許 琳

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院 南陽 473000）

0 引言

空調(diào)系統(tǒng)的控制包括室內(nèi)環(huán)境溫度和管路中水流量的變化情況[1]。近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)的許多研究應(yīng)用在空調(diào)系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)中[2]。交通建筑是大量客流聚集的公共場所，其室內(nèi)環(huán)境舒適程度對(duì)乘客候車過程中的身心健康和出行狀態(tài)具有直接影響[3,4]。由于交通建筑的半封閉特性，使得其內(nèi)外部熱濕交換頻繁，室內(nèi)舒適度呈動(dòng)態(tài)隨機(jī)變化，其溫控系統(tǒng)是一類特定的復(fù)雜控制問題，本文由此研究西昌西站房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的智能溫控方法。

1 模型設(shè)置

1.1 工程背景

西昌西高鐵站位于四川省西昌市涼山彝族自治州，該區(qū)域的氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，干濕分明，冬半年日照充足，少雨干暖；夏半年云雨較多，氣候涼爽。但涼山州地形及大氣環(huán)流的多樣性，使得涼山州干雨明顯、立體氣候特征發(fā)生變異，導(dǎo)致涼山州氣候特征呈現(xiàn)出復(fù)雜性、多樣性。11月～次年4月大致為干季，5月～10月為濕季。干濕季特征顯著不同，干季氣候特點(diǎn)是降水稀少，溫差不大，陽光充足，氣候暖和；濕季氣候特點(diǎn)是溫涼濕潤、多陰雨[5,6]。

本文中的過渡季節(jié)通過仿真實(shí)驗(yàn)確定，結(jié)合四季的劃分，春秋兩季為一年中進(jìn)行冷熱交替過渡的季節(jié)，室外溫度較為適宜，因此本研究也分別在春季（3月、4月、5月）和秋季（9月、10月、11月）中各選取一個(gè)月作為本研究中的過渡季節(jié)，以半個(gè)月為間隔進(jìn)行劃分，列舉多種過渡季節(jié)的組合方式，并根據(jù)對(duì)應(yīng)過渡季節(jié)的設(shè)置進(jìn)行仿真，即過渡季節(jié)不開啟空調(diào)，冬季、夏季會(huì)開啟空調(diào)制熱、制冷模式，最后選取不同的過渡季節(jié)設(shè)置溫度不舒適次數(shù)最少的情況作為過渡季節(jié)的日期選擇。

1.2 模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，兩個(gè)制冷主機(jī)覆蓋的范圍是候車廳和進(jìn)站廳。本研究的空間劃分并非單純按照房間個(gè)數(shù)，而是將每個(gè)空氣處理機(jī)組劃分為1 個(gè)區(qū)域，將候車廳公共衛(wèi)生間的風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行合并。因此，候車廳被分成了4 個(gè)空間，進(jìn)站廳被分成了3個(gè)空間。

由于進(jìn)站廳空間較大，共設(shè)置3 臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組，因此在Energy Plus 中將進(jìn)站廳分為3 個(gè)熱區(qū)，在模型中記為jinzhan1、jinzhan2 和jinzhan3；同樣的，由于高架候車廳共設(shè)置4 臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組，因此將高架候車廳分為4 個(gè)熱區(qū)，在模型中記為houche1、houche2、houche3 和houche4。2 層進(jìn)站廳平面圖如圖1所示，3 層高架候車廳平面圖如圖2所示。

圖1 進(jìn)站廳平面圖Fig.1 Plan of entrance hall

圖2 候車廳平面圖Fig.2 Plan of waiting hall

室內(nèi)熱源會(huì)影響總體能耗，熱源主要分為人員、燈光、設(shè)備，所以需要分別對(duì)此進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。高鐵站作為人員流動(dòng)頻繁的場所之一，人員流動(dòng)性大給人員逐時(shí)統(tǒng)計(jì)帶來較大的困難，但因人員的流動(dòng)與高鐵的發(fā)車時(shí)間成正相關(guān)，在Energy Plus 中，人員流量參數(shù)可以精確到每分鐘，但在實(shí)際調(diào)研中要獲取每分鐘室內(nèi)人員流量難度較大。因此，本文實(shí)地調(diào)研統(tǒng)計(jì)了一天中高架候車廳內(nèi)人員的逐時(shí)平均客流量，如圖3所示。

