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专业学位研究生培养环节之材料二湖南大学硕士专业学位研究生毕业（学位）论文选题报告姓名**学号*********已修学分32所属学院土木工程学院专业学位领域建筑与土木工程指导教师***选题时间2012.11研究方向建筑用能监测控制技术论文题目基于故障树分析法的多用户地源热泵热水系统故障诊断一、课题来源与选题依据1、选题的目的与意义地源热泵热水系统是通过热力循环把土壤中储存的能量提升品位利用，用来生产热水的集中供能系统。其能充分、有效地利用地热能来制取人们所需热水，并具有节能环保、无隐患、不受室外气象和气温制约、无需除霜、性能稳定及运行可靠等优点，是解决热水需求的有效途径。目前国内地源热泵热水系统在运行过程中，都不同程度地存在元器件老化，日常维护不足、系统应用环境变化及错误操作等问题，因而不可避免地会出现各种故障，如：地源侧水泵停转或性能下降，堵塞或泄漏、机组制热能力降低、用户端温度过低等问题层出不穷，导致系统运行参数严重偏离要求的设定值。基于此，及时检测、诊断、预测及排除热水系统的故障可以节能降耗，帮助操作者及时做出正确决策，缩短故障修复时间，延长设备使用寿命，减少人员工作量，提高系统可用度以及保证系统的最优运行。然而在我国故障诊断技术却相对缺乏，据有关学者统计，在热泵空调机组修复中，查找故障原因的时间占总排除故障时间的70%左右。可见，有关地源热泵热水系统故障诊断研究工作有很大的必要性，而且具有巨大的社会和经济效益。国内外在故障诊断研究上主要着眼于集中空调系统上，建立地源热泵热水系统的故障诊断系统迫在眉睫。本文针对一套固定的地源热泵热水系统，对整个系统进行研究，通过理论分析与现场调研的方式讨论问题原因，建立该系统故障诊断框架，并利用故障树诊断法找出故障发生的所有可能模式，得到故障树参数集，通过分析这些参数最终判断系统是否存在故障、存在故障的原因、发生故障的具体位置以及如何排除故障。22、国内发展现状和动态1）国外地源热泵系统故障诊断现状国外在系统诊断有以下特点：一是涉及范围广，从传感器故障诊断到系统部件故障诊断，以及建筑的故障诊断；二是研究开始得早，各种故障诊断学术交流活跃，尤其是HVAC系统；三是故障诊断与其它专业结合，如计算机、仿真技术、自动控制等专业。Thomson等人提出了将换热器的热传输参数当做信号来计算和监测热泵的运行情况[1]。Neuenschwander把传热系数K作为监测参数[2]当发现K变小后就能监测和诊断到换热器可能脏污或结垢，由于热泵的蒸发器和冷凝器都可以看做是普通换热器，由此可以监测热泵的工作情况。Raber提出了一种监测热泵运行的信号参数法[3]把某特征温度转换为频谱，以随机抽取的所有温度范围的几个离散点作为温度特征值，研究这些值，使得每个或每类故障情况都可以在一个特征空间里用某个温度特征值来表示，最后通过运行中计算实际温度与故障特征温度的差异值，可以分析得到故障发生概率及类型。Maurer则在专家系统的基础上开发了逻辑推理方法来监测热泵的运行故障[4]，他根据经验输入推理规则，将信号参数（温度、流量等）作为输入变量，用故障树表示故障模型。SeonwooLee等人基于PI控制指数[5]，提出用预补偿的模糊逻辑控制方案来控制可变容热泵，加以实验验证，具有较高的可行性。2）国内地源热泵系统故障诊断现状近年来，国内关于热泵的系统的控制和诊断的研究进展较快，但主要还是基于热泵HVAC控制方面，在地源热泵热水系统中的运行优化和故障诊断方面的控制研究开展并不多。，多采用模糊控制或神经网络故障诊断方法，利用仿真技术预测和监视热泵系统的运行。哈尔滨工业大学的姜益强等人对基于神经网络的空气源热泵机组的故障诊断进行了研究[6,7,8]，建立了基于BP神经网络的故障诊断模型，并用来自模拟实验的征兆实例和专家领域内的知识对神经网络进行了训练。陈海霞，林昕文采用西门子winCC软件作为监测和诊断平台，配以S7—200Plc为控制器，设计了地源热泵监测与诊断控制系统[9]。