基于预测的复合地源热泵系统控制方法实现

1、基于预测的复合地源热泵系统控制方法实现张文松，王学文（华中科技大学 环境科学与工程学院，湖北 武汉 430074）摘要：在冬冷夏热且夏季冷负荷远大于冬季热负荷的地区常采用带有冷却塔的复合式地源热泵系统，其控制策略存在极大的优化空间。文章提出了直接比较冷却塔和与土壤换热器相连的板式换热器的出口温度的控制方法，并通过人工神经网络预测板式换热器机组侧的出口水温来实现此控制方法。通过fluent软件建立复合式地源热泵系统动态数值模型，获取建立神经网络的数据，采用3层bp网络，建立了多个预测板式换热器机组侧出口温度的模型.研究结果表明，采用神经网络可以准确实现此预测，绝对误差不超过0.4。关键词：地源热

2、泵； 土壤换热器； 板式换热器； 人工神经网路； 预测模型 中图分类号： 文献标识码：a study on predictive control of hybrid ground source heat pump systemzhang wen-song，wang xue-wen(school of environment science and engineering, huazhong university of science and technology, wuhan 430074，china)abstract: hybrid ground source heat pump syste

3、ms are applied in areas where the cooling load is much larger than heating load. huge freedom exists in the control methods. a new control strategy is proposed, that is, to compare water temperatures exiting the cooling tower and plate heat exchanger (phe) coupled with ground heat exchanger (ghe) di

4、rectly. however, only one of the two temperatures can be measured timely so artificial neural network (ann) is introduced to predict the cooling water temperature at outlet of phe . a dynamic numerical simulation of hybrid ground source heat pump system based on fluent is employed to generate the mo

5、nitoring data which are then used to train and test ann models. results show that ann can be used to predict the water temperature at outlet of the phe exactly with the absolute error less than 0.4 .keywords: hybrid ground source heat pump； ground heat exchanger； plate heat exchanger； artificial neu

6、ral network；predictive0 前言地源热泵系统具有效能高，污染低的特点，因此在世界范围内得到了广泛的应用1。在冬冷夏热且夏季冷负荷远大于冬季热负荷的地区，常采用带辅助散热设备的复合式地源热泵系统，在保证全年热平衡的同时减少钻井所需的初投资和占地面积2。在复合式地源热泵系统中，常采用冷却塔与土壤换热器并联的形式（图1）,通过有选择性地运行土壤换热器或冷却塔来保持地下土壤的全年热平衡。stephen p.kavanaugh3提出一套复合式地源热泵的设计方法，并计算了冷却塔全年的运行时间，以保证土壤热平衡。但在满足全年土壤热平衡的前提下，在某一时刻运行土壤换热器还是冷却塔的选择存在

7、着极大的自由度。cenk yavuzturk4对复合式地源热泵系统的控制策略进行了详细的研究，但主要研究对象是土壤换热器与冷却塔串联的系统，对并联系统没有太多探讨。 图1 复合式地源热泵系统结构图 图2 建筑逐时负荷图fig.1 schematic diagram of the hgchp system fig.2 annual hourly building load本研究以热泵机组的瞬时效能系数为优化目标，通过比较与土壤换热器相连的板式换热器机组侧和冷却塔的出口水温，来决定某一时刻是运行土壤换热器还是冷却塔，以获得最低的机组进水温度，从而降低机组功耗。土壤换热器的出口水温在系统刚启动的一段

8、时间内上升较快，因此为避免频繁切换，本研究比较土壤换热器启动运行半个小时后的板式换热器机组侧出口水温与冷却塔的出口水温。但这两个出口水温中通常只有一个可以被实时测量，这就必须依赖一个可靠的数学模型，以便对另一个出口水温进行预测。冷却塔出口水温的预测已经可以实现5，但与土壤换热器相连的板式换热器机组侧循环水的出口温度很难用传统的数学方法的模型进行精确的预测。michopoulos6利用解析模型对地埋管出口温度进行了预测，但最大误差高达6。人工神经网络具有强大的信息处理能力、自组织和自适应性，在模式识别和人工智能领域有着广泛的应用7。本研究利用人工神经网络实现与土壤换热器相连的板式换热器机组侧出口

