CN109140629A - 一种冰浆式蓄冷空调系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冰浆式蓄冷空调系统及控制方法，其中冰浆式蓄冷空调系统包括蓄冰系统、释冷系统、蓄冰装置以及控制系统；蓄冰系统包括压缩机、冷凝器、蒸发器、过冷却器和过冷解除装置；所述蓄冰系统与释冷系统通过所述蓄冰装置进行耦合；蓄冰系统制成的冰浆储存在所述蓄冰装置内；所述蓄冰系统与所述蓄冰装置连接形成蓄冰循环回路；所述释冷系统与所述蓄冰装置连接形成释冷循环回路；在所述释冷循环回路上设置有第一阀门；所述控制系统通过控制所述第一阀门的开度以及压缩机的功率调节所述空调换热器的换热量。本发明应对用户负荷变动时具有较及时的调节作用，较好的抗扰能力，一定程度上提高了冰浆蓄冷空调的运行稳定性。

Description

一种冰浆式蓄冷空调系统及控制方法

技术领域

本发明属于热工控制领域，涉及一种基于多变量模型预测控制，适用于冰浆式蓄冷空调系统的控制方法。

背景技术

空调的蓄冷技术是指系统在用电低谷时期消耗较多的电能，进行蓄冷工作，将冷量储存，在白天用电高峰期，释放夜间储存的冷量，满足用户的负荷需要。在空调的蓄冷技术中，制备、储存冷量和输送冷量是分开进行的。通过这种蓄冷技术可以实现“削峰填谷”的效果。空调的蓄冷方式又可以分为水蓄冷、冰球式、冰盘管式及冰浆式蓄冷等。冰蓄冷属于潜热蓄冷技术，系统的释冷和蓄冷过程利用了水相变过程的潜热，能产生更大的蓄冷能力。冰蓄冷技术按制冰方式不同可分为静态冰蓄冷和动态冰蓄冷。动态冰蓄冷方式包括：片冰滑落式、冰晶式和冰浆式。

冰浆式蓄冷是一种新型动态冰蓄冷方式，其储能介质是冰浆，即固态冰晶颗粒与液态冷水组成的固、液两相混合物。过冷法是常用的制备冰浆方式，蓄冰槽内的冷水进入过冷却器，被过冷到-2℃左右，形成液态的过冷水，然后进入特殊设计的过冷消除装置，约有2.5％的过冷水变成冰晶。产生的冰晶落入蓄冰槽，由于冰和水存在密度差，冰晶聚集在蓄冰槽上部，而水储存在蓄冰槽下部，水温仍保持在0℃左右。

冰浆蓄冷空调系统在夜晚用电的低谷时期消耗较多电能进行冰浆制备。在白天用电高峰期间，蓄冰槽底部的冷水被送入空调末端换热器向房间供冷，释放夜间储存的冷量，满足用户的用冷需求。冰浆蓄冷空调系统的冷量储存和释放过程分为2个循环回路分别进行，该系统可以提高电力资源的利用率，缓解用电高峰时期电力紧缺现象，对于电力系统的“削峰填谷”作用十分显著，对区域供冷具有重要意义。

对于冰浆蓄冷空调系统，夜间储存的冷量需要足够满足白天用户的负荷需求。因此如何对系统的蓄冷量，及空调的运行效果进行有效的控制，成为研究的主要热点之一。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简明、调节较及时、抗扰能力较强的冰浆蓄冷空调系统的控制方法，使得系统在满足用户需求的同时，蓄冷量可以维持在一个设定范围内，或以设定速度稳定地变化，避免白天供冷时期系统蓄冷量不足，无法满足用户需求的情况发生。该控制方案最终效果在于改善冰浆蓄冷空调系统的运行稳定性及抗扰能力。

技术方案：

一种冰浆式蓄冷空调系统，包括蓄冰系统、释冷系统、蓄冰装置以及控制系统；

蓄冰系统包括压缩机、冷凝器、蒸发器、过冷却器和过冷解除装置；过冷却器一侧是一次冷媒，压缩机侧是二次冷媒，一次冷媒和二次冷媒通过蒸发器进行换热；过冷却器另一侧是蓄冰槽出来的液态水，与一次冷媒进行换热，形成液态的过冷水；过冷水经所述过冷消除装置成为冰浆；

