大型暖通空调关联节能调控模型设计

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摘 要： 针对过去设计的大型暖通空调节能调控模型控制方法不佳，设计了大型暖通空调关联节能调控模型，探讨了大型暖通空调水流量与水泵功率和转速的关系，初步设计出水流量节能调控数学模型，分四路实施PID控制，给出水流量控制方案与控制结果。随后将人流量和外部温度两种影响因素关联到水流量节能调控数学模型中，构建关联节能调控模型，利用Matlab模糊控制方法实现节能调控，使用遗传算法求解关联节能调控模型。实验对设计模型的控制误差和节能效率进行测试，取得了令人满意的测试结果。

关键词： 暖通空调； 节能； 调控模型； 遗传算法

中图分类号： TN02?34； TM92 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）09?0179?04

Abstract： Since the previously?designed energy?saving control method of the large heating and ventilation air conditioning （HVAC） is poor， a correlation?based energy?saving control model of large HVAC was designed. The relation between the water flow of the large HVAC and power of the water pump， as well as rotational speed is discussed. The mathematical model of the water flow energy?saving control was designed to implement the PID control with four channels. The water flow control scheme and control results are given. The influence factors of visitors flow rate and external temperature are associated with the mathematical model of water flow energy?saving control to construct the correlation?based energy?saving control model. The Matlab fuzzy control method is used to realize the energy?saving control. The genetic algorithm is adopted to solve the correlation?based energy?saving control model. The control error and energy?saving efficiency of the model were tested with experiment， which have the satisfied test results.

Keywords： HVAC； energy saving； control model； genetic algorithm

0 引 言

暖通空调是一种兼具了取暖、换气以及空气控制作用的多功能设备，大型暖通空调备受商场、智能楼宇和工厂等地的青睐[1]。据不完全统计，使用大型暖通空调区域的耗能量比无空调区域的耗能量高出9倍，占据总耗能量的25%左右，由此可知，大型暖通空调节能调控对社会发展具有重要意义。

过去提出的大型暖通空调节能方法主要包括硬件节能和软件节能，如文献[2]中介绍的基于可编程控制器的大型暖通空调节能调控方法就是一种软件节能方法，其使用可编程控制器改变大型暖通空调暖通器件的工作方式，具有节能效率好的优势，但控制方法过于单一，控制效果不佳。文献[3]中使用的硬件节能方法是使用阻流器限制空调输出实现节能，这种方法的节能效率虽好，但严重影响了暖通空调的正常功能。文献[4]利用动态管理算法对大型暖通空调的动态特征进行建模分析，有效优化了节能效率，但在人流量大的区域内控制误差大，并且节能效率不理想。

根据以上描述得知，软件节能方法对大型暖通空调的节能控制最为准确，但节能效率仍需进行优化。过去提出的软件节能方法未考虑到大型暖通空调水流量会受外接环境因素影响而出现变动，所以方法的节能效率存在明显的不稳定性[5]。现提出一种大型暖通空调关联节能调控模型设计方法，设计水流量节能调控数学模型，并将外界影响因素关联到模型中进行综合控制，实现对模型控制误差与节能效率的优化。

1 大型暖通空调关联节能调控模型设计

1.1 水流量节能调控数学模型

大型暖通空调中水泵的水流量和功率与其转速有关。在现实生活中，水泵的即时转速往往不会等同于额定转速因此水泵的即时水流量和即时功率也会与额定水流量额定功率产生偏差，但始终满足能耗比[6]。所提大型暖通空调关联节能调控模型设计方法设那么空调水泵的即时单位做功量则可表示为：

水流量节能调控数学模型给出的控制方案是：当大型暖通空调制冷量或制热量未达标时，不对水泵即时功率做限制。当制冷量或制热量达标时，首先调控冷却水泵的水流量，提高冷却水与环境的温差，随后调控冷冻水泵的水流量，尽可能使热能量符合式（3）标准[8]。如果无法达到式（3）标准，则使用大型暖通空调的最小水流量实现节能。

1.2 关联节能调控设计

大型暖通空调中水流量节能调控数学模型的理论基础是热力学第一定律，即能量守恒定律，大型暖通空调所处环境的热能与其经由冷水吸收的热能始终平衡，这样一来才能够保证环境温度的近似恒定。空气流动产生的热能、环境中建筑材料与架构的导热热能、流动人口身体发热、环境占地面积、外部气候以及大型暖通空调参数等因素都会对环境温度造成影响，削减大型暖通空调的节能效率[9]。式（4）给出的节能结果未能考虑到这些因素，故只能在人流量少、气候条件好的理想情况下使用，为保证节能效率，需要将外界影响因素关联到模型中，如图2所示。

