暖通系統的能量管理及優化策略研究

王正瑩

隨著我國經濟的快速發展，建筑行業經歷了快速膨脹的時期，已經成為我國經濟的支柱性產業之一。調查顯示，在建筑的總耗能分配中，暖通空調系統的能耗值達到60%，可見空調系統的能耗問題對于資源需求和消耗而言不可忽視。目前，暖通系統不僅要考慮節能、環保的問題，還要滿足可持續發展的要求，這是暖通空調設計、生產、安裝、使用等相關企業需要共同關注的發展方向。

1 暖通系統能量管理模塊

就我國目前的技術狀況來看，運用計算機技術和信息管理技術對暖通空調系統進行優化與管理，能夠切實保證其運行質量[1-2]。暖通系統的能量管理主要體現在，當系統能量消耗達到一定程度時，中央管理器可以優化控制暖通空調系統的能量消耗。這些優化控制是通過計算機技術與系統設計技術相結合來實現的，計算機智能控制暖通系統的多個模塊來進行能量管理。

能量管理模塊包括啟停模塊、負載循環模塊、能量統計與智能化分析以及空氣調節子系統模塊。其中，啟停模塊主要是盡可能使空調處于待機狀態來實現能耗節約。在人們使用空調的過程中，通過設定期望溫度、通風條件和空氣濕度等暖通條件來實現暖通系統的目標。如果設定參數與實際參數之間存在差異，則暖通系統會通過能量消耗啟動工作。當各個參數達到設定值時，系統將處于待機狀態，減少能量消耗。

暖通系統啟動工作后，在穩定運行階段，暖通空調負載循環系統將發揮節能優勢。在這一過程中，系統在計算機控制下智能計算出最優工作參數，關閉不必要的設備和功能，并優化制冷/制熱介質的選擇，最大限度降低能量消耗，使得設定參數在穩定范圍內波動[3]。

智能化程度較高的暖通系統還能對用戶的需求進行能量統計與智能化分析，通過分析用戶的用電習慣，如不同時間段的參數需求，將多種能量需求數據進行大數據分析和用戶畫像操作，為用戶定制個性化、智能化和節能化的能量管理方案，實現能量管理的優化控制。

暖通系統空氣調節子系統模塊是暖通空調系統中的一個核心子系統，主要負責空氣處理的過程，包括送風系統、回風系統和換熱系統。送風系統的新風和回風系統的回風混合以后形成混風，混風會通過換熱器進行升溫或降溫控制，再由管道送入房間進行熱交換，調節空氣溫度。由此可見，空氣調節系統的工作是空調系統的“大腦”，通過實現能量優化與節能控制進一步提高暖通系統的能量管理水平。

2 研究現狀與模型方法分析

先前我國對暖通系統的能量管理與優化控制關注度不夠，導致研究起步較晚。近年來，隨著國內對能耗、環保問題的日益關注，暖通空調的降耗增效問題也得到越來越多的關注。通過利用計算機監測暖通空調系統的能量運行與消耗狀態，操作后臺分析處理大量數據，運用技術手段進行能量分配與重組處理，逐步達到對能量進行優化控制的目的。

現階段，自適應控制理論在空調系統內部具有一定規模的控制與應用，它是在原有空氣處理的方式上進行具體的設備支持，可根據算法和控制系統調整控制點，從而達到再處理空氣的目的，實現后期的整體系統功能與節能管理要求。

建模的方法經常被應用到暖通系統的能量優化控制過程當中。這種方法是利用智能化科技，進行暖通空調系統控制的研究與分析，進而智能控制暖通空調，其優勢是可視化處理暖通空調系統中內部結構的運行，并做出改進優化指令。

利用先進技術手段建立暖通空調系統的運行特征模型是在大量的實例經驗和邏輯理論推導下產生的，因此它是具有參考價值的分析程序，人們能夠不斷對其進行優化和改進，使得模型更加符合所研究的暖通空調系統，實行個性化與定制化服務。同時，它能夠被不斷訓練，在低能耗的基礎上為人們提供更加智能化的選擇，做出更加快速、合理的決定，有助于提高整體能耗管理的實際信息檢查效果。

模型算法在暖通系統的能量管理中得到了廣泛應用，能夠顯著提升能量管理控制優化的成效。在實際工程項目中，模型算法方案對暖通空調系統工程設計的成敗關系重大。目前，暖通空調系統應用廣泛，其所消耗的能源日益增多。由于暖通空調系統龐大且復雜，還受到設計周期的影響，普通工程設計師依據常規算法設計的暖通空調系統，通常不可能是最優的節能方案，最終導致能耗過大。

