內容簡介
《空調係統建模及控製(英文版)》主要內容包括:集中空調係統狀態空間建模原理、過程及圖論描述方法,空調係統中傳感器虛擬標定技術及虛擬傳感器模型,雙環路模型預測控製模型,空調負荷組閤預測模型,空調係統能量評價分析模型,空氣處理單元機群(AHUs)協同控製模型,以及基於負荷預測的空調係統全局優化節能控製模型。
《空調係統建模及控製(英文版)》內容新穎且信息量大,注重於計算機仿真與實驗相結閤以及理論分析和應用實例相結閤,是一本建築環境與設備工程和自動控製學科深度交叉、係統反映新成果的難得的參考書。
《空調係統建模及控製(英文版)》可供從事建築環境與設備工程、熱能工程、製冷與低溫工程、自動控製工程以及相關專業的本科生和研究生參考使用,也可作為從事相關領域研究的科研人員的參考用書。
內頁插圖
目錄
1 Introduction
1.1 Background
1.2 Modeling Approaches in HVAC Field
1.2.1 Physics-Based Modeling Approach
1.2.2 Data-Driven Modeling Approach
1.2.3 Hybrid Modeling Approach
1.3 Proposed Methods
1.3.1 State-Space Modeling
1.3.2 Graph-Theory Modeling
1.3.3 Combined Forecasting Modeling
1.3.4 Decomposition-Coordination Algorithm for Global Optimization Model
1.3.5 Virtual Calibration for HVAC Sensors
1.3.6 Model-Based Predictive Control (MPC)
1.4 Organization of This Book
References
2 Component Modeling with State-Space Method
2.1 Basic Knowledge about State-Space Modeling Method
2.2 Modeling for HVAC Components
2.2.1 Water-to-Air Heat Exchanger
2.2.2 Chiller
2.2.3 Cooling Tower
2.2.4 Duct (Pipe) and Fan (Pump)
2.2.5 Air-Conditioned Room Modeling
2.3 Modeling for HVAC System
2.3.1 Component Model Connection
2.3.2 State-Space Representation for HVAC System
2.3.3 Case Study
References
3 Dynamic Simulations with State-Space Models
3.1 On Water-to-Air Surface Heat Exchanger
3.1.1 Subjected to Different Perturbations
3.1.2 For Different Initial Conditions
3.2 On Chiller
3.2.1 Subjected to Different Perturbations
3.2.2 For Different Initial Conditions
3.3 On Cooling Tower
3.3.1 Subjected to Different Perturbations
3.3.2 For Different Initial Conditions
3.4 On Duct and Pipe
3.4.1 On Straight-Through Duct
3.4.2 On Straight-Through Pipe
3.5 On Air-Conditioned Room
3.5.1 Basic Conditions
3.5.2 Subjected to Different Perturbations
4 Graph-Theory Modeling and Structure-Matrix Analysis
4.1 Graph-Theory Modeling for HVAC Component State-Space Models
4.1.1 Fundamental Rules
4.1.2 Case Study
4.2 Graph-Theory Modeling for HVAC System
4.2.1 Basic Method
4.2.2 Case Study
4.3 Structure-Matrix Analysis Approach
4.3.1 Model Structural Matrix
4.3.2 Reachability Analysis of Model Input-Output
4.3.3 Controllability/Observability Analysis of Model
4.3.4 Case Study
References
5 Virtual Measurement Modeling
5.1 Virtual Calibration
5.1.1 Conventional Calibration
5.1.2 Methodology of Virtual In Situ Calibration
5.1.3 Case Study
5.2 Virtual Sensing
5.2.1 Development Methodology for Virtual Sensing
5.2.2 Case Study
5.2.3 Model Development
References
6 Control Design Based on State-Space Model
6.1 Model-Based Predictive Control (MPC)
6.1.1 Introduction of MPC
6.1.2 MPC in Broad Definition
6.2 Applications of MPC in HVAC Field
6.2.1 Control of a Hybrid Ventilation Unit
6.2.2 Control of Space Thermal Conditioning
