大型绿色装配建筑暖通空调系统节能技术优化

冯 琢

（重庆保税港区开发管理集团有限公司 重庆 400000）

0 引言

节能减排大环境下，装配建筑暖通空调系统的节能设计受到人们的极大关注，越来越多的专家开始研究通过构建大型绿色装配建筑暖通空调系统节能控制模型来提高建筑节能性，从而降低能量开销，促进建筑绿色建筑产业发展[1]。因此，采用绿色装配建筑暖通空调节点优化部署方法提高节能效果，在大型绿色装配建筑发展和施工建设中具有重要的指导意义[2]。

大型绿色装配建筑暖通空调系统节能技术需建立在空调系统的节能控制算法的基础上，结合暖通空调系统节能控制参数融合处理以及优化辨识，构建大型绿色装配建筑暖通空调系统节能控制模型[3]。传统方法中，对大型绿色装配建筑暖通空调系统节能控制方法主要有基于差异度融合评价的大型绿色装配建筑暖通空调系统节能控制方法[4]、基于模糊检测的大型绿色装配建筑暖通空调系统节能设计方法[5]以及基于负载均衡控制的节能控制设计方法[6]等。以上传统方法结合模糊信息融合和特征检测，建立空调系统节能控制对象参数辨识模型，通过空调节点的分布式检测和融合，实现大型绿色装配建筑暖通空调系统节能控制，但在传统方法的应用过程中发现暖通空调的电压输出稳定性较差，影响空调使用寿命，能耗开销较大。该现象表明传统方法自适应性不够理想，无法得以广泛应用。

为解决以上传统方法存在的问题，本文提出基于模糊PID 控制的大型绿色装配建筑暖通空调系统节能控制方法。结合空调热电机组气动功率以及电磁功率的PID 模糊约束方法，增强暖通空调系统输出稳定性。进一步引入模糊PID 控制模型，结合气动功率的小扰动抑制法，实现大型绿色装配建筑暖通空调系统节能的优化控制。为验证所提方法的有效性设计仿真实验。仿真测试结果验证了所提方法在提高大型绿色装配建筑暖通空调系统节能控制效果方面具有优越性能。

1 暖通空调系统节能输出稳态性调节

1.1 空调电机组的气动功率调节模型

为实现大型绿色装配建筑暖通空调系统节能控制，构建大型绿色装配建筑暖通空调节能控制的约束参数模型，以暖通空调换流机的输出稳态分布特征量作为约束自变量，采用模型参数识别的方法，构建暖通空调节能的样本参数分析模型[6]，实现控制对象模型构建和特征参数优化识别，暖通空调系统节能控制的实现步骤如图1所示。

图1 节能控制步骤框图Fig.1 Block diagram of energy saving control steps

分析装配建筑暖通空调系统的末端电能消耗，通过无功控制和负载均衡调度方法[8]，得到建筑暖通空调节能系统的负载强度为：

式中，p为冷负荷功率，w(t)为单位时间t内电能消耗量。

利用热电机组自身的功率因素参数，在建筑物中，通过空调出风节点的优化部署[9]，在区域s内，得到装配建筑暖通空调系统的能量开销为：

式中，se代表电压波动的无功控制参数。采用电流三环串级控制的方法，得到空调出风节点的恒功率因数分别为p和q，相对耗能为：

采用多模状态特征参数融合的方法，构建大型绿色装配建筑暖通空调系统节能状态函数为：

在限定条件下，对经过全网能量均衡解析变换得到空调电机组的气动功率调节模型：

根据空调电机组的气动功率调节模型，获取下文建筑暖通空调系统节能输出稳态性调节PID模糊控制函数，为暖通空调节能控制奠定基础。

1.2 空调系统节能控制的联合状态方程

以大型绿色装配建筑暖通空调换流机的输出稳态特征量作为控制对象，结合热电机组的气动功率和电磁功率的模糊约束方法，构建对大型绿色装配建筑暖通空调系统节能输出稳态性调节PID 模糊控制函数为：

其中：a为大型绿色装配建筑暖通空调系统输出控制参数；b为大型绿色装配建筑暖通空调系统输入控制参数；c为大型绿色装配建筑暖通空调系统模糊时滞特性参数。

采用有功-无功联合控制的方法，得到装配建筑暖通空调系统节能配置的节点个数m，分析电机组的额定功率[10]，得到输出节点的权值状态分配模型为：

式中，g为空调风机的粘滞系数，d为功率-最优转速，l为空气密度，h为功率波动传递系数，v为额定风速。当定速机组处于稳态状态下，得到装配建筑暖通空调系统节能控制的联合状态方程为：

式中，k为恒功率段的补偿因子。通过联合惯性参数融合分析，提高装配建筑暖通空调系统节能控制灵敏度。

2 空调系统节能技术优化

2.1 模糊约束条件

结合热电机组的气动功率和电磁功率的模糊约束方法，实现对大型绿色装配建筑暖通空调系统节能输出稳态性调节[11]，根据变速热电机组的功率波动特性，得到热电机组的气动参数记为：采用模糊PID 调节器，构建大型绿色装配建筑暖通空调系统节能控制的转矩参考值设定为u，热电机组在全风速段内，得到控制参数分布的上界估计值为：

