智能建筑中的熱源自適應(yīng)節(jié)能控制探討

張祎彤

摘 要：隨著建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，能源浪費(fèi)問(wèn)題也逐漸在建筑供熱系統(tǒng)中體現(xiàn)出來(lái)，近年來(lái)對(duì)能源利用效率提出了較高的要求。民用建筑中基本采暖設(shè)施的能耗較大，建筑節(jié)能的重點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部采暖系統(tǒng)的能耗控制。該文先論述了智能建筑中熱源節(jié)能的重要意義，以集中供熱自動(dòng)控制系統(tǒng)為例進(jìn)行了分析，探討了建筑中熱源自適應(yīng)節(jié)能控制的方法，以期為建筑行業(yè)能源的有效利用提供有利的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：智能建筑 熱源自適應(yīng) 節(jié)能控制 策略探究

中圖分類(lèi)號(hào)：TU855 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）03（b）-0092-03

建筑產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的過(guò)程中，智能建筑和綠色建筑的理念逐漸被人們接受和認(rèn)可，智能建筑業(yè)也成為當(dāng)今建筑發(fā)展的最終產(chǎn)物。智能建筑概念最早由美國(guó)人提出，1984年1月，美國(guó)聯(lián)合科技集團(tuán)的UTBS公司在康涅狄格州哈伏特市建成了世界上第一座智能大廈，在這座建筑中，客戶(hù)不必自己添置設(shè)備，便可獲得語(yǔ)言通訊、文字處理、電子郵件、科學(xué)計(jì)算和情報(bào)資料檢索等服務(wù)。此外，大廈實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化綜合管理，樓內(nèi)的空調(diào)、供水、防火、防盜供配電系統(tǒng)等均由電腦控制，使客戶(hù)真正感到舒適、方便和安全。由于智能建筑本身集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)等為一體，在現(xiàn)階段的發(fā)展速度較快，同時(shí)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的進(jìn)步也為智能建筑的發(fā)展提供了保障。進(jìn)入新世紀(jì)以后，需要對(duì)國(guó)家多年發(fā)展智能建筑的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，在面對(duì)公共建筑和住宅建筑的過(guò)程中時(shí)刻保持科學(xué)的態(tài)度，不斷加快智能化建設(shè)，提高與智能建筑技術(shù)相關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，保證正常使用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能能耗、保護(hù)環(huán)境的目的。針對(duì)住宅建筑而言，需要在建設(shè)過(guò)程中充分考慮居民的居住要求，從實(shí)際出發(fā)，為未來(lái)建筑功能的拓展保留充足的余地，在經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和技術(shù)完善的過(guò)程中促進(jìn)智能建筑的發(fā)展和進(jìn)步。

1 熱源節(jié)能在智能建筑中的重要作用

經(jīng)濟(jì)建設(shè)不斷發(fā)展的過(guò)程中，城市居民在建筑類(lèi)資產(chǎn)方面的投資不斷增多，很大程度上提高了建筑產(chǎn)品的需求量，但是在目前能源危機(jī)問(wèn)題日益突出的同時(shí)，國(guó)內(nèi)在建筑行業(yè)中的熱能利用率較低，主要原因是建筑熱能利用方面報(bào)文隔熱措施和氣密性措施不到位。熱能利用率較低的問(wèn)題也加快了空氣中二氧化碳的排放量，溫室效應(yīng)加重，氣溫升高，冰川消失，土地的沙化問(wèn)題逐漸加重，緩解建筑中熱源能耗問(wèn)題迫在眉睫，為了解決這一問(wèn)題重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面入手。

（1）降低建筑內(nèi)部的能耗；（2）開(kāi)發(fā)天陽(yáng)能等可再生能源；（3）在充分利用能源的過(guò)程中保證建筑本身的功能優(yōu)勢(shì)得到發(fā)揮，以滿(mǎn)足人們的日常能源需求。

建筑行業(yè)中能源問(wèn)題涉及的領(lǐng)域較多，智能建筑更是多種專(zhuān)業(yè)化技術(shù)完美結(jié)合的實(shí)例。針對(duì)建筑采暖熱源控制問(wèn)題，需要在保證健康、安全和舒適的前提下，對(duì)熱源系統(tǒng)的啟動(dòng)和關(guān)閉進(jìn)行嚴(yán)格地控制，最終實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約的目的。從19世紀(jì)中葉開(kāi)始，自適應(yīng)控制系統(tǒng)被應(yīng)用于建筑領(lǐng)域中，近年來(lái)各種與自適應(yīng)控制系統(tǒng)相關(guān)的軟件也獲得了應(yīng)用，很大程度上加快了智能建筑中熱源節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。

