专利名称：地源热泵小负荷状态下的运行最优值的方法
技术领域：
本发明属于地源热泵领域，特别是涉及地源热泵小负荷状态下的运行最优值的求解方法。
背景技术：
夏季空调设计负荷和冬季供暖设计负荷是分别按最热月和最冷月负荷计算的。在北方寒冷地区，空调设计负荷和冬季供暖设计负荷相差不大，但是夏季大部分运行阶段的冷负荷要比设计负荷小很多，而且北方地区昼夜温差很大造成负荷不均匀，同时冬季供暖期长，供暖经常处于小负荷运行状态。供暖、供冷在小负荷状态下运行，造成系统整体效率下降。这种情况下一般系统都采用多压缩机系统，如采用两台压缩机，当处于小负荷运行状态时只启动其中一台压缩机就可以满足负荷要求。当压缩机承担的负荷大于设计负荷的50％时，压缩机可以采用输气量调节连续运行；但是压缩机承担的负荷小于设计负荷50％时，由于输气量小于50％，系统性能很差，系统不能采用输气量调节来满足负荷的需求，传统的方法是采用满负荷间歇运行。由于系统在启动的过程中必须消耗很多的能量在节流阀两边建立压力差，所以系统启动的过程中输出的热量(或冷量)是随着时间逐渐增加，直至系统达到稳定运行状态下满负荷输出。针对满负荷间歇运行方式，启动频多必然消耗过多的能量。
发明内容
本发明针对现有技术中，满负荷间歇运行方式，启动频多消耗能量的情况，本技术基于最优化原理，当系统处于小负荷运行状态时寻找一个运行负荷使得系统的能耗最小。
本发明地源热泵小负荷状态下的运行最优值的方法，所述方法如下 第一步建立目标函数与约束条件 所述目标函数是
其中，Pel——电动机运行功率，Pel＝Heat/COP；Peln——名义电动率，Peln＝load/COP额定；Heat——系统运行负荷；load为系统额定负荷；COP定义为输出热量与轴功的比值，COP＝COP额定g(x)；g(x)——COP随着输气量百分比变化的函数，在此认为当输气量大于50％时，g(x)＝1； 所述约束条件包括 (1)室内空气热平衡本方法中室内蓄热体只限为空气；
其中p(τ)为系统启动阶段单位时间输出热量与正常运行阶段单位时间输出热量的比值随时间的关系，当系统正常运行时p(τ)＝1；T——室内空气温度；τ——时间； (2)室内温度精度要求|T-20|＜ΔT； 其中ΔT——允许温度波动值，℃；20℃为室内设计温度； (3)系统运行安全要求要求系统在停机后一段时间内才能开机，时间间隔TimeTime＞β； 其中β——允许的最小间隔时间。
第二步模拟计算与分析，包括如下步骤 (1)设定系统启动能量函数与电动机效率变化曲线 设系统启动函数包括线性函数1及抛物线函数2； 并设电动机效率ηmo随功率比值Pel/Peln的变化曲线； (2)求解运行能耗 根据不同的系统启动能量函数，得出每一个热容量都有一个能耗最小值，说明对于每一个热负荷都存在一个最优运行负荷即最优值，使得该系统运行能耗最低； (3)得出系统运行最优值 只要运行负荷满足如下两式，此运行负荷就是该状态下的最优值 本发明基于最优化原理，当系统处于小负荷运行状态时寻找一个运行负荷使得系统的能耗最小，即实现了节能减耗，节省了系统运行的成本。
图1所示是系统启动能量函数1及函数2。
图2所示是不同电动机效率ηmo随功率比值Pel/Peln的变化曲线。
图3所示是系统不同运行负荷下的能耗。
图4所示是系统最优值变化曲线。
图5a、5b、5c、5d示意的是在不同的系统启动能量函数及不同的电动机效率曲线下，系统最优值区域图。
其中，a启动函数1，电动机曲线1，ΔT＝210，I不规律，II1175，III118375，IV2110 b启动函数1，电动机曲线2，ΔT＝210，I不规律，II1175，III11925，IV211875，V21275，VI2145 c启动函数2，电动机曲线1，ΔT＝210，I不规律，II1175，III118375，IV2110 d启动函数2 电动机曲线1，ΔT＝115，I不规律，II1175，III118375，IV2110 图6所示的是系统优化运行后节能状况。
图7所示的系统优化运行后启动频率。
具体实施例方式 下面结合附图具体介绍本发明地源热泵小负荷状态下的运行最优值的求解过程。