圖3 人員逐時(shí)數(shù)量Fig.3 Hourly number of personnel

圖3顯示了西昌西站一天中的人員流動(dòng)變化系數(shù)，其中最大的客流量密度為2000 人/小時(shí)。為了使每天的人員流動(dòng)符合總體規(guī)律又有人員數(shù)量上的變動(dòng)，本研究在實(shí)驗(yàn)過程中加入了0.1 的擾動(dòng)，即以調(diào)查日客流量為基礎(chǔ)，使數(shù)據(jù)在不超出最大客流量為2000 人和最小客流量為0 的前提下，在10%的范圍內(nèi)波動(dòng)，隨機(jī)增大或減小，以此生成一年中其他天數(shù)的客流量數(shù)據(jù)。

室內(nèi)燈光設(shè)置是基于火車站內(nèi)實(shí)際開啟的燈光臺(tái)數(shù)，每臺(tái)燈光功率大小，經(jīng)過加權(quán)平均，計(jì)算得到燈光功率，其中高架候車廳為每平方米15W，進(jìn)站廳為每平方米10W。高架候車廳、進(jìn)站廳采用2 臺(tái)螺桿式風(fēng)冷熱泵機(jī)組為其提供冷熱水，熱泵機(jī)組單體制冷量926kW，制熱量889kW?？照{(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為閉式機(jī)械循環(huán)，冷水供/回水溫度為7/12℃，熱水供/回水溫度為45/40℃。

基于上述人員、燈光、設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，為了方便數(shù)值模擬，將高架候車廳建筑平面圖進(jìn)行一定簡化，將西昌西站地理信息導(dǎo)入Energy Plus 中，構(gòu)建的Design builder 三維模型如圖4所示。候車廳空調(diào)室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)參數(shù)為：冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度18℃，夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26～28℃，室內(nèi)相對(duì)濕度為40～70%，最小新風(fēng)量為10m3/(h·p)。

圖4 三維模型圖Fig.4 3D model drawing

1.3 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)組成

本工程空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖5所示，高架候車廳采用一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，設(shè)置4 臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組；進(jìn)站廳設(shè)置3 臺(tái)吊頂式空調(diào)機(jī)組，新風(fēng)由出入口滲透、機(jī)械通風(fēng)和電動(dòng)排煙窗風(fēng)口三種開啟方式組成；售票廳、候車廳公共衛(wèi)生間共設(shè)置22 臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管，在模型中簡化為8 臺(tái)，新風(fēng)由出入口及公共區(qū)滲透得到。

圖5 空調(diào)系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of air conditioning system

本文利用已開設(shè)的電動(dòng)排煙窗作為自然通風(fēng)進(jìn)、排風(fēng)口，當(dāng)前車站候車廳頂部共設(shè)置4 處電動(dòng)排煙窗，此處可用于自然通風(fēng)。每處電動(dòng)排煙窗開啟凈面積為75m2，故開窗總面積為75*4=300m2，通風(fēng)驅(qū)動(dòng)力由風(fēng)壓和熱壓組成，選取Energy Plus中的自然通風(fēng)模型。

針對(duì)過渡季與非過渡季交接時(shí)段，可通過機(jī)械通風(fēng)方式進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)，在節(jié)能的同時(shí)，獲得合適的室內(nèi)溫度。通過采用Energy Plus 軟件仿真模擬，分別確定了4.2-4.15 和9.1-9.14 兩個(gè)交接時(shí)段采用機(jī)械通風(fēng)方式，形成了半開空調(diào)方法下的調(diào)控策略，如表1所示。

表1 半開空調(diào)溫控策略Table 1 Temperature control strategy of semi open air condition

2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能溫控策略設(shè)計(jì)

2.1 智能溫控策略設(shè)計(jì)

本文利用Energy Plus 軟件搭建西昌西站空調(diào)系統(tǒng)仿真模型，獲得系統(tǒng)全年運(yùn)行數(shù)據(jù)，共599879組，選取其中96%作為機(jī)器學(xué)習(xí)的輸入數(shù)據(jù)，剩下4%作為測試數(shù)據(jù)。借助Matlab 軟件建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，得到多時(shí)刻溫度濕度短時(shí)預(yù)測模型，用于實(shí)時(shí)輸入溫控策略后獲得反饋，以輸出不同溫控策略實(shí)施后的室內(nèi)溫度及能耗數(shù)據(jù)。考慮到多時(shí)刻溫度濕度預(yù)測模型會(huì)輸入當(dāng)前時(shí)刻以及對(duì)前七天室內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，屬于時(shí)序預(yù)測問題，而門控循環(huán)單元網(wǎng)絡(luò)模型（Gated Recurrent Units，GRU）更擅長用于處理時(shí)序問題，故本文選用GRU 算法對(duì)下一時(shí)刻的溫濕度進(jìn)行預(yù)測。Cho 等[7]在2014年提出門控循環(huán)單元，能夠解決循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因長期依賴帶來的梯度消失和梯度爆炸等問題。門控循環(huán)單元通過引入重置門和更新門的概念來改變隱藏狀態(tài)的計(jì)算方式，計(jì)算速度更加快捷，能夠保存長期序列中的信息，且不會(huì)隨時(shí)間而清除或因?yàn)榕c預(yù)測不相關(guān)而移除[8]。

