節(jié)能環(huán)保技術(shù)在暖通空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

李忠鋒

(中國中鐵一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司,陜西 西安 710043)

0 引言

暖通空調(diào)系統(tǒng)為人們帶來了方便、舒適。以往的研究已經(jīng)提出了暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保技術(shù)[1]。文獻(xiàn)[2]在暖通空調(diào)系統(tǒng)中采用建筑調(diào)適技術(shù),以提高暖通空調(diào)系統(tǒng)所在建筑的能源利用效率,間接起到節(jié)能環(huán)保的作用。然而,該技術(shù)未能直接對(duì)暖通空調(diào)進(jìn)行技術(shù)上的改進(jìn),僅靠數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)建筑的更優(yōu)運(yùn)行,起到的節(jié)能環(huán)保作用較小。文獻(xiàn)[3]在暖通空調(diào)系統(tǒng)中采用了低溫輻射電熱棒方法,通過電熱棒和電熱膜取熱,保證了暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能和環(huán)保。但該方法只能在溫度差別不大的環(huán)境使用,不能廣泛地應(yīng)用于各地的暖通空調(diào)系統(tǒng)中。

基于上述問題,本文設(shè)計(jì)了一套軟硬件統(tǒng)一協(xié)調(diào)的暖通空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了創(chuàng)新的節(jié)能環(huán)保技術(shù)和地源熱泵技術(shù),可以讓暖通空調(diào)系統(tǒng)更加節(jié)能。同時(shí),本文還在暖通空調(diào)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了能源循環(huán)利用機(jī)制,減少了含碳?xì)怏w的排放。本文在暖通空調(diào)系統(tǒng)的新房系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)中采用不同的熱回收技術(shù),提高了資源的利用率,保證了暖通空調(diào)系統(tǒng)的環(huán)保性能。

1 暖通空調(diào)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

暖通空調(diào)系統(tǒng)主要有溫度、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)等功能。本文設(shè)計(jì)的暖通空調(diào)系統(tǒng)主要采用了節(jié)能環(huán)保的設(shè)計(jì)理念,分別從精準(zhǔn)控制、可再生資源利用和能量回收三個(gè)方面設(shè)計(jì)了相關(guān)的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。

暖通空調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 暖通空調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

暖通空調(diào)系統(tǒng)主要由中央暖通空調(diào)主機(jī)、暖通終端和對(duì)應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)組成。該系統(tǒng)主要有三大節(jié)能環(huán)保功能設(shè)計(jì),即智能數(shù)據(jù)中心、可再生能源利用模塊和熱能回收模塊。

①智能數(shù)據(jù)中心。智能數(shù)據(jù)中心可以自動(dòng)化運(yùn)行。每個(gè)暖通終端都連接著高精度的傳感器,可以精準(zhǔn)地測(cè)量暖通終端運(yùn)行中功耗、所處環(huán)境的溫度和運(yùn)行中排出氣體的熱量等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)集中送到中央暖通空調(diào)主機(jī)[4]。

②可再生能源利用模塊?？稍偕茉蠢媚K采用了地源熱泵技術(shù),可利用太陽能和地?zé)崮?。在本文設(shè)計(jì)中,熱泵機(jī)組分別連接地下泵藕式垂直埋管和水井。

③熱能回收模塊。熱能回收模塊包括以新風(fēng)熱能循環(huán)回收功能為主的多種熱能回收功能。新風(fēng)熱能回收功能的實(shí)現(xiàn)依靠排風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口中間的熱能回收裝置。除了新風(fēng)熱能循環(huán)功能外,該模塊還可以利用暖通空調(diào)系統(tǒng)的余熱,將熱能用于日常熱水。這樣既提高了能源利用率,又節(jié)約了資源,還不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染[5]。

2 暖通空調(diào)系統(tǒng)的智能數(shù)據(jù)中心

本文設(shè)計(jì)的暖通空調(diào)系統(tǒng)的智能數(shù)據(jù)中心主要分為兩個(gè)模塊,即算法模塊和通信模塊。算法模塊采用了聯(lián)邦學(xué)習(xí)平均算法,通過對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型,跨設(shè)備訓(xùn)練系統(tǒng)中各暖通終端,并將訓(xùn)練結(jié)果匯合到智能數(shù)據(jù)中心,從而完成對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析。通信模塊采用了多路徑通信方式,實(shí)時(shí)評(píng)估各通信路徑的質(zhì)量,并選取最優(yōu)通信路徑作為數(shù)據(jù)傳播的路徑,以保證系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

