智慧建筑暖通空調系統智能化控制研究

鄧敬蓮

（山東華宇工學院，山東德州 253000）

0 引言

暖通空調系統作為智慧建筑的重要組成部分，也是智慧建筑能源管理的重要一環，因此需要采用智能化控制技術合理控制暖通空調系統的能源消耗，以實現智慧建筑節能的目標。

1 智慧建筑暖通空調系統

暖通空調系統是智慧建筑的重要構成部分，其具體構成包括現場層、控制層與管理層。其中，現場層是指應用各類傳感器進行設備的數據采集與傳輸，將傳感器與各類儀器、儀表相互連接。控制層是指由DDC（Direct Digital Control，直接數字控制器）構成的控制系統，可以實現對各類設備的控制功能，是暖通空調系統智能化控制的關鍵部分[1]。管理層是指終端管理設備，可通過移動終端與PC 端登錄、操作，包括數據庫及服務器，可以實現數據存儲與管理、執行命令下達與傳遞等功能。暖通空調系統的設計應結合實際需求，對暖通空調設備進行智能化管控，在保證舒適度的同時降低能源消耗[2]。

2 智慧建筑暖通空調控制優化原則

2.1 智慧化原則

智慧建筑的核心特征在于智慧化，因此智慧建筑暖通空調控制優化的首要原則同樣為智慧化，具體表現在以下5 個方面：

（1）控制效率高。暖通空調系統將傳感器、邏輯運算系統及執行部件集成部署并協調，通過控制層與管理層實現對各個環節的智慧化控制，從而大大降低了人工作業強度，有效提高了控制效率。

（2）控制精度高。暖通空調系統可以通過建立預判等邏輯來有效避免人工操作的失誤，以更加精準的智能化控制手段為用戶提供更加舒適的空調環境，有效提高控制精度[3]。

（3）耐久性強。暖通空調系統可以通過智能控制減少設備的無效動作，從而避免設備設施的無效損耗，延長設備設施的使用時間，提高運行穩定性。

（4）能源消耗實時監控。暖通空調系統可以借助傳感器等智能化監控設備對暖通空調的運行能耗進行實時監控，并以可視化的形式直接呈現在管理終端，幫助操作人員及時了解能源消耗狀態。

（5）智能化管控。暖通空調系統可以通過對設備設施運行狀態的實時監管，及時發現設備設施的不良運行狀態，從而第一時間采取有效管控手段。

2.2 節能化原則

智慧建筑暖通空調系統除了應滿足智慧化原則，還需要滿足節能化原則，以滿足智慧建筑節能的發展方向，具體表現為：

（1）暖通空調系統可以依據實施外部運行環境狀態對空調輸出進行動態化調控，從而避免持續運行的浪費現象，以及可以根據能源需求降低能源輸出，以更加精準的控制模式來實現節能目標。

（2）智慧建筑暖通空調系統多選用可再生能源進行能源供應，符合“雙碳”目標。

3 智慧建筑中暖通空調系統智能控制方法

3.1 DDC 與PID 智能化控制

智慧建筑中暖通空調的DDC 控制器可通過數字信號將傳感器和暖通設備直接連接，實現對暖通空調系統的智能化控制。DDC 控制器可將傳統的模擬信號轉換成數字信號，通過計算機進行處理分析，并輸出相應的控制信號，控制冷凍機房和熱力站的工作狀態，實現對暖通空調系統的智能控制，其基本框架如圖1 所示。

圖1 DDC 控制系統結構

DDC 控制可以通過預設參數和算法自主判斷室內外環境變化、設備運行狀態等因素，從而對整個系統進行精確的調節。在DDC 控制中，需要根據控制需求和環境特點選擇相應的傳感器設備，例如選擇溫度傳感器用于檢測室內外溫度，濕度傳感器用于檢測室內濕度，CO2傳感器用于檢測室內空氣質量。DCC 智能控制器可以實現對溫度、濕度、空氣質量等因素的高效控制，從而最大限度降低空調設備的能耗，提高能源利用效率，實現節能減排的目的。在具體應用中，DDC 控制技術可以通過自主判斷和預設參數進行室內外環境變化、設備運行狀態等因素的分析和處理，實現對整個暖通空調系統的自主管理，減少人工干預和操作。