本文搭建的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，通過提取當(dāng)前時(shí)刻及上一時(shí)刻的室外干球溫度、室外露點(diǎn)溫度、室外濕球溫度、室外空氣濕度比、室外空氣相對(duì)濕度、太陽散射輻射率、太陽直射輻射率、室內(nèi)干球溫度、室內(nèi)濕球溫度及客流量作為輸入端，下一時(shí)刻七個(gè)分區(qū)的室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、水流量和能耗作為輸出端，從而確定機(jī)器學(xué)習(xí)的溫控參數(shù)預(yù)測模型。

為了達(dá)到節(jié)能效果，本文優(yōu)先考慮使用不開啟空調(diào)的控制模式，然后對(duì)該控制模式下的室內(nèi)溫度和濕度進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)在該控制模式下達(dá)不到滿意的室內(nèi)溫度時(shí)，再考慮使用開啟空調(diào)模式的控制模式，同時(shí)對(duì)該模式下的水流量和能耗進(jìn)行預(yù)測。智能溫控流程如圖6所示。

圖6 智能溫控流程圖Fig.6 Flow chart of intelligent temperature control

開啟空調(diào)模式通過對(duì)開啟空調(diào)工況下，室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)、空調(diào)控制參數(shù)與產(chǎn)生的水流量和能耗之間的影響機(jī)理以及復(fù)雜關(guān)系進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)時(shí)給出合理的空調(diào)控制參數(shù)。

需要特別指出的是，在鐵路客運(yùn)站空調(diào)設(shè)計(jì)中，候車廳室內(nèi)相對(duì)濕度控制要求為40～70%，是一個(gè)較廣泛的控制范圍，相對(duì)濕度加入后會(huì)影響機(jī)器學(xué)習(xí)的精度，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果會(huì)有部分偏差。因此本文控制參數(shù)中暫未考慮室內(nèi)相對(duì)濕度，其可作為后續(xù)研究內(nèi)容。

2.2 三種溫控策略

為了對(duì)本文所提出的智能溫控策略的實(shí)施效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文選取了另外兩種溫控策略進(jìn)行對(duì)比分析。這兩種溫控方法分別稱之為“全開空調(diào)”策略和“半開空調(diào)”策略。由于智能溫控策略可根據(jù)內(nèi)外部環(huán)境狀態(tài)參數(shù)的改變而實(shí)時(shí)改變，本文構(gòu)建了環(huán)境狀態(tài)短時(shí)預(yù)測模型，用于實(shí)時(shí)輸入溫控參數(shù)后獲得反饋信息，以輸出不同溫控策略實(shí)施后的室內(nèi)溫度及能耗數(shù)據(jù)，從而對(duì)三種溫控方法的效果進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）智能溫控策略

智能溫控策略即本文所提出的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的溫控設(shè)計(jì)方法，通過相應(yīng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)及客流量的變化，實(shí)時(shí)確定采用開窗通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)、開窗與機(jī)械通風(fēng)組合或開啟空調(diào)等溫度控制策略。

（2）全開空調(diào)策略

全開空調(diào)策略主要通過在全年工作時(shí)段（5:00-23:00）內(nèi)開啟空調(diào)，非工作時(shí)段關(guān)閉空調(diào)的控制方式來控制室內(nèi)溫度。

（3）半開空調(diào)策略

半開空調(diào)策略主要考慮在過渡季節(jié)關(guān)閉空調(diào)，采用自然通風(fēng)以及機(jī)械通風(fēng)的方式，在非過渡季節(jié)采用開啟空調(diào)的方式來控制室內(nèi)溫度。

表2列出了在不同的環(huán)境工況下，三種溫控策略的設(shè)備開啟情況。

表2 三種溫控策略對(duì)比表Table 2 Comparison table of three temperature control strategies

3 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)智能溫控策略效果評(píng)價(jià)

