裴 婷

（浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310028）

超高層建筑建設(shè)越來越多，實(shí)現(xiàn)超高層建筑供水系統(tǒng)的優(yōu)化控制受到人們的關(guān)注［1-5］.文獻(xiàn)［6］結(jié)合某超高層建筑設(shè)計(jì)案例對重力給水系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行比較，并提出超高層建筑給水系統(tǒng)方案選擇建議，但是其供水系統(tǒng)的輸出能耗開銷沒有實(shí)現(xiàn)均衡調(diào)度；文獻(xiàn)［7］采用水泵-高位水箱聯(lián)合供水和變頻水泵供水兩種方式聯(lián)合優(yōu)化供水組合方案，根據(jù)超高層建筑給水系統(tǒng)能耗計(jì)算公式，并采用簡化方式計(jì)算給水系統(tǒng)能耗的方法，但其對超高層建筑供水系統(tǒng)能耗控制的適應(yīng)性不好；文獻(xiàn)［8］針對高層建筑的給排水設(shè)計(jì)，總結(jié)出為給水系統(tǒng)能耗分析提供一種量化計(jì)算方法，為給排水設(shè)計(jì)工作提供參考借鑒，但是其整體節(jié)能控制能力不強(qiáng).

針對上述問題，本文提出基于負(fù)荷預(yù)測的超高層建筑供水系統(tǒng)能耗綜合優(yōu)化方法，其理論優(yōu)越性為：在超高層建筑供水系統(tǒng)的固體相及各流體相線彈性變形分布下實(shí)現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測，根據(jù)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果實(shí)現(xiàn)超高層建筑供水系統(tǒng)能耗的彈性柔度張量分析和量化特征分解，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的能耗綜合估計(jì)和自適應(yīng)控制.

1 超高層建筑供水系統(tǒng)的能耗參數(shù)采集和傳感節(jié)點(diǎn)部署

1.1 超高層建筑供水系統(tǒng)的能耗參數(shù)采集

為了實(shí)現(xiàn)基于負(fù)荷預(yù)測的超高層建筑供水系統(tǒng)能耗綜合參數(shù)采集，采用水流強(qiáng)度傳感節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署結(jié)構(gòu)，結(jié)合水流傳感節(jié)點(diǎn)綜合部署的方法［9-10］，進(jìn)行超高層建筑供水節(jié)點(diǎn)優(yōu)化，得到超高層建筑供水系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)部署結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 超高層建筑供水系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)部署結(jié)構(gòu)Fig.1 Node deployment structure of super high-rise building water supply system

根據(jù)圖1所示的超高層建筑供水系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)部署結(jié)構(gòu)，采用綜合能耗控制決策的方法，分析超高層建筑供水系統(tǒng)的水流進(jìn)出參數(shù)，建立單相飽和各向同性參數(shù)控制模型［11］，得到超高層建筑供水系統(tǒng)能耗綜合控制的節(jié)點(diǎn)分布特征，采用各向異性多孔介質(zhì)融合的方法，得到輸出有效應(yīng)力為：

其中：E(t)表示超高層建筑供水系統(tǒng)能耗綜合控制的初始能量；E表示超高層建筑供水系統(tǒng)能耗綜合控制的衰減系數(shù).采用各向異性多重孔隙輸出控制的方法，得到超高層建筑供水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化代價(jià)模型為：

其中：l()e為超高層建筑供水系統(tǒng)能耗綜合控制的負(fù)載；la表示多相非飽和各向流量；結(jié)合能量閾值控制，得到超高層建筑供水系統(tǒng)能耗綜合決策的負(fù)載，用fr表示；根據(jù)l()e過載程度不同，采用負(fù)荷預(yù)測和均衡調(diào)度的方法，得到超高層建筑供水系統(tǒng)的能耗綜合調(diào)度模型，用R來表示.采用有效應(yīng)力特征分析的方法，構(gòu)建超高層建筑供水系統(tǒng)能耗負(fù)荷均衡調(diào)度模型，采用模糊控制方法構(gòu)建超高層建筑供水系統(tǒng)能耗綜合決策的控制律，實(shí)現(xiàn)能耗參數(shù)采集［12-15］.

1.2 各向異性多孔介質(zhì)的節(jié)點(diǎn)部署

采用多相非飽和各向異性多重孔隙分析的方法，分析超高層建筑供水系統(tǒng)的水流傳輸中間節(jié)點(diǎn)分布結(jié)構(gòu)［16-17］，引入等效飽和狀態(tài)分析的方法，得到超高層建筑供水系統(tǒng)的能耗為：

其中：zv為超高層建筑供水系統(tǒng)能耗綜合控制節(jié)點(diǎn)的能量分配參數(shù)；ed為流體的孔隙特征分量.根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余度規(guī)則［18-20］，設(shè)計(jì)超高層建筑供水系統(tǒng)能耗綜合優(yōu)化控制的框架結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 超高層建筑供水系統(tǒng)能耗綜合優(yōu)化控制的框架結(jié)構(gòu)（單位：mm）Fig.2 Framework structure for comprehensive optimization control of energy consumption of super high-rise building water supply system

