一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化方法和装置

摘要

本发明公开了一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化方法和装置，其方法包括：建立地表水源热泵系统的参数数据库；调用所述参数数据库中的参数，建立拟合公式；建立地表水源能效比的优化模型；根据所述拟合公式与所述优化模型，通过编写得到地表水源热泵系统能耗的优化程序；输入待测系统参数,运行所述优化程序，得到优化运行数据。本发明所述的一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化方法和装置避免了由于地表水源热泵系统采用经验值或较大范围的参数值，造成的系统运行的工作效率低下和工作质量不高，资源浪费的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及地表水源热泵技术领域，尤其涉及一种基于MATLAB的地表水源 热泵系统能耗优化方法和装置。

背景技术

地表水源热泵系统是一种使用从水井或河流中抽取的水为热源(或冷源) 的热泵系统。它是通过池水或湖水所具有的稳定的温度和显著的散热性，对中 小区域进行供暖(或制冷)。目前可将地表水源热泵系统分为闭式系统和开式系 统。闭式系统由潜在地表水中的地表水热交换器，以及与之相邻的水-水或水- 空气热泵组成；开式系统由于地表水经水处理后直接抽取至热泵机组，或通过 一个中间换热器与闭式系统相连。

但现有技术也存在一定程度的不足。由于地表水源热泵系统在参数设置时 往往采用经验值或较大范围的参数值，进而会影响系统运行的工作效率和工作 质量，造成资源的浪费，同时也会影响地表水源热泵系统的初始投资。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中的上述不足而完成的，本发明的目的在于提 出一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化方法和装置，该优化方法能够 有效的解决由于选取经验值或较大范围的参数值所带来的地表水源热泵系统工 作效率低下，工作质量不高，同时造成资源浪费的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化方法，包括：

建立地表水源热泵系统的参数数据库；

调用所述参数数据库中的参数，建立拟合公式；

建立地表水源能效比的优化模型；

根据所述拟合公式与所述优化模型，通过编写得到地表水源热泵系统能耗 的优化程序；

输入待测系统参数,运行所述优化程序，得到优化运行数据。

进一步的，根据所述参数数据库与所述优化运行数据对所述地表水源热泵 系统进行选型。

进一步的，所述待测系统参数包括：水源水温、系统扬程、管长和水特性。

进一步的，所述拟合公式包括夏季拟合公式和冬季拟合公式。

进一步的，所述优化程序包括夏季优化程序和冬季优化程序，所述根据所 述拟合公式与所述优化模型，通过编写得到地表水源热泵系统能耗的优化程序 包括：

根据所述夏季拟合公式与所述优化模型，通过编写得到地表水源热泵系统 能耗的夏季优化程序；以及

根据所述冬季拟合公式与所述优化模型，通过编写得到地表水源热泵系统 能耗的冬季优化程序。

此外，本发明还提出了一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化装置， 包括：

参数数据库模块，用于建立地表水源热泵系统的参数数据库；

拟合公式模块，用于调用所述参数数据库中的参数，建立拟合公式；

模型建立模块，用于建立地表水源能效比的优化模型；

优化程序模块，用于根据所述拟合公式与所述优化模型，通过编写得到地 表水源热泵系统能耗的优化程序；

优化运行数据模块，用于输入待测系统参数,运行所述优化程序，得到优化 运行数据。

进一步的，还包括根据所述参数数据库与所述优化运行数据对所述地表水 源热泵系统进行选型。

进一步的，所述待测系统参数包括：水源水温、系统扬程、管长和水特性。

进一步的，所述拟合公式包括夏季拟合公式和冬季拟合公式。

进一步的，所述优化程序包括夏季优化程序和冬季优化程序，所述根据所 述拟合公式与所述优化模型，通过编写得到地表水源热泵系统能耗的优化程序 包括：

根据所述夏季拟合公式与所述优化模型，通过编写得到地表水源热泵系统 能耗的夏季优化程序；以及

根据所述冬季拟合公式与所述优化模型，通过编写得到地表水源热泵系统 能耗的冬季优化程序。

本发明所述的一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化方法和装置。 根据参数数据库中的参数建立的拟合公式和建立的地表水源能效比的优化模 型，利用MATLAB编写得到地表水源热泵系统能耗的优化程序，通过运行得到优 化运行数据，避免了由于地表水源热泵系统采用经验值或较大范围的参数值， 造成的系统运行的工作效率低下和工作质量不高，资源浪费的问题。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例 中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述 的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优 化方法的流程图。

图2是本发明实施例二提供的一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优 化装置的结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例 中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述 的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施 例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施 例，均落入本发明的保护范围之内。

实施例一：

图1是本发明实施例一提供的一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优 化方法的流程图。

如图1，本实施例一提供的一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化 方法，包括：

S101、建立地表水源热泵系统的参数数据库。

其中，地表水源热泵系统会针对不同的使用环境，选取不同的系统装置如 不同类型的主机、水泵、冷却塔等。进而，主机、水泵、冷却塔装置的参考量 和相关修正系数也不尽相同。因此，需要利用MATLAB对地表水源热泵系统的参 数建立数据库，以便于对系统的参数进行调用和处理。

值得注意的是，参数数据库的建立从根本上说，是将参数进行转换和转存， 并通过搜索引擎为用户访问提供接口和数据窗口，以便于实现数据的新建、修 改和删除。

参数数据库建立之后，可以执行如下步骤。

S102、MATLAB会调用所述参数数据库中的参数，建立拟合公式。

由之前所述可知，参数数据库中参数包括有地表水热泵系统中主机、水泵、 冷却塔装置的参考量和相关修正系数。其中，参考量和相关修正系数包括：水 流量、温度、温差、各个修正系数、冷量、热量、功率、效率、系统扬程等。 通过调用这些参考量和相关修正系数，以建立拟合公式。

