能量系统建模与优化

本书充实并强化了基本原理的论述，力求严谨深入、由浅入深，强调数学公式的过程推导和概念来源的诠释，特别突出了技术应用，使得理论能通过信息技术运用于工程实际中。在理论知识编写方面注重热力学定律与“能”“熵”“（火用）”三个核心概念的融合，并选择了湿空气、水蒸气、制冷剂的热力循环作为分析对象，加强知识与应用的结合。在技术吸收方面，完整地介绍了Modelica建模语言，剖析典型能量系统的代码，分析和讨论了在建模方面的所遇数值问题的解决方案，并对直接优化技术和以梯度为基础的优化技术分别进行了阐述，在具体案例中对这两类技术进行应用，还运用自编的（火用）分析库展示了能量系统的动态（火用）分析。全书取材广泛，内容对传统的理论进行拓展，着意反映新的建模对理论知识的吸纳和应用，强化叙述了通过信息技术实现能量系统的知识与工程应用的对接。

前言
第1章 简介
1.1 系统建模与模拟
1.1.1 什么是系统
1.1.2 系统的组成与特性
1.1.3 实验研究方法
1.1.4 什么是模型
1.1.5 如何建立模型
1.1.6 模型的局限性
1.1.7 敏感性分析
1.1.8 模型基础的诊断
1.1.9 基于模型的优化
1.1.10 数值模拟
1.1.11 数值模拟的优缺点
1.2 能量系统优化
1.2.1 能量系统简介
1.2.2 能量系统优化简介
第2章 热力学的基础
2.1 热力学基本术语
2.1.1 热力学系统
2.1.2 边界与环境
2.1.3 简单与复合系统
2.1.4 平衡状态
2.1.5 状态变量
2.1.6 相与纯物质
2.1.7 状态方程
2.1.8 热力学过程
2.1.9 温度和压力的标准条件
2.2 热力学定律
2.2.1 功的传递
2.2.2 热量传递
2.2.3 热力学第一定律
2.2.4 热力学第二定律
2.3 均相系统
2.3.1 平衡条件
2.3.2 基本关系式
2.3.3 热力学关系式
第3章 系统仿真语言
3.1 面向对象的系统仿真语言Modelica
3.1.1 Modelica技术
3.1.2 Modelica的特征
3.1.3 Modelica的优势
3.2 代数微分方程
3.2.1 代数微分方程简介
3.2.2 代数微分方程与常微分方程
3.2.3 DAE的指标
3.2.4 特别的DAE形式
3.2.5 DAE的数值求解
3.2.6 Modelica的微分代数方程的表达
3.3 Modelica语法
3.3.1 词法结构、操作符和表达式
3.3.2 类、类型、声明
3.3.3 平衡模型
3.3.4 预定义的类
3.3.5 域、名字查找、扁平化
3.3.6 接口或类型的关系
3.3.7 继承、修改和重声明
3.3.8 方程
3.3.9 连接器和连接
3.3.10 数组
3.3.11 算法段和语句
3.3.12 函数
3.3.13 库包
3.3.14 注释
3.4 Modelica编译器
3.5 直接优化技术
3.5.1 直接优化技术的概念
3.5.2 GenOpt直接优化工具
3.5.3 优化问题的分类
3.5.4 优化算法
3.5.5 因变量的约束条件
3.5.6 GenOpt的配置文件
3.6 基于模型为基础的预测控制
3.6.1 基于模型为基础的控制技术的特点
3.6.2 MPC的原理
3.6.3 模型辨别
第4章 能量系统的Modelica建模
4.1 模型的层次
4.2 建模的基本方法
4.3 Modelica标准流体库
4.3.1 Modelica的Thermal库
4.3.2 Modelica的工质库
4.3.3 Modelica的流体库
4.4 Buildings库
4.4.1 Buildings库的Fluid包
4.4.2 Fluid.Interfaces包
4.4.3 Fluid.Actuators包
4.4.4 Fluid.Boilers包
4.4.5 Fluid.HeatExchangers包
4.4.6 Fluid.Movers包
4.4.7 Fluid.Storage包
4.5 ThermoPower库
4.5.1 管流模型
4.5.2 锅筒模型
4.6 ThermoCycle库
4.6.1 管道模型
4.6.2 库的结构
4.6.3 膨胀和压缩设备包
4.6.4 热交换器包
4.7 ClaRa库
4.7.1 ClaRa库的结构
4.7.2 TILMedia-Library
4.8 Exergy（火用）分析库
4.9 数值颤振和流动反向性
4.1 0能量系统库的未来发展趋势
第5章 能量系统的（火用）分析
5.1 能量、熵、（火用）的关系
5.1.1 能量
5.1.2 熵
5.1.3 （火用）
5.1.4 （火用）与能
5.1.5 （火用）的多领域本质
5.2 环境和死态
5.2.1 环境
5.2.2 死态
5.3 热力（火用）
5.4 化学（火用）
5.5 （火用）损与传递过程的关系
5.6 （火用）效率
第6章 能量系统的热经济分析
6.1 热经济分析和评估
6.1.1 工程经济的基本概念
6.1.2 热经济分析
6.1.3 热经济评估
6.2 热经济优化
第7章 能量系统模拟与优化的应用
7.1 空气调节系统的应用
7.1.1 湿空气的基本属性
7.1.2 湿空气的（火用）
7.1.3 液态水的（火用）
7.1.4 案例研究
7.2 热泵热力循环系统的分析
7.2.1 热泵系统
7.2.2 热泵热力循环系统的描述
7.2.3 计算结果及分析
7.2.4 热泵热力循环系统的（火用）分析
7.2.5 热泵系统膨胀阀的PID调节
7.3 电厂蒸汽动力循环系统的分析
7.3.1 水蒸气的（火用）图
7.3.2 模型的建立
7.3.3 计算结果和分析
7.4 制冷机组水系统的优化分析
7.4.1 制冷机组水系统
7.4.2 不连续源的处理
7.4.3 模型描述
7.4.4 定流量求解
7.4.5 优化求解
7.4.6 有内热源的优化问题
附录符号表
参考文献

