基于建筑能耗模型的中央空調(diào)預(yù)測控制研究

林凱威 陳振乾

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的提高，人們對生活環(huán)境的要求越來越高，中央空調(diào)在人們的生活中隨處可見，而中央空調(diào)系統(tǒng)運行帶來的能源浪費問題也隨之而來。比如：其在調(diào)節(jié)空氣參數(shù)的過程流量、溫度的不匹配，會造成大量的能源浪費。因此現(xiàn)代化建筑中央空調(diào)系統(tǒng)不僅需對環(huán)境中空氣參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格地控制，還需要盡可能地減少能源浪費的現(xiàn)象?，F(xiàn)在自動化控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于中央空調(diào)的控制上，不僅可以減少人工成本使中央空調(diào)自動化，還能實現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運行[1]。大部分情況下中央空調(diào)系統(tǒng)都是按照最大負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計的，這導(dǎo)致了其大部分時間都運行在部分負(fù)荷工作狀態(tài)下，因此空調(diào)節(jié)能運行至關(guān)重要[2]。中央空調(diào)系統(tǒng)是一個典型的混雜系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含連續(xù)變量，傳統(tǒng)控制方法通過測量建筑物內(nèi)部熱工參數(shù)（例如供回水溫差）來調(diào)整中央空調(diào)系統(tǒng)的運行狀態(tài)。由于影響建筑能耗的因素經(jīng)由外界傳遞到空調(diào)系統(tǒng)中存在著時間滯后，往往得不到良好的控制效果[3]。近期預(yù)測算法被越來越多地應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)控制，但預(yù)測算法的計算往往需要大量的運行數(shù)據(jù)，在建筑中央空調(diào)系統(tǒng)運行之初便也無法使用這種算法。因此，可以建立合適的建筑中央空調(diào)能耗系統(tǒng)模型可以幫助中央空調(diào)系統(tǒng)更準(zhǔn)確地計算出實時負(fù)荷，從而更節(jié)能地運行。

本文結(jié)合SketchUp、OpenStudio、Energy Plus 等軟件，對建筑中央空調(diào)系統(tǒng)能耗模型進(jìn)行建立，并對建筑物內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行分析，并研究能耗變化的因素，并就建筑冷熱負(fù)荷預(yù)測展開研究，利用預(yù)測控制在PLC中建立冷凍水變流量控制系統(tǒng)，并對控制效果進(jìn)行了對比研究。

1 能耗模型建立

1.1 工程概況

本研究采用的模型為淮安市某醫(yī)院建筑，總建筑面積77116.25 m2，地上十三層，地下兩層，建筑高度為50 m，地下為設(shè)備機(jī)房、地下車庫、服務(wù)用房等設(shè)施，地上部分主要功能為：大廳，門診部及病房等。本研究所選用的建筑位于夏熱冬冷地區(qū)，屬于甲類公共建筑并按照65%的建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)注進(jìn)行設(shè)計。

1.2 軟件介紹

目前Energy Plus 有多種第三方建模平臺，包括OpenStudio、DesignBuilder、Simergy 等軟件，本文將采用OpenStudio 進(jìn)行軟件建模。

OpenStudio 是美國可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）領(lǐng)導(dǎo)多家單位參與開發(fā)的繼承EnergyPlus 進(jìn)行能耗模擬，使用Radiance 進(jìn)行采光模擬，具有多平臺版本的建筑能耗模擬軟件[4]。OpenStudio 包括一個分析框架和運行管理器，可以自動修改建筑能源模型，并在EnergyPlus中模擬它們，在單個數(shù)據(jù)庫中收集結(jié)果[5]。OpenStudio相比其他能耗模擬軟件，具有以下幾個特點：使用SketchUp 建模，建模效率高。使用模板，加快模擬數(shù)據(jù)的輸入速度。使用云端在線數(shù)據(jù)庫，可進(jìn)行在線云計算。可應(yīng)用Measure 對模型進(jìn)行修正。參數(shù)化分析。模擬結(jié)果有詳盡的報告，并擁有優(yōu)秀的可視化界面。

1.3 模型的建立

能耗模擬的3D 模型應(yīng)當(dāng)盡量保持與原建筑一致，本文在充分的實地調(diào)研、對比竣工圖紙之后，利用SketchUp 軟件內(nèi)的Open Studio 插件建立目標(biāo)建筑的3D 模型，根據(jù)使用功能劃分不同熱工區(qū)域，將相同熱工參數(shù)的區(qū)域進(jìn)行合并從而簡化模型，減少參數(shù)的同時也可加快模擬速度，建筑具體物理模型如圖1 所示：

