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(1.中國建筑上海設計研究院有限公司, 上海 200062;2.同濟大學 電子與信息工程學院, 上海 201804)

0 引 言

近年來,隨著我國公共建筑大量的增加以及建筑智能化程度的不斷提高,公共建筑使用的各類設備能耗數(shù)量大幅上升,公共建筑已成為建筑中的用能大戶。據統(tǒng)計,近年我國公共建筑能耗強度增長約40%左右,能耗總量增長近2倍。在每年竣工的約4億m2的公共建筑中,2萬m2以上的大型公共建筑面積占城鎮(zhèn)建筑面積的比例不到4%,但其能耗卻占到全國總建筑能耗的20%以上,其中單位面積耗電量更是普通民宅的10～15倍。而在公共建筑全年能耗中50%～60%都消耗于空調制冷與采暖系統(tǒng)[1-2]。因此,針對公共建筑中的主要能耗設備和系統(tǒng),采用建筑能源管理系統(tǒng)(Building Energy Management System,BEMS)來實現(xiàn)能效管理、降低整體能耗就顯得至關重要[3-4]。

當前,國內外BEMS系統(tǒng)經過十多年的開發(fā)與研究,取得了一定成效,部分已在一些大型公共建筑案例中得到應用。這些應用中多以建筑分項計量為主,主要是對電量的計量,如對建筑物內的空調、照明、電梯、給排水等使用狀況進行監(jiān)測和控制,但在確保建筑能源需求的前提下,為實現(xiàn)有效節(jié)能,現(xiàn)有系統(tǒng)在能耗設備節(jié)能控制策略的自適應調節(jié)以及能耗的有效評估等方面還需開展深入的研究[5]。

本文選取建筑能耗大戶空調系統(tǒng)為研究對象,在對其能耗簡化模型進行分析的基礎上,提出基于多系統(tǒng)聯(lián)動的智慧型建筑能源管理系統(tǒng)設計方案,期望通過各子系統(tǒng)獲取數(shù)據,生成直接作用于空調系統(tǒng)的節(jié)能控制策略,以實現(xiàn)降低系統(tǒng)總能耗的目標,最后利用MATLAB搭建系統(tǒng)仿真模型,驗證智慧型能源管理系統(tǒng)中相關控制策略的有效性。

1 智慧型建筑能源管理系統(tǒng)方案設計

1.1 系統(tǒng)基本架構設計

BEMS系統(tǒng)從樓宇自動化系統(tǒng)逐步發(fā)展而來,可以通過對建筑物整體的能耗設備進行統(tǒng)合監(jiān)控、自動控制以及最優(yōu)化管理,以實現(xiàn)高效節(jié)能;同時采用以智能建筑為核心的節(jié)能技術,通過網絡對空調、電力、照明等設備實現(xiàn)一體化管理[6-9]。一般地,BEMS系統(tǒng)可采用分層分布式基本架構進行設計。BEMS系統(tǒng)基本架構如圖1所示。

圖1 BEMS系統(tǒng)基本架構

圖1中,BEMS系統(tǒng)主要包括操作層、管理層、決策層。工作時,系統(tǒng)操作層的終端采集儀表將采集到的數(shù)據通過網絡發(fā)送給管理層的能源管理專家后通過現(xiàn)場分析,再將處理好的數(shù)據發(fā)送給決策層的能源優(yōu)化中心,在該層通過相關優(yōu)化方法得到相應的節(jié)能方案后,再進一步通過Internet把遠程優(yōu)化指令發(fā)送給能源管理專家,籍此將接收到的優(yōu)化指令通過各類設備控制器對操作層的空調、電梯、照明、安防等設備系統(tǒng)進行控制。

在實際應用中,BEMS系統(tǒng)的能耗管理所涉環(huán)節(jié)較多,但其中空調、安防、電梯、照明等主要耗能系統(tǒng)的運行會對整體建筑能耗水平起到主要的影響作用,尤其空調系統(tǒng)相比其他系統(tǒng)而言其復雜程度和能耗水平均最高。因此,下面主要以空調系統(tǒng)為主要研究對象,在對其設備簡化模型進行分析的基礎上,提出基于多系統(tǒng)聯(lián)動的控制設計方案,實現(xiàn)對空調系統(tǒng)能耗的優(yōu)化控制。

1.2 建筑能耗影響因素分析

影響建筑能耗的客觀因素非常多,如建筑本身情況、人員流動情況、季節(jié)變化等[10]。而對于既定大型公共建筑,建筑面積、暖通空調位置和數(shù)量等因素不可更改,因此不作為節(jié)能控制策略的考慮因素,而大型公共建筑中客流變化較大,人體作為熱源發(fā)出的熱量會對室內溫度產生較大影響,因此不可忽略[11-13]。根據實際數(shù)據觀測和分析可知,大型公共建筑中客流量存在分布不均勻、隨時間變化性大、隨節(jié)日變化性大等特點,若任何情況下空調始終保持同種模式運行,會在客流量較少或分布不均時造成能耗浪費,故可將客流量作為節(jié)能優(yōu)化控制考慮因素之一。同時,環(huán)境溫度直接影響室內初始溫度,進而影響室內外的熱傳遞,因此也將環(huán)境溫度作為考慮因素,這樣既可在溫度適宜時節(jié)約能耗,也可在高溫時提升室內舒適度。

