基于精準(zhǔn)按需供能的中央空調(diào)開機(jī)調(diào)度研究

王 可，何利力

（浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

工業(yè)企業(yè)普遍存在能耗偏高且利用率偏低等問題，降低能源工業(yè)消耗比重等是企業(yè)首要考慮的問題。在中央空調(diào)機(jī)組運(yùn)行過程中，不同的運(yùn)行策略，導(dǎo)致不同的能效水平。為達(dá)到生產(chǎn)環(huán)境的條件需求，操作空調(diào)機(jī)組有很多不同的方法手段，但用電量、蒸汽消耗量等也會(huì)存在差異。因此通過保證生產(chǎn)環(huán)境穩(wěn)定前提下減少能耗損失，將最佳的供能作業(yè)流程進(jìn)行固化，提出一種符合工業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)的調(diào)度方法，可為標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程提供強(qiáng)有力的支撐。

由于影響空調(diào)調(diào)度的因素復(fù)雜，則需要根據(jù)具體項(xiàng)目的運(yùn)行特點(diǎn)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定對(duì)應(yīng)的調(diào)度策略。文獻(xiàn)［6］采用多種隨機(jī)分布模型，基于價(jià)格時(shí)間自動(dòng)機(jī)理論系統(tǒng)構(gòu)建了大廈空調(diào)系統(tǒng)調(diào)度策略模型，該模型可以在不確定環(huán)境下實(shí)現(xiàn)精確建模。文獻(xiàn)［7］基于機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)辦公建筑暖通空調(diào)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，解決了用電高峰期用戶端需求量增大沖擊電網(wǎng)的問題。文獻(xiàn)［8］提出一種基于有限差分熱的房屋空調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型，在不違反室內(nèi)允許溫度限制的情況下降低了電力成本，使溫度精度提高10%以上。

本文對(duì)某大型企業(yè)中央空調(diào)開機(jī)調(diào)度問題展開研究。現(xiàn)有調(diào)度方法為工作人員在生產(chǎn)開始前提前2 h 啟動(dòng)中央空調(diào)機(jī)組，存在調(diào)控時(shí)間過長(zhǎng)、能耗損失過大等問題。中央空調(diào)機(jī)組動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)調(diào)控車間溫濕度環(huán)境，獨(dú)立空調(diào)機(jī)組之間無(wú)間隔且相互影響，甚至出現(xiàn)過相鄰機(jī)組一冷一熱的運(yùn)行工況，且車間布置有大量不同的機(jī)器設(shè)備，每個(gè)位置的空調(diào)調(diào)控要求也不盡相同，同時(shí)還存在著機(jī)器故障等擾動(dòng)因素影響調(diào)度結(jié)果。為解決上述問題，本文提出一種基于精準(zhǔn)按需供能的中央空調(diào)開機(jī)調(diào)度方法，在保障產(chǎn)品質(zhì)量、降低廢品率的基礎(chǔ)上，以最快的時(shí)間使車間環(huán)境符合生產(chǎn)要求。

1 問題分析

生產(chǎn)車間具有大面積無(wú)間隔特點(diǎn)，多臺(tái)大型空調(diào)機(jī)組動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)調(diào)控環(huán)境溫濕度，為解決中央空調(diào)開機(jī)調(diào)度問題，首先要明確空調(diào)機(jī)組的工作方式，確定機(jī)組的供能參數(shù)，通過溫濕度采集器獲取生產(chǎn)區(qū)域的溫濕度值，分析擾動(dòng)因素，為制定調(diào)度策略做好基礎(chǔ)。最終制定待調(diào)控區(qū)域的調(diào)度方法，做到精準(zhǔn)按需供能。

1.1 空調(diào)機(jī)理分析

空調(diào)機(jī)組對(duì)空氣處理方式一般分為2 種，即：夏季的降溫除濕工作方式和冬季的加溫加濕工作方式，焓濕圖如圖1 所示。

圖1 焓濕圖Fig.1 Psychrometric chart

其中，降溫除濕工作方式是通過初中效過濾器將部分回風(fēng)和過熱空氣過濾，利用主表冷盤管將干凈空氣進(jìn)行降溫除濕處理，將混合空氣降至露點(diǎn)；其余回風(fēng)由副表冷盤進(jìn)行降溫處理為。再將混合空氣送至生產(chǎn)環(huán)境中。