9、水温的预测。本研究以武汉某办公建筑为对象，设计一套复合式地源热泵系统，利用fluent软件建立三维动态数值模型，利用所得数据建立人工神经网络模型，预测与土壤换热器相连的板式换热器的机组侧出口水温，从而实现新的控制方法。1 系统描述办公楼的全年逐时负荷见图2。可见，该建筑的冷负荷远大于热负荷，因此采用复合式地源热泵系统。土壤换热器根据冬季热负荷进行设计，设有281孔井，井深为60m，管的内径为26mm，外径为32mm，管井直径为200mm。系统长时间运行会使土壤换热器换热性能下降，因此系统采用间歇运行方式8，即土壤换热器和冷却塔交替运行。冷却塔的选型要满足办公楼夏季最大冷负荷的要求。2 控制策略

10、分析在复合式地源热泵系统中，常用的控制方法如下。（1）设定特定值，当热泵机组的进口或出口温度超过某一个值时，冷却塔启动。（2）温差控制法，当热泵机组的进口或出口温度与室外干球或湿球温度差值高于某一个值时，冷却塔启动。（3）时间控制法，设置特定的冷却塔或土壤换热器的工作时间。上述控制方法均基于冷却塔与土壤换热器串联的系统，关于并联系统并没有太多的研究。本文提出另外一种控制方法，即直接比较板式换热器机组侧出口水温与冷却塔出口水温，以获得最低的机组进口水温，从而降低机组功耗。3 人工神经网络人工神经网络（artificial neural networks, ann）是由神经元相互连接，通过模拟人的

11、大脑神经处理信息的方式，进行信息处理的复杂网络系统。它具有强大的学习功能，可以比较轻松地实现非线性映射过程，在模式识别、人工智能、控制工程和信号处理方面得到大量的应用。图3 三层bp网络结构图fig.3 schematic diagram of typical bp networksbp(back propagation)网络是目前应用最为广泛和成功的神经网络，典型的bp神经网络由输入层、输出层和隐含层组成（图3）。本研究利用bp神经网络来预测板式换热器出口水温，并通过均方根误差来评价预测结果（式1）。（1）式中：均方根； -数据的个数；为第m个数据的预测值；为第个数据的计算值。4 复合式地源

12、热泵系统的数值模型通过计算流体力学软件fluent模拟本研究建立的复合式地源热泵系统，产生的数据用来训练和检测神经网络模型。热泵机组模型：采用gordan的机组模型9，结合样本数据拟合出功耗与冷却水进水的关系式（式2）。 （2）式中：表示冷凝器侧冷却水进口水温，k；为蒸发器侧冷冻水出口温度，k；为机组额定负荷负荷，kw；为负荷率。冷却塔模型：采用merkel焓差法，使冷却塔本身冷却能力(冷却数)和所需要的冷却任务(冷却塔特性数) 相等，见式3，4。 （3） （4）式中：为以含湿量差表示的传质系数，；为填料的比表面积，；为塔的横截面积，；为塔内填料高度，；w为进水冷却塔的冷却水流量；为水的比热容

13、，）；为冷却水在塔内的温降；，分别为与冷却塔进水温度、冷却塔出水温度、平均水温对应的饱和空气焓， ；，分别为冷却塔空气出口处、冷却塔空气进口处空气的焓值；。板式换热器模型：采用法计算其效能系数10，见式5。 ， （5）式中：，分别为板式换热器两侧流量与比热乘积较小、较大者。土壤换热器模型：利用gambit建立几何模型，划分好网格后代入fluent设置边界条件，初始化后便可进行迭代计算11，时间步长为300s。上述模型的详细建立过程见文献12。另外，在土壤换热器地下5m处沿u型管中心连线的对称面上设置6个温度监测点，包括u型管进出管侧管外壁温度、u型管进出管侧回填材料外壁温度、u型管进出管侧距离

14、中心0.2m处土壤温度，为建立人工神经网络模型提供帮助.图4 系统运行模式fig.4 schedule of hgshps-1-冷却塔开，土壤换热器关；1-冷却塔关，土壤换热器开；0-停机阶段系统共运行12周，其中前8周的运行模式如图4所示。在每个时间段，当负荷不超过1台机组的供冷能力时，运行1台机组，否则同时启动2台机组，并在原来土壤换热器或冷却塔的基础上再启动1台冷却塔。在后4周运行阶段，冷却塔和土壤换热器随机切换，运行时间不规则。图5为某一天土壤换热器连续运行4h过程中板式换热器机组侧出口水温随时间步长的变化关系曲线。由图5可以看出，在土壤换热器刚开始运行的半小时内，板式换热器机组侧出口

