淺談暖通空調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)分析

楊珊珊

摘 要：當(dāng)前我國的暖通空調(diào)控制技術(shù)主要存在能源消耗高和空調(diào)環(huán)境質(zhì)量低的問題，造成問題的主要原因在于暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)控制技術(shù)還存在缺陷。文章在簡要解釋暖通空調(diào)存在的問題及產(chǎn)生問題的原因和基礎(chǔ)上，介紹了暖通空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計以及暖通空調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)未來發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：暖通空調(diào) 優(yōu)化控制 系統(tǒng)設(shè)計 發(fā)展趨勢

中圖分類號：TM925.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0087-02

在我國城市化水平不斷提高和城市建筑行業(yè)不斷發(fā)展的背景下，人們的生活水平顯著提高，人們對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的要求也越來越高。因此，在人們越來越重視暖通空調(diào)技術(shù)的發(fā)展的基礎(chǔ)上，我國的暖通空調(diào)控制技術(shù)也獲得了很大的提升。但是，我國的暖通空調(diào)控制技術(shù)也存在一些問題，尤其是暖通空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗過高不符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，而且在我國能源日益緊張的環(huán)境下，高能耗問題更加突出。因此，加強暖通空調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)的研究成為每個暖通空調(diào)設(shè)計人員的首要任務(wù)，設(shè)計人員必須抓住問題能耗高的根本原因，不斷的優(yōu)化暖通空調(diào)控制技術(shù)，提高暖通空調(diào)使用能源的效率，提高暖通空調(diào)的運行質(zhì)量。

1 暖通空調(diào)控制技術(shù)存在的問題

暖通空調(diào)控制技術(shù)主要存在兩個問題。一是暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗嚴(yán)重。隨著人們生活水平的提高，空調(diào)的使用范圍更廣，使用更頻繁。在大型建筑中，中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗占整個建筑能耗的一半以上[1]。造成這種情況主要和空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計有關(guān)，根據(jù)對當(dāng)前空調(diào)運行的實際情況研究，空調(diào)系統(tǒng)不是按照滿足正常要求的來設(shè)計，而是按照滿足客戶最大需求標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計，空調(diào)系統(tǒng)日常運行超出了需求范圍，空調(diào)系統(tǒng)而處于低負(fù)荷狀態(tài)下運行；二是空調(diào)系統(tǒng)運行質(zhì)量不高。當(dāng)前許多人對當(dāng)前空調(diào)環(huán)境的滿意程度不高，據(jù)新加坡某大學(xué)對新加坡部分商用大樓的暖通空調(diào)系統(tǒng)運行情況調(diào)查表明，超過25%的大樓CO2，10%左右的大樓甲醛超標(biāo)和濕度過大，超過半數(shù)的大樓溫度過低，這些情況會降低大樓的舒適度，對人體健康造成損害，影響人們的工作效率。

造成暖通空調(diào)能耗大且空調(diào)環(huán)境低的原因主要有兩個：首先，暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計采用最大負(fù)荷計算法和定工作點的運行方式，暖通空調(diào)真正處于最大負(fù)荷運行的情況少，更多的是處于輕載環(huán)境下運行。與此同時，受外部環(huán)境的濕度和光照的影響，暖通空調(diào)系統(tǒng)運行環(huán)境不斷變化，定工作點控制方式降低了傳熱的效率，而導(dǎo)致能量的浪費。其次，控制器設(shè)計存在缺陷。當(dāng)傳統(tǒng)的控制器采用的是干空氣線性系統(tǒng)設(shè)計。然而，在實際運行中，空氣處理機存在非線性環(huán)節(jié)，空調(diào)運行的外部環(huán)境條件也在不斷的發(fā)生變化。當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化時，傳統(tǒng)的控制器難以準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，而造成能源的浪費[2]。

