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论述和分析智能楼宇空调系统的行动控制和节能策略——空调系统论文定制

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关键词：智能楼宇 空调系统 自动控制 节能 行动控制 节能策略 中国论文 职称论文

0 前 言
自1984年,第一座智能大厦“都市大厦”在美国哈福特市问世以来,智能建筑的发展日益迅猛。智能大夏是将建筑、设备、服务和经营四方面各自优化,互相联系,全面综合并达到最佳组合,从而获得高效率、高功能与高舒适的建筑物。它的构成应具有三部分:楼宇自动化(Building Automation)、通讯自动化(Communication Automation)、办公自动化(Office Automation),统称为3A。[1]
空调系统是智能大厦中楼宇自动化的重要部分,根据“以人为本”的原则,系统通过对空气的处理,使其温度、湿度、流动速度、新鲜度及洁净度等指标均符合场所的使用要求,使人能在其中得到最佳舒适度。据统计,空调系统的能耗通常占楼宇能耗的65%以上,其节能控制具有明显的经济效益。要使空调系统达到最佳的“能量效率”,应将建筑、暖通、自动控制有机地结合起来才能实现。
首先,根据建筑所处的地域和环境特点,充分利用太阳能、风能和地下热能等自然能源。在外部设计上,合理地选择外墙和屋顶材料,门窗的大小和比例,以减少楼宇内部的能量损失和避免外部干扰;在内部设计上,总体上应利于空气的流通,同时根据对楼内分区控制的需要,进行内部的门窗墙和走廊等的设计。
其次,按照暖通空调的专业理论,对暖气管道、散热片、空调的出风口等做合理的结构选择和位置布置,以利于冷(热)量的传输和空气流通。在设备的选型上,应充分利用近年来节能技术的成果,如变频驱动技术、变风量空调、蓄冰(热)空调、热交换器、热管技术等。对其它设备,如锅炉、泵、风机等的选型也应从实际考虑。
最后,应用自动控制理论和计算机技术完成对楼宇空调系统及其节能的控制与决策。
2 空调系统的特性
楼宇空气环境是一个极为复杂的系统或者空间场,其特点是,[2]干扰大,来自于人员活动、设备运行散热和气候原因等;因素多,区域大,被控量多,互相影响,耦合强烈;非线性,调节过程和执行器固有的特性;随机性,楼宇内人员的活动不能预知。
鉴于以上特点,对这样一个系统建立精确的数学模型是很困难的。而为实现对系统有的效控制,就需要将楼宇的能耗、运行费用、温度、湿度等以某种模型或方式表达和反映出来。算法上可有以下几种:神经元网络,模糊算法,自适应算法等。
3 被控系统的监控
由于空气品质涉及到温度、湿度、洁净度、气流速度等多个变量,而且需要有多个采样点,这就要求有大量的传感器。传感器过多会增加成本和安装费,太少会影响监测的准确性;此外,在一些地方,例如大厅中央,为保证环境美观而无法安装测量装置。对此问题可采用神经网络的算法加以解决,楼内每一点的温湿度高低均与周围各被直接测量点的温湿度具有一定的影响关系,通过调整各点对其影响的权值的大小,即可得到这个关系。另外还可以通过自学习的方式,根据各送风口的送风量与送风温度等,预测得出其它各处的各参量在某时刻后的预测值,避免由于系统固有滞后而引起控制的过量和超调,缩短了调节时间,同时达到节能效果。
另外,各执行部件的工作状态也需要监测,以满足对控制的要求,同时对设备的故障进行诊断。诊断系统应在人的训练和自学习中培养出一定的智能,例如:在其它条件不变或变化很小时,某一设备长时间“工作”,而其调节的变量却没有发生如期的变化,则可推理出其故障的可能。