所述释冷系统包括空调换热器；

所述蓄冰系统与释冷系统通过所述蓄冰装置进行耦合；蓄冰系统制成的冰浆储存在所述蓄冰装置内；所述蓄冰系统与所述蓄冰装置连接形成蓄冰循环回路；所述释冷系统与所述蓄冰装置连接形成释冷循环回路；

在所述释冷循环回路上设置有第一阀门；

所述控制系统通过控制所述第一阀门的开度以及压缩机的功率调节所述空调换热器的换热量。

所述控制系统采用模型预测控制，模型预测控制的两个被控量为蓄冰装置内冰晶浓度和室内温度，模型预测控制的两个调节量为压缩机输入功率和第一阀门的开度。

过冷消除方式选择冲击碰撞法，装置为管式过冷消除装置，经物理碰撞释放吉布斯自由能，解除过冷状态成为冰浆，相关实验表明，其对冰晶颗粒的转化率与过冷却器出口过冷水的过冷度有关，在一定范围内，过冷度越大冰晶转化率越高。

考虑冰浆蓄冷空调系统的其它运行参数不变，调节第一阀门开度，可调节与室内空气换热的冷水流量，从而改变空调送风温度，达到调节室内温度的目的。同时由于第一阀门开度的变化会对蓄冰槽内的冰晶浓度产生影响，调节压缩机功率可控制蓄冰槽内冰浆的冰晶浓度，由此设计出2×2的系统控制矩阵。设计多变量模型预测控制器MPC，蓄冰槽内冰晶浓度和室内温度作为反馈信号进入MPC控制器，控制器输出压缩机的功率信号和第一阀门的开度信号。用户负荷变动时，系统具有较强的抗扰能力且系统对被控量的调节较为及时。

有益效果：本发明的优点在于：1)控制量选取阀门开度及压缩机功率，控制结构简洁明了，便于实现。2)室内温度及蓄冰槽内状态变化具有一定惯性，与传统的PID控制器相比，模型预测控制可利用已知的过去信息，预测系统未来的输出信息，较早做出判断，输出最优控制量，对于纯迟延、大惯性的对象具有事前动作的优点，对冰浆蓄冷空调这样大惯性、各部件存在耦合的系统调节较及时，同时避免了繁琐的解耦工作。3)该控制方案提高了冰浆蓄冷空调系统的抗扰能力，面对用户负荷变动时，可较及时地将被控量拉回设定值，有利于系统的稳定运行。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的系统结构示意图。

图2为本发明的一种实施例中控制方法结构示意图。

图3-a为夜间用户侧的冷负荷变化曲线，图3-b和图3-c分别为蓄冰槽内冰浆冰晶浓度和室内温度的控制过程响应曲线，图3-d和图3-e分别为阀门1开度和压缩机功率的控制量曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种针对冰浆蓄冷空调系统，包括蓄冰循环系统和释冷循环系统；

蓄冰循环系统主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、过冷却器和过冷接触装置等部件构成，系统结构如图1所示；

过冷却器一侧是一次冷媒，压缩机侧是二次冷媒，二者通过蒸发器进行换热。过冷却器另一侧是蓄冰槽出来的液态水，与一次冷媒进行换热，形成液态的过冷水。过冷消除方式选择冲击碰撞法，装置为管式过冷消除装置，经物理碰撞释放吉布斯自由能，解除过冷状态成为冰浆，相关实验表明，其对冰晶颗粒的转化率与过冷却器出口过冷水的过冷度有关，在一定范围内，过冷度越大冰晶转化率越高。

二次冷媒在蒸发器侧定压汽化吸热后，进入压缩机在绝热状态下被压缩，压缩机出口的高压制冷剂蒸气温度高于饱和温度，随后进入冷凝器向环境介质等压放热，冷凝器内过热的制冷剂蒸气降温、冷凝成饱和液状态后，再次进入蒸发器与一次冷媒进行换热，完成蓄冰循环；