2 暖通空調(diào)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

由于暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計存在問題，暖通空調(diào)的能耗在整個建筑的能耗中建有很大的比重，不論是定送風(fēng)量、確定溫度以及確定壓力的控制系統(tǒng)，還是變風(fēng)量的控制系統(tǒng)，在多變的運行環(huán)境下，都難以有效地控制暖通系統(tǒng)而導(dǎo)致巨大的能源消耗。從20世紀(jì)80年代采用的PID控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)具有一定的滯后性和和大慣性，需要更長的時間調(diào)整參數(shù)，也造成較大的能源消。后來雖然經(jīng)過不斷的技術(shù)改造，控制系統(tǒng)能夠抑制較的影響空調(diào)系統(tǒng)運行因素，與其他的技術(shù)相比存在一定的優(yōu)勢，但是控制器參數(shù)的準(zhǔn)確性和合理性依然不高，控制效果依舊不明顯。當(dāng)前的暖通空調(diào)不僅具有較強的非線性和時變性，也具有大慣性、大滯后和強干擾的特性，要獲得較好的控制效果的同時達(dá)到一定的節(jié)能，還存在許多技術(shù)問題。

3 暖通空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計

暖通空調(diào)控制器的設(shè)立要建立在合理設(shè)定房間溫度的基礎(chǔ)上，空調(diào)系統(tǒng)才能快速準(zhǔn)確將房間溫度調(diào)節(jié)到事先設(shè)定的溫度值，并采取一定的措施降低外部環(huán)境對室內(nèi)溫度的影響，降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。由于暖通空調(diào)在運行時有一定是時間延遲，控制信號難以及時傳達(dá)至控制系統(tǒng)。采用廣義預(yù)測控制可以有效的解決控制信號延遲問題，提高系統(tǒng)輸出的效率。同時暖通空調(diào)運行的環(huán)境也處于不斷變化和發(fā)展中，對空調(diào)系統(tǒng)的運行會產(chǎn)生一定的影響，可以將網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)技術(shù)來減少空調(diào)系統(tǒng)受外部環(huán)境的變化而產(chǎn)生的不良影響[3]。所以，將廣義的預(yù)測控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以對暖通空調(diào)的控制起到優(yōu)化的效果。

3.1 暖通空調(diào)廣義預(yù)測控制結(jié)構(gòu)

當(dāng)前，我國的暖通空調(diào)系統(tǒng)采用基于RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)空調(diào)廣義預(yù)測控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由三部分組成。要實現(xiàn)預(yù)測，必須準(zhǔn)確預(yù)測出空調(diào)的輸出，并在此基礎(chǔ)上形成暖通空調(diào)的優(yōu)化策略，同時建立有效的反饋校正。結(jié)合梯度下降計算方法，修正RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)，并掌握最優(yōu)的空調(diào)控制規(guī)律。

3.2 控制器的在線滾動優(yōu)化

主要指利用模型分辨某一組成方面提供的預(yù)測輸出信息，根據(jù)相關(guān)的方法實行滾動優(yōu)化，再找出科學(xué)的暖通空調(diào)控制規(guī)律；充分考慮優(yōu)化計算量，最終實現(xiàn)對空調(diào)系統(tǒng)的滾動優(yōu)化控制。

3.3 廣義預(yù)測反饋校正

當(dāng)系統(tǒng)處于滾動優(yōu)化時，優(yōu)化的基點不能偏離系統(tǒng)實際情況，必須與系統(tǒng)實際相同。由于影響系統(tǒng)運行的因素較多，辨識模型會失配，這種預(yù)測方式與實際空氣處理單元很難達(dá)到完全一致。因此，預(yù)測模型需要適當(dāng)采用其他的預(yù)測手段來彌補預(yù)測模型中存在的缺陷，或者直接在線校正基礎(chǔ)模型的相關(guān)數(shù)據(jù)或標(biāo)準(zhǔn)。采用梯度下降法來調(diào)整優(yōu)化RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各個隱藏的權(quán)值，做好每一步的實際輸出和預(yù)測器輸出之間的誤差監(jiān)測[4]，若誤差值超出預(yù)定值，再采用修正法修正各項參數(shù)，再做誤差比較，直到誤差值在預(yù)測值范圍內(nèi)。

