暖通系統(tǒng)的能量管理及優(yōu)化策略研究

王正瑩

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，建筑行業(yè)經(jīng)歷了快速膨脹的時期，已經(jīng)成為我國經(jīng)濟的支柱性產(chǎn)業(yè)之一。調(diào)查顯示，在建筑的總耗能分配中，暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗值達到60%，可見空調(diào)系統(tǒng)的能耗問題對于資源需求和消耗而言不可忽視。目前，暖通系統(tǒng)不僅要考慮節(jié)能、環(huán)保的問題，還要滿足可持續(xù)發(fā)展的要求，這是暖通空調(diào)設計、生產(chǎn)、安裝、使用等相關企業(yè)需要共同關注的發(fā)展方向。

1 暖通系統(tǒng)能量管理模塊

就我國目前的技術狀況來看，運用計算機技術和信息管理技術對暖通空調(diào)系統(tǒng)進行優(yōu)化與管理，能夠切實保證其運行質(zhì)量[1-2]。暖通系統(tǒng)的能量管理主要體現(xiàn)在，當系統(tǒng)能量消耗達到一定程度時，中央管理器可以優(yōu)化控制暖通空調(diào)系統(tǒng)的能量消耗。這些優(yōu)化控制是通過計算機技術與系統(tǒng)設計技術相結合來實現(xiàn)的，計算機智能控制暖通系統(tǒng)的多個模塊來進行能量管理。

能量管理模塊包括啟停模塊、負載循環(huán)模塊、能量統(tǒng)計與智能化分析以及空氣調(diào)節(jié)子系統(tǒng)模塊。其中，啟停模塊主要是盡可能使空調(diào)處于待機狀態(tài)來實現(xiàn)能耗節(jié)約。在人們使用空調(diào)的過程中，通過設定期望溫度、通風條件和空氣濕度等暖通條件來實現(xiàn)暖通系統(tǒng)的目標。如果設定參數(shù)與實際參數(shù)之間存在差異，則暖通系統(tǒng)會通過能量消耗啟動工作。當各個參數(shù)達到設定值時，系統(tǒng)將處于待機狀態(tài)，減少能量消耗。

暖通系統(tǒng)啟動工作后，在穩(wěn)定運行階段，暖通空調(diào)負載循環(huán)系統(tǒng)將發(fā)揮節(jié)能優(yōu)勢。在這一過程中，系統(tǒng)在計算機控制下智能計算出最優(yōu)工作參數(shù)，關閉不必要的設備和功能，并優(yōu)化制冷/制熱介質(zhì)的選擇，最大限度降低能量消耗，使得設定參數(shù)在穩(wěn)定范圍內(nèi)波動[3]。

智能化程度較高的暖通系統(tǒng)還能對用戶的需求進行能量統(tǒng)計與智能化分析，通過分析用戶的用電習慣，如不同時間段的參數(shù)需求，將多種能量需求數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析和用戶畫像操作，為用戶定制個性化、智能化和節(jié)能化的能量管理方案，實現(xiàn)能量管理的優(yōu)化控制。

暖通系統(tǒng)空氣調(diào)節(jié)子系統(tǒng)模塊是暖通空調(diào)系統(tǒng)中的一個核心子系統(tǒng)，主要負責空氣處理的過程，包括送風系統(tǒng)、回風系統(tǒng)和換熱系統(tǒng)。送風系統(tǒng)的新風和回風系統(tǒng)的回風混合以后形成混風，混風會通過換熱器進行升溫或降溫控制，再由管道送入房間進行熱交換，調(diào)節(jié)空氣溫度。由此可見，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作是空調(diào)系統(tǒng)的“大腦”，通過實現(xiàn)能量優(yōu)化與節(jié)能控制進一步提高暖通系統(tǒng)的能量管理水平。

2 研究現(xiàn)狀與模型方法分析

先前我國對暖通系統(tǒng)的能量管理與優(yōu)化控制關注度不夠，導致研究起步較晚。近年來，隨著國內(nèi)對能耗、環(huán)保問題的日益關注，暖通空調(diào)的降耗增效問題也得到越來越多的關注。通過利用計算機監(jiān)測暖通空調(diào)系統(tǒng)的能量運行與消耗狀態(tài)，操作后臺分析處理大量數(shù)據(jù)，運用技術手段進行能量分配與重組處理，逐步達到對能量進行優(yōu)化控制的目的。

現(xiàn)階段，自適應控制理論在空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部具有一定規(guī)模的控制與應用，它是在原有空氣處理的方式上進行具體的設備支持，可根據(jù)算法和控制系統(tǒng)調(diào)整控制點，從而達到再處理空氣的目的，實現(xiàn)后期的整體系統(tǒng)功能與節(jié)能管理要求。

