賈曉寶　譚凌峰（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東深圳518055）

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基于節(jié)能理念的高職“樓宇自動(dòng)化技術(shù)”教學(xué)研究

賈曉寶譚凌峰
（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東深圳518055）

摘要：建筑節(jié)能的快速發(fā)展對(duì)從業(yè)人員的知識(shí)和技能提出了新的要求，相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容也需隨之調(diào)整以適應(yīng)這種新需求。文章探討了在《樓宇自動(dòng)化技術(shù)》課程中如何就中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能新技術(shù)展開教學(xué)工作，主要從節(jié)能控制指標(biāo)、通風(fēng)系統(tǒng)能耗模型及模型預(yù)測(cè)控制的優(yōu)勢(shì)等三方面展開論述。

關(guān)鍵詞：預(yù)計(jì)平均熱感覺指數(shù)PMV；供熱通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)HVAC；空氣處理設(shè)備AHU；能耗模型；模型預(yù)測(cè)控制MPC

Abstract：Based on the view of energy saving，the paper introduces three kinds of research trend of course contents about building automation technology，index of energy saving control，energy model of air handle unit，andmodel predictive control applied in AHU system.

Key words：predicted mean vote；heating ventilation air conditioning；air handle unit；energy model；model predictive control

引言

近年來(lái)隨著智能、綠色建筑以及建筑節(jié)能等理念的興起，自動(dòng)化技術(shù)與建筑學(xué)科持續(xù)深度融合，使得建筑節(jié)能手段更加豐富可調(diào)，節(jié)能效果顯著。作為智能建筑及相關(guān)專業(yè)的一門必修課程，《樓宇自動(dòng)化技術(shù)》也被賦予了新的教學(xué)內(nèi)容和培養(yǎng)目標(biāo)，教育從業(yè)者為此進(jìn)行了大量探究。姚衛(wèi)豐從課程內(nèi)容、考核方式、學(xué)習(xí)興趣等方面提出了課程改革的探索［1］；張文靜針對(duì)課程的教學(xué)方法提出了切實(shí)可行的操作方案［2］；段小匯從理論教學(xué)環(huán)境、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境和實(shí)踐教學(xué)環(huán)境分別提出了教改的方案內(nèi)容［3］；賈小寶從任務(wù)引領(lǐng)一體化角度詳細(xì)介紹該課程“課證融合”模式設(shè)計(jì)［4］。

建筑能耗包括建筑生產(chǎn)過(guò)程中的耗能和建筑運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中的耗能，特別是建筑機(jī)電設(shè)備（供暖、通風(fēng)、空調(diào)等）運(yùn)行能耗占據(jù)建筑耗能的近80%［5］。在這些能耗中，中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗占據(jù)很大部分，其中對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的控制指標(biāo)、能耗管理及控制方法決定著大廈的節(jié)能水平。可見，在《樓宇自動(dòng)化技術(shù)》課程中引入中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能新技術(shù)顯得很有必要。文章從預(yù)計(jì)平均熱感覺指數(shù)、空氣處理單元能耗模型及模型預(yù)測(cè)控制等三個(gè)方面做了詳盡教學(xué)內(nèi)容方面的論述，文章第一部分介紹了人體舒適度指標(biāo)及其節(jié)能意義，第二部分介紹了如何建立AHU能耗模型及其節(jié)能應(yīng)用，第三部分從現(xiàn)代控制理論方面介紹了模型預(yù)測(cè)控制對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能的意義。

一、以改變空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)控制指標(biāo)適應(yīng)樓宇自動(dòng)化技術(shù)節(jié)能要求

學(xué)生節(jié)能意識(shí)的培養(yǎng)，首先應(yīng)認(rèn)識(shí)到影響人體舒適度的因素是多方面的，通過(guò)調(diào)節(jié)傳統(tǒng)意義的室內(nèi)溫度在保證舒適度前提下并不能最大限度的節(jié)能。

（一）室內(nèi)環(huán)境干球溫度指標(biāo)

我國(guó)現(xiàn)行的空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計(jì)控制參數(shù)都是基于《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，規(guī)范要求為了改善公共建筑的室內(nèi)環(huán)境，合理使用能源，公共建筑空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)室內(nèi)參數(shù)冬季一般房間溫度20攝氏度，大廳、過(guò)道溫度18攝氏度；夏季一般房間溫度25攝氏度［6］。深圳市根據(jù)本地實(shí)際情況，為了降低能耗要求公共場(chǎng)所夏季室內(nèi)溫度不低于26攝氏度。上述規(guī)范中所指的室內(nèi)房間溫度從物理學(xué)的定義來(lái)講指的是氣體的干球溫度，是溫度計(jì)在普通空氣中所測(cè)出的溫度，即我們一般天氣預(yù)報(bào)里常說(shuō)的氣溫。