1.3 基于多系統(tǒng)聯(lián)動的智能控制系統(tǒng)設計

在綜合考慮客流量和環(huán)境溫度兩個節(jié)能控制影響因素的基礎上,提出基于多系統(tǒng)聯(lián)動的智能控制系統(tǒng)設計方案。基于多系統(tǒng)聯(lián)動的智能控制系統(tǒng)總體結構如圖2所示。

基于多系統(tǒng)聯(lián)動的智能控制系統(tǒng)總體結構包含3個子系統(tǒng),分別為設備監(jiān)控及能源管理子系統(tǒng)、客流統(tǒng)計子系統(tǒng)和無線網絡通信子系統(tǒng)。

(1) 設備監(jiān)控及能源管理子系統(tǒng)功能主要是運用自動化儀表、計算機過程控制和網絡通信技術,對建筑物內空調設備運行狀況進行自動化檢測、監(jiān)視、優(yōu)化控制及管理。

圖2 基于多系統(tǒng)聯(lián)動的智能控制系統(tǒng)總體結構

(2) 客流統(tǒng)計子系統(tǒng)通過在不同區(qū)域安裝客流統(tǒng)計設備,統(tǒng)計每個出入口、電梯、扶梯實時客流,將信息傳輸給能源管理子系統(tǒng),為后期對空調能耗控制提供依據。

(3) 無線網絡通信子系統(tǒng)通過監(jiān)測各個無線接入點(Access Point,AP)覆蓋區(qū)域的客流量,從而得出精準的客流分布數(shù)據,與客流統(tǒng)計子系統(tǒng)相配合,實現(xiàn)客流的實時控制和預測。

系統(tǒng)聯(lián)動是系統(tǒng)智能控制的重要部分,通過預先設置的系統(tǒng)聯(lián)動控制方案,當條件滿足時系統(tǒng)自動將控制信號按照聯(lián)動方案發(fā)送出去,控制相關的設備。各子系統(tǒng)間的聯(lián)動控制方案設計如下:

① 客流統(tǒng)計子系統(tǒng)與設備監(jiān)控及能源管理子系統(tǒng)。當建筑物內某客流統(tǒng)計點的客流量大于該統(tǒng)計點預設最大流量的60%時,則該區(qū)域的空調給定溫度降低0.5 ℃;客流量為預設最大流量的40%～60%時,空調給定溫度保持不變;客流量小于預設最大流量的40%時,空調給定溫度提高0.5 ℃。

② 無線網絡通信子系統(tǒng)與客流統(tǒng)計子系統(tǒng)。當兩個相鄰無線AP覆蓋范圍內的客流量發(fā)生變化時,通過分析客流量變化趨勢(變大或變小)進而判斷客流流向,對客流分布進行預測,并將信息傳遞給客流統(tǒng)計子系統(tǒng),調節(jié)各區(qū)域空調溫度的給定值。

1.4 智慧型系統(tǒng)能耗控制策略

1.4.1 系統(tǒng)能耗控制原理

以空調作為設備能耗簡化模型,對所設計系統(tǒng)的能耗控制策略進行研究?？照{系統(tǒng)能耗控制結構如圖3所示,其中溫度、客流量等作為影響信號輸入量,通過相應控制器對空調循環(huán)系統(tǒng)進行控制,并將空調系統(tǒng)當前狀態(tài)和參數(shù)實時反饋至能耗分析和評估系統(tǒng),經過相應優(yōu)化控制策略對空調進行控制。

圖3 空調系統(tǒng)能耗控制結構

空調系統(tǒng)由室外機和室內機兩部分組成,其中室外機由室外換熱器、壓縮機等部分組成;室內機由室內換熱器、電子膨脹閥組成。室外換熱器與室內換熱器的構成相同,通過電子膨脹閥的適當調節(jié)可以自由轉換運行模式,即根據系統(tǒng)制冷或者制熱模式轉換為蒸發(fā)器或冷凝器,滿足各個房間制冷或制熱的要求[14-16]。因此,對空調系統(tǒng)的能耗控制主要通過采集室內舒適性參數(shù)、室外環(huán)境參數(shù)和表征制冷系統(tǒng)運行狀況的狀態(tài)參數(shù),根據系統(tǒng)運行的優(yōu)化準則,調節(jié)壓縮機輸氣量、風扇的轉速以及膨脹閥的開度等可控參數(shù),來保證室內環(huán)境的舒適性,從而實現(xiàn)節(jié)能控制。

1.4.2 基于模糊控制的能耗優(yōu)化控制策略

當前空調控制中應用最廣泛的PID控制在系統(tǒng)參數(shù)調節(jié)過程中存在響應速度和精確度受比例、積分系數(shù)影響較大的不足,而模糊控制技術在對系統(tǒng)邏輯的模糊化處理上,具有控制靈活、動態(tài)響應快和精確度高等優(yōu)點。因此,采用模糊控制方法對圖3中的控制器進行設計,以實現(xiàn)空調系統(tǒng)的能耗優(yōu)化控制[17-19]。