建模的方法經(jīng)常被應用到暖通系統(tǒng)的能量優(yōu)化控制過程當中。這種方法是利用智能化科技，進行暖通空調(diào)系統(tǒng)控制的研究與分析，進而智能控制暖通空調(diào)，其優(yōu)勢是可視化處理暖通空調(diào)系統(tǒng)中內(nèi)部結構的運行，并做出改進優(yōu)化指令。

利用先進技術手段建立暖通空調(diào)系統(tǒng)的運行特征模型是在大量的實例經(jīng)驗和邏輯理論推導下產(chǎn)生的，因此它是具有參考價值的分析程序，人們能夠不斷對其進行優(yōu)化和改進，使得模型更加符合所研究的暖通空調(diào)系統(tǒng)，實行個性化與定制化服務。同時，它能夠被不斷訓練，在低能耗的基礎上為人們提供更加智能化的選擇，做出更加快速、合理的決定，有助于提高整體能耗管理的實際信息檢查效果。

模型算法在暖通系統(tǒng)的能量管理中得到了廣泛應用，能夠顯著提升能量管理控制優(yōu)化的成效。在實際工程項目中，模型算法方案對暖通空調(diào)系統(tǒng)工程設計的成敗關系重大。目前，暖通空調(diào)系統(tǒng)應用廣泛，其所消耗的能源日益增多。由于暖通空調(diào)系統(tǒng)龐大且復雜，還受到設計周期的影響，普通工程設計師依據(jù)常規(guī)算法設計的暖通空調(diào)系統(tǒng)，通常不可能是最優(yōu)的節(jié)能方案，最終導致能耗過大。

但有些算法可在規(guī)定時間內(nèi)使耗能量達到最小，以此達到控制優(yōu)化指定暖通空調(diào)系統(tǒng)能量消耗的目的。另外，在模擬系統(tǒng)里各設施的狀況時，可采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡（Artificial Neural Network, ANN），以實現(xiàn)能量管理。在回路控制領域，模型的研究應用更加廣泛。例如，可利用專門的算法精準把控蓄冷量。在暖通空調(diào)的監(jiān)控及管理中運用計算機仿真模型分析技術逐漸成為最主流的方式，有利于有效降低能耗，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的同時，能夠提高系統(tǒng)質(zhì)量，并進一步帶來社會效益和經(jīng)濟效益。

3 暖通系統(tǒng)能量管理的相關優(yōu)化策略

3.1 選擇能量效率更高的熱泵技術

在暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化控制過程中，應根據(jù)工程建筑的實際情況和暖通系統(tǒng)的使用場景合理選擇熱源系統(tǒng)。從能源的利用效率來看，熱泵技術是能量效率較高的技術，能在一定程度上實現(xiàn)降耗。

熱泵供熱的基本原理是卡諾循環(huán)，主要過程如下：壓縮機排出的高溫高壓蒸汽進入冷凝器，制冷劑蒸汽向高溫熱源放熱后被冷凝成液態(tài)制冷劑（液化），液態(tài)工質(zhì)經(jīng)節(jié)流裝置降壓膨脹后進入蒸發(fā)器。氣液混合制冷劑在蒸發(fā)器中吸收低溫熱源（空氣、水或土壤等）的熱量而蒸發(fā)形成蒸汽（汽化），制冷劑蒸氣重新被壓縮機吸入完成一個循環(huán)，周而復始制備熱能[4-5]。熱泵應用的是自然界中蘊含的大量可再生能源，通過壓縮機在熱源中吸取熱能，溫度升高后再傳輸?shù)礁邷責嵩粗??？諝庠矗L冷）熱泵主要包括商用單元式熱泵空調(diào)機組、家用熱泵空調(diào)器、熱泵冷熱水機組等，通過使用熱泵技術可以實現(xiàn)暖通系統(tǒng)能量的優(yōu)化選擇與控制。

3.2 選擇“移峰填谷”的蓄冷技術

我國大城市的電力行業(yè)具有一個顯著的時間性特征，白天是用電“高峰期”，夜晚是用電“低谷期”，兩者用電負荷的峰谷差很大，因此很多大城市多采取“移峰填谷”的方法。蓄冷技術通過在夜間利用電網(wǎng)負荷很低的用電谷期，采用電動制冷機制冷，冷量可按顯熱或潛熱的形式存儲于特定介質(zhì)，從而進行冷量存儲。