2 智能建筑中集中供熱自動(dòng)控制方法

集中供熱自動(dòng)控制的過(guò)程中需要明確整個(gè)采暖系統(tǒng)的熱負(fù)荷，熱負(fù)荷計(jì)算時(shí)需要先弄清建筑物的總體耗熱量，熱量的計(jì)算必須以穩(wěn)定傳熱為基礎(chǔ)。因此，集中供熱自動(dòng)控制需要重視建筑物外墻和屋面等外圍結(jié)構(gòu)的特性，任何點(diǎn)位的溫度和外圍結(jié)構(gòu)內(nèi)外空氣溫度保持恒定，室內(nèi)外空氣溫度晝夜變化較大，因此需要結(jié)合這些氣溫變化特點(diǎn)對(duì)室內(nèi)采暖系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，調(diào)節(jié)采暖房間內(nèi)散熱器的散熱量，保持室內(nèi)有舒適的溫度，降低室內(nèi)熱量較高帶來(lái)的熱量浪費(fèi)問(wèn)題，提高熱能的利用效率。

在集中供熱系統(tǒng)中，可以應(yīng)用改變溫度的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)供熱量的調(diào)節(jié)，這種方法也被稱(chēng)為質(zhì)調(diào)。應(yīng)用改變熱水流量的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)供熱量的調(diào)節(jié)，這種方法也被稱(chēng)為量調(diào)。通過(guò)對(duì)放熱時(shí)間的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量的控制，這種方法也被成為間歇調(diào)節(jié)。這3種方法在集中采暖系統(tǒng)熱量控制過(guò)程中較為常見(jiàn)。

由于實(shí)施控制的位置存在差異，一般將供熱量的控制方法分為個(gè)別調(diào)節(jié)、局部調(diào)節(jié)和中央集中調(diào)節(jié)3種。其中個(gè)別調(diào)節(jié)是指在用熱設(shè)備和機(jī)組設(shè)備上直接進(jìn)行熱量調(diào)節(jié)，局部調(diào)節(jié)在供暖系統(tǒng)管道中或者某一區(qū)域內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，中央集中調(diào)節(jié)是在在援用的熱源上實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量的控制。

中央集中式調(diào)節(jié)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮不同熱工況的影響因素，可以在明確室外溫度的基礎(chǔ)上掌握熱量的供應(yīng)和需求信息，初步實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。局部調(diào)節(jié)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮不同區(qū)域的供熱特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)中央集中調(diào)節(jié)的補(bǔ)充。單個(gè)別調(diào)節(jié)需要結(jié)合熱設(shè)備使用對(duì)象提出的具體要求進(jìn)行后續(xù)的補(bǔ)充調(diào)節(jié)[1]。間歇供熱調(diào)節(jié)方法一般應(yīng)用于室外氣溫較高的環(huán)境中，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中央集中式調(diào)節(jié)的補(bǔ)充。

調(diào)節(jié)方式在選用的過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮建筑物本身的結(jié)構(gòu)和功能，明確建筑物對(duì)采暖工程提出的主要衛(wèi)生要求，發(fā)揮出采暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，考慮熱媒對(duì)不同控制過(guò)程的影響。

3 智能建筑中熱源自適應(yīng)節(jié)能控制

3.1 溫度分布控制

很多集中建筑物的供熱系統(tǒng)中存在一個(gè)重要的問(wèn)題，即建筑物內(nèi)部的溫度分布并不十分均勻，不同位置熱量獲取和傳輸過(guò)程中很容易受到外界環(huán)境條件的影響，導(dǎo)致整個(gè)建筑物內(nèi)部熱量存在較大偏差。為了提高建筑物內(nèi)部舒適性，避免寒冷地區(qū)建筑內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)熱的問(wèn)題，可以在實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)用三通閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分布閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同開(kāi)關(guān)控制的操作。三通閥的應(yīng)用可以將建筑物內(nèi)部的供熱系統(tǒng)分割成不同的可以獨(dú)立運(yùn)行的熱區(qū)域，但是應(yīng)用三通閥的缺點(diǎn)是只能進(jìn)行局部調(diào)節(jié)，很難實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域內(nèi)熱量的協(xié)調(diào)，也無(wú)法準(zhǔn)確控制熱源的供給，最終出現(xiàn)能源浪費(fèi)問(wèn)題。