值得一提的是，拟合公式可以包括夏季拟合公式和冬季拟合公式。这是由 于地表水热源泵系统针对夏季与冬季分别采取制冷与供暖的工作方式不同，进 而参考量与相关修正系数也有所区别。

其中，夏季拟合公式为：

Q_e＝-0.053Δt²-4Δt+598.1(1)

其中，Q_e为制冷量，Δt为冷却水供回水温度；

W_e＝0.015Δt²+1.79Δt+86.2(2)

其中，W_e为热泵系统组耗功率；

$v=5.5e^{-010}{T}_c^2-5e^{-008}{T}_c+1.8e^{-006}---\left(3\right)$

η₀＝0.7680(1-0.2620e^-43.0790G)(4)

其中，v为粘度系数，η₀为水泵标准效率，T_c为冷却水温度，G为带有富裕系数 的冷却水流量；

Δη₁＝2.8445(1-1.0219e^-2.8702/n_s)(5)

Δη₂＝0.00033n_s-0.069(6)

其中，Δη₁为比转速n_s区间在20-120之间的水泵效率，Δη₂为比转速n_s区间在 210-300之间的水泵效率。

值得一提的是，比转速的定义为水头为1m、发出1匹功率且机械效率为100％ 时水轮机自身的转速某种标准泵或风机在最高效率情况下，扬程为一米(风机全 压为一毫米水柱)流量为0.075立方米每秒(风机为一立方米每秒)时标准泵或风 机的转速为此系列泵或风机的比转速。

$Q_{ex}=-0.00014T_C^2-0.0015T_c+1.1---\left(7\right)$

$W_{ex}=0.0004T_c^2-0.004T_c+0.85---\left(8\right)$

其中，Q_ex为制冷量Q_e的修正系数，W_ex为热泵系统组耗功率W_e的修正系 数。

此外，冬季拟合公式为：

Q_e＝0.234Δt²-22.5Δt+784.21(9)

W_e＝-0.0089Δt²-1.05Δt+152.71(10)

$v=5.5e^{-010}{T}_c^2-3.5e^{-007}{T}_c+5.6e^{-005}---\left(11\right)$

$Q_{ex}=-0.00061T_C^2+0.0372T_c-55.586---\left(12\right)$

W_ex＝-0.00013764Tc²+0.082954Tc-11.453(13)

值得注意的是，冬季拟合公式中水泵标准效率η₀、比转速n_s区间在20-120 之间的水泵效率Δη₁以及比转速n_s区间在210-300之间的水泵效率Δη₂与夏季拟 合公式相同。

同时，

S103、MATLAB会建立地表水源能效比的优化模型。其优化模型建立过程如 下：

在不考虑地表水源热泵系统中水量损失，冷却水流量G_c、系统扬程H_C和功 率W_c分别可以表示为：

$G_c=\frac{Q_e+W_e}{\rho c\Delta t}---\left(14\right)$

$H_C=H_0+{\mathrm{SG}}_c^2---\left(15\right)$

$W_c=g·\frac{Q_e+W_e}{\rho c\Delta t}·\frac{(H_0+{\mathrm{SG}}_c^2)}{{\eta }_b}---\left(16\right)$

冷却水系统的能耗为：

${\mathrm{\Sigma W}}_c={\Sigma }_g·\frac{Q_e+W_e}{\rho c\Delta t}·\frac{H_c}{\eta }+W^{\prime }---\left(17\right)$

其中，H₀为进水压扬程，η为水泵效率，ρ为冷却水密度，c为冷却水的比热，W′为 其他能耗。此外，S为管路阻力系数，并且可用如下公式表示为：

$S=\frac{8\rho (\lambda \frac{1}{d}+\Sigma \xi )}{{\pi }^2{d}^4}---\left(18\right)$

其中，d为管径，ξ为局部阻力系数。

进一步的，还需要得到地表水源热泵系统的理论制冷性能系数COP_l，e，该系 数可以表示为：

${\mathrm{COP}}_{l,e}=\frac{T_e}{T_c-T_e}---\left(19\right)$

其中，T_e为冷冻水温度，T_c为冷却水温度。

这里需要说明的是，冷却水是指在机组和室外散热设备之间的循环水系统， 冷冻水是指在机组与末端封盘之间的循环水系统。但在实际工作过程中，冷凝 器和蒸发器都存在换热温差，而且这两个换热温差随制冷技术以及机组运行工 况变化而变化。从理论上分析热泵机组的实际制冷性能系数与冷冻水、冷却水 温度之间的函数关系非常复杂。因此，在工程计算中，实际制冷性能系数COP 可以根据热泵机组的实际制冷量和实际输入功率得到：

$COP=\frac{Q_e}{W_e}---\left(20\right)$

进一步的，根据地表水源热泵系统的理论制冷性能系数COP_l，e以及实际制冷 性能系数COP得到两者的比值函数。值得注意的是，该比值函数是一个关于冷却 水供回水温度Δt与水泵效率η的二元函数。

$f(\Delta t,\eta )=\frac{T_e}{T_c-T_e}·\frac{Q_e}{W_e}---\left(21\right)$

同时，根据空调能效比EER的定义，即额定制冷量与额定功耗的比值，进 而可以得到地表水源热泵系统的热泵机组与冷却水系统的能效比EER：

$EER=\frac{Q_e}{W_e+{\mathrm{\Sigma W}}_C}---\left(22\right)$

由上式可以得出，地表水源热泵系统的热泵机组与冷却水系统的能效比EER 为系统的制冷量Q_e与热泵系统组耗功率W_e、冷却水系统的能耗∑W_C之比。如果 不考虑其他能耗W′的影响，将公式(17)和(21)代入，进一步得到：

