基于節(jié)能理念的高職“樓宇自動化技術(shù)”教學研究

賈曉寶　譚凌峰（深圳職業(yè)技術(shù)學院，廣東深圳518055）

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基于節(jié)能理念的高職“樓宇自動化技術(shù)”教學研究

賈曉寶譚凌峰
（深圳職業(yè)技術(shù)學院，廣東深圳518055）

摘要：建筑節(jié)能的快速發(fā)展對從業(yè)人員的知識和技能提出了新的要求，相關(guān)課程的教學內(nèi)容也需隨之調(diào)整以適應(yīng)這種新需求。文章探討了在《樓宇自動化技術(shù)》課程中如何就中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能新技術(shù)展開教學工作，主要從節(jié)能控制指標、通風系統(tǒng)能耗模型及模型預測控制的優(yōu)勢等三方面展開論述。

關(guān)鍵詞：預計平均熱感覺指數(shù)PMV；供熱通風空調(diào)系統(tǒng)HVAC；空氣處理設(shè)備AHU；能耗模型；模型預測控制MPC

Abstract：Based on the view of energy saving，the paper introduces three kinds of research trend of course contents about building automation technology，index of energy saving control，energy model of air handle unit，andmodel predictive control applied in AHU system.

Key words：predicted mean vote；heating ventilation air conditioning；air handle unit；energy model；model predictive control

引言

近年來隨著智能、綠色建筑以及建筑節(jié)能等理念的興起，自動化技術(shù)與建筑學科持續(xù)深度融合，使得建筑節(jié)能手段更加豐富可調(diào)，節(jié)能效果顯著。作為智能建筑及相關(guān)專業(yè)的一門必修課程，《樓宇自動化技術(shù)》也被賦予了新的教學內(nèi)容和培養(yǎng)目標，教育從業(yè)者為此進行了大量探究。姚衛(wèi)豐從課程內(nèi)容、考核方式、學習興趣等方面提出了課程改革的探索［1］；張文靜針對課程的教學方法提出了切實可行的操作方案［2］；段小匯從理論教學環(huán)境、基礎(chǔ)實驗教學環(huán)境和實踐教學環(huán)境分別提出了教改的方案內(nèi)容［3］；賈小寶從任務(wù)引領(lǐng)一體化角度詳細介紹該課程“課證融合”模式設(shè)計［4］。

建筑能耗包括建筑生產(chǎn)過程中的耗能和建筑運行維護過程中的耗能，特別是建筑機電設(shè)備（供暖、通風、空調(diào)等）運行能耗占據(jù)建筑耗能的近80%［5］。在這些能耗中，中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗占據(jù)很大部分，其中對空調(diào)通風系統(tǒng)的控制指標、能耗管理及控制方法決定著大廈的節(jié)能水平。可見，在《樓宇自動化技術(shù)》課程中引入中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能新技術(shù)顯得很有必要。文章從預計平均熱感覺指數(shù)、空氣處理單元能耗模型及模型預測控制等三個方面做了詳盡教學內(nèi)容方面的論述，文章第一部分介紹了人體舒適度指標及其節(jié)能意義，第二部分介紹了如何建立AHU能耗模型及其節(jié)能應(yīng)用，第三部分從現(xiàn)代控制理論方面介紹了模型預測控制對空調(diào)通風系統(tǒng)節(jié)能的意義。

一、以改變空調(diào)通風系統(tǒng)控制指標適應(yīng)樓宇自動化技術(shù)節(jié)能要求

學生節(jié)能意識的培養(yǎng)，首先應(yīng)認識到影響人體舒適度的因素是多方面的，通過調(diào)節(jié)傳統(tǒng)意義的室內(nèi)溫度在保證舒適度前提下并不能最大限度的節(jié)能。

（一）室內(nèi)環(huán)境干球溫度指標

我國現(xiàn)行的空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計控制參數(shù)都是基于《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，規(guī)范要求為了改善公共建筑的室內(nèi)環(huán)境，合理使用能源，公共建筑空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)室內(nèi)參數(shù)冬季一般房間溫度20攝氏度，大廳、過道溫度18攝氏度；夏季一般房間溫度25攝氏度［6］。深圳市根據(jù)本地實際情況，為了降低能耗要求公共場所夏季室內(nèi)溫度不低于26攝氏度。上述規(guī)范中所指的室內(nèi)房間溫度從物理學的定義來講指的是氣體的干球溫度，是溫度計在普通空氣中所測出的溫度，即我們一般天氣預報里常說的氣溫。