1、建立目标函数及约束条件 1.1目标函数的确立 a.电动机的效率函数 ηmo＝f(Pel/Peln) (1) 其中，Pel——电动机运行功率，Pel＝Heat/COP；Peln——名义电动率，Peln＝load/COP额定；Heat——系统运行负荷；load为系统额定负荷； COP定义为输出热量与轴功的比值，COP＝COP额定g(x)；g(x)——COP随着输气量百分比变化的函数，在此认为当输气量大于50％时，g(x)＝1。所以
b.能耗
c.目标函数
1.2约束条件 1)室内空气热平衡 本技术中室内蓄热体只限为空气。
其中p(τ)为系统启动阶段单位时间输出热量与正常运行阶段单位时间输出热量的比值随时间的关系，当系统正常运行时p(τ)＝1；T——室内空气温度；τ——时间。
2)室内温度精度要求 |T-20|＜ΔT(6) 其中ΔT——允许温度波动值，℃；20℃为室内设计温度。
3)系统运行安全要求 要求系统在停机后一段时间内才能开机，时间间隔Time Time＞β (7) 其中β——允许的最小间隔时间。
2、模拟计算与分析 以冬季供暖710kW，夏季供冷710kW为例，系统有两台压缩机，各承担315kW的负荷，其中一台满负荷运行(只用于大负荷)，另一台用于调节负荷(小负荷调节)。
2.1启动能量函数与电动机效率 假设系统从启动到正常运行的时间为4min，启动函数1为线性函数，启动函数2为抛物线函数，如图1。图2为不同电动机效率ηmo随功率比值Pel/Peln的变化曲线。本文利用最小二乘法，把图2所示的电动机效率曲线拟合成一元三次函数。
2.2运行能耗 图3所示Heat散热量为1kW，室内热容量ρcV分别为300kJ/℃、330kJ/℃、360kJ/℃，启动函数1电动机曲线1，ΔT＝2时的能耗曲线。从图中可以看出，对于每一个热容量都有一个能耗最小值，说明对于每一个热负荷都存在一个最优运行负荷(即最优值)，使得该系统运行能耗最低。对于不同的热容量，系统的最优运行负荷不完全一样，而且随着热容量的增大，最优运行负荷增大。
2.3系统运行最优值 只要运行负荷满足式(8)和式(9)，此运行负荷就是该状态下的最优值。
图4所示最优值曲线图，其中电动机效率函数为曲线1、启动能量输出函数为曲线1，ΔT＝2，热容量300kJ/℃、330kJ/℃、360kJ/℃的最优值随散热量变化的曲线，其中散热量为室内空气通过外围向室外的散热量，最大散热量即单台压缩所承担的最大负荷315kW。从图中可以看出，当散热量在最大散热量15％以下时，最优值基本保持不变；大于15％时最优值逐渐减小，但是减小的量很小；而且两条相邻最优值曲线之间相差小于0.05kW。由于实际工程中考虑到控制的方便性，可以认为在热容量(kJ/℃)(X轴)和散热量与最大散热量比值(％)(Y轴)组成的二维空间中各区域内的最优值恒定不变，不同的区域最优值不同，这样既可以简化系统的控制，又达到系统运行节能的目的。
在求解最优值过程中，由于约束条件非线性，求解非常困难。为了在不影响计算结果的情况下简化计算，电动机效率函数利用线性逼近的方法取代一元三次函数来进行最优值区间划分，分区情况如图5a、图5b、图5c、图5d。对于不同系列的电动机，由于其效率曲线不一样，最优值分区情况不一样，而且最优值的分布也不一样。当电动机效率曲线为1，热容量从130kJ/℃到360kJ/℃之间分成四个区(图5a)。当电动机效率曲线为2，热容量从130kJ/℃到360kJ/℃之间分成六个区(图5b)。在电动机曲线不变情况下改变启动能量函数，分区情况和每个区对应的最优值不变，只是区域发生平移；启动函数2相对于启动函数1的区域向左平移，如图5a、图5c。对于电动机效率曲线和启动能量曲线不变的情况下发ΔT生变化时，区域划分数及各个区的最优值没有改变，只是区域整体产生平移；当ΔT减小时，区域向右平移，如图5c、5d。
2.4结果分析 在最优值分区中，I区都是最优值不规律区。这是因为I区处在热容量较小的一端。由于热容量小，在散热量较大时为了满足供暖温度精度要求，系统只能频繁启动，造成两次运行间隔小于系统安全要求。所以为了满足安全运行要求，系统必须增大运行间隔，造成了这一区最优值不规律。
图6为系统在最优值下运行和在最大负荷下运行相比能耗减少的相对百分比，图7为系统在最优值下运行和在最大负荷下运行下相比启动频率减少的相对百分比。随着热容量的增加和散热量的减少，最优运行节能和减少启动次数的功能逐渐减弱，说明了优化运行在散热量较大和热容量较小的情况下，对系统的性能提高较多。