15、水温上升较快，由295k上升至298k。为避免冷却塔与土壤换热器的频繁切换，可预测土壤换热器启动半个小时后的板式换热器机组侧出口水温，并与当前时刻冷却塔的出口水温进行比较，作为是否实现两者切换的依据。图5板式换热器机组侧出口水温随时间步长的变化关系曲线fig.5 change of cooling water temperature at outlet of phe with increase of time steps5 土壤换热器的神经网络模型本研究中神经网络的输出量为土壤换热器运行半个小时候后板式换热器机组侧出口水温。板式换热器的出口水温与机组出口水温、土壤换热器的出口水温有关，将启动前

16、机组出口水温、土壤换热器出口水温和地下6个监测点的温度作为输入变量，同时考虑系统的负荷特征，将启动当前时刻机组的进出口水温差也作为输入变量之一。为获得足够的训练和测试数据，将土壤换热器运行前5个时间步长的数据也作为样本，即用启动前6，5，4，3，2，1个时间步长的数据分别预测板式换热器运行1，2，3，4，5，6个时间步长的机组侧出口水温，此时引入变量,记录开始运行的时间步长数。实际本研究仅需预测为6时的板式换热器机组侧的出口水温。采用经验算法确定隐含层神经元数目为23个。通过文献7可知，levenberg-marquardt算法具有比较快的收敛速度，因此将其作为本研究中的学习算法。人工神经网络

17、模型结构确定后，将输入输出变量进行归一化处理便可开始计算。6 结果与讨论为探讨神经网络模型是否适用于不同运行模式的复合式地源热泵系统，本研究根据样本来源特点将系统分为4类，建立4个模型，结果见表1。由表1可知，训练和测试样本无论取自固定的还是非稳定的运行模式下的复合式地源热泵系统，样本的均方根误差都非常小，最大为0.32，最小为0.08。由此说明利用人工神经网络能够准确预测运行半个小时后板式换热器机组侧出口水温，其中当系统采用基于神经网络的预测控制时，系统更多地处于m4模式。m4的训练和测试结果见图6，7。表1 各种模式下训练与测试结果table.1 training and testing

18、results with samples from different modes标号训练样本特点测试样本特点训练结果rms测试结果rmsm1取自1-6周，固定运行模式下取自7-8周，固定运行模式下0.10.28m2取自1-8周，固定运行模式下取自9-10周，非稳定模式下0.080.32m3取自1-8，9-10周，固定、非稳定模式下取自11-12周，非稳定模式下0.10.17m4取自9-11周，非稳定模式下取自12周，非稳定模式下0.20.17图6 训练样本绝对误差 图7 测试样本绝对误差fig.6 absolute error of training samples in m4 fig.7

19、absolute error of testing samples in m4由图6，7可知，训练样本绝对误差不超过0.8，测试样本绝对误差不超过0.5，且大多数点位于0附近，可见采用神经网络模型可准确预测板式换热器的出口水温，且训练好的网络模型具有较好的泛化能力。图8 m4训练结果fig.8 absolute error of training samples used to predict water temperature exiting phe at exact half an hour later after ghe run.图9 m4测试结果fig.9 absolute error

20、 of testing samples used to predict water temperature exiting phe at exact half an hour later after ghe run.取样本中土壤换热器运行了半个小时的数据组，即为6的数据组进行训练和测试，结果见图8和图9。从图8，9中可见，训练样本和测试样本绝对误差均不超过0.4，由此可知利用神经网络预测土壤换热器运行半个小时后板式换热器机组侧的出口水温具有较高的准确性。7 结论本文针对复合式地源热泵提出一种新的运行策略，即在并联系统中直接比较板式换热器机组侧的出口水温与冷却塔的出口水温。为实现该控制方法并避免

21、装置的频繁切换，本文建立了神经网络模型，预测土壤换热器运行半小时后板式换热器机组侧的出口水温。结果表明，不管训练样本和测试样本取自何种模式，神经网络模型都可以准确预测板式换热器在土壤换热器运行半个小时后的出口温度，最大误差均不超过0.4。下一步研究将集中在基于神经网络预测的新的控制方法下的复合式地源热泵系统运行的全年能耗特征以及神经网络模型的验证等方面。参考文献1 专著、论文集、学位论文、报告序号主要责任者.文献题名文献标识类型.出版地：出版者，出版年.起止页码（可选项）.如 1 江涛，石方，陈伟，等.图书馆目录m.北京：高等教育出版社，1957.15-18. 2 江涛.信息技术国际研讨会论文

