基于智能化建筑電氣節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的分析

王亞

摘 要 基于智能化建筑的分布式能源系統(tǒng)由于有效利用發(fā)電機(jī)的余熱，具有很高的節(jié)能潛力，已經(jīng)開發(fā)并提出了使用遺傳算法（GA）建立能源系統(tǒng)或分布式能源系統(tǒng)的新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。GA可以處理非線性優(yōu)化問題。本文針對(duì)建立分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提出了單體建筑電氣節(jié)能的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞 智能化建筑；電氣節(jié)能；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 分布式能源系統(tǒng)

分布式能源系統(tǒng)有望有效地?cái)U(kuò)大可再生能源或未使用能源的使用，或提高能源效率作為本地能源網(wǎng)絡(luò)。基于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的分布式能源系統(tǒng)由于有效利用發(fā)電機(jī)的余熱，具有很高的節(jié)能潛力[1]。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

關(guān)于能量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，一些研究人員開發(fā)并提出了應(yīng)用一些優(yōu)化技術(shù)的方法。一些研究人員基于線性規(guī)劃（LP）建立了優(yōu)化模型，但是LP很難檢驗(yàn)具有非線性特征的近期機(jī)器應(yīng)用。考慮到這個(gè)問題，可以將GA應(yīng)用于建筑電氣節(jié)能控制參數(shù)的優(yōu)化，使用GA進(jìn)行復(fù)雜能量系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化。在一些先前的研究中，一些研究人員已經(jīng)開發(fā)并提出了使用遺傳算法（GA）建立能源系統(tǒng)或分布式能源系統(tǒng)的新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

3 模型建立

3.1 能源系統(tǒng)建模

為了計(jì)算系統(tǒng)的能耗，系統(tǒng)模型由燃料資源，系統(tǒng)機(jī)械和能源需求三個(gè)要素組成。有三種類型的燃料資源：燃?xì)?、電力和太陽能。有四種類型的能源需求：冷卻需求（CD），供熱需求（HD），熱水需求（WD），電力需求（ED）。

3.2 編碼

當(dāng)與GA操作員進(jìn)行機(jī)械組合時(shí)，選擇機(jī)械容量作為編碼信息。編碼有16個(gè)與輸出形式有關(guān)的單元。每臺(tái)機(jī)器都有兩個(gè)單元。光伏發(fā)電系統(tǒng)（PV）的信息以平方尺度進(jìn)行設(shè)置。

在分析中，需求數(shù)據(jù)用于熱電聯(lián)產(chǎn)評(píng)估和設(shè)計(jì)III的計(jì)算機(jī)輔助模擬（CASCADEIII）的默認(rèn)數(shù)據(jù)提供。每個(gè)需求數(shù)據(jù)被分為[kW/m2]或[kWh/m2]。要根據(jù)計(jì)算中的值，選擇每個(gè)季節(jié)的代表數(shù)據(jù)。8月份為夏季需求，4月份為春季需求，1月份為冬季需求。將每個(gè)月的代表日24小時(shí)設(shè)定為計(jì)算的輸入數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫包含有關(guān)機(jī)器容量、燃料消耗、初始成本、運(yùn)行成本、重量以及放置所需維護(hù)空間的必要空間的信息。構(gòu)建數(shù)據(jù)庫是為了能夠用編碼信息進(jìn)行計(jì)算。從制造商的目錄或已發(fā)布的文檔中搜索和匯編必要的數(shù)據(jù)。