（二）預(yù)計(jì)平均熱感覺指數(shù)PMV指標(biāo)及其優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果，影響室內(nèi)人體舒適度的因素主要有以下六個(gè)：人體的新陳代謝率、服裝熱阻、室內(nèi)空氣流速、空氣溫度、平均輻射溫度、相對(duì)濕度。其中前2個(gè)參數(shù)屬主觀因素，后四個(gè)參數(shù)屬客觀因素。根據(jù)這六個(gè)主要的影響因素，丹麥工業(yè)大學(xué)Fanger教授提出預(yù)計(jì)平均熱感覺指數(shù)PMV （predicted mean vote）指標(biāo)，該指標(biāo)將人體感覺分為7級(jí)，即PMV為0表示熱感覺適中，PMV為-1表示微涼，PMV為-2表示涼，PMV為-3表示冷，PMV為+1表示微暖，PMV為+2表示暖，PMV為+3表示熱。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 7730推薦PMV指標(biāo)為-0.5～+0.5時(shí)可作為室內(nèi)環(huán)境舒適度合理范圍，同時(shí)給出PMV指標(biāo)具體計(jì)算公式［7］。

據(jù)上述分析可知，以PMV指標(biāo)作為空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的控制指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)控制作用點(diǎn)從室內(nèi)空氣到人體感受的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，以PMV指標(biāo)作為控制目標(biāo)的空調(diào)系統(tǒng)，能迅速感覺到室內(nèi)熱環(huán)境的變化，促使空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)能夠迅速動(dòng)作，使室內(nèi)環(huán)境參數(shù)不會(huì)發(fā)生顯著變化，既保證了室內(nèi)舒適度的要求也起到降低能耗的作用。例如：在夏季，當(dāng)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)開啟，按照以往的室內(nèi)空氣溫度指標(biāo)控制，當(dāng)室內(nèi)空氣溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，空氣處理單元AHU就會(huì)關(guān)閉冷凍水調(diào)節(jié)閥停止工作，若以PMV指標(biāo)作為空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的控制目標(biāo)，雖然室內(nèi)空氣溫度達(dá)到設(shè)定值要求，但此時(shí)人體的舒適程度仍然沒能達(dá)到要求，所以空氣處理單元AHU還會(huì)繼續(xù)工作，直到人體感到舒適為止。在新的控制平衡形成以后，隨著室外環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化，如太陽(yáng)的輻射照度通過(guò)窗戶或玻璃幕墻進(jìn)入室內(nèi)，PMV值升高，此時(shí)可能不需要通過(guò)調(diào)節(jié)冷凍水調(diào)節(jié)閥開度降低溫度，而只需控制百葉窗開度調(diào)節(jié)輻射照度來(lái)滿足舒適度的要求，從而降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

圖1　通風(fēng)系統(tǒng)能耗輸入輸出模型

二、建立空調(diào)系統(tǒng)能耗模型以適應(yīng)樓宇自動(dòng)化技術(shù)節(jié)能要求

現(xiàn)代建筑空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)及其自動(dòng)化控制系統(tǒng)的規(guī)模日益龐大，設(shè)備種類及數(shù)量日益繁多，因而系統(tǒng)復(fù)雜程度越來(lái)越高。而系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，不可避免會(huì)出現(xiàn)各種故障。建立空調(diào)系統(tǒng)能耗模型為其故障診斷和優(yōu)化節(jié)能提供了可能。

（一）變風(fēng)量空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)VAV能耗計(jì)算示例

根據(jù)建筑物中央空調(diào)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換和消耗原理，鍋爐和冷水機(jī)組為建筑物提供冷熱源，冷凍冷卻水泵或熱水泵將冷熱水源傳送到空調(diào)通風(fēng)設(shè)備，變頻風(fēng)機(jī)提供壓力將經(jīng)過(guò)制冷或加熱的風(fēng)送到末端設(shè)備。提供給HVAC系統(tǒng)的能源最終轉(zhuǎn)化為具有一定溫度、濕度、流速和靜壓的空氣或水。所有的HVAC設(shè)備單元都共享一個(gè)通用的特性：即具備輸入輸出流體，如圖1所示。