22、集c.北京：中国社会科学出版社，1994. 3 陈伟.微分半动力系统的不变集d.北京：北京大学，1983. 4 石方.核反应堆压力分析r.北京：清华大学核能技术研究院，1995.2 期刊文章序号主要责任者.文献题名j.刊名，年，卷（期）：起止页码.如 1 陈伟.甲骨文发展史j.中国史研究，1998，19（4）：12-18.3 论文集析出的文献序号析出文献主要责任者.析出文献题名a.原文献主要责任者（可选项）.原文献题名c.出版地：出版者，出版年.析出文献起止页码.如 1石方.线性规划在毒物配置中的应用a.陈伟.运筹学的应用中国运筹学第五届大会论文集c.西安：西安电子科技大学出版社，1996.1

23、3-15.4 专利序号专利所有者.专利题名p.专利国别：专利号，出版日期.如 1石方.电子检测仪器p.中国专利：881056073，1996-03-15.5 报纸文章序号主要责任者.文献题名文献标识类型.报纸名，发出版日期.如 12 王军.创造学习的新思路n.人民日报，1998-12-25.6 电子文献序号主要责任者.电子文献题名文献标识类型.电子文献出处或获得地址，发表或更新日期/引用日期（任选）.如 1石方.线性规划在毒物配置中的应用eb/ol. 基金项目：国家自然科学基金项目（20100695）；湖北省科技厅科技攻关项目（20101125）作者简介：张文松（1988-），女，河南开封人，

24、硕士研究生，主要从事建筑节能及可再生能源利用的研究通讯地址：湖北省武汉市珞瑜路1037号华中科技大学东十五楼411室； 邮政编码：430074电话箱：zhangwensong我的大学爱情观1、什么是大学爱情：大学是一个相对宽松，时间自由，自己支配的环境，也正因为这样，培植爱情之花最肥沃的土地。大学生恋爱一直是大学校园的热门话题，恋爱和学业也就自然成为了大学生在校期间面对的两个主要问题。恋爱关系处理得好、正确，健康，可以成为学习和事业的催化剂，使人学习努力、成绩上升；恋爱关系处理的不当，不健康，可能分散精力、浪费时间、情绪波动、成绩下降。因此，大学生的恋爱观必须树立在

25、健康之上，并且树立正确的恋爱观是十分有必要的。因此我从下面几方面谈谈自己的对大学爱情观。2、什么是健康的爱情：1) 尊重对方，不显示对爱情的占有欲，不把爱情放第一位，不痴情过分；2) 理解对方，互相关心，互相支持，互相鼓励，并以对方的幸福为自己的满足; 3) 是彼此独立的前提下结合；3、什么是不健康的爱情：1)盲目的约会，忽视了学业;2)过于痴情，一味地要求对方表露爱的情怀，这种爱情常有病态的夸张;3)缺乏体贴怜爱之心，只表现自己强烈的占有欲;4)偏重于外表的追求;4、大学生处理两人的在爱情观需要三思：1. 不影响学习：大学恋爱可以说是一种必要的经历，学习是大学的基本和主要任务，这两者之间有错

26、综复杂的关系，有的学生因为爱情，过分的忽视了学习，把感情放在第一位；学习的时候就认真的去学，不要去想爱情中的事，谈恋爱的时候用心去谈，也可以交流下学习，互相鼓励，共同进步。2. 有足够的精力：大学生活，说忙也会很忙，但说轻松也是相对会轻松的！大学生恋爱必须合理安排自身的精力，忙于学习的同时不能因为感情的事情分心，不能在学习期间，放弃学习而去谈感情，把握合理的精力，分配好学习和感情。3、 有合理的时间；大学时间可以分为学习和生活时间，合理把握好学习时间和生活时间的“度”很重要；学习的时候，不能分配学习时间去安排两人的在一起的事情，应该以学习为第一；生活时间，两人可以相互谈谈恋爱，用心去谈，也可以

27、交流下学习，互相鼓励，共同进步。5、大学生对爱情需要认识与理解，主要涉及到以下几个方面：（1） 明确学生的主要任务“放弃时间的人，时间也会放弃他。”大学时代是吸纳知识、增长才干的时期。作为当代大学生，要认识到现在的任务是学习学习做人、学习知识、学习为人民服务的本领。在校大学生要集中精力，投入到学习和社会实践中，而不是因把过多的精力、时间用于谈情说爱浪费宝贵的青春年华。因此，明确自己的目标，规划自己的学习道路，合理分配好学习和恋爱的地位。（2） 树林正确的恋爱观提倡志同道合、有默契、相互喜欢的爱情：在恋人的选择上最重要的条件应该是志同道合，思想品德、事业理想和生活情趣等大体一致。摆正爱情与学习、