（二）預計平均熱感覺指數(shù)PMV指標及其優(yōu)點

根據(jù)目前國內(nèi)外的研究結(jié)果，影響室內(nèi)人體舒適度的因素主要有以下六個：人體的新陳代謝率、服裝熱阻、室內(nèi)空氣流速、空氣溫度、平均輻射溫度、相對濕度。其中前2個參數(shù)屬主觀因素，后四個參數(shù)屬客觀因素。根據(jù)這六個主要的影響因素，丹麥工業(yè)大學Fanger教授提出預計平均熱感覺指數(shù)PMV （predicted mean vote）指標，該指標將人體感覺分為7級，即PMV為0表示熱感覺適中，PMV為-1表示微涼，PMV為-2表示涼，PMV為-3表示冷，PMV為+1表示微暖，PMV為+2表示暖，PMV為+3表示熱。國際標準化組織ISO 7730推薦PMV指標為-0.5～+0.5時可作為室內(nèi)環(huán)境舒適度合理范圍，同時給出PMV指標具體計算公式［7］。

據(jù)上述分析可知，以PMV指標作為空調(diào)通風系統(tǒng)的控制指標，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)控制作用點從室內(nèi)空氣到人體感受的轉(zhuǎn)變。同時，以PMV指標作為控制目標的空調(diào)系統(tǒng)，能迅速感覺到室內(nèi)熱環(huán)境的變化，促使空調(diào)通風系統(tǒng)能夠迅速動作，使室內(nèi)環(huán)境參數(shù)不會發(fā)生顯著變化，既保證了室內(nèi)舒適度的要求也起到降低能耗的作用。例如：在夏季，當空調(diào)通風系統(tǒng)開啟，按照以往的室內(nèi)空氣溫度指標控制，當室內(nèi)空氣溫度達到設(shè)定值時，空氣處理單元AHU就會關(guān)閉冷凍水調(diào)節(jié)閥停止工作，若以PMV指標作為空調(diào)通風系統(tǒng)的控制目標，雖然室內(nèi)空氣溫度達到設(shè)定值要求，但此時人體的舒適程度仍然沒能達到要求，所以空氣處理單元AHU還會繼續(xù)工作，直到人體感到舒適為止。在新的控制平衡形成以后，隨著室外環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化，如太陽的輻射照度通過窗戶或玻璃幕墻進入室內(nèi)，PMV值升高，此時可能不需要通過調(diào)節(jié)冷凍水調(diào)節(jié)閥開度降低溫度，而只需控制百葉窗開度調(diào)節(jié)輻射照度來滿足舒適度的要求，從而降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

圖1　通風系統(tǒng)能耗輸入輸出模型

二、建立空調(diào)系統(tǒng)能耗模型以適應(yīng)樓宇自動化技術(shù)節(jié)能要求

現(xiàn)代建筑空調(diào)通風系統(tǒng)及其自動化控制系統(tǒng)的規(guī)模日益龐大，設(shè)備種類及數(shù)量日益繁多，因而系統(tǒng)復雜程度越來越高。而系統(tǒng)運行過程中，不可避免會出現(xiàn)各種故障。建立空調(diào)系統(tǒng)能耗模型為其故障診斷和優(yōu)化節(jié)能提供了可能。

（一）變風量空調(diào)通風系統(tǒng)VAV能耗計算示例

根據(jù)建筑物中央空調(diào)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換和消耗原理，鍋爐和冷水機組為建筑物提供冷熱源，冷凍冷卻水泵或熱水泵將冷熱水源傳送到空調(diào)通風設(shè)備，變頻風機提供壓力將經(jīng)過制冷或加熱的風送到末端設(shè)備。提供給HVAC系統(tǒng)的能源最終轉(zhuǎn)化為具有一定溫度、濕度、流速和靜壓的空氣或水。所有的HVAC設(shè)備單元都共享一個通用的特性：即具備輸入輸出流體，如圖1所示。

