大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)優(yōu)化

馮 琢

（重慶保稅港區(qū)開發(fā)管理集團有限公司 重慶 400000）

0 引言

節(jié)能減排大環(huán)境下，裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計受到人們的極大關(guān)注，越來越多的專家開始研究通過構(gòu)建大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制模型來提高建筑節(jié)能性，從而降低能量開銷，促進建筑綠色建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展[1]。因此，采用綠色裝配建筑暖通空調(diào)節(jié)點優(yōu)化部署方法提高節(jié)能效果，在大型綠色裝配建筑發(fā)展和施工建設(shè)中具有重要的指導意義[2]。

大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)需建立在空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制參數(shù)融合處理以及優(yōu)化辨識，構(gòu)建大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制模型[3]。傳統(tǒng)方法中，對大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制方法主要有基于差異度融合評價的大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制方法[4]、基于模糊檢測的大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計方法[5]以及基于負載均衡控制的節(jié)能控制設(shè)計方法[6]等。以上傳統(tǒng)方法結(jié)合模糊信息融合和特征檢測，建立空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制對象參數(shù)辨識模型，通過空調(diào)節(jié)點的分布式檢測和融合，實現(xiàn)大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制，但在傳統(tǒng)方法的應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)暖通空調(diào)的電壓輸出穩(wěn)定性較差，影響空調(diào)使用壽命，能耗開銷較大。該現(xiàn)象表明傳統(tǒng)方法自適應(yīng)性不夠理想，無法得以廣泛應(yīng)用。

為解決以上傳統(tǒng)方法存在的問題，本文提出基于模糊PID 控制的大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制方法。結(jié)合空調(diào)熱電機組氣動功率以及電磁功率的PID 模糊約束方法，增強暖通空調(diào)系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性。進一步引入模糊PID 控制模型，結(jié)合氣動功率的小擾動抑制法，實現(xiàn)大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的優(yōu)化控制。為驗證所提方法的有效性設(shè)計仿真實驗。仿真測試結(jié)果驗證了所提方法在提高大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制效果方面具有優(yōu)越性能。

1 暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能輸出穩(wěn)態(tài)性調(diào)節(jié)

1.1 空調(diào)電機組的氣動功率調(diào)節(jié)模型

為實現(xiàn)大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制，構(gòu)建大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)節(jié)能控制的約束參數(shù)模型，以暖通空調(diào)換流機的輸出穩(wěn)態(tài)分布特征量作為約束自變量，采用模型參數(shù)識別的方法，構(gòu)建暖通空調(diào)節(jié)能的樣本參數(shù)分析模型[6]，實現(xiàn)控制對象模型構(gòu)建和特征參數(shù)優(yōu)化識別，暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制的實現(xiàn)步驟如圖1所示。

圖1 節(jié)能控制步驟框圖Fig.1 Block diagram of energy saving control steps

分析裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的末端電能消耗，通過無功控制和負載均衡調(diào)度方法[8]，得到建筑暖通空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的負載強度為：

式中，p為冷負荷功率，w(t)為單位時間t內(nèi)電能消耗量。

利用熱電機組自身的功率因素參數(shù)，在建筑物中，通過空調(diào)出風節(jié)點的優(yōu)化部署[9]，在區(qū)域s內(nèi)，得到裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的能量開銷為：

式中，se代表電壓波動的無功控制參數(shù)。采用電流三環(huán)串級控制的方法，得到空調(diào)出風節(jié)點的恒功率因數(shù)分別為p和q，相對耗能為：

采用多模狀態(tài)特征參數(shù)融合的方法，構(gòu)建大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能狀態(tài)函數(shù)為：

在限定條件下，對經(jīng)過全網(wǎng)能量均衡解析變換得到空調(diào)電機組的氣動功率調(diào)節(jié)模型：

根據(jù)空調(diào)電機組的氣動功率調(diào)節(jié)模型，獲取下文建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能輸出穩(wěn)態(tài)性調(diào)節(jié)PID模糊控制函數(shù)，為暖通空調(diào)節(jié)能控制奠定基礎(chǔ)。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制的聯(lián)合狀態(tài)方程

以大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)換流機的輸出穩(wěn)態(tài)特征量作為控制對象，結(jié)合熱電機組的氣動功率和電磁功率的模糊約束方法，構(gòu)建對大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能輸出穩(wěn)態(tài)性調(diào)節(jié)PID 模糊控制函數(shù)為：

其中：a為大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)輸出控制參數(shù)；b為大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)輸入控制參數(shù)；c為大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)模糊時滯特性參數(shù)。

采用有功-無功聯(lián)合控制的方法，得到裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能配置的節(jié)點個數(shù)m，分析電機組的額定功率[10]，得到輸出節(jié)點的權(quán)值狀態(tài)分配模型為：

式中，g為空調(diào)風機的粘滯系數(shù)，d為功率-最優(yōu)轉(zhuǎn)速，l為空氣密度，h為功率波動傳遞系數(shù)，v為額定風速。當定速機組處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，得到裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制的聯(lián)合狀態(tài)方程為：

式中，k為恒功率段的補償因子。通過聯(lián)合慣性參數(shù)融合分析，提高裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制靈敏度。

