智能建筑中空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制設(shè)計(jì)

張紅嶺 洪 斌 范竟往

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.航天恒星科技有限公司，北京 010000)

0 引 言

智能建筑是一種具有智能的建筑.空調(diào)系統(tǒng)耗盡大部分能量，因此有必要采取控制方法得到最優(yōu)節(jié)能通過(guò)最好的資源的智能建筑.

空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)具有復(fù)雜特性的系統(tǒng)，比如：多因素，非線性，延遲性，強(qiáng)慣性等.由于很難找出精確的數(shù)學(xué)模型，所以經(jīng)典控制理論的功能很難令人滿意.由于智能建筑的優(yōu)勢(shì)，比如測(cè)量、記錄和分析數(shù)據(jù)，一些先進(jìn)的方法可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的控制效果和理想效率.

1 控制冷卻準(zhǔn)備時(shí)期

建筑在使用之前，空調(diào)應(yīng)該在開(kāi)始工作時(shí)間之前打開(kāi)，以便能使內(nèi)部環(huán)境達(dá)到滿意的溫度.我們把這段時(shí)間稱為冷卻準(zhǔn)備時(shí)間.如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，一些能源將不可避免地?fù)p失了；如果時(shí)間過(guò)短，就不能滿足溫度要求，如圖1所示的開(kāi)始部分.由于空氣溫度系統(tǒng)的延遲和不同的初始溫度，以及一些其他因素，準(zhǔn)備時(shí)間很難預(yù)測(cè).

在本文中，在智能建筑中，空調(diào)系統(tǒng)的冷卻準(zhǔn)備時(shí)間的預(yù)測(cè)控制通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn).BP網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力和自主性，它適合那些非線性或不確定的控制系統(tǒng).算法可以接近任何非線性映射關(guān)系，而且具有較強(qiáng)的推導(dǎo)能力.因此，它適合于冷卻準(zhǔn)備預(yù)測(cè)控制.準(zhǔn)備時(shí)間Top主要是由室外溫度x1，最初的室內(nèi)溫度x2，房間的體積x3和空調(diào)的功率x4.

(1)

圖1 空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制

對(duì)于一個(gè)給定的建筑物，x3和x4是常數(shù)，所以只有x1和x2是需要測(cè)量的.這個(gè)對(duì)象是一個(gè)典型的MISO非線性系統(tǒng).寶貴的數(shù)學(xué)模型幾乎可以通過(guò)傳統(tǒng)的方式得到.

然而，它可以通過(guò)一個(gè)改進(jìn)的BP算法來(lái)實(shí)現(xiàn).該網(wǎng)絡(luò)是由3層組成，分別是輸入層、隱藏層和輸出層.輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)n1是2，輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)n3是1.隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)n2是7，n2是由經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算：

(2)

因?yàn)锽P算法具有收斂速度慢的缺點(diǎn)，因此，就引入一個(gè)修正變量：

ω(k+1)=ω(k)+a(k)·D(k)

(3)

a(k)=2λ·a(k-1)

(4)

λ=sgn[D(k)·D(k-1)]

(5)

D(k)=-?E(k)/?ω(k)

(6)

式中，ω是權(quán)重；a是研究步驟；D是每級(jí)的次數(shù)；E是誤差，被定義為輸入x和輸出樣本d的函數(shù)：

(7)

2 調(diào)節(jié)時(shí)間的前饋控制

空調(diào)控制調(diào)節(jié)時(shí)間的主要目標(biāo)是溫度.舒適的溫度范圍是18-28度，而且建筑物的溫度應(yīng)該保持在里面.通過(guò)空調(diào)所損耗的能量大約與溫度偏差成比例：

(8)

式中，T0是初始溫度，T(t)內(nèi)部溫度，TAV是平均溫度.

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，與25度相比，在夏季，如果內(nèi)部平均溫度保持在20度，電力能源可以節(jié)省約35%.所以，如果充分利用建筑物的智能監(jiān)控，比如各種各樣的傳感器和控制器，可以調(diào)節(jié)溫度低于上限，從而達(dá)到理想的能源效率.如圖1的中間部分所示，曲線I比曲線II具有更高的控制分辨率和溫度，所以曲線I可以節(jié)省更多的能量.

反饋控制只能減少誤差.然而，由于空調(diào)系統(tǒng)的時(shí)間的滯后和控制的延遲，溫度曲線就會(huì)上下波動(dòng)正如曲線II一樣.因此，本文中提出一種通過(guò)前饋控制的節(jié)能方法，其主要思想是預(yù)先確定控制動(dòng)作的前置時(shí)間以減少控制溫度的超調(diào)量和波動(dòng).

前饋控制和反饋控制不同.它根據(jù)干擾來(lái)做決定.當(dāng)系統(tǒng)的擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，根據(jù)它前置控制輸出控制值，而且最后刪除它.如果算法和參數(shù)是正確的，系統(tǒng)就可以輕易得到高控制分辨率和小波動(dòng)，如圖3所示.通過(guò)閘門管理系統(tǒng)和能量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，它可以使一個(gè)智能建筑“知道”熱的變化趨勢(shì)，就像個(gè)人一樣.在實(shí)際系統(tǒng)中，反饋控制和前饋控制都是用來(lái)獲得高質(zhì)量中央空調(diào)系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié).