2.1 聯(lián)邦學(xué)習(xí)平均算法

本文設(shè)計(jì)的暖通空調(diào)系統(tǒng)采用了機(jī)器學(xué)習(xí)模型的分支(即聯(lián)邦學(xué)習(xí))來處理暖通空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析問題。智能數(shù)據(jù)中心采用聯(lián)邦學(xué)習(xí)中的平均算法,對(duì)不同用戶所在暖通空調(diào)的數(shù)據(jù)終端實(shí)施本地?cái)?shù)據(jù)訓(xùn)練。在得到本地模型后,各終端節(jié)點(diǎn)再統(tǒng)一將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心,匯總成新的聯(lián)邦學(xué)習(xí)模型。這能在保證各本地?cái)?shù)據(jù)信息安全的前提下,構(gòu)建去中心化數(shù)據(jù)的集合以及聯(lián)合多方數(shù)據(jù),從而利用加密后的中間參數(shù)完成多數(shù)據(jù)源對(duì)于聯(lián)合模型的共同訓(xùn)練[6]。

聯(lián)邦學(xué)習(xí)平均算法架構(gòu)如圖2所示。

圖2 聯(lián)邦學(xué)習(xí)平均算法架構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)的暖通空調(diào)系統(tǒng)采用聯(lián)邦學(xué)習(xí)平均算法作為數(shù)據(jù)傳播的架構(gòu)。本文假設(shè)暖通空調(diào)系統(tǒng)中有k個(gè)暖通終端,即該系統(tǒng)擁有k個(gè)用戶。各終端序號(hào)由1到k。第k個(gè)終端中有nk個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)。本地?cái)?shù)據(jù)的訓(xùn)練采用梯度下降算法,以尋找數(shù)據(jù)的最優(yōu)目標(biāo)值。

已知參加訓(xùn)練的終端數(shù)據(jù),即可根據(jù)終端數(shù)據(jù)計(jì)算出假設(shè)函數(shù)。

hθ(x)=θ0x0+θ1x1+θ2x2

(1)

式中:hθ(x)為終端的假設(shè)函數(shù);θ0、θ1和θ2分別為不同功率下暖通終端單位時(shí)間消耗的能量;x0、x1和x2分別為對(duì)應(yīng)功率下暖通終端運(yùn)行的時(shí)間。

有了暖通終端的假設(shè)函數(shù),就可以求出終端的損失函數(shù)。

(2)

計(jì)算出終端的損失函數(shù)后,即可以求出該損失函數(shù)的梯度向量。

(3)

有了終端數(shù)據(jù)的梯度向量,暖通終端數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行梯度下降,從而向最優(yōu)數(shù)據(jù)逼近。

暖通終端的第一次梯度下降為:

θ1=θ0-α×J(θ)0

(4)

式中:θ0為暖通終端的原始功耗向量,表示為[θ0,θ1,θ2];α為梯度下降步長(zhǎng);θ1為第一次梯度下降后的終端功耗的向量狀態(tài)。

本文采用式(4)依次對(duì)暖通終端數(shù)據(jù)進(jìn)行梯度下降,使暖通終端數(shù)據(jù)接近終端數(shù)據(jù)的最優(yōu)表示,直至最接近數(shù)據(jù)的最優(yōu)表示時(shí)停止。停止式為:

J(θ)i≤ε

(5)

梯度下降算法如圖3所示。

圖3 梯度下降算法示意圖

當(dāng)?shù)贜個(gè)暖通終端的nk個(gè)本地樣本均找到最優(yōu)數(shù)據(jù)時(shí)記為暖通終端的一次本地更新。對(duì)于一個(gè)有k個(gè)暖通終端的聯(lián)邦學(xué)習(xí)模型,一輪時(shí)間內(nèi)要在每個(gè)被選暖通終端中進(jìn)行多次本地更新,以保證數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。具體次數(shù)如式(6)所示。

(6)

式中:E為所有終端在一輪時(shí)間內(nèi)可以進(jìn)行本地更新的次數(shù)和;B為終端更新的批處理;uk為最終每輪終端需要進(jìn)行本地更新的次數(shù)。

(7)

式中:wt+1為第(t+1)輪的全局訓(xùn)練參數(shù);nk為第k個(gè)終端中含有本地?cái)?shù)據(jù)的數(shù)量;nN為N個(gè)被選終端的本地?cái)?shù)據(jù)數(shù)量和。