PLc采集埋在地下的测温热电阻，并将测得的温度传给winCC上位机监控系统。上位机监测和分析土壤温度的变化情况。根据实际监测的土壤温度与标准温度曲线的偏差，并结合预警阈值范围，指导运行管理人员调整地源热泵系统的运行策略[9]。何书森研究了一种热泵干燥系统[10]，使用PID调节和模糊调节相结合的方法，并通过实验对PID调节加Fuzzy调节进行了比较，证明了模糊调节振荡减小，恒温平稳。赵黎丽分别采用神经网络和遗3传规划两种人工智能方法解决地源热泵系统的辨识问题[11]，用两种方法得到的模型平均误差在7％以内。说明单纯采用人工智能方法对地源热泵进行辨识是可行的。李玉云应用人工神经网络技术[12]，阐述了负荷预测、能源管理、故障诊断、系统辨识与控制等方面的应用，展望了进一步的研究。3、附主要参考文献[1]ThomsonM，TwiggPM，MajeedBA．eta1．StatisticalprocesscontrolbasedfaultdetectionofCHPunit[J]．ControlEngineeringPractice，2000，8(8)：13—20[2]NeuenschwanderP．Wrmetausch11berwachungdurchMessenVonEinrundAusgangsgressen[R]．ForschungsberichtNr22．LaboratoriumfurEnergiesysteme．ETHZurich，Juris，Verlag，1996[3]RaberE，ThompsonRE．Processingofhighsalinitybrinesforsubsurfaceinjection[C]//InternationalConferenceonGeotechnicalandEnvironmentalAspectSofGeopressureEnergyDepartmentofEnergy．Washington，DC．ReportNo：CONF280010224(NTIS)UCRL283122(Revl)，1980[4]MaurerDE．Manmachineinterfaceforafailurediagnosisexpertsystem[M]#TechnicalPapersofIEAAnnex25．1996：97115[5]LeeSeonwoo．FuzzyPrecompensatedPIcontrollerforaviablecapacitYheatPump[C]∥Proceedingsofthe1998IEEEInternationalconferenceoncontrolapplications．Italy，1998[6]姜益强，姚杨，马最良．基于人工神经网络的空气源热泵冷热水机组的性能模拟[J]．流体机械，2002(5)：59—61[7]姜益强，姚杨，马最良空气源热泵冷水机组的故障诊断[J]．制冷学报，2002，23(3)[8]姚杨．空气源热泵冷水机组中压缩机性能的模拟[J]．哈尔滨建筑大学学报，2002，33(6)：87—91[9]陈海霞,林昕.基于WinCC的地源热泵监测与诊断系统[J].制造业自动化,2011,33(5)[10]何书森．热泵干燥过程PID加Fuzzy调温的应用与实验[J]．农业机械学报，1999(1)[11]赵黎丽．两种人工智能方法应用于地热热泵系统辨识[J]．系统仿真学报，2004，16(7)：1376—1379[12]李玉云．人工神经网络在暖通空调领域的应用研究发展[J]．暖通空调，2001，31(1)：77—794二、主要研发内容及技术路线1、研发内容及关键技术1）本文针对一套固定的地源热泵热水系统，对整个系统进行研究通过理论分析与现场调研的方式建立该系统的常见故障的诊断框架；2）本文对地源热泵热水系统常见故障树进行定性分析，总结并提取一套适用于地源热泵热水系统运行关于特定故障的参数集；3）基于故障树分析法提出针对地源热泵系统故障判断的规则及测试方法；4）以某学校地源热泵热水系统为对象，对文中建立的故障树进行验证找出该系统故障的原因并给出改造的建议。