根據(jù)伯努利定律，連續(xù)介質(zhì)流體在運動過程中滿足機械能守恒。在等高流體傳輸過程中，流體的能量用公式可以表達為：

式中E，流體的能量（J）；V，氣體體積（m3）；T，氣體溫度（k）；Cv，氣體體積熱容比（KJ/Kg.K）；ρ，氣體密度（kg/m3）；v，氣體流速（m/s）；SP，管道靜壓（Pa）。依據(jù)伯努利方程作為理論基礎(chǔ)，空氣處理單元AHU送風作為變風量空調(diào)VAV的輸入，VAV的輸出又作為空氣處理單元AHU的回風輸入，因此VAV系統(tǒng)能耗公式可以表達如下：

式中△EVAV：指變風量單元VAV消耗的能量（J）；下標RA 指VAV的回風，下標SA指VAV的送風；其它參數(shù)所代表的含義參見公式（1）。

（二）變風量空調(diào)通風系統(tǒng)AHU能耗計算及能耗模型應(yīng)用示例

空氣處理單元AHU其工作過程是將室外來的新風與室內(nèi)的一部分回風混合后，經(jīng)過濾網(wǎng)濾掉空氣中的粉塵、煙塵等有害物質(zhì)，再將干凈的空氣經(jīng)送風機送到表冷器或加熱器進行冷卻或加熱，以達到使人感到舒適、適宜的程度，然后送入房間。詳見圖2。

圖2　空氣處理單元AHU基本工作原理圖

基于VAV能耗計算同樣的原理，雙輸入雙輸出空氣處理單元能耗計算公式如下：

式中DEAHU指空氣處理單元消耗的能量（J）；下標RA指AHU回風，下標SA指AHU送風；下標OA指AHU室外新風，其它參數(shù)所代表的含義參見公式（1）。

依據(jù)空氣處理單元AHU及變風量控制單元VAV能耗數(shù)據(jù)的分析計算及評價，對現(xiàn)有建筑空調(diào)系統(tǒng)實施故障檢測與診斷并根據(jù)需要對大型公共建筑空調(diào)系統(tǒng)進行運行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計提供了可能。舉例來講，一臺VAV單元因風閥被卡住或有風管露風的非正常情況下，通常都需要來自于上一級AHU單元更多的制冷或加熱空氣，即需要消耗更多能源。同時通過能源消耗模型的計算建立能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析，減少建筑物生命周期內(nèi)各個環(huán)節(jié)的能耗。

三、融入模型預測控制思想以適應(yīng)樓宇自動化技術(shù)節(jié)能的要求

當前對空調(diào)通風系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境的控制，大部分樓宇控制產(chǎn)品系統(tǒng)依然采用傳統(tǒng)的比例積分微分（PID）控制，但一些國際著名的大品牌樓宇控制產(chǎn)品中已經(jīng)開始應(yīng)用模型預測控制算法控制空調(diào)通風系統(tǒng)，為了更好適應(yīng)新技術(shù)對人才的需求，學習模型預測控制理論知識已成為必然。

（一）傳統(tǒng)的比例積分微分（PID）控制思想和優(yōu)缺點

當前對室內(nèi)環(huán)境的控制，絕大部分系統(tǒng)依然采用傳統(tǒng)的比例積分微分（PID）控制?；诮?jīng)典控制理論的PID控制技術(shù)，以其結(jié)構(gòu)簡單，對模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點，在樓宇HVAC控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。PID控制是基于偏差的調(diào)節(jié)控制，以房間溫度控制為例，當傳感器反饋回來的房間實際室內(nèi)溫度?（s）低于或高于設(shè)定值r（s）時，PID控制器按照偏差e（s）的大小計算冷凍水（熱水）調(diào)節(jié)閥的開度?（s），使得室內(nèi)溫度t（s）達到設(shè)定的要求。這種單回路的PID控制器存在以下不足：（1）PID控制器只是滿足了室內(nèi)溫度的要求，沒有考慮控制優(yōu)化的問題，及兼顧制冷能耗的約束。僅僅是單回路控制器，不能夠?qū)崿F(xiàn)更復雜的控制。（2）如果按照室內(nèi)舒適度PMV指標作為控制對象，涉及風閥開度、水閥開度、風機變頻控制的多輸入多輸出系統(tǒng)控制，PID控制器不能夠?qū)崿F(xiàn)這種復雜控制的要求。

