刘圆丰
沈阳华盛工程建设监理有限公司，辽宁沈阳 110000
摘要：随着社会与经济的发展，人们对建筑内的环境质量有了更高的要求。为了保证舒适的室内环境，建筑中所消耗的能耗约占全世界总能耗的 40% 。采暖通风与空调（HVAC）系统的控制策略能够降低其能耗。将HVAC系统建模系统，且优化目标为能耗最小，并利用分散式步长递减且协方差矩阵适应的进化策略求解在满足室内人员舒适度的基础上能耗最少的HVAC系统的控制策略。算例结果显示，相比于常规控制，由进化策略得到的控制策略可以节省大于34%的能耗。
关键词：HVAC系统；分散式优化；策略
在建筑中,采暖通风与空调(HVAC)系统是主要的耗能设备之一. 据统计,我国空调系统的能耗约占建筑总能耗的40 %而在欧洲、南非及美国等地区, HVAC系统的能耗更是高达建筑总能耗的50 %。大量研究表明,提升HVAC系统的运行效率能够大大降低建筑能耗,因此,求取HVAC系统的最优运行策略有着至关重要的意义。
HVAC系统包含多种耦合的设备,且各个设备的模型中包含多个变量, 因此 HVAC 系统的模型很复杂. 在实际应用中,因模型过于复杂，很难在有限的时间内找到HVAC系统的最优控制策略. 例如利用内点法求解HVAC系统每小时的控制策略时,所需计算时间常常超过1小时,有的甚至达到1.5小时,很难保证在1小时的运算时间内求得HVAC系统在下一小时的控制策略,无法实现优化HVAC系统运行状态的目标. 为解决这一问题,本文提出HVAC系统中冷却塔水侧传热效率的回归模型,以避免冷却塔模型中迭代求解的运算过程,从而降低HVAC系统模型的复杂度。
一、慨述
HVAC系统主要为身处室内的人员提供舒适的室内环境。在满足室内舒适度要求的前提下，尽可能降低HVAC系统的运行能耗。但是HVAC系统模型的高复杂度大大增加了优化策略的求解难度。HVAC系统模型的复杂度主要表现为：设备之间的耦合。在 HVAC 系统中，不同的设备包括冷却塔、冷机等连接在一起，相互协作，将室内环境保持在舒适度要求的范围之内。某一个设备的控制策略的改变同时会影响到与之相连的设备的运行状态。多个变量。HVAC 系统中包含许多连续和离散的变量，例如不同种类的温度、流量、频率以及数量等。多个约束条件。除了每个变量取值范围的约束之外，HVAC 系统还包含许多的线性和非线性约束。例如，不同种设备的运行状态的约束，水压分布约束以及人员舒适度模型约束。这些因素使HVAC系统变得很复杂，增加了HVAC系统优化策略的求解难度。为降低 HVAC 系统的能耗，许多学者以 HVAC系统中不同的设备为研究对象，做了许多工作，利用一种分散式步长递减且协方差矩阵适应的进化策略求解HVAC系统的优化控制策略。进化策略是一类求解连续空间内多极值问题的有效算法，常用来解决大型实际系统的优化问题。由协方差矩阵适应的进化策略CMA-ES是目前最常用的进化策略[1]，但该方法需要累积进化路径来更新步长和协方差矩阵，求解过程需要设置的参数较复杂。为简化运算过程，提出了一种步长递减且协方差矩阵适应的进化策略CMDSA-ES。将包含冷却塔、冷机和风机盘管的典型HVAC系统作为研究对象，搜寻在满足人员舒适度（包括温度、含湿量及二氧化碳浓度）的基础上，最小化HVAC系统能耗的控制策略。为降低HVAC系统模型的复杂度，将整个HVAC系统分成冷却塔子系统，冷机子系统以及室内空气处理AHU子系统，并进行各个子系统的建模，然后利用分散式 CMDSA-ES 来求解 HVAC 系统的优化问题。为加快求解效率，针对每个子系统，提出可行性的经验条件来预先粗略判断控制策略的可行性。算例结果显示，相比于常规控制，由分散式CMDSA-ES得到的HVAC系统的控制策略可以节省约34%的能耗。
二、模型介绍
典型的HVAC系统包含冷却塔、冷机、风机盘管和水泵等设备，为了降低建模的复杂度，根据HVAC系统各设备的实际物理位置及耦合关系，将整个HVAC系统分为冷却塔子系统、冷机子系统，冷却水循环连接冷却塔子系统和冷机子系统，冷冻水循环连接冷机子系统和AHU子系统。
1、冷却塔子系统的建模。冷却塔子系统中的耗能设备包括冷却塔和冷却水泵。因此，冷却塔子系统的控制策略为：
