基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建筑電氣節(jié)能控制與節(jié)能效果研究

劉愛(ài)平

（甘肅建總置業(yè)發(fā)展有限公司，甘肅 蘭州 730050）

在深入研究中發(fā)現(xiàn)，建筑行業(yè)作為全球能源消耗的重要領(lǐng)域之一，建筑產(chǎn)業(yè)在市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)中所產(chǎn)生的能耗，占全球總能耗的30%，同時(shí)，電氣耗能又是建筑耗能中的主要構(gòu)成。因此，建筑電氣節(jié)能控制對(duì)于降低建筑能耗、減少碳排放具有重要意義[1]。為落實(shí)此項(xiàng)工作，各國(guó)政府紛紛出臺(tái)建筑節(jié)能政策，推動(dòng)建筑電氣節(jié)能控制的發(fā)展。例如，中國(guó)政府在“十四五”規(guī)劃中明確提出要大力推廣可再生能源、節(jié)能環(huán)保等綠色低碳技術(shù)，加強(qiáng)建筑電氣節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用。

建筑電氣節(jié)能控制可以提高能源利用效率，減少能源浪費(fèi)。通過(guò)優(yōu)化電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選用高效節(jié)能設(shè)備、實(shí)施能源管理措施等手段，可以顯著降低建筑電氣的能源消耗量，提高能源利用效率。同時(shí)，建筑電氣節(jié)能控制可以降低碳排放量，減輕環(huán)境污染[2]。為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)創(chuàng)新，建筑行業(yè)必須采取措施加強(qiáng)建筑電氣節(jié)能控制，降低能源消耗量和碳排放量，為可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

1 應(yīng)用自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器

根據(jù)建筑電氣的節(jié)能控制要求，本文設(shè)計(jì)的控制流程如圖1 所示。

圖1 建筑電氣節(jié)能控制流程圖

其中初始化包含對(duì)控制器參數(shù)的設(shè)定、溫度給定值的設(shè)定以及風(fēng)道壓力的設(shè)定。在上述流程中，控制器是其核心部分。通過(guò)控制器根據(jù)風(fēng)道靜壓、總溫度差等參數(shù)的變化，結(jié)合預(yù)測(cè)器的預(yù)測(cè)得到下一時(shí)刻輸出，調(diào)整控制器控制策略實(shí)現(xiàn)控制[3]。本文設(shè)計(jì)的節(jié)能控制方法中，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器與T-S 遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器相結(jié)合，通過(guò)預(yù)測(cè)能量需求實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑電氣的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制，以此確保所需能量與建筑電氣輸出能量相匹配[4]。圖2 為自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器的基本結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 中，通過(guò)預(yù)測(cè)器中被控對(duì)象的輸出、室內(nèi)外溫度和濕度的變化等參數(shù)，對(duì)建筑電氣的載荷進(jìn)行實(shí)時(shí)地跟蹤與辨識(shí)[5]。同時(shí)，根據(jù)預(yù)測(cè)得到的結(jié)果對(duì)控制器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，并改變控制器的控制策略。在控制器中，其T-S 模糊模型規(guī)則可表示為公式（1）。

2 建筑電氣模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)節(jié)能控制

建筑電氣能耗是建筑能源消耗的主要部分，因此，通過(guò)預(yù)測(cè)建筑電氣的能耗并實(shí)施有效的節(jié)能控制策略，對(duì)于降低建筑能源消耗、減少能源浪費(fèi)以及提高建筑能效具有重要意義[6]。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種以模糊邏輯為基礎(chǔ)，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)模型，能夠根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)的能耗。在建筑電氣節(jié)能控制中，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用于預(yù)測(cè)建筑電氣的能耗、溫度、濕度等參數(shù)，為節(jié)能控制提供依據(jù)。為了提高建筑電氣預(yù)測(cè)器的預(yù)測(cè)精度，采用具有強(qiáng)大記憶功能的Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)特性和遞歸作用。這種方法可以將預(yù)測(cè)結(jié)果和輸入變量進(jìn)行有機(jī)地整合，增強(qiáng)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)能力，并提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有自反饋機(jī)制，能夠?qū)⑾惹暗妮敵龇答伒骄W(wǎng)絡(luò)的輸入端，以便在新的輸入到來(lái)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能夠利用先前的記憶來(lái)處理新的輸入。這種記憶特性使得Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理具有時(shí)序關(guān)系的輸入數(shù)據(jù)時(shí)具有優(yōu)勢(shì)。

