樓宇自動化及控制系統(tǒng)的性能優(yōu)化分析框架

李 章 溢

(欣旺達電子股份有限公司, 廣東 深圳 518108)

0 引 言

建筑技術(shù)和建筑服務(wù)導(dǎo)致環(huán)境影響力逐漸降低,這對當(dāng)今全球可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。事實上,目前住宅建筑和商業(yè)建筑的能源消耗占全球初級能源消耗的30%以上。為應(yīng)對能源效率和可再生能源生產(chǎn)的問題,一種新的建筑范式,即“近零能耗建筑”應(yīng)運而生。“近零能耗建筑”范式既可應(yīng)用于新建筑的搭建,也可用于舊建筑的翻新,以促進建筑環(huán)境的徹底改造。然而,人們越來越關(guān)注模擬能量性能與實測能量性能之間的不匹配。從根本上說,差距大小由設(shè)計階段的錯誤、施工階段的錯誤、調(diào)試和運行階段的錯誤來決定。為了將這些錯誤帶來的影響保持在可接受和可量化的范圍內(nèi),應(yīng)在建筑生命周期中采用適當(dāng)?shù)闹笜撕突鶞什呗?并將其貫穿整個行業(yè)的價值鏈。鑒于其建筑技術(shù)管理能力,樓宇自動化及控制系統(tǒng)(BACS)是實現(xiàn)這個方向發(fā)展的基本授權(quán)平臺。

1 樓宇自動化及控制系統(tǒng)

樓宇自動化及控制(BAC)是用于自動控制、監(jiān)控和優(yōu)化、人為干預(yù)和管理,以實現(xiàn)建筑物服務(wù)設(shè)備的節(jié)能、經(jīng)濟和安全運行的產(chǎn)品、軟件和工程服務(wù)。BACS包括與BAC相關(guān)的所有產(chǎn)品和工程服務(wù),BACS的替代術(shù)語是建筑管理系統(tǒng)。建筑技術(shù)管理涉及與建筑物和技術(shù)系統(tǒng)的運行、管理相關(guān)的所有過程、服務(wù)。目前,物聯(lián)網(wǎng)可以有效地支持BACS和建筑技術(shù)管理的未來發(fā)展。

1.1 建筑性能模擬和控制

目前,用于其他領(lǐng)域的最先進的方法和模型在AEC領(lǐng)域并沒有得到廣泛應(yīng)用。在設(shè)計方面,無法快速評估不同配置,從而產(chǎn)生通常情況下的“一切正常”的解決方案。在控制方面,可將具體知識添加到建筑設(shè)計過程中,包括通過使建筑運營適應(yīng)不斷變化的環(huán)境來維持所要求的性能水平的原則和方法。如果認為與“性能差距”有關(guān)的根本問題之一是“耐氣候變化”建筑物和“耐居住”建筑物的設(shè)計,則這些因素尤為重要。對建筑物或建筑物群集動態(tài)操作的優(yōu)化需要對合適的模型加以識別,而這些模型由高性能求解器實時求解。在模型驗證、測定和校準時,還應(yīng)考慮不確定性和敏感性的分析問題。雖然目前已開始出現(xiàn)統(tǒng)一架構(gòu)的模型,但通常不會多規(guī)模應(yīng)用設(shè)定與最優(yōu)化模型協(xié)同工作的故障檢測、診斷和預(yù)測的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型。

1.2 數(shù)據(jù)分析和性能跟蹤

能耗和異常檢測的趨勢分析是建筑性能模擬和監(jiān)測中經(jīng)常遇到的問題。模擬可以用來確定不同的運行軌跡,這些軌跡可與真實軌跡進行對比,有利于能量性能模型校準。使用能量模型進行性能基準測試對于檢測系統(tǒng)、子系統(tǒng)和設(shè)備的性能下降至關(guān)重要。因此,數(shù)據(jù)分析的發(fā)展對于確保整個生命周期內(nèi)有效的建筑運營至關(guān)重要。數(shù)據(jù)分析的作用可以體現(xiàn)在建筑的設(shè)計和運行兩方面。首先,可以通過性能跟蹤來改善運行,再通過更透明的方式分析和總結(jié)典型的、經(jīng)常性的設(shè)計和施工錯誤來改進設(shè)計。目前,很少有人關(guān)注早已出現(xiàn)在設(shè)計階段的系統(tǒng)級診斷;當(dāng)前采用的是傳統(tǒng)故障檢測和診斷,主要集中在組件和子系統(tǒng)層面。低能耗建筑物在系統(tǒng)、子系統(tǒng)和設(shè)備性能之間呈現(xiàn)更緊密的耦合和依賴關(guān)系。因此,必須開發(fā)工具來提取針對全球效應(yīng)的診斷和預(yù)測信息。

