公共建筑中暖通空調系統能耗控制方法研究

金水光，駱安六，陳奇慧

(1.杭州市城建開發集團有限公司，浙江 杭州 310000； 2.浙江智源消防安全工程有限公司，浙江 杭州 310002；3.杭州市設備安裝有限公司，浙江 杭州 310000)

公共建筑中的關鍵設備為暖通空調系統，它可提升室內環境的舒適度，但其能耗在公共建筑中也占據主要地位，降低暖通空調系統能耗屬于現如今的研究重點[1]。暖通空調的工作方式為定點工作，其運行方式是輕載運行，這些均會使其傳熱效率下降，造成能源浪費[2]。該系統中包含大量控制回路，各回路間的聯系相當緊密，在溫度出現改變的情況下，事先設置的控制器參數無法適應溫度改變，導致控制效果不能達到要求。而人工調整所有控制回路是無法完成的，導致控制回路性能下降，造成能源浪費[3]。上述2種問題均是提升暖通空調系統能耗所到導致，其中第2個原因造成的能源消耗最為嚴重。因此，提升控制回路性能是降低能耗的關鍵，時滯問題是提升控制回路性能的最大阻礙。暖通空調系統內水與空氣流速等均會導致時滯問題出現[4]，該問題會延長控制信號的作用時間，提升暖通空調系統的控制難度，導致能源浪費，時滯程度與空調能耗成正比。當下能源屬于經濟發展的關鍵因素，因此研究暖通空調系統能耗控制方法迫在眉睫。高照等[5]研究中央空調群控制方法，李峰等[6]研究直膨式空調節能控制方法，這2種方法均達到節能目的，但并未解決時滯問題，導致其控制性能穩定性較差。針對時滯問題，研究公共建筑中暖通空調系統能耗控制方法，提升控制回路性能，降低能耗。

1 空調系統能耗控制方法

1.1 設計Smith預估器

1.1.1 設計原理

利用Smith預估器控制暖通空調系統控制回路內的大時滯，提高其運行的穩定性，降低能耗[7]。Smith預估器結構如圖1所示。

圖1 Smith預估器結構Fig.1 Structure of Smith predictor

令暖通空調系統能耗控制器為HC(Z)，Smith預估器內參考模型傳遞函數Qm(z)的表達式如下：

Qm(z)=Hm(Z)e-zLm

(1)

式中，Hm(Z)為參考模型內非時滯區域；e-zLm為時滯區域。實際模型的傳遞函數Qr(z)表達式：

Qr(z)=Hr(z)e-zLr

(2)

式中，Hr(z)為實際模型內非時滯區域；e-zLr為實際模型的時滯區域。

包括全體預估器的傳遞函數表達式：

(3)

若上述2個模型的配準率為100%，表達形式為Hm(z)=Hr(z)與e-zLm=e-zLr，則在閉環情況下，無需參考干擾問題時，傳遞函數的表達公式：

(4)

1.1.2 設計PI控制器

通過設計PI控制器提升Smith預估器的魯棒性[8]，PI控制器的傳遞函數表達式為：

H(z)=Kp+Ki/z=Kp(1+1/zTi)

(5)

式中，Kp為控制器增益；Ti為積分時間；Ki為積分增益。

一般情況下，實際模型被當作一階慣性加時滯環節，其時滯區域傳遞函數為：

(6)

式中，Kr、Tr分別為實際模型的積分增益與時間。

參考模型內非時滯區域的表達式：

(7)

式中，Km、Tm分別為參考模型的積分增益與時間。

令Ti=Tm，則轉換式(4)得：

(8)

利用ITAE方法求解Kp值，在暖通空調系統控制回路響應時[9-10]，通過ITAE降低其初始誤差，避免誤差出現累加情況。ITAE指標值為：

(9)

式中，T為時間；|e(t)|為時間誤差絕對值。

在閉環回路中，最小化ITAE值的傳遞函數為：

(10)

在階躍輸入時，上述傳遞函數的穩態誤差為0，可知其存在n個極點，不存在0。

(11)

(12)

式中，ωn為PI控制器內濾波時間常數。

PI控制器的表達式：

(13)

1.2 模糊非線性PI在線優化方法

1.2.1 非線性PI優化

通過融合自適應模糊控制與非線性PI優化方法優化PI控制器的參數，增強控制效果[11-13]，其原理如圖2所示。

圖2 優化原理Fig.2 Optimization principle

非線性PI優化方法實現優化的方式是通過函數f非線性拼裝PI控制器，降低高頻率抖動問題出現的可能性[14-16]，函數f的表達公式：

(14)