由于外界影响因素具有不可控性，为了能够更好地实现关联节能调控建模，需要做出以下假设条件：

（1） 空调的水流量不会出现热能耗损，并且数值保持在额定流量；

（2） 空调制冷设备无热能耗损；

（3） 环境中除空调以外的其他设备的制冷和制热量忽略不计；

（4） 空调中冷冻水和冷却水的流量始终相等。

图2中设计的大型暖通空调关联节能调控模型采用Matlab模糊控制调控环境参数对图1模型的影响。4个假设条件已将多数影响因素的参数固定化，但流动人口身体发热和外部气候对模型的影响仍不可忽视，应将人流量和外部温度作为环境参数输入到图2的模型中。

人流量和外部温度按照数量（或体感温度）划分为5个等级，分别为极少（低）、偏少（低）、中、偏多（高）、极多（高）。在Matlab模糊控制中，“极少（小）”按照zmf形式的隶属度函数进行输入，“偏少（低）”、“中”、“偏多（高）”使用pimf形式的隶属度函数，“极多（高）”的输入形式为smf。

大型暖通空调关联节能调控模型在输入外部参数的同时，还利用Matlab模糊控制对水流量控制方案进行了模糊处理，这样可使外界影响因素能够更加恰当地被关联到水流量节能调控数学模型中[10]。Matlab模糊控制将水流量分为高、中、低三个等级，均以zmf形式的隶属度函数输入。

大型暖通空调关联节能调控模型的调控规则用表1描述，表中的L，M和H表示Matlab模糊控制的{控程度，依次是低等调控、中等调控和高等调控。将不同的控制程度划分出来，有利于合理掌握大型暖通空调暖通任务的进行状态，进而降低控制误差。

2 大型暖通空调关联节能调控模型求解

大型暖通空调关联节能调控模型的目的是以高精度的控制规则优化节能效率，模型的最大节能效率可使用下式求解：

式中：分别是人流量、外部温度和水流量的调控权值，；是人流量和外部温度的动态参数值。

是利用遗传算法确定的。遗传算法中的自适应算法和搜索算法使用优劣度替换方式对大型暖通空调关联节能调控模型中的各项参数顺次进行迭代、最优解替换和函数收敛，得到最佳权值。

3 实验测试

通过实验测试本文模型设计方法的控制误差和节能效率，控制误差的计算公式为：

式中：是水泵供应的热能；是环境的基础热能。

空调所处环境的人流量和外部温度由模拟仪器提供，和经由热能检测仪测量。使用可编程控制器、动态管理算法和本文模型设计方法调控大型暖通空调的水流量，水流量取值依次为300 m3/h，700 m3/h，1 000 m3/h，1 500 m3/h和2 000 m3/h。实验进行6 h，每隔2 h记录一次利用式（6）进行计算，三种方法的控制误差见表2。

由表2可知，水流量与控制误差无明显对应关系。可编程控制器的控制误差绝对值范围在0.13～0.71之间，计算其平均误差，结果为0.39，无法满足使用者对大型暖通空调的控制需求。动态管理算法的控制误差绝对值范围在0.14～0.64之间，平均误差为0.32，比可编程控制器控制误差小，但仍然不具备良好的控制能力。本文模型设计方法控制误差的绝对值始终低于0.20，平均值为0.16，控制能力明显优于前两种方法，控制误差小并且控制效果更加稳定。

对可编程控制器、动态管理算法和本文模型设计方法节能效率测试是在控制误差测试实验的基础上进行的，不同的是，节能效率测试实验不对大型暖通空调水泵的水流量进行限制，仅维持人流量和外部温度的恒定。在此条件下，三种方法将自动进行7 h的节能调控，每隔1 h计算出三种方法的节能效率，使用的计算公式为式（5），测试结果如表3所示，可以看出三种方法的节能效率都不低，而本文模型设计方法的节能效率是最优的。

4 结 语

大型暖通空调所处环境的人流量和外部温度是不容忽视的节能影响因素，过去设计的节能调控模型均未有效考虑到这一点，导致控制误差大、节能效率不佳。基于以上原因，本文提出大型暖通空调关联节能调控模型设计方法，构建了两个节能模型，分别用于理想状态和实际状态。通过逐步优化实际状态下的人流量和外部温度，减小模型控制误差，提升模型节能效率，最终实现设计目标。

注：本文通讯作者为秦景。

参考文献

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