1、地源热泵系统参数的建模与预测第 22 卷第 3 期2008 年 9 月南通职业大学J0URNAL0FNANT0NGV0CAT10NALC0LLEGEV01.22No.3Sep.2008地源热泵系统参数的建模与预测常澄,李玮 2(1.泰州职业技术学院,江苏泰州 225300;2.-2r-苏春兰冷冻设备有限公司,江苏泰州225300)摘要:将灰色系统理论应用于地源热泵系统的数据分析及预测 ,结合试验测试结果,进行对比分析,证实了在地源热泵系统的参数预测中采用灰色 GM(1,1)预测方法的可行性.关键词:地源热泵;灰色预测;GM(1,1)模型中图分类号:TK523 文献标识码:A 文章编号:1008
2、-5327(2008)03-0092-04O 引言作为一种绿色环保节能技术,地源热泵近年来倍受暖通空调界的关注.因其可充分利用自然界中的低品位热能,辅之以部分高品位热能(电能)而获得较高的能源效率,成为近年来国家重点研究推广的环保技术.按取热介质的不同,地源热泵可分为地表水热泵,地下水热泵和土壤耦合型热泵系统.随着国家环保政策及可持续发展战略的实施,地源热泵系统的运用日趋广泛,但对系统而言,由于地表及地下温度源变化时间需以年计,且在试验室中也难以人工模拟,导致试验周期长,数据获得困难,故需要通过已知的部分参数来研究和预测未知参数,从而达到了解整个系统的目的.分析地源热泵系统各个相关参数及其变化
3、关系的方法很多,如回归分析法,时间序列分析模型,灰色系统分析模型,人工神经网络模型等.每种方法和模型都有各自的特点,适用范围及局限性.由于地源热泵系统参数变化是多因素,多系统共同作用的结果,其本身具有小样本,贫信息等不确定性,在一定程度上具有很强的灰色特征1.本文结合试验装置,利用灰色预测模型 GM(1,1)对地源热泵系统地埋管温度,系统制热量进行定量分析预测,并讨论其可行性.1 灰色系统模型的建立灰色系统理论适用于研究少量数据,贫信息等不确定性问题,主要通过对少量已知信息的生成,开发,提取有价值的信息,实现对系统运行行为,演化规律的正确描述和有效监控.灰色系统是指部分信息未知,部分信息已知的
4、系统.灰色系统理论所要考察的是信息不完备的系统,通过已知信息来研究和预测未知领域从而达到了解整个系统的目的,所研究的是信息不完全的对象,内涵不确定的概念,关系不明确的机制.以灰色模型 GM(1,1)为核心的模型体系,是指采用单序列一阶线性微分方程 GM(1,1)模型对系统行为特征值的变化进行预测;对行为特征值中异常值发生的时刻进行估计;对在特定时区发生的事件,作未来时间分布的计算;对杂乱波形的未来态势与波形进行整体研究.GM(1,1)建模过程如下:1.1 非等间隔数据序列的变换【2,3】实际试验数据往往是非等间隔数据序列 X=(1),(2),(3),(n),首先通过线性插值将其变换为等间隔的数
5、据序列,设为【o):(1),0(2),o)(3),一 ?,0()1.1.2GM(1,1)模型的建立对(.进行一次累加生成得到X=(1),(2),(3),()】,其中,n()= (),|j=1,2,.i=1对此生成序列建立一阶微分方程+o(1)=o(1)U即得到 GM(1,1)模型.式中,似,o 是灰收稿日期:20080619作者简介:常澄(1974 一), 女 ,江苏泰州人,讲师,主要从事建筑设备,工程测量的教学及研究.第 3 期常澄,等:地源热泵系统参数的建模与预测参数,其值可用最小二乘法求得A=】T=(BT)一 1BTY(2)其中:B=Y=一()(2)1)(1一争()(3)+)(2)l一手