比较两种不同的启动函数的最优值分区情况，可以知道启动过程中在相同的能耗下，启动函数2比启动函数1输出的热量多，其最优值区域向左移动；比较图5a和图5c可知在某些区域内最优值增大，从而系统的制热(或制冷)性能提高。
从图5中可以知道电动机效率曲线对系统运行的最优值大小及分区影响很大，这主要是因为电动机的效率对系统整体制热(或制冷)系数COP的影响最大。由于曲线2比曲线1陡，所以当散热量/最大散热量比值从0变化到50％时，根据式(8)和式(9)求出的最优值曲线变化趋势大，故最优值分区数比曲线1多；另外由于曲线2位于曲线1的下方，在相同的运行负荷下曲线2的COP要低于曲线1，所以为获得更高的COP，曲线2的最优值要比曲线1大。
同时从最优值分区图中可以看出，某些区域很大，某些区域狭窄。在大区域中，当运行环境如散热量和热容量变化时，对最优值没有影响，系统运行比较容易控制；但是在狭窄的区中，如果运行环境受到扰动，系统最优值就可能发生跃迁，系统保持最优运行控制相对比较困难，所以系统尽量避免在这些狭窄区运行。比较图5a和图5c可知，只要改变启动函数，就可以避开狭窄区。
3、结论 1)对于每一个热负荷都存在一个最优运行负荷(即最优值)，使得该系统运行能耗最低。
2)在热容量(kJ/℃)和散热量与最大散热量比值(％)组成的二维空间中可以分成几个区域，在这些小区域中，最优值恒定不变。
3)系统电动机效率函数对系统的最优值及其分区影响很大，不同的电动机函数其分区情况不一样，而且对应的最优值也不一样；系统启动能量输出函数曲线和温度要求精度对系统最优值运行区域和最优值影响不大，它们二者变化，只能使区域发生平移。
4)优化运行在散热量较大和热容量较小的情况下，对系统的性能提高较多。
权利要求
1.地源热泵小负荷状态下的运行最优值的方法，所述方法如下
第一步建立目标函数与约束条件
所述目标函数是
其中，Pel——电动机运行功率，Pel＝Heat/COP；Peln——名义电动率，Peln＝load/COP额定；Heat——系统运行负荷；load为系统额定负荷；COP定义为输出热量与轴功的比值，COP＝COP额定g(x)；g(x)——COP随着输气量百分比变化的函数，在此认为当输气量大于50％时，g(x)＝1；
所述约束条件包括
(1)室内空气热平衡本方法中室内蓄热体只限为空气；
其中p(τ)为系统启动阶段单位时间输出热量与正常运行阶段单位时间输出热量的比值随时间的关系，当系统正常运行时p(τ)＝1；T——室内空气温度；τ——时间；
(2)室内温度精度要求|T-20|＜ΔT；
其中ΔT——允许温度波动值，℃；20℃为室内设计温度；
(3)系统运行安全要求要求系统在停机后一段时间内才能开机，时间间隔TimeTime＞β；
其中β——允许的最小间隔时间。
第二步进行模拟计算与分析，包括如下步骤
(1)设定系统启动能量函数与电动机效率变化曲线
设系统启动函数包括线性函数1及抛物线函数2；
并设电动机效率ηmo随功率比值Pel/Peln的变化曲线；
(2)求解运行能耗
根据不同的系统启动能量函数，得出每一个热容量都有一个能耗最小值，说明对于每一个热负荷都存在一个最优运行负荷即最优值，使得该系统运行能耗最低；
(3)得出系统运行最优值
只要运行负荷满足如下两式，此运行负荷就是该状态下的最优值
根据系统运行的最优值，可以认为在热容量即X轴，单位kJ/℃和散热量与最大散热量比值即Y轴单位％，组成的二维空间中各区域内的最优值恒定不变，得出不同的区域的最优值不同，以简化系统的控制，并达到系统运行节能的目的。
全文摘要
本发明属于地源热泵领域，特别是涉及地源热泵小负荷状态下的运行最优值的求解方法。主要包括步骤第一步建立目标函数与约束条件，目标函数为约束条件包括室内空气热平衡、室内温度精度要求、系统运行安全要求等。只要运行负荷满足如下两式，此运行负荷就是该状态下的最优值
文档编号G05B13/04GK101776864SQ20091024371
公开日2010年7月14日 申请日期2009年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者苏存堂, 刘伟 申请人:北京依科瑞德地源科技有限责任公司