王学峰
（宁夏银晨太阳能科技有限公司，宁夏，石嘴山，753000）
【摘 要】空气源热泵是一种比较理想的节能供暖设备。本文设计了一种空调机组与空气源热泵机组对房屋进行复合调温的系统。该系统包含用于制冷的空调机组和用于制热的空气源热泵机组。为了实现对系统更精确的控制，避免机组启停频繁、能耗高的缺点，设计了一种基于线性拟合的室温变化率估计方法，通过在系统中引入缓冲水箱使控制量的大小可调，通过引入近似比例-微分（PD）控制提高控温系统的稳定性，减小了机组启停次数，从而节约了能耗。进一步地，在系统中引入红外线和光线传感器检测光照和人体散热情况修正控制策略，提高了被控温房屋的居住舒适度。
【关键词】空调与空气源热泵复合系统；变化率估计；近似PD控制器
引言
随着人们生活水平的提高，人们对使用暖通设备维持建筑物内室温的稳定性提出了更高的需求。而传统的制冷制热方式需要消耗大量的能源，因此从节能环保的角度出发，寻求更高能源利用率的暖通系统具有重要意义。
空气源热泵是热泵的一种，它可以工作于两种模式，对房间供热或制冷。一般认为，空气源热泵在供热模式下具有比制冷模式更高的效率。在用于供热模式时，在合适的条件下，空气源热泵的能效比可达到电加热器的3-4倍[1]；已有研究表明，空气源热泵无论在南方还是在北方寒冷地区都具有优于传统锅炉系统的节能效果[2][3]。因此空气源热泵是一种非常理想的节能供暖设备。
由于空气源热泵更适合于供热而不是制冷，为了提高建筑的节能效果，我们开发了空调机组与空气源热泵机组的混合系统。空气源热泵工作于制热模式，空调机组工作于制冷模式。通过两个系统的整合控制获得恒温的室内环境。
传统的控制系统采用单一的阈值控制。当检测到室温超过设定温度一定阈值后则开启空调机组，当检测到室温低于设定温度一定阈值后则开启空气源热泵机组。通过两个系统的协作使室温维持在一个恒定的范围内。然而，这一控制方式假设室温对控温系统的响应是即时且无记忆的。事实上，室温对控温系统的响应往往存在时延且呈现出记忆特性，亦即机组的关停不会使室温变化率立即变为0。在这种情况下，传统的控制系统存在系统启停频繁、能耗大、温度控制波动较大、体感舒适度低的问题。
针对这一问题，我们设计了一种包含缓冲水箱和多类型传感器的复合控温系统，并提出了一种基于室温变化率估计的空调-空气源热泵复合系统控制方法。该方法通过对记录到的一段时间内的室温数据进行线性拟合，从而利用到了被控参数的微分信息。从而得到一种比传统控制方法鲁棒的控制方式。从而有效提高了控温房屋的舒适度，降低了系统能耗。
一、系统设计与方法原理
1、系统构成
复合控温系统的组成结构中包括制冷用的空调机组和制热用的空气源热泵以及控制主机，空调机组和空气源热泵分别设置有一个空调机组缓冲水箱和空气源热泵缓冲水箱，进行控温的房间内设置有至少一个光照传感器、至少一个红外线探测器和至少一个温度传感器；所述控制主机的结构中包括运算单元、存储单元、输入单元和输出单元，输入单元连接至光照传感器、红外线探测器和温度传感器，输出单元连接至空调机组和空气源热泵。
2、基于室温变化率估计的控制策略
由于被控对象的系统特性比较复杂，我们采用对室温变化率进行实时估计的方式来获得实时的控制策略。
被控温房间的室温通过温度传感器得到。而室温的变化率是室温在时间方向的一阶微分。实际的数字控制系统需要对传感器得到的温度值在时间上进行采样，此时室温变化率为离散的时间-温度序列的差分。这样得到的变化率存在不稳定性。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆为了提高变化率估计的稳定性，我们对时刻n之前的一段时间内的一系列温度值进行最小二乘线性拟合。记拟合曲线的斜率为。则的表达式为：