加溫加熱工作方式是將過冷空氣與回風(fēng)通過初中效過濾器過濾為，利用干蒸汽加熱盤管加熱至，再利用干蒸汽加濕器進(jìn)行等溫加濕后的空氣送入生產(chǎn)環(huán)境中。

不同季節(jié)的空調(diào)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 空調(diào)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Operating parameters of air conditioning units

1.2 車間環(huán)境溫濕度加權(quán)平均控制策略

生產(chǎn)車間通過溫濕度采集器來(lái)收集溫濕度信息，10 套空調(diào)系統(tǒng)共同負(fù)責(zé)車間環(huán)境的溫濕度調(diào)節(jié)，獨(dú)立空調(diào)機(jī)組之間無(wú)隔斷且相互影響，存在同一生產(chǎn)設(shè)備分布在2 臺(tái)獨(dú)立空調(diào)設(shè)備調(diào)控區(qū)域之間。按照機(jī)器設(shè)備分布對(duì)生產(chǎn)車間進(jìn)行區(qū)域劃分，除邊緣空調(diào)機(jī)組只作用于一個(gè)區(qū)域外，其余機(jī)組都作用于2 個(gè)區(qū)域；每一區(qū)域是由2 臺(tái)機(jī)組共同調(diào)控環(huán)境溫濕度。車間分布示意如圖2 所示。由圖2 可知，邊緣空調(diào)1 只作用于區(qū)域1，空調(diào)2 同時(shí)作用于區(qū)域1 和區(qū)域2；區(qū)域1 被空調(diào)1 和空調(diào)2 共同調(diào)控。

圖2 車間分布示意圖Fig.2 Workshop distribution diagram

首先構(gòu)建精確調(diào)度模型的前提條件是獲取真實(shí)可靠的控制環(huán)境的溫濕度狀況。由于生產(chǎn)車間空調(diào)區(qū)域面積大、且并非完全封閉，存在重點(diǎn)發(fā)熱設(shè)備分布不均勻、門窗和入口通道受外界干擾等問題，需要針對(duì)空調(diào)環(huán)境的不同特點(diǎn)，用加權(quán)平均算法來(lái)計(jì)算控制環(huán)境的溫濕度狀況，在計(jì)算溫濕度值時(shí)，對(duì)于靠近門窗、通道等容易受到干擾的采集點(diǎn)減少權(quán)重，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備所在區(qū)域的檢測(cè)點(diǎn)加大權(quán)重。計(jì)算公式為：

1.3 基于雙反饋機(jī)制的重調(diào)度策略

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于會(huì)出現(xiàn)各種擾動(dòng)因素需要重調(diào)度，現(xiàn)將擾動(dòng)分為2 類。一類是即時(shí)重調(diào)度，當(dāng)機(jī)器設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，在不影響相鄰區(qū)域溫濕度的條件下，暫停故障設(shè)備所在區(qū)域空調(diào)溫濕度供應(yīng)，對(duì)空調(diào)調(diào)度方案進(jìn)行重調(diào)度，避免能耗損失。另一類是觸發(fā)臨界值重調(diào)度，在系統(tǒng)溫濕度設(shè)定值前設(shè)置一個(gè)預(yù)留安全值，生產(chǎn)車間的溫濕度是一個(gè)緩慢變化的過程，若存在外界干擾，只有當(dāng)溫濕度偏離設(shè)定值的時(shí)候系統(tǒng)才開始糾正，存在較大的滯后時(shí)間，導(dǎo)致溫濕度超調(diào)，預(yù)留安全值解決了此問題，給系統(tǒng)留有足夠的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)也避免了因?yàn)橐淮螖_動(dòng)就觸發(fā)重調(diào)度，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 模型構(gòu)建

2.1 調(diào)度策略建模

為實(shí)現(xiàn)按需供能的目標(biāo)，首先將車間按照生產(chǎn)設(shè)備分布劃分為不同區(qū)域。將空調(diào)機(jī)組用表示，其中｛，…，｝，劃分后的區(qū)域用表示，這里｛，，…，｝，每個(gè)區(qū)域A都有2 臺(tái)空調(diào)（K，K）共同維護(hù)溫濕度環(huán)境。本文通過構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)并明確約束條件，制定了調(diào)度策略，最后使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法求解出調(diào)度結(jié)果。本文整體調(diào)度模型如圖3 所示。