$EER=\frac{\frac{1}{f(\Delta t,\eta )}}{\frac{T_{c-T_e}}{T_c}+\Sigma (\frac{1}{f(\Delta t,\eta )}+\frac{T_{c-T_e}}{T_c})\frac{{\mathrm{gH}}_c}{\rho c\Delta t·\eta }}---\left(23\right)$

同理，制热工况时地表水源热泵系统的冷却水能效系统的能效比EER同样 为：

$EER=\frac{\frac{1}{f(\Delta t,\eta )}}{\frac{T_{c-T_e}}{T_c}+\Sigma (\frac{1}{f(\Delta t,\eta )}+\frac{T_{c-T_e}}{T_c})\frac{{\mathrm{gH}}_c}{\rho c\Delta t·\eta }}$

当地表水源热泵系统的冷却水能效系统的能效比EER得出后，优化模型建立 完成。

S104、根据前面所述的拟合公式与优化模型，通过编写得到地表水源热泵 系统能耗的优化程序；

编写得到优化程序之后，

S105、输入待测系统参数,通过运行优化程序，得到优化运行数据。

夏季优化程序如下所示：

clear；

[Tc,t]＝meshgrid(5:1:40,2.5:.5:13)；

这部分程序首先清除软件缓存，之后通过利用生成网格采样点函数 meshgrid，用于对程序的输出进行网格显示。需要说明的是，程序中t与拟合公 式Δt及优化模型中Δt均为冷却水供回水温度。

g＝9.8；

p＝1000；

L＝200；

d＝0.25；

E＝1；

c＝4.187；

H₀＝30；

n＝1480；

这部分程序是输入待测系统参数，可以包括有水源水温、系统扬程、管长 和水特性等。其中g代表重力加速度，p代表水的密度，L代表地表水源热泵系 统的管长，d代表管径，E代表局部阻力系数，c是水的比热，H₀代表进水压扬 程，n代表水泵转速。这里值得一提的是，扬程的定义为单位重量流体流经水泵 后获得的有效能量；局部阻力系数E的定义为流体流经设备及管道附件所产生 的局部阻力与相应动压的比值。并且，这里的局部阻力系数E与优化模型中局 部阻力系数ξ相同。

进一步的，通过公式(1)和(2)可以得到水泵的制冷量Q_e热泵系统组耗 功率W_e的计算程序：

Qe＝(-0.053*t.^2-4*t+598.14).*(-0.00014*Tc.^2-0.0015*Tc+1.1)；

We＝(0.015*t.^2+1.79*t+86.236).*(0.0004*Tc.^2-0.004*Tc+0.85)；

但值得注意的是符号.*后面的程序代表的是制冷量Q_e的修正系数Q_ex，热 泵系统组耗功率W_e的修正系数W_ex，两者是根据不同的进水温度所对应修正的 结果。

进一步的，通过制冷量Q_e和热泵系统组耗功率W_e的计算程序可以得到雷诺 数Re的计算程序：

aa＝4*(Qe+We)；

bb＝pi*d*p*c*(5.5e-010*Tc.^2-5e-008*Tc+1.8e-006)；

cc＝(t.*bb)；

Re＝aa./cc；

其中，aa,bb和cc为中间变量，公式(5.5e-010*Tc.^2-5e-008*Tc+1.8e-006)为粘 度系数，雷诺数Re是指流体的惯性力与粘性力的比值。

进一步的，通过雷诺数Re可以得到摩擦阻力系数N的计算程序：

N＝0.11*(0.00015/d+68./Re).^0.25；

进一步的，将公式(18)、(14)和(15)应用到程序中可以得到管路阻 力系数s、冷却水流量G_c和系统扬程H_C的计算程序：

s＝8*p*(N*L/d+E)/(pi^2*d^4)；

Gc＝(Qe+We)./(p*c*t)；

Hc＝H₀+s.*Gc.^2/10000；

进一步的，对冷却水流量G_c和系统扬程H_C分别乘以富裕系数1.1，以得到带 有富裕系数的冷却水流量G和扬程H的计算程序：

G＝1.1.*Gc；

H＝1.1.*Hc；

进一步的，通过求得的带有富裕系数的冷却水流量G和扬程H，可以得到水 泵的转速比js的计算程序：

js＝3.65*n*G.^0.5./H.^0.75；

进一步的，通过公式(4)、(5)和(6)可以得到水泵的标准效率j0，比 转速区间在20-120之间的水泵效率oj1以及比转速区间在210-300之间的水泵效 率oj2的计算程序：

j0＝0.7680*(1-0.2620*exp(-43.0790*G))；

oj1＝2.8445*(1-1.0219*exp(-2.8702./js))；

oj2＝0.00033*js-0.069；

进一步的，通过设置三层if条件语句，得到水泵效率j的计算程序：

ifjs<20

elseifjs>300

else

ifjs<120

j＝j0-oj1；

elseifjs>210

j＝j0-oj2；

else

j＝j0

end

end

进一步的，将优化模型中公式(17)和(22)应用到程序中可以得到地表 水源热泵系统的热泵机组与冷却水系统的能效比EER的计算程序：

EER＝Qe./(We+(Qe+We)*g.*Hc./(p*c*t.*j))；

进一步的，通过surf函数绘制关于冷却水温度T_c、冷却水供回水温度t以及 能效比EER的三维图：

surf(Tc,t,EER)；

之后，选取最大值并通过窗口输出图表：

dd＝max(EER)；

figure；plot(dd)

本发明实施例通过建立关于地表水源热泵系统的参数数据库，利用其中参 数建立拟合公式，通过拟合公式与建立的地表水源能效比的优化模型得到地表 水源热泵系统的优化程序，并依此得到程序的优化运行数据。避免了由于地表 水源热泵系统采用经验值或较大范围的参数值，造成的系统运行的工作效率低 下和工作质量不高，进而导致资源浪费的问题。

