郭晨 黃曉康

(中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司)

0 引言

根據(jù)市場(chǎng)不完全統(tǒng)計(jì)與調(diào)查，商業(yè)建筑在投入使用與運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的能耗，占建筑占能耗的45%。因此，降低建筑耗能的最有效措施為降低HVAC 能耗，根據(jù)技術(shù)人員與科研單位相關(guān)人員的大量實(shí)踐與研究成果，降低HVAC 能耗的最有效、最直接方式為降低暖通空調(diào)在使用中的輸入功率，通過(guò)此種方式，降低空調(diào)的總耗能，但此種方式可能會(huì)對(duì)用戶的體感舒適度造成影響，因此，有必要設(shè)計(jì)一種針對(duì)商業(yè)建筑中暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制方法，通過(guò)此種方式，對(duì)為用戶提供適宜室內(nèi)溫度的同時(shí)，降低空調(diào)能耗，從而促進(jìn)商業(yè)建筑的經(jīng)濟(jì)化發(fā)展。

1 工程概況

綠地湖湘中心商業(yè)綜合體地處長(zhǎng)沙河西核心商業(yè)圈，總建筑面積約38.73萬(wàn)m2，地上建筑面積24.23萬(wàn)m2，為兩個(gè)商業(yè)mall 和6 棟公寓塔樓；地下建筑面積14.5萬(wàn)m2，地下商業(yè)5.2 萬(wàn)m2，地下車庫(kù)及設(shè)備用房9.3萬(wàn)m2。

2 面向智慧商業(yè)建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)控制

2.1 建立暖通空調(diào)系統(tǒng)控制模型

為實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧商業(yè)建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)控制，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，在戈丁HVAC 溫度設(shè)定值的基礎(chǔ)上，明確帶有恒溫裝置的分體式HVAC 單元的開(kāi)/關(guān)工作狀態(tài)遵循下述基本控制邏輯：

式中：Ht代表HVAC 單元的開(kāi)/關(guān)工作狀態(tài)，當(dāng)Ht取值為0 時(shí)，此時(shí)說(shuō)明處于關(guān)工作狀態(tài)；當(dāng)Ht取值為1，此時(shí)說(shuō)明處于開(kāi)工作狀態(tài)；當(dāng)Ht取值為Ht－1，說(shuō)明此時(shí)處于與上一工作狀態(tài)相同狀態(tài)[1]。T in t代表控制單元輸入溫度數(shù)值，T set t代表控制單元輸出溫度數(shù)值，d代表室內(nèi)溫度。上述公式（1）所描述的控制邏輯符合暖通空調(diào)系統(tǒng)的制冷工作模式[2]。在制冷模式下，區(qū)域內(nèi)的溫度若低于固定溫度帶的最低數(shù)值，則HVAC 應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，停止制冷，即Ht值為0；區(qū)域內(nèi)的溫度若高于固定溫度帶的最高數(shù)值，則HVAC將開(kāi)啟制冷模式，Ht值為1，用以維持建筑內(nèi)用戶的熱舒適滿意度；在其他情況下，HVAC的工作狀態(tài)應(yīng)當(dāng)與前一時(shí)刻的狀態(tài)相同，即Ht=Ht－1。暖通空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需要根據(jù)建筑區(qū)域內(nèi)溫度的變化進(jìn)行調(diào)整，HVAC 溫度的設(shè)置點(diǎn)均為離散值中選取，離散值可表示為：

式中：βt代表HVAC 溫度的設(shè)置點(diǎn)，Tlow代表最低溫度設(shè)置點(diǎn)，Thigh代表最高溫度設(shè)置點(diǎn)。

若暖通空調(diào)系統(tǒng)提供的室內(nèi)環(huán)境與室內(nèi)用戶溫度偏好之間的相差過(guò)大，則通過(guò)調(diào)整設(shè)備工作狀態(tài)可以有效提高用戶的熱舒適性[3]。考慮到每一位用戶對(duì)于熱舒適性的感受存在較大差異，為能夠滿足不同用戶對(duì)舒適溫度的需要，用戶可以在任何時(shí)間向暖通空調(diào)系統(tǒng)提出室內(nèi)期望溫度[4]。根據(jù)這一數(shù)值可以進(jìn)一步推算得出用戶的溫度偏離系數(shù)：

式中：Ui,t代表用戶溫度偏離系數(shù)，T q i,t代表用戶向暖通空調(diào)系統(tǒng)提出的室內(nèi)期望溫度，T s i,t代表用戶實(shí)際感知溫度。公式中，T s i,t的計(jì)算公式為：

式中：T in t代表在某一時(shí)刻用戶所處環(huán)境的室內(nèi)溫度，mi,t代表在某一時(shí)刻暖通空調(diào)系統(tǒng)工作狀態(tài)，?代表溫度補(bǔ)償。在對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，根據(jù)用戶所處環(huán)境協(xié)調(diào)系統(tǒng)設(shè)備工作狀態(tài)，協(xié)調(diào)暖通空調(diào)系統(tǒng)與個(gè)人舒適系統(tǒng)，促進(jìn)用戶熱舒適性的提升[5]。

