智能樓宇搭建中的節(jié)能控制技術(shù)原理研究

潘海霞

摘要：針對(duì)目前對(duì)于智能樓宇搭建中的節(jié)能控制機(jī)理認(rèn)識(shí)不夠充分，節(jié)能控制技術(shù)針對(duì)性不強(qiáng)，為此提出智能樓宇搭建中的節(jié)能控制技術(shù)原理研究。首先利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)技術(shù)搭建智能樓宇用電數(shù)學(xué)模型，為下一步集中節(jié)能控制智能樓宇能耗提供依據(jù);結(jié)合不確定閾值等級(jí)預(yù)測(cè)智能樓宇負(fù)荷需求及光伏輸出功率;然后根據(jù)預(yù)測(cè)值利用目標(biāo)函數(shù)及約束條件求出智能樓宇各個(gè)時(shí)間段的最小用電量;將目標(biāo)函數(shù)求解值帶到智能樓宇用電數(shù)學(xué)模型，對(duì)其供電參數(shù)進(jìn)行控制;最后考慮到受到多種不確定性因素的影響，目標(biāo)函數(shù)求解值與實(shí)際節(jié)能需求還存在一定差距，在預(yù)測(cè)過(guò)程中比較預(yù)測(cè)值與實(shí)際值，反饋矯正目標(biāo)函數(shù)解值，將其作為最終的控制結(jié)果，使智能樓宇供電量不僅能滿足用戶用電需求，還能達(dá)到最小化，以此完成智能樓宇搭建中的節(jié)能控制技術(shù)原理研究。

關(guān)鍵詞：智能樓宇;節(jié)能控制技術(shù);光伏輸出功率;目標(biāo)函數(shù);約束條件;

中圖分類(lèi)號(hào)：TM73? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）09-0229-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

智能樓宇是一個(gè)交叉性的學(xué)科，有多個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)組合而成，其涉及多種技術(shù)，其中包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)以及建筑技術(shù)，它構(gòu)建的核心是5A系統(tǒng)，集通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)、樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)于一體的智能化建筑，各個(gè)子系統(tǒng)之間相互協(xié)作，為整個(gè)樓宇建筑提供智能服務(wù)。智能樓宇與傳統(tǒng)建筑最大的區(qū)別在于自動(dòng)化、智能化程度較高，利用現(xiàn)代科技實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇的自動(dòng)化控制與管理，極大地節(jié)省了人力勞動(dòng)資源[1]。智能樓宇雖然具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但是在搭建及后期管理過(guò)程中需要運(yùn)用大量的電子設(shè)備，所以在不采取任何措施的情況下，智能樓宇的能量消耗也是很大的。目前大多數(shù)一線、二線城市的智能樓宇普及程度已經(jīng)達(dá)到了一定的高度，導(dǎo)致建筑物的能源消耗逐漸增加，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，智能樓宇占全球能源消耗的近35.4%左右，考慮到能源成本的增加，以及國(guó)家政策對(duì)能源效率的要求，為了降低智能樓宇的能源消耗，在其搭建過(guò)程中采用了節(jié)能控制技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用使智能樓宇的能源消耗有了明顯的改善，并且使節(jié)能成為智能樓宇的又一特點(diǎn)。但是目前對(duì)于智能樓宇搭建中的節(jié)能控制機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，使節(jié)能控制技術(shù)難以充分發(fā)揮出其節(jié)能效果，為此提出智能樓宇搭建中的節(jié)能控制技術(shù)原理研究。