实施例二

本实施例二提供的一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化方法，包 括：

建立地表水源热泵系统的参数数据库；

调用所述参数数据库中的参数，建立拟合公式；

建立地表水源能效比的优化模型；

根据所述拟合公式与所述优化模型，通过编写得到地表水源热泵系统能耗 的优化程序；

输入待测系统参数,运行所述优化程序，得到优化运行数据。

其中，得到优化运行数据过程实施例一中已经描述，这里不再重复。

此外，一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化方法还可以包括有： 根据参数数据库与优化运行数据对地表水源热泵系统进行选型。

根据地表水源热泵系统能耗的优化程序的优化运行数据，选定优化运行数 据中的最优解。需要说明的是，优化程序的运行数据是以图表的形式通过输出 窗口输出，因此通过选定图形的峰值点，即为优化运行数据中的最优解。

这个最优解中包括有该点对应的待测系统参数，如水源水温、系统扬程、 管长和水特性等等。根据这些特性，对应参数数据库中的参数，选取最优的系 统装置如主机、水泵、冷却塔等。

此外，还有一点值得注意，优化程序包括夏季优化程序和冬季优化程序， 根据拟合公式与优化模型，通过编写得到地表水源热泵系统能耗的优化程序包 括：

根据夏季拟合公式与优化模型，通过编写得到地表水源热泵系统能耗的夏 季优化程序；

其中，夏季优化程序实施例一中已经描述，这里不再重复。

参照实施例一中所述的冬季拟合公式与优化模型，通过编写得到地表水源 热泵系统能耗的冬季优化程序。相应的优化程序如下：

clear；

[Tc,t]＝meshgrid(5:1:40,2.5:.5:13)；

这部分程序首先清除软件缓存，之后通过利用生成网格采样点函数 meshgrid，用于对程序的输出进行网格显示。需要说明的是，程序中t与拟合公 式Δt及优化模型中Δt均为供热水供回水温度。夏季拟合公式中为冷却水，冬季 拟合公式中相应为供热水。

g＝9.8；

p＝1000；

L＝200；

d＝0.25；

E＝1；

c＝4.187；

H₀＝30；

n＝1480；

这部分程序是输入待测系统参数，可以包括有水源水温、系统扬程、管长 和水特性等。其中g代表重力加速度，p代表水的密度，L代表地表水源热泵系 统的管长，d代表管径，E代表局部阻力系数，c是水的比热，H₀代表进水压扬 程，n代表水泵转速。这里值得一提的是，扬程的定义为单位重量流体流经水泵 后获得的有效能量；局部阻力系数E的定义为流体流经设备及管道附件所产生 的局部阻力与相应动压的比值。

进一步的，通过公式(9)和(10)可以得到水泵的供热量Q_e热泵系统组耗 功率W_e的计算程序：

Qe＝(0.234*t.^2-22.5*t+784.21).*(-0.00061*Tc.^2+0.0372*Tc-55.586)；

We＝(-0.0089*t.^2-1.05*t+152.71).*(-0.00013764*Tc.^2+0.082954*Tc-11.453)；

值得注意的是符号.*后面的程序代表的是供热量Q_e的修正系数Q_ex，热泵 系统组耗功率W_e的修正系数W_ex，两者是根据不同的进水温度所对应修正的结 果。此外，对于夏季优化程序中，Q_e为水泵的制冷量；而对应冬季优化程序中， Q_e为供热量。

进一步的，通过供热量Q_e和热泵系统组耗功率W_e的计算程序可以得到雷诺 数Re的计算程序：

aa＝4*(Qe+We)；

bb＝pi*d*p*c*(5.5e-010*Tc.^2-3.5e-008*Tc+5.6e-005)；

cc＝(t.*bb)；

Re＝aa./cc；

其中，aa,bb和cc为中间变量，公式(5.5e-010*Tc.^2-5e-008*Tc+1.8e-006)为粘 度系数，雷诺数是指流体的惯性力与粘性力的比值。

进一步的，通过雷诺数Re可以得到摩擦阻力系数N的计算程序：

N＝0.11*(0.00015/d+68./Re).^0.25；

进一步的，将公式(18)、(14)和(15)应用到程序中可以得到管路阻 力系数s、供热水流量G_c和系统扬程H_C的计算程序：

s＝8*p*(N*L/d+E)/(pi^2*d^4)；

Gc＝(Qe+We)./(p*c*t)；

Hc＝H₀+s.*Gc.^2/10000；

需要说明的是，在冬季优化程序中，G_c为供热水流量；夏季优化程序中，G_c为 冷却水流量。

进一步的，对供热水流量G_c和系统扬程H_C分别乘以富裕系数1.1，以得到带 有富裕系数的供热水流量G和扬程H的计算程序：

G＝1.1.*Gc；

H＝1.1.*Hc；

进一步的，通过求得的带有富裕系数的供热水流量G和扬程H，可以得到水 泵的转速比js的计算程序：

js＝3.65*n*G.^0.5./H.^0.75；

进一步的，通过公式(4)、(5)和(6)可以得到水泵的标准效率j0，比 转速区间在20-120之间的水泵效率oj1以及比转速区间在210-300之间的水泵效 率oj2的计算程序：

j0＝0.7680*(1-0.2620*exp(-43.0790*G))；

oj1＝2.8445*(1-1.0219*exp(-2.8702./js))；

oj2＝0.00033*js-0.069；

进一步的，通过设置三层if条件语句，得到水泵效率j的计算程序：

ifjs<20

elseifjs>300

else

ifjs<120

j＝j0-oj1；

elseifjs>210

j＝j0-oj2；

else

j＝j0

end

end

进一步的，将公式(17)和(22)应用到程序中可以得到地表水源热泵系 统的热泵机组与供热水系统的能效比EER的计算程序：

EER＝Qe./(We+(Qe+We)*g.*Hc./(p*c*t.*j))；

进一步的，通过surf函数绘制关于供热温度T_c、供热水供回水温度t以及能 效比EER的三维图：

surf(Tc,t,EER)；

之后，选取最大值并通过窗口输出图表：

dd＝max(EER)；

figure；plot(dd)

