基于CFD的温室水源热泵控制系统研究

摘要

随着科学技术的不断发展，设施农业已经成为农业现代化的一个重要标志。现代温室是设施农业最基本的技术实现形式之一。作为一个耗能产业，温室在冬夏两季（特别是冬季）均需外部能源的输入，以维持其室内的温度在一个较平稳的状态。我国资源稀少，现有的资源已渐渐不能满足生产地需要。以节约能源为目的，研究如何为温室选择合适的供暖系统，以及采用怎样的控制策略具有重要的意义。
　　 论文以水源热泵作为目标温室的热源，循环水泵作为热量输送的驱动力，风机盘管和低温热水地板辐射系统作为末端制暖装置，构建了一个Venlo型温室的供暖系统。并在此基础上，制定了该供暖系统的控制策略。经实践验证，系统运行稳定，控制效果良好。本文的主要工作和成果如下：
　　 1.系统地分析了温室环境中的各种物理过程，建立了基于能量和物质守恒的温室温度模型。2.由于在温室水源热泵空调系统中，风机盘管单元对整个系统效率的影响最大，需对其着重研究。采用CFD建立温室模型，在验证模型正确的前提下，通过仿真得到风机盘管开启的最优顺序，实现热量效率的最大化。3.设计了一个基于温室预测模型的模糊控制系统。该模糊控制器以温度偏差和偏差变化率作为输入，以期望温度变化率作为输出。4。结合温室温度模型计算出温室所需的热量，根据热量值的大小和风机盘管的优先级顺序，分别制定了水源热泵、风机盘管和循环水泵的控制策略。5.设计了Venlo型温室水源热泵控制系统的软、硬件模块，并应用于目标温室。6.最后，对全文进行总结，并对今后进一步的研究提出一些展望。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 课题的研究现状

1.2.1 水源热泵的研究现状

1.2.2 温室CFD研究现状

1.2.3 温室环境控制算法的研究现状

1.3 研究内容与方法

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法

1.4.本文技术路线

第2章 温室水源热泵系统组成及温度模型建立

2.1 引言

2.2 研究对象

2.3 温室水源热泵供暖系统组成

2.3.1 水源热泵

2.3.2 风机盘管

2.3.3 低温热水地板辐射系统

2.3.4 循环水泵

2.4 温室内空气温度模型

2.4.1 太阳光辐射能量

2.4.2 温室热源提供的能量

2.4.3 长波辐射能量

2.4.4 温室与外界热传导的能量

2.5 小结

第3章 温室水源热泵系统CFD模型的建立

3.1 引言

3.2 温室物理模型

3.3 温室数学模型

3.3.1 Boussinesq假设

3.3.2 温室控制方程的建立

3.3.3 湍流模型

3.3.4 辐射模型的确定

3.3.5 微分方程的离散及求解

3.4 CFD模型验证

3.4.1 计算域选择

3.4.2 网格划分

3.4.3 边界条件

3.4.4 模拟结果与分析

3.4.5 实测结果与仿真结果对比

3.5 小结

第4章 温室水源热泵系统控制策略研究

4.1 引言

4.2 控制对象与控制任务

4.3 温室温度模糊控制器设计

4.3.1 模糊控制器概述

4.3.2 确定系统结构

4.3.3 精确量模糊化

4.3.4 控制规则

4.3.5 模糊变量的清晰化

4.4 各执行机构控制策略研究

4.4.1 风机盘管控制策略研究

4.4.2 水源热泵控制策略研究

4.4.3 循环水量控制策略研究

4.5 小结

第5章 温室水源热泵控制系统实现

5.1 引言

5.2 Venlo型温室控制平台设施

5.3 系统总体设计

5.3.1 控制系统硬件设计

5.3.2 控制系统上位机软件设计

5.4 结果与讨论

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续研究与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文