前言当今是一个信息爆炸的时代，物联网技术方兴未艾，互联网和计算机的技术已经较好地解决了信息的传递和计算能力的问题，但要想从互联网向物联网世界进行转变，仅仅是信息的交换和处理是不够的，因为在互联网时代人作为信息交换的主体，既是信息的索取者和贡献者，也是信息的处理者，因此很好地完成了整个网络的闭环。人是将互联网作为他的思维和行为的延伸，因此作为网络中的真正主体不仅要能接受、处理和贡献数据，还必须具备真正的认知和协同工作的能力，能作为更大系统的一部分，支持并行的工作。这就像生物的细胞一样，每个细胞都包含了遗传信息，而在物联网中模型就是它的遗传信息，大数据的核心不是数据本身，而是现实世界的信息中包含的模型。它包含了数据、结构、规律等有序的信息，描述它们用单纯的数据库是不够的，物联网需要的是能够连接过去、现在和将来的完整图景。当联网结点能在满足人类要求的条件下成为独立运转的系统时，我们的生产力水平才能得到有效地提高，从而将人置于更高的位置，从事那些不可重复的创造性的行为。以目前的技术和实施条件，物联网的序幕才刚刚拉开，即使是那些网络巨头所大谈的人工智能、自动学习技术，它们也仅仅是获取现实世界信息技术的冰山一角。本书所关注的能量系统的建模和优化，也必然是这一进程的重要部分。任何现实的系统必定是要消耗能量的，能量系统的模型是对其信息的映射，但仅有模型是没有用的，只有在现实中运行模型，并展示其动态特征，即把系统置于多维坐标上，运用系统的完整的图景构建物联网的有效结点，才能让现在的设备不再成为网络上的“意识孤立体”。因此，构建它们的信息模型，让其有自知和认知的能力，并根据外部的环境进行构架和行为的调整，从根本上具备了表达信息的大脑，基于模型的信息技术将是构建物联网的基础。    能量系统作为现实世界的一个重要方面，它的规律也是现实系统能够运行的基础。信息技术与能量系统的有机结合，为人类社会的可持续发展和环境保护提供了坚实的技术基础。能量系统的建模和优化就是要提取能量系统的信息，通过对信息的处理，在满足人类需求的情况下实现对能量和资源索取的最小化。在这个过程中，用能的最小化本质上是堋损的最小化，炯分析将会起到主导的作用，炯经济学更是把该技术带进了现实工程领域，炯分析成为衔接能量、环境和可持续发展的重要工具。    现实世界有多么复杂，能量系统就有多么复杂，传统的建模工具难以对它们进行方便、有效的描述。对物理系统描述最自然的描述语言是数学方程，而Modelica语言是面向方程、面向组件的。虽然该语言的兴起时间较短，但它代表了建模语言的发展方向，并由于其开源性，事实上已经成为建模语言标准。本书详尽阐述了Modelica语言的语法，一方面让读者建立起坚实的语言基础，另一方面去领略该语言设计的精妙特征，希望能引导我国的技术人员在此基础上做进一步的拓展。设计语言的目的是更好、更方便地描述现实世界的系统，或是能充分表达现实世界的信息。与此同时，我们要意识到，成功的应用是语言设计、编译器、建模技术及数值特征共同作用的结果，因此这对语言的使用者提出了很高的要求。    本书运用当今前沿的技术和分析视角阐述能量系统的模拟与优化，为在校研究生、工程技术人员及技术决策人员提供全面而严谨的能量系统理论、建模及优化方法。本书的内容是自包含的，完全可以用于课程教学或自学使用。    本书的第2、5、6章阐述了相关热力学理论及热经济学方法，读者可以通过回顾这些理论确立起能量系统热力分析的基础。第1章是对系统概念的总述，它奠定了本书的基础理念。第3章主要讲解Modelica语言的语法、相关的编译和优化技术及基于模型的在线优化控制的理论，这些都是当今建模、模拟和优化方面的前沿技术，它们是进行能量系统分析的工具，透彻地掌握和消化这些前沿技术是成功编制、编译、运行模型代码的必要条件，也是将能量系统的知识转化为实际可用模型的必由之路。第4章为读者剖析了当前主流的几个Modelica的能量系统包，它们在不同的应用领域各有自己的优势，它们展示的技术和技巧为Modelica语言走向实用化铺平了道路。第4章还简要地介绍了编者自编的炯分析的代码，有兴趣的读者可以向我们索取。    第7章就具体的能量系统分析了它们的建模、模拟和优化方法。第一个应用是空气调节系统的动态堋分析，并尝试使用GenOpt进行优化；第二个应用是热泵工质的热力循环的动态分析，侧重于分析控制对系统的影响；第三个应用是电厂蒸汽循环的应用，侧重于初始化和建模讨论，第四个应用是制冷机组的水系统分析，展示使用Optimica语言在能量系统中进行优化的技术。    殷亮