圖3 調(diào)度策略流程圖Fig.3 Flow chart of scheduling design

首先設(shè)定最佳溫度區(qū)間和濕度區(qū)間，通過溫濕度采集器獲取每個(gè)區(qū)域的真實(shí)溫度值｛，，…，｝ 和真實(shí)濕度值｛，，…，｝。以冬季車間加溫加濕為例，通過算法1 得到系統(tǒng)輸入待加溫區(qū)域隊(duì)列＝｛a，a，…，a｝ 和待加濕區(qū)域隊(duì)列＝｛a，a，…，a｝。本文研發(fā)算法的代碼設(shè)計(jì)詳見如下。

已知最佳溫度區(qū)間和濕度區(qū)間，和分別為最佳溫度區(qū)間和最佳濕度區(qū)間的最小值，生產(chǎn)車間劃分后的區(qū)域｛，，…，｝，每個(gè)區(qū)域的真實(shí)溫度值｛，，…，｝ 和濕度值｛，，…，｝，為輸入系統(tǒng)的區(qū)域編號(hào)，為作用于每個(gè)區(qū)域空調(diào)序列組合。

2.2 調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)與約束條件

2.2.1 調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)

空調(diào)調(diào)度過程中的主要優(yōu)化目標(biāo)為調(diào)控時(shí)間和能源消耗。其中，調(diào)控時(shí)間即指使待調(diào)控區(qū)域盡快達(dá)到適合生產(chǎn)的溫濕度條件的時(shí)間。推得的計(jì)算公式可寫為：

空調(diào)運(yùn)行的能源消耗主要由用電量、蒸汽消耗、冷量構(gòu)成，這里冷量＝耗電量?。電力折標(biāo)煤系數(shù)為0.123，蒸汽折標(biāo)煤系數(shù)為0.094，能耗折標(biāo)（Average Standard Energy Consumption，）計(jì)算公式為：

其中，為折標(biāo)能耗；為用電量；為冷量的耗電量；為蒸汽用量；為空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。總能源消耗的目標(biāo)函數(shù)為：

總調(diào)度目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

其中，和分別為調(diào)控時(shí)間和能源損耗目標(biāo)變量的權(quán)重系數(shù)，此處＋＝1。

2.2.2 調(diào)度模型的約束條件

為避免能耗損失，不能出現(xiàn)相鄰區(qū)域空調(diào)機(jī)組一個(gè)加熱、一個(gè)降溫或者一個(gè)加濕、一個(gè)除濕的情況，以區(qū)域和的溫度調(diào)控為例，將空調(diào)機(jī)組的工作方式數(shù)值化，升溫用‘1’表示，降溫用‘-1’表示，則：

其中，為相鄰區(qū)域空調(diào)機(jī)組情況數(shù)值化結(jié)果。

考慮到企業(yè)效益，車間環(huán)境一定要達(dá)到溫濕度標(biāo)準(zhǔn)后才能開始生產(chǎn)，否則就會(huì)造成原料損壞，給企業(yè)造成巨大損失，即：

其中，t和h分別為區(qū)域A的溫度和濕度；和分別為最佳溫度區(qū)間的最大、最小值；和分別為最佳濕度區(qū)間的最大、最小值。

負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)區(qū)域的空調(diào)機(jī)組供應(yīng)能量I應(yīng)不少于該區(qū)域所需要的能量W，即：

由于空調(diào)機(jī)組負(fù)責(zé)供應(yīng)的區(qū)域往往不是單一的，存在著給非待調(diào)控區(qū)域提供能源的情況。非必要能源有利于緩解車間環(huán)境波動(dòng)，不屬于能源損失，但也不必過分提供引起能源浪費(fèi)，故非必要能源I越小越好。

2.3 基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的模型求解

動(dòng)態(tài)規(guī)劃的基本思想是將待求解問題分解成若干個(gè)子問題，子問題往往不是互相獨(dú)立的。通過記錄已解決的子問題答案，避免大量重復(fù)計(jì)算。