6.3 State-Space Feedback Control System Design
6.3.1 Basic Principle
6.3.2 Control System Design for Water-to-Air Heat Exchanger
6.3.3 MATLAB Simulation of the Control System
6.3.4 Control System Design for Refrigeration System
References
7 Combined Forecasting Models for Air-Conditioning
Load Prediction
7.1 Typical Methods
7.1.1 MLR Modeling
7.1.2 ARIMA Modeling
7.1.3 GM Modeling
7.1.4 ANN Modeling
7.2 Combined Forecasting Model Based on Analytic Hierarchy Process (AHP)
7.2.1 Principles of the Combined Forecasting Method
7.2.2 Determining Weights by Analytic Hierarchy Process (AHP)
7.2.3 Combined Forecasting Model for Hourly Cooling Load Prediction Using AHP
7.3 Forecasting Model Based on Neural Network and Combined Residual Error Correction
7.3.1 Model Development
7.3.2 Case Study
References
8 Energy Analysis Model for HVAC System
8.1 Energy Models for HVAC Components
8.1.1 Chiller
8.1.2 Boiler
8.1.3 Pump and Fan
8.1.4 Cooling Tower
8.1.5 Water-to-Air Heat Exchanger
8.2 Energy-Saving Analysis on VAV Air-Conditioning System
8.2.1 Evaluation Program for Energy Saving of VAV System
8.2.2 Case Study
8.3 Energy Analysis on VAV Air-Conditioning System with Different Air-Side Economizers
8.3.1 Scheme for Air Economizer Cycle
8.3.2 Case Study
References
9 Optimal Control of HVAC System Aiming at Energy Conservation
9.1 Air-Side Synergic Control
9.1.1 Background and Basic Idea
9.1.2 Mathematic Deduction of Synergic Control Model
9.1.3 Control Logic Details
9.1.4 Case Study
9.2 Global Optimization Control
9.2.1 Model Development
9.2.2 Decomposition-Coordination Algorithm for Model Solution
9.2.3 Case Study
Appendix
References
10 Modeling and Control Strategies for VAV Systems
10.1 Background and Research Status
10.2 Modular Modeling with Simulink Tool
10.3 Model Library for Components of VAV System
10.3.1 VAV Terminal Unit
10.3.2 Variable Speed Fan
10.3.3 Air Ducts
10.3.4 Other Local Resistance Components
10.3.5 Application of Component Model Library: Case Study
10.4 Control Strategies for VAV System
10.4.1 Constant Static Pressure Method
10.4.2 Total Air Volume Method
10.4.3 Variable Static Pressure Method Based on Trim-and-Respond Logic
10.5 Control Sequences for VAV System with Different Terminal Units
10.5.1 For Cooling-Only Terminal Unit
10.5.2 For Reheat Terminal Unit
10.5.3 For Series Fan-Powered Terminal Unit
10.6 Test Script for VAV Control Study
10.6.1 Preparation
10.6.2 General Inspection of Air-Handling and Distribution System
10.6.3 Trend Data Review
References
前言/序言
能源是經濟社會發展的基礎,同時也是影響經濟社會發展的主要因素。為瞭滿足經濟社會發展的需要,進入21世紀以來,短短十年間(2002-2012年),全世界一次能源總消費從96億噸油當量增加到125億噸油當量,能源資源供需矛盾和生態環境惡化問題日益突顯。
在此期間,改革開放政策的實施極大地解放瞭我國的社會生産力,我國國內生産總值從10萬億元人民幣猛增到52萬億元人民幣,一躍成為僅次於美國的世界第二大經濟體,經濟社會發展取得瞭舉世矚目的成績!
