預(yù)測(cè)控制在既有大型醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

李新兵 陸鵬 李世博

收稿日期：2023-06-13

基金項(xiàng)目：揚(yáng)州市綠色建筑專項(xiàng)引導(dǎo)基金（2022）69-3

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.22.028

摘? 要：針對(duì)既有大型醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行中的高能耗問(wèn)題，采用實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷變化和多變量預(yù)測(cè)控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究。引入先進(jìn)控制技術(shù)分別對(duì)水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行變流量與變風(fēng)量控制，調(diào)節(jié)變頻設(shè)備，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)參數(shù)并予以修正。以揚(yáng)州某大型醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)為依據(jù)建立能耗優(yōu)化模型，經(jīng)仿真驗(yàn)證得知，在系統(tǒng)中引入控制技術(shù)之后取得了顯著的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)系統(tǒng)；多變量預(yù)測(cè)算法；先進(jìn)控制技術(shù)；大型醫(yī)院

中圖分類號(hào)：TP391? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）22-0127-06

Application of Predictive Control in Central Air Conditioning Systems of Existing Large Hospitals

LI Xinbing1， LU Peng2， LI Shibo1

（1.College of Electrical， Energy and Power Engineering， Yangzhou University， Yangzhou? 225127， China;

2.Construction Technology and Green Building Development Center of Yangzhou City， Yangzhou? 225000， China）

Abstract： In response to issues such as high energy consumption in the operation of central air conditioning systems in existing large hospitals， real-time tracking of load changes and multivariable predictive control are adopted to optimize the system. Introducing advanced control technology for variable flow and variable air volume control of water system and air system， adjusting frequency conversion equipment， real-time control of system parameters and correction. Based on the operating data of the central air conditioning system of a large hospital in Yangzhou， an energy consumption optimization model is established. After simulation verification， it is found that the introduction of control technology in the system achieves significant energy-saving effects.

Keywords： central air conditioning system; multivariable prediction algorithm; advanced control technology; large hospital

0? 引? 言

調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度是中央空調(diào)主要的功能，中央空調(diào)作為新時(shí)代廣泛使用的清潔設(shè)備，給廣大人民帶來(lái)了福音。然而，隨著中央空調(diào)的廣泛使用，中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的高能耗（其能耗為一般建筑的1.6～2倍[1]）使我國(guó)的能源面臨緊缺問(wèn)題，為此高能耗問(wèn)題亟待解決。

節(jié)約能源是關(guān)涉所有人并需要我們從自身做起的一件重要事情，我們應(yīng)該形成隨時(shí)隨地節(jié)能的良好意識(shí)。如何節(jié)能業(yè)已成為國(guó)內(nèi)外研究專家的重要課題。

既有大型醫(yī)院的中央空調(diào)系統(tǒng)采用 傳統(tǒng)控制技術(shù)，運(yùn)行過(guò)程中消耗了大量的能源，系統(tǒng)滿負(fù)載工作與手動(dòng)操做是高能耗的重點(diǎn)。為了解決傳統(tǒng)控制存在的問(wèn)題，特引入先進(jìn)的預(yù)測(cè)控制技術(shù)。與傳統(tǒng)控制的中央空調(diào)控制模式相比，采用先進(jìn)控制模式的中央空調(diào)系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)參數(shù)變化。

2）隨時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸入變量，控制輸出變量在設(shè)定值附近上下波動(dòng)，不超出輸出變量限值。

3）根據(jù)檢測(cè)到的系統(tǒng)擾動(dòng)變量變化，自適應(yīng)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)變量，增強(qiáng)抗干擾性。

控制器作為控制系統(tǒng)的控制中樞，在中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行中起到關(guān)鍵性的作用[2]。先進(jìn)的控制算法能夠使系統(tǒng)精確化運(yùn)行，高效維持系統(tǒng)穩(wěn)定，因此選擇先進(jìn)的控制算法是改造系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期效果的重要保證。文獻(xiàn)[3]提出采用經(jīng)過(guò)改進(jìn)的蟻群算法控制水泵和空調(diào)風(fēng)機(jī)，優(yōu)化中央空調(diào)功耗，節(jié)能效果顯著。文獻(xiàn)[4]采用退火算法計(jì)算檢測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的偏差，用以調(diào)節(jié)輸入變量，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了以等維信息灰色預(yù)測(cè)控制與模糊自整定PID相結(jié)合的新型控制器，該控制器調(diào)節(jié)迅速，超調(diào)小，具有良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能。

