摘要: 近几年来，辐射地板供暖系统以其舒适、高效、节能等优点越来越受到供暖用户的青睐，此外，该系统还可以充分利用低品位热源，如地热能、太阳能等可再生能源，促进我国建筑空调领域尽快实现碳中和目标。辐射地板供暖系统由于其较大的热惰性和强烈的动... 展开 近几年来，辐射地板供暖系统以其舒适、高效、节能等优点越来越受到供暖用户的青睐，此外，该系统还可以充分利用低品位热源，如地热能、太阳能等可再生能源，促进我国建筑空调领域尽快实现碳中和目标。辐射地板供暖系统由于其较大的热惰性和强烈的动态延迟性，在南方地区住宅建筑间歇供暖运行中的问题日益突出。为解决辐射地板供暖系统热响应慢和能耗高的问题，建立了辐射地板供暖系统的状态空间传热模型，通过辐射地板供暖系统实验平台验证了模型的准确性，在应用模型降阶技术对辐射地板状态空间传热模型降维优化处理的基础上，建立了空气源热泵辐射地板供暖系统优化控制仿真平台。针对南方地区住宅建筑地板辐射供暖系统的模型预测控制方式进行了优化研究，为辐射地板供暖系统节能控制方法研究提供理论依据。论文的主要研究内容和创新点如下： ①采用状态空间法建立了内置热源的3维辐射地板状态空间传热模型。与现有的能耗模拟软件EnergyPlus或TRNSYS等采用传递函数法建模方式不同，本研究采用适合多输入多输出耦合系统的状态空间法建立辐射地板房间状态空间传热模型。现有的地板辐射供暖系统模型中大都假定房间内辐射管内水温均匀恒定，未考虑地板辐射系统运行时水温的非均匀变化。本研究从状态空间法出发，分析了辐射地板内核心温度层和其他结构层的对流、导热过程，建立了热源内置于围护结构中的3维辐射地板状态空间传热模型。 ②采用RC传热模型分析方法对建立的辐射地板供暖系统状态空间模型进行了解析，得到了多区域辐射地板状态空间传热模型及其解析矩阵。分析了辐射地板与其他围护结构表面之间的辐射换热过程、围护结构表面与室内空气节点的对流换热等耦合换热过程，联立辐射地板、建筑墙体和室内空气节点的状态空间传热模型，得到了多区域辐射地板系统的状态空间传热模型及其换热矩阵，为系统的控制优化奠定了理论模型基础。同时，通过搭建毛细管辐射地板供暖系统实验平台有效地验证了本研究建立的状态空间模型的准确性。 ③采用平衡截断法对多区域辐射地板系统的状态空间模型进行了降维优化处理。对辐射地板系统状态空间传热模型进行了可控可观性指标分析，通过建立格拉姆矩阵对模型的Hankel奇异值进行了分析，Hankel奇异值是判断降阶模型准确性的重要依据。得到了既能保证原模型动态性能，计算效率又大幅提升的辐射地板供暖系统降阶模型，为模型应用于控制技术提供了可行性。 ④针对夏热冬冷地区辐射地板供暖系统能耗大、热响应慢的缺点，设计了该地区辐射地板供暖系统用空气源热泵的冬季供暖模型预测控制器(MPC)的核心算法。在建立了空气源热泵辐射地板供暖系统仿真平台的基础上，设计了启停控制、PID控制、MPC控制和值班供暖-MPC控制，对比分析了这四种控制方式下空气源热泵辐射地板供暖系统的运行性能。对室内空气温度的稳态误差、超调量、热响应时间、系统峰值负荷、空气源热泵的能耗和能效比COP等进行了对比分析。利用模型预测控制在线滚动优化的优点，提高辐射地板系统热负荷的自适应性，系统可以根据建筑热负荷的大小实时调整空气源热泵的水温，降低系统能耗，节能效果好。此外，值班供暖-MPC控制方式可以降低系统的稳态误差、超调量，系统的热响应时间显著缩短、峰值负荷降低明显，节能效果良好。 收起