智能楼宇搭建中的节能控制技术原理研究

潘海霞

摘要：针对目前对于智能楼宇搭建中的节能控制机理认识不够充分，节能控制技术针对性不强，为此提出智能楼宇搭建中的节能控制技术原理研究。首先利用网络节点技术搭建智能楼宇用电数学模型，为下一步集中节能控制智能楼宇能耗提供依据;结合不确定阈值等级预测智能楼宇负荷需求及光伏输出功率;然后根据预测值利用目标函数及约束条件求出智能楼宇各个时间段的最小用电量;将目标函数求解值带到智能楼宇用电数学模型，对其供电参数进行控制;最后考虑到受到多种不确定性因素的影响，目标函数求解值与实际节能需求还存在一定差距，在预测过程中比较预测值与实际值，反馈矫正目标函数解值，将其作为最终的控制结果，使智能楼宇供电量不仅能满足用户用电需求，还能达到最小化，以此完成智能楼宇搭建中的节能控制技术原理研究。

关键词：智能楼宇;节能控制技术;光伏输出功率;目标函数;约束条件;

中图分类号：TM73          文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）09-0229-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

智能楼宇是一个交叉性的学科，有多个独立的子系统组合而成，其涉及多种技术，其中包括计算机技术、互联网技术、通信技术以及建筑技术，它构建的核心是5A系统，集通信系统、计算机管理系统、楼宇自动化控制系统、报警系统于一体的智能化建筑，各个子系统之间相互协作，为整个楼宇建筑提供智能服务。智能楼宇与传统建筑最大的区别在于自动化、智能化程度较高，利用现代科技实现对楼宇的自动化控制与管理，极大地节省了人力劳動资源[1]。智能楼宇虽然具有众多优点，但是在搭建及后期管理过程中需要运用大量的电子设备，所以在不采取任何措施的情况下，智能楼宇的能量消耗也是很大的。目前大多数一线、二线城市的智能楼宇普及程度已经达到了一定的高度，导致建筑物的能源消耗逐渐增加，据有关统计数据显示，智能楼宇占全球能源消耗的近35.4%左右，考虑到能源成本的增加，以及国家政策对能源效率的要求，为了降低智能楼宇的能源消耗，在其搭建过程中采用了节能控制技术，该技术的应用使智能楼宇的能源消耗有了明显的改善，并且使节能成为智能楼宇的又一特点。但是目前对于智能楼宇搭建中的节能控制机理认识不足，使节能控制技术难以充分发挥出其节能效果，为此提出智能楼宇搭建中的节能控制技术原理研究。

1智能楼宇搭建中的节能控制技术原理

1.1搭建智能楼宇数学模型

利用网络节点的方法搭建智能楼宇用电数学模型，所有节点均由热阻连接，并通过热熔实现接地，智能楼宇数学模型可以简单描述为一个用电集群，该用电集群由多个小的用电区域构成，按照建筑结构不同，将智能楼宇的节点分为墙体节点和室内节点，所以智能楼宇用电集群主要包括墙体区域以及室内区域[2]。由于智能楼宇每一个同类别用电区域构造几乎相同，其HVAC（供热通风、空气调节）功率也是相同的，所以可以将智能楼宇数学模型理解为，一个由多个相同的墙体用电区域和室内用电区域集合而成的用电集群，因此在搭建智能楼宇数学模型时不需要考虑用电区域的形状、大小等因素，只需要了解到智能楼宇同类别的用电区域数量，其搭建过程如下。

利用智能楼宇墙体的热容值、热阻值、表面积等参数对智能楼宇墙体区域的用电情况进行描述，用公式表示如下：

[Ci，j=i，j∈NKi，j-KWA+RQ]                          （1）

公式（1）中，[Ci，j]表示智能楼宇墙体用电模型;[i，j]表示智能楼宇墙体中的节点;[N]表示智能楼宇左右节点的集合;[Ki，j]表示节点[i，j]的电能量;[KW]表示智能楼宇墙体的电能量;[A]表示智能楼宇墙体的表面积;[R]表示墙体的热容值;[Q]表示墙体的热阻值[3]。同样利用热容值、热阻值、表面积等参数，描述智能楼宇室内区域的用电，用如下公式表示：