在用電高峰時段，把存儲的冷量釋放出來，以滿足建筑物空調(diào)或生產(chǎn)工藝的需要，節(jié)約能耗的同時也可以節(jié)省電費。冰蓄冷技術是目前較受歡迎的蓄冷方式。由于其體積遠小于水蓄冷，且冰水溫度比常溫水低很多，在相同的空調(diào)負荷下不但可以減少冰水總量與空調(diào)送風量，還能減小供水管道及送機管道的尺寸，有效降低噪聲，同時可以降低暖通空調(diào)系統(tǒng)的造價。冰蓄冷所提供的低溫冰水具有強大的除濕能力，使用冰蓄冷的空調(diào)區(qū)域相對濕度更低，能夠為人們提供更舒適的居住和工作環(huán)境[6]。

3.3 推廣使用變頻技術

家用電器中變頻技術的使用主要目的是為了節(jié)能，核心是通過變頻器轉換供電頻率，以實現(xiàn)電動機運轉速度的自動調(diào)節(jié)，將50 Hz 的固定頻率改為30 ～130 Hz 的變化頻率。變頻技術不但可以減少能源消耗，還能彌補工藝不足，實現(xiàn)降本增效。如果在暖通空調(diào)系統(tǒng)中運用變頻技術，就可以使空調(diào)設備的輸出功率隨著負荷的變化進行調(diào)節(jié)，從而可以極大發(fā)揮節(jié)能減排的效果。

另外，還可以適當改變風流量或水流量，匹配暖通系統(tǒng)的實際負荷和運行狀態(tài)，通過調(diào)整送風量穩(wěn)定系統(tǒng)運行。通過優(yōu)化調(diào)節(jié)風量、水量等，實現(xiàn)與空調(diào)負荷的匹配運行，以此完成對暖通系統(tǒng)的能量管理和優(yōu)化控制，這也是未來暖通技術的重要發(fā)展方向之一。

3.4 合理設計圍護結構

對于暖通空調(diào)系統(tǒng)來說，圍護結構的設計是相當重要的部分。圍護結構的保溫性能直接關系空調(diào)負荷的大小，優(yōu)秀的圍護結構保溫設計能起到降低空調(diào)負荷、減少能耗的作用。圍護結構主要包括外墻、門窗和屋面這3 個部分，且分別是吸熱、傳熱和放熱的主要媒介。室內(nèi)溫度較高，圍護結構吸收熱量，從高溫側傳向低溫側，即從室內(nèi)圍護結構傳熱至圍護結構外表面，最后，通過放熱將熱量向室外排放。

目前，常用的保溫外墻分別為外保溫、內(nèi)保溫與內(nèi)外混合保溫，設計時需考慮綜合因素，在保證建筑結構滿足要求的同時兼顧保溫能效。門窗圍護結構的傳熱損失是3 種主要圍護結構中最嚴重的，同時伴有冷風滲透，因此在設計門窗圍護結構時應選擇保溫性能高、隔熱隔音效果佳的門窗。屋面圍護結構除了保溫性能外，其自重及防水性能也很重要，因此屋面圍護結構的材料選擇應考慮低密度、低導熱系數(shù)及低吸水率的保溫材料[7]。

3.5 應用暖通系統(tǒng)模型及智能系統(tǒng)

目前，暖通系統(tǒng)的能量管理模塊主要由計算機系統(tǒng)控制，通過監(jiān)測實時數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行反饋調(diào)節(jié)。暖通系統(tǒng)模型的應用和建立也是能量管理優(yōu)化控制領域不可缺少的研究內(nèi)容之一，其核心是訓練分析程序使得暖通系統(tǒng)實現(xiàn)智能化與個性化，在日常使用中能夠根據(jù)人們的節(jié)能指令自行處理運行狀況并自動更新自我程序，進而發(fā)展成為高度感知、靈敏反應的學習型系統(tǒng)。

智能系統(tǒng)會對暖通系統(tǒng)進行智能化監(jiān)測并觸發(fā)管理控制，主要過程就是分析中央控制機的參數(shù)設定值，并按照一定的邏輯語言實現(xiàn)對回風溫度和水溫的顯示和調(diào)控，實現(xiàn)冷熱源機組對熱冷負荷具體值的控制，并下達流量運行控制指令。這個過程可以減少各個環(huán)節(jié)系統(tǒng)的輸送能耗，實現(xiàn)節(jié)能減排。另外，可以依據(jù)嵌入式微處理技術進行高級控制策略的制定，以實現(xiàn)各個環(huán)節(jié)的最佳控制機能。

3.6 設置控制器的基礎參數(shù)