為瞭支持經濟社會的高速發展,我國能源生産和消費也有驚人的進步和變化,此期間全世界一次能源的消費增量28.8億噸油當量竟有57.7%發生在中國!經濟發展麵臨著能源供應和環境保護的雙重巨大壓力。
目前,為瞭人類社會的可持續發展,世界能源發展已進入新一輪戰略調整期,發達國傢和新興國傢紛紛製定能源發展戰略。戰略重點在於:提高化石能源開采和利用率;大力開發可再生能源;最大限度地減少有害物質和溫室氣體排放,從而實現能源生産和消費的高效、低碳、清潔發展。對高速發展中的我國而言,能源問題的求解直接關係到現代化建設進程,能源已成為中國可持續發展的關鍵!因此,我們更有必要以加快轉變能源發展方式為主綫,以增強自主創新能力為著力點,規劃能源新技術的研發和應用。
在國傢重視和政策激勵之下,我國能源領域的新概念、新技術、新成果不斷湧現;上海交通大學齣版社齣版的江澤民學長著作《中國能源問題研究》(2008年)更是從戰略的高度為我國指齣瞭能源可持續的健康發展之路。為瞭“對接國傢能源可持續發展戰略,構建適應世界能源科學技術發展趨勢的能源科研交流平颱”,我們策劃、組織編寫瞭這套“能源與環境齣版工程”叢書,其目的在於:
一是係統總結幾十年來機械動力中能源利用和環境保護的新技術新成果;
二是引進、翻譯一些關於“能源與環境”研究領域前沿的書籍,為我國能源與環境領域的技術攻關提供智力參考;
三是優化能源與環境專業教材,為高水平技術人員的培養提供一套係統、全麵的教科書或教學參考書,滿足人纔培養對教材的迫切需求;
四是構建一個適應世界能源科學技術發展趨勢的能源科研交流平颱。
該學術叢書以能源和環境的關係為主綫,重點圍繞機械過程中的能源轉換和利用過程以及這些過程中産生的環境汙染治理問題,主要涵蓋能源與動力、生物質能、燃料電池、太陽能、風能、智能電網、能源材料、大氣汙染與氣候變化等專業方嚮,匯集能源與環境領域的關鍵性技術和成果,注重理論與實踐的結閤,注重經典性與前瞻性的結閤。圖書分為譯著、專著、教材和工具書等幾個模塊,其內容包括能源與環境領域內專傢們最先進的理論方法和技術成果,也包括能源與環境工程一綫的理論和實踐。如鍾芳源等撰寫的《燃氣輪機設計》是經典性與前瞻性相統一的工程力作;黃震等撰寫的《機動車可吸入顆粒物排放與城市大氣汙染》和王如竹等撰寫的《綠色建築能源係統》是依托國傢重大科研項目的新成果新技術。
空調係統建模與控製:一項綜閤性的技術探索 空調係統,作為現代生活和工業生産不可或缺的組成部分,其設計、運行和優化已經發展成為一個高度復雜且技術密集型的領域。從舒適的傢居環境到精密工業製造的恒溫恒濕要求,空調係統扮演著至關重要的角色。而要實現高效、經濟且可靠的空調係統運行,核心在於對其內在機製的深入理解——即建模,以及在此基礎上進行的精細化調控——即控製。 本書《空調係統建模及控製》(英文原版:Modeling and Control in Air-conditioning Systems)正是緻力於為讀者提供一個全麵而深入的視角,探索空調係統背後的科學原理,並詳細闡述如何通過先進的建模技術和控製策略來提升其性能。本書並非簡單地羅列設備參數或操作手冊,而是從工程科學的根本齣發,旨在構建一套完整的理論框架和實踐指導,使讀者能夠深刻理解空調係統的動態行為,並掌握優化其運行效率和舒適度的關鍵方法。 核心內容與結構深度解析 本書的結構設計旨在循序漸進地引導讀者掌握空調係統建模與控製的精髓。首先,它將從宏觀層麵介紹空調係統的基本構成、工作原理以及其在不同應用場景下的多樣化需求。這包括對製冷劑循環、熱交換過程、空氣處理單元(如風機盤管、空氣處理箱)、以及各種傳感器和執行器的功能性解析。這一部分將為讀者打下堅實的基礎,確保即使是初次接觸此領域的讀者,也能迅速建立起對空調係統整體的認知。 隨後,本書將深入探討空調係統的數學建模。這是實現精確控製的前提。作者將詳細介紹不同復雜程度的建模方法,從簡化的集總參數模型到更精細的分布式參數模型。針對不同的子係統,例如蒸發器、冷凝器、壓縮機、膨壓閥、以及空氣動力學模型,都會給齣詳盡的數學描述。本書將強調物理原理在建模中的作用,例如熱力學定律、傳質傳熱方程、流體動力學方程等,並介紹如何利用這些方程建立係統的動態方程。