱水。將太陽(yáng)能與地源熱泵式空調(diào)相結(jié)合，不僅能降低運(yùn)行成本，還能提高工作效率[4-5]。

李卓陽(yáng)等[6]提出基于建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)測(cè)模型，該模型由熱量平衡方程構(gòu)成，充分考慮熱儲(chǔ)能對(duì)建筑能耗的影響；將預(yù)測(cè)模型和供暖空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合，得到供暖空調(diào)的短期控制方法，控制空調(diào)的能耗，并保證建筑室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。該方法雖然能夠節(jié)約用能成本，但由于熱泵機(jī)組缺少實(shí)時(shí)的運(yùn)行特性，會(huì)提高供暖負(fù)荷，太陽(yáng)能集熱器無(wú)法快速提供穩(wěn)定的溫度，導(dǎo)致熱泵機(jī)組頻繁處于開啟、關(guān)閉狀態(tài)。楊震等[7]為解決供暖負(fù)荷分配問(wèn)題，提出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)當(dāng)日溫度偏差，給出動(dòng)態(tài)供暖方案，從而控制熱泵機(jī)組的工作效率，達(dá)到控制室內(nèi)溫度的目的。運(yùn)用該方法應(yīng)保持循環(huán)水泵的長(zhǎng)度以及水流量盡量一致，且工作效率較差，進(jìn)而導(dǎo)致空調(diào)無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行，其控制效果較差。

為此，本文提出太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)自適應(yīng)模糊PID 復(fù)合控制方法，提高空調(diào)的響應(yīng)速度。生成模糊PID 復(fù)合控制器，控制太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)；應(yīng)用Mamdani 方法，確定基本控制規(guī)則，賦予整個(gè)控制過(guò)程自適應(yīng)屬性，將二者結(jié)合，生成自適應(yīng)模糊PID 復(fù)合控制方法，不斷調(diào)整PID 控制參數(shù)，從而控制循環(huán)水泵的水流速度，達(dá)到控制太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的工作模式，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。該復(fù)合控制方法具有魯棒性較強(qiáng)、適應(yīng)能力較高、控制精度準(zhǔn)確等特點(diǎn)[8-9]。

2 太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的控制方法

2.1 太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的工作原理

太陽(yáng)能協(xié)同地源熱泵系統(tǒng)是一種高效、環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)結(jié)合太陽(yáng)能和地源熱泵技術(shù)，利用太陽(yáng)能集熱板或光伏板采集太陽(yáng)能，并將其轉(zhuǎn)換為熱能或電能；同時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)的地源換熱器采集地下的熱能，并將其轉(zhuǎn)換為熱能。這些熱能被傳遞給熱泵系統(tǒng)中的蒸發(fā)器，通過(guò)制冷劑吸收熱量，將低溫?zé)崃哭D(zhuǎn)化為高溫?zé)崃俊Ｌ?yáng)能和地源熱泵系統(tǒng)共同將高溫?zé)崮軅鬟f給室內(nèi)的空氣或水系統(tǒng)，提供供暖或熱水。此外，該系統(tǒng)還利用地下溫度比空氣溫度更加穩(wěn)定的特點(diǎn)，通過(guò)循環(huán)管道將制冷劑在地下的換熱器中進(jìn)行加熱或冷卻，從而實(shí)現(xiàn)供暖或制冷。該系統(tǒng)具有節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地提高能源利用率和空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[10]。太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)主要由太陽(yáng)能集熱器、室內(nèi)供暖末端設(shè)備、室外埋地?fù)Q熱器以及熱泵機(jī)組共四部分構(gòu)成[11]，其工作原理如圖1。

太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)工作的過(guò)程中，可以依據(jù)開啟或者關(guān)閉不同的閥門，使多個(gè)設(shè)備能夠一起運(yùn)行。因此，太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)具有不同的工作模式，主要有太陽(yáng)能和地源熱泵機(jī)組相結(jié)合的供暖模式、土壤蓄熱或者制冷模式等多種工作模式。運(yùn)用監(jiān)測(cè)儀器獲取太陽(yáng)能集熱器進(jìn)出口的水溫、時(shí)間等切換條件，根據(jù)實(shí)際情況切換太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)工作模式，控制室內(nèi)溫度。