根據(jù)伯努利定律，連續(xù)介質(zhì)流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滿足機(jī)械能守恒。在等高流體傳輸過(guò)程中，流體的能量用公式可以表達(dá)為：

式中E，流體的能量（J）；V，氣體體積（m3）；T，氣體溫度（k）；Cv，氣體體積熱容比（KJ/Kg.K）；ρ，氣體密度（kg/m3）；v，氣體流速（m/s）；SP，管道靜壓（Pa）。依據(jù)伯努利方程作為理論基礎(chǔ)，空氣處理單元AHU送風(fēng)作為變風(fēng)量空調(diào)VAV的輸入，VAV的輸出又作為空氣處理單元AHU的回風(fēng)輸入，因此VAV系統(tǒng)能耗公式可以表達(dá)如下：

式中△EVAV：指變風(fēng)量單元VAV消耗的能量（J）；下標(biāo)RA 指VAV的回風(fēng)，下標(biāo)SA指VAV的送風(fēng)；其它參數(shù)所代表的含義參見公式（1）。

（二）變風(fēng)量空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)AHU能耗計(jì)算及能耗模型應(yīng)用示例

空氣處理單元AHU其工作過(guò)程是將室外來(lái)的新風(fēng)與室內(nèi)的一部分回風(fēng)混合后，經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)濾掉空氣中的粉塵、煙塵等有害物質(zhì)，再將干凈的空氣經(jīng)送風(fēng)機(jī)送到表冷器或加熱器進(jìn)行冷卻或加熱，以達(dá)到使人感到舒適、適宜的程度，然后送入房間。詳見圖2。

圖2　空氣處理單元AHU基本工作原理圖

基于VAV能耗計(jì)算同樣的原理，雙輸入雙輸出空氣處理單元能耗計(jì)算公式如下：

式中DEAHU指空氣處理單元消耗的能量（J）；下標(biāo)RA指AHU回風(fēng)，下標(biāo)SA指AHU送風(fēng)；下標(biāo)OA指AHU室外新風(fēng)，其它參數(shù)所代表的含義參見公式（1）。

依據(jù)空氣處理單元AHU及變風(fēng)量控制單元VAV能耗數(shù)據(jù)的分析計(jì)算及評(píng)價(jià)，對(duì)現(xiàn)有建筑空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施故障檢測(cè)與診斷并根據(jù)需要對(duì)大型公共建筑空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可能。舉例來(lái)講，一臺(tái)VAV單元因風(fēng)閥被卡住或有風(fēng)管露風(fēng)的非正常情況下，通常都需要來(lái)自于上一級(jí)AHU單元更多的制冷或加熱空氣，即需要消耗更多能源。同時(shí)通過(guò)能源消耗模型的計(jì)算建立能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，減少建筑物生命周期內(nèi)各個(gè)環(huán)節(jié)的能耗。

三、融入模型預(yù)測(cè)控制思想以適應(yīng)樓宇自動(dòng)化技術(shù)節(jié)能的要求

當(dāng)前對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境的控制，大部分樓宇控制產(chǎn)品系統(tǒng)依然采用傳統(tǒng)的比例積分微分（PID）控制，但一些國(guó)際著名的大品牌樓宇控制產(chǎn)品中已經(jīng)開始應(yīng)用模型預(yù)測(cè)控制算法控制空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，為了更好適應(yīng)新技術(shù)對(duì)人才的需求，學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制理論知識(shí)已成為必然。

（一）傳統(tǒng)的比例積分微分（PID）控制思想和優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)前對(duì)室內(nèi)環(huán)境的控制，絕大部分系統(tǒng)依然采用傳統(tǒng)的比例積分微分（PID）控制?；诮?jīng)典控制理論的PID控制技術(shù)，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，在樓宇HVAC控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。PID控制是基于偏差的調(diào)節(jié)控制，以房間溫度控制為例，當(dāng)傳感器反饋回來(lái)的房間實(shí)際室內(nèi)溫度?（s）低于或高于設(shè)定值r（s）時(shí)，PID控制器按照偏差e（s）的大小計(jì)算冷凍水（熱水）調(diào)節(jié)閥的開度?（s），使得室內(nèi)溫度t（s）達(dá)到設(shè)定的要求。這種單回路的PID控制器存在以下不足：（1）PID控制器只是滿足了室內(nèi)溫度的要求，沒有考慮控制優(yōu)化的問(wèn)題，及兼顧制冷能耗的約束。僅僅是單回路控制器，不能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的控制。（2）如果按照室內(nèi)舒適度PMV指標(biāo)作為控制對(duì)象，涉及風(fēng)閥開度、水閥開度、風(fēng)機(jī)變頻控制的多輸入多輸出系統(tǒng)控制，PID控制器不能夠?qū)崿F(xiàn)這種復(fù)雜控制的要求。