有了第(t+1)輪的全局訓(xùn)練參數(shù),就可以重新選擇多個(gè)終端,從而進(jìn)行下一輪的數(shù)據(jù)訓(xùn)練。

2.2 多路徑通信

本文設(shè)計(jì)的暖通空調(diào)系統(tǒng)智慧數(shù)據(jù)中心采用了聯(lián)邦學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理模型。該模型強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)的本地計(jì)算,只傳播數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果。所以,對(duì)于該模型而言,數(shù)據(jù)傳播速度和準(zhǔn)確率更為重要。為了提高數(shù)據(jù)傳播的準(zhǔn)確率和速度,本文采用了多路徑通信的方式。

多路徑通信架構(gòu)如圖4所示。

圖4 多路徑通信架構(gòu)圖

本文采用多路徑通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)暖通終端都有多條線路通向中心服務(wù)器。當(dāng)暖通終端通過傳感器采集到環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)后,根據(jù)自身耗能和環(huán)境溫度綜合得出暖通空調(diào)終端提高或減少溫度的行動(dòng)數(shù)據(jù)。暖通終端將自身行動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒指钇髦?。分割器分管?shù)臺(tái)暖通終端,將不同終端的行動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。分割器將融合后的數(shù)據(jù)分割成適合不同通信通道的數(shù)據(jù),再經(jīng)不同通信通道傳向數(shù)據(jù)處理中心。本文設(shè)計(jì)的通信通道有5G無線通信網(wǎng)絡(luò)、局部區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(local area network,LAN)和電路交換網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)。不同通信通道將數(shù)據(jù)傳播到數(shù)據(jù)處理中心側(cè)的轉(zhuǎn)換器,再由轉(zhuǎn)換器將不同類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)形式,并將統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳給中心服務(wù)器[8]。

3 地源熱泵空調(diào)模塊

為了節(jié)能環(huán)保,本文在暖通空調(diào)系統(tǒng)中加入了地源熱泵空調(diào)模塊。該模塊在地下架設(shè)垂直埋管和水井,利用土壤和水井吸收的太陽能和熱能及熱泵原理,實(shí)現(xiàn)可供熱、可制冷的效果。通過少量的電能輸入,就能實(shí)現(xiàn)更節(jié)能環(huán)保的采暖和制冷效果[9]。

地源熱泵空調(diào)模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 地源熱泵空調(diào)模塊結(jié)構(gòu)圖

地源熱泵空調(diào)模塊主要由兩部分組成。一部分是地上的熱泵機(jī)組和對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)水管、風(fēng)機(jī)盤管等功能機(jī)組。這部分與暖通終端和系統(tǒng)用戶相連。另一部分是埋于地下的模塊部分,包括旋流除砂器、回水井和取水井等的地下水式地源熱泵部分,以及以泵藕式垂直埋管為核心的垂直式地源熱泵部分。地源熱泵空調(diào)模塊與暖通空調(diào)系統(tǒng)的智能控制中心相連。采用智能控制技術(shù)后,智能控制中心可以更精準(zhǔn)地控制熱泵模塊進(jìn)行冷熱交換。

泵藕式垂直埋管通過鉆孔,埋在地下50～300 m深的土壤中。埋在地下的封閉管將從地下收集或排出熱量,再通過管道中的循環(huán)水進(jìn)行熱量循環(huán),并帶給地表熱泵主機(jī)。地下水式垂直埋管通過機(jī)組內(nèi)的閉式循環(huán)系統(tǒng),經(jīng)過換熱器與水井抽取的深層地下水進(jìn)行冷熱交換[10]。采用兩種地源熱泵空調(diào)技術(shù),既可以滿足不同暖通終端的個(gè)性化需求,又可以更好地利用地下的太陽能和水能,保證節(jié)能環(huán)保的技術(shù)在暖通空調(diào)系統(tǒng)中起相應(yīng)作用。

4 熱回收技術(shù)模塊

本文設(shè)計(jì)了暖通空調(diào)系統(tǒng)中的熱回收模塊。該模塊主要由新風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)出風(fēng)熱力循環(huán)和制冷劑過熱后的熱力利用組成。兩個(gè)功能模塊之間由智能數(shù)據(jù)中心控制,并由循環(huán)水泵連接,負(fù)責(zé)通過內(nèi)部循環(huán)水來實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞回收,以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

熱回收技術(shù)模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 熱回收技術(shù)模塊結(jié)構(gòu)圖

本文在新風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)氣口和排氣口之間設(shè)計(jì)了聯(lián)通的交換管,對(duì)排出去的熱能進(jìn)行回收[11]。一部分熱能直接通過交換管來到進(jìn)氣口,對(duì)進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)進(jìn)行熱能利用。另一部分熱能則來到回收箱,經(jīng)暖通系統(tǒng)內(nèi)部的存儲(chǔ)箱,由智能數(shù)據(jù)中心調(diào)度至暖通系統(tǒng)內(nèi)部的水泵熱循環(huán)系統(tǒng)之中。