（二）模型預測控制思想和優(yōu)缺點

模型預測控制算法是利用被控對象的動態(tài)模型預測被控對象的未來輸出，通過對從當前時刻加上預測時域這段時間的某一開環(huán)性能指標的優(yōu)化來確定未來的一系列控制作用。但是每個控制周期僅僅實施當前控制作用，到下一個控制周期根據(jù)新的測量值校正后，重復上面的步驟重新計算控制作用的一類控制算法［8］。確切來說，模型預測控制并不是一個復雜的算法，更是一種控制的思想。猶如我們安排某一項工作任務(wù)，先有初步的計劃，但在具體的實施過程中會根據(jù)每天實際工作量對計劃進行不斷的實時修正。

將模型預測控制的思想應(yīng)用到空調(diào)通風系統(tǒng)AHU控制系統(tǒng)來講，系統(tǒng)輸入變量包括：室內(nèi)空氣流速、空氣溫度、平均輻射溫度、相對濕度等，具體計算詳見第一節(jié)；系統(tǒng)輸出控制變量包括：送風機變頻控制；冷凍水調(diào)節(jié)閥開度控制；加濕器控制等，系統(tǒng)控制的最終目標是維持室內(nèi)人體舒適度指標PMV在-0.5～+0.5范圍內(nèi)，且耗能最小，能耗的模型計算詳見第二節(jié)。MPC控制器設(shè)計過程包括：首先根據(jù)室內(nèi)動態(tài)系統(tǒng)的當前和過去的輸入輸出值得到對象數(shù)學模型，其次根據(jù)對象特性設(shè)定控制器預測時域長度，控制時域長度，及控制量增量加權(quán)矩陣等，最后控制器根據(jù)目標函數(shù)及相關(guān)約束優(yōu)化計算將結(jié)果輸出給現(xiàn)場控制對象。因此，模型預測控制MPC非常適合應(yīng)用在空調(diào)通風系統(tǒng)AHU動態(tài)特性變化大，控制變量較多，而動態(tài)響應(yīng)慢的對象。國際著名樓宇產(chǎn)品制造商西門子、霍尼韋爾等已經(jīng)開始在自己的控制系統(tǒng)應(yīng)用此算法實現(xiàn)對空調(diào)通風系統(tǒng)的控制。模型預測控制的唯一不足之處對控制器的硬件要求較高，對現(xiàn)場應(yīng)用人員的技術(shù)水平要求較高，但是隨著計算機硬件水平和學生技能水平的提高，模型預測算法一定會在樓宇空調(diào)通風系統(tǒng)的控制中得到更廣泛的應(yīng)用。

四、結(jié)束語

依據(jù)樓宇自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢，將中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能新技術(shù)加入到《樓宇自動化技術(shù)》的教學內(nèi)容中，使之切合當下企業(yè)對人才的實際需求。文中提到樓宇自動化技術(shù)節(jié)能三個方面的內(nèi)容，作者已經(jīng)在授課過程中逐步有所講述，通過和往屆學生的比較，本屆學生對節(jié)能的意識更加強烈，更有信心適應(yīng)市場的需求。下一階段，本人將從教具模型方面入手，研發(fā)節(jié)能控制樓宇自動化技術(shù)教學模型，為學生充分理解抽象的能耗數(shù)學模型和模型預測控制理論提供物理實驗保證。

參考文獻

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［2］張文靜.關(guān)于“樓宇自動化技術(shù)”課程教學改革的探討［J］.才智，2014（11）：146.

［3］段小匯.“樓宇自動化技術(shù)”課程教學方法探討［J］.中國電力教育，2014（15）：54-57.

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中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）07-0243-03

作者簡介：賈曉寶（1976-），男，碩士，深圳職業(yè)技術(shù)學院講師，研究方向為樓宇智能化節(jié)能技術(shù)。譚凌峰（1982-），女，碩士，深圳職業(yè)技術(shù)學院講師，研究方向為樓宇智能化技術(shù)。