蓄冰循环系统与释冷循环系统以蓄冰槽和循环水泵进行耦合。蓄冰槽设有过滤装置，位于蓄冰槽的出口处，蓄冰槽的出口与循环水泵的进口相连，循环水泵的出口与一个三通阀相连。其中一个阀门的出口与过冷却器的进口相连，控制通过蓄冰循环系统的冷水流量。过冷却器的出口与过冷解除装置的进口相连，过冷解除装置的出口与蓄冰槽的进口相连，制备出的冰浆直接进入蓄冰槽储存。另一个阀门控制通过释冷循环系统的冷水流量，冷水通过空调负载侧与空气进行换热，达到降温除湿的目的，经过换热后的高温回水通过管道回到蓄冰槽内，融解蓄冰槽内的冰浆。可建立蓄冰槽的集总参数模型：

焓温通道：

质量平衡方程：

冰浆焓值的计算方程：h_bj＝(1-X_s)h_w+X_sh_b (3)

其中m_wi，m_wo分别为回水，取水的质量流量(kg/s)。T_wi，T_wo分别为回水，取水温度(K)，S为与空气接触面积(㎡)，c_w为循环水比热(kJ/(kg·K))，M_bj为蓄冰槽内介质总质量(kg),γ_b为蓄冰槽散热系数(kJ/(㎡·K)，h_bj、h_w、h_b分别为冰浆、水和冰的比焓(kJ/kg)，X_s为蓄冰槽内冰浆的含冰率。

设与空调负载侧相连的阀门为阀门1，与过冷却器连接的阀门为阀门2。调节阀门1的开度，可改变通过负载侧的冷水流量，改变在空调表面冷却器中与空气的换热量，从而调节空调的送风温度，达到调节室内温度的目的。可建立空调表面冷却器的集总参数模型：湿空气侧热量守恒：

冷水侧热量守恒：其中m_ai，m_ao分别为干空气的进出口流量(kg/s)，h_ai、h_ao分别为进口、出口湿空气焓(kJ/kg)，w_x为湿空气通过表面冷却器后析出的水量(kg/s)，γ为汽化潜热(kJ/kg)，c_a为空气定压比热容(kJ/(kg·K))，V_a为控制体体积(m³)，ρ_i、ρ_o分别为湿空气进出口密度(kg/m³)，T_ao为空气出口温度(K)，T_wi1，T_wo1分别为进出口冷水温度(K)，M_w为控制体质量(kg)，m_w为通过负载侧的冷水循环流量(kg/s)，A_h为换热面积(㎡)，q_h为表面对流换热量(kw/㎡)。

空调送风温度的改变，最终影响室内温度变化，同样可利用集总参数法，建立用户房间的动态数学模型：

热量守恒方程：

质量守恒方程：其中m_ao1、h_ao1分别为空调送风量(kg/s)和送风比焓(kJ/kg)，m_ai1、h_ai1分别为空调进风量(kg/s)和进风比焓(kJ/kg)，h_a、d_a分别为当前房间的空气比焓(kJ/kg)和湿度，，d_x,q_x分别为房间湿负荷(kg/s)及冷负荷(kw)。

衡量冰浆蓄冷空调系统蓄冷量的物理量是蓄冰槽内的冰晶浓度，在蓄冰循环系统中，压缩机输入功率与制冷量成正比，而制冷量大小决定了过冷却器出口的过冷水的过冷度，对于过冷消除装置，其对冰晶的转化率与冷水过冷度的数学关系可表示为：

其中ΔT为过冷消除装置的进口水温(℃)，k为比例系数，根据实验数据拟合得到。

对于阀门，其内部介质行程较短，因此也可以视为不可压缩流体，考虑阀门开度变化，建立模型：

其中k_i为调门开度，ΔP为调门前后压力(pa)，ξ为阻力系数。

根据两个阀门及泵特性曲线，可以建立整个循环系统的压力流量通道：

其中P₁，P₂分别为泵的进出口压力(pa)，P₃，P₄分别为释冷系统和蓄冰系统回水点处的压力(pa)，H为泵到换热器的管道高度(m)，P₂₀为调门前压力(pa)，m_w1、m_w2分别为通过阀门1和阀门2的冷水流量(kg/s)。k₁、k₂为阀门1、2的开度。

基于Simulink平台搭建冰浆蓄冷空调的机理模型。为保证冰浆蓄冷空调在维持室温的同时，也能对蓄冰槽内的冰晶浓度加以控制，本方案设计了2×2的控制矩阵，将压缩机功率、调门开度作为两个输入，将室内温度、蓄冰槽内的冰晶浓度作为两个输出，分别对两个输入端施加单位阶跃信号激励模型，通过Matlab系统辨识工具箱辨识得到两个输入输出之间的传递函数。采用的系统辨识法原理是：