2.2 基于多智能體深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的系統(tǒng)控制

將上述構(gòu)建的暖通空調(diào)系統(tǒng)控制模型作為基礎(chǔ)條件，利用多智能體深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制[6]?？刹捎瞄_(kāi)環(huán)控制方式或閉環(huán)控制方法，如圖1、圖2所示。

圖1 暖通空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制

圖2 暖通空調(diào)系統(tǒng)閉環(huán)控制

若采用開(kāi)環(huán)控制方式，則僅需要依據(jù)外部輸入、控制輸出實(shí)現(xiàn)控制，不需要通過(guò)反饋機(jī)制對(duì)輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。將輸入數(shù)據(jù)使用預(yù)設(shè)好的方程式計(jì)算并輸出[7]。若采用閉環(huán)控制方式，則需要添加反饋，將開(kāi)環(huán)控制修改為閉環(huán)，利用傳感器測(cè)量室內(nèi)熱輻射數(shù)值并傳遞給控制裝置[8]。由控制裝置根據(jù)傳感器數(shù)值控制遮光設(shè)備，用以降低誤差率。

針對(duì)上述兩種控制方式，利用多智能體深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。圖3 為暖通空調(diào)系統(tǒng)控制優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖。

圖3 暖通空調(diào)系統(tǒng)控制優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)圖3 所示內(nèi)容實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)控制的優(yōu)化，在完成優(yōu)化訓(xùn)練后，不需要更新行動(dòng)者網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，將訓(xùn)練過(guò)程中習(xí)得的策略應(yīng)用到控制執(zhí)行中，如表1所示。

表1 執(zhí)行算法

按照上述執(zhí)行算法，在t時(shí)刻開(kāi)始時(shí)，暖通空調(diào)系統(tǒng)中每個(gè)智能體根據(jù)局部狀態(tài)決策行為，執(zhí)行動(dòng)作。在時(shí)刻結(jié)束后，所有智能體獲得下一時(shí)刻的局部狀態(tài)。上述操作重復(fù)進(jìn)行，直到完成對(duì)這一階段暖通空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。通過(guò)不斷循環(huán)控制，使建筑室內(nèi)溫度能夠滿足用戶的熱舒適性需要，同時(shí)通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的方式，也能夠在極大程度上降低能源的浪費(fèi)。

3 控制方法性能評(píng)估

對(duì)同一時(shí)段下的暖通空調(diào)系統(tǒng)控制前、控制后的能量成本平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)此種方式，掌握控制后暖通空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)。見(jiàn)圖4：

圖4 同一時(shí)段下的暖通空調(diào)系統(tǒng)控制前、控制后的能量成本平均值對(duì)比

完成上述研究后，引進(jìn)文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]中提出的控制方法作為傳統(tǒng)方法，分別使用本文方法、傳統(tǒng)方法，進(jìn)行商業(yè)建筑中暖通空調(diào)系統(tǒng)控制效果的分析，對(duì)比輸入的暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行溫度與控制后的暖通空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行溫度差值，將其作為控制后暖通空調(diào)系統(tǒng)的溫度偏離值，其結(jié)果見(jiàn)表2：

表2 控制后暖通空調(diào)系統(tǒng)的溫度偏離值

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以綠地湖湘中心商業(yè)綜合體建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)為例，完成了控制方法的設(shè)計(jì)。根據(jù)上述研究?jī)?nèi)容，得到如下幾個(gè)方面的結(jié)論：

⑴根據(jù)圖4 同一時(shí)段下的暖通空調(diào)系統(tǒng)控制前、控制后的能量成本平均值對(duì)比結(jié)果可以看出，控制后暖通空調(diào)系統(tǒng)的能量成本＜控制前暖通空調(diào)系統(tǒng)的能量成本，說(shuō)明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制方法可以在實(shí)際應(yīng)用中起到降低商業(yè)建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行成本的作用。

⑵根據(jù)表2 控制后暖通空調(diào)系統(tǒng)的溫度偏離值可知，使用本文方法進(jìn)行暖通空調(diào)系統(tǒng)控制，控制后暖通空調(diào)系統(tǒng)的溫度偏離值＜0.5℃，而使用文獻(xiàn)[3]控制方法、文獻(xiàn)[5]控制方法、文獻(xiàn)[6]控制方法進(jìn)行暖通空調(diào)系統(tǒng)控制，控制后暖通空調(diào)系統(tǒng)的溫度偏離值均＞1℃。

綜合以上結(jié)果可以證明，相比傳統(tǒng)方法，本文設(shè)計(jì)的綠地湖湘中心商業(yè)綜合體建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)控制方法，可以在控制暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行成本的同時(shí)，減少控制后暖通空調(diào)系統(tǒng)的溫度偏離值，通過(guò)此種方式，為商業(yè)建筑內(nèi)住戶提供更加舒適的體感。