本文提出一種基于多變量預(yù)測(cè)控制算法的中央空調(diào)系統(tǒng)，適用于大型醫(yī)院等特殊大型建筑場(chǎng)景。

1? 預(yù)測(cè)控制

預(yù)測(cè)控制廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，不斷趨向目標(biāo)值，使系統(tǒng)的使用效能達(dá)到最優(yōu)。通過(guò)構(gòu)建的模型進(jìn)行參數(shù)預(yù)測(cè)，同時(shí)反饋預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行校正，滾動(dòng)優(yōu)化調(diào)節(jié)輸入變量，維持實(shí)際輸出變量在設(shè)定值附近上下波動(dòng)，穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行，保持系統(tǒng)能耗相對(duì)最低。

預(yù)測(cè)控制算法[6]是對(duì)未來(lái)某一時(shí)刻的輸出變量進(jìn)行預(yù)測(cè)并實(shí)時(shí)校正輸出變量與輸入變量的偏差值，據(jù)此偏差值調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸入變量的新型控制算法。

1.1? 單輸入單輸出

基于預(yù)測(cè)控制的單輸入單輸出控制系統(tǒng)，設(shè)定預(yù)期輸出變量wp，算法計(jì)算的基本流程如下：

求出設(shè)定值wp與校正之后檢測(cè)值yp0（k）的偏差，確定輸入變量的偏差值Δu（k），并以此偏差值調(diào)節(jié)輸入變量u（k），再通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行檢測(cè)下一時(shí)刻實(shí)際輸出的變量數(shù)值y（k+1）。經(jīng)過(guò)反饋校正得到y(tǒng)p0（k），再根據(jù)設(shè)定值求偏差值，不斷地進(jìn)行在線滾動(dòng)優(yōu)化。算法結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2? 多輸入多輸出

類比單輸入單輸出控制系統(tǒng)，基于預(yù)測(cè)控制的多輸入多輸出控制系統(tǒng)是多個(gè)單輸入單輸出的疊加。各輸入變量與各輸出變量之間相互對(duì)應(yīng)，輸出變量y1（k+1）、輸入變量u1（k）及設(shè)定值w1（k）相互間是一個(gè)預(yù)測(cè)模型，一一對(duì)應(yīng)。輸入變量u2（k）不影響y1（k+1）與u1（k）之間的預(yù)測(cè)模型。該控制算法的輸入變量與輸出變量數(shù)量相同（均為2）。算法結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2? 基于多變量預(yù)測(cè)算法的中央空調(diào)系統(tǒng)

2.1? 中央空調(diào)系統(tǒng)（以水冷式為例）

水冷式中央空調(diào)的主要能耗設(shè)備有冷卻水循環(huán)部分（包括室外冷卻塔的風(fēng)機(jī)、冷卻循環(huán)水泵）、冷凍水循環(huán)部分（包括冷凍循環(huán)水泵、室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管），連接二者的設(shè)備是冷水機(jī)組，更是中央空調(diào)系統(tǒng)的耗能大戶，占總能耗近50%，其他四個(gè)設(shè)備為拖動(dòng)設(shè)備。

2.2? 改造方案

研究中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行原理，針對(duì)基于傳統(tǒng)控制的中央空調(diào)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，一一進(jìn)行針對(duì)性的改造，引入先進(jìn)的控制技術(shù)，設(shè)計(jì)節(jié)能改造控制策略，如圖3所示。

2.2.1? 控制策略

傳統(tǒng)中央空調(diào)控制精確的數(shù)學(xué)模型難以建立，隨著控制對(duì)象復(fù)雜程度的增加，大多數(shù)為多輸入多輸出的強(qiáng)耦合系統(tǒng)，對(duì)于依賴控制模型的傳統(tǒng)控制理論來(lái)說(shuō)，很難達(dá)到精準(zhǔn)控制和及時(shí)控制。

本文提出水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合的方法，借助多變量預(yù)測(cè)控制，根據(jù)負(fù)荷變化（前饋）提前動(dòng)作，使得能耗逐步接近最低目標(biāo)，達(dá)到真正意義上的節(jié)能控制目的。水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)的具體介紹如下：

1）水系統(tǒng)。冷卻水系統(tǒng)：引入變流量冷凝溫度控制技術(shù)調(diào)節(jié)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。輸入變量：冷卻塔頻率、冷卻水泵頻率和冷卻水供水溫度。動(dòng)態(tài)跟蹤冷水機(jī)組負(fù)荷變化。冷凍水系統(tǒng)：引入變流量定溫差控制技術(shù)調(diào)節(jié)冷凍水循環(huán)系統(tǒng)。輸入變量：冷凍水供水溫度和冷凍水泵頻率。動(dòng)態(tài)跟蹤冷水機(jī)組負(fù)荷與風(fēng)機(jī)盤管負(fù)荷變化。