本发明所述的一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化方法，通过选 用夏季拟合公式和冬季拟合公式，进而编写得到夏季优化程序和冬季优化程序。 并根据夏季优化程序和冬季优化程序的不同优化运行数据以及参数数据库中的 参数对地表水源热泵系统进行选型，从而克服了由于选取经验值或较大范围的 参数值对地表水源热泵系统的工作效率和工作效率的影响，并优化了表水源热 泵系统的初始投资。

实施例三

图2是本发明实施例二提供的一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优 化装置的结构图。

如图2，本实施例三提供的一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化 装置，包括：

参数数据库模块201，用于建立地表水源热泵系统的参数数据库；

其中，地表水源热泵系统会针对不同的使用环境，选取不同的系统装置如 不同类型的主机、水泵、冷却塔等。进而，主机、水泵、冷却塔装置的参考量 和相关修正系数也不尽相同。因此，可以通过参数数据库模块201利用MATLAB 对地表水源热泵系统的参数建立数据库，以便于对系统的参数进行调用和处理。

值得注意的是，参数数据库的建立从根本上说，是将参数进行转换和转存， 并通过搜索引擎为用户访问提供接口和数据窗口，以便于实现数据的新建、修 改和删除。

当通过参数数据库模块201建立参数数据库之后，MATLAB会通过拟合公式 模块202调用所述参数数据库中的参数，建立拟合公式。

由之前所述可知，参数数据库中参数包括有地表水热泵系统中主机、水泵、 冷却塔装置的参考量和相关修正系数。其中，参考量和相关修正系数包括：水 流量、温度、温差、各个修正系数、冷量、热量、功率、效率、系统扬程等。 拟合公式模块202通过调用这些参考量和相关修正系数，建立拟合公式。

值得一提的是，拟合公式包括夏季拟合公式和冬季拟合公式。这是由于地 表水热源泵系统针对夏季与冬季分别采取制冷与供暖的工作方式不同，进而参 考量与相关修正系数也有所区别。

其中，夏季拟合公式为：

Q_e＝-0.053Δt²-4Δt+598.1(1)

其中，Q_e为制冷量，Δt为冷却水供回水温度；

W_e＝0.015Δt²+1.79Δt+86.2(2)

其中，W_e为热泵系统组耗功率；

$v=5.5e^{-010}{T}_c^2-5e^{-008}{T}_c+1.8e^{-006}---\left(3\right)$

η₀＝0.7680(1-0.2620e^-43.0790G)(4)

其中，v为粘度系数，η₀为水泵标准效率，T_c为冷却水温度，G为带有富裕系数 的冷却水流量；

Δη₁＝2.8445(1-1.0219e^-2.8702/n_s)(5)

Δη₂＝0.00033n_s-0.069(6)

其中，Δη₁为比转速区间在20-120之间的水泵效率，Δη₂为比转速区间在210-300 之间的水泵效率。

值得一提的是，比转速的定义为水头为1m、发出1匹功率且机械效率为100％ 时水轮机自身的转速某种标准泵或风机在最高效率情况下，扬程为一米(风机全 压为一毫米水柱)流量为0.075立方米每秒(风机为一立方米每秒)时标准泵或风 机的转速为此系列泵或风机的比转速。

$Q_{ex}=-0.00014T_C^2-0.0015T_c+1.1---\left(7\right)$

$W_{ex}=0.0004T_c^2-0.004T_c+0.85---\left(8\right)$

其中，Q_ex为制冷量Q_e的修正系数，W_ex为热泵系统组耗功率W_e的修正系 数。

此外，冬季拟合公式为：

Q_e＝0.234Δt²-22.5Δt+784.1(9)

W_e＝-0.0089Δt²-1.05Δt+152.71(10)

$v=5.5e^{-010}{T}_c^2-3.5e^{-007}{T}_c+5.6e^{-005}---\left(11\right)$

$Q_{ex}=-0.00061T_C^2+0.0372T_c-55.586---\left(12\right)$

W_ex＝-0.00013764Tc²+0.082954Tc-11.453(13)

值得注意的是，冬季拟合公式中水泵标准效率η₀、比转速n_s区间在20-120 之间的水泵效率Δη₁以及比转速n_s区间在210-300之间的水泵效率Δη₂与夏季拟 合公式相同。

同时，MATLAB会利用模型建立模块203，用于建立地表水源能效比的优化 模型。其中，模型建立模块203建立优化模型的过程如下：

在不考虑地表水源热泵系统中水量损失，冷却水流量G_c、系统扬程H_C和功 率W_c分别可以表示为：

$G_c=\frac{Q_e+W_e}{\rho c\Delta t}---\left(14\right)$

$H_C=H_0+{\mathrm{SG}}_c^2---\left(15\right)$

$W_c=g·\frac{Q_e+W_e}{\rho c\Delta t}·\frac{(H_0+{\mathrm{SG}}_c^2)}{{\eta }_b}---\left(16\right)$

冷却水系统的能耗为：

${\mathrm{\Sigma W}}_c=\Sigma g·\frac{Q_e+W_e}{\rho c\Delta t}·\frac{H_c}{\eta }+W^{\prime }---\left(17\right)$