1智能樓宇搭建中的節(jié)能控制技術(shù)原理

1.1搭建智能樓宇數(shù)學(xué)模型

利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的方法搭建智能樓宇用電數(shù)學(xué)模型，所有節(jié)點(diǎn)均由熱阻連接，并通過(guò)熱熔實(shí)現(xiàn)接地，智能樓宇數(shù)學(xué)模型可以簡(jiǎn)單描述為一個(gè)用電集群，該用電集群由多個(gè)小的用電區(qū)域構(gòu)成，按照建筑結(jié)構(gòu)不同，將智能樓宇的節(jié)點(diǎn)分為墻體節(jié)點(diǎn)和室內(nèi)節(jié)點(diǎn)，所以智能樓宇用電集群主要包括墻體區(qū)域以及室內(nèi)區(qū)域[2]。由于智能樓宇每一個(gè)同類(lèi)別用電區(qū)域構(gòu)造幾乎相同，其HVAC（供熱通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)）功率也是相同的，所以可以將智能樓宇數(shù)學(xué)模型理解為，一個(gè)由多個(gè)相同的墻體用電區(qū)域和室內(nèi)用電區(qū)域集合而成的用電集群，因此在搭建智能樓宇數(shù)學(xué)模型時(shí)不需要考慮用電區(qū)域的形狀、大小等因素，只需要了解到智能樓宇同類(lèi)別的用電區(qū)域數(shù)量，其搭建過(guò)程如下。

利用智能樓宇墻體的熱容值、熱阻值、表面積等參數(shù)對(duì)智能樓宇墻體區(qū)域的用電情況進(jìn)行描述，用公式表示如下：

[Ci，j=i，j∈NKi，j-KWA+RQ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

公式（1）中，[Ci，j]表示智能樓宇墻體用電模型;[i，j]表示智能樓宇墻體中的節(jié)點(diǎn);[N]表示智能樓宇左右節(jié)點(diǎn)的集合;[Ki，j]表示節(jié)點(diǎn)[i，j]的電能量;[KW]表示智能樓宇墻體的電能量;[A]表示智能樓宇墻體的表面積;[R]表示墻體的熱容值;[Q]表示墻體的熱阻值[3]。同樣利用熱容值、熱阻值、表面積等參數(shù)，描述智能樓宇室內(nèi)區(qū)域的用電，用如下公式表示：

[Mk=kFk-FdP+wq]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

公式（2）中，[Mk]表示智能樓宇室內(nèi)用電模型;[k]表示室內(nèi)用電區(qū)域序號(hào);[Fk]表示第[k]個(gè)室內(nèi)節(jié)點(diǎn)的用電量;[Fd]表示智能樓宇室內(nèi)用電量;[P]表示智能樓宇室內(nèi)表面積;[w]表示智能樓宇室內(nèi)區(qū)域的比熱容;[q]表示室內(nèi)區(qū)域熱阻值[3]。將以上兩個(gè)子模型整合，搭建智能樓宇數(shù)學(xué)模型，將公式（1）與公式（2）整合轉(zhuǎn)換為以下公式（3），搭建的智能樓宇數(shù)學(xué)模型如下：

[xt+n+1=Ci，j+Mk+αEt+n+1，ut+n+1st+n=Ci，j+Mkt+k]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

公式（3）中，[x]表示智能樓宇的狀態(tài)變量，指智能樓宇內(nèi)部各個(gè)節(jié)點(diǎn)的用電量;[t+n+1]表示在[t]時(shí)刻估算到的[t+n+1]時(shí)刻的用電量;[α]表示智能樓宇的用電控制變量;[E]表示智能樓宇擾動(dòng)量;[u]表示單位矩陣;[s]表示輸出量;[t+k]表示時(shí)間變量[4]。以上公式表示為智能樓宇數(shù)學(xué)模型，用于描述智能樓宇所有用電區(qū)域的用電情況，獲得智能樓宇建筑物的總負(fù)荷，為下一步集中節(jié)能控制智能樓宇能耗提供依據(jù)。