2、拟采取的研究方法、技术路线1）本文采用故障树诊断方法与广义故障树知识表示方法相结合，对地源热泵系统中所涉及到的“用户端出水温度过低”及“水量不足”等问题进行故障分析，建立故障树从而实现对故障树参数化的目的；2）用广义故障树的知识表示方法，对上述故障树进行表达，给出故障判断的规则以及测试方法；3）通过现场测试与分析，对文中的实际项目中的地源热泵热水系统中所出现的故障的分析，根据故障树提出故障诊断的步骤与测试方案，通过对这些参数的测试与分析，判断系统是否故障，以及出现故障的潜在可能性，做到对系统故障的提前预测，以便更好的控制该类系统的运行。5三、研发基础及进度安排1、研究基础：1）研究方法基础在现行的热泵系统故障诊断方法主要有专家系统法、模糊诊断法、故障树诊断法及参数估计法、神经网络故障诊断法、数据融合故障诊断法、故障向量空间法及基于小波变换的故障诊断等。在本文中主要采用故障树分析法作为故障诊断的方法，以实际工程中所出现的系统问题为导向，在整个系统中寻找其原因。故障树模型法主要是一个基于被诊断对象结构、功能特征的行为模型，是一种定性的因果模型，通过确定顶事件、确定边界条件、逐层建及故障树的简化四个步骤建立故障树，最后进行定性分析反映特征向量与故障向量（故障原因）之间的全部逻辑关系。2）测试平台基础湖南工业大学新校区位于株洲新城区天元区境内，占地面积达4000余亩。目前该校的地源热泵生活热水供应系统已覆盖第一组团6栋学生公寓的每个宿舍，为约6500名学生提供服务，本文立足于本项目中所出现的故障，运用文中建立的几类故障框架中提出故障诊断的步骤与测试方案对此项目进行故障分析，提出改造意见，从而验证本文提出的故障诊断方法的正确性。2、进度安排2012年9月—2012年10月：查阅文献，研究现行地源热泵系统故障诊断方法，逐一研究每类方法的特点、运用场合，找出符合地源热泵热水系统故障诊断的最优方法；2012年11月—2012年12月：确定本文中故障诊断方法，并运用此方法地源热泵热水系统中常见故障进行理论分析，找出故障出现的原因；2013年1月—2013年3月：运用故障树分析法建立故障诊断模型，提出针对地源热泵系统故障判断的规则及测试方法；2013年4月—2013年5月：到项目进行故障实测，验证文中提出的故障诊断规则及测试方法的正确性；2013年5月：完成论文初稿，导师审阅；2013年6月：再次修改，论文定稿，准备答辩。6四、预期研发成果及创新点1、预计研究成果1）建立地源热泵热水系统常见故障的故障树诊断框架；2）总结并提取一套适用于地源热泵热水系统特定故障的参数集，通过这些参数来对系统进行故障分析，有效地发现潜在故障和排除现有故障，为该类系统稳定运行提供参考；3）提出针对地源热泵热水系统故障判断的规则及测试方法，为下一步的编程工作打下基础；4）完成硕士毕业论文。2、创新点1）目前，国内外研究者对地源热泵系统做了大量的研究工作，但主要针对HVAC系统的局部系统进行诊断，研究地源热泵热水系统故障诊断方面的较少，本文从整套系统故障诊断出发，建立地源热泵热水系统故障诊断框架；2）本文通过理论分析建立故障树模型，用广义故障树将其进行知识表示方法，给出故障判断的规则以及测试方法，并有效地减少检测系统运行的测点数量，简化了实际工程检测中步骤。7指导教师意见指导教师签名：二〇一年月日评议小组名单由学院主管领导确定3~5名具有高级职称的教师或校外专家为评议小组成员组长：组员：、、、、（公章）主管领导签名：二〇一年月日评议小组意见1、选题价值：□有理论意义；□有工程背景；□有实用价值；□意义不大。2、选题难度：□偏高；□适当；□偏低。3、工作量：□偏大；□适当；□偏小。4、实施方案的可行性：□好；□较好；□一般；□不可行。5、研究生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达