根據(jù)圖2所示的超高層建筑供水系統(tǒng)能耗綜合優(yōu)化控制的框架結(jié)構(gòu)，采用換算截面法，得到超高層建筑供水系統(tǒng)的應(yīng)變硬化區(qū)域應(yīng)力值等集結(jié)果［21］，進(jìn)行熱量均衡控制下的超高層建筑供水系統(tǒng)水流強(qiáng)度傳感節(jié)點(diǎn)優(yōu)化融合［22］，得到Ⅱ型應(yīng)力分布成立的條件下控制目標(biāo)函數(shù)為：

其中：Vi(e)表示超高層建筑供水系統(tǒng)的彈性區(qū)域及高度、節(jié)點(diǎn)ni的超高層建筑供水系統(tǒng)的接收能量；Va表示超高層建筑供水系統(tǒng)的剩余能量值.在平均阻力系數(shù)小于單圓柱體下，得到剪切層交互作用的目標(biāo)函數(shù)為：

其中：Sir是超高層建筑供水的平均升力.在渦脫強(qiáng)度增大的條件下，得到兩個圓柱表面平均水壓為：

其中：Nir是第r輪超高層建筑供水系統(tǒng)能耗綜合控制的覆蓋點(diǎn)集.通過阻力系數(shù)約束，得到超高層建筑供水系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測輸出為：

其中：q()s為負(fù)荷預(yù)測的最優(yōu)解特征量參數(shù)；bu為供水系統(tǒng)特征參數(shù).根據(jù)超高層建筑供水系統(tǒng)能耗的多相等效飽和特征分布，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均衡調(diào)度和優(yōu)化預(yù)測［23-26］.

2 超高層建筑供水系統(tǒng)能耗綜合控制設(shè)計(jì)

其中：wf為建立流體動力黏度預(yù)測模型參數(shù)；z(s)為時(shí)間步長得到控制的方法參數(shù).在超高層建筑供水系統(tǒng)的固體相及各流體相線彈性變形分布下，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測，預(yù)測輸出為：

其中：pk、pi為超高層建筑供水系統(tǒng)能量函數(shù).選用自由流出邊界約束的方法，得到供水系統(tǒng)的能耗綜合控制函數(shù)表示如下：

其中：nj為負(fù)荷預(yù)測特征量；ζ(u)為供水系統(tǒng)優(yōu)化控制參數(shù).通過上述設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)超高層建筑供水系統(tǒng)能耗的彈性柔度張量分析和量化特征分解，進(jìn)行超高層建筑供水系統(tǒng)的能耗調(diào)度和優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而根據(jù)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的能耗綜合估計(jì)和自適應(yīng)控制.

3 實(shí)驗(yàn)測試

根據(jù)世界超高層建筑學(xué)會的新標(biāo)準(zhǔn)，以某市摩天指數(shù)為459.93的超高層建筑為例，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試.實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定超高層建筑供水系統(tǒng)能耗檢測的傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)為54，供水系統(tǒng)的孔隙介質(zhì)傳遞系數(shù)為0.35，水流液相的壓力為200 MPa，超高層建筑供水管道圓柱的阻力系數(shù)為0.73，超高層建筑供水系統(tǒng)的力學(xué)參數(shù)擬合值見表1.

表1 超高層建筑供水系統(tǒng)的力學(xué)參數(shù)擬合值Tab.1 Mechanical parameters of super high-rise building water supply system

根據(jù)表1對超高層建筑供水系統(tǒng)的力學(xué)參數(shù)檢測結(jié)果進(jìn)行超高層建筑供水系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測，得到負(fù)荷預(yù)測的分析結(jié)果如圖3所示.

圖3 超高層建筑供水系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測分析結(jié)果Fig.3 Load prediction analysis results of super high-rise building water supply system

分析圖3得知，本文方法能有效實(shí)現(xiàn)對超高層建筑供水系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測，所以本方法可以通過正確評估間隙流所受的擠壓特征，實(shí)現(xiàn)對供水系統(tǒng)的能耗綜合決策，測試供水系統(tǒng)的水流加速度，得到測試結(jié)果如圖4所示.

圖4 供水系統(tǒng)的水流加速度測試Fig.4 Water flow acceleration test of water supply system

分析圖4得知，通過對超高層建筑供水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了供水系統(tǒng)的水流加速度，降低了能量開銷，這是因?yàn)闃?gòu)建了超高層建筑供水系統(tǒng)的能耗優(yōu)化控制模型，通過對供水系統(tǒng)的綠色施工設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)超高層建筑供水系統(tǒng)的優(yōu)化控制.

以圖4的加速度測試結(jié)果為例進(jìn)行能耗綜合優(yōu)化的模型參數(shù)分析，得到分析結(jié)果如表2所示.

表2 模型參數(shù)分析Tab.2 Model parameter analysis

分析表2得知，本文方法對超高層建筑供水系統(tǒng)能耗優(yōu)化控制的收斂性較好，決策水平較高，這是因?yàn)楸疚牟捎脮r(shí)間步長得到控制的方法，在超高層建筑供水系統(tǒng)的固體相及各流體相線彈性變形分布下，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測和能耗控制.

4 結(jié)語

本文提出基于負(fù)荷預(yù)測的超高層建筑供水系統(tǒng)能耗綜合優(yōu)化方法，以超高層建筑供水系統(tǒng)的水流傳輸中間節(jié)點(diǎn)分布集和供水系統(tǒng)的固體相及各流體相線彈性變形分布模式，建立流體動力黏度預(yù)測模型，提高了供水系統(tǒng)的水流加速度，降低了能量開銷，模型力學(xué)參數(shù)擬合程度高，收斂性較強(qiáng).