醫(yī)院建筑中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究

丁欣之

（江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技發(fā)展中心，南京 210036）

在公共建筑的全年能源使用去向中，大約50%～60%用于供暖空調(diào)與制冷系統(tǒng)，可見中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行已成為建筑節(jié)能不可或缺的一部分。醫(yī)院作為典型的公共建筑，其建筑健康發(fā)展和空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行更值得關(guān)注。

1 醫(yī)院建筑中央空調(diào)系統(tǒng)能耗分析

以無錫市某醫(yī)院建筑為例，研究中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行特性。多數(shù)情況下，公共建筑中央空調(diào)系統(tǒng)夏季運(yùn)行時(shí)間較長，該醫(yī)院建筑中央空調(diào)系統(tǒng)共有三個(gè)分區(qū)，分別為A區(qū)、D區(qū)和G區(qū)，各分區(qū)空調(diào)系統(tǒng)在制冷季的運(yùn)行時(shí)段為每年的5～10月，在對(duì)目標(biāo)醫(yī)院建筑中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能診斷時(shí)，以醫(yī)院A區(qū)（主要功能為門診）為例，并簡化建筑模型，利用DeST軟件平臺(tái)，分析建筑的全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性，公共建筑模擬時(shí)間為8：00～18：00，目標(biāo)醫(yī)院A區(qū)全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷如圖1所示。

特點(diǎn)與普通公共建筑差異較大，表現(xiàn)在全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性圖上也有所不同，目標(biāo)醫(yī)院建筑的夏季制冷期較長，且制冷期總的冷負(fù)荷較大。制冷期間，中央空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備制冷季運(yùn)行功率如圖2所示。

從圖2上可以看到，在空調(diào)機(jī)組運(yùn)行過程中，相對(duì)于冷凍水泵、冷卻水泵及二次冷凍泵等，主機(jī)的運(yùn)行功率要高很多，且隨著系統(tǒng)冷負(fù)荷的變化呈現(xiàn)大幅度上升或者下降趨勢，因此，主機(jī)的節(jié)能性是空調(diào)系統(tǒng)能效的重要影響因素。另一方面，主機(jī)的運(yùn)行特性受環(huán)境溫度制約，環(huán)境溫度的波動(dòng)影響著主機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

表1 基于冷水機(jī)組效率負(fù)荷特性的群控策略

2 中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制方案

本文在研究目標(biāo)醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制方案時(shí)，冷水機(jī)組選用了基于冷水機(jī)組能耗特性的群控策略，冷凍水系統(tǒng)采用智能模糊預(yù)測控制方案，冷卻水系統(tǒng)采用基于自適應(yīng)算法的冷卻水泵節(jié)能控制[1-2]。

2.1 自適應(yīng)模糊PID控制

2.1.1 冷水機(jī)組節(jié)能控制技術(shù)

針對(duì)目標(biāo)醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，基于冷水機(jī)組效率負(fù)荷特性的群控方案見圖3。主機(jī)效率負(fù)荷特性的群控流程描述為：根據(jù)制冷機(jī)組COP、主機(jī)冷凝溫度、環(huán)境總負(fù)荷、機(jī)組負(fù)荷率、主機(jī)蒸發(fā)溫度及外界濕球溫度，再基于控制系統(tǒng)相關(guān)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，利用自適應(yīng)模糊PID技術(shù)，建立機(jī)組最佳效率模型算法，結(jié)合控制系統(tǒng)預(yù)測到的未來時(shí)刻負(fù)荷變化趨勢，得到機(jī)組效率群控策略，進(jìn)而選擇出效率最高的運(yùn)行機(jī)組組合。基于冷水機(jī)組效率負(fù)荷特性的群控策略見表1。

2.1.2 冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制技術(shù)

冷卻水系統(tǒng)的自適應(yīng)節(jié)能控制流程描述為：根據(jù)制冷機(jī)組的排熱負(fù)荷、冷卻水泵特性、冷卻塔額定散熱量、環(huán)境負(fù)荷率、冷卻水溫度及外界濕球溫度，基于相關(guān)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過數(shù)學(xué)方法建立冷卻水最佳效率算法模型，結(jié)合冷卻水自適應(yīng)算法得到最佳冷凝器中點(diǎn)溫度。從控制原理上來看，與冷凍水系統(tǒng)智能模糊預(yù)測控制類似，冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能控制也是以溫度為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)冷卻水流量來適應(yīng)制冷機(jī)組排熱負(fù)荷的變化。冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化控制流程圖如圖4所示。