[Mk=kFk-FdP+wq]                             （2）

公式（2）中，[Mk]表示智能楼宇室内用电模型;[k]表示室内用电区域序号;[Fk]表示第[k]个室内节点的用电量;[Fd]表示智能楼宇室内用电量;[P]表示智能楼宇室内表面积;[w]表示智能楼宇室内区域的比热容;[q]表示室内区域热阻值[3]。将以上两个子模型整合，搭建智能楼宇数学模型，将公式（1）与公式（2）整合转换为以下公式（3），搭建的智能楼宇数学模型如下：

[xt+n+1=Ci，j+Mk+αEt+n+1，ut+n+1st+n=Ci，j+Mkt+k]                    （3）

公式（3）中，[x]表示智能楼宇的状态变量，指智能楼宇内部各个节点的用电量;[t+n+1]表示在[t]时刻估算到的[t+n+1]时刻的用电量;[α]表示智能楼宇的用电控制变量;[E]表示智能楼宇扰动量;[u]表示单位矩阵;[s]表示输出量;[t+k]表示时间变量[4]。以上公式表示为智能楼宇数学模型，用于描述智能楼宇所有用电区域的用电情况，获得智能楼宇建筑物的总负荷，为下一步集中节能控制智能楼宇能耗提供依据。

1.2预测智能楼宇能量需求

在智能楼宇数学模型的基础上，对其用电量进行预测，利用智能楼宇的通信功能，将预测结果输入到模型中，在未来48小时内多次下发对应时间的节能控制方案。智能楼宇搭建中的节能控制过程中主要依据建筑物的光伏输出功率以及负荷需求，预测主要以智能楼宇无线传感技术采集到的数据作为原始数据，通过调用无线传感器获取到的智能楼宇能量消耗情况，对未来的能量需求进行预测分析[5]。因此将光伏输出功率与负荷需求作为预测值，其中光伏输出功率预测满足以下公式：

[S=Sz1+Lt]              （4）

公式（4）中，[S]表示不同时间段智能楼宇的光伏输出功率预测值;[Sz]表示智能楼宇日前光伏输出功率;[Lt]表示t时间段的输入的光伏输出功率变量预测不确定阈值等级。负荷需求预测满足以下公式：

[B=Bz1+?t]              （5）

公式（5）中，[B]表示不同时间段智能楼宇的负荷需求预测值;[Bz]表示智能楼宇日前负荷需求量;[?t]表示t时间段的输入的负荷需求变量预测不确定阈值等级。输入变量预测不确定阈值等级需要历史预测数据来确定，下表为智能楼宇能量预测不确定等级表。

以表1为依据，确定智能楼宇能量预测不确定等级，进而预测出智能楼宇光伏输出功率及负荷需求，为后续智能楼宇节能控制提供数据依据。

1.3建立目标函数及制定约束条件

完成了对智能楼宇能量需求预测后，并不能完全将其作为节能控制标准，为了达到节能的目的，还需要制定合理的目标以及能耗约束条件，因此根据智能楼宇搭建中的节能控制需求，建立目标函数以及制定约束条件。智能楼宇节能控制主要目标是在满足用户用电需求的基础上，节约智能楼宇不必要的能量消耗[6]。用户用电是有一定时间规律的，不同的时间段用电量不同，正常情况下夜晚用电量远远低于白天，因为夜晚用户都是处于睡眠状态，电气设备均处于关闭状态;而早、晚的用电量低于中午的用电量，因为中午的时间段大部分用户处于工作状态[7]。基于以上分析，将智能楼宇用户用电分为峰时段、平时段和谷时段三个阶段，划分如下：8：00-10：00、18：00-21：00为峰时段;5：00-8：00、10：00-18：00為平时段;21：00-次日5：00为谷时段[8]。根据以上分析，智能楼宇搭建中的节能控制目标函数用公式表示为：