通過計算機技術建立能耗模型的可行性研究可知，單個模型的識別輸入和輸出對具體的優(yōu)化方案具有一定的貢獻。這種智能預測手段的實現(xiàn)過程是采用一定的算法來優(yōu)化空調(diào)蓄冷量的合理控制，進而解決超出常規(guī)運行模式下的超調(diào)和波動現(xiàn)象，以達到保證其抗干擾能力與解耦控制的效果。在智能模型算法建立過程中，使用模糊算法和分離的增量型控制算法可以得到最優(yōu)化的組合，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)合理界定算法程序控制，能夠保證后期智能化自學習及自適應功能的實現(xiàn)。由于暖通空調(diào)系統(tǒng)控制回路的控制對象特性區(qū)別較大，種類繁多，因此在回路控制器的控制方法和參數(shù)設定上也不盡相同。

在實際應用中，暖通設備的具體負荷要求應與實際工作條件如氣候、環(huán)境、溫度和濕度等相適應。但是我國東西跨度和南北跨度都較大，氣候條件千差萬別，因此控制器基礎參數(shù)的控制及后期的自適應功能尤為重要?；A控制參數(shù)融合調(diào)整功能使得對象特性發(fā)生一定程度的變化時，也能實時調(diào)節(jié)回路的控制參數(shù)，保證工作點的處理達到最優(yōu)效能。暖通空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制和能量管理過程中，具有智能化控制功能的單元控制器使得在變負荷、多工況等多種條件下實現(xiàn)控制與管理的暖通系統(tǒng)的集成成為可能，實現(xiàn)回路的最優(yōu)控制，達到能量管理和暖通空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制的效果。

未來的暖通系統(tǒng)將不再局限于空調(diào)、通風等方面。在優(yōu)化控制的進程中，單元控制與信息輸入和監(jiān)測都會體現(xiàn)在系統(tǒng)優(yōu)化管理模式中，用于收集、分析能耗數(shù)據(jù)，從而進一步服務于能量管理模塊，集成為更加多元、低能耗、協(xié)同作用和智能的系統(tǒng)。網(wǎng)絡技術的發(fā)展將使得暖通系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)功能更加完善，信息集成管理、能量系統(tǒng)調(diào)配、人機交互更加精準，為我國暖通空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制和能量管理模式的創(chuàng)新帶來更多的可能。

3.7 提高運行管理技術

由于暖通空調(diào)系統(tǒng)十分復雜，在運行管理中對于操作人員的素質(zhì)、規(guī)章制度的制定、系統(tǒng)的控制水平和日常維護保養(yǎng)都有著極高的要求。暖通空調(diào)專業(yè)操作人員除了具備最基本的理論常識及素質(zhì)外，還需定期進行專業(yè)技能培訓，提高操作人員的節(jié)能意識、業(yè)務水平和管理能力。對于實際空調(diào)操作人員必須持證上崗，對工作要具有一定的責任心及應變能力，相應調(diào)節(jié)不同的室外氣象參數(shù)條件，盡可能達到最低能耗狀態(tài)。

暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制通常通過風速、溫濕度以及環(huán)境平均溫度的調(diào)整來實現(xiàn)，但在傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)中，僅以空氣的溫濕度作為測量及控制指標，忽略了其他在空調(diào)環(huán)境下影響人體產(chǎn)生的冷熱感受的因素。運行管理人員可以將人體體感指標作為控制參數(shù)，結合熱濕環(huán)境的理論研究成果，從而提高暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制水平和節(jié)能降耗水平。系統(tǒng)需要維持在良好的工作狀態(tài)，并保持穩(wěn)定、高效的運行，日常的維護保養(yǎng)工作必不可少。

在每個空調(diào)制冷期和采暖供熱期開啟空調(diào)系統(tǒng)前，維護人員應對整個暖通空調(diào)系統(tǒng)進行檢查、清洗、維護、保養(yǎng)及維修等操作。因為暖通空調(diào)系統(tǒng)長時間不運行或集中長時間運行可能會造成系統(tǒng)附件損壞、布水器、風機葉片位置偏移等問題，所以需要及時更換及調(diào)整，避免出現(xiàn)冷量和耗水量損失的現(xiàn)象。通過提升運行管理技術，確保整個暖通空調(diào)系統(tǒng)高效、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行。

4 結語

目前，很多專家都在采取措施改善我國空調(diào)的優(yōu)化控制和能量管理技術，并取得了一定的成效，但仍有待進一步完善。隨著計算機行業(yè)的蓬勃發(fā)展，暖通行業(yè)的能量管理逐漸智能化。本文通過運用計算機檢測系統(tǒng)的工作條件和參數(shù)，提出對暖通空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制的新策略，使得暖通系統(tǒng)中的各種工作部件如水泵、風機等實現(xiàn)聯(lián)鎖控制，并對實時參數(shù)進行監(jiān)控，同時通過反饋機制協(xié)同調(diào)配操作臺實現(xiàn)對現(xiàn)代化暖通系統(tǒng)設備的高效節(jié)能管理。