此外,對於現實係統中存在的非綫性、時變特性以及參數不確定性,本書也將提供相應的建模技術,例如使用泰勒級數展開、神經網絡、模糊邏輯等方法來逼近或描述這些復雜行為。 在建立瞭精確的係統模型之後,本書的重點將轉嚮先進的控製策略。本書將不僅僅局限於傳統的PID控製,而是會廣泛介紹當前主流的、適用於空調係統的各種高級控製技術。這包括: 狀態空間模型與現代控製理論: 探討如何利用狀態空間方程來描述係統動態,並應用諸如極點配置、綫性二次調節器(LQR)等現代控製理論來設計最優控製器。這些方法能夠實現更精準的係統響應和魯棒性。 模型預測控製(MPC): 這是本書的一大亮點。MPC是一種基於模型的前瞻性控製策略,它能夠預測係統未來的行為,並根據預測結果優化控製指令。本書將詳細闡述MPC的原理、算法以及在空調係統中的具體應用,例如如何通過MPC來優化溫度、濕度、風速的控製,並實現節能目標。 自適應控製與魯棒控製: 考慮到空調係統運行環境中可能存在的參數變化(如負荷變化、環境溫度變化)以及外部擾動,本書將介紹自適應控製技術,使其控製器能夠根據係統實時狀態進行調整,保持良好的控製性能。同時,魯棒控製方法也將被詳細介紹,以確保控製器在參數不確定或存在噪聲的情況下也能穩定工作。 模糊邏輯控製與神經網絡控製: 對於一些難以建立精確數學模型的復雜非綫性係統,本書將介紹模糊邏輯控製和神經網絡控製的應用。這些智能控製方法能夠利用專傢的經驗或從數據中學習,實現對空調係統的有效控製。 多目標優化與協同控製: 現代空調係統往往需要同時滿足舒適性、能效、噪音控製等多個目標。本書將探討如何應用多目標優化技術,以及如何設計協同控製策略,使係統能夠綜閤考慮各項指標,達到最佳的整體性能。 實踐應用與案例研究 理論的深度離不開實踐的支撐。本書在介紹建模與控製理論的同時,將穿插大量的實際應用案例和工程實例。這些案例將涵蓋不同類型的空調係統,例如: 傢用空調係統: 分析如何通過優化控製來提升傢用空調的舒適度和節能性,例如變頻控製、智能除濕等。 中央空調係統: 探討大型建築中中央空調的復雜控製問題,例如多區域溫度控製、負荷分配、以及與樓宇自控係統的集成。 精密空調係統: 針對數據中心、實驗室等對溫濕度要求極高的場所,介紹精密空調的特殊建模與控製需求。 工業製冷係統: 探討工業生産過程中對溫度控製的嚴苛要求,以及相應的先進控製解決方案。 本書的案例研究將不僅僅是簡單的描述,而是會深入到具體的建模過程、控製算法設計、仿真驗證以及實際部署的細節。通過這些生動的案例,讀者能夠更直觀地理解抽象的理論,並學習如何在實際工程中應用這些知識。 技術深度與前沿視野 本書在技術深度上力求嚴謹。對於每一項建模方法和控製策略,都將提供清晰的數學推導和理論依據。作者將引用最新的研究成果和行業實踐,確保本書內容的前沿性和權威性。同時,本書也將關注新興的技術趨勢,例如: 物聯網(IoT)與大數據在空調係統中的應用: 探討如何利用傳感器網絡收集海量數據,並通過大數據分析來優化係統性能、預測故障。 人工智能(AI)與機器學習在空調控製中的潛力: 深入分析AI和機器學習技術如何賦能空調係統,實現更智能、更自主的控製。 能源管理與智能電網集成: 探討如何將空調係統與智能電網相結閤,實現峰榖電價優化、參與需求響應,進一步提升能源利用效率。 本書的讀者對象 本書的編寫旨在服務於廣泛的專業讀者群體,包括: 高校學生: 為學習熱能工程、動力工程、自動化、控製工程等相關專業的學生提供深入的理論知識和實踐指導。 科研人員: 為在空調係統、能源係統、建築環境控製等領域進行研究的科研人員提供前沿理論和研究思路。 工程技術人員: 為從事空調係統設計、安裝、調試、維護的工程師提供解決實際問題的工具和方法。 産品研發人員: 為開發更先進、更智能的空調設備和控製係統的研發人員提供技術支撐。 總結 《空調係統建模及控製》(Modeling and Control in Air-conditioning Systems)是一本集理論深度、實踐指導和前沿視野於一體的專業著作。它不僅會幫助讀者構建起對空調係統復雜運行機製的深刻理解,更將賦能讀者掌握設計、優化和管理高效、節能、舒適的空調係統的關鍵技術。通過本書的學習,讀者將能夠應對日益嚴峻的能源挑戰,為創造更美好的居住和工作環境貢獻力量。本書的價值在於其係統性、前瞻性和實踐性,它將成為空調工程領域不可或缺的參考書籍。