面向智慧商業建筑的暖通空調系統控制方法研究

郭晨 黃曉康

(中機國際工程設計研究院有限責任公司)

0 引言

根據市場不完全統計與調查，商業建筑在投入使用與運營過程中的能耗，占建筑占能耗的45%。因此，降低建筑耗能的最有效措施為降低HVAC 能耗，根據技術人員與科研單位相關人員的大量實踐與研究成果，降低HVAC 能耗的最有效、最直接方式為降低暖通空調在使用中的輸入功率，通過此種方式，降低空調的總耗能，但此種方式可能會對用戶的體感舒適度造成影響，因此，有必要設計一種針對商業建筑中暖通空調系統的控制方法，通過此種方式，對為用戶提供適宜室內溫度的同時，降低空調能耗，從而促進商業建筑的經濟化發展。

1 工程概況

綠地湖湘中心商業綜合體地處長沙河西核心商業圈，總建筑面積約38.73萬m2，地上建筑面積24.23萬m2，為兩個商業mall 和6 棟公寓塔樓；地下建筑面積14.5萬m2，地下商業5.2 萬m2，地下車庫及設備用房9.3萬m2。

2 面向智慧商業建筑的暖通空調系統控制

2.1 建立暖通空調系統控制模型

為實現對智慧商業建筑的暖通空調系統控制，結合系統運行規律，在戈丁HVAC 溫度設定值的基礎上，明確帶有恒溫裝置的分體式HVAC 單元的開/關工作狀態遵循下述基本控制邏輯：

式中：Ht代表HVAC 單元的開/關工作狀態，當Ht取值為0 時，此時說明處于關工作狀態；當Ht取值為1，此時說明處于開工作狀態；當Ht取值為Ht－1，說明此時處于與上一工作狀態相同狀態[1]。T in t代表控制單元輸入溫度數值，T set t代表控制單元輸出溫度數值，d代表室內溫度。上述公式（1）所描述的控制邏輯符合暖通空調系統的制冷工作模式[2]。在制冷模式下，區域內的溫度若低于固定溫度帶的最低數值，則HVAC 應處于關閉狀態，停止制冷，即Ht值為0；區域內的溫度若高于固定溫度帶的最高數值，則HVAC將開啟制冷模式，Ht值為1，用以維持建筑內用戶的熱舒適滿意度；在其他情況下，HVAC的工作狀態應當與前一時刻的狀態相同，即Ht=Ht－1。暖通空調系統的調節需要根據建筑區域內溫度的變化進行調整，HVAC 溫度的設置點均為離散值中選取，離散值可表示為：

式中：βt代表HVAC 溫度的設置點，Tlow代表最低溫度設置點，Thigh代表最高溫度設置點。

若暖通空調系統提供的室內環境與室內用戶溫度偏好之間的相差過大，則通過調整設備工作狀態可以有效提高用戶的熱舒適性[3]。考慮到每一位用戶對于熱舒適性的感受存在較大差異，為能夠滿足不同用戶對舒適溫度的需要，用戶可以在任何時間向暖通空調系統提出室內期望溫度[4]。根據這一數值可以進一步推算得出用戶的溫度偏離系數：

式中：Ui,t代表用戶溫度偏離系數，T q i,t代表用戶向暖通空調系統提出的室內期望溫度，T s i,t代表用戶實際感知溫度。公式中，T s i,t的計算公式為：

式中：T in t代表在某一時刻用戶所處環境的室內溫度，mi,t代表在某一時刻暖通空調系統工作狀態，?代表溫度補償。在對暖通空調系統進行控制時，根據用戶所處環境協調系統設備工作狀態，協調暖通空調系統與個人舒適系統，促進用戶熱舒適性的提升[5]。

2.2 基于多智能體深度強化學習的系統控制

將上述構建的暖通空調系統控制模型作為基礎條件，利用多智能體深度強化學習技術，實現對暖通空調系統的控制[6]。可采用開環控制方式或閉環控制方法，如圖1、圖2所示。

圖1 暖通空調系統開環控制

圖2 暖通空調系統閉環控制

若采用開環控制方式，則僅需要依據外部輸入、控制輸出實現控制，不需要通過反饋機制對輸出進行調節。將輸入數據使用預設好的方程式計算并輸出[7]。若采用閉環控制方式，則需要添加反饋，將開環控制修改為閉環，利用傳感器測量室內熱輻射數值并傳遞給控制裝置[8]。由控制裝置根據傳感器數值控制遮光設備，用以降低誤差率。

針對上述兩種控制方式，利用多智能體深度強化學習對其進行優化。圖3 為暖通空調系統控制優化結構圖。

圖3 暖通空調系統控制優化結構圖

通過圖3 所示內容實現暖通空調系統控制的優化，在完成優化訓練后，不需要更新行動者網絡權值，將訓練過程中習得的策略應用到控制執行中，如表1所示。

表1 執行算法

按照上述執行算法，在t時刻開始時，暖通空調系統中每個智能體根據局部狀態決策行為，執行動作。在時刻結束后，所有智能體獲得下一時刻的局部狀態。上述操作重復進行，直到完成對這一階段暖通空調系統的調節。通過不斷循環控制，使建筑室內溫度能夠滿足用戶的熱舒適性需要，同時通過動態調節的方式，也能夠在極大程度上降低能源的浪費。

3 控制方法性能評估

對同一時段下的暖通空調系統控制前、控制后的能量成本平均值進行統計，通過此種方式，掌握控制后暖通空調系統的運行優勢。見圖4：

圖4 同一時段下的暖通空調系統控制前、控制后的能量成本平均值對比

完成上述研究后，引進文獻[3]、文獻[5]、文獻[6]中提出的控制方法作為傳統方法，分別使用本文方法、傳統方法，進行商業建筑中暖通空調系統控制效果的分析，對比輸入的暖通空調系統運行溫度與控制后的暖通空調系統實際運行溫度差值，將其作為控制后暖通空調系統的溫度偏離值，其結果見表2：

表2 控制后暖通空調系統的溫度偏離值

4 結束語

本文以綠地湖湘中心商業綜合體建筑暖通空調系統為例，完成了控制方法的設計。根據上述研究內容，得到如下幾個方面的結論：

⑴根據圖4 同一時段下的暖通空調系統控制前、控制后的能量成本平均值對比結果可以看出，控制后暖通空調系統的能量成本＜控制前暖通空調系統的能量成本，說明設計的系統控制方法可以在實際應用中起到降低商業建筑暖通空調系統運行成本的作用。

⑵根據表2 控制后暖通空調系統的溫度偏離值可知，使用本文方法進行暖通空調系統控制，控制后暖通空調系統的溫度偏離值＜0.5℃，而使用文獻[3]控制方法、文獻[5]控制方法、文獻[6]控制方法進行暖通空調系統控制，控制后暖通空調系統的溫度偏離值均＞1℃。

綜合以上結果可以證明，相比傳統方法，本文設計的綠地湖湘中心商業綜合體建筑暖通空調系統控制方法，可以在控制暖通空調系統運行成本的同時，減少控制后暖通空調系統的溫度偏離值，通過此種方式，為商業建筑內住戶提供更加舒適的體感。