□□ 李 晶

(山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030619)

引言

能源從古至今一直是人類生產(chǎn)、生活的必須品。但近些年，能源消耗不斷加速，非可再生能源地消耗也帶來了氣候變暖等一系列挑戰(zhàn)，如何找到發(fā)展與節(jié)能的平衡點(diǎn)，使人類走上可持續(xù)發(fā)展的道路，已成為全社會關(guān)注和研究的聚焦點(diǎn)。近年來各種建筑節(jié)能措施和方法層出不窮，可目前已投入使用的樓宇能源調(diào)節(jié)系統(tǒng)，準(zhǔn)確度不高，調(diào)控簡單，能耗降低有限，已不能滿足節(jié)能的需求。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近年來發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，作為模擬人體大腦及神經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)模式和功能而建立起來的學(xué)科，其被用于應(yīng)對許多復(fù)雜場景，在空調(diào)能耗調(diào)節(jié)的復(fù)雜多變量非線性系統(tǒng)中，恰能夠發(fā)揮其優(yōu)勢；而作為應(yīng)用廣泛的PID控制器，經(jīng)過多年應(yīng)用實(shí)踐，已形成了較為合理和完整的體系，因此，常規(guī)的PID控制在建筑物節(jié)能調(diào)控中的作用同樣需要引起重視。將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)PID控制有效地結(jié)合起來，將是解決空調(diào)節(jié)能的關(guān)鍵所在。

1 建筑空調(diào)節(jié)能控制策略及方案

關(guān)于建筑物的電力節(jié)能取決于3個(gè)方面。首先，優(yōu)化建筑用電相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以減少電力消耗。其次，精確控制建筑物電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。目前，人工智能和大數(shù)據(jù)是最為行之有效的方法。另外，優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，開發(fā)利用可再生能源實(shí)現(xiàn)節(jié)能?？照{(diào)是現(xiàn)代建筑能源消耗大戶，以大型建筑的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，空調(diào)能用消耗占整體能耗的35%～50%，一些具有特殊需求的建筑物能耗則會更高。如今，有多種空調(diào)控制的方法，大多數(shù)是對空調(diào)系統(tǒng)工作過程常規(guī)控制的補(bǔ)充，部分控制系統(tǒng)具有節(jié)能控制元件，但是由于控制方法地限制，節(jié)能效果一般。一些空調(diào)系統(tǒng)依靠連續(xù)的人工干預(yù)來實(shí)現(xiàn)某些節(jié)能目標(biāo)，但真正地節(jié)能效果并不明顯。

隨著現(xiàn)代建筑功能的多樣化和智能化，人們對房間內(nèi)部環(huán)境的要求更為苛刻，不僅需具有良好的溫度要求，濕度也應(yīng)符合人們的需求。整棟建筑的溫度調(diào)節(jié)是復(fù)雜大系統(tǒng)，涵蓋各種輸入和輸出量。多變量控制策略能夠在一定程度上解決系統(tǒng)的復(fù)雜問題，但對于要求溫濕度強(qiáng)烈耦合且風(fēng)量實(shí)時(shí)變化來說，變風(fēng)量空調(diào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

1.1 空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代大型建筑物的中央空調(diào)主要組成有空調(diào)機(jī)組、空調(diào)控制器、送風(fēng)機(jī)組、溫濕度傳感器等。

中央空調(diào)依據(jù)布置在房間末端的信號采集裝置，獲得每個(gè)終端的工作狀態(tài)，以設(shè)定的溫度為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得到建筑物各個(gè)房間所需的送風(fēng)量，再通過總風(fēng)量調(diào)節(jié)空調(diào)變頻器，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)為每個(gè)房間的溫度需求做出差異化的調(diào)節(jié)，并達(dá)到能耗最低的目的?？照{(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 空調(diào)控制系統(tǒng)

隨著技術(shù)的發(fā)展，大型建筑物的各房屋溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)都部署了自動控制功能，除了采用簡單的單回路閉環(huán)控制以外，現(xiàn)代中央空調(diào)根據(jù)需求嵌入了比值控制系統(tǒng)、勻速控制系統(tǒng)等，控制的復(fù)雜程度也隨之上升。

為了方便研究，本文對空調(diào)調(diào)控的房間面積和控制方式進(jìn)行重新歸類，以集中控制類型為例，如圖2所示。從圖2可以看出，戶外的新鮮空氣，先通過防塵網(wǎng)，再到空調(diào)箱與二次回風(fēng)相結(jié)合，去一次加熱器、二次加熱器等。

圖2 空氣流傳圖

潮濕與否和溫度高低是空氣舒適度最為重要的參數(shù)，下面以冷熱控制為例，說明其結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 空調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

空調(diào)控制系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、空氣冷卻、風(fēng)道冷熱感應(yīng)裝置TE、冷熱調(diào)節(jié)裝置TC01、兩通轉(zhuǎn)換閥TV等組成。