其中，η为水泵效率；ρ为冷却水密度，c为冷却水的比热，W′为其他能耗。此 外，S为管路阻力系数，并且可用如下公式表示为：

$S=\frac{8\rho (\lambda \frac{1}{d}+\Sigma \xi )}{{\pi }^2{d}^4}---\left(18\right)$

其中，d为管径，ξ为局部阻力系数。

进一步的，还需要得到地表水源热泵系统的理论制冷性能系数COP_l，e，该系 数可以表示为：

${\mathrm{COP}}_{l,e}=\frac{T_e}{T_c-T_e}---\left(19\right)$

其中，T_e为冷冻水温度，T_c为冷却水温度。

这里需要说明的是，冷却水是指在机组和室外散热设备之间的循环水系统， 冷冻水是指在机组与末端封盘之间的循环水系统。但在实际工作过程中，冷凝 器和蒸发器都存在换热温差，而且这两个换热温差随制冷技术以及机组运行工 况变化而变化。从理论上分析热泵机组的实际制冷性能系数与冷冻水、冷却水 温度之间的函数关系非常复杂。因此，在工程计算中，实际制冷性能系数COP 可以根据热泵机组的实际制冷量和实际输入功率得到：

$COP=\frac{Q_e}{W_e}---\left(20\right)$

进一步的，根据地表水源热泵系统的理论制冷性能系数COP_l，e以及实际制冷 性能系数COP得到两者的比值函数。值得注意的是，该比值函数是一个关于冷却 水供回水温度Δt与水泵效率η的二元函数。

$f(\Delta t,\eta )=\frac{T_e}{T_c-T_e}·\frac{Q_e}{W_e}---\left(21\right)$

同时，根据空调能效比EER的定义，即额定制冷量与额定功耗的比值，进 而可以得到地表水源热泵系统的热泵机组与冷却水系统的能效比EER：

$EER=\frac{Q_e}{W_e+{\mathrm{\Sigma W}}_C}---\left(22\right)$

由上式可以得出，地表水源热泵系统的热泵机组与冷却水系统的能效比EER 为系统的制冷量Q_e与热泵系统组耗功率W_e、冷却水系统的能耗∑W_C之比。如果 不考虑其他能耗W′的影响，将公式(17)和(21)代入，进一步得到：

$EER=\frac{\frac{1}{f(\Delta t,\eta )}}{\frac{T_{c-T_e}}{T_c}+\Sigma (\frac{1}{f(\Delta t,\eta )}+\frac{T_{c-T_e}}{T_c})\frac{{\mathrm{gH}}_c}{\rho c\Delta t·\eta }}---\left(23\right)$

同理，制热工况时地表水源热泵系统的冷却水能效系统的能效比EER同样 为：

$EER=\frac{\frac{1}{f(\Delta t,\eta )}}{\frac{T_{c-T_e}}{T_c}+\Sigma (\frac{1}{f(\Delta t,\eta )}+\frac{T_{c-T_e}}{T_c})\frac{{\mathrm{gH}}_c}{\rho c\Delta t·\eta }}$

当地表水源热泵系统的冷却水能效系统的能效比EER得出后，优化模型建立 完成。可以利用优化程序模块204根据拟合公式模块202得到的夏季拟合公式 与模型建立模块203得到的优化模型，通过编写得到地表水源热泵系统能耗的 优化程序；

之后通过优化运行数据模块205，用于对优化程序模块204得到的优化程序 输入待测系统参数,运行所述优化程序，得到优化运行数据。

优化程序如下所示：

clear；

[Tc,t]＝meshgrid(5:1:40,2.5:.5:13)；

这部分程序首先清除软件缓存，之后通过利用生成网格采样点函数

meshgrid，用于对程序的输出进行网格显示。需要说明的是，程序中t与拟合公 式Δt及优化模型中Δt均为冷却水供回水温度。

g＝9.8；

p＝1000；

L＝200；

d＝0.25；

E＝1；

c＝4.187；

H₀＝30；

n＝1480；

这部分程序是输入待测系统参数，可以包括有水源水温、系统扬程、管长 和水特性等。其中g代表重力加速度，p代表水的密度，L代表地表水源热泵系 统的管长，d代表管径，E代表局部阻力系数，c是水的比热，H₀代表进水压扬 程，n代表水泵转速。这里值得一提的是，扬程的定义为单位重量流体流经水泵 后获得的有效能量；局部阻力系数E的定义为流体流经设备及管道附件所产生 的局部阻力与相应动压的比值。