在能耗優(yōu)化控制策略中,首先將室內外溫度、實際客流量給定值作為輸入變量,通過溫度計算模塊求解室內實際溫度,并計算溫差。接著將溫差及客流量作為模糊控制器的輸入變量,經量化處理后根據模糊規(guī)則進行模糊決策,確定空調輸出參數(shù)調整量,再經非模糊化處理后輸出變量。最后利用模糊控制器輸出量對空調循環(huán)系統(tǒng)進行調節(jié)。相應設計過程為:模糊控制器輸入變量溫度偏差E論域取[-1,1],模糊量化語言為(N、ZO、PS、PB);輸入變量客流量ρ論域取[0,1],模糊量化語言為(ZO、PS、PM、PB);輸出變量壓縮機控制修正量Δu論域取[-0.5,0.5],模糊量化語言為(NB、NS、ZO、PS、PB)。模糊規(guī)則表如表1所示。

表1 模糊規(guī)則表

2 智慧型建筑能源管理系統(tǒng)能耗仿真

為驗證上述能耗優(yōu)化控制策略的有效性,選取上海某大型商業(yè)體的一層建筑空間,根據其實際空調等耗能設備的具體物理分布和各類參數(shù)進行建筑能耗控制的仿真建模,并從不同角度對仿真結果進行分析與對比。其中設備類型包含1.1 kW單體空調機20臺和11 kW空調機組4臺,總額定功率為66 kW。

2.1 不同空調系統(tǒng)控制方式對比分析

傳統(tǒng)的空調系統(tǒng)控制方式為溫度控制,而目前多數(shù)商業(yè)建筑空調設備采取起停時間表控制策略,因此以溫度控制和起停時間表控制兩種控制策略作為參考,與基于模糊控制的智慧型控制策略的能耗控制效果進行對比[20-22]。

溫度控制策略通過溫度傳感器對空氣進行溫度采集,將采集到的溫度信號傳輸給控制模塊,再由控制模塊比較采集溫度與設定溫度是否一致,然后驅動空調機的加熱或降溫循環(huán)對空氣進行處理,從而模擬實現(xiàn)空調溫度控制單元的工作情況。

起停時間表控制策略按照規(guī)定的條件開啟或者關閉設備,該規(guī)定條件可以是營業(yè)時間,也可以是其他相關條件,這種控制方式操作簡單,可達到一定的節(jié)能效果。時間表控制策略如表2所示,根據每個時段的特點控制設備投入運行的比例。

表2 時間表控制策略

2.2 不同控制策略節(jié)能效果仿真對比

在相同工況下分別對溫度控制策略、時間表控制策略及智慧型控制策略進行仿真建模和運行,對比同一時段內3種控制方式的平均能耗量,驗證智慧型能耗優(yōu)化控制策略具有更好的節(jié)能效果。經過仿真運行,可得能源管理系統(tǒng)在不同控制方式下6月、7月日平均能耗變化情況。不同控制策略下日平均能耗變化如圖4所示。

圖4 不同控制策略下日平均能耗變化

如圖4可知,6月室外溫度較低,3種控制策略耗能均相對較小,較溫度控制策略,智慧型能耗控制策略日平均節(jié)約能耗大約為40 kWh,占其能耗的40%左右,而時間表控制策略的日平均能耗約為溫度控制策略日平均能耗的2.5倍;7月室外溫度較高,3種控制策略中設備均投入較大功率運行,日平均能耗比較接近,但能耗優(yōu)化控制策略的日平均能耗低于另外兩種控制策略。

由上述分析可知,時間表控制策略雖可在一定程度上實現(xiàn)節(jié)能,但仍不夠靈活,無法根據實際情況做出實時調整,且列表的方式難以實現(xiàn)對不同區(qū)域的控制,因此節(jié)能效果相對有限。溫度控制策略節(jié)能效果優(yōu)于時間表控制策略,但僅考慮環(huán)境溫度作為空調系統(tǒng)調節(jié)因素,控制方式比較單一。而智慧型能耗控制策略由于增加客流分析條件,可根據外在條件的不同進行實時的變化,相同情況下能耗需求最少,故節(jié)能效果最優(yōu)。

3 結 語

通過設計基于多系統(tǒng)聯(lián)動的智慧型能源管理系統(tǒng),對某商業(yè)體建筑中主要耗能設備——空調系統(tǒng)的能耗優(yōu)化控制策略進行研究,并在相同工況下仿真比較了基于時間表控制、溫度控制以及智慧型控制3種不同策略下的能耗控制效果。仿真結果表明,智慧型控制策略的節(jié)能效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的溫度控制策略和時間表控制策略,也進一步驗證基于多系統(tǒng)聯(lián)動的能源管理控制策略的有效性。多系統(tǒng)聯(lián)動控制還有許多有待深入研究的內容,隨著智能建筑能源管理相關技術的發(fā)展,未來智慧型建筑能源管理系統(tǒng)在各個方面仍有待進一步拓展和提升。

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