基于模型优化预测与流场分析的温室能耗控制方法

摘要

现代温室是一种高能耗的抗逆性生产设施，降温和加温都需要消耗大量的能源，节约温室能耗已成为设施农业发展的突出问题。因此，为降低能耗和提高温室热性能，开展了温室能耗建模、降温与加温条件下的温室内计算流体(CFD)建模、基于流场分析的温室环境优化设计、基于CFD流场与能耗预测模型(EPM)的温室能耗控制等方面的研究。
　　第1章:综述温室能耗模型、室内CFD建模和温室能耗控制方法的研究现状，分析了课题的研究背景和意义，给出了本课题的研究内容和总体框架。
　　第2章:针对温室能量传递过程的非线性、多因素耦合等特点，提出了一种温室降温能耗的模型优化预测(MOP)方法。建立了温室能耗预测物理模型，结合Sobol’灵敏度分析方法对物理模型中的待定参数进行简化，有效提高了模型参数辨识过程的收敛速度;提出了一种面向温室能耗预测的自适应粒子群遗传算法(APSO-GA)，实现温室降温能耗的快速和准确预测;通过在Venlo型温室进行降温实验，验证了模型及算法的有效性。
　　第3章:针对半封闭式温室加温物理过程的特征，建立了温室的加热能耗预测模型，并结合自加速粒子群遗传算法(SPSO-GA)优化模型的待定参数，实现半封闭式温室加温能耗的准确预测;通过上海地区半封闭式温室的加温实验，证明了温室能耗的MOP方法具有较广泛的适用性。
　　第4章:分析温室内空气流体动力学属性，基于Darcy-Forchheimer方程推导出作物对室内环境影响的质量、动力和能量源项方程;结合标准k-￡模型，构建并求解温室湿帘-风机降温条件下的三维非稳态模型;通过仿真分析温室的降温性能，揭示了湿帘面积和风机速度参数对室内降温环境的影响规律;提出了一种基于CFD流场分析的温室降温系统设计方法，实现不同温室条件下的降温湿帘面积和风机参数的合理选配。
　　第5章:利用温室能耗预测模型分析了温室的热负荷，设计了浅表水源热泵加热系统(SWSHPS);采用Lam-Bremhorst低雷诺数模型构建温室加热系统CFD模型，实现了室内的风机盘管位置与分布的优化设计。提出了一种结合能耗预测和流场分析的温室加热系统的设计方法，并通过实验验证了设计方法的有效性。
　　第6章:采用CFD离线预测方法确定风机盘管组的优先级，结合EPM在线预测和优化温室的能耗需求，提出了一种基于CFD-EPM的温室加热控制方法。构建实验平台，编写相应的控制软件，分析和评估CFD-EPM控制方法的效能，验证了控制方法具有能耗低、控制精度高和响应速度快等优势。
　　第7章:总结了本文的主要研究内容和创新点，对未来的研究工作进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 温室能耗建模研究现状

1．2．1 机理建模方法

1．2．2 黑箱建模方法

1．3 温室热／流场环境研究现状

1．4 温室能耗控制方法研究现状

1．5 研究内容和论文框架安排

1．5．1 课题的提出

1．5．2 研究内容及组织框架

1．6 本章小结

2 基于模型优化预测方法的温室降温能耗预测研究

2．1 引言

2．2 温室能耗物理模型

2．3 模型优化预测方法

2．3．1 MOP方法概述

2．3．2 灵敏度分析方法

2．4 参数APSO-GA优化方法

2．4．1 APSO-GA原理

2．4．2 自适应粒子群的划分

2．4．3 GA参数调整

2．5 温室降温能耗的MOP方法验证

2．5．1 实验数据采集

2．5．2 参数灵敏度分析

2．5．3 模型参数的APSO-GA优化

2．5．4 温室降温能耗的MOP方法验证

2．6 降温能耗模型预测分析

2．7 本章小结

3 基于自加速PSO-GA的半封闭温室加热能耗预测研究

3．1 引言

3．2 半封闭式温室加热能耗模型

3．2．1 半封闭式温室

3．2．2 加热能耗物理模型

3．3 自加速PSO-GA算法

3．4 实验平台及数据采集

3．4．1 实验温室

3．4．2 采集数据

3．5 加热能耗模型参数辨识及模型验证

3．5．1 温室加热能耗模型软件

3．5．2 参数辨识

3．5．3 加热能耗模型验证

3．6 温室加热能耗预测

3．7 本章小结

4 湿帘-风机降温的温室CFD建模与优化设计

4．1 引言

4．2 温室CFD建模方法

4．2．1 温室空气流场属性

4．2．2 Boussinesq近似

4．2．3 控制方程

4．2．4 作物多孔介质模型

4．2．5 光／热辐射模型

4．3 实验平台

4．3．1 实验温室

4．3．2 流场模拟计算软件

4．4 温室降温条件下室内流场模拟及验证

4．4．1 边界条件和参数设置

4．4．2 网格划分和无关性验证

4．4．3 室内流场仿真与验证

4．5 湿帘-风机降温热性能分析

4．5．1 温室长度对降温环境影响

4．5．2 湿帘面积对阵温环境影响

4．5．3 风机风速对降温环境影响

4．6 湿帘-风机降温环境的优化设计

4．7 本章小结

5 基于流场分析的温室SWSHPS加热系统设计

5．1 引言

5．2 温室SWSHPS加热系统

5．2．1 温室SWSHPS系统结构

5．2．2 温室热负载模拟

5．3 温室热性能CFD研究

5．3．1 室内流场模型

5．3．2 温室FCU分布及分组设计

5．3．3 温室FCU布局模拟

5．4 CFD模拟验证及温室加热实验

5．4．1 温室加热实验

5．4．2 温室加热CFD模拟和验证

5．4．3 温室加热实验结果与分析

5．5 本章小结

6 温室CFD-EPM能耗控制方法及系统实施

6．1 引言

6．2 温室加热效率CFD分析

6．2．1 分类加热效率分析

6．2．2 同类不同组加热性能分析

6．3 温室控制系统结构及策略

6．4 实验平台

6．4．1 实验方案设计

6．4．2 软件开发

6．4．3 系统平台及实验

6．5 CFD-EPM能耗控制效果

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 全文总结

7．2 未来工作展望

参考文献

在学期间所取得的科研成果