2.2 太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)控制結(jié)構(gòu)與方法

2.2.1 控制結(jié)構(gòu) 太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的控制結(jié)構(gòu)為三層分布式。監(jiān)控管理層的上位機(jī)通過(guò)接口讀取、寫入可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）采集數(shù)據(jù)信息并校驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并利用接口將控制指令傳遞給控制層的PLC 控制器。控制層中PLC控制器是控制太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的核心，運(yùn)用PLC采集室內(nèi)信號(hào)，通過(guò)控制運(yùn)算處理該信息，最后將控制信號(hào)傳輸至現(xiàn)場(chǎng)層，從而控制太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)層包括循環(huán)水泵、壓縮機(jī)等設(shè)備。控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)工作的過(guò)程中，PLC將相關(guān)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)將開關(guān)量信號(hào)發(fā)送到PLC中。PLC輸出控制信號(hào)，控制變頻機(jī)、循環(huán)水泵等設(shè)備的工作狀態(tài)，從而能夠隨意切換所有設(shè)備的工作模式，使太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)具有不同的工作狀態(tài)。其輸入輸出信號(hào)如表1。

2.2.2 模糊PID控制原理

2.2.2.1 太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵控制。運(yùn)用溫差循環(huán)法控制太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵。當(dāng)該集熱器的出口、回水的溫度之差超過(guò)8 ℃，蓄熱水箱出口溫度小于75 ℃時(shí)，開啟太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵的閥門。當(dāng)該集熱器的出口、回水的溫度之差小于4 ℃，或者蓄熱水箱出口溫度超過(guò)75 ℃時(shí)，將太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵關(guān)閉。

2.2.2.2 循環(huán)水泵工作頻率控制。根據(jù)室內(nèi)的需要，PLC將控制命令發(fā)送到變頻器[12-13]，溫度傳感器從室內(nèi)供暖末端獲取水的實(shí)際溫度，將設(shè)置的溫度值和獲取的實(shí)際溫度進(jìn)行對(duì)比，即可獲取水溫的偏差信號(hào)；再結(jié)合自適應(yīng)模糊PID 復(fù)合控制方法輸出控制信號(hào)，調(diào)節(jié)變頻器的頻率，控制水泵電機(jī)的工作頻率。因此，本文將模糊PID 控制器作為PLC中的子程序。

無(wú)論太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)處于哪種工作模式下，PLC都能夠單獨(dú)調(diào)節(jié)循環(huán)水泵電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，自適應(yīng)模糊PID 復(fù)合控制方法內(nèi)嵌在PLC 中，接收上位機(jī)發(fā)送的開關(guān)量信號(hào)，從而控制太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的上位機(jī)。運(yùn)用太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)對(duì)屋內(nèi)進(jìn)行供暖，以其中某一循環(huán)水泵為例，控制該循環(huán)水泵的框圖如圖3。

2.2.2.3 溫度控制。溫度是控制太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的主要指標(biāo)。在電機(jī)的作用下，具有溫度的水在水泵的帶動(dòng)下開始循環(huán)流動(dòng)，散熱器將冷氣或者是熱量輸送到每個(gè)房間；在水泵的帶動(dòng)下水回到熱交換器，被重新制冷或者制熱，按照此順序循環(huán)，從而保證房間的溫度一直穩(wěn)定在某個(gè)溫度上。夏季和冬季的太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的控制狀態(tài)不同，夏季以冷水為主、冬季以熱水為主[14]。例如冬季，熱泵機(jī)中的水溫為45 ℃ ，那么用戶端集水器內(nèi)的水溫應(yīng)控制在40 ℃左右，并作為控制溫度的取樣點(diǎn)。人為設(shè)置該太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的最佳溫度，由于地理位置不同，當(dāng)?shù)氐臍鉁匾膊煌虼丝筛鶕?jù)居住地的實(shí)際氣溫狀況進(jìn)行自動(dòng)、手動(dòng)兩種控制方式控制太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的溫度。其控制流程如圖4。

2.3 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

由于單一的控制器無(wú)法在保證穩(wěn)定溫度的同時(shí)，達(dá)到很好的節(jié)能效果，因此本文設(shè)計(jì)一種模糊PID 控制器，將模糊控制和PID 控制的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。該控制器作為PLC的子程序，可通過(guò)控制策略任意轉(zhuǎn)換兩種控制，即設(shè)置一個(gè)閾值，若太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)實(shí)際誤差比設(shè)置的閾值大，則選用模糊控制；若太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)實(shí)際誤差比設(shè)置的閾值小，則選用PID 控制。在太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的控制器中，提供的水溫基本保持不變，選取熱泵機(jī)組的回水溫度偏差E以及偏差變化率EC作為控制器的輸入，該控制器輸出的是能夠控制變頻器頻率的信號(hào)，最終控制水泵的水流速度。通過(guò)控制循環(huán)水泵水流速度，維持熱泵機(jī)組回水溫度同設(shè)置的溫度值一致，模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖5。