假设待辨识的模型传递函数可分解为：当输入为单位阶跃函数时，对上式进行拉普拉斯反变换，得到系统时域下的单位阶跃响应为：

即

令w₁＝kw₂(k>1)得

对上式两边取以e为底的对数得

当t→∞时，则上式化简为

该式的形式满足直线方程

y^*(t)＝at+b (17)

其中y^*(t)＝ln[1-y(t)]，

通过最小二乘算法实现直线的拟合，得到a,b的值，即可得到w₁，w₂的值，进而可得到模型的传递函数。对于更高阶的传递函数，辨识原理同上类似。

夜间蓄冰工况下的用户冷负荷时刻在变，冰浆蓄冷空调通过调节阀门1开度来改变通过负载侧的冷水流量，从而维持室内温度恒定。另一方面调节阀门1开度的同时会影响通过阀门2的冷水流量，且蓄冰槽的高温回水状态变化会影响蓄冰槽内冰晶浓度的变化，因此该系统存在多变量的控制问题。同时室内温度变化具有一定惯性，系统存在蓄冰槽等惯性较大的部件，对于这种大惯性的对象，采用PID控制可能会造成较长的调节时间。而预测控制可利用已知的过去信息，预测系统未来的输出信息，较早做出判断，输出最优控制量。本文采用多变量模型预测控制(MPC)设计该系统的控制器。

模型预测控制算法主要分为三个部分：预测模型，滚动优化和反馈校正。算法可基于状态空间实现，先考虑以状态方程描述的单输入单输出线性系统：

x(k+1)＝ax(k)+bu(k) (18)

y(k)＝c^Tx(k) (19)

其中状态变量x(k)实时可测，u(k)，y(k)分别为系统的输入和输出。若需要预测未来P个时刻系统的输出，可由模型预测出在u(k),u(k+1),…u(k+M-1)作用下未来P(P≥M)个时刻的系统状态：

x(k+1)＝Ax(k)+bu(k)

x(k+2)＝A²x(k)+Abu(k)+bu(k+1)

x(k+M)＝A^Mx(k)+A^M-1bu(k)+…+bu(k+M-1)

x(k+M+1)＝A^M+1x(k)+A^Mbu(k)+…+(Ab+b)u(k+M-1)

x(k+P)＝A^Px(k)+A^P-1bu(k)+…+(A^P-Mb+…+b)u(k+M-1)

可用向量形式描述为

X(k)＝F_xx(k)+G_xU(k) (20)

其中

如果需要预测未来P个时刻的系统输出，加上式中的输出方程，可类似地推出

Y(k)＝F_yx(k)+G_yU(k) (21)

其中，

其中g_i＝c^Ta^i-1b；

考虑输出优化问题，使被控对象在控制器的作用下，未来P个时刻的输出预测值Y(k+i)尽可能的接近给定期望值w(k+i)，优化性能指标可写成以下向量形式：

结合输出的预测模型，可求出最优解的解析表达式：

其中Q，R分别为输出误差权矩阵和控制权矩阵。

对于冰浆蓄冷空调系统，本方案选取蓄冰槽内冰晶浓度和室内温度作为两个被控量y₁，y₂，选取压缩机输入功率和阀门1开度作为两个调节量u₁，u₂。由动态数学模型辨识得到传递函数方程矩阵

并表达成状态空间形式：

X(k+1)＝AX(k)+BU(k) (24)

Y(k)＝CX(k)+DU(k) (25)

其中U(k)＝[u₁(k) u₂(k)]，

本控制方案目的在于：夜间蓄冰工况下，空调对室温进行调节的同时，可以对系统的蓄冷量进行控制。若用户冷负荷产生变化，在MPC控制器作用下，调节阀门1开度u₂可使室内温度y₂回到设定值，同时调节压缩机的输入功率u₁，可使蓄冰槽内冰晶浓度y₁稳定在设定值或按指定速率变化。该控制方案用以提高蓄冰工况下冰浆蓄冷空调的运行稳定性，使被控对象较快的跟踪上设定值。