进一步的，通过公式(1)和(2)可以得到水泵的制冷量Q_e热泵系统组耗 功率W_e的计算程序：

Qe＝(-0.053*t.^2-4*t+598.14).*(-0.00014*Tc.^2-0.0015*Tc+1.1)；

We＝(0.015*t.^2+1.79*t+86.236).*(0.0004*Tc.^2-0.004*Tc+0.85)；

但值得注意的是符号.*后面的程序代表的是制冷量Q_e的修正系数Q_ex，热 泵系统组耗功率W_e的修正系数W_ex，两者是根据不同的进水温度所对应修正的 结果。

进一步的，通过制冷量Q_e和热泵系统组耗功率W_e的计算程序可以得到雷诺 数Re的计算程序：

aa＝4*(Qe+We)；

bb＝pi*d*p*c*(5.5e-010*Tc.^2-5e-008*Tc+1.8e-006)；

cc＝(t.*bb)；

Re＝aa./cc；

其中，aa,bb和cc为中间变量，公式5.5e-010*Tc.^2-5e-008*Tc+1.8e-006为粘 度系数，雷诺数Re是指流体的惯性力与粘性力的比值。

进一步的，通过雷诺数Re可以得到摩擦阻力系数N的计算程序：

N＝0.11*(0.00015/d+68./Re).^0.25；

进一步的，将公式(17)、(13)和(14)应用到程序中可以得到管路阻 力系数s、冷却水流量G_c和系统扬程H_C的计算程序：

s＝8*p*(N*L/d+E)/(pi^2*d^4)；

Gc＝(Qe+We)./(p*c*t)；

Hc＝H0+s.*Gc.^2/10000；

进一步的，对冷却水流量G_c和系统扬程H_C分别乘以富裕系数1.1，以得到带 有富裕系数的冷却水流量G和扬程H的计算程序：

G＝1.1.*Gc；

H＝1.1.*Hc；

进一步的，通过求得的带有富裕系数的冷却水流量G和扬程H，可以得到水 泵的转速比js的计算程序：

js＝3.65*n*G.^0.5./H.^0.75；

进一步的，通过公式(4)、(5)和(6)可以得到水泵的标准效率j0，比 转速区间在20-120之间的水泵效率oj1以及比转速区间在210-300之间的水泵效 率oj2的计算程序：

j0＝0.7680*(1-0.2620*exp(-43.0790*G))；

oj1＝2.8445*(1-1.0219*exp(-2.8702./js))；

oj2＝0.00033*js-0.069；

进一步的，通过设置三层if条件语句，得到水泵效率j的计算程序：

ifjs<20

elseifjs>300

else

ifjs<120

j＝j0-oj1；

elseifjs>210

j＝j0-oj2；

else

j＝j0

end

end

进一步的，将优化模型中公式(17)和(22)应用到程序中可以得到地表 水源热泵系统的热泵机组与冷却水系统的能效比EER的计算程序：

EER＝Qe./(We+(Qe+We)*g.*Hc./(p*c*t.*j))；

进一步的，通过surf函数绘制关于冷却水温度T_c、冷却水供回水温度t以及能效比 EER的三维图：

surf(Tc,t,EER)；

之后，选取最大值并通过窗口输出图表：

dd＝max(EER)；

figure；plot(dd)

本发明实施例三提供的基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化装置可用 于执行本发明实施例一所提供的基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化方 法，具备相应的功能和有益效果。

实施例四

本实施例四提供的一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化装置，包 括：

参数数据库模块，用于建立地表水源热泵系统的参数数据库；

拟合公式模块，用于调用所述参数数据库中的参数，建立拟合公式；

模型建立模块，用于建立地表水源能效比的优化模型；

优化程序模块，用于根据所述拟合公式与所述优化模型，通过编写得到地 表水源热泵系统能耗的优化程序；

优化运行数据模块，用于输入待测系统参数,运行所述优化程序，得到优化 运行数据。

其中，各模块功能实施例三中已经描述，这里不再重复。

此外，一种基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化装置还包括：装置可 以根据所述参数数据库与所述优化运行数据对所述地表水源热泵系统进行选 型。

利用优化运行数据模块得到的优化运行数据，选定优化运行数据中的最优 解。需要说明的是，优化程序的运行数据是以图表的形式通过输出窗口输出， 因此通过选定图形的峰值点，即为优化运行数据中的最优解。

这个最优解中包括有该点对应的待测系统参数，如水源水温、系统扬程、 管长和水特性等等。根据这些特性，对应参数数据库中的参数，选取最优的系 统装置如主机、水泵、冷却塔等。

此外，还有一点值得注意，优化程序模块得到的地表水源热泵系统能耗的 优化程序包括夏季优化程序和冬季优化程序，根据拟合公式与优化模型，通过 编写得到地表水源热泵系统能耗的优化程序包括：

根据夏季拟合公式与优化模型，利用程序优化模块通过编写得到地表水源 热泵系统能耗的夏季优化程序；

其中，夏季优化程序实施例三中已经描述，这里不再重复。

参照实施例一中所述的冬季拟合公式与优化模型，利用程序优化模块通过 编写得到地表水源热泵系统能耗的冬季优化程序。相应的优化程序如下：

clear；

[Tc,t]＝meshgrid(5:1:40,2.5:.5:13)；

这部分程序首先清除软件缓存，之后通过利用生成网格采样点函数 meshgrid，用于对程序的输出进行网格显示。需要说明的是，程序中t与拟合公 式Δt及优化模型中Δt均为供热水供回水温度。

g＝9.8；

p＝1000；

L＝200；

d＝0.25；

E＝1；

c＝4.187；

H₀＝30；

n＝1480；

这部分程序是输入待测系统参数，可以包括有水源水温、系统扬程、管长 和水特性等。其中g代表重力加速度，p代表水的密度，L代表地表水源热泵系 统的管长，d代表管径，E代表局部阻力系数，c是水的比热，H₀代表进水压扬 程，n代表水泵转速。这里值得一提的是，扬程的定义为单位重量流体流经水泵 后获得的有效能量；局部阻力系数E的定义为流体流经设备及管道附件所产生 的局部阻力与相应动压的比值。

进一步的，通过公式(9)和(10)可以得到水泵的供热量Q_e热泵系统组耗 功率W_e的计算程序：

Qe＝(0.234*t.^2-22.5*t+784.21).*(-0.00061*Tc.^2+0.0372*Tc-55.586)；

We＝(-0.0089*t.^2-1.05*t+152.71).*(-0.00013764*Tc.^2+0.082954*Tc-11.453)；

值得注意的是符号.*后面的程序代表的是供热量Q_e的修正系数Q_ex，热泵 系统组耗功率W_e的修正系数W_ex，两者是根据不同的进水温度所对应修正的结 果。此外，对于夏季优化程序中，Q_e为水泵的制冷量；而对应冬季优化程序中， Q_e为供热量。