圖1 建筑物理信息模型

1.3 建筑信息的錄入

建立3D 模型之后，需要將目標(biāo)文件導(dǎo)入OpenStudio 主程序之中，對建筑能耗模型進(jìn)行信息補入，主要包括以下步驟：設(shè)定建筑所處區(qū)域的氣候條件。設(shè)定建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。設(shè)定不同時間下中央空調(diào)系統(tǒng)運行特性。設(shè)定空間內(nèi)各種室內(nèi)負(fù)荷的密度特性。對模型內(nèi)的房間進(jìn)行類型劃分。設(shè)定中央空調(diào)系統(tǒng)的循環(huán)特性[6]。

2 模擬結(jié)果分析

在OpenStudio 補充完參數(shù)后，將IDF 文件導(dǎo)入到Energy Plus 中運行模擬。由于數(shù)據(jù)庫缺乏淮安市氣象數(shù)據(jù)，且南京氣候與淮安接近，因此氣象數(shù)據(jù)依據(jù)Energy Plus 自帶的南京典型氣象年逐時氣象數(shù)據(jù)（CHN_Jiangsu.Nanjing.582380_CSWD）作為模型的氣象參數(shù)數(shù)據(jù)輸入，模擬時期分為三類：第一模擬期為典型設(shè)計日1，時間為1 月21 日0:00 至24:00。第二模擬器為典型設(shè)計日2，時間為7 月21 日0:00 至24:00。第三模擬期為全年模擬，時間月1 月1 日0:00 至12 月31 日24:00。

2.1 設(shè)備能耗分析

本文對建筑物的全年能耗進(jìn)行了模擬，表1 及圖2 展示了建筑物全年的冷熱負(fù)荷及輸配系統(tǒng)（水泵）的耗能情況，可以看到制冷系統(tǒng)耗電量最高，占機(jī)房總耗電量的46.32%，制熱系統(tǒng)占機(jī)房總能耗的34.54%，而輸配系統(tǒng)占據(jù)機(jī)房總耗電量的19.13%。因此，若想減少機(jī)房的能耗，首先應(yīng)當(dāng)盡量在制冷劑減少空調(diào)用電。而輸配系統(tǒng)僅是將管網(wǎng)內(nèi)的冷媒送至目標(biāo)處，就占據(jù)了機(jī)房總能耗的19%。若能對水泵進(jìn)行節(jié)能控制，也可以使機(jī)房能耗得到進(jìn)一步下降。

表1 機(jī)房設(shè)備耗能情況

圖2 機(jī)房設(shè)備能耗分析逐月對比

2.3 中央空調(diào)冷熱負(fù)荷預(yù)測算法

中央空調(diào)系統(tǒng)總能耗受諸多方面影響，許多因素都難以通過儀表來進(jìn)行測量，具體其外部環(huán)境影響因素包括：室外溫度、濕度等。因此本文以Energy Plus 中全年模擬的中央空調(diào)系統(tǒng)總能耗及逐時的環(huán)境參數(shù)為依據(jù)，假設(shè)自變量與因變量之間呈線性關(guān)系，不僅僅可以簡化計算，而且也易于在建筑自動化中實現(xiàn)[7]，以建筑冷、熱負(fù)荷為自變量，環(huán)境干球溫度、環(huán)境絕對濕度作為自變量，設(shè)其滿足以下關(guān)系式：

式中：Yc為中央空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷，J；Yh為中央空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷，J；Tout為室外干球溫度，℃；Dout為室外絕對濕度，g/kg；α1～α6為擬合系數(shù)。

再考慮其它對中央空調(diào)系統(tǒng)總能耗產(chǎn)生影響的因素。雖然其無法直接通過儀表測量，但其產(chǎn)生的結(jié)果卻可以進(jìn)行記錄，因此考慮將上一時刻的建筑能耗引入，因其可以間接反映當(dāng)前時刻的所有影響參數(shù)，也就可以用于預(yù)測該時刻的中央空調(diào)系統(tǒng)總能耗。因此可以將式（1）和式（2）改寫為：