1.2預(yù)測(cè)智能樓宇能量需求

在智能樓宇數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)其用電量進(jìn)行預(yù)測(cè)，利用智能樓宇的通信功能，將預(yù)測(cè)結(jié)果輸入到模型中，在未來(lái)48小時(shí)內(nèi)多次下發(fā)對(duì)應(yīng)時(shí)間的節(jié)能控制方案。智能樓宇搭建中的節(jié)能控制過(guò)程中主要依據(jù)建筑物的光伏輸出功率以及負(fù)荷需求，預(yù)測(cè)主要以智能樓宇無(wú)線傳感技術(shù)采集到的數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)用無(wú)線傳感器獲取到的智能樓宇能量消耗情況，對(duì)未來(lái)的能量需求進(jìn)行預(yù)測(cè)分析[5]。因此將光伏輸出功率與負(fù)荷需求作為預(yù)測(cè)值，其中光伏輸出功率預(yù)測(cè)滿足以下公式：

[S=Sz1+Lt]? ? ? ? ? ? ? （4）

公式（4）中，[S]表示不同時(shí)間段智能樓宇的光伏輸出功率預(yù)測(cè)值;[Sz]表示智能樓宇日前光伏輸出功率;[Lt]表示t時(shí)間段的輸入的光伏輸出功率變量預(yù)測(cè)不確定閾值等級(jí)。負(fù)荷需求預(yù)測(cè)滿足以下公式：

[B=Bz1+?t]? ? ? ? ? ? ? （5）

公式（5）中，[B]表示不同時(shí)間段智能樓宇的負(fù)荷需求預(yù)測(cè)值;[Bz]表示智能樓宇日前負(fù)荷需求量;[?t]表示t時(shí)間段的輸入的負(fù)荷需求變量預(yù)測(cè)不確定閾值等級(jí)。輸入變量預(yù)測(cè)不確定閾值等級(jí)需要?dú)v史預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定，下表為智能樓宇能量預(yù)測(cè)不確定等級(jí)表。

以表1為依據(jù)，確定智能樓宇能量預(yù)測(cè)不確定等級(jí)，進(jìn)而預(yù)測(cè)出智能樓宇光伏輸出功率及負(fù)荷需求，為后續(xù)智能樓宇節(jié)能控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.3建立目標(biāo)函數(shù)及制定約束條件

完成了對(duì)智能樓宇能量需求預(yù)測(cè)后，并不能完全將其作為節(jié)能控制標(biāo)準(zhǔn)，為了達(dá)到節(jié)能的目的，還需要制定合理的目標(biāo)以及能耗約束條件，因此根據(jù)智能樓宇搭建中的節(jié)能控制需求，建立目標(biāo)函數(shù)以及制定約束條件。智能樓宇節(jié)能控制主要目標(biāo)是在滿足用戶用電需求的基礎(chǔ)上，節(jié)約智能樓宇不必要的能量消耗[6]。用戶用電是有一定時(shí)間規(guī)律的，不同的時(shí)間段用電量不同，正常情況下夜晚用電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于白天，因?yàn)橐雇碛脩舳际翘幱谒郀顟B(tài)，電氣設(shè)備均處于關(guān)閉狀態(tài);而早、晚的用電量低于中午的用電量，因?yàn)橹形绲臅r(shí)間段大部分用戶處于工作狀態(tài)[7]?；谝陨戏治?，將智能樓宇用戶用電分為峰時(shí)段、平時(shí)段和谷時(shí)段三個(gè)階段，劃分如下：8：00-10：00、18：00-21：00為峰時(shí)段;5：00-8：00、10：00-18：00為平時(shí)段;21：00-次日5：00為谷時(shí)段[8]。根據(jù)以上分析，智能樓宇搭建中的節(jié)能控制目標(biāo)函數(shù)用公式表示為：

[minω=S-B-ρε]? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

公式（6）中，[ρ]表示智能樓宇用戶不同用電階段（峰時(shí)段、平時(shí)段、谷時(shí)段）光伏的發(fā)電量;[ε]表示松弛變量，以確保節(jié)能控制的可行解?；谀芰渴睾愣?，從供需的角度出發(fā)，提出目標(biāo)函數(shù)的約束條件，即智能樓宇的供電量要始終大于智能樓宇的需求量，用公式表示如下：