3.1 全年室內(nèi)溫度變化情況

通過一年的數(shù)據(jù)模擬，得到三種溫控策略的實(shí)施效果。圖7至圖9為三種溫控方法下全年室內(nèi)溫度的變化情況。全開空調(diào)和智能控制策略下可以保證全年室內(nèi)溫度都處于較為舒適的范圍內(nèi)，變化更為均勻，半開空調(diào)策略下有溫度明顯過高的情況（高于30℃），部分時(shí)間不能對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行較好的調(diào)節(jié)。

圖7 智能溫控策略下，全年室內(nèi)溫度變化Fig.7 Annual indoor temperature change under intelligent temperature control strategy

圖8 半開空調(diào)策略下，全年室內(nèi)溫度變化Fig.8 Annual indoor temperature change under semi open air conditioning strategy

圖9 全開空調(diào)策略下，全年室內(nèi)溫度變化Fig.9 Annual indoor temperature change under fully open air conditioning strategy

對(duì)比不同控制策略下室內(nèi)溫度的變化情況，存在智能控制策略在冬季比全開空調(diào)策略溫度高，在夏季比全開空調(diào)策略溫度低的情況：

（1）冬季某些時(shí)間在智能溫控策略下沒有開啟空調(diào)，處于全不開模式，室內(nèi)溫度就會(huì)逐漸上升，達(dá)到較為舒適的狀態(tài)，而全開模式下空調(diào)會(huì)持續(xù)對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，在此過程中可能導(dǎo)致室內(nèi)外環(huán)境交互更多，溫度降低，這導(dǎo)致了冬季在智能溫控策略下的平均室內(nèi)溫度高于全開空調(diào)策略。

（2）夏季則相反，比如某些情況下室內(nèi)溫度高于27℃而室外溫度低于27℃，通過機(jī)械通風(fēng)換氣可以使得溫度得以大幅度降低，并在接下來的時(shí)間段內(nèi)保持在較舒適溫度范圍，但在全開模式下此時(shí)的溫度只能降低到略低于27℃的狀態(tài)，并且在一段時(shí)間內(nèi)的調(diào)節(jié)都符合此狀態(tài)，導(dǎo)致夏季智能溫控策略下的平均室內(nèi)溫度低于全開空調(diào)策略。

3.2 全年水流量變化情況

觀察三種溫控方法下全年水流量的變化情況如圖10至圖12所示，全開空調(diào)策略下全年水流量分布較為均衡，半開空調(diào)策略下的水流量在過渡季節(jié)存在明顯的空白，對(duì)應(yīng)著不開啟空調(diào)的情況，而智能溫控策略對(duì)應(yīng)的水流量分布情況則是介于全開空調(diào)策略和半開空調(diào)策略兩種方法之間，存在某些時(shí)刻為零的情況。

圖10 智能溫控策略下，全年水流量變化Fig.10 Annual water flow change under intelligent temperature control strategy

圖11 半開空調(diào)策略下，全年水流量變化Fig.11 Annual water flow change under semi open air conditioning strategy

圖12 全開空調(diào)策略下，全年水流量變化Fig.12 Annual water flow change under fully open air conditioning strategy

3.3 全年能耗變化情況

三種控制方法全年能耗的對(duì)比如圖13至圖15所示。全開空調(diào)策略下能耗的分布較為均衡，工作時(shí)間段內(nèi)都會(huì)開啟空調(diào)并產(chǎn)生能耗。半開空調(diào)策略下對(duì)應(yīng)的過渡季節(jié)3.1-4.1 與9.15-10.15 不開啟空調(diào)，對(duì)應(yīng)時(shí)期的能耗為零。除半開情況進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)外，其他時(shí)間內(nèi)控制參數(shù)、室外環(huán)境參數(shù)和全開空調(diào)策略一致，兩種控制方法下產(chǎn)生的能耗也一致。智能溫控方法會(huì)根據(jù)不同的室內(nèi)外環(huán)境狀況，選擇最優(yōu)的控制參數(shù)來進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)的調(diào)節(jié)，包括開啟空調(diào)、機(jī)械通風(fēng)、開窗、開窗和機(jī)械通風(fēng)組合等，由此產(chǎn)生的全年總能耗是三種控制方法中最低的。

圖13 智能溫控策略下，全年系統(tǒng)能耗變化Fig.13 Annual system energy consumption change under intelligent temperature control strategy

圖14 半開空調(diào)策略下，全年系統(tǒng)能耗變化Fig.14 Annual system energy consumption change under semi open air conditioning strategy

圖15 全開空調(diào)策略下，全年系統(tǒng)能耗變化Fig.15 Annual system energy consumption change under fully open air conditioning strategy