利用Matlab 中的多元函數(shù)線性擬合工具nlinfit對分別對式（1）-（4）進(jìn)行擬合，可以得出其上擬合參數(shù)的結(jié)果如表4 所示，如果擬合系數(shù)為正，那么說明其與中央空調(diào)系統(tǒng)總能耗呈正相關(guān)，反之為負(fù)相關(guān)?？梢钥闯鲈谥评涔r下，無論哪種擬合方式，中央空調(diào)系統(tǒng)總能耗與室外干球溫度及絕對濕度都成正相關(guān)關(guān)系。而在制熱工況下，中央空調(diào)系統(tǒng)總能耗與室外干球溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與絕對濕度呈正相關(guān)關(guān)系，這與人們的認(rèn)知保持一致。根據(jù)擬合可以將其與全年逐時的空氣干球溫度、絕對濕度進(jìn)行計算，用于與原負(fù)荷進(jìn)行對比來評估其預(yù)測效果，可以繪制模擬負(fù)荷和預(yù)測負(fù)荷的逐時對比圖（圖3）。

表2 擬合系數(shù)計算那結(jié)果

圖3 全年逐時擬合對比

從圖3 中可以看出如果將前一時刻的建筑總負(fù)荷考慮進(jìn)來，那么就可以使模擬能耗與擬合能耗進(jìn)一步地接近，為了方便認(rèn)識兩種預(yù)算方法的差距，計算了這四次對比結(jié)果的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表3 所示。可以清楚認(rèn)識到，如果只考慮將室外空氣干球溫度及絕對濕度用于作為預(yù)測建筑能耗的工具，那么會產(chǎn)生一定的誤差。前一時刻中央空調(diào)系統(tǒng)總能耗的引入，可以在很大程度上提高中央空調(diào)系統(tǒng)總能耗預(yù)測的精確程度，尤其在冬季，可以使預(yù)測的效果大大提升?？紤]到，如果只使用兩種參數(shù)由于預(yù)測中央空調(diào)系統(tǒng)總能耗，儀器自身存在著故障和測量誤差的風(fēng)險，采用多個參數(shù)同時對中央空調(diào)系統(tǒng)總能耗進(jìn)行預(yù)測，也可以使預(yù)測結(jié)果的可靠度更高。

表3 相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果

3 基于負(fù)荷預(yù)測的模糊PID 控制

水泵所占能耗比例高達(dá)19.13%，這是由于水泵在運行過程中往往無法在最佳效率點進(jìn)行運行，因此本文以冷凍水變流量自動控制系統(tǒng)為例，講解基于負(fù)荷預(yù)測的模糊PID 控制在西門子S7-300 型號的PLC 中的實現(xiàn)。

常規(guī)來說PLC 是通過測量冷凍水供回水溫差，并與冷凍水流量相乘得出當(dāng)前時刻的空調(diào)冷負(fù)荷，但需要注意到的是，此時的冷負(fù)荷并不是建筑物的實時負(fù)荷，而是延遲一定時間后系統(tǒng)的總負(fù)荷。因此，如若能夠測得這以延遲的時間，就可以通過PLC 或上位機(jī)儲存并調(diào)用往前任一時刻系統(tǒng)的總負(fù)荷。

實現(xiàn)預(yù)測控制，應(yīng)首先考慮如何采集所需要的數(shù)據(jù)，通過模擬量輸入通道配合溫濕度傳感器，容易實現(xiàn)對室外溫濕度的實時采集。本文通過拓展模塊IM153-4PN 里的模擬量輸入點位PIW256 及PIW258采集室外環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的工程值。而上一周期的負(fù)荷，通過讀取系統(tǒng)儲存數(shù)據(jù)得出。

根據(jù)式（3）～（4），設(shè)立5 個新變量β1～β4以及預(yù)測負(fù)荷值Q 分別對應(yīng)Beta1～4 及Q_Simu，并賦予對應(yīng)點的值。利用PLC 內(nèi)的ADD 和MUL 工具，即可根據(jù)式（3）～（4）算出最近一個小時內(nèi)建筑物的總制冷量，從而擬合出當(dāng)前時刻建筑物冷負(fù)荷。

實現(xiàn)將預(yù)測負(fù)荷運用至自動化控制系統(tǒng)中，同樣需要運用溫差對冷凍水系統(tǒng)進(jìn)行自動化控制。普通自動控制方法之所以控制效果不佳，主要是因為當(dāng)前建筑負(fù)荷與實測負(fù)荷不等而導(dǎo)致的。如圖4 所示，可以通過預(yù)測負(fù)荷與實測負(fù)荷的差值eq 及其變化率ecq 當(dāng)作模糊控制器2 的輸入量，按照與模糊控制器1 相同的模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，得到PID 控制器的另外三個調(diào)節(jié)量：ΔKp,2,ΔKi,2及ΔKd,2，因此修正后PID 的三個控制參數(shù)可以修正為：