6、(4)1)(3)1;一()1)(一 1)1o(2)(0(3)(.(4)(0(n)将 1()+(一 1)定义为对 X的二紧邻均值.求出 4 后将.似,o 的值代入式(1),解微分方程得(+1)=(.(1)一 )e+(3)o对(+1)作累减生成可得到还原模拟数据,即( (+1)=互(+1) 一互().1.3 模型精度检验采用绝对关联度检验模型的精度.关联度是检验模型值与序列的相似程度,关联度等级越高,即生成的预测数据序列与原始数据序列相关性越好,则预测精度越高(见表 1).表 1 精度检验等级表精度等级关联度精度等级关联度一级 0.90 三级 0.70二级 0.8O 四级 0.60灰度绝对关联度为
7、s=(1+ISI+l1)/(1+JSJ+II+IS 一I)(5)其中:n-1ISI:J()(1)+1(n)一 1)1II=i()一(1)十2 工程实例(6)(7)为探讨土壤耦合型热泵系统在江苏中部地区运用的可行性,以获得 PPR 地埋管温度与空调机组制热量之间的关系,为工程设计提供试验参数,设计安装了相关的实验装置.该实验装置依托原有空调器焓差测试室建立,图 1 是系统流程及测试装置图,可测范围 530kW,进出风干,湿球温度采用二级水银温度计,混合箱内外压差使用二等微压差计.地埋管共钻井 10 口,分二排装置,每相邻钻井间距 3m,钻孔直径 4,12omm,井深31m,采用单 U 型管型式埋
8、人,U 型管采用 PPR管,管径 DN15,U 型管两立管间距 80mm,回填土为钻井取出的泥浆土及周边黏土.水路上设水泵,水流量计,高位补水水箱及相关阀件.测试机组室内部分采用立柜式机组,离心风机风量 1800mTh,翅片式换热器,主机采用 CSB373H8F压缩机(额定冷量 14.6kW),STF 一 0408 四通换向阀,BAE4HCA 热力膨胀阀,制冷剂为 R22,氟里昂和水之间采用 CB5222HX 板式换热器.1.热平衡室 2.焓差空气混合取样室 3.室内柜机 4.离心风机5.室内热换器 6.压缩机 7.四通换向阀 8.膨胀阀9.板式换热器 10.水泵 11.水流量计 12.补水箱
9、图 l 系统流程及测试装置该装置测量水路温度的元件采用铜一康铜热电偶,按土壤温度变化规律呈上密下疏布置【,热电偶全部接入焓差装置原配的数据采集和控制93南通职业大学 2008 年分析系统,在上位机中可进行数据采集和分析,数据采集周期可按 1min,10min,30min,1h 进行调节们.3 建立预测模型按地下温度分布规律及测量结果,地面 5113以下温度基本不随地表空气温度变化而变化.于是本文选取地面以下 5.5IT/设置的电热偶所测温度与制热量研讨关联度.实验所测数据见表 2.表 2 实验数据乏 m7.7s.ss2 川 4.系统制热量/kW11.5012.1012.5012.9113.21
10、13.3013.70对数据进行线性插值后得到等间隔数据序列,见表 3.表 3 等间隔数据序列m7.78.8s4.制热量/kW11.5012.2312.6912.6513.2513.4513.70温度间隔 1.11.11.11.01.01.1对上述观测值建立 GM(1,1)数学模型.表 4为 GM(1,1)模型得到的紧邻均值.表 4GM(1.1)模型得到的紧邻均值周期 1234567制热量/kW11.5012.2312.6912.6513.2513.4513.70lAG0l1.5023.7336.4249.0762.3275.7789.47紧邻均值 l7.6230.0842.7555.7069.