圖3 前饋控制系統(tǒng)

如果擾動(dòng)N(s)是可以測(cè)量的，所以由擾動(dòng)引起的誤差Yn(s)將通過(guò)前饋環(huán)Dn(s)來(lái)消除.

Dn(s)G(s)+Gn(s)=0

(9)

所以，前饋控制單元為：

(10)

如果前饋控制和后饋控制都被使用上，控制器可以消除波動(dòng)，此波動(dòng)是由可測(cè)干擾所造成，并且能減少無(wú)法計(jì)量的干擾，而且，反饋也具有檢測(cè)控制結(jié)果的功能.前饋和后饋控制器可以大大提高控制解決方案，并獲得滿意的控制效果和能源效率.采用MATLAB數(shù)字仿真系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制的測(cè)試.如圖4所示，曲線2具有準(zhǔn)確的前饋功能，沒(méi)有誤差；曲線3的前饋功能是不準(zhǔn)確的，存在擾動(dòng)，有一些小誤差；曲線1只具有反饋功能，有較大的誤差.

圖4 仿真結(jié)果

3 開(kāi)關(guān)時(shí)間補(bǔ)償函數(shù)

空調(diào)停止后，因?yàn)橄到y(tǒng)的特性，內(nèi)部的溫度不會(huì)迅速變化.這是系統(tǒng)中的一種慣性.如果利用這個(gè)因素，在停止工作的時(shí)間之前來(lái)完成空調(diào)的控制，將不會(huì)引起溫度的不滿足.在空調(diào)系統(tǒng)中，這是另一個(gè)重要的節(jié)能測(cè)量，如圖1的結(jié)束部分所示.先前的開(kāi)關(guān)時(shí)間是由許多因素決定的，比如空調(diào)的電源，辦公設(shè)施和人員的熱量流失，建筑的體積，當(dāng)前溫度等，以及一些不確定的因素，所以很難預(yù)測(cè).

之前的關(guān)閉時(shí)間早于結(jié)束時(shí)間，所以有必要保持理想溫度.因?yàn)橛性S多隨機(jī)擾動(dòng)發(fā)生在結(jié)束時(shí)間之前，比如關(guān)閉許多辦公設(shè)施和增加員工的運(yùn)動(dòng)，所以準(zhǔn)確的之前關(guān)閉時(shí)間的函數(shù)是不可能實(shí)現(xiàn)以便處理這樣一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng).為了減少困難，這里使用補(bǔ)償函數(shù)，如下所示,

(11)

式中，Top是預(yù)測(cè)先前的關(guān)掉時(shí)間；P(i-1)是一個(gè)補(bǔ)償函數(shù)；i-1意味著昨天的參數(shù)；Ej表示最強(qiáng)的四個(gè)因素，分別是在前30分鐘的電力消費(fèi)，建筑物中員工的平均數(shù)量，建筑的內(nèi)部和外部平均溫度；k表示他們的體重.對(duì)于大多數(shù)運(yùn)行穩(wěn)定的智能建筑,第一和第二因素可以視為常數(shù)k0，盡管有一些偏差.因此，式(11)可以簡(jiǎn)化如下，

(12)

式中，k0，k1，k2可以通過(guò)歷史數(shù)據(jù)的回歸計(jì)算.

補(bǔ)償函數(shù)P(x)是一個(gè)用于非線性優(yōu)化問(wèn)題的方法，它把有限的極值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)限的極值問(wèn)題.把極小函數(shù)P(x)作為上面提到的條件，所以其定義方程應(yīng)該是：

(13)

式中，M是補(bǔ)償因子，它代表前幾天的預(yù)期偏差值，f(x)是求極值的目標(biāo)函數(shù)，該極值滿足以下條件,

gi(x)≥0,i=1,2,……，m

(14)

引入一個(gè)正函數(shù)：

(15)

當(dāng)限制條件不能滿足時(shí)，式(15)是正的，所以P(x)將隨M增加.因此，看起來(lái)像一個(gè)補(bǔ)償(當(dāng)不滿足條件時(shí)).當(dāng)限制條件可以滿足時(shí)，式(15)是0，因此P(x)就等于f(x)，無(wú)論M多大.看起來(lái)像沒(méi)有補(bǔ)償(當(dāng)滿足條件時(shí)).

它是很容易把上面提到的方法付諸到實(shí)踐中.在預(yù)測(cè)前關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)，其條件是：有足夠的數(shù)據(jù)可用，它可以實(shí)現(xiàn)良好的控制效果以及良好的能量效率.補(bǔ)償因子M，它代表了往日的誤差，它將函數(shù)作為一個(gè)校正者來(lái)預(yù)測(cè)今日的誤差.因此，預(yù)測(cè)值將更接近每日的最優(yōu)值.

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