1.3 傳感器和執(zhí)行器

傳感器是測量物理量并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字或模擬信號的設(shè)備,在控制系統(tǒng)中與執(zhí)行器一起使用。執(zhí)行器是能夠?qū)⒖刂菩盘栠B接到受控設(shè)備的控制設(shè)備,將來自傳感器的信號轉(zhuǎn)換為設(shè)備的動作。執(zhí)行器在基礎(chǔ)或高級控制系統(tǒng)中以不同的方式使用:第一種情況,執(zhí)行器須管理傳感器信息,并直接執(zhí)行控制功能;第二種情況,執(zhí)行器由管理控制層(從傳感器獲取數(shù)據(jù))控制,因此不直接發(fā)揮作用。下面討論與實時建筑運營相關(guān)的影響能源建模中幾種假設(shè)的兩個基本方面。

1.3.1 占用檢測和行為建模

占用檢測為內(nèi)部舒適度和節(jié)能提供良好的折衷方案,盡管目前占用檢測主要與通風(fēng)和照明控制有關(guān)。發(fā)生在建筑物區(qū)域并對能量性能有影響的動態(tài)變化包括居住、照明、電器、通風(fēng)(自然/機械)、舒適條件。根據(jù)暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)的具體類型,通風(fēng)控制的根本是調(diào)節(jié)空氣變化率,使之滿足熱負荷和室內(nèi)空氣質(zhì)量要求?？刂葡到y(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)空氣變化率(特別是室外新鮮空氣部分)到熱區(qū)的實際占用水平,從而減少通風(fēng)和空氣處理過程中的能源浪費。這一系統(tǒng)的術(shù)語是需求控制通風(fēng)系統(tǒng)。需求控制通風(fēng)系統(tǒng)可以獲得的節(jié)能量在很大程度上取決于這兩個參數(shù)。

1.3.2 室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量分析和控制

室內(nèi)空氣質(zhì)量與入住率有關(guān),是室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的一個子集。熱舒適性是室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的相關(guān)部分,溫度控制是基本要素。HVAC系統(tǒng)中,內(nèi)部空氣溫度通常是主要的受控變量,通過經(jīng)驗舒適性模型,被用作檢測是否有人居住。另外,濕度、輻射溫度和氣流速度等其他因素也會影響舒適度,但溫度控制仍是確保熱舒適度的基本要素。濕度可能被感知為相對濕度、露點溫度或濕球溫度,但相對濕度是最常見的測量量。一般,檢查和校準傳感器是必需的。

2 控制基本原理、策略和模型

控制理論和過程控制融合數(shù)學(xué)、物理和工程知識?？刂茟?yīng)用程序從根本上處理兩個主要方面:將過程或系統(tǒng)維持在受控的運行狀態(tài)和設(shè)定點,并管理從一個運行狀態(tài)到另一個運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換?？刂频哪康氖潜ＷC過程或系統(tǒng)根據(jù)自身特點保持在特定的條件下(如效率、成本、安全等性能標準),控制的目標是能夠從一種運行狀態(tài)切換到另一種運行狀態(tài),并因此使過程或系統(tǒng)的運行適應(yīng)各種可能的條件和限制。

2.1 控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)集成

傳感器和執(zhí)行器是用于執(zhí)行控制行為的設(shè)備。HVAC系統(tǒng)中最常見的物理設(shè)備是閥門和阻尼器(分別用于控制水或氣流)、泵和風(fēng)扇(用于控制回路內(nèi)水或空氣的壓力)、電動機(用于可移動遮陽設(shè)備)。BACS主要包括基礎(chǔ)控制層和管理控制層。通常,基礎(chǔ)控制層由單輸入單輸出控制器組成,這些控制器用于不同建筑區(qū)域和子區(qū)域以及技術(shù)設(shè)施(如終端設(shè)備,發(fā)電機等)的設(shè)定點跟蹤。管理控制層包括人工操作員或自動化能源管理系統(tǒng),可被視為多輸入/多輸出系統(tǒng)。BACS方案如圖1所示。