2）風(fēng)系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)：引入變風(fēng)量變頻技術(shù)調(diào)節(jié)室外空氣循環(huán)系統(tǒng)。輸入變量：末端盤管風(fēng)機(jī)頻率。動(dòng)態(tài)跟蹤風(fēng)機(jī)盤管負(fù)荷變化。

2.2.2? 控制變量

中央空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際工作過(guò)程中，需要考慮多種影響因素，但對(duì)這些因素應(yīng)抓大放小，即只考慮主要因素，因?yàn)檫^(guò)多的控制變量[7]會(huì)造成模型在求解過(guò)程中陷入維數(shù)災(zāi)難。經(jīng)過(guò)篩選和簡(jiǎn)化，將影響因素（變量）分為三種類型：一是輸入變量，即空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)量；二是輸出變量，即經(jīng)過(guò)優(yōu)化控制可獲得的期望值；三是擾動(dòng)變量（外界干擾），即因環(huán)境溫度及人流變動(dòng)使得冷負(fù)荷發(fā)生改變的量值。主要定義如下：

1）輸入變量。室外冷卻塔風(fēng)機(jī)fa、冷卻循環(huán)水泵fCW、由冷水機(jī)組提供的冷卻水循環(huán)出水TCWS、由冷水機(jī)組提供的冷凍水循環(huán)出水TCHWS、冷凍循環(huán)水泵fCHW、正常條件下室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管fSA。

2）輸出變量。總能耗Pt、流回冷水機(jī)組的冷卻水TCWR、冷水機(jī)組在冷凍循環(huán)中ΔTCHW。

3）外界干擾值。中央空調(diào)系統(tǒng)變動(dòng)負(fù)荷Qchiller、室內(nèi)盤管負(fù)荷Qcfan。

2.3? 多變量預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)

2.3.1? 設(shè)備建模

為了有效地優(yōu)化中央空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行，應(yīng)建立能夠反映中央空調(diào)系統(tǒng)不同末端用戶舒適度和房間熱延遲對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化有顯著影響的數(shù)學(xué)模型。基于用戶末端冷量需求的中央空調(diào)冷負(fù)荷需量模型，可以很好地兼顧用戶舒適度與空調(diào)時(shí)滯性特征。

1）建立功率模型。預(yù)測(cè)模型用來(lái)獲得被控對(duì)象未來(lái)輸出的預(yù)測(cè)值[8]。預(yù)測(cè)模型的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，該系統(tǒng)的輸出可以看作每個(gè)輸入變量單獨(dú)作用的結(jié)果。設(shè)當(dāng)有輸入uj且有一個(gè)k時(shí)刻的增量Δuj（k）時(shí)，對(duì)應(yīng)輸yi在未來(lái)N個(gè)時(shí)刻的輸出預(yù)測(cè)值為中央空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)回路多、耦合強(qiáng)的系統(tǒng)，結(jié)合預(yù)測(cè)控制基本原理轉(zhuǎn)化，得到如下預(yù)測(cè)模型：

冷卻塔功率：

（1）

其中，ai表示模型參數(shù)（i = 0，1，2，3）。

冷卻水泵功率：

（2）

其中，bi表示模型參數(shù)（i = 0，1，2，3）。

冷水機(jī)組功率[9]：

式子等效為：

其中，ci表示模型參數(shù)（i = 0，1，2）。

預(yù)測(cè)模型：

（3）

其中，

冷凍水泵功率：

（4）

其中，di表示模型參數(shù)（i = 0，1，2，3）。

風(fēng)機(jī)盤管功率：

（5）

其中，ei表示模型參數(shù)（i = 0，1，2，3）。

冷卻水回水溫度：

其中，g表示模型參數(shù)。

預(yù)測(cè)模型：

（6）

冷凍水溫差模型：

其中，k表示模型參數(shù)。

預(yù)測(cè)模型：

（7）

2）滾動(dòng)優(yōu)化。滾動(dòng)優(yōu)化是根據(jù)輸出期望值和輸出預(yù)測(cè)值的偏差，并在給定的性能指標(biāo)下計(jì)算出可以施加的控制量[9]，使對(duì)象的輸出盡可能地接近期望值。常用的控制性能指標(biāo)形式為：

3）反饋修正。是利用當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)測(cè)模型誤差對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行校正，以獲得更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)輸出，進(jìn)而計(jì)算出比較準(zhǔn)確地控制量。有了誤差信息后就可以對(duì)預(yù)測(cè)向量進(jìn)行校正，即模型的預(yù)測(cè)中增加誤差信息用加權(quán)值如下式所示：

