水空调系统节能运行控制研究的科学意义

　　运行节能控制问题就是求解一个鲁棒最优控制规律在保证机组运行稳定性的前提下，使机组动态性能最优。
首先，与热泵水空调系统的新型工质、关键部件、稳态模拟、优化设计等研究领域取得的成果相比，其运行节能控制问题还没有得到解决。
其次，在热泵的设计阶段由于存在着太多不确定因素，因此总是根据热泵机组的应用侧负荷、系统热源的典型值，进而完成热泵机组的匹配设计，优化设计的目标一般是考虑成本约束下的系统能效保持较高水平，此时系统对应的工况点就是系统理想的优化设计工况点。而热泵水空调系统在运行过程中，系统的状态总是在其可容许的状态空间中移动、不断变化，很难维持在设计工况点上。
引起系统状态移动的主要因素有：
(1)应用侧负荷变化。负荷变化可以分为长动态负荷变化、短动态负荷变化和瞬时负荷变化，这3种负荷变化叠加在一起导致负荷总是实时波动；长动态负荷变化一般受季节性气候变化或工业生产周期的影响，短动态负荷其变化趋势比长动态负荷剧烈，由一天中的天气变化或生产工艺影响；瞬时负荷变化包括由用户侧负荷随机扰动或热泵机组受到的瞬时操作等其他扰动引起。
(2)热源运行参数改变，例如水源热泵的蒸发器侧水的水质、流量和进口水温的波动；
(3)热泵设备的实际参数和设计参数总存在着差异，这些参数包括几何参数和设备运行参数，例如蒸发器的实际换热系数和设计用的参数总存在误差；
(4)热泵水空调系统自身调节作用。例如电子膨胀阀的流量调节或压缩机变频调节，这些人为或自动的控制都会引起系统状态的改变。
这些因素的综合作用使得热泵水空调系统运行状态总是偏离设计工况点，甚至在状态空间发生大范围的波动。另一方面，在运行过程中热泵系统的实时的性能系数仅取决于对应时刻的系统运行状态，此时不当的控制策略会使热泵系统运行在“较坏”的状态下，以至于热泵的节能效果得不到充分发挥，甚至破坏系统的安全运行、引起故障停机。因此，随着热泵特别是大型热泵系统的推广，热泵系统的运行节能控制问题成为函待解决的问题。
热泵水空调系统只由蒸发器、冷凝器、电子膨胀阀(或热力膨胀阀)、压缩机等关键部件构成，一般还有内部回热器(经济器)，基本结构不复杂；另外，热泵循环的工作过程从原理上讲也不复杂，在热力学中已有完善描述。在这里研究的水源热泵机组的热力循环采用蒸气压缩热泵循环。热泵循环与制冷循环相比它们的基本工作原理是相同的，但在应用目的和应用环境、循环工质、机组关键部件设计参数、控制目标等方面等有特殊的考虑。虽然水源热泵机组结构上相对简单和在热力学原理上完善，但从系统控制的角度来看，其节能优化控制问题却非常复杂，必须面对和解决以下难点：
(1)水源热泵系统具有强耦合性。通常，水源热泵系统基本上都包含如下的多个子系统：压缩机、冷凝器、膨胀机构、蒸发器、二次水循环回路以及应用环境等，水源热泵机组各部件间紧密耦合性是显而易见的，这些子系统都通过热力、流动、传热过程紧密耦合，实际上也就是通过这种耦合才实现能量的迁移和品质提升。任何部件受到扰动后自身状态量必将发生波动，一个部件的状态量波动通过流动、换热等方式引起相关联部件的状态量波动。因此在研究系统的性能时，不能只看单个部件的效率，应该建立热泵机组的系统动态数学模型，从系统的角度去数字仿真、预测、自动控制热泵机组的实时容量、性能系数、冷凝器出水水温、运行安全参数等关键指标。
(2)水源热泵水空调系统具有强非线性。因为描述这类系统的工质对流换热、蒸气压缩和节流过程的方程都具有非线性形式，这使得整个系统的动态数学模型表现出强烈的非线性。而现在的最优控制理论和鲁棒控制理论成熟的结果只能处理具有线性模型的系统。这给水源热泵系统的运行节能控制带来障碍。
(3)反馈控制是现在控制理论的最基本方式，几乎所有的自动控制都离不开状态反馈或输出反馈。但对于水源热泵系统来讲，由于受实际设备的限制，一些内部的状态变量根本不可能实际测得，这个问题必须解决。
(4)水源热泵系统的数学模型存在严重的非确定性。这是因为系统数学模型存在建模误差，例如在选择工质对流换热系数关联式，即使是与所要求的几何结构和准则数范围完全吻合，换热系数关联式和实际换热系数也存在误差。为了充分保证系统的稳定性，这些因素都要在模型中得到体现。
(5)水源热泵系统为多输入一多输出系统，经典控制理论无法解决，必须采用最新的先进控制理论。
(6)先进的控制理论，如最优控制理论和鲁棒控制理论与实际物理系统结合存在缝隙(gap)。这些先进控制理论只能为解决水源热泵最优节能运行问题提供基本思路，这是因为先进控制理论也是在与实际问题的结合中逐步发展完善，如成熟的二次型性能指标动态最优控制问题的结果不能用来解决热泵的COP指标动态最优控制问题，而且在水源热泵系统的控制中还要同时考虑出水温度跟踪调节问题，是多目标优化控制问题。因此必须紧密结合水源热泵水空调系统运行机理，寻求切实可行的办法。
为了缓解我国的能源短缺问题，针对热与歌制冷系统的性能，国家推出了很多强制标准，达不到标准的产品不允许生产。如2005年3月1日国家制定的针对大型中央空调的能效标准《冷水机组能效限定值及能源效率等级》正式实施，标准中依据能效比进行了等级划分。为了提高热泵/制冷系统的能效比，一是优化设计，选用高效工质和关键部件，使系统在设计工况下的性能最优，设计阶段的措施称为“硬措施”，但靠“硬措施”不能充分保证系统运行能效比满足要求，因为运行工况波动较大；二是必须提高系统的节能运行控制水平，寻求优化控制策略，这称为“软措施”，这方面没有得到足够的重视，这成了提高热泵/制冷系统能效比面临的重要课题。