由于每個(gè)區(qū)域都是由2 臺(tái)機(jī)組進(jìn)行溫濕度調(diào)控，位于區(qū)域左側(cè)和右側(cè)的空調(diào)機(jī)組編號(hào)表示為K和K。空調(diào)機(jī)組所提供的能量往往也是橫跨2 個(gè)區(qū)域，對(duì)左、右側(cè)區(qū)域輸出能量占比表示為和，具體值見表2。

表2 空調(diào)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Tab.2 Operating parameters of air conditioning units

以冬季的加熱工況為例，若區(qū)域A待加熱量為，用來(lái)調(diào)控的機(jī)組為K和K，要盡可能在最短時(shí)間內(nèi)使調(diào)控區(qū)域達(dá)到溫濕度要求，同時(shí)K機(jī)組運(yùn)行會(huì)影響區(qū)域A，K機(jī)組運(yùn)行會(huì)影響區(qū)域A，每臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行都有對(duì)應(yīng)的時(shí)間消耗代價(jià)和能源消耗代價(jià)。因此采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃計(jì)算出最佳空調(diào)機(jī)組調(diào)控時(shí)間和最小代價(jià)能源損耗。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

以2021 年11 月1 日冬季加熱工況為例，過程中根據(jù)算法1 獲取待調(diào)控區(qū)域隊(duì)列｛，，，，｝，根據(jù)調(diào)控策略流程圖確認(rèn)開啟的空調(diào)機(jī)組，然后利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解出目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重設(shè)置為0.4，設(shè)置為0.6。

首先處理待調(diào)控區(qū)域，無(wú)相鄰區(qū)域，需要加熱量為156.1 kw，可調(diào)配機(jī)組為和，其中會(huì)將86%的加熱量提供給，會(huì)將24%的加熱量提供給，和的剩余加熱量歸為非必要能源。最終計(jì)算出機(jī)組調(diào)控時(shí)間為29.2 min，機(jī)組不開啟。同理求解出區(qū)域和的調(diào)控機(jī)組及對(duì)應(yīng)的調(diào)控時(shí)間。對(duì)于待調(diào)控區(qū)域，有相鄰區(qū)域，故同時(shí)進(jìn)行調(diào)度。可調(diào)配機(jī)組為、和，其中和會(huì)提供非必要能源。最終求解出和的調(diào)控時(shí)間分別為7 min 和15.2 min，不開啟。仿真運(yùn)行后的計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 調(diào)度結(jié)果Tab.3 Scheduling results

在原調(diào)度方法中，工作人員提前2 h 開啟空調(diào)機(jī)組，值為256.098 kgce。本文調(diào)度方法的總調(diào)控時(shí)間為93.5 min，值為213.333 kgce，相比于原方法，本文調(diào)度方法時(shí)間效率提升了22.08%，降低了16.7%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文為解決中央空調(diào)開機(jī)調(diào)度問題，提出一種基于精準(zhǔn)按需供能的調(diào)度方法。通過分析空調(diào)機(jī)理關(guān)系，確認(rèn)用能模式，使用加權(quán)平均算法計(jì)算出每個(gè)區(qū)域溫濕度。針對(duì)機(jī)器設(shè)備故障和溫濕度變化兩種擾動(dòng)因素，采用雙反饋機(jī)制重調(diào)度策略，并設(shè)置一個(gè)預(yù)留安全值，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。對(duì)于具有動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)關(guān)系的空調(diào)機(jī)組調(diào)度問題，通過獲取待調(diào)控區(qū)域隊(duì)列，以時(shí)間和能源損耗為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建以精準(zhǔn)按需供能為目標(biāo)的調(diào)度模型。相比于原調(diào)度方法，本文調(diào)度模型調(diào)控時(shí)間效率提升了22.08%，能源損耗降低了16.7%。

隨著車間生產(chǎn)鏈不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，中央空調(diào)系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，由于車間布局是大面積、無(wú)間隔，環(huán)境易有波動(dòng)，需要不斷補(bǔ)充數(shù)據(jù)集，對(duì)預(yù)留安全值等模型參數(shù)進(jìn)行校正。后續(xù)將進(jìn)一步對(duì)工藝蒸汽量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并制定工藝調(diào)度策略，減少能源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)節(jié)能降耗目的。