3.2 自動(dòng)控制策略

集中供熱系統(tǒng)控制過(guò)程選用質(zhì)調(diào)、量調(diào)和間歇性調(diào)節(jié)3種自動(dòng)控制方法。質(zhì)調(diào)過(guò)程中需要對(duì)供水溫度進(jìn)行精確的控制，從事實(shí)現(xiàn)對(duì)供熱量的口供紙；量調(diào)過(guò)程中調(diào)節(jié)水流量實(shí)現(xiàn)熱量控制；間歇性調(diào)節(jié)過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)對(duì)放熱時(shí)間的控制，改變熱量的大小。其中，間歇性調(diào)節(jié)在智能建筑熱能控制過(guò)程中應(yīng)用較為廣泛，現(xiàn)以間歇性調(diào)節(jié)的應(yīng)用為例進(jìn)行分析。圖1是熱源系統(tǒng)間歇性調(diào)節(jié)的操作方式。

這種熱源系統(tǒng)間歇性調(diào)節(jié)的操作方法建立在對(duì)供熱系統(tǒng)全面分析的基礎(chǔ)上，在實(shí)際操作的過(guò)程中需要明確熱源的啟動(dòng)和關(guān)閉，以最大限度地降低能量消耗，針對(duì)建筑物內(nèi)部而言，需要將溫度控制在期望溫度范圍值內(nèi)[2]。智能建筑應(yīng)用過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)特性，動(dòng)態(tài)特性的體現(xiàn)主要與建筑物的整體結(jié)構(gòu)外部環(huán)境因素相關(guān)，由于外部環(huán)境中存在多種不確定因素，對(duì)建筑物動(dòng)態(tài)特性的分析將十分困難。正是由于建筑中多種不確定因素的存在，為自適應(yīng)控制技術(shù)的選擇提供了可靠的依據(jù)。針對(duì)建筑物中供熱系統(tǒng)和外部環(huán)境而言，它們對(duì)溫度的影響都將表現(xiàn)出緩慢的滯后特點(diǎn)。作為一種新的現(xiàn)代化控制系統(tǒng)，自適應(yīng)控制方法可以結(jié)合實(shí)際控制對(duì)象相關(guān)的環(huán)境特點(diǎn)和多種影響因素，可以方便實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)辨識(shí)能力的優(yōu)化，降低外界因素對(duì)系統(tǒng)控制的影響，實(shí)現(xiàn)自校正，可以被廣泛應(yīng)用于模型分析和干擾變化緩慢愈合的情景中。

在以上理論分析的基礎(chǔ)上，可以應(yīng)用自校正調(diào)節(jié)控制的方法，在系統(tǒng)中引入溫度預(yù)測(cè)模型，可以借助最小方差的遞推算法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度參數(shù)的有效辨識(shí)，在熱源控制過(guò)程中采暖過(guò)程中不需要事先知道物理參數(shù)，這一技術(shù)優(yōu)勢(shì)使得該調(diào)解控制方法被廣泛應(yīng)用于集中供熱系統(tǒng)中。

3.3 智能建筑中熱源自適應(yīng)節(jié)能控制模型

結(jié)合熱力學(xué)第一定律可以知道，不同形式的能量在傳遞或者轉(zhuǎn)換的過(guò)程中守恒，基本公式為△U=Q+W，其中△U表示內(nèi)能的增量；Q表示系統(tǒng)與環(huán)境交換熱，吸熱為正，放熱為負(fù)；W表示熱能對(duì)外做的功。熱量具有可傳遞的特征，該定律說(shuō)明熱量從一個(gè)物體（系統(tǒng)）傳遞到另一個(gè)物體（系統(tǒng)）時(shí)，能量的總值保持不變，熱力可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γσ部梢赞D(zhuǎn)變?yōu)闊?，熱能消失時(shí)，也必定會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的功。

