大型暖通空调关联节能调控模型设计
贾玉贵++秦景
摘 要： 针对过去设计的大型暖通空调节能调控模型控制方法不佳，设计了大型暖通空调关联节能调控模型，探讨了大型暖通空调水流量与水泵功率和转速的关系，初步设计出水流量节能调控数学模型，分四路实施PID控制，给出水流量控制方案与控制结果。随后将人流量和外部温度两种影响因素关联到水流量节能调控数学模型中，构建关联节能调控模型，利用Matlab模糊控制方法实现节能调控，使用遗传算法求解关联节能调控模型。实验对设计模型的控制误差和节能效率进行测试，取得了令人满意的测试结果。
关键词： 暖通空调； 节能； 调控模型； 遗传算法
中图分类号： TN02?34； TM92 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）09?0179?04
Abstract： Since the previously?designed energy?saving control method of the large heating and ventilation air conditioning （HVAC） is poor， a correlation?based energy?saving control model of large HVAC was designed. The relation between the water flow of the large HVAC and power of the water pump， as well as rotational speed is discussed. The mathematical model of the water flow energy?saving control was designed to implement the PID control with four channels. The water flow control scheme and control results are given. The influence factors of visitors flow rate and external temperature are associated with the mathematical model of water flow energy?saving control to construct the correlation?based energy?saving control model. The Matlab fuzzy control method is used to realize the energy?saving control. The genetic algorithm is adopted to solve the correlation?based energy?saving control model. The control error and energy?saving efficiency of the model were tested with experiment， which have the satisfied test results.
Keywords： HVAC； energy saving； control model； genetic algorithm
0 引 言
暖通空调是一种兼具了取暖、换气以及空气控制作用的多功能设备，大型暖通空调备受商场、智能楼宇和工厂等地的青睐[1]。据不完全统计，使用大型暖通空调区域的耗能量比无空调区域的耗能量高出9倍，占据总耗能量的25%左右，由此可知，大型暖通空调节能调控对社会发展具有重要意义。
过去提出的大型暖通空调节能方法主要包括硬件节能和软件节能，如文献[2]中介绍的基于可编程控制器的大型暖通空调节能调控方法就是一种软件节能方法，其使用可编程控制器改变大型暖通空调暖通器件的工作方式，具有节能效率好的优势，但控制方法过于单一，控制效果不佳。文献[3]中使用的硬件节能方法是使用阻流器限制空调输出实现节能，这种方法的节能效率虽好，但严重影响了暖通空调的正常功能。文献[4]利用动态管理算法对大型暖通空调的动态特征进行建模分析，有效优化了节能效率，但在人流量大的区域内控制误差大，并且节能效率不理想。
根据以上描述得知，软件节能方法对大型暖通空调的节能控制最为准确，但节能效率仍需进行优化。过去提出的软件节能方法未考虑到大型暖通空调水流量会受外接环境因素影响而出现变动，所以方法的节能效率存在明显的不稳定性[5]。现提出一种大型暖通空调关联节能调控模型设计方法，设计水流量节能调控数学模型，并将外界影响因素关联到模型中进行综合控制，实现对模型控制误差与节能效率的优化。
1 大型暖通空调关联节能调控模型设计
1.1 水流量节能调控数学模型
大型暖通空调中水泵的水流量和功率与其转速有关。在现实生活中，水泵的即时转速往往不会等同于额定转速因此水泵的即时水流量和即时功率也会与额定水流量额定功率产生偏差，但始终满足能耗比[6]。所提大型暖通空调关联节能调控模型设计方法设那么空调水泵的即时单位做功量则可表示为：
水流量节能调控数学模型给出的控制方案是：当大型暖通空调制冷量或制热量未达标时，不对水泵即时功率做限制。当制冷量或制热量达标时，首先调控冷却水泵的水流量，提高冷却水与环境的温差，随后调控冷冻水泵的水流量，尽可能使热能量符合式（3）标准[8]。如果无法达到式（3）标准，则使用大型暖通空调的最小水流量实现节能。
1.2 关联节能调控设计
大型暖通空调中水流量节能调控数学模型的理论基础是热力学第一定律，即能量守恒定律，大型暖通空调所处环境的热能与其经由冷水吸收的热能始终平衡，这样一来才能够保证环境温度的近似恒定。空气流动产生的热能、环境中建筑材料与架构的导热热能、流动人口身体发热、环境占地面积、外部气候以及大型暖通空调参数等因素都会对环境温度造成影响，削减大型暖通空调的节能效率[9]。式（4）给出的节能结果未能考虑到这些因素，故只能在人流量少、气候条件好的理想情况下使用，为保证节能效率，需要将外界影响因素关联到模型中，如图2所示。