模糊PID 控制器中，設(shè)置的誤差閾值為E₀，若|E|≥|E₀|，則選用模糊控制，使該控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率增加；若|E|≤|E₀|，則選用PID 控制，使該控制器的穩(wěn)態(tài)控制精度提高。通過(guò)調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，增加模糊PID 控制器的響應(yīng)速率以及控制的精準(zhǔn)度，使其控制性能達(dá)到最優(yōu)。

2.4 自適應(yīng)模糊PID復(fù)合控制參數(shù)確認(rèn)

2.4.1 設(shè)置自適應(yīng)模糊語(yǔ)言變量 自適應(yīng)模糊PID 控制器的控制形式為三輸出、二輸入。設(shè)置的溫度和傳感器實(shí)際測(cè)量的室內(nèi)供暖末端溫度之間的偏差以及偏差變化率為輸入該復(fù)合控制器的變量；E和E_C為輸入該復(fù)合控制器的語(yǔ)言變量；K_P、K_I和K_D表示該控制器輸出語(yǔ)言變量。

上式中：影響自適應(yīng)模糊PID控制器輸出結(jié)果的隸屬度函數(shù)用u_c表示。連續(xù)域?yàn)閥，在y 上，該復(fù)合控制器輸出的三個(gè)PID 控制系數(shù)的隸屬度值所對(duì)應(yīng)的代數(shù)積分用∫表示。

根據(jù)上述過(guò)程得到控制系數(shù)，控制循環(huán)水泵的速率，達(dá)到自適應(yīng)控制太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的目的。

3實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用了實(shí)際運(yùn)行的太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。該系統(tǒng)包括太陽(yáng)能集熱器、地源熱泵機(jī)組、循環(huán)水泵、土壤換熱器等主要部分。實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)置在某市的建筑內(nèi)，以模擬實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集太陽(yáng)能集熱器的集熱效率、地源熱泵機(jī)組的能耗和制熱量、循環(huán)水泵的流量和揚(yáng)程等數(shù)據(jù)，以及土壤換熱器的溫度變化情況。該市從當(dāng)年的11月1日開始供暖，直到來(lái)年的3 月1 日停止供暖，共計(jì)2 904 h。從歷史數(shù)據(jù)中可知，在此時(shí)間范圍內(nèi)，該市太陽(yáng)輻照時(shí)間約為1 210 h，占供暖總時(shí)間的41.67%。室內(nèi)供暖末端的熱水流量為1.13 m³/h、出水、回水溫度30 ℃、20 ℃。每臺(tái)水泵的功率為54 W，室外埋地?fù)Q熱器的流量為0.69 m³/h。

太陽(yáng)能集熱器面積的大小直接影響太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的運(yùn)行模式。選擇面積分別為100 m²、300 m²、500 m²、700 m²的太陽(yáng)能集熱器，運(yùn)用本文方法進(jìn)行供暖。驗(yàn)證不同面積的太陽(yáng)能集熱器對(duì)供水溫度的影響，結(jié)果如圖6。其中設(shè)置供水要求溫度區(qū)間為[20-30] ℃。

分析圖6 可知，面積為100 m²的集熱器可提供的最高溫度低于28 ℃，此時(shí)未達(dá)到供熱要求溫度，集熱器無(wú)法為室內(nèi)提供充足的熱量。面積為300 m²"的集熱器雖然在約28 h 內(nèi)即可提供30 ℃的水溫，但是該集熱器集熱時(shí)間較短，容易增加更多的初始投資并難以保證其供熱的穩(wěn)定性。面積為500 m²的集熱器在約90 h 左右，提供30 ℃水溫，能夠直接利用太陽(yáng)能集熱器提供熱量。而面積為700 m²的集熱器提供30 ℃水溫時(shí)間約為175 h，能夠滿足工人的需求。實(shí)驗(yàn)表明，太陽(yáng)能集熱器面積越大，太陽(yáng)能利用程度越高。