在建筑電氣預(yù)測(cè)中，Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用來(lái)預(yù)測(cè)建筑電氣的能耗、溫度等輸出。通過(guò)將過(guò)去的輸入數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)的反饋輸入，Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)到建筑電氣的動(dòng)態(tài)特性，并利用這些特性來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的輸出。此外，Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)記憶功能還可以在預(yù)測(cè)過(guò)程中考慮到建筑電氣在運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)變化，從而提高預(yù)測(cè)精度。圖3 為Elman網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 Elman 網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)示意圖

該方法充分利用 Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)器對(duì)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行映射的特性，使得控制器能夠?qū)r(shí)變特性進(jìn)行自適應(yīng)。從而提高控制器的學(xué)習(xí)速度，增強(qiáng)其逼近能力。此外，這種方法還可以避免控制器陷入局部極小值，顯著提高控制器的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，誤差函數(shù)可表示為公式（3）。

式中，E n(τ)代表網(wǎng)絡(luò)誤差；P代表樣本數(shù)量；ydk代表輸出層各個(gè)節(jié)點(diǎn)的期望值；yk代表輸出層各節(jié)點(diǎn)實(shí)際輸出。

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，可以實(shí)施一系列相應(yīng)的節(jié)能控制策略，以達(dá)到有效降低建筑電氣能耗的目標(biāo)。例如，可以通過(guò)調(diào)整空調(diào)的溫度設(shè)定，使得在滿足舒適度需求的前提下，盡量減少冷暖空調(diào)的能耗。另外，還可以調(diào)整照明系統(tǒng)的亮度，使用更高效的照明設(shè)備，或者根據(jù)實(shí)際需要，智能化地控制照明系統(tǒng)，避免不必要的能源浪費(fèi)。

在實(shí)施這些節(jié)能控制策略后，需要對(duì)建筑電氣的能耗等參數(shù)進(jìn)行密切地監(jiān)測(cè)。這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以提供實(shí)際節(jié)能效果的反饋，明確哪些控制策略更有效，哪些需要改進(jìn)或優(yōu)化。例如，如果在實(shí)施空調(diào)溫度調(diào)整策略后發(fā)現(xiàn)能耗并未明顯下降，可能需要進(jìn)一步分析原因，可能是由于空調(diào)設(shè)備老化或維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致的能耗不降反升。在這種情況下，需要根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)控制策略進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。例如，可能會(huì)對(duì)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)或更換，以更有效地降低能耗。

3 節(jié)能效果分析

隨著全球能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，建筑行業(yè)的能源消耗和碳排放量已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。建筑電氣節(jié)能控制作為其中的重要環(huán)節(jié)，其必要性日益凸顯。根據(jù)大量的研究與實(shí)踐可知，建筑電氣節(jié)能控制可以促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。為了實(shí)現(xiàn)建筑電氣節(jié)能控制目標(biāo)，需要不斷研發(fā)新的節(jié)能技術(shù)和設(shè)備，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新，此項(xiàng)工作不僅可以提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，還可以為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新的動(dòng)力，為深化此項(xiàng)工作，本文結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，對(duì)此展開(kāi)了全面的設(shè)計(jì)與研究。

為檢驗(yàn)提出的節(jié)能控制方法是否能在應(yīng)用中達(dá)到預(yù)期效果，參照塔式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)節(jié)能效果分析指標(biāo)，其中塔式結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 建筑電氣節(jié)能控制效果分析指標(biāo)的塔式結(jié)構(gòu)