圖1 BACS方案

2.2 控制模式和策略

在反饋控制中,控制器的作用是盡量減少實際值與目標值之間的差異(誤差)。最簡單和最常用的控制模式之一是開/關(guān)模式。PI和PID控制器可在不了解物理現(xiàn)象的情況下改善控制性能,但是需要使用者對其正確地調(diào)整,而這點很少付出實踐。事實上,能源性能和室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量相互影響,這尤為重要。集成模型不僅要預(yù)測受控環(huán)境在多個層面的行為,還要從實際操作條件中學(xué)習(xí)操作設(shè)置,以優(yōu)化控制策略。建筑集成控制的發(fā)展也與工程中利用高性能計算技術(shù)和軟件的建模及模擬工具的快速發(fā)展密切相關(guān)。綜上所述,以性能優(yōu)化為目標的集成控制必然需要多輸入多輸出的建模策略。

績效評價包括基本支出績效評價、項目支出績效評價和部門整體支出績效評價，以項目支出為重點，重點評價一定金額以上的涉及民生項目、政府重點投資項目、或具有重要社會影響和經(jīng)濟影響的項目。根據(jù)財政支出實際情況和管理工作的需要，可對財政支出采取績效自評、重點評價、第三方評價等多種方式。各部門和單位可建立自己的績效評價模板，明確評價對象、評價范圍、評價方法等，提升績效評價工作的規(guī)范性，提高其工作效率。制定評價方案時要充分考慮單位的實際情況，可由各部門編制績效自評報告后由預(yù)算歸口部門匯總并審核，得到績效評價報告（具體流程如圖6）。

2.3 規(guī)則型控制和模型型控制

每個系統(tǒng)可以由傳感器和執(zhí)行器(無需提前了解物理現(xiàn)象)進行直接控制或由預(yù)測系統(tǒng)行為的模型(了解潛在的物理現(xiàn)象)進行間接控制。通常,“樓宇自動化”指的是根據(jù)直接邏輯運行各個設(shè)備組件的基本系統(tǒng),通常遵循預(yù)先設(shè)定的規(guī)則,這些規(guī)則通常按照“初始條件下開始執(zhí)行”的方案進行設(shè)定,其中初始條件由傳感器控制,而執(zhí)行器直接對單個元件和功能進行執(zhí)行。這些系統(tǒng)是規(guī)則型控制系統(tǒng)(RBC)[1],并且集成房間自動化的最新控制技術(shù)。正確選擇規(guī)則和相關(guān)參數(shù)是RBC成功運行的必要條件。

使用模型來模擬建筑物行為的間接邏輯是另一種完全不同的控制方法,通過比較不同的控制策略而選擇最優(yōu)策略。因此,該系統(tǒng)不會按照預(yù)定的規(guī)則來運行,能夠適應(yīng)各種各樣的情況,甚至適用于規(guī)則本身未考慮到的情況。這種方法是模型型控制(MBC),與RBC相比,更復(fù)雜,因在建模過程中需要花費更多精力。盡管如此,MBC方法非常有趣,因能夠根據(jù)性能指標(如能源、成本、排放)來描述某個過程或系統(tǒng)的重要方面。從本質(zhì)上講,MBC策略可以捕捉RBC策略無法有效捕捉的復(fù)雜動態(tài)互聯(lián),盡管通過規(guī)則學(xué)習(xí)法,模擬MBC也可衍生為RBC策略。

2.4 建筑物和控制模型

研究表明,具有預(yù)測能力的模型型控制,即模型預(yù)測控制(MPC),是目前最有前途的建筑控制和能源管理方法。盡管系統(tǒng)建模和識別具有扎實的理論基礎(chǔ),但要將其應(yīng)用到實時建筑操作中卻很困難。一直以來,建筑能源模擬均集中在建筑設(shè)計階段,但建模策略可通過采用模型減少技術(shù)而應(yīng)用于建筑運行階段[2]。一些研究報告強調(diào),通常用于性能模擬(基于物理模型)的詳細動態(tài)模型不適用于MPC。用于建筑性能評估的模型可分為白箱模型、灰箱模型和黑箱模型。