但有些算法可在規定時間內使耗能量達到最小，以此達到控制優化指定暖通空調系統能量消耗的目的。另外，在模擬系統里各設施的狀況時，可采用人工神經網絡（Artificial Neural Network, ANN），以實現能量管理。在回路控制領域，模型的研究應用更加廣泛。例如，可利用專門的算法精準把控蓄冷量。在暖通空調的監控及管理中運用計算機仿真模型分析技術逐漸成為最主流的方式，有利于有效降低能耗，實現節能環保的同時，能夠提高系統質量，并進一步帶來社會效益和經濟效益。

3 暖通系統能量管理的相關優化策略

3.1 選擇能量效率更高的熱泵技術

在暖通空調系統的節能優化控制過程中，應根據工程建筑的實際情況和暖通系統的使用場景合理選擇熱源系統。從能源的利用效率來看，熱泵技術是能量效率較高的技術，能在一定程度上實現降耗。

熱泵供熱的基本原理是卡諾循環，主要過程如下：壓縮機排出的高溫高壓蒸汽進入冷凝器，制冷劑蒸汽向高溫熱源放熱后被冷凝成液態制冷劑（液化），液態工質經節流裝置降壓膨脹后進入蒸發器。氣液混合制冷劑在蒸發器中吸收低溫熱源（空氣、水或土壤等）的熱量而蒸發形成蒸汽（汽化），制冷劑蒸氣重新被壓縮機吸入完成一個循環，周而復始制備熱能[4-5]。熱泵應用的是自然界中蘊含的大量可再生能源，通過壓縮機在熱源中吸取熱能，溫度升高后再傳輸到高溫熱源中。空氣源（風冷）熱泵主要包括商用單元式熱泵空調機組、家用熱泵空調器、熱泵冷熱水機組等，通過使用熱泵技術可以實現暖通系統能量的優化選擇與控制。

3.2 選擇“移峰填谷”的蓄冷技術

我國大城市的電力行業具有一個顯著的時間性特征，白天是用電“高峰期”，夜晚是用電“低谷期”，兩者用電負荷的峰谷差很大，因此很多大城市多采取“移峰填谷”的方法。蓄冷技術通過在夜間利用電網負荷很低的用電谷期，采用電動制冷機制冷，冷量可按顯熱或潛熱的形式存儲于特定介質，從而進行冷量存儲。

在用電高峰時段，把存儲的冷量釋放出來，以滿足建筑物空調或生產工藝的需要，節約能耗的同時也可以節省電費。冰蓄冷技術是目前較受歡迎的蓄冷方式。由于其體積遠小于水蓄冷，且冰水溫度比常溫水低很多，在相同的空調負荷下不但可以減少冰水總量與空調送風量，還能減小供水管道及送機管道的尺寸，有效降低噪聲，同時可以降低暖通空調系統的造價。冰蓄冷所提供的低溫冰水具有強大的除濕能力，使用冰蓄冷的空調區域相對濕度更低，能夠為人們提供更舒適的居住和工作環境[6]。

3.3 推廣使用變頻技術

家用電器中變頻技術的使用主要目的是為了節能，核心是通過變頻器轉換供電頻率，以實現電動機運轉速度的自動調節，將50 Hz 的固定頻率改為30 ～130 Hz 的變化頻率。變頻技術不但可以減少能源消耗，還能彌補工藝不足，實現降本增效。如果在暖通空調系統中運用變頻技術，就可以使空調設備的輸出功率隨著負荷的變化進行調節，從而可以極大發揮節能減排的效果。

另外，還可以適當改變風流量或水流量，匹配暖通系統的實際負荷和運行狀態，通過調整送風量穩定系統運行。通過優化調節風量、水量等，實現與空調負荷的匹配運行，以此完成對暖通系統的能量管理和優化控制，這也是未來暖通技術的重要發展方向之一。

3.4 合理設計圍護結構

對于暖通空調系統來說，圍護結構的設計是相當重要的部分。圍護結構的保溫性能直接關系空調負荷的大小，優秀的圍護結構保溫設計能起到降低空調負荷、減少能耗的作用。圍護結構主要包括外墻、門窗和屋面這3 個部分，且分別是吸熱、傳熱和放熱的主要媒介。室內溫度較高，圍護結構吸收熱量，從高溫側傳向低溫側，即從室內圍護結構傳熱至圍護結構外表面，最后，通過放熱將熱量向室外排放。

目前，常用的保溫外墻分別為外保溫、內保溫與內外混合保溫，設計時需考慮綜合因素，在保證建筑結構滿足要求的同時兼顧保溫能效。門窗圍護結構的傳熱損失是3 種主要圍護結構中最嚴重的，同時伴有冷風滲透，因此在設計門窗圍護結構時應選擇保溫性能高、隔熱隔音效果佳的門窗。屋面圍護結構除了保溫性能外，其自重及防水性能也很重要，因此屋面圍護結構的材料選擇應考慮低密度、低導熱系數及低吸水率的保溫材料[7]。