圖4 中各符號(hào)解釋見(jiàn)表1 所示。參照上述圖4 所示的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行節(jié)能控制效果分析指標(biāo)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)基于科學(xué)原理，能夠客觀、真實(shí)地反映建筑電氣節(jié)能控制的實(shí)際情況和效果，同時(shí)，所選用的指標(biāo)應(yīng)具有系統(tǒng)性，能夠涵蓋建筑電氣節(jié)能控制的各個(gè)方面，如能源消耗、碳排放、經(jīng)濟(jì)效益等。為確保分析的客觀性，指標(biāo)的選擇應(yīng)遵循動(dòng)態(tài)性原則，能夠適應(yīng)建筑電氣節(jié)能控制的發(fā)展變化，及時(shí)調(diào)整和完善指標(biāo)體系，反映實(shí)際情況。參照上述標(biāo)準(zhǔn)，從技術(shù)層面、經(jīng)濟(jì)層面、功能層面，進(jìn)行節(jié)能效果分析指標(biāo)的選用，如表1 所示。

表1 建筑電氣節(jié)能控制效果分析指標(biāo)的選用

對(duì)上述表1 中的內(nèi)容進(jìn)行賦值，以指標(biāo)選用宏觀層面中的技術(shù)層面為例，對(duì)其中的4 個(gè)指標(biāo)在不同情況下的取值或得分情況進(jìn)行分析，相關(guān)內(nèi)容如表2 所示。

表2 宏觀層面中的技術(shù)層面指標(biāo)賦值

參照上述方式，對(duì)經(jīng)濟(jì)層面8 個(gè)指標(biāo)與功能層面8 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行賦值，通過(guò)此種方式，初步掌握不同指標(biāo)在建筑電氣節(jié)能分析中的取值。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，建立模糊模型，根據(jù)建筑的實(shí)際節(jié)能情況，進(jìn)行試點(diǎn)工程節(jié)能控制設(shè)計(jì)前、后，基于不同層面分析的控制效果。通常情況下，將建筑電氣節(jié)能控制效果劃分為3 種分類，分別為“節(jié)能級(jí)”“一般節(jié)能級(jí)”和“不節(jié)能級(jí)”。參照表2 中的內(nèi)容，“節(jié)能級(jí)建筑電氣”的得分基于宏觀角度分析應(yīng)為80～100 分，“一般節(jié)能級(jí)建筑電氣”的得分基于宏觀角度分析應(yīng)為60～80 分，“不節(jié)能級(jí)建筑電氣” 的得分基于宏觀角度分析應(yīng)＜60 分。經(jīng)過(guò)專家組與技術(shù)人員的綜合評(píng)定與分析，試點(diǎn)工程節(jié)能控制設(shè)計(jì)前的得分為75 分，而節(jié)能控制設(shè)計(jì)后的得分為94 分。

4 結(jié)語(yǔ)

全球能源資源日益緊張，石油、煤炭等傳統(tǒng)能源儲(chǔ)備量有限，同時(shí)能源開(kāi)采和使用對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。為了應(yīng)對(duì)能源短缺和環(huán)境問(wèn)題，世界各國(guó)紛紛提出節(jié)能減排的政策措施，以促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。為落實(shí)并推進(jìn)此項(xiàng)工作，本文以某建筑工程項(xiàng)目為例，開(kāi)展了電氣節(jié)能控制方法的設(shè)計(jì)研究，得到如下所示的結(jié)論：本研究的設(shè)計(jì)方法，可以提高建筑電氣節(jié)能控制水平，根據(jù)建筑實(shí)際情況，按照規(guī)范引進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，可以保障建筑電氣設(shè)計(jì)達(dá)到“節(jié)能級(jí)”。以此種方式，為建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)與規(guī)劃指示全新方向。