3.4 機(jī)械性能

圖1顯示了吸收式制冷機(jī)（AR）、熱泵系統(tǒng)（HP）、燃?xì)忮仩t（GB）和共生系統(tǒng)（CGS）等機(jī)械的性能曲線。性能曲線成為除GB以外的機(jī)器負(fù)載率的非線性函數(shù)。機(jī)械效率定義為性能燃料消耗率。使用GA的優(yōu)化技術(shù)可以非常有效地通過非線性機(jī)械特性來改變機(jī)械容量或負(fù)載因子。機(jī)械數(shù)據(jù)是指建筑環(huán)境與節(jié)能研究所（IBEC）基于節(jié)能方法發(fā)布的CEC/AC計(jì)算程序“BECS/CEC/AC for Windows”。CGS的機(jī)械能力采用了制造商目錄價(jià)值，但計(jì)算設(shè)備的發(fā)電效率固定值為45.6%，排氣熱效率約為機(jī)械效率的31.4%。燃料消耗效率是指AR的信息并進(jìn)行計(jì)算。商用電的發(fā)電效率采用1500度聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)（MACC）的52.8%（發(fā)電機(jī)邊緣效率）。

3.5 成本計(jì)算

在本研究中，初始成本和運(yùn)行成本都作為成本參數(shù)進(jìn)行檢查。商業(yè)用電的能源價(jià)格為28.28[JPY/kWh]，城市燃?xì)獾哪茉磧r(jià)格為131.85[JPY/m3（N），在本研究中均為恒定值。每臺(tái)機(jī)器的初始成本按下面的公式計(jì)算。

Fcst是機(jī)器的初始成本，xcapa是機(jī)器的容量（染色體信息）。

成本的目標(biāo)包括初始成本、機(jī)器價(jià)格和安裝成本，以及基于能源價(jià)格的運(yùn)行成本。此外，關(guān)于總機(jī)械重量和體積的目標(biāo)被設(shè)定為建筑結(jié)構(gòu)因素。

4 討論和結(jié)果分析

4.1 帕累托最優(yōu)解

圖2顯示了帕累托最優(yōu)解的分布。其橫軸表示三天的一次能耗，縱軸表示初始運(yùn)行成本。所有點(diǎn)都在第100代中運(yùn)行。黑點(diǎn)表示本案例研究的帕累托最優(yōu)解。在這兩個(gè)目標(biāo)之間，存在權(quán)衡關(guān)系。另一方面，其他目標(biāo)之間存在直接的比例關(guān)系。

4.2 機(jī)械組合比較

在系統(tǒng)中，來自兩個(gè)CGS的廢熱全天運(yùn)行應(yīng)用于基本負(fù)載，并且在某些白天峰值負(fù)載中，其他機(jī)器工作。在中期，為WD供應(yīng)廢熱，因此不需要其他WD機(jī)器。另一方面，兩個(gè)AR在冬季和夏季全天運(yùn)行。AR在容量方面差別不大，優(yōu)先運(yùn)營(yíng)與需求情況相關(guān)的AR。該結(jié)果表明，根據(jù)系統(tǒng)的機(jī)械組合，存在最佳操作模式。該設(shè)計(jì)方法為能源系統(tǒng)工程師提供了最佳操作指南。

在本案例研究中，完成所有10，000次運(yùn)行需要4個(gè)半小時(shí)。這個(gè)計(jì)算是在POWER5+1.5GHz和2GBRAM的計(jì)算機(jī)上完成的。關(guān)于PC的當(dāng)前進(jìn)展，顯然該方法的應(yīng)用不需要特殊硬件。因此，計(jì)算時(shí)間足以適應(yīng)實(shí)際使用。

5 結(jié)束語

本項(xiàng)研究改進(jìn)了傳統(tǒng)的建筑電氣節(jié)能模型，以便能夠使用多目標(biāo)遺傳算法（MOGA）檢查具有各種目標(biāo)的能量系統(tǒng)，并計(jì)算案例研究以檢驗(yàn)其模型的驗(yàn)證。案例研究結(jié)果顯示了帕累托最優(yōu)解的結(jié)果分布。案例研究結(jié)果還表明，根據(jù)系統(tǒng)的機(jī)械組合，存在最佳操作模式。這意味著該模型有可能為建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)提供最佳優(yōu)化方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 張東棟.基于智能化建筑電氣節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的分析[J].電子測(cè)試，

2016，（17）：146.