溶液除湿空调系统建模、优化与控制

随着人们对室内环境舒适度的要求越来越高,温度、湿度控制在空调系统中起着越来越重要的作用。溶液除湿空调通过利用冷却的溶液除湿剂吸收空气中的热量和水分,从而达到降低空气温度和湿度的目的,具有除湿效率高、温湿度独立控制、低品位能源利用和过滤空气除菌等优点,已经广泛应用在建筑空气调节、生产车间温湿度控制、食品存储环境控制等领域。溶液除湿空调系统的研究可追溯到1955年G.O.G.Lof第一次以三甘醇作为除湿剂进行太阳能制冷系统实验研究,从此开辟了人类对溶液除湿空调研究的先河。经过半个多世纪的发展,国内外涌现出一批专门从事溶液除湿空调产品的设计、生产和销售的企业,如Bry-Air、Dahlbeck Engineering、Advantix Systems、北京华创瑞风等。
目前国内有关溶液除湿空调的著作远不能满足科技工作者的需求,迫切需要编写更多的相关资料以供学习参考。本书结合近年来作者的研究成果和国内外知名研究机构的最新研究进展,从溶液除湿空调系统工作原理、系统设计、建模与运行优化策略、溶液除湿空调系统优化控制方法等方面分别进行了阐述。
本书共分为十章,内容包括高效节能溶液除湿空调系统设计、溶液除湿空调系统稳态混合模型、溶液除湿器动态模型、溶液除湿器实时运行优化策略、溶液再生器能耗模型及多目标优化、溶液除湿空调系统经济模型预测控制与节能优化、溶液除湿空调系统分布式模型预测控制、基于扰动预测前馈控制的溶液除湿过程控制、基于溶液除湿的独立新风-冷却吊顶空调系统优化控制等。本书既可作为从事溶液除湿空调系统技术研发专业人员的参考书,也可作为溶液除湿空调系统技术爱好者的自学教材。
本书由山东大学副教授王新立、浙江大学宁波理工学院教授蔡文剑、山东大学教授刘红波、青岛大学助理教授李宪、青岛科技大学副教授尹晓红、山东大学教授王雷、国网山东综合能源服务有限公司高工王瑞琪共同撰写。第1、2章由蔡文剑撰写,第3章由王雷与王瑞琪共同撰写,第4~6章由王新立撰写,第7章由尹晓红撰写,第8、10章由刘红波撰写,第9章由李宪撰写。顾晨曦、薄婉琳、张宇航、徐萌、满禄鑫等参与了书稿的整理工作,感谢为本书撰写作出贡献的老师及学生们。
衷心感谢本书参考文献中提到的作者及他们的合作者,是他们的成果奠定了本书的工作基础。感谢国家自然科学基金项目(62073194、61703238、61703223)、山东省自然科学基金项目(2017MF017)、山东大学青年学者未来计划等对本书研究工作及出版的资助。
由于作者水平有限,书中存在的不当之处,恳请读者批评指正。

著者

王新立，1987年，博士，山东大学控制学院副研究员，自动化研究所副所长，浙江大学—新加坡南洋理工大学联合培养博士，新加坡南洋理工大学Research Fellow。研究领域为中央空调系统优化控制、人工智能，主持溶液除湿空调优化控制相关国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、山东省重大科技创新工程子课题、山东省自然科学基金等项目十余项。

本书系统、全面地论述了作者在溶液除湿空调建模、优化与控制领域的最新研究成果,包括高效节能型溶液除湿空调系统设计、溶液除湿空调系统稳态模型的混合建模方法、面向控制的溶液除湿系统动态模型混合建模方法、基于ANFIS的数据驱动的除湿器动态建模方法、基于溶液除湿的独立新风-冷却吊顶空调系统优化控制方法等内容。
本书适合自动化、暖通空调等领域的研究生、科研人员及工程技术人员阅读。

第一章　绪言1
　1.1　概述1
　1.2　溶液除湿空调系统原理5
　1.3　溶液除湿空调国内外研究现状7
　1.3.1　液体除湿剂的研究8
　1.3.2　溶液除湿空调系统性能实验研究9
　1.3.3　新型溶液除湿空调系统设计10
　1.3.4　除湿器/再生器传质传热建模研究12
　1.3.5　溶液除湿空调系统优化研究14
　1.3.6　溶液除湿空调系统控制研究现状16
　1.4　本书章节安排及主要内容17
　参考文献19

第二章　高效节能溶液除湿空调系统设计29
　2.1　概述29
　2.2　高效节能型溶液除湿空调系统设计方案特点30
　2.3　高效节能型溶液除湿空调实验平台32
　2.3.1　除湿器与再生器33
　2.3.2　填料34
　2.3.3　热管回收器35
　2.3.4　存储罐36
　2.3.5　数据采集与输出控制系统36
　2.4　溶液除湿空调的性能参数37
　2.5　误差分析38
　2.6　本章小结40
　参考文献41