（二）模型預(yù)測(cè)控制思想和優(yōu)缺點(diǎn)

模型預(yù)測(cè)控制算法是利用被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)被控對(duì)象的未來(lái)輸出，通過(guò)對(duì)從當(dāng)前時(shí)刻加上預(yù)測(cè)時(shí)域這段時(shí)間的某一開環(huán)性能指標(biāo)的優(yōu)化來(lái)確定未來(lái)的一系列控制作用。但是每個(gè)控制周期僅僅實(shí)施當(dāng)前控制作用，到下一個(gè)控制周期根據(jù)新的測(cè)量值校正后，重復(fù)上面的步驟重新計(jì)算控制作用的一類控制算法［8］。確切來(lái)說(shuō)，模型預(yù)測(cè)控制并不是一個(gè)復(fù)雜的算法，更是一種控制的思想。猶如我們安排某一項(xiàng)工作任務(wù)，先有初步的計(jì)劃，但在具體的實(shí)施過(guò)程中會(huì)根據(jù)每天實(shí)際工作量對(duì)計(jì)劃進(jìn)行不斷的實(shí)時(shí)修正。

將模型預(yù)測(cè)控制的思想應(yīng)用到空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)AHU控制系統(tǒng)來(lái)講，系統(tǒng)輸入變量包括：室內(nèi)空氣流速、空氣溫度、平均輻射溫度、相對(duì)濕度等，具體計(jì)算詳見第一節(jié)；系統(tǒng)輸出控制變量包括：送風(fēng)機(jī)變頻控制；冷凍水調(diào)節(jié)閥開度控制；加濕器控制等，系統(tǒng)控制的最終目標(biāo)是維持室內(nèi)人體舒適度指標(biāo)PMV在-0.5～+0.5范圍內(nèi)，且耗能最小，能耗的模型計(jì)算詳見第二節(jié)。MPC控制器設(shè)計(jì)過(guò)程包括：首先根據(jù)室內(nèi)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的當(dāng)前和過(guò)去的輸入輸出值得到對(duì)象數(shù)學(xué)模型，其次根據(jù)對(duì)象特性設(shè)定控制器預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度，控制時(shí)域長(zhǎng)度，及控制量增量加權(quán)矩陣等，最后控制器根據(jù)目標(biāo)函數(shù)及相關(guān)約束優(yōu)化計(jì)算將結(jié)果輸出給現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象。因此，模型預(yù)測(cè)控制MPC非常適合應(yīng)用在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)AHU動(dòng)態(tài)特性變化大，控制變量較多，而動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的對(duì)象。國(guó)際著名樓宇產(chǎn)品制造商西門子、霍尼韋爾等已經(jīng)開始在自己的控制系統(tǒng)應(yīng)用此算法實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的控制。模型預(yù)測(cè)控制的唯一不足之處對(duì)控制器的硬件要求較高，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用人員的技術(shù)水平要求較高，但是隨著計(jì)算機(jī)硬件水平和學(xué)生技能水平的提高，模型預(yù)測(cè)算法一定會(huì)在樓宇空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的控制中得到更廣泛的應(yīng)用。

四、結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)樓宇自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，將中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能新技術(shù)加入到《樓宇自動(dòng)化技術(shù)》的教學(xué)內(nèi)容中，使之切合當(dāng)下企業(yè)對(duì)人才的實(shí)際需求。文中提到樓宇自動(dòng)化技術(shù)節(jié)能三個(gè)方面的內(nèi)容，作者已經(jīng)在授課過(guò)程中逐步有所講述，通過(guò)和往屆學(xué)生的比較，本屆學(xué)生對(duì)節(jié)能的意識(shí)更加強(qiáng)烈，更有信心適應(yīng)市場(chǎng)的需求。下一階段，本人將從教具模型方面入手，研發(fā)節(jié)能控制樓宇自動(dòng)化技術(shù)教學(xué)模型，為學(xué)生充分理解抽象的能耗數(shù)學(xué)模型和模型預(yù)測(cè)控制理論提供物理實(shí)驗(yàn)保證。

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中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-000X（2016）07-0243-03

作者簡(jiǎn)介：賈曉寶（1976-），男，碩士，深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)闃怯钪悄芑?jié)能技術(shù)。譚凌峰（1982-），女，碩士，深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)闃怯钪悄芑夹g(shù)。