溫度的控制，首先由風(fēng)道溫度傳感器TE測出風(fēng)道溫度值，再將信號傳遞到溫度調(diào)節(jié)器TC01。溫度調(diào)節(jié)器將人們設(shè)定的溫度值與溫度傳感器TE檢測值(反饋值)進(jìn)行比較計(jì)算(一般為PID調(diào)節(jié))，進(jìn)而得到控制值，再由制冷裝置TV降溫，進(jìn)而完成整個(gè)控制過程。通過調(diào)節(jié)空調(diào)新風(fēng)溫度，使得房間內(nèi)溫度恒定的方法，是具有反饋環(huán)節(jié)的典型閉環(huán)系統(tǒng)。

1.3 變頻技術(shù)的應(yīng)用

通過控制方法及空調(diào)結(jié)構(gòu)分析，減少電力消耗應(yīng)采用變頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)風(fēng)機(jī)通過多頻率變化從而改變轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)道內(nèi)的靜壓力也會改變系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，從而形成閉環(huán)控制。空調(diào)的水泵也采用變頻。這樣既能夠擴(kuò)大空調(diào)能耗的調(diào)節(jié)范圍，還可以保護(hù)電網(wǎng)免受空調(diào)機(jī)器的負(fù)荷沖擊。空調(diào)控制鏈條如圖4所示。

圖4 空調(diào)控制鏈條框圖

(1)當(dāng)負(fù)荷有所變化時(shí)，可以按照預(yù)定的次序和時(shí)刻啟動。

(2)多個(gè)風(fēng)機(jī)的啟動、停止都能夠遵循負(fù)荷變化的規(guī)律來變化。

(3)當(dāng)其中某個(gè)機(jī)器不能正常工作時(shí)，其他機(jī)器能夠馬上啟動，代替其工作，保障整體工作的穩(wěn)定。

(4)機(jī)組內(nèi)的每臺風(fēng)機(jī)的啟動順序都可以進(jìn)行重新排列。

當(dāng)從室外向室內(nèi)輸送冷風(fēng)時(shí)，空調(diào)制冷所需總能量按式(1)計(jì)算：

Q=c·p·L(tn-is)

(1)

式中:c——空氣的比熱容，kJ/(kg·℃)；

p——空氣密度，kg/m3；

L——機(jī)組排風(fēng)大小，m3；

tn——內(nèi)部溫度，℃；

is——調(diào)控溫度，℃；

Q——總能量，kJ。

由式(1)可知，假定L不變，可以通過調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度is，來保持Q不變化，這是過去使用最多的空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)模式，即通過調(diào)節(jié)is，來維持室內(nèi)空氣溫度不隨著室內(nèi)其他因素的改變而改變。同樣，假定is不變，調(diào)節(jié)L，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)熱流量Q的穩(wěn)定。

2 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID空調(diào)控制方法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)分析單元，以各種形式組成的分析集合。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)，模仿生物神經(jīng)傳遞機(jī)制，如分析、理解、分類、儲存、檢索等。在得到末端數(shù)據(jù)、調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，冷卻水溫度與流速后，通過仿真計(jì)算對情況進(jìn)行估計(jì)，并將結(jié)果與目標(biāo)的差值反饋給判斷裝置。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)里有多種實(shí)現(xiàn)方式，但目前應(yīng)用效果最顯著的是結(jié)合傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能調(diào)節(jié)方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID調(diào)節(jié)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理辨識PID的3個(gè)變化量值。經(jīng)典的增量式PID控制算法為：

u(k)=u(k-1)Δu(k)。

三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖

為實(shí)現(xiàn)更快速的調(diào)節(jié)及更好的魯棒性，應(yīng)先將各類變量輸入到控制器中，再結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PID控制等手段，在變量不斷增加的情況下，依然保持控制的快速性和精確性。整個(gè)系統(tǒng)保證了在各種強(qiáng)干擾下整體性能控制的穩(wěn)定。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器模型

為驗(yàn)證上述分析的準(zhǔn)確率，設(shè)計(jì)了一種同時(shí)將PID控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID進(jìn)行模擬計(jì)算的方法。仿真框圖如圖7所示。

圖7 仿真框圖

仿真結(jié)果見表1。

表1 仿真結(jié)果對比

從仿真結(jié)果可以看出，與傳統(tǒng)的PID相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制，不僅整個(gè)調(diào)節(jié)時(shí)間短，調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)，能耗還減少了15%。

3 結(jié)語

利用人工智能技術(shù)將傳統(tǒng)的空調(diào)能耗調(diào)節(jié)系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提高能源的利用率，提升了空調(diào)控制系統(tǒng)的智能水平，也為人們工作、生活營造了更加舒適的條件。隨著人工智能技術(shù)研究的不斷深入，今后智能建筑必將會向著更加智能化、人性化、環(huán)?；姆较虬l(fā)展。