进一步的，通过供热量Q_e和热泵系统组耗功率W_e的计算程序可以得到雷诺 数Re的计算程序：

aa＝4*(Qe+We)；

bb＝pi*d*p*c*(5.5e-010*Tc.^2-3.5e-008*Tc+5.6e-005)；

cc＝(t.*bb)；

Re＝aa./cc；

其中，aa,bb和cc为中间变量，公式5.5e-010*Tc.^2-3.5e-008*Tc+5.6e-005为粘 度系数，雷诺数是指流体的惯性力与粘性力的比值。

进一步的，通过雷诺数Re可以得到摩擦阻力系数N的计算程序：

N＝0.11*(0.00015/d+68./Re).^0.25；

进一步的，将公式(18)、(14)和(15)应用到程序中可以得到管路阻 力系数s、供热水流量G_c和系统扬程H_C的计算程序：

s＝8*p*(N*L/d+E)/(pi^2*d^4)；

Gc＝(Qe+We)./(p*c*t)；

Hc＝H₀+s.*Gc.^2/10000；

需要说明的是，在冬季优化程序中，G_c为供热水流量；夏季优化程序中，G_c为 冷却水流量。

进一步的，对供热水流量G_c和系统扬程H_C分别乘以富裕系数1.1，以得到带 有富裕系数的供热水流量G和扬程H的计算程序：

G＝1.1.*Gc；

H＝1.1.*Hc；

进一步的，通过求得的带有富裕系数的供热水流量G和扬程H，可以得到水 泵的转速比js的计算程序：

js＝3.65*n*G.^0.5./H.^0.75；

进一步的，通过公式(4)、(5)和(6)可以得到水泵的标准效率j0，比 转速区间在20-120之间的水泵效率oj1以及比转速区间在210-300之间的水泵效 率oj2的计算程序：

j0＝0.7680*(1-0.2620*exp(-43.0790*G))；

oj1＝2.8445*(1-1.0219*exp(-2.8702./js))；

oj2＝0.00033*js-0.069；

进一步的，通过设置三层if条件语句，得到水泵效率j的计算程序：

ifjs<20

elseifjs>300

else

ifjs<120

j＝j0-oj1；

elseifjs>210

j＝j0-oj2；

else

j＝j0

end

end

进一步的，将公式(17)和(22)应用到程序中可以得到地表水源热泵系 统的热泵机组与冷却水系统的能效比EER的计算程序：

EER＝Qe./(We+(Qe+We)*g.*Hc./(p*c*t.*j))；

进一步的，通过surf函数绘制关于供热水温度T_c、供热水供回水温度t以及能 效比EER的三维图：

surf(Tc,t,EER)；

之后，选取最大值并通过窗口输出图表：

dd＝max(EER)；

figure；plot(dd)

本发明实施例四提供的基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化装置可用 于执行本发明实施例二所提供的基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化方 法，具备相应的功能和有益效果。

参照下方基于MATLAB的地表水源热泵系统能耗优化方法的输出数据表所 示，横向表示地表水源热泵系统的进水温度，纵向表示冷却水/供热水测得的进 出水的温差。由数据输出表所示，可以得到进水温度为5度，温差为6度时的 地表水源热泵系统的热泵机组与冷却水系统的能效比EER最高。

EER 5 10 15 20 25 30 35 40 2.5 5.5445 5.2203 4.8435 4.4202 3.9546 3.4496 2.9076 2.3303 3 5.7932 5.4388 5.0285 4.5703 4.0703 3.5332 2.9626 2.3617 3.5 5.9592 5.5823 5.1474 4.6641 4.14 3.5808 2.9913 2.3754 4 6.0695 5.6755 5.2223 4.7208 4.1796 3.6052 3.0031 2.3778 4.5 6.1404 5.7335 5.2667 4.7519 4.1985 3.6137 3.0035 2.3727 5 6.1825 5.7658 5.2889 4.7645 4.2026 3.6109 2.9958 2.3623 5.5 6.2031 5.779 5.2947 4.7635 4.1959 3.5999 2.9822 2.348 6 6.2071 5.7775 5.2879 4.7521 4.1809 3.5827 2.9642 2.3308 6.5 6.1981 5.7645 5.2714 4.7327 4.1596 3.5607 2.9428 2.3114 7 6.1788 5.7426 5.2472 4.7071 4.1332 3.535 2.9188 2.2904 7.5 6.1512 5.7133 5.2169 4.6764 4.1032 3.5064 2.8928 2.2681 8 6.1168 5.6782 5.1816 4.6417 4.07 3.4754 2.8652 2.2449 8.5 6.0768 5.6383 5.1423 4.6037 4.0342 3.4427 2.8363 2.2208 9 6.0323 5.5944 5.0997 4.5631 3.9963 3.4084 2.8056 2.1961 9.5 5.9839 5.5472 5.0543 4.5203 3.9569 3.373 2.7759 2.171 10 5.9324 5.4973 5.0067 4.4758 3.916 3.3366 2.7446 2.1455 10.5 5.8782 5.4451 4.9573 4.4298 3.8741 3.2995 2.7128 2.1197 11 5.8217 5.391 4.9063 4.3826 3.8314 3.2617 2.6807 2.0937 11.5 5.7634 5.3354 4.8541 4.3344 3.7879 3.2235 2.6483 2.0677 12 5.7036 5.2785 4.8009 4.2855 3.7439 3.185 2.6157 2.0415 12.5 5.6424 5.2206 4.7468 4.2359 3.6994 3.1462 2.583 2.0153 13 5.5802 5.1617 4.692 4.1858 3.6546 3.1072 2.5502 1.9891

上述仅为本发明的较佳实施例及所运用的技术原理。本发明不限于这里所 述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行的各种明显变化、重新调整 及替代均不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进 行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构 思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由权利要求的 范围决定。