基于频域分析的埋管式辐射地板热特性及其优化控制研究

摘要

埋管式地板辐射系统作为一种新型的空调技术，因其具有能效更高、舒适性更好以及便于利用低品位能源等特点，受到了国内外研究学者的青睐。埋管式辐射地板具有很强的热特性并与房间之间存在着复杂的耦合传热关系。一方面，准确把握该结构的热特性用于指导埋管式辐射地板空调系统的设计非常重要；另外一方面，优化地控制埋管式辐射地板的运行也是实现该结构高能效高舒适性的重要基础。本文展开了关于埋管式辐射地板动态热特性、传热模型以及系统优化控制方面的研究，主要研究工作以及创新点如下：
　　（1）首次提出采用频域有限元模型进行埋管式辐射地板的热特性研究。研究分析了该结构在管内循环水及室内热环境等作用下的频域热特性，并通过离散傅里叶变换及逆变换，获得了频域有限元模型的时域热特性，进一步建立了该结构的时域有限元模型用于频域有限元模型的验证。研究结果表明，埋管式辐射地板的频域有限元模型能很好地预测其热特性，并且计算时间远小于时域有限元模型。频域有限元模型可以更加直接、快速地预测该结构的热响应；
　　（2）首次提出在频域内对埋管式辐射地板的简化动态传热模型的参数进行辨识。本研究建立了埋管式辐射地板的简化动态传热模型，即简化RC热网模型，并根据埋管式辐射地板频域有限元模型计算的频域热响应来辨识简化RC热网模型的参数。为了提高该模型的实用性，建立了地板埋管的2R1C模型，并采用ε-NTU法得到了相应的模型参数的计算式。埋管式辐射地板的RC热网模型可以与埋管的2R1C模型耦合在一起进行热特性预测；
　　（3）搭建了埋管式辐射地板热特性实验平台并建立了该实验台辐射地板房间的简化RC热网模型。实验研究了不同实验工况下的埋管式辐射地板试样及辐射地板房间的热特性，并进一步采用实验结果验证了辐射地板房间简化RC热网模型的准确性；
　　（4）首次提出了一种关于埋管式辐射地板供冷系统的离线预测+鲁棒反馈优化控制方法。基于实验台辐射地板房间的简化RC热网模型，搭建了辐射地板供冷系统的控制仿真平台，并在该平台上研究了PID控制、MPC控制以及离线预测+鲁棒反馈控制的控制效果，并进一步从房间温度控制、机组能耗以及水阀运行参数三个方面来对比分析这三种控制方法的控制效果。

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 地板辐射系统概述

1.3 国内外研究现状

1.4 研究内容及方法

1.5 本章小结

2 埋管式辐射地板的频域有限元模型

2.1 引言

2.2 埋管式辐射地板的物理模型及模型假设

2.3 埋管式辐射地板的频域有限元模型

2.4 频率范围

2.5 辐射地板的频域热特性分析

2.6 辐射地板的时域热特性分析

2.7 本章小结

3 辐射地板的简化RC模型及参数辨识

3.1 引言

3.2 埋管式混凝土板星型RC模型分析

3.3 埋管式混凝土板星型RC模型参数辨识与验证

3.4 冷媒管道的简化RC模型

3.5 埋管式混凝土板耦合RC模型及验证

3.6 多层埋管式辐射地板的RC模型分析

3.7 本章小结

4 埋管式辐射地板热特性实验平台

4.1 引言

4.2 实验系统设计

4.3 实验平台搭建

4.4 数据采集系统

4.5 实验工况控制系统设计

4.6 本章小结

5 实验平台辐射地板房间热特性模型

5.1 引言

5.2 墙体简化RC热网模型

5.3 埋管式辐射地板简化RC热网模型

5.4 房间辐射模型

5.5 房间空气换热模型

5.6 房间简化RC热网模型

5.7 模拟工况与边界条件

5.8 模拟结果分析

5.9 本章小结

6 实验平台辐射地板房间热特性模型实验验证

6.1 引言

6.2 实验工况设计

6.3 实验结果分析

6.4 模型验证

6.5 本章小结

7 埋管式辐射地板系统的鲁棒优化控制

7.1 引言

7.2 辐射地板的离线预测+鲁棒反馈优化控制方法

7.3 离线预测控制

7.4 鲁棒反馈控制

7.5 基于模型的预测控制(MPC)方法

7.6 PID控制方法

7.7 埋管式辐射地板供冷系统控制仿真平台

7.8 模拟边界条件以及控制器参数设置

7.9 评价指标

7.10 结果分析

7.11 本章小结

8 总结与展望

8.1 全文总结

8.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的论文目录

附录2 攻读学位期间参与的课题研究情况

附录3 主要符号表