在任意时刻t，恒功率段以前的区域的第j个神经元中，采用模糊PID 控制，得到额定风速时机组的输入fj，根据稳态参数调节，得到机组追踪最佳叶尖速比为：

其中，λ为权重系数，ρ为定子侧的转子电流。其中装配建筑暖通空调系统节能控制的转矩特征量表示为：

根据传递函数作出伯德图[12]，采用模糊PID控制，得到装配建筑暖通空调系统节能控制的模糊约束条件为：

其中：α为空调机的功率波动输出参数；β为转速环参数。其中，在模糊PID 神经网络中，输入层至隐含层权值为jω，功率波动分量为jσ，根据上述分析，构建大型绿色装配建筑暖通空调系统节能输出稳态性调节模型。

2.2 空调系统的节能控制输出

在限定初始条件下，得到装配建筑暖通空调系统节能控制的模糊学习向量：

在模糊PID 神经网络的输入层，引入功率波动分量产生的电压波，结合知识模型库，得到装配建筑暖通空调系统节能控制的神经网络自适应学习控制输出为：

分析有功波动分量对电压波动的影响，得到转速波动频域调节下装配建筑暖通空调系统节能控制的有功功耗为：

根据机端电压波动，得到装配建筑暖通空调系统的输出效率为：

采用负载均衡调节方法，进行误差反馈调节[13]，得到大型绿色装配建筑暖通空调系统的电磁耦合控制方程为：

采用有功波动的平滑跟踪的方法，得到等效控制律为：

根据以上步骤实现大型绿色装配建筑暖通空调系统节能优化控制。

3 仿真实验设计与结果分析

为验证本文方法在实现大型绿色装配建筑暖通空调系统节能控制中的有效性，采用Matlab 仿真平台设计以下仿真实验。设定大型绿色装配建筑暖通空调系统风力机为1.5MW 定速机组，转速环参数为0.36，变速热电机组恒转速为256rad/s，功率因数角为14rad，装配建筑暖通空调系统的波动频率为0.02Hz。图2 为装配建筑暖通空调供暖管道仿真结果。

图2 装配建筑暖通空调供暖管道仿真Fig.2 Simulation of HVAC heating pipeline for Assembly building

对温度PID 调节器的输出信息进行分程控制，信号处理如图3所示。

图3 温度PID 分程控制图Fig.3 Temperature Pid split-range control chart

温度PID 调节器同时控制空调电动三通阀及加热器，当PID 信号值从0 到0.5 变化时，电动三通阀的开度由1 降到0.2，减少空调风力机转速，此时空调加热器输出为0；当信号值从0.5 变化为1 时，电动三通阀开度保持0.2 不变，空调加热器输出可高达100%。以上实验数据可验证温度PID分程控制可提高空调供暖过程的智能化，具有应用可靠性。

为证明所提方法的应用效果，下面以电压增益、功耗输出以及能量开销为测试指标，文献[4]提出的基于差异度融合评价的大型绿色装配建筑暖通空调系统节能控制方法、文献[5]提出的基于模糊检测的大型绿色装配建筑暖通空调系统节能设计方法以及文献[6]提出的基于负载均衡控制的节能控制设计方法为实验对照方法，与所提方法的指标测试结果进行对比，具体实验结果如图4、图5以及表1所示。

不同方法在功率变化下空调系统的电压增益测试结果如图4所示。

图4 功率因数角变化下空调系统的电压增益Fig.4 Voltage increase of air conditioning system with power factor angle change

分析图4 得知，采用本文方法进行装配建筑暖通空调系统节能控制，电压增益较大，电压波动较小。

功耗输出测试结果如图5所示。

图5 系统输出功耗Fig.5 System output power consumption

分析图5 得知，采用本文方法进行大型绿色装配建筑暖通空调系统节能控制的输出功耗更小，控制稳定性较好。不同方法进行大型绿色装配建筑暖通空调系统节能控制的能量开销对比结果见表1，分析表1 得知，本文对大型绿色装配建筑暖通空调系统节能控制的能量开销较小，平均为15kWh，说明节能效果较好。

表1 不同方法能量开销对比（单位kWh）Table 1 Comparison of energy costs of different methods(kWh)

4 结语

构建大型绿色装配建筑暖通空调系统的负载均衡调度模型，采用大型绿色装配建筑暖通空调节点优化部署方法，提高大型绿色装配建筑暖通空调系统节能效果，本文提出基于模糊PID 控制的大型绿色装配建筑暖通空调系统节能控制方法。通过空调换流控制的方法，分析大型绿色装配建筑暖通空调节能控制的状态参数集，结合热电机组的气动功率和电磁功率的模糊约束方法，实现对大型绿色装配建筑暖通空调系统节能输出稳态性调节和节能控制。研究表明，本文方法进行大型绿色装配建筑暖通空调系统节能控制的稳定性较高，可靠性较好。