2 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)優(yōu)化

2.1 模糊約束條件

結(jié)合熱電機組的氣動功率和電磁功率的模糊約束方法，實現(xiàn)對大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能輸出穩(wěn)態(tài)性調(diào)節(jié)[11]，根據(jù)變速熱電機組的功率波動特性，得到熱電機組的氣動參數(shù)記為：采用模糊PID 調(diào)節(jié)器，構(gòu)建大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制的轉(zhuǎn)矩參考值設(shè)定為u，熱電機組在全風速段內(nèi)，得到控制參數(shù)分布的上界估計值為：

在任意時刻t，恒功率段以前的區(qū)域的第j個神經(jīng)元中，采用模糊PID 控制，得到額定風速時機組的輸入fj，根據(jù)穩(wěn)態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)，得到機組追蹤最佳葉尖速比為：

其中，λ為權(quán)重系數(shù)，ρ為定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電流。其中裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制的轉(zhuǎn)矩特征量表示為：

根據(jù)傳遞函數(shù)作出伯德圖[12]，采用模糊PID控制，得到裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制的模糊約束條件為：

其中：α為空調(diào)機的功率波動輸出參數(shù)；β為轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)。其中，在模糊PID 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，輸入層至隱含層權(quán)值為jω，功率波動分量為jσ，根據(jù)上述分析，構(gòu)建大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能輸出穩(wěn)態(tài)性調(diào)節(jié)模型。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制輸出

在限定初始條件下，得到裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制的模糊學習向量：

在模糊PID 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，引入功率波動分量產(chǎn)生的電壓波，結(jié)合知識模型庫，得到裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)學習控制輸出為：

分析有功波動分量對電壓波動的影響，得到轉(zhuǎn)速波動頻域調(diào)節(jié)下裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制的有功功耗為：

根據(jù)機端電壓波動，得到裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的輸出效率為：

采用負載均衡調(diào)節(jié)方法，進行誤差反饋調(diào)節(jié)[13]，得到大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的電磁耦合控制方程為：

采用有功波動的平滑跟蹤的方法，得到等效控制律為：

根據(jù)以上步驟實現(xiàn)大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制。

3 仿真實驗設(shè)計與結(jié)果分析

為驗證本文方法在實現(xiàn)大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制中的有效性，采用Matlab 仿真平臺設(shè)計以下仿真實驗。設(shè)定大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)風力機為1.5MW 定速機組，轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)為0.36，變速熱電機組恒轉(zhuǎn)速為256rad/s，功率因數(shù)角為14rad，裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的波動頻率為0.02Hz。圖2 為裝配建筑暖通空調(diào)供暖管道仿真結(jié)果。

圖2 裝配建筑暖通空調(diào)供暖管道仿真Fig.2 Simulation of HVAC heating pipeline for Assembly building

對溫度PID 調(diào)節(jié)器的輸出信息進行分程控制，信號處理如圖3所示。

圖3 溫度PID 分程控制圖Fig.3 Temperature Pid split-range control chart

溫度PID 調(diào)節(jié)器同時控制空調(diào)電動三通閥及加熱器，當PID 信號值從0 到0.5 變化時，電動三通閥的開度由1 降到0.2，減少空調(diào)風力機轉(zhuǎn)速，此時空調(diào)加熱器輸出為0；當信號值從0.5 變化為1 時，電動三通閥開度保持0.2 不變，空調(diào)加熱器輸出可高達100%。以上實驗數(shù)據(jù)可驗證溫度PID分程控制可提高空調(diào)供暖過程的智能化，具有應(yīng)用可靠性。

為證明所提方法的應(yīng)用效果，下面以電壓增益、功耗輸出以及能量開銷為測試指標，文獻[4]提出的基于差異度融合評價的大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制方法、文獻[5]提出的基于模糊檢測的大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計方法以及文獻[6]提出的基于負載均衡控制的節(jié)能控制設(shè)計方法為實驗對照方法，與所提方法的指標測試結(jié)果進行對比，具體實驗結(jié)果如圖4、圖5以及表1所示。

不同方法在功率變化下空調(diào)系統(tǒng)的電壓增益測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 功率因數(shù)角變化下空調(diào)系統(tǒng)的電壓增益Fig.4 Voltage increase of air conditioning system with power factor angle change

分析圖4 得知，采用本文方法進行裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制，電壓增益較大，電壓波動較小。

功耗輸出測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)輸出功耗Fig.5 System output power consumption

分析圖5 得知，采用本文方法進行大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制的輸出功耗更小，控制穩(wěn)定性較好。不同方法進行大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制的能量開銷對比結(jié)果見表1，分析表1 得知，本文對大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制的能量開銷較小，平均為15kWh，說明節(jié)能效果較好。

表1 不同方法能量開銷對比（單位kWh）Table 1 Comparison of energy costs of different methods(kWh)

4 結(jié)語

構(gòu)建大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的負載均衡調(diào)度模型，采用大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)節(jié)點優(yōu)化部署方法，提高大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果，本文提出基于模糊PID 控制的大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制方法。通過空調(diào)換流控制的方法，分析大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)節(jié)能控制的狀態(tài)參數(shù)集，結(jié)合熱電機組的氣動功率和電磁功率的模糊約束方法，實現(xiàn)對大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能輸出穩(wěn)態(tài)性調(diào)節(jié)和節(jié)能控制。研究表明，本文方法進行大型綠色裝配建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制的穩(wěn)定性較高，可靠性較好。