[S+B≤Uv]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

公式（7）中，[Uv]表示智能樓宇不用階段電功率實(shí)際消耗值，其計(jì)算公式為：

[Uv=βv+β]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

公式（8）中，[βv]表示智能樓宇內(nèi)部電氣設(shè)備的使用功率;[β]表示智能樓宇內(nèi)部HVAC系統(tǒng)的電功率消耗。

1.4實(shí)現(xiàn)智能樓宇節(jié)能控制

將在滿足約束條件的前提下，目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算結(jié)果輸入到上文搭建的智能樓宇用電數(shù)學(xué)模型中，對(duì)其節(jié)能進(jìn)行控制。在對(duì)智能樓宇節(jié)能預(yù)測(cè)控制過(guò)程中，會(huì)受到多種不確定性因素的干擾，使目標(biāo)函數(shù)計(jì)算得到的數(shù)值與實(shí)際節(jié)能需求還存在一定的變差，所以在每一次控制周期中都要對(duì)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值進(jìn)行比較，重復(fù)修正智能樓宇節(jié)能控制的不確定性，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到真正意義上的節(jié)能，使智能樓宇各個(gè)控制區(qū)域在所有時(shí)間段都能實(shí)現(xiàn)供電量最小，以此實(shí)現(xiàn)智能樓宇的節(jié)能控制，控制過(guò)程如下。

步驟1：在某一個(gè)時(shí)間段，基于智能樓宇網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)建立樓宇各個(gè)區(qū)域用電數(shù)學(xué)模型。

步驟2：利用智能樓宇無(wú)線傳感裝置采集到樓宇各個(gè)區(qū)域以及不同時(shí)間段用電設(shè)備及系統(tǒng)的參數(shù)，根據(jù)采集到的原始數(shù)據(jù)利用公式（4）、（5）預(yù)測(cè)智能樓宇光伏輸出功率及負(fù)荷需求，通過(guò)目標(biāo)函數(shù)和約束條件進(jìn)一步確定該時(shí)間段智能樓宇供電參數(shù)。

步驟3：將計(jì)算得到的供電參數(shù)輸入到智能樓宇用電數(shù)學(xué)模型，對(duì)供電參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。再對(duì)調(diào)整后的智能樓宇用電進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到下一個(gè)時(shí)間段的用電需求，重復(fù)步驟1、步驟2，進(jìn)一步得到智能樓宇節(jié)能控制方案。

步驟4：基于智能樓宇用戶用電的隨機(jī)特性，在用電峰時(shí)段、平時(shí)段、谷時(shí)段設(shè)定固定的最大供電量，并將預(yù)測(cè)到的用電負(fù)荷接入智能樓宇配電網(wǎng)。

步驟5：判斷初始時(shí)間段是否為智能樓宇數(shù)學(xué)模型設(shè)定的時(shí)間周期的最終時(shí)間段，如果是，則重復(fù)步驟1-4;如果不是，則滾動(dòng)到+1的時(shí)間段，繼續(xù)重復(fù)上述控制步驟，以此實(shí)現(xiàn)智能樓宇的節(jié)能控制，進(jìn)而完成智能樓宇搭建中的節(jié)能控制技術(shù)原理研究。

2結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合自動(dòng)化控制理論，對(duì)智能樓宇搭建中的節(jié)能控制技術(shù)原理進(jìn)行了研究，深入了解了智能樓宇搭建中節(jié)能控制過(guò)程的機(jī)理，有利于促進(jìn)智能樓宇節(jié)能控制技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，加?深對(duì)智能樓宇搭建中的節(jié)能控制理論認(rèn)知，并有效指導(dǎo)各類(lèi)智能樓宇的節(jié)能控制技術(shù)的提高，從而滿足節(jié)能需求，使智能樓宇搭建中的節(jié)能控制技術(shù)上升大一個(gè)新的高度。本文研究?jī)?nèi)容不具備針對(duì)性，在實(shí)踐過(guò)程中還需要結(jié)合具體的實(shí)際情況。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】