智慧建筑暖通空調中的空氣處理器設備通常利用PID 方法進行控制優化。為保證設備的穩定運行，并根據室內溫度變化做出迅速反應，需要對PID 控制參數進行科學設置，以實現對室內溫度、濕度等因素的準確控制。PID 控制方法通過監測智慧建筑內部的實際控制量與期望控制量之間的差異，計算出相應的控制信號，控制暖通空調設備使環境參數快速達到設定值。智慧建筑暖通空調的PID 控制方法需要首先設定目標值，根據實際情況設定室內溫度值，然后通過傳感器實時監測室內溫度，計算出誤差值，再根據比例系數、積分時間、微分時間等參數計算出控制信號。PID 控制方法能夠有效滿足智慧建筑中空調控制的需求，結合DCC 控制技術可以進一步提升控制精度，滿足大規模智慧建筑的室內控制需求。

3.2 能量回收智能化控制

智慧建筑暖通空調的智能化控制以能量回收和節能減排作為重要目標，能否實現能源的高效回收和利用，直接關系到智慧建筑的能源消耗和環保性。為滿足暖通空調的能量控制管理要求，需要在暖通空調智能化控制中應用下列關鍵技術。

（1）智慧建筑綜合控制系統。通過該系統可實時獲取智慧建筑室內外溫度、濕度、風速等參數，并根據實際需求自動調節空調運行狀態。系統傳感器設備可提供實時的數據信息，及時掌握環境變化。當系統監測到室內溫度達到預設標準后，迅速啟動空調系統調節室內的送風量和空氣溫度，并根據實際情況設定調節新風風量。而當室內溫度達到設定值后，系統會自動停止空調工作以節省能源，大大提高了暖通空調系統的能源利用效率。

（2）可再生能源技術。智慧建筑中可再生能源的應用已經成為新的發展趨勢。各類清潔能源都可以為暖通空調系統運行提供能量供應，從而實現節能降耗。智慧建筑暖通空調可以利用太陽能等清潔能源，減少對于非可再生能源的依賴性，大大提升暖通空調系統的節能性。

（3）熱能回收節能技術。智慧建筑采用換熱器、熱泵和雙冷凝器等設備，回收利用室內廢熱，提高能源利用效率。冬季，可以使用空調制熱過程中排放的廢熱通過熱水循環進而驅動供暖系統，從而實現能源的回收和利用。夏季，空調制冷過程中排放的廢熱也可以通過換熱器進行回收，從而為其他設備提供能源。廢熱回收利用的方法可以有效提高暖通空調系統的能源利用效率。

3.3 零負荷與虛擬模型智能化控制

為了有效控制能源消耗，暖通空調系統可采用零負荷控制與虛擬模型智能化控制相結合的控制手段。零負荷控制技術以智能技術分析用戶的人體熱量，從而生成人體溫度數據，并以此為基礎對溫度與濕度進行精準化控制。零負荷控制技術的實現原理為對人體與微環境間的關系進行試驗，獲取微環境下的人體熱量損失值，再根據人體熱量損失值進行微環境調控，使人體熱量與微環境達到平衡，降低無效能源消耗。零負荷預測技術可以實現用戶的最優化空調環境需求，以降低人體調節體溫的負荷，并將這一數值控制為零。

可選用具有節能功能的計算機虛擬模型進行精準控制，通過數據模擬與測試實現最優化控制方案，具體模型如圖2 所示。首先需要利用傳感器設備獲取設備、設施的運行數據，并將相關數據導入計算機系統，構建暖通空調系統模型，再以零負荷預測技術得到的數據作為目標，通過人工智能算法進行數據模擬，從而確定以零負荷為目標的智能控制方案，通過設備管理層設備下達相應的控制指令，以實現節能控制目標。該控制模式同時考慮了智慧建筑內部影響因素與外部環境因素，可以更加真實地還原暖通空調實際運行狀態，從而可以達到對實際運行狀態的精準把控，保證暖通空調處于最佳運行狀態，既可以充分保證用戶的使用舒適度，又可以滿最大限度地降低能耗。

圖2 控制系統仿真模型

4 結束語

暖通空調系統是智慧建筑的重要構成部分，其運行效率在很大程度上決定了智慧建筑的運行能耗。暖通空調系統的優化控制需要同時考慮智慧化與節能化原則，借助各類傳感器設備、人工智能技術等對暖通空調系統控制方案進行改進，不斷優化暖通空調系統的控制效果，在滿足舒適度要求的基礎上實現節能降耗。