基于智能化建筑電氣節能優化設計的分析

王亞

摘 要 基于智能化建筑的分布式能源系統由于有效利用發電機的余熱，具有很高的節能潛力，已經開發并提出了使用遺傳算法（GA）建立能源系統或分布式能源系統的新的優化設計方法。GA可以處理非線性優化問題。本文針對建立分布式能源系統的優化設計方法，提出了單體建筑電氣節能的優化設計方法。

關鍵詞 智能化建筑；電氣節能；優化設計

1 分布式能源系統

分布式能源系統有望有效地擴大可再生能源或未使用能源的使用，或提高能源效率作為本地能源網絡。基于熱電聯產系統的分布式能源系統由于有效利用發電機的余熱，具有很高的節能潛力[1]。

2 優化設計方法

關于能量系統的優化設計方法，一些研究人員開發并提出了應用一些優化技術的方法。一些研究人員基于線性規劃（LP）建立了優化模型，但是LP很難檢驗具有非線性特征的近期機器應用。考慮到這個問題，可以將GA應用于建筑電氣節能控制參數的優化，使用GA進行復雜能量系統的運行優化。在一些先前的研究中，一些研究人員已經開發并提出了使用遺傳算法（GA）建立能源系統或分布式能源系統的新的優化設計方法。

3 模型建立

3.1 能源系統建模

為了計算系統的能耗，系統模型由燃料資源，系統機械和能源需求三個要素組成。有三種類型的燃料資源：燃氣、電力和太陽能。有四種類型的能源需求：冷卻需求（CD），供熱需求（HD），熱水需求（WD），電力需求（ED）。

3.2 編碼

當與GA操作員進行機械組合時，選擇機械容量作為編碼信息。編碼有16個與輸出形式有關的單元。每臺機器都有兩個單元。光伏發電系統（PV）的信息以平方尺度進行設置。

在分析中，需求數據用于熱電聯產評估和設計III的計算機輔助模擬（CASCADEIII）的默認數據提供。每個需求數據被分為[kW/m2]或[kWh/m2]。要根據計算中的值，選擇每個季節的代表數據。8月份為夏季需求，4月份為春季需求，1月份為冬季需求。將每個月的代表日24小時設定為計算的輸入數據。

3.3 數據庫

數據庫包含有關機器容量、燃料消耗、初始成本、運行成本、重量以及放置所需維護空間的必要空間的信息。構建數據庫是為了能夠用編碼信息進行計算。從制造商的目錄或已發布的文檔中搜索和匯編必要的數據。

3.4 機械性能

圖1顯示了吸收式制冷機（AR）、熱泵系統（HP）、燃氣鍋爐（GB）和共生系統（CGS）等機械的性能曲線。性能曲線成為除GB以外的機器負載率的非線性函數。機械效率定義為性能燃料消耗率。使用GA的優化技術可以非常有效地通過非線性機械特性來改變機械容量或負載因子。機械數據是指建筑環境與節能研究所（IBEC）基于節能方法發布的CEC/AC計算程序“BECS/CEC/AC for Windows”。CGS的機械能力采用了制造商目錄價值，但計算設備的發電效率固定值為45.6%，排氣熱效率約為機械效率的31.4%。燃料消耗效率是指AR的信息并進行計算。商用電的發電效率采用1500度聯合循環發電機（MACC）的52.8%（發電機邊緣效率）。

3.5 成本計算

在本研究中，初始成本和運行成本都作為成本參數進行檢查。商業用電的能源價格為28.28[JPY/kWh]，城市燃氣的能源價格為131.85[JPY/m3（N），在本研究中均為恒定值。每臺機器的初始成本按下面的公式計算。

Fcst是機器的初始成本，xcapa是機器的容量（染色體信息）。

成本的目標包括初始成本、機器價格和安裝成本，以及基于能源價格的運行成本。此外，關于總機械重量和體積的目標被設定為建筑結構因素。

4 討論和結果分析

4.1 帕累托最優解

圖2顯示了帕累托最優解的分布。其橫軸表示三天的一次能耗，縱軸表示初始運行成本。所有點都在第100代中運行。黑點表示本案例研究的帕累托最優解。在這兩個目標之間，存在權衡關系。另一方面，其他目標之間存在直接的比例關系。

4.2 機械組合比較

在系統中，來自兩個CGS的廢熱全天運行應用于基本負載，并且在某些白天峰值負載中，其他機器工作。在中期，為WD供應廢熱，因此不需要其他WD機器。另一方面，兩個AR在冬季和夏季全天運行。AR在容量方面差別不大，優先運營與需求情況相關的AR。該結果表明，根據系統的機械組合，存在最佳操作模式。該設計方法為能源系統工程師提供了最佳操作指南。

在本案例研究中，完成所有10，000次運行需要4個半小時。這個計算是在POWER5+1.5GHz和2GBRAM的計算機上完成的。關于PC的當前進展，顯然該方法的應用不需要特殊硬件。因此，計算時間足以適應實際使用。

5 結束語

本項研究改進了傳統的建筑電氣節能模型，以便能夠使用多目標遺傳算法（MOGA）檢查具有各種目標的能量系統，并計算案例研究以檢驗其模型的驗證。案例研究結果顯示了帕累托最優解的結果分布。案例研究結果還表明，根據系統的機械組合，存在最佳操作模式。這意味著該模型有可能為建筑電氣節能設計提供最佳優化方案。

參考文獻

[1] 張東棟.基于智能化建筑電氣節能優化設計的分析[J].電子測試，

2016，（17）：146.