太阳能溴化锂制冷系统的优化、建模及数据驱动控制

This project is mainly aimed at the optimization, modeling and control of solar LiBr absorption chillers. It includes two main aspects: optimization and controller design of solar hot water system and study of modeling and effective control method of LiBr absorption unit. On one hand, a three-stage optimization strategy of solar hot water system is proposed, and a collaborative hot water circulation control strategy based on temperature difference and solar irradiance is designed to maximize the utilization of solar energy and improve the economy and operational efficiency of the system. On the other hand, the general mathematical model of LiBr absorption unit in the form of differential equation is deduced by the mechanism modeling method. This model can directly reflect the relationship between the control operation’s input and output variables. Novel data-driven control strategies are proposed to realize the effective cooling capacity control and the optimal control of increasing COP of the LiBr absorption unit. Finally, the dynamic simulation model of the solar refrigeration system is built based on TRNSYS to verify the design of the optimization and control strategies and then the whole automatic control system is developed. This project aims to provide a complete system optimization and control strategy for solar LiBr absorption chillers, so as to make positive efforts in its market promotion, and ultimately provide an effective means to realize our country's energy conservation and emission reduction.

本项目针对太阳能溴化锂吸收式制冷系统的优化、建模及控制问题开展研究，主要包括太阳能热水系统的优化及控制器设计与溴化锂机组建模及有效控制方法研究两大部分。一方面，提出一套三阶段的太阳能热水系统的优化策略，并设计基于温差和太阳能辐照度的热水循环流量的协同控制策略，以实现太阳能利用率的最大化并提高系统的经济性和运行效率；另一方面，利用机理建模手段，推导得到能直接反映控制操作输入-输出变量关系的溴化锂机组微分方程形式的通用数学模型，并设计新型的数据驱动控制策略，实现对溴化锂机组制冷量的有效调节控制及提高机组性能系数的最优控制；最后，基于TRNSYS建立太阳能制冷系统的动态仿真模型，对所设计的优化及控制策略进行验证，并开发整体自动控制系统。本项目旨在为太阳能溴化锂吸收式制冷系统提供一套完整的系统优化及控制策略，从而为其在市场上的广泛推广做出积极努力，并最终为国家的节能减排提供一种有效的实施手段。

太阳能空调在环保、节能方面表现出无与伦比的优越性。利用太阳能实现对建筑物制冷是太阳能利用领域的一个重要发展趋势，其中太阳能溴化锂吸收式制冷机的制冷效率最高且推广应用的前景最为广阔。研究高性能系数的新型吸收式制冷系统及其控制问题，在节约能源、保护环境等方面具有重要的理论价值和实际意义。但因受到制冷机组和集热器发展的限制，系统的性能系数（COP）并不高，目前该系统大部分的应用仍只处于模拟和实验阶段。.本课题重点研究了该系统的优化设计及有效控制方法。首先，对于太阳能制取热水系统，详细分析了该系统运行特性并深入研究了其中的各参数设置。重点研究了基于机器学习的太阳能精准预测的方法，并基于此为太阳能热水系统设计了一套全面的优化策略，以提高系统的经济性和运行效率；其次，采用机理建模手段为溴化锂机组推导了具有普适性的、微分方程形式的可直接用于控制器设计的溴化锂机组的七阶模型，并进行了有效验证。然后，开发了针对太阳能溴化锂机组大滞后、多回路强耦合、复杂非线性等特性的无模型自适应控制及基于扰动估计的数据驱动控制的新方法，并基于模型对控制算法进行了充分的仿真验证；第三，利用太阳能空调系统的主流模拟软件TRNSYS，基于实验室的太阳能溴化锂制冷机组平台，为其建立了有效的动态仿真模型。并设计了能够实现复杂调节规律的、拥有高调节品质和灵活扩展性的太阳能溴化锂机组的自动控制系统，开发了控制系统的硬件部分并编写了控制程序；最后，对已有的太阳能溴化锂机组实验平台进行了升级改造，对其中的控制系统进行了重新开发，并在机组平台上对所研究的新型数据驱动控制策略进行了有效验证。通过本课题的研究，为太阳能溴化锂吸收式制冷系统提供了一套完整的优化及控制策略，为该系统的市场推广应用提供了良好的技术保障。