暖通系统的能量管理及优化策略研究

王正莹

随着我国经济的快速发展，建筑行业经历了快速膨胀的时期，已经成为我国经济的支柱性产业之一。调查显示，在建筑的总耗能分配中，暖通空调系统的能耗值达到60%，可见空调系统的能耗问题对于资源需求和消耗而言不可忽视。目前，暖通系统不仅要考虑节能、环保的问题，还要满足可持续发展的要求，这是暖通空调设计、生产、安装、使用等相关企业需要共同关注的发展方向。

1 暖通系统能量管理模块

就我国目前的技术状况来看，运用计算机技术和信息管理技术对暖通空调系统进行优化与管理，能够切实保证其运行质量[1-2]。暖通系统的能量管理主要体现在，当系统能量消耗达到一定程度时，中央管理器可以优化控制暖通空调系统的能量消耗。这些优化控制是通过计算机技术与系统设计技术相结合来实现的，计算机智能控制暖通系统的多个模块来进行能量管理。

能量管理模块包括启停模块、负载循环模块、能量统计与智能化分析以及空气调节子系统模块。其中，启停模块主要是尽可能使空调处于待机状态来实现能耗节约。在人们使用空调的过程中，通过设定期望温度、通风条件和空气湿度等暖通条件来实现暖通系统的目标。如果设定参数与实际参数之间存在差异，则暖通系统会通过能量消耗启动工作。当各个参数达到设定值时，系统将处于待机状态，减少能量消耗。

暖通系统启动工作后，在稳定运行阶段，暖通空调负载循环系统将发挥节能优势。在这一过程中，系统在计算机控制下智能计算出最优工作参数，关闭不必要的设备和功能，并优化制冷/制热介质的选择，最大限度降低能量消耗，使得设定参数在稳定范围内波动[3]。

智能化程度较高的暖通系统还能对用户的需求进行能量统计与智能化分析，通过分析用户的用电习惯，如不同时间段的参数需求，将多种能量需求数据进行大数据分析和用户画像操作，为用户定制个性化、智能化和节能化的能量管理方案，实现能量管理的优化控制。

暖通系统空气调节子系统模块是暖通空调系统中的一个核心子系统，主要负责空气处理的过程，包括送风系统、回风系统和换热系统。送风系统的新风和回风系统的回风混合以后形成混风，混风会通过换热器进行升温或降温控制，再由管道送入房间进行热交换，调节空气温度。由此可见，空气调节系统的工作是空调系统的“大脑”，通过实现能量优化与节能控制进一步提高暖通系统的能量管理水平。

2 研究现状与模型方法分析

先前我国对暖通系统的能量管理与优化控制关注度不够，导致研究起步较晚。近年来，随着国内对能耗、环保问题的日益关注，暖通空调的降耗增效问题也得到越来越多的关注。通过利用计算机监测暖通空调系统的能量运行与消耗状态，操作后台分析处理大量数据，运用技术手段进行能量分配与重组处理，逐步达到对能量进行优化控制的目的。

现阶段，自适应控制理论在空调系统内部具有一定规模的控制与应用，它是在原有空气处理的方式上进行具体的设备支持，可根据算法和控制系统调整控制点，从而达到再处理空气的目的，实现后期的整体系统功能与节能管理要求。

建模的方法经常被应用到暖通系统的能量优化控制过程当中。这种方法是利用智能化科技，进行暖通空调系统控制的研究与分析，进而智能控制暖通空调，其优势是可视化处理暖通空调系统中内部结构的运行，并做出改进优化指令。

利用先进技术手段建立暖通空调系统的运行特征模型是在大量的实例经验和逻辑理论推导下产生的，因此它是具有参考价值的分析程序，人们能够不断对其进行优化和改进，使得模型更加符合所研究的暖通空调系统，实行个性化与定制化服务。同时，它能够被不断训练，在低能耗的基础上为人们提供更加智能化的选择，做出更加快速、合理的决定，有助于提高整体能耗管理的实际信息检查效果。

模型算法在暖通系统的能量管理中得到了广泛应用，能够显著提升能量管理控制优化的成效。在实际工程项目中，模型算法方案对暖通空调系统工程设计的成败关系重大。目前，暖通空调系统应用广泛，其所消耗的能源日益增多。由于暖通空调系统庞大且复杂，还受到设计周期的影响，普通工程设计师依据常规算法设计的暖通空调系统，通常不可能是最优的节能方案，最终导致能耗过大。