2.4.1 白箱模型

白箱模型用于建筑能源模擬而非在線MPC,在控制應(yīng)用方面應(yīng)被視為一種補充工具。由于優(yōu)化問題的維度和建筑物模擬中物理現(xiàn)象的詳細描述所確定的非線性,協(xié)同仿真非常耗時,因此對于工業(yè)實施和促進MPC的大量擴散而言不具有成本效益。

2.4.2 灰箱模型

灰箱模型既可用于建筑能源模擬,又可用于MPC。事實上,灰箱模型在建筑動態(tài)預(yù)測中提供足夠的準確度,同時公式簡單、易于計算。此外,很容易從測量數(shù)據(jù)中識別出模型參數(shù),保留模型本身的透明度(簡化的物理/建模)。顯然,模型結(jié)構(gòu)(用于模型縮減)的定義通常取決于模型的特定用途。尺寸的減小對于計算特別重要,并且大多數(shù)公式都是基于集中參數(shù),特別是基于熱過程的阻容類比。

2.4.3 黑箱模型

數(shù)據(jù)驅(qū)動模型可以替代詳細和簡化的物理模型。原則上,建筑性能評估以統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。系統(tǒng)識別的目標是通過線性、非時變和時間離散模型來描述過程。一般,統(tǒng)計和機器學(xué)習(xí)技術(shù)可幫助確定輸入/輸出關(guān)系。

3 BACS和建筑能源管理

3.1 負荷管理和性能優(yōu)化

負荷管理的優(yōu)勢不僅與節(jié)能有關(guān),而且與能源服務(wù)成本的降低有關(guān)。負荷管理的典型例子是建立預(yù)熱/預(yù)冷機制,其效果是改變高峰負荷。需要強調(diào)的是,理論上人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其他機器學(xué)習(xí)技術(shù)可以通過長時間學(xué)習(xí)來逐步提高性能,但為了透明地比較節(jié)能方面的結(jié)果,須將天氣、占用率和運行時間表(運行期)方面的消耗數(shù)據(jù)標準化。

3.2 性能監(jiān)測、跟蹤和數(shù)據(jù)分析

監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析對于適當(dāng)?shù)恼{(diào)試和性能跟蹤至關(guān)重要,模型校準和性能基準也是必不可少的管理工具。研究表明,對現(xiàn)有的控制系統(tǒng)進行簡單調(diào)整就可以確保適度的節(jié)能。要不斷地進行校準和調(diào)整,否則即使有詳細的設(shè)計階段模擬也無法確保實時操作中的能量效率。所以,有必要開發(fā)BACS應(yīng)用程序,通過可視化工具透明地識別并顯示節(jié)能結(jié)果。對成本優(yōu)勢的透明評估是促進高級BACS應(yīng)用開發(fā)的另一問題。如果輔以數(shù)據(jù)分析,建筑技術(shù)管理的潛力可極大提高。

4 結(jié) 語

建筑能源設(shè)計和運行的新范式和新實踐的快速發(fā)展正面臨這樣的問題:預(yù)測(設(shè)計階段)和測量(運行階段)能量性能之間的差距。這一問題尤其與低能耗建筑或近零能耗建筑密切相關(guān)。整個建筑生命周期出現(xiàn)的錯誤決定這種差距的大小,而這種差距又決定建筑行業(yè)以及可持續(xù)實踐的可信度。建筑物的節(jié)能潛力與調(diào)試、性能跟蹤和先進控制策略有關(guān)。這些應(yīng)用程序可能會從連接建筑物性能模擬、控制和數(shù)據(jù)分析的統(tǒng)一方法中獲益,然而目前尚未出現(xiàn)這種將上述方法無縫結(jié)合的方法。通過共同的性能指標(如能量、排放、成本、舒適度等)以及可互操作的多個應(yīng)用程序之間的共享數(shù)據(jù),來提高建筑生命周期不同階段基于模型的性能評估的透明度。需要強調(diào)的是,除了工具之外,還需建立新的數(shù)據(jù),以實現(xiàn)建筑環(huán)境的可持續(xù)性。另外,可視化策略對于快速、清晰地顯示建筑物是否在適當(dāng)范圍內(nèi)運行十分必要。從這個意義上說,BACS可以充當(dāng)一種促成技術(shù),不斷地收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)可視化,并制定適應(yīng)性和預(yù)測性的控制策略。