摘 要： 针对过去设计的大型暖通空调节能调控模型控制方法不佳，设计了大型暖通空调关联节能调控模型，探讨了大型暖通空调水流量与水泵功率和转速的关系，初步设计出水流量节能调控数学模型，分四路实施PID控制，给出水流量控制方案与控制结果。随后将人流量和外部温度两种影响因素关联到水流量节能调控数学模型中，构建关联节能调控模型，利用Matlab模糊控制方法实现节能调控，使用遗传算法求解关联节能调控模型。实验对设计模型的控制误差和节能效率进行测试，取得了令人满意的测试结果。
关键词： 暖通空调； 节能； 调控模型； 遗传算法
中图分类号： TN02?34； TM92 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）09?0179?04
Abstract： Since the previously?designed energy?saving control method of the large heating and ventilation air conditioning （HVAC） is poor， a correlation?based energy?saving control model of large HVAC was designed. The relation between the water flow of the large HVAC and power of the water pump， as well as rotational speed is discussed. The mathematical model of the water flow energy?saving control was designed to implement the PID control with four channels. The water flow control scheme and control results are given. The influence factors of visitors flow rate and external temperature are associated with the mathematical model of water flow energy?saving control to construct the correlation?based energy?saving control model. The Matlab fuzzy control method is used to realize the energy?saving control. The genetic algorithm is adopted to solve the correlation?based energy?saving control model. The control error and energy?saving efficiency of the model were tested with experiment， which have the satisfied test results.
Keywords： HVAC； energy saving； control model； genetic algorithm
0 引 言
暖通空调是一种兼具了取暖、换气以及空气控制作用的多功能设备，大型暖通空调备受商场、智能楼宇和工厂等地的青睐[1]。据不完全统计，使用大型暖通空调区域的耗能量比无空调区域的耗能量高出9倍，占据总耗能量的25%左右，由此可知，大型暖通空调节能调控对社会发展具有重要意义。
过去提出的大型暖通空调节能方法主要包括硬件节能和软件节能，如文献[2]中介绍的基于可编程控制器的大型暖通空调节能调控方法就是一种软件节能方法，其使用可编程控制器改变大型暖通空调暖通器件的工作方式，具有节能效率好的优势，但控制方法过于单一，控制效果不佳。文献[3]中使用的硬件节能方法是使用阻流器限制空调输出实现节能，这种方法的节能效率虽好，但严重影响了暖通空调的正常功能。文献[4]利用动态管理算法对大型暖通空调的动态特征进行建模分析，有效优化了节能效率，但在人流量大的区域内控制误差大，并且节能效率不理想。
根据以上描述得知，软件节能方法对大型暖通空调的节能控制最为准确，但节能效率仍需进行优化。过去提出的软件节能方法未考虑到大型暖通空调水流量会受外接环境因素影响而出现变动，所以方法的节能效率存在明显的不稳定性[5]。现提出一种大型暖通空调关联节能调控模型设计方法，设计水流量节能调控数学模型，并将外界影响因素关联到模型中进行综合控制，实现对模型控制误差与节能效率的优化。
1 大型暖通空调关联节能调控模型设计
1.1 水流量节能调控数学模型
大型暖通空调中水泵的水流量和功率与其转速有关。在现实生活中，水泵的即时转速往往不会等同于额定转速因此水泵的即时水流量和即时功率也会与额定水流量额定功率产生偏差，但始终满足能耗比[6]。所提大型暖通空调关联节能调控模型设计方法设那么空调水泵的即时单位做功量则可表示为：
水流量节能调控数学模型给出的控制方案是：当大型暖通空调制冷量或制热量未达标时，不对水泵即时功率做限制。当制冷量或制热量达标时，首先调控冷却水泵的水流量，提高冷却水与环境的温差，随后调控冷冻水泵的水流量，尽可能使热能量符合式（3）标准[8]。如果无法达到式（3）标准，则使用大型暖通空调的最小水流量实现节能。
1.2 关联节能调控设计
大型暖通空调中水流量节能调控数学模型的理论基础是热力学第一定律，即能量守恒定律，大型暖通空调所处环境的热能与其经由冷水吸收的热能始终平衡，这样一来才能够保证环境温度的近似恒定。空气流动产生的热能、环境中建筑材料与架构的导热热能、流动人口身体发热、环境占地面积、外部气候以及大型暖通空调参数等因素都会对环境温度造成影响，削减大型暖通空调的节能效率[9]。式（4）给出的节能结果未能考虑到这些因素，故只能在人流量少、气候条件好的理想情况下使用，为保证节能效率，需要将外界影响因素关联到模型中，如图2所示。
