室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)能耗預(yù)測方法

李曉敏

（山西大同大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，山西大同 037003）

在室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)能耗預(yù)測中，目前主要是動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)，通過比較空調(diào)房間室內(nèi)熱環(huán)境因素，結(jié)合尋優(yōu)控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)能耗的自動(dòng)化預(yù)測[1-2]。空調(diào)能耗預(yù)測方法有DBSCAN 聚類算法分析方法、關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算分以及K-Means聚類預(yù)測算法等[3]，另外還有基于負(fù)荷預(yù)測的超高層建筑供水系統(tǒng)能耗綜合預(yù)測算法[4]和基于局部離群因子算法的室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)能耗預(yù)測方法[5]。這些傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析法的環(huán)境適應(yīng)性不好。

針對(duì)上述問題，提出基于組合權(quán)重分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)能耗預(yù)測方法（以下簡稱權(quán)重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法），實(shí)現(xiàn)室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)能耗預(yù)測優(yōu)化。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試分析，在提高預(yù)測精度方面有一定的優(yōu)越性能。

1 雙通道空調(diào)能耗分配結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

1.1 能耗分配結(jié)構(gòu)模型

為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)能耗預(yù)測，結(jié)合空調(diào)房間冷/熱負(fù)荷開銷調(diào)節(jié)的方法，建立空調(diào)能耗的分配結(jié)構(gòu)模型。通過能量配置和負(fù)荷動(dòng)態(tài)，調(diào)節(jié)送風(fēng)量消除負(fù)荷，以室外溫度、照明和設(shè)備使用率等作為室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)能耗的組合權(quán)重，建立室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)的能耗模擬結(jié)構(gòu)模型。結(jié)合動(dòng)態(tài)溫度調(diào)控策略[6]，通過建立對(duì)應(yīng)的空調(diào)能耗預(yù)測的總體調(diào)控模型，分析能耗閾值。在夏季工況下進(jìn)行空調(diào)逐時(shí)能耗開銷分析，將能耗模式進(jìn)行分組控制，建立能耗模式的判決決策樹。結(jié)合能耗分析集成設(shè)計(jì)策略，構(gòu)建能耗預(yù)測模型[7]。總體實(shí)現(xiàn)技術(shù)圖如圖1。

圖1 能耗預(yù)測技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)能耗的負(fù)荷和熱平衡分析，建立室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)能耗傳遞模型如圖2。

圖2 能耗傳遞模型

圖2中，空調(diào)系統(tǒng)能耗傳遞通過負(fù)荷、系統(tǒng)、設(shè)備三個(gè)模塊構(gòu)成。根據(jù)室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)分布?jí)w的熱通量，得到墻體內(nèi)表面的熱通量進(jìn)出參數(shù)，則任意節(jié)點(diǎn)n的能耗為：

式中：PECS是室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)一個(gè)單位的系統(tǒng)冷熱源的能耗；PMEMS是房間外表面熱平衡交換矩陣中一個(gè)單元的能耗；PTran和PRe分別為熱傳導(dǎo)傳遞函數(shù)的傳遞系和長波輻射交換通量；cn是房間外表面熱平衡通量。

根據(jù)上述對(duì)室內(nèi)空氣熱平衡參數(shù)分析，建立基于空調(diào)使用率的能耗模擬的能耗開銷數(shù)據(jù)分配模型，結(jié)合空氣對(duì)流和水分蒸發(fā)熱量分析，進(jìn)行空調(diào)能耗分配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[8]。

1.2 能耗開銷參數(shù)分析

采用動(dòng)態(tài)溫度調(diào)控的空調(diào)系統(tǒng)能耗建模方法，根據(jù)空氣溫度、平均熱輻射溫度和裝外表面溫度作為約束自變量[9]，將人體感受到的溫度分為熱（+3)、稍暖（+2)、暖（+1)、舒適（0）、稍涼(-1)、涼(-2)、冷(-3)共七個(gè)指標(biāo)，結(jié)合個(gè)體間存在差異性，得到空調(diào)能耗約束參數(shù)與人體體感對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3。

圖3 空調(diào)能耗約束參數(shù)與人體體感對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)圖3建立基于空調(diào)使用率的能耗模擬的能耗檢測模型[10]，結(jié)合當(dāng)前環(huán)境下室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)熱通路ij上第k號(hào)能耗分布，得到動(dòng)態(tài)溫度調(diào)控輸出為：

式中：dl是一條熱通路（節(jié)點(diǎn)i和j之間）的溫度調(diào)控范圍的最大值；dspan為空調(diào)系統(tǒng)逐時(shí)動(dòng)態(tài)溫度設(shè)定值，通常設(shè)置為26℃；PILA、PPre和PPost分別為室外逐時(shí)氣溫能耗損耗、前置放大器和后置放大器的能耗[11]。

基于空調(diào)系統(tǒng)能耗仿真和動(dòng)態(tài)控制，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)溫度參數(shù)[12]，得到空調(diào)房間熱環(huán)境中一條通路ij的能耗為：

在活躍狀態(tài)下，采用組合權(quán)重分析和動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的方法，構(gòu)建空調(diào)能耗預(yù)測模型。根據(jù)能耗開銷參數(shù)分析結(jié)果，采用溫度預(yù)測模型優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，得到空調(diào)能耗預(yù)測的權(quán)重和偏置項(xiàng)[13]。