由于峰谷电价制的实行,使冰蓄冷和深井蓄热等技术成为降低楼宇运行费的重要方法。空调的蓄冷(热)量的多少可以通过预测算法得到。控制系统可根据历史的冷(热)负荷量数据和操作人员输入的第二天的天气预报数据进行信息分析,避免蓄冷(热)过少引起的高峰用电和过多引起的冷(热)量耗散损失。预测控制的方法同样适合于其它设备的控制和参量的预测,如风机的控制,不同时刻新风量的确定等,使系统工作在最佳的状态,达到最优的控制效果和节能效果。
设备的反复起停会造成其运行效率的降低,因此应设置一定的死区。在设备运行时,以死区的中央为设定目标,当被控参数在死区范围内时,设备不再调整。另外,在控制上不应为纠正超调而设置反向控制动作,这样会造成能量的大量损失,应在决策上预测出可能出现的超调而事先避免。
目前,在楼宇内部各房间一般仅设置送风口,而无回风口。一旦某房间空气品质变差,就通过补充新风以弥补,采用的是锋释的方式,这样导致调节时间的加长,并且总体上并没有明显减少楼宇内有害气体和烟尘的绝对含量,从而增加了楼宇所需的总新风量。导致空调负荷的增加和能源的消耗,因而将新风量设法控制在最小是节能的主要措施。对一些空气品质差的房间,如吸烟室,晒图室等,如单纯采用排风扇,同样会由于冷(热)量的浪费而造成空调负荷和新风量的增加。如果在楼宇内设置回风管道,各房间分设回风口,就可通过回风管道直接排出低品质的空气,同时通过热交换器利用排出风对新风做预冷(热)处理,实现对冷(热)量的回收利用。
空调系统的自动控制是很复杂的,如采取常规的PID控制,会有迟钝和精度差的缺点,所以应根据系统总体和各个部分的特点而分别采取合适的控制策略。在总体节能的策略上采用最优控制,从李雅普诺夫广义能量角度出发,根据系统的投资费、用电量、被控参数及时间等的关系,确定一个目标函数,并写出相应的约束条件,通过总体上的寻优,最后得出节能控制的最佳策略。
由于系统具有分布、分散式大系统的特征,因而在具体控制上采取集散控制的方案较为合理,利用上位机控制中央空调的工作状态,采用最优控制,实现控制需要并达到节能。而各房间的控制则通过下位机,如单片机等。人对环境的舒适感觉本身是模糊的,也就是说系统对控制精度的要求并不是很高,所以采用模糊控制,根据设定的模态对各房间进行控制,既避免了求解数学模型的困难,又解决了各参数之间解耦的复杂性。在建立模糊化表格时,应考虑到系统大滞后的特点,结合预测控制的方法,根据不同的系统状态,做出隶属函数,存入上位机,由上位机根据下位机传来的数据决定控制输出量。在变风量空调中,可通过下位机控制房间进风口开度,既能对各房间供冷(热)量进行调节,又可以保证送风管道的压力和末端负荷的需要。目前在楼宇自控中应用较先进的是利用LONWORKS分散控制网络技术实现的DDC直接数字控制,它将信息通过一定的通讯协议实现网络上各智能节点的共享,并根据信息采取控制策略。[4]
对各种信息的综合利用,是智能型大厦的一个重要特点。比如:根据季节的不同,在人的舒适范围内,定出不同的控制指标和策略,如夏季按人的舒适温度上限,而冬季则按下限,春秋季充分利用室外新风等;按作息时间表和动力及照明电流的大小,进行调度控制等。智能楼宇是一个综合的系统,应将空调系统与其它子系统相配合,实现能量的统一利用和设备与信息的共享,提高楼宇的能量效率。最后,楼宇的节能还应考虑到供电系统的特点,利用功率补偿提高功率因数,实现电能的节约。

参考文献
1 张瑞武,智能建筑.北京:清华大学出版社, 1996, P210-245
2 龙惟定,智能化大楼对暖通空调的挑战.暖通空调1996 (6)
3  Robert N. Lea, An HVAC fu 本论文由无忧论文网www.51lunwen.com整理提供

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