11、0482.62构造 B 和】,矩阵可得B=一17.62-30.O8-42.75-55.70-69.04-82.62,=12.2312.6912.6513.25l3.45l3.7O代入式(2),解得 0=一 0.0225,u=11.879l.根据式(3)可确定预测模型:(t+1):539.460e 一 527.960,经过累减计算 ,可得到GM(1,1)模型的热量预测值,计算结果见表 5.表 5 灰色模型预测值(单位:kW)周期 1234567观测值 11.5012.2312.6912.6513.2513.4513.70预测值 11.5012.2812.5512.8413.1313.4313.7
12、4残差 00.050.140.190.120.020.04根据式(5),(6),(7) 计算可知 ,灰度绝对关联度=0.990.9.该模型关联度为一级 ,预测精度为优.由图 2 也可看出,预测曲线与实际曲线的拟合程度较好.为进一步验证预测精度,在地埋管 5.5in 处温度升高至 l5.1和 16,2的情况下通过试验装置实际测量制热量分别为 l4.O8kW 和 l4.32kW,而通过 GM(1,1)计算预测值为l4.05kW 和 14.37kW,也表明精度良好.1234567十实验值+预测值图 2 实验值与预测值的比较另外,通过制冷系统的试验和数据计算,灰色系统 GM(1,1)在制冷工况下的预测
13、精度也为优,完全可对地源热泵系统进行全工况的预测和分析,由此也可进行地源热泵系统年度冷,热量的平衡分析,从而解决地源热泵系统可能引发的由于热不平衡而产生的系统失效问题.4 结语由本文的实例可证明,利用灰色系统建立GM(1,1)预测模型进行地源热泵系统参数分析,可以获得满意的参数预测结果,为减少实验量,提供地源热泵系统的参考数据提供了可靠的依据.该方法在一定程度上较准确地反映了地源热泵系统参数变化的趋势,且预测精度随采用数据数量的增加而提高.但实验过程是一个动态过程,实验数据往往受到系统内外多方面因素的综合作用,当原有观测数据所反映的参数变化的真05O5O5O50BnHmm第 3 期常澄,等:地
14、源热泵系统参数的建模与预测实程度逐步降低时,应及时补充新的观测数据,以提高预测精度,真实反映参数变化的趋势.参考文献:1邓聚龙.灰色预测与决策M】.武汉:华中科技大学出版社,2002:20-32.2】邓聚龙 .灰色理论基础M.武汉:华中科技大学出版社,2002:10-40.3胡庆国.灰色预测模型在基坑变形中的应用J.矿冶工程,2006(8):1316.丁勇,李百战,卢军,等.地源热泵系统地下埋管换热器设计J. 暖通空调,2005,35(3):8689.【5吴晓寒 .长春地区竖直埋管式地下换热井温度变化研究啊.暖通空调,2008,38(1):1113.6陈颖,杨敏 ,史保新,等.夏热冬暖地区三种
15、地埋管换热器冬季换热能力的实验研究明.暖通空调,2008,38(2):9-12.责任编辑谭华Ground-SourceHeatPumpSystemParametersofTheModelingAndForecastingCHANGCheng,LIWei(1.TaizhouPolytechnicalCollege,Taizhou225300,China;2.JiangsuChunlanFreezingEquipmentCo.,Ltd,Taizhou225300,China)Abstract:Thegreysystemtheoryisappliedtothedatasourceheatpumpsy
16、stemsanalysisandforecast.Withcomparativeanalysisofthetestresults,thefeasibilityofusingthegreyGM(1,1)inpredictingtheground-sourceheatpumpsystemsisconfirmed.KeyWords:groundheatexchanger;grrdyforecast;themodelofGM(1,1)(上接第 91 页)PropertiesResearchandEconomicAnalysisofP0intsupp0rtedCurtainWallwithNo-hole
17、HollowGlassesZHANGJian-guo,JIANGFengchang(1.TaizhouXingtaiRealEstateCo.,Ltd,Taizhou225300China;2.CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:BasedontheexistingengineeringprojectsinthreedifferentclimateregionsinChina,thepointsupportedcurtainwallsystemwithno-holehollowglas
18、seshasbeenresearchedinsuchaspectsasstructuredesign,mechanicscharacteristics,energy-savingprincipleandmaterialsavingfeatures.Moreover,economyanalysisofthiscurtainwallsystemhasbeendeveloped:itcostsapproximatelyless15%thanthesystemwithholes,andconsumesasabout50%energyasthemono-layerglasssystem.Therefore,popularizationandapplicationofthissystemcansaveinvestduringconstructionandgainsoundenergy-savingbenefitduringusingprocess?KeyWords:noholehollowglass;pointsupportedglasscurtainwall;energysaving;materialsaving;economyanalysis95