2 空調(diào)能耗預(yù)測優(yōu)化

2.1 能耗參數(shù)檢測和估計(jì)

通過對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的逐時(shí)段動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，建立室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)能耗的動(dòng)態(tài)檢測模型。在II 型溫度調(diào)配下，通過人體的熱舒適性分析[14]，得到空調(diào)房間熱環(huán)境可滿足人體的熱舒適性要求約束下的獨(dú)立同分布控制目標(biāo)函數(shù)為：

采用統(tǒng)計(jì)決策分析方法，引入墻體內(nèi)熱平衡、房間內(nèi)表面熱平衡、房間外表面熱平衡特征量，得到墻體內(nèi)熱平衡動(dòng)態(tài)壓力分布為：

在間隙流的作用下，得到空調(diào)能耗預(yù)測的負(fù)荷為：

式中：lr為零能耗控制閾值；EDF為空調(diào)系統(tǒng)能耗的演化變量。

采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測，得到空氣環(huán)路、冷熱水環(huán)路和冷卻水環(huán)路的能耗開銷之和為：

式中：ER為空氣環(huán)路能耗；ET為冷熱水環(huán)路能耗；EF為冷卻水環(huán)路能耗；ERx(l)為輻射散熱；EDF為可見光占比；E Tx為照明功率。

由超高層建筑供水系統(tǒng)能耗的多相等效飽和特征分布，根據(jù)上述分析，建立基于空調(diào)使用率的能耗模擬的能耗開銷數(shù)據(jù)分配模型，采用數(shù)據(jù)挖掘和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)擬合的方法，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)能耗參數(shù)檢測和估計(jì)。

2.2 能耗預(yù)測模擬

基于空氣流動(dòng)和材料的阻熱特性分析，得到房間熱容的能量平衡態(tài)滿足，建立房間熱容的能量平衡方程。基于亞格子應(yīng)力張量分析，得到能量平衡特征量用{v1,v2,…,vv}表示。供熱系統(tǒng)輸出到室內(nèi)的能量信息為：

式中：E為室內(nèi)空氣熱流量；K(as)為冷風(fēng)滲透熱流量；as為供熱系統(tǒng)的熱流量。

根據(jù)供熱系統(tǒng)的熱流量的輸出特性，得到熱能耗流體密度為：

式中：E為設(shè)計(jì)冷風(fēng)滲透量；η為氣對(duì)流和水分蒸發(fā)導(dǎo)致的熱比系數(shù)；ω為對(duì)流熱流狀態(tài)分布系數(shù)；b為長波輻射熱通量。

建立流體動(dòng)力粘度預(yù)測模型，得到空調(diào)能耗模式、能耗異常數(shù)據(jù)、能耗預(yù)測模型參數(shù)，進(jìn)而建立空調(diào)排放因子、耗電因子預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)能耗的動(dòng)態(tài)預(yù)測和評(píng)估。能耗預(yù)測的實(shí)現(xiàn)流程如圖4。

圖4 能耗預(yù)測的實(shí)現(xiàn)流程

3 實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)驗(yàn)中，室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置：功率0.47 kW 冷卻塔1 臺(tái)，連續(xù)測試時(shí)間為運(yùn)行時(shí)間08:00-20:00，暖通輸出節(jié)點(diǎn)100，風(fēng)機(jī)效率0.7，冷卻水泵效率0.9，空調(diào)熱傳導(dǎo)、空氣熱平衡載荷以及對(duì)流熱通量等熱力學(xué)參數(shù)擬合見表1。

表1 室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)的熱力學(xué)參數(shù)擬合值

根據(jù)表1 對(duì)室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)的參數(shù)擬合和設(shè)定結(jié)果，進(jìn)行空調(diào)能耗預(yù)測，得到權(quán)重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和傳統(tǒng)PID（比例積分微分法）預(yù)測算法的預(yù)測結(jié)果如圖5。

分析上述仿真結(jié)果得知，權(quán)重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)系統(tǒng)預(yù)測的精度較高（比傳統(tǒng)方法提高了23.6%）。測試收斂值如圖6，表明權(quán)重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法能在較短時(shí)間內(nèi)收斂到最低能耗，提高了室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)系統(tǒng)的能力。

圖6 預(yù)測收斂擬合曲線

采用3種不同方法，測試能耗預(yù)測誤差，對(duì)比結(jié)果見表2。可見，權(quán)重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行能耗預(yù)測建模誤差較小。

表2 能耗預(yù)測誤差對(duì)比

4 結(jié)語

構(gòu)建室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)能耗預(yù)測模型，對(duì)溫度參數(shù)和耗能因素調(diào)節(jié)，根據(jù)人體的熱舒適性需求，結(jié)合空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)，降低熱波動(dòng)，提出基于組合權(quán)重分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)能耗預(yù)測方法，建立室內(nèi)雙通道暖通空調(diào)的能耗模擬結(jié)構(gòu)模型，分析能耗閾值；結(jié)合空氣對(duì)流和水分蒸發(fā)熱量分析，進(jìn)行空調(diào)能耗分配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測算法，實(shí)現(xiàn)能耗開銷預(yù)測。研究表明，權(quán)重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的預(yù)測精度較高，誤差較小。