记当前温度为。预设室温为，预设温差阈值，斜率阈值。
记温度控制策略如下：
A、开机运行，
若设定温度低于温度传感器的测定温度，即，则启动空调机组，若设定温度高于温度传感器的测定温度，即，则启动空气热源泵；
B、运行调整，
在时刻n，运算单元将温度传感器采集到的离散数据进行线性拟合，得到温度变化率，求出此时刻测定温度和设定温度之差；
若且，空调机组和空气源热泵待机运行，此时空调机组缓冲水箱和空气源热泵缓冲水箱中的水温恒定；
若且，当时，使用空调机组缓冲水箱对进风进行调温，当时，使用空气源热泵缓冲水箱对进风进行调温，若，当时，使用空调机组对进风进行调温，当时，使用空气源热泵对进风进行调温。
3、基于红外传感器和光照传感器的修正控制策略
系统中，采用红外线探测器检测人体的散热情况，采用光照传感器检测室内的照明情况。二者反应了室内居住者的活动情况。
当红外线探测器检测到人体散热量上升时，温度变化率阈值自动减半处理，当红外线探测器未检测到人体散热或者人体散热量平衡或下降时，温度变化率阈值自动回复设定值，当光照传感器检测到的光强低于弱光设定值L，且红外线探测器未检测到人体散热或者人体散热量平衡或下降时，进风量自动减半处理，当光照传感器检测到的光强高于弱光设定值L或当红外线探测器检测到人体散热量上升时，进风量自动回复设定值。
4、与经典比例-微分（PD）控制器的关系
经典控制理论中，PD控制器是一种常用的控制器。PD控制器的控制量由下式得到：
其中、为给定的参数，为观测量与设定量的误差。PD控制器的优点在于控制量既与误差有关又与误差的微分有关。因此控制器具有预测被控对象的变化趋势进行控制的能力。
假设使用空调机组调温或者热泵调温产生的控制量的绝对值为，采用空调机组缓冲水箱或者热泵机组缓冲水箱进行调温产生的控制量的绝对值为，则得到了第2部分所述的控制策略。
由于该控制器可以近似由PD控制器导出，因此它也继承了PD控制器的优点，可以通过对一阶微分信息的计算对控制误差进行超前控制，避免控制量出现超调和振荡现象，提高了控制的稳定性，减少了空调与热泵机组反复启动造成的能耗。
二、系统测试结果
通过相通环境实验测算，本系统比现有的空调-空气源热泵复合系统节能20%以上
三、结论
本文设计了一种带有缓冲水箱的空调-空气源热泵复合控温系统。通过工作在制冷状态的空调机组和工作在制热模式下的空气源热泵机组实现室内环境的恒温控制。通过缓冲水箱使机组产生的控制量可分为强弱两级。通过对一段时间内检测到的室温进行实时线性拟合得到室温随时间变化一阶微分的估计量。通过近似PD控制策略保证了复合控温系统控制的稳定性。实测结果亦表明所设计系统的节能效果优于现有的空调-空气源热泵复合系统。结合红外线传感器和光照传感器检测到的居住者的活动信息对控制策略进行修正，进一步提高了被控温房间的舒适度。
参考文献：
[1]Vielhaber K. Air source heat pumps[J]. NASA STI/Recon Technical Report A, 1977, 78: 13453.
[2]巨永平, 吕灿仁. 空气源热泵的节能效果及经济可行性分析[J]. 天津大学学报, 1996, 29(5): 750-757.
[3]李元哲, 于涛, 陈天侠. 空气源热泵地板供暖系统在北方寒冷地区应用的节能性与适用性[J]. 暖通空调, 2012, 42(2): 62-65.
论文作者:王学峰
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年7月供稿
论文发表时间:2015/11/9
标签：机组论文; 室温论文; 空气论文; 源热泵论文; 系统论文; 空调论文; 水箱论文; 《工程建设标准化》2015年7月供稿论文;