3.5 應用暖通系統模型及智能系統

目前，暖通系統的能量管理模塊主要由計算機系統控制，通過監測實時數據和運行狀態數據進行反饋調節。暖通系統模型的應用和建立也是能量管理優化控制領域不可缺少的研究內容之一，其核心是訓練分析程序使得暖通系統實現智能化與個性化，在日常使用中能夠根據人們的節能指令自行處理運行狀況并自動更新自我程序，進而發展成為高度感知、靈敏反應的學習型系統。

智能系統會對暖通系統進行智能化監測并觸發管理控制，主要過程就是分析中央控制機的參數設定值，并按照一定的邏輯語言實現對回風溫度和水溫的顯示和調控，實現冷熱源機組對熱冷負荷具體值的控制，并下達流量運行控制指令。這個過程可以減少各個環節系統的輸送能耗，實現節能減排。另外，可以依據嵌入式微處理技術進行高級控制策略的制定，以實現各個環節的最佳控制機能。

3.6 設置控制器的基礎參數

通過計算機技術建立能耗模型的可行性研究可知，單個模型的識別輸入和輸出對具體的優化方案具有一定的貢獻。這種智能預測手段的實現過程是采用一定的算法來優化空調蓄冷量的合理控制，進而解決超出常規運行模式下的超調和波動現象，以達到保證其抗干擾能力與解耦控制的效果。在智能模型算法建立過程中，使用模糊算法和分離的增量型控制算法可以得到最優化的組合，根據實驗數據合理界定算法程序控制，能夠保證后期智能化自學習及自適應功能的實現。由于暖通空調系統控制回路的控制對象特性區別較大，種類繁多，因此在回路控制器的控制方法和參數設定上也不盡相同。

在實際應用中，暖通設備的具體負荷要求應與實際工作條件如氣候、環境、溫度和濕度等相適應。但是我國東西跨度和南北跨度都較大，氣候條件千差萬別，因此控制器基礎參數的控制及后期的自適應功能尤為重要。基礎控制參數融合調整功能使得對象特性發生一定程度的變化時，也能實時調節回路的控制參數，保證工作點的處理達到最優效能。暖通空調系統優化控制和能量管理過程中，具有智能化控制功能的單元控制器使得在變負荷、多工況等多種條件下實現控制與管理的暖通系統的集成成為可能，實現回路的最優控制，達到能量管理和暖通空調系統優化控制的效果。

未來的暖通系統將不再局限于空調、通風等方面。在優化控制的進程中，單元控制與信息輸入和監測都會體現在系統優化管理模式中，用于收集、分析能耗數據，從而進一步服務于能量管理模塊，集成為更加多元、低能耗、協同作用和智能的系統。網絡技術的發展將使得暖通系統的聯網功能更加完善，信息集成管理、能量系統調配、人機交互更加精準，為我國暖通空調系統優化控制和能量管理模式的創新帶來更多的可能。

3.7 提高運行管理技術

由于暖通空調系統十分復雜，在運行管理中對于操作人員的素質、規章制度的制定、系統的控制水平和日常維護保養都有著極高的要求。暖通空調專業操作人員除了具備最基本的理論常識及素質外，還需定期進行專業技能培訓，提高操作人員的節能意識、業務水平和管理能力。對于實際空調操作人員必須持證上崗，對工作要具有一定的責任心及應變能力，相應調節不同的室外氣象參數條件，盡可能達到最低能耗狀態。

暖通空調系統的控制通常通過風速、溫濕度以及環境平均溫度的調整來實現，但在傳統的空調系統中，僅以空氣的溫濕度作為測量及控制指標，忽略了其他在空調環境下影響人體產生的冷熱感受的因素。運行管理人員可以將人體體感指標作為控制參數，結合熱濕環境的理論研究成果，從而提高暖通空調系統的控制水平和節能降耗水平。系統需要維持在良好的工作狀態，并保持穩定、高效的運行，日常的維護保養工作必不可少。

在每個空調制冷期和采暖供熱期開啟空調系統前，維護人員應對整個暖通空調系統進行檢查、清洗、維護、保養及維修等操作。因為暖通空調系統長時間不運行或集中長時間運行可能會造成系統附件損壞、布水器、風機葉片位置偏移等問題，所以需要及時更換及調整，避免出現冷量和耗水量損失的現象。通過提升運行管理技術，確保整個暖通空調系統高效、經濟、穩定運行。

4 結語

目前，很多專家都在采取措施改善我國空調的優化控制和能量管理技術，并取得了一定的成效，但仍有待進一步完善。隨著計算機行業的蓬勃發展，暖通行業的能量管理逐漸智能化。本文通過運用計算機檢測系統的工作條件和參數，提出對暖通空調系統優化控制的新策略，使得暖通系統中的各種工作部件如水泵、風機等實現聯鎖控制，并對實時參數進行監控，同時通過反饋機制協同調配操作臺實現對現代化暖通系統設備的高效節能管理。