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式中：Nckt 和 Nckwp 分别为第k时刻工作的冷却塔和冷却水泵的数量；fct 和 fcwp 分别为冷却塔和冷却水泵频率的集合；Tcw,ct,in 为流入冷却塔的冷却水温度的集合；Ksubct 为冷却塔子系统中阀门开度的集合； NUpper ct 和 NcUwppper分别为冷却塔和冷却水泵的总数量； fckt,i 和 fckwp,i 分别为第k时刻第i台冷却塔和冷却水泵的频率；Tckw,ct,in,i 为第k时刻流入第i台冷却塔的冷却水的温度；Kckt,i 和 Kckwp,i 分别为第 k 时刻与第 i 台冷却塔和冷却水泵相连的阀门的开度。
2、冷机子系统的建模。冷机子系统中的耗能设备包括冷机和冷冻水泵。因此，冷机子系统的控制策略为：
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式中：Nck 和 Nckh wp 分别为第k时刻工作的冷机和冷冻水泵的数量；fch wp 为冷冻水泵频率的集合； Tcw,c,out 和 Tch w,c,out 分别为流出冷机的冷却水和冷冻水温度的集合；Ksubc 为冷机子系统中阀门开度的集合；NcUpper 和 NUpper ch wp 分别为冷机和冷冻水泵的总数量；fckh wp,i 为第k时刻第i台冷冻水泵的频率；Tckw,c,out,i 和 T kch w,c,out,i 分别为第k时刻流出第i台冷机的冷却水和冷冻水的温度；Kck,i 和 Kckh wp,i 分别为第k时刻与第i台冷机和冷冻水泵相连的阀门的开度。
3、算例分析。以HVAC 系统运行状态为例，比较由分散式CMDSAES和常规控制得到的控制策略的效果。本例中借助室外天气信息来求解HVAC系统每小时的控制策略[2]。常规控制的控制策略是根据对大型公共建筑的调研结果得到的。在常规控制中，除了冷却塔及冷机的开停状态及室内风机盘管的频率，其他变量不可控。 由分散式CMDSA-ES和常规控制得到的冷却水的入水温度与出水温度的温度差和冷却塔子系统的能耗随时间变化的曲线。由冷却水的出、入水温差较大时，冷却塔子系统的能耗较小。分散式CMDSA-ES和常规控制得到的冷却水出、入水的温度差与冷机子系统的能耗随时间变化的曲线。冷却水的出、入水温差较小时，冷机子系统的能耗较小。较大的冷却水的出、入水温差，可以减小冷却塔子系统的能耗，但却增加了冷机子系统的能耗。因 此，冷却塔子系统与冷机子系统的能耗之间会相互影响，相互制约。采用优化后的策略，合理控制冷却水的出、入水温差，才能减小整个HVAC系统的能耗。如图。
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图展现的是在分散式CMDSA-ES和常规控制下，整个HVAC系统每小时的能耗总量。相比于常规控制，分散式 CMDSA- ES 得到的控制策略使HVAC系统每小时至少节省了4%的能耗。因此，从每小时所消耗的能耗总量上看，分散式CMDSA-ES得到的控制策略更具有节能潜力。 HVAC系统不同设备的每小时平均能耗情况，其中CT代表冷却塔，Chiller代表冷机，CP代表冷却水泵，CHP代表冷冻水泵可以看出，在分散式 CMDSA-ES 得到的控制策略下，高耗能设备的耗能情况都优于常规控制策略。另外，对于整个HVAC系统而言，相比于常规控制，分散式CMDSA-ES得到的控制策略平均可以节约34%的能耗。因此，从HVAC系统各设备的平均能耗及总能耗情况上看，由分散式CMDSA-ES得到的控制策略更具有节能潜力。
以一个包含冷却塔、冷机及风机盘管等设备的典型HVAC系统作为研究对象，并将其建模系统且优化目标为能耗最小的优化问题。利用分散式 CMDSA-ES 来求解该优化问题的控制策略，并将其能耗情况与常规控制进行比较。结果显示，无论在小时能耗或是在平均能耗方面，分散式 CMDSA-ES 得到的控制策略的效果都优于常规控制策略。
参考文献：
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