2.2 智能模糊預(yù)測控制

智能模糊預(yù)測控制理論主要運(yùn)用于冷凍水系統(tǒng)的控制，通過水泵變頻實(shí)現(xiàn)，冷凍水流量的變化以其供回水溫差或者供回水壓差為固定變量，它隨用戶端負(fù)荷的變化而改變[3-5]，冷凍水系統(tǒng)模糊優(yōu)化控制原理如圖5所示。

由此，整個(gè)冷凍水系統(tǒng)智能模糊預(yù)測控制流程描述為：在某一環(huán)境溫度下，控制系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測器基于負(fù)荷數(shù)據(jù)庫預(yù)測出相應(yīng)時(shí)刻下的空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷，再根據(jù)相對(duì)應(yīng)的溫度及壓力保護(hù)限值，模糊控制器進(jìn)行模糊化處理、模糊化推理和清晰化處理，并將處理結(jié)果反饋給執(zhí)行器控制柜，進(jìn)而控制冷凍水泵，調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行。冷凍水泵經(jīng)調(diào)節(jié)運(yùn)行后，由傳感器獲得水泵的供回水溫度、回水流量和供回水壓差等，基于此反饋，再進(jìn)行信息處理與負(fù)荷計(jì)算，將結(jié)果傳遞給模糊控制器，如此循環(huán)控制。

2.3 系統(tǒng)自適應(yīng)模糊預(yù)測控制

與常規(guī)PID控制相比，智能預(yù)測模糊控制包含了負(fù)荷預(yù)測器和模糊控制器這兩個(gè)關(guān)鍵部件，智能模糊預(yù)測控制系統(tǒng)流程如圖6所示，其中負(fù)荷預(yù)測器是對(duì)未來某一時(shí)刻環(huán)境負(fù)荷的預(yù)測，本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測[6-7]。環(huán)境影響因子作為模糊控制器的輸入，但考慮本課題自身特點(diǎn)，無法將環(huán)境影響因子一一列入，因而環(huán)境影響因子帶來的負(fù)荷變化反饋到系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備的特性上，如冷凍水泵流量等。

夏季制冷時(shí)，冷凍水泵流量變化過程比較緩慢，再結(jié)合冷凍水系統(tǒng)智能模糊預(yù)測控制示意圖分析，對(duì)兩個(gè)輸入變量和三個(gè)輸出變量均選用三角形隸屬度函數(shù)[8]。

在對(duì)智能模糊預(yù)測控制系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)仿真之前，需要對(duì)一些仿真參數(shù)進(jìn)行確定，本文研究的智能模糊預(yù)測控制系統(tǒng)中包含傳感器對(duì)冷凍水回水溫度和流量等的感應(yīng)，而冷凍水泵至傳感器之間存在一定的距離，因而需考慮此過程的滯后時(shí)間。此外，結(jié)合冷水機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，將冷凍水流量控制的數(shù)學(xué)模型簡化為二階慣性加純滯后的典型動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)，表示如下：

式中，G（s）為簡化后的冷凍水流量控制數(shù)學(xué)模型；s為時(shí)間變量。

智能模糊預(yù)測控制器和常規(guī)PID控制器響應(yīng)曲線對(duì)比，如圖7所示，紅色實(shí)線表示為模糊預(yù)測控制系統(tǒng)模擬條件下的響應(yīng)曲線，藍(lán)色虛線表示為常規(guī)PID控制系統(tǒng)模擬條件下的響應(yīng)曲線，在兩者對(duì)應(yīng)的被控對(duì)象模型和系統(tǒng)各仿真參數(shù)均相同的情況下，智能模糊預(yù)測控制不容易發(fā)生振蕩，也無超調(diào)，相比而言，常規(guī)PID控制會(huì)產(chǎn)生一定幅度的振蕩，且達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較智能模糊預(yù)測控制有一定的延遲，因此，在中央空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測系統(tǒng)中應(yīng)用智能模糊預(yù)測控制器，對(duì)于系統(tǒng)反應(yīng)速度的提高和系統(tǒng)節(jié)能控制方案的完善將具有實(shí)際應(yīng)用意義。

3 結(jié)語

本文說明了應(yīng)用在冷水機(jī)組和冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能控制自適應(yīng)模糊—PID控制理論，闡述了在冷凍水系統(tǒng)節(jié)能控制上的智能模糊預(yù)測控制理論應(yīng)用。結(jié)果表明：模糊PID控制技術(shù)控制效果優(yōu)于常規(guī)PID控制技術(shù)；系統(tǒng)采用節(jié)能控制方案后，節(jié)能效益和環(huán)境效益明顯提高。尤其對(duì)醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中存在的“兩低一高”難題提供了解決思路，同時(shí)為醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行管理人員提供經(jīng)驗(yàn)借鑒和指導(dǎo)。