但有些算法可在规定时间内使耗能量达到最小，以此达到控制优化指定暖通空调系统能量消耗的目的。另外，在模拟系统里各设施的状况时，可采用人工神经网络（Artificial Neural Network, ANN），以实现能量管理。在回路控制领域，模型的研究应用更加广泛。例如，可利用专门的算法精准把控蓄冷量。在暖通空调的监控及管理中运用计算机仿真模型分析技术逐渐成为最主流的方式，有利于有效降低能耗，实现节能环保的同时，能够提高系统质量，并进一步带来社会效益和经济效益。

3 暖通系统能量管理的相关优化策略

3.1 选择能量效率更高的热泵技术

在暖通空调系统的节能优化控制过程中，应根据工程建筑的实际情况和暖通系统的使用场景合理选择热源系统。从能源的利用效率来看，热泵技术是能量效率较高的技术，能在一定程度上实现降耗。

热泵供热的基本原理是卡诺循环，主要过程如下：压缩机排出的高温高压蒸汽进入冷凝器，制冷剂蒸汽向高温热源放热后被冷凝成液态制冷剂（液化），液态工质经节流装置降压膨胀后进入蒸发器。气液混合制冷剂在蒸发器中吸收低温热源（空气、水或土壤等）的热量而蒸发形成蒸汽（汽化），制冷剂蒸气重新被压缩机吸入完成一个循环，周而复始制备热能[4-5]。热泵应用的是自然界中蕴含的大量可再生能源，通过压缩机在热源中吸取热能，温度升高后再传输到高温热源中。空气源（风冷）热泵主要包括商用单元式热泵空调机组、家用热泵空调器、热泵冷热水机组等，通过使用热泵技术可以实现暖通系统能量的优化选择与控制。

3.2 选择“移峰填谷”的蓄冷技术

我国大城市的电力行业具有一个显著的时间性特征，白天是用电“高峰期”，夜晚是用电“低谷期”，两者用电负荷的峰谷差很大，因此很多大城市多采取“移峰填谷”的方法。蓄冷技术通过在夜间利用电网负荷很低的用电谷期，采用电动制冷机制冷，冷量可按显热或潜热的形式存储于特定介质，从而进行冷量存储。

在用电高峰时段，把存储的冷量释放出来，以满足建筑物空调或生产工艺的需要，节约能耗的同时也可以节省电费。冰蓄冷技术是目前较受欢迎的蓄冷方式。由于其体积远小于水蓄冷，且冰水温度比常温水低很多，在相同的空调负荷下不但可以减少冰水总量与空调送风量，还能减小供水管道及送机管道的尺寸，有效降低噪声，同时可以降低暖通空调系统的造价。冰蓄冷所提供的低温冰水具有强大的除湿能力，使用冰蓄冷的空调区域相对湿度更低，能够为人们提供更舒适的居住和工作环境[6]。

3.3 推广使用变频技术

家用电器中变频技术的使用主要目的是为了节能，核心是通过变频器转换供电频率，以实现电动机运转速度的自动调节，将50 Hz 的固定频率改为30 ～130 Hz 的变化频率。变频技术不但可以减少能源消耗，还能弥补工艺不足，实现降本增效。如果在暖通空调系统中运用变频技术，就可以使空调设备的输出功率随着负荷的变化进行调节，从而可以极大发挥节能减排的效果。

另外，还可以适当改变风流量或水流量，匹配暖通系统的实际负荷和运行状态，通过调整送风量稳定系统运行。通过优化调节风量、水量等，实现与空调负荷的匹配运行，以此完成对暖通系统的能量管理和优化控制，这也是未来暖通技术的重要发展方向之一。

3.4 合理设计围护结构

对于暖通空调系统来说，围护结构的设计是相当重要的部分。围护结构的保温性能直接关系空调负荷的大小，优秀的围护结构保温设计能起到降低空调负荷、减少能耗的作用。围护结构主要包括外墙、门窗和屋面这3 个部分，且分别是吸热、传热和放热的主要媒介。室内温度较高，围护结构吸收热量，从高温侧传向低温侧，即从室内围护结构传热至围护结构外表面，最后，通过放热将热量向室外排放。

目前，常用的保温外墙分别为外保温、内保温与内外混合保温，设计时需考虑综合因素，在保证建筑结构满足要求的同时兼顾保温能效。门窗围护结构的传热损失是3 种主要围护结构中最严重的，同时伴有冷风渗透，因此在设计门窗围护结构时应选择保温性能高、隔热隔音效果佳的门窗。屋面围护结构除了保温性能外，其自重及防水性能也很重要，因此屋面围护结构的材料选择应考虑低密度、低导热系数及低吸水率的保温材料[7]。