实施例1

本发明空调系统的控制方法，步骤为：

步骤1：基于Matlab/Simulink平台搭建冰浆蓄冷空调的机理模型。为保证冰浆蓄冷空调在维持室温的同时，也能对蓄冰槽内的冰晶浓度加以控制，本方案基于多变量模型预测控制算法，设计2×2的控制矩阵。选取蓄冰槽内冰晶浓度和室内温度作为两个被控量y₁，y₂，选取压缩机输入功率和阀门1开度作为两个控制量u₁，u₂。

步骤2：分别对两个输入端施加阶跃信号激励模型：分别使压缩机功率u₁阶跃增大0.1kw，阀门1开度u₂阶跃增大10％，得到对应的输出响应曲线，通过Matlab系统辨识得到输入与输出彼此之间的传递函数，并写成状态空间形式：

X(k+1)＝AX(k)+BU(k)

Y(k)＝CX(k)+DU(k)

其中：

步骤3：基于Matlab平台，将上述辨识得到的系统状态空间模型应用于模型预测控制算法中，选取采样时间为0.1s，预测步长P＝1400，控制步长M＝1。

步骤4：在Simulink搭建的机理模型上验证该控制方案的有效性：本实施例中，夜间用户侧的冷负荷变化曲线如图3-a所示。设计夜间谷电段需将蓄冰槽内冰浆的冰晶浓度提升至50％，同时维持室内温度在25℃恒定，阀门开度约束上下限为[0，0.9]，压缩机功率约束上下限为[0，3]，单位为kw。

上述实施例的仿真结果见图3-b至3-e所示，图3-b和图3-c表面该控制方案可以使室温在用户侧冷负荷较大幅度的变动下，基本稳定在设定值25℃左右，系统具有较好地抗扰能力，同时可以在白天峰电段开始之前将系统的蓄冷量稳定在设定值50％。图3-d表明整个调节过程中阀门开度变动较大，其大致趋势和用户侧冷负荷的变化趋势相似。图3-e表明调节过程中压缩机开始以最大功率进行制冰，之后下降至一定数值以维持蓄冷量的稳定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种冰浆式蓄冷空调系统，包括蓄冰系统、释冷系统、蓄冰装置以及控制系统；

蓄冰系统包括压缩机、冷凝器、蒸发器、过冷却器和过冷解除装置；过冷却器一侧是一次冷媒，压缩机侧是二次冷媒，一次冷媒和二次冷媒通过蒸发器进行换热；过冷却器另一侧是蓄冰槽出来的液态水，与一次冷媒进行换热，形成液态的过冷水；过冷水经所述过冷消除装置成为冰浆；

所述释冷系统包括空调换热器；

所述蓄冰系统与释冷系统通过所述蓄冰装置进行耦合；蓄冰系统制成的冰浆储存在所述蓄冰装置内；所述蓄冰系统与所述蓄冰装置连接形成蓄冰循环回路；所述释冷系统与所述蓄冰装置连接形成释冷循环回路；

在所述释冷循环回路上设置有第一阀门；

所述控制系统通过控制所述第一阀门的开度以及压缩机的功率调节所述空调换热器的换热量。

2.根据权利要求1所述的冰浆式蓄冷空调系统，其特征在于：所述控制系统采用模型预测控制，模型预测控制的两个被控量为蓄冰装置内冰晶浓度和室内温度，模型预测控制的两个调节量为压缩机输入功率和第一阀门的开度。

3.根据权利要求1所述的冰浆式蓄冷空调系统，其特征在于：过冷消除装置中冰晶的转化率为：

其中，ΔT为过冷却器出口水温(℃)，k为比例系数。

4.根据权利要求1所述的冰浆式蓄冷空调系统，其特征在于：所述蓄冰装置为蓄冰槽。

5.基于权要求1所述的冰浆式蓄冷空调系统的控制方法，其特征在于：采用多变量模型预测控制对空调系统进行控制。

6.根据权要求5所述的控制方法，其特征在于：所述多变量模型预测控制的两个被控量为：蓄冰槽内冰晶浓度y₁，室内温度y₂；所述多变量模型预测控制的两个调节量为压缩机输入功率u₁，第一阀门开度u₂；

由动态数学模型辨识得到传递函数方程矩阵

并表达成状态空间形式：

X(k+1)＝AX(k)+BU(k)

Y(k)＝CX(k)+DU(k)

其中，U(k)＝[u₁(k) u₂(k)]，