式中，υ為PI控制器的誤差；α為仿真步長；線性段的區間長度δ=[0.1，1.5]。

1.2.2 模糊非線性PI優化

將o(t)當作PI控制器的輸入，y(t)當作其輸出，通過模糊控制獲取PI控制器增益的變化量ΔKp，積分增益的變化量ΔKi，ΔKp與ΔKi代表v與v′的二元函數。其中，PI控制器誤差的增量是v′，表達公式如下：

(15)

式中，g為模糊函數。

全新的PI控制器增益系數與積分增益系數表達式如下：

(16)

式中，Kp與Ki分別為原始參數值。

模糊控制的主要步驟為模糊化與清晰化。因為o(t)為精準的，所以前一步驟負責變更輸入量形成模糊量u(t)，后一步驟負責變更模糊量形成實際量y(t)。通過重心法實現清晰化的變更過程[17-20]，變更后參數值的計算公式如下：

(17)

式中，K為原始Kp(Ki)的值；μj為隸屬度函數；τ=1，2，…，j。

2 實驗分析

以暖通空調系統為實驗對象，利用本文方法控制該系統的能耗，驗證本文方法的有效性。實驗中暖通空調的控制對象是測試室溫度控制系統。

選取文獻[5]的中央空調控制方法與文獻[6]的直膨式空調系統節能控制方法作為本文方法的對比方法，分別記作方法1與方法2。令原始溫度為28 ℃，設置溫度為36 ℃，利用3種方法控制該暖通空調系統的能耗，控制結果如圖3與圖4所示。

圖3 控制效果Fig.3 Control effect

根據圖3、圖4可知，在控制暖通空調系統的過程中，本文方法在30 min時已完成控制，方法1與方法2在110 min與90 min時才完成控制，本文方法的調節速度較高，調節時間越短，暖通空調系統的能耗越低，控制效果顯著優于其余2種方法。在控制過程中，本文方法始終未出現超調現象，其余2種方法均有不同程度的超調現象。通過耗電功率可知，本文方法的耗電功率顯著低于其余2種方法，整個過程中，其余2種方法的耗電功率曲線波動起伏時間較長，本文方法在40 min后便再無波動，趨勢穩定。實驗證明，本文方法能夠有效控制暖通空調系統的能耗，調節時間較短，輸出量較低，最大限度降低能耗，同時整個過程未出現超調現象，穩定性強。

圖4 輸出量變化效果Fig.4 Output change effect

最初溫度不變，當時間為80 min時，設定實驗室溫度出現階躍變化，溫度變成22 ℃，利用3種方法對該暖通空調系統能耗展開控制，測試3種方法在實驗室溫度從28 ℃變更成22 ℃時的控制效果，如圖5所示。

圖5 變更溫度時的控制效果Fig.5 Control effect when changing temperature

根據圖5可知，在出現溫度階躍變化前期，3種方法溫度控制的穩定性無明顯差距，當出現溫度階躍變化時，本文方法僅需20 min便完成調節，其余2種方法均需70 min才完成調節，3種方法均出現超調現象。本文方法的調節誤差是1 ℃，方法1的調節誤差是4 ℃，方法2的調節誤差是3 ℃，且本文方法僅出現一次超調現象低于其余2種方法。實驗證明：本文方法在控制過程中可有效減輕震蕩現象，提升調節速度與控制效果，達到降低暖通空調系統能耗的目的。

對比分析3種方法在控制該暖通空調系統從28 ℃變更成22 ℃時水泵的能耗，水泵轉速、效率、最大閥門開度以及能耗的對比結果見表1。

表1 對比結果Tab.1 Comparison results

根據表1可知，本文方法的最大閥門開度大于其余2種方法，同時水泵轉速與效率低于其余2種方法，說明本文方法在控制水泵調節閥過程中的能耗最小，相比其余2種方法能耗分別降低54.7%與77.5%。實驗證明，本文方法可有效降低暖通空調系統的能耗。

3 結論

研究公共建筑中暖通空調系統能耗控制方法，通過設計Smith預估器完成能耗控制，利用模糊非線性PI在線優化方法優化Smith預估器內PI控制器，提升控制效果。本文方法有效解決能耗控制過程中回路控制的時滯變化問題，通過增強控制回路性能，實現能源消耗的降低，為公共建筑與暖通空調的發展提供科學依據，為公共建筑創建健康以及低能耗的室內環境，促進公共建筑向節約能源消耗方向的積極轉型。