4 暖通空調(diào)系統(tǒng)控制技術(shù)未來發(fā)展趨勢

4.1 尋找設(shè)備的最佳設(shè)定值

定工作點的方式是當(dāng)前暖通空調(diào)系統(tǒng)的主要控制方式，以定工作的方式來達(dá)到對設(shè)備在運行時的溫度、流量等參數(shù)的控制的目的。雖然不同的設(shè)備在不同的條件下有最佳設(shè)定點，但是這種方式并不能讓暖通空調(diào)系統(tǒng)處于最佳的運行狀態(tài)，暖通空調(diào)系統(tǒng)不能在不同環(huán)境條件下一直處于最節(jié)能的運行狀態(tài)。因此，在不同的運行環(huán)境下，應(yīng)該以暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗最低作為尋找設(shè)備或緩解的最佳設(shè)定值為指標(biāo)，這是暖通空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制研究的重要內(nèi)容，也是降低暖通空調(diào)系統(tǒng)運行能耗的關(guān)鍵[5]。endprint

4.2 提高控制的自動化水平

提高暖通空調(diào)控制的自動化水平是控制技術(shù)的主要內(nèi)容。當(dāng)前提高自動化水平采用的技術(shù)是以傳統(tǒng)PID為控制策略的控制單元器，控制單元器以回路控制、設(shè)備順序和邏輯控制開關(guān)量為基礎(chǔ)，8位單機片是主要的中央處理器來進(jìn)行核心處理。但是，隨著嵌入式系統(tǒng)研究的深入、職能控制理論以及技術(shù)的不斷發(fā)展大量的嵌入式微處理器進(jìn)入市場，嵌入式微處理器價格越來越低的背景下，已經(jīng)廣泛使用基于16位及以上的嵌入式微處理器系統(tǒng)，控制策略進(jìn)一步升級，單元控制器有向自適性和自動學(xué)習(xí)功能發(fā)展的趨勢。這種控制器可以實現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)在復(fù)雜的負(fù)荷環(huán)境通過逐步的自動學(xué)習(xí)功能，達(dá)到回路最優(yōu)控制，最終達(dá)到各個環(huán)節(jié)都處于最佳控制的狀態(tài)。

4.3 重視能量管理功能

當(dāng)前我國的暖通空調(diào)系統(tǒng)管理只集中在對基礎(chǔ)控制單元的監(jiān)控上，主要包括對信息的集中處理和狀態(tài)檢測的設(shè)備的調(diào)度等方面，而缺少能量管理功能。因此，設(shè)計人員應(yīng)該在原有系統(tǒng)管理功能的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加能量管理功能，增加對末端用戶的能量使用情況的監(jiān)測[6]。

4.4 提高網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用程度

暖通空調(diào)控制系統(tǒng)的控制協(xié)議有很大的差異，這主要與暖通系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，控制系統(tǒng)開發(fā)的環(huán)境不同，設(shè)計人員采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同都會形成不懂的控制協(xié)議。隨著更多的企業(yè)應(yīng)用信息技術(shù)，在企業(yè)信息化程度提高的背景下，暖通空調(diào)控制系統(tǒng)必然向集成方向發(fā)展，不僅如此，暖通空調(diào)系統(tǒng)運行的各項管理數(shù)據(jù)和指標(biāo)都將納入企業(yè)信息管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)不同企業(yè)間數(shù)據(jù)共享和信息的交流。

5 結(jié)語

雖然RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的廣義預(yù)測控制方法較為先進(jìn)，與之前相比控制性能更強，這種控制方法也存在一些技術(shù)問題。首先在控制分析階段對影響控制系統(tǒng)性能的因素考慮不周，忽略了滾動優(yōu)化對性能的影響，而且對這種控制的算法研究也不夠深入，沒有結(jié)合其他的控制方法的優(yōu)點。在研究控制算法更要關(guān)注其實際應(yīng)用的研究，保證算法能真正用于實際的控制設(shè)計上，真正優(yōu)化暖通空調(diào)的控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊曉平.暖通空調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2013，11（16）：120-121.

[2] 李樹江，秦軍，劉暢，等.暖通空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制與能量管理的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].暖通空調(diào)，2013，4（12）：30-34.

[3] 王文廣.暖通空調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2011，13（3）：61-62.

[4] 張會洲.暖通空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制與能量管理的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電子制作，2013，21（15）：238-239.

[5] 易泗濱.暖通空調(diào)變工況點優(yōu)化控制及能量管理研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向探討[J].江西建材，2011，3（11）：8-9.

[6] 胡詩華.淺談暖通空調(diào)能量管理與優(yōu)化控制系統(tǒng)[J].山西建筑，2011，20（18）：182-183.endprint