ΔKp,1、ΔKi,1、ΔKd,1為依據(jù)以溫差為基礎(chǔ)的模糊PID控制器1 的三個輸出值，ΔKp,2、ΔKi,2、ΔKd,2為以負(fù)荷差值為基礎(chǔ)的模糊控制器2 的三個輸出值。通過溫差以及負(fù)荷差值對PID 控制器進(jìn)行參數(shù)的實時修正，即可使控制效果得到更大的優(yōu)化效果。如圖4 所示：

圖4 基于負(fù)荷預(yù)測的模糊PID 控制原理

4 測試結(jié)果及分析

4.1 調(diào)節(jié)效果對比

無論是改變設(shè)備或是控制方法，其最終的目的都是為了降低運行費用同時提高人體在使用空調(diào)時的舒適性，舒適性的評價標(biāo)準(zhǔn)可以通過供回水溫差在調(diào)節(jié)過程中供回水溫差的變化情況進(jìn)行判斷。利用現(xiàn)有模糊PID 算法及預(yù)測算法與此前采用的普通PID 控制方法進(jìn)行對比，在過渡季節(jié)（4 月10 日、4 月11 日、4月12 日）的開機(jī)時間段分別對供回水溫差進(jìn)行測量，每30 s 采集一次數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果如圖5 所示?？梢钥吹剑褂贸Ｒ?guī)PID 控制對冷凍水流量進(jìn)行控制，不僅會產(chǎn)生超調(diào)，而且會產(chǎn)生一定的震蕩，控制效果不佳。使用模糊算法及預(yù)測算法對其進(jìn)行改進(jìn)后，不僅使超調(diào)量得到巨大的改善，而且控制精度也比普通PID 控制要高。

圖5 溫差控制效果對比

4.2 能效果對比

改造控制方法，在保證了人體舒適性的前提下，應(yīng)當(dāng)盡量保證其運行費用的節(jié)能效果，通過計量在同一季節(jié)，不同年份下空調(diào)水泵的能耗情況來對節(jié)能控制方法進(jìn)行評價。圖6 是分別采用PID 控制及模糊PID 控制對水泵能耗進(jìn)行計算的結(jié)果，經(jīng)過計算可知，利用模糊PID 可將水泵能耗降低7.3%，具有一定節(jié)能效果。而加入預(yù)測算法之后，節(jié)能效果可以達(dá)到9.6%，因此加入預(yù)測算法有利于減少冷凍水系統(tǒng)能耗。

圖6 節(jié)能效果對比

5 結(jié)論

本文主建立淮安市某醫(yī)院公共建筑的能耗模型。得到了建筑物全年能耗的數(shù)據(jù)，并分析了制冷系統(tǒng)，制熱系統(tǒng)及輸配系統(tǒng)的耗能情況并進(jìn)行了分析。此外，本文還就影響建筑總能耗的影響因素展開了討論，研究了各項參數(shù)對建筑總能耗的影響程度。最后，本文研究了建筑負(fù)荷預(yù)測算法，利用模擬得出的逐時數(shù)據(jù)進(jìn)行了公式的擬合，并對比了兩種預(yù)算算法的精確程度。最后本文討論了如何利用負(fù)荷預(yù)測算法對中央空調(diào)冷凍水變流量系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。得出了以下結(jié)論：

1）大型中央空調(diào)系統(tǒng)中的制冷所需能耗最高，達(dá)到機(jī)房能耗的46.32%。而水泵雖然不參與制冷制熱，但其能耗依舊較高，機(jī)房總能耗的21%，若能將水泵能耗進(jìn)一步降低就可以明顯減少中央空調(diào)系統(tǒng)的總能耗。

2）中央空調(diào)系統(tǒng)總能耗可以通過測量室外空氣干球溫度，絕對濕度及前一時刻總能耗來共同預(yù)測。經(jīng)過分析可知其預(yù)測精度高，無論是預(yù)測負(fù)荷和模擬負(fù)荷的相關(guān)系數(shù)都能達(dá)到0.99 以上，相比于只采用室外空氣干球溫度和絕對濕度來進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測的方法要來得更為可靠。

3）通過PLC 建立了中央空調(diào)冷凍水變流量自動控制系統(tǒng)，利用負(fù)荷預(yù)測與模糊PID 控制方法共同對流量進(jìn)行控制，結(jié)果表明使用預(yù)測算法不僅可以減少系統(tǒng)控制時間，增強(qiáng)系統(tǒng)控制精度，而且比普通PID控制方法節(jié)能9.6%。