三種溫控策略各環(huán)節(jié)能耗情況如圖16所示，根據(jù)實(shí)際環(huán)境情況的變化一年中會(huì)有相應(yīng)的需要制冷、制熱的時(shí)期，會(huì)產(chǎn)生不同的制冷、制熱能耗，同時(shí)隨著空調(diào)冷熱源機(jī)組、水泵、末端設(shè)備（組空、風(fēng)機(jī)盤管、吊柜機(jī)）也會(huì)產(chǎn)生一定的能耗。此外在智能溫控策略、半開空調(diào)策略下可選擇的室內(nèi)環(huán)境調(diào)控方式還包括機(jī)械通風(fēng)，以室內(nèi)外空氣交換的方式來改善室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)，機(jī)械通風(fēng)設(shè)備在運(yùn)行過程中也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的能耗。

圖16 三種溫控方法總能耗構(gòu)成對(duì)比圖Fig.16 Comparison chart of total energy consumption of three temperature control methods

觀察全年能耗分布數(shù)據(jù)可知，在設(shè)備機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，制冷主機(jī)能耗和制熱主機(jī)能耗在總能耗中占比最大，是空調(diào)系統(tǒng)能耗的主要組成部分，其次是末端能耗、水泵能耗。開啟機(jī)械通風(fēng)模式在全年的能耗參數(shù)中占據(jù)較小的比例，總能耗較低，只有在智能溫控策略和半開空調(diào)策略下才會(huì)產(chǎn)生能耗。

3.4 溫控方法效果綜合對(duì)比

在預(yù)測溫度允許0.1℃的誤差條件下（即當(dāng)開啟空調(diào)時(shí)下一時(shí)刻預(yù)測溫度在17.9℃-18℃或27℃-27.1℃之間時(shí)，默認(rèn)達(dá)到適宜溫度），縱觀全年模擬仿真情況，三種溫控方法的實(shí)施效果對(duì)比如表3所示。其中平均室內(nèi)溫度為所有區(qū)域各小時(shí)的平均室內(nèi)溫度。

表3 三種溫控策略效果對(duì)比表Table 3 Comparison table of three temperature control strategies effect

由表中數(shù)據(jù)可知智能溫控策略下全年能耗最低，為840108.16kWh，節(jié)能率達(dá)到33.49%，其次是半開的溫控策略，全開溫控策略的全年總能耗最高。就室內(nèi)溫度而言，智能溫控策略在有客流量的時(shí)段內(nèi)均在18℃～27℃的范圍，室內(nèi)溫度低于18℃和室內(nèi)溫度高于27℃的次數(shù)均最少。半開空調(diào)策略的節(jié)能率為17.81%，在有客流量的時(shí)段內(nèi)不在18℃～27℃的范圍次數(shù)最多。

4 結(jié)論

高鐵站作為智慧交通中重要的一環(huán)，如何促進(jìn)這一環(huán)節(jié)與城市總體發(fā)展建設(shè)全面融合，發(fā)揮其對(duì)城市各個(gè)要素的連接、傳導(dǎo)、交換以及節(jié)能降耗，是實(shí)現(xiàn)智慧城市建設(shè)的重要組成部分。本文基于Energy Plus 平臺(tái)構(gòu)建了西昌西站熱工環(huán)境仿真模型，并結(jié)合施工設(shè)計(jì)圖紙及實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)，對(duì)所建仿真模型的參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，開展了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的交通建筑智能溫控方法的研發(fā)與設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)高鐵站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)智能控制的同時(shí)，又降低了高鐵站空調(diào)系統(tǒng)能耗。通過研究，本文得到以下結(jié)論：

（1）全開空調(diào)和智能控制策略下都可以保證全年室內(nèi)溫度處于較為舒適的范圍內(nèi)，變化更為均勻。

（2）全開空調(diào)策略下全年水流量分布較為均衡，半開空調(diào)策略下的水流量在過渡季節(jié)存在明顯的空白，而智能控制策略對(duì)應(yīng)的水流量分布情況則是介于兩者之間。

（3）智能控制策略全年能耗最低，為840108.16kWh，節(jié)能率達(dá)33.49%，其次是半開空調(diào)控制策略，全開空調(diào)控制策略的全年總能耗最高。

（4）交通建筑智能溫控方法能夠根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)及候車廳客流量的變化，實(shí)時(shí)確定采用何種溫度控制策略，可以有效降低通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗，后續(xù)也會(huì)針對(duì)不同策略（智能溫控策略、全開空調(diào)策略、半開空調(diào)策略）下全年相對(duì)濕度的變化情況進(jìn)行深化研究。