[minω=S-B-ρε]                 （6）

公式（6）中，[ρ]表示智能楼宇用户不同用电阶段（峰时段、平时段、谷时段）光伏的发电量;[ε]表示松弛变量，以确保节能控制的可行解。基于能量守恒定律，从供需的角度出发，提出目标函数的约束条件，即智能楼宇的供电量要始终大于智能楼宇的需求量，用公式表示如下：

[S+B≤Uv]                        （7）

公式（7）中，[Uv]表示智能楼宇不用阶段电功率实际消耗值，其计算公式为：

[Uv=βv+β]                              （8）

公式（8）中，[βv]表示智能楼宇内部电气设备的使用功率;[β]表示智能楼宇内部HVAC系统的电功率消耗。

1.4实现智能楼宇节能控制

将在满足约束条件的前提下，目标函数的计算结果输入到上文搭建的智能楼宇用电数学模型中，对其节能进行控制。在对智能楼宇节能预测控制过程中，会受到多种不确定性因素的干扰，使目标函数计算得到的数值与实际节能需求还存在一定的变差，所以在每一次控制周期中都要对预测值与实际值进行比较，重复修正智能楼宇节能控制的不确定性，对控制参数进行优化，从而达到真正意义上的节能，使智能楼宇各个控制区域在所有时间段都能实现供电量最小，以此实现智能楼宇的节能控制，控制过程如下。

步骤1：在某一个时间段，基于智能楼宇网络节点建立楼宇各个区域用电数学模型。

步骤2：利用智能楼宇无线传感装置采集到楼宇各个区域以及不同时间段用电设备及系统的参数，根据采集到的原始数据利用公式（4）、（5）预测智能楼宇光伏输出功率及负荷需求，通过目标函数和约束条件进一步确定该时间段智能楼宇供电参数。

步骤3：将计算得到的供电参数输入到智能楼宇用电数学模型，对供电参数进行调整。再对调整后的智能楼宇用电进行预测，得到下一个时间段的用电需求，重复步骤1、步骤2，进一步得到智能楼宇节能控制方案。

步骤4：基于智能楼宇用户用电的随机特性，在用电峰时段、平时段、谷时段设定固定的最大供电量，并将预测到的用电负荷接入智能楼宇配电网。

步骤5：判断初始时间段是否为智能楼宇数学模型设定的时间周期的最终时间段，如果是，则重复步骤1-4;如果不是，则滚动到+1的时间段，继续重复上述控制步骤，以此实现智能楼宇的节能控制，进而完成智能楼宇搭建中的节能控制技术原理研究。

2结束语

本文结合自动化控制理论，对智能楼宇搭建中的节能控制技术原理进行了研究，深入了解了智能楼宇搭建中节能控制过程的机理，有利于促进智能楼宇节能控制技术创新和优化，加 深对智能楼宇搭建中的节能控制理论认知，并有效指导各类智能楼宇的节能控制技术的提高，从而满足节能需求，使智能楼宇搭建中的节能控制技术上升大一个新的高度。本文研究内容不具备针对性，在实践过程中还需要结合具体的实际情况。

参考文献：

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[3] 陈厚合，李泽宁，姜涛，等.基于模型预测控制的智能楼宇用能灵活性调控策略[J].电力系统自动化，2019，43（16）：116-124.

[4] 史训涛，雷金勇，黄安迪，等.基于离线优化和在线决策的光伏智能楼宇能量管理算法[J].中国电力，2019，52（10）：123-131.

[5] 童杏林，何为，张翠，等.光纤光栅与光纤法珀传感器在航空航天领域的研究与应用进展[J].激光杂志，2018，39（7）：1-7.

[6] 李猛.建筑体主动调温技术的节能原理及方法探析[J].建筑技术开发，2020，47（14）：147-149.

[7] 单小伟.智能楼宇中采用的节能控制技术原理分析[J].科技风，2020（10）：9.

[8] 程辉.智能电网区域分布式供电能源节能控制技术研究[J].自动化与仪器仪表，2019（10）：195-197，201.

【通联编辑：光文玲】