選取兩種不同的太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)工作模式，第一種只運(yùn)用地源熱泵機(jī)組；第二種是運(yùn)用本文方法控制太陽(yáng)能集熱器以及地源熱泵機(jī)組。在這兩種工作模式下，分別對(duì)12月5日（第一種模式）、13 日（第二種模式）的室內(nèi)進(jìn)行供暖，這兩日室外溫度幾乎一致。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)土壤溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄可得，室外埋地?fù)Q熱器處于地下5 m、10 m時(shí)，土壤溫度的變化情況如圖7。

分析圖7可知，12月5日，太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)處于第一種工作模式下，隨著時(shí)間的推移，土壤溫度不斷降低，導(dǎo)致土壤中的溫度場(chǎng)失衡，該工作模式下的空調(diào)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖7（a）所示。12 月13 日，太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)處于第二種工作模式下，土壤溫度先下降后又開始上升，而后又開始下降。是因?yàn)橐婚_始是運(yùn)用地源熱泵組提供溫度，土壤溫度開始降低；在10 點(diǎn)，開啟太陽(yáng)能集熱器閥門后，太陽(yáng)能承擔(dān)部分熱負(fù)荷，一部分熱量直接為室內(nèi)供暖末端供熱，另一部分熱量則儲(chǔ)存在土壤中，保持地下溫度場(chǎng)的穩(wěn)定，并為夜間地源熱泵機(jī)組運(yùn)行提供充足的保障。實(shí)驗(yàn)表明，本文方法控制后的太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

為驗(yàn)證本文方法的抗干擾性能，在MATLAB中模擬脈沖發(fā)生器對(duì)太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的模糊PID 控制器進(jìn)行干擾，統(tǒng)計(jì)加入干擾前后本文方法控制曲線如圖8。

分析圖8 可知，本文方法控制太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)后，控制變量逐漸上升，在極短的時(shí)間內(nèi)，控制曲線趨于平穩(wěn)。在4.5 s 時(shí)，由于脈沖發(fā)生器的干擾，控制變量忽然增加，經(jīng)過(guò)本文方法的控制，在2 s 內(nèi)，即恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知，本文方法避免單一控制器所存在的缺點(diǎn)，將模糊控制的優(yōu)點(diǎn)和PID 控制器的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，建立模糊PID 控制器，該復(fù)合控制器具有較優(yōu)的穩(wěn)健性、靈活性以及容錯(cuò)性等。實(shí)驗(yàn)表明，本文方法的抗干擾性較優(yōu)、調(diào)節(jié)時(shí)間短且控制效果好。

COP值是評(píng)價(jià)太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)效率的重要指標(biāo)，其計(jì)算公式為：COP=制熱量 / 能耗量。其中，制熱量是指在某一工況下，空調(diào)系統(tǒng)所提供的熱量；能耗量是指該系統(tǒng)運(yùn)行所需的能耗，包括機(jī)組本身的能耗以及循環(huán)水泵等輔助設(shè)備的能耗。COP值越大，說(shuō)明該空調(diào)工作效率越高，節(jié)能性能越優(yōu)。為驗(yàn)證本文方法控制后空調(diào)的工作效率，從冬季選取40 d的數(shù)據(jù)，從夏季選取20 d的數(shù)據(jù)，在此工況下，根據(jù)測(cè)得的制熱量和能耗量理論計(jì)算出的COP值，將該值同實(shí)際測(cè)量的COP值進(jìn)行比較，表示空調(diào)性能的曲線如圖9。

分析圖9 可知，不管是夏季還是冬季，本文方法控制后的太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的實(shí)際測(cè)量COP 值高于理論計(jì)算的COP 值，這是因?yàn)樵摲椒ú捎昧四：齈ID 控制器，對(duì)循環(huán)水泵工作頻率以及溫度進(jìn)行了控制。在夏季太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的制冷性能系數(shù)平均約為3.5，比理論計(jì)算的COP平均值約高0.4；在冬季太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的供暖性能系數(shù)平均約為4.8，比理論計(jì)算的COP平均值約高0.3。實(shí)驗(yàn)表明，本文方法控制的太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)的工作效率較高。

4結(jié)論

本文提出太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)自適應(yīng)模糊PID復(fù)合控制方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文方法的控制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文方法控制后的太陽(yáng)能—地源熱泵式空調(diào)能夠恢復(fù)地下溫暖場(chǎng)的溫度，使地源熱泵機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；本文方法抗干擾性能較優(yōu)，2s 即可恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，控制效果好；本文方法控制后的實(shí)際測(cè)量COP值高于理論計(jì)算的COP值，夏季制冷性能系數(shù)平均約為3.5，冬季約為4.8，空調(diào)工作效率更高。