室外冷卻塔上的風(fēng)機(jī)：

系統(tǒng)冷卻部分的設(shè)備：

系統(tǒng)核心耗能設(shè)備：

系統(tǒng)冷凍部分的設(shè)備：

室內(nèi)風(fēng)機(jī)：

冷水機(jī)組提供的冷卻水循環(huán)溫度差值：

冷水機(jī)組提供的冷凍水循環(huán)溫度差值：

2.3.2? 約束與設(shè)定

約束條件如表1所示。

2.3.3? 能耗總目標(biāo)設(shè)定

中央空調(diào)節(jié)能優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)為系統(tǒng)總能耗最低，因此根據(jù)文獻(xiàn)[10]設(shè)定如下目標(biāo)：

（8）

其中，Pt表示中央空調(diào)系統(tǒng)總功率。

3? 算例分析

3.1? 中央空調(diào)概述

本文以揚(yáng)州市某大型三甲醫(yī)院為例，該醫(yī)院在夏季室外溫度較高時(shí)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)2臺(tái)螺桿機(jī)組（共3臺(tái)，1臺(tái)備用），設(shè)有室外冷卻塔、一級(jí)泵的冷卻水泵與冷凍水泵，室內(nèi)采用FP-51型號(hào)盤管。因冷水機(jī)組為手動(dòng)控制開(kāi)啟，不能按室外溫度變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，導(dǎo)致能耗巨大。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，冷卻塔上的風(fēng)機(jī)與冷卻、冷凍水泵頻率固定不變；由冷水機(jī)組提供的冷凍水回水溫度大于8 ℃，冷水機(jī)組負(fù)荷始終保持在2 217～

2 229 kW之間；水系統(tǒng)總能約500 kW。室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)機(jī)風(fēng)量固定，平均能耗值為34.75 kW。

3.2? 仿真研究

在維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的狀況下采用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，得到曲線圖4。總能耗有3種情況：200～210 kW為低能耗；320～330 kW為中能耗；425～470 kW為高能耗。

整理所得數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)最低能耗，4種最低能耗所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

3.3? 結(jié)果與分析

本文在優(yōu)化初始階段，采集到每天10：00～19：00時(shí)間段的逐時(shí)能耗，然后運(yùn)用本文提出的優(yōu)化方法，繪出優(yōu)化前后能耗數(shù)據(jù)對(duì)比圖，如圖5、圖6所示。

由上圖可以得出，運(yùn)行節(jié)能約為15%，達(dá)到空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行的目的。

4? 結(jié)? 論

本文采用多變量預(yù)測(cè)控制算法對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究，通過(guò)MATLAB仿真軟件對(duì)該控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，得到最優(yōu)設(shè)定值。該設(shè)定值滿足中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行約束條件，保證在低能耗情況下維持系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 盧莉莎.解析現(xiàn)代化綜合性醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn) [J].機(jī)電信息，2016（19）：76-79.

[2] 朱懿，歐陽(yáng)喜寬.簡(jiǎn)析中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的控制方法與發(fā)展趨勢(shì)——基于江中藥業(yè)綜合制劑大樓中央空調(diào)節(jié)能改造工程案例 [J].能源研究與管理，2014（1）：87-92.

[3] JIAO X Q，XU Q S. Optimization analysis on the effect of operational power consumption for central air conditioning under cold storage regulation [J/OL].International Transactions on Electrical Energy Systems，2019，29（5）[2023-05-05].https：//doi.org/10.1002/2050-7038.12001.

[4] 國(guó)堯.基于退火算法的醫(yī)院中央空調(diào)優(yōu)化控制研究 [J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2018，46（2）：293-297.

[5] 楊成晨，張九根.基于灰色預(yù)測(cè)模糊PID算法的空調(diào)房間溫度控制 [J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（4）：56-59.

[6] 丁寶蒼.預(yù)測(cè)控制的理論與方法 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[7] 黃艷山，馬俊麗.一種基于數(shù)學(xué)模型的中央空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化方法及系統(tǒng)：CN104713197A [P].2015-06-17.

[8] 李世博，陳星穎，余昆.一種中央空調(diào)精細(xì)化控制方法：CN104613602A [P].2015-05-13.

[9] 王蕊，任慶昌.建立冷水機(jī)組能耗模型幾種方法的比較與分析 [J].現(xiàn)代建筑電氣，2017，8（1）：9-13.

[10] 施赟，劉東，張超.基于集中式空調(diào)系統(tǒng)能效整體性優(yōu)化模型研究 [J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2012，31（5）：12-15.

作者簡(jiǎn)介：李新兵（1969—），男，漢族，江蘇揚(yáng)州人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：建筑電氣及智能化。