熱回收技術(shù)模塊的核心技術(shù)是對(duì)系統(tǒng)使用制冷劑過程中的熱量進(jìn)行回收。一部分熱量采用板式熱交換器,直接通過智能數(shù)據(jù)中心連接循環(huán)水泵熱回收模塊,經(jīng)數(shù)據(jù)終端的自動(dòng)控制,消除多余的熱量損失[12]。另一部分熱量則來到冷凝器部分,通過水源熱泵的輔助,滿足用戶日常熱水需求。通過熱量回收,不僅可以消除暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的過熱問題,還減少了暖通空調(diào)系統(tǒng)的熱污染排放,回收了部分熱能,滿足了用戶室內(nèi)溫度和熱水要求,達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

5 試驗(yàn)結(jié)果和分析

本文研究了節(jié)能環(huán)保技術(shù)在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用,通過多種技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了暖通空調(diào)系統(tǒng)的精確管理、可再生能源利用和熱能回收等功能。為了驗(yàn)證應(yīng)用的性能,本文搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)平臺(tái)使用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)、一個(gè)數(shù)據(jù)庫、一個(gè)服務(wù)器以及相關(guān)通信設(shè)備,搭建暖通空調(diào)系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)環(huán)境。本文設(shè)置暖通空調(diào)系統(tǒng)環(huán)境溫度為5～20 ℃,部署計(jì)算平臺(tái)作為暖通空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心。

暖通空調(diào)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 暖通空調(diào)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)架構(gòu)

試驗(yàn)在模擬仿真暖通系統(tǒng)時(shí),傳感器實(shí)時(shí)收集暖通終端的數(shù)據(jù),并將暖通終端數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫中,由數(shù)據(jù)中心對(duì)暖通終端數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。為了仿真暖通空調(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的特點(diǎn),本文對(duì)比本文系統(tǒng)、文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)三個(gè)暖通空調(diào)系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下單位時(shí)間能耗變化的情況。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)可知,當(dāng)暖通空調(diào)系統(tǒng)剛開始運(yùn)行時(shí),文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)單位小時(shí)耗電量比文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)單位小時(shí)耗電量低。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)單位小時(shí)耗電量明顯上升,文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)單位小時(shí)耗電量上升幅度較小。本文系統(tǒng)與文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)對(duì)比,既有著初運(yùn)行耗電量低,又有著耗電量隨著時(shí)間上升幅度小的優(yōu)點(diǎn),節(jié)能性能明顯強(qiáng)于另兩個(gè)系統(tǒng)。

本文對(duì)比三個(gè)系統(tǒng)的環(huán)保性能,在三個(gè)系統(tǒng)出風(fēng)口設(shè)置熱量傳感器,同時(shí)記錄三個(gè)系統(tǒng)排出氣體數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)系統(tǒng)排放熱量對(duì)比如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)系統(tǒng)排放熱量對(duì)比圖

由圖8可知,三個(gè)系統(tǒng)在不同運(yùn)行功率下排放的氣體熱量不同。文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)排放的氣體熱量明顯高于其他兩個(gè)系統(tǒng)。在運(yùn)行功率小于4 kW時(shí),本文系統(tǒng)對(duì)比文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)并無明顯優(yōu)勢(shì)。但當(dāng)功率大于等于4 kW時(shí),文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)排放氣體熱量迅速增加,明顯高于本文系統(tǒng)。本文系統(tǒng)從低功率模式到高功率模式下所排放的氣體熱量均小于其他兩個(gè)系統(tǒng)。這證明了本文系統(tǒng)具有更強(qiáng)的氣體熱量循環(huán)利用功能。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了可以實(shí)現(xiàn)多種節(jié)能環(huán)保效果的暖通空調(diào)系統(tǒng)。本文運(yùn)用智能數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、分析和處理。智能數(shù)據(jù)中心采用聯(lián)邦學(xué)習(xí)中的平均算法分析系統(tǒng)中的數(shù)據(jù),在提高了傳播數(shù)據(jù)速度的同時(shí)保證了數(shù)據(jù)安全。本文還建立了地源熱泵功能模塊和熱能回收模塊,通過熱泵原理和熱回收技術(shù)保證了暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保性。然而,本文也有設(shè)計(jì)不足之處。如何在數(shù)據(jù)中心對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集,以及如何設(shè)計(jì)更高精度、更多維度的暖通空調(diào)系統(tǒng)傳感器,是后續(xù)研究需要關(guān)注的課題。