3.5 应用暖通系统模型及智能系统

目前，暖通系统的能量管理模块主要由计算机系统控制，通过监测实时数据和运行状态数据进行反馈调节。暖通系统模型的应用和建立也是能量管理优化控制领域不可缺少的研究内容之一，其核心是训练分析程序使得暖通系统实现智能化与个性化，在日常使用中能够根据人们的节能指令自行处理运行状况并自动更新自我程序，进而发展成为高度感知、灵敏反应的学习型系统。

智能系统会对暖通系统进行智能化监测并触发管理控制，主要过程就是分析中央控制机的参数设定值，并按照一定的逻辑语言实现对回风温度和水温的显示和调控，实现冷热源机组对热冷负荷具体值的控制，并下达流量运行控制指令。这个过程可以减少各个环节系统的输送能耗，实现节能减排。另外，可以依据嵌入式微处理技术进行高级控制策略的制定，以实现各个环节的最佳控制机能。

3.6 设置控制器的基础参数

通过计算机技术建立能耗模型的可行性研究可知，单个模型的识别输入和输出对具体的优化方案具有一定的贡献。这种智能预测手段的实现过程是采用一定的算法来优化空调蓄冷量的合理控制，进而解决超出常规运行模式下的超调和波动现象，以达到保证其抗干扰能力与解耦控制的效果。在智能模型算法建立过程中，使用模糊算法和分离的增量型控制算法可以得到最优化的组合，根据实验数据合理界定算法程序控制，能够保证后期智能化自学习及自适应功能的实现。由于暖通空调系统控制回路的控制对象特性区别较大，种类繁多，因此在回路控制器的控制方法和参数设定上也不尽相同。

在实际应用中，暖通设备的具体负荷要求应与实际工作条件如气候、环境、温度和湿度等相适应。但是我国东西跨度和南北跨度都较大，气候条件千差万别，因此控制器基础参数的控制及后期的自适应功能尤为重要。基础控制参数融合调整功能使得对象特性发生一定程度的变化时，也能实时调节回路的控制参数，保证工作点的处理达到最优效能。暖通空调系统优化控制和能量管理过程中，具有智能化控制功能的单元控制器使得在变负荷、多工况等多种条件下实现控制与管理的暖通系统的集成成为可能，实现回路的最优控制，达到能量管理和暖通空调系统优化控制的效果。

未来的暖通系统将不再局限于空调、通风等方面。在优化控制的进程中，单元控制与信息输入和监测都会体现在系统优化管理模式中，用于收集、分析能耗数据，从而进一步服务于能量管理模块，集成为更加多元、低能耗、协同作用和智能的系统。网络技术的发展将使得暖通系统的联网功能更加完善，信息集成管理、能量系统调配、人机交互更加精准，为我国暖通空调系统优化控制和能量管理模式的创新带来更多的可能。

3.7 提高运行管理技术

由于暖通空调系统十分复杂，在运行管理中对于操作人员的素质、规章制度的制定、系统的控制水平和日常维护保养都有着极高的要求。暖通空调专业操作人员除了具备最基本的理论常识及素质外，还需定期进行专业技能培训，提高操作人员的节能意识、业务水平和管理能力。对于实际空调操作人员必须持证上岗，对工作要具有一定的责任心及应变能力，相应调节不同的室外气象参数条件，尽可能达到最低能耗状态。

暖通空调系统的控制通常通过风速、温湿度以及环境平均温度的调整来实现，但在传统的空调系统中，仅以空气的温湿度作为测量及控制指标，忽略了其他在空调环境下影响人体产生的冷热感受的因素。运行管理人员可以将人体体感指标作为控制参数，结合热湿环境的理论研究成果，从而提高暖通空调系统的控制水平和节能降耗水平。系统需要维持在良好的工作状态，并保持稳定、高效的运行，日常的维护保养工作必不可少。

在每个空调制冷期和采暖供热期开启空调系统前，维护人员应对整个暖通空调系统进行检查、清洗、维护、保养及维修等操作。因为暖通空调系统长时间不运行或集中长时间运行可能会造成系统附件损坏、布水器、风机叶片位置偏移等问题，所以需要及时更换及调整，避免出现冷量和耗水量损失的现象。通过提升运行管理技术，确保整个暖通空调系统高效、经济、稳定运行。

4 结语

目前，很多专家都在采取措施改善我国空调的优化控制和能量管理技术，并取得了一定的成效，但仍有待进一步完善。随着计算机行业的蓬勃发展，暖通行业的能量管理逐渐智能化。本文通过运用计算机检测系统的工作条件和参数，提出对暖通空调系统优化控制的新策略，使得暖通系统中的各种工作部件如水泵、风机等实现联锁控制，并对实时参数进行监控，同时通过反馈机制协同调配操作台实现对现代化暖通系统设备的高效节能管理。