理論分析與實(shí)際溫度測(cè)量系統(tǒng)表現(xiàn)出較高的一致性，研究過(guò)程中也很容易明確整個(gè)熱力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，可以將所有的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象看作是線性的，循環(huán)水系統(tǒng)中存在一部分熱量，這部分熱量可以被忽略，與建筑外墻的儲(chǔ)熱量相比，建筑內(nèi)墻和分隔樓板的儲(chǔ)熱量較高。

由于熱源系統(tǒng)和建筑物本身都存在一定的熱慣性，因此在建筑產(chǎn)品使用之前需要留有一定的預(yù)熱時(shí)間，控制過(guò)程中最好在預(yù)熱時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)熱源系統(tǒng)，建筑產(chǎn)品使用的過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部溫度的控制，保證居住者的體感達(dá)到較為舒適的水平。針對(duì)預(yù)熱時(shí)間而言，需要重點(diǎn)考慮3個(gè)因素：（1）建筑物本身的熱特性；（2）建筑物內(nèi)不得蓄熱特性；（3）熱源系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)。所有的起始控制器工作過(guò)程中都需要明確預(yù)熱時(shí)間，如果預(yù)熱時(shí)間估計(jì)過(guò)高，將會(huì)造成較多的熱量浪費(fèi)；預(yù)熱時(shí)間估計(jì)過(guò)低將對(duì)導(dǎo)致在應(yīng)用的初期就覺(jué)得舒適感降低。

建筑物熱源系統(tǒng)控制過(guò)程中需要重點(diǎn)明確熱源自適應(yīng)系統(tǒng)的時(shí)間，明確其中重要的熱慣性特點(diǎn)，建筑物內(nèi)部的房間需要有一個(gè)啟動(dòng)熱源系統(tǒng)，在使用之前給定精確的預(yù)熱時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)開(kāi)啟熱源系統(tǒng)，保證居民在使用房間時(shí)體會(huì)到內(nèi)部溫度帶來(lái)的舒適感[3]。一般情況下，預(yù)熱系統(tǒng)的時(shí)間控制需要重點(diǎn)考慮3個(gè)方面的影響因素：第一是建筑物本身的特點(diǎn)，而預(yù)熱特性的分析需要建筑里建筑物本身的特性上；第二是建筑物本身的蓄熱量，建筑物內(nèi)部的蓄熱量與建筑物本身的結(jié)構(gòu)特性有較大的關(guān)聯(lián)，為了避免溫度過(guò)高或過(guò)低，需要重點(diǎn)體現(xiàn)出建筑物的儲(chǔ)熱穩(wěn)定性能；第三需要及時(shí)匯報(bào)熱源系統(tǒng)的基本概況，為熱源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠的基礎(chǔ)，便于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)解決，保證熱源系統(tǒng)的正常運(yùn)行。圖2是區(qū)域內(nèi)熱源微機(jī)監(jiān)控和系統(tǒng)控制的基本原理。

該控制過(guò)程中選用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制方法，第一級(jí)為對(duì)設(shè)定值的控制和監(jiān)督，在這個(gè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收集和命令發(fā)出，之后借助系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算和處理得出最可靠的值。自適應(yīng)控制器可以實(shí)現(xiàn)模型給定值和測(cè)量值之間的比較，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化參數(shù)的控制和計(jì)算，參數(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后送入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成調(diào)節(jié)。應(yīng)用這種自適應(yīng)可供至系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際情況對(duì)調(diào)節(jié)功能進(jìn)行優(yōu)化，機(jī)器中賦值后提高控制過(guò)程的安全性地及時(shí)性，機(jī)器出現(xiàn)使用故障的概率較低，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中可以借助多個(gè)控制器，整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能控制也就實(shí)現(xiàn)了。

4 結(jié)語(yǔ)

智能建筑是現(xiàn)代建筑發(fā)展的最終產(chǎn)物，在目前能源短缺的大北京轄區(qū)，智能建筑中的節(jié)能控制方案成為業(yè)界研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)建筑中突顯出能源浪費(fèi)問(wèn)題，建筑行業(yè)對(duì)能源的綜合利用效率提出了更高的要求。文章以智能建筑為例，在論述熱源節(jié)能重要意義的基礎(chǔ)上，分析了集中供熱自動(dòng)控制系統(tǒng)，探討了建筑中熱源自適應(yīng)節(jié)能控制的方法，可以為建筑行業(yè)能源的有效利用提供借鑒。

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