第三章　溶液除湿空调系统稳态混合模型42
　3.1　概述42
　3.2　除湿器传热传质混合模型研究43
　3.2.1　除湿器和再生器传热传质物理模型43
　3.2.2　除湿器传热传质混合模型44
　3.2.3　除湿器传热传质混合模型参数辨识50
　3.2.4　除湿器传热传质混合模型验证及分析52
　3.3　再生器传热传质混合模型研究58
　3.3.1　再生器建模的假设条件58
　3.3.2　再生器传热传质混合模型59
　3.3.3　再生器传热传质混合模型验证及分析61
　3.4　本章小结64
　参考文献64

第四章　溶液除湿器动态模型66
　4.1　溶液除湿系统动态混合建模方法66
　4.1.1　概述66
　4.1.2　系统描述69
　4.1.3　系统动态模型的建立71
　4.1.4　系统动态模型参数估计77
　4.1.5　实验验证与分析78
　4.1.6　结论86
　4.2　基于ANFIS 的数据驱动的除湿器动态建模方法86
　4.2.1　ANFIS 建模方法简介86
　4.2.2　除湿器动态模型的建立88
　4.2.3　模型验证与误差分析90
　4.2.4　结论93
　4.3　本章小结94
　参考文献95

第五章　溶液除湿器实时运行优化策略99
　5.1　概述99
　5.2　除湿器能量混合模型建立100
　5.2.1　制冷机能量混合模型100
　5.2.2　除湿风机能量混合模型101
　5.2.3　除湿溶液泵能量混合模型102
　5.2.4　能量混合模型辨识与验证102
　5.3　除湿器优化模型建立106
　5.3.1　除湿器优化目标函数与变量分析106
　5.3.2　除湿器约束条件107
　5.4　除湿器实时运行优化策略108
　5.5　除湿器优化结果与分析111
　5.6　本章小结114
　参考文献114

第六章　溶液再生器能耗模型及多目标优化116
　6.1　概述116
　6.2　再生器能量混合模型116
　6.2.1　加热器能量混合模型116
　6.2.2　再生风机和再生溶液泵能量混合模型117
　6.2.3　能量混合模型的验证117
　6.3　再生器多目标实时优化模型建立119
　6.3.1　优化目标函数119
　6.3.2　变量分析119
　6.3.3　约束条件120
　6.4　再生器多目标实时运行优化策略121
　6.4.1　多目标优化简介121
　6.4.2　多目标优化的解与Pareto 解121
　6.4.3　再生器多目标实时运行优化策略123
　6.5　再生器优化结果与分析126
　6.5.1　多目标间的关系127
　6.5.2　再生器多目标优化结果分析128
　6.6　本章小结132
　参考文献132

第七章　溶液除湿空调系统经济模型预测控制与节能优化134
　7.1　经济模型预测控制概述134
　7.2　溶液除湿空调系统能耗模型135
　7.3　LDAC 系统控制与优化问题描述137
　7.3.1　LDAC 系统优化目标函数138
　7.3.2　优化目标函数求解方法140
　7.4　控制策略仿真研究与结果分析141
　7.4.1　LDAC 系统控制性能仿真研究141
　7.4.2　两种控制策略仿真结果分析141
　7.5　LDAC 系统节能效果分析146
　7.6　本章小结148
　参考文献148

第八章　溶液除湿空调系统分布式模型预测控制149
　8.1　分布式模型预测控制概述149
　8.2　LDAC 系统模型辨识与DMPC 问题描述151
　8.2.1　LDAC 系统模型辨识151
　8.2.2　DMPC 问题描述153
　8.3　DMPC 策略控制性能仿真研究155
　8.3.1　DMPC 策略控制性能仿真155
　8.3.2　仿真结果分析156
　8.4　本章小结158
　参考文献159

第九章　基于扰动预测前馈控制的溶液除湿过程控制161
　9.1　概述161
　9.2　带有扰动预测的前馈控制PFC 164
　9.3　扰动预测170
　9.3.1　多项式外推法171
　9.3.2　线性回归方法171
　9.3.3　模型参数的选取173
　9.4　预测误差的补偿177
　9.5　带扰动预测的性能增强前馈控制180
　9.6　实例验证185
　9.7　溶液除湿器的过程控制方案设计与仿真189
　9.7.1　概述189
　9.7.2　系统控制分析189
　9.7.3　反馈-前馈复合控制方案设计与仿真194
　9.7.4　本节结论200
　9.8　本章小结200
　参考文献201

第十章　基于溶液除湿的独立新风-冷却吊顶空调系统优化控制204
　10.1　概述204
　10.2　研究采用的独立新风-冷却吊顶空调系统和提出的控制策略205
　10.2.1　用于多区域空间的独立新风-冷却吊顶空调系统的描述205
　10.2.2　独立新风-冷却吊顶空调系统的控制策略208
　10.3　整个系统的模型211
　10.3.1　膜式全热交换器211
　10.3.2　除湿器和再生器212
　10.3.3　冷却盘管/加热盘管212
　10.3.4　能耗模型212
　10.4　仿真结果和分析讨论213
　10.5　本章小结218
　参考文献219