建筑设备系统最优化逗行技术

　　摘要：阐述了建筑设备系统最优化运行技术的发展。介绍了采集建筑设备系统实际运行数据的主要仪器，给出了主要设备的数学模型和系统模型的组装与验证步骤，分析了以节能为目标函数的最优化运行结果，展望了建筑设备系统最优化运行技术的工程嵌入。

　　关键词：建筑设备 运行 最优化 节能

　　0 引言
　　人与自然和谐共生的环境理念对建筑设备系统提出了更高更具体的要求。为了减少二氧化碳的排放以及保护地球环境，暖通空调专业不仅需要在设计阶段对建筑物的节能情况进行论证，更需要在建筑物投入使用后对建筑设备系统的运行进行优化，以期获得最大的节能效果。另一方面，建筑能耗管理系统(build energymanagement system，BEMS)能完整地保存建筑设备系统多年的连续运行数据[1]和微型计算机运行速度和容量的大幅提高使对建筑设备系统优化运行进行数值模拟成为可能。基于实际工程的建筑设备系统最优化运行技术已初步形成[2q]。图1为El本某区域集中供冷供热站的系统图，图2为应用建筑设备系统最优化运行技术对该站优化分析的模拟流程图。
　　1 建筑设备系统实际运行数据的采集
　　智能楼宇综合管理系统一般会有一个集中空调系统、供配电系统各种运行测试数据的存储库，调用这个数据库可以得到往年各个时间段的建筑设备系统实际运行数据。对于没有能耗管理功能的建筑设备系统，必须现场采集实际运行数据。可直接由仪器记录的数据有时间、室内外温度、相对湿度、室外风向、室外风速、日辐照量、电流、电压、功率、介质流速等。经过简单计算即可获得的数据有耗电量、冷量、热量、流量、COP等。在验证与修正建筑设备系统数学模型时，这些实际运行数据是不可或缺的。主要使用的数据采集仪器有热电偶温度采集记录仪、温度和湿度记录仪、钳型电力数据记录仪、流速和流量记录仪等。
　　2建筑设备系统建模
　　2．1通用模型
　　对于建筑设备系统常用的冷水机组、水泵、冷却塔、风机等，一般应根据生产厂家提供的性能参数图或表用最dx---乘法拟合得到。冷水机组的制冷量、COP与冷水出口温度、冷却水入口温度、冷却水流量、冷水流量之间的关系可以用吉田函数表达式来描述。
　　2．2专用模型
　　建筑设备系统种类繁多，除了对常用的设备建模以外，还必须对系统中特定的环节进行建模。在分析利用地桩进行土壤蓄能的过程中[8．9I，需要根据传热学原理用有限元法建立混凝土地桩和土壤的温度场，从而得到蓄能体介质的温度变化情况。对于蓄冰槽的模拟研究，也必须建立蓄冰槽的专用模型[10J，在掌握蓄冰槽蓄冷和释冷的特点后，才能得到进出蓄冰槽的水温数据。同样，对于水蓄冷储槽。也需要建模研究。对于蓄能空调系统，为了能准确地确定电价低谷时段的蓄能运行时间，白天的空调负荷预测就显得非常重要。为此，需要建立一个冷热负荷模拟子模块[m15J预测空调负荷，确定蓄能介质的初、终工作温度和总蓄能量，供模拟计算蓄能设备夜间最优化运行使用。
　　2．3系统模型的组装与验证
　　把系统中各个模型根据实际工程的工作流程首尾相连，即可组成一个完整的建筑设备系统模型。在这一阶段的工作主要有：
　　1)根据工程的实际运行条件，设定冷水出口温度、水泵出口压力等参数的值域区间，调试程序使系统模拟计算结果收敛。
　　2)向系统模型输入实际的冷负荷、冷水流量等逐时值，模拟计算出建筑设备系统的总能耗、总制冷量、总制热量、全年COP等输出参数。
　　3)对系统模型的输出参数与实际运行的输出参数进行比较分析。图3为图1所示区域集中供冷供热站能耗实测值与模拟值的对比。
　　4)修正部件和系统模型，使模型输出数据与实测数据之间的误差小于工程允许误差。图4显示了对蓄热空调系统模型进行修正前后实测值与模拟值的吻合程度。
　　3 目标函数下的最优化运行数值
　　分析有了整个系统的模拟分析模型，就可调整各运行参数组成不同的运行方案进行工程模拟计算比较，实现一定目标下的最优化运行参数的组合。目标函数在计算前选定，可以以整个系统的总能耗最小为目标，也可以以整个系统的总O[)P最大为目标，还可以以整个系统运行最经济为目标，等等。
　　对空调冷源子系统建立了包括制冷机、水泵、冷却塔等主要设备的模拟系统后[19I，就可以确定以全年能耗最小为目标的最优的冷却水流量和冷却塔风量。图5显示了模拟计算得到的能耗随冷却水流量及冷却塔风机风量的变化，从图中可以看出存在一个最优化运行方案。对利用建筑桩基的土壤蓄热空调系统建模为系统最优化运行能耗与基准能耗的比值；E为土壤蓄冷系统总能耗，J；Qsa，，为土壤蓄冷系统的基准供冷量，J；啦为常规区域供冷系统的供冷效率；E。为蓄冷能耗，J；民为取冷能耗，J；Q甜为土壤蓄冷系统的实际供冷量，J。
　　最优化运行的模拟计算结果表明，当冷却水流量由50 m3／h下降到20 m3／h时，冷却塔风机转速降低50％，制冷机的冷却水出口温度从23℃升高到26℃，吼降至0．61，系统全年模拟COP值由两年前的2．58升高到7．71，而实际运行时的GOP由3．61升为7．15。
　　4最优化运行技术的工程嵌入
　　最优化运行技术的工程嵌入形式可以是多种多样的，例如，可以作为性能检证过程(commissioning)中的一个环节，或是作为工程方案的论证手段，或是作为运行管理软件的组成部分，或是作为楼字自动化系统的部分控制模块等等。每一种形式需要解决的技术问题是各不相同的，但有一点是共同的，就是必须针对某一项具体的建筑工程。在建筑设备系统设计、施工、试运转调节、实际运行等各阶段，辅之以完整而严谨的性能检证过程，是保证能源利用效率的有效措施。而性能再检证(re-commissioning)是对建筑物再次作健康检查，检查与鉴定建筑设备系统运转状况、室内空气质量、能源使用效率等等，并针对查出的问题提出改善措施，使运行更加合理。在建筑设备系统方案设计、工程施工过程中，人们可以用既有的模拟软件进行性能检证。
　　但是在随后的试运转调节、实际运行阶段则必须根据工程的具体设备和运行时的气候条件来检证，才能正确反映建筑设备系统的实际能耗状态。另一方面，建筑设备系统的运行是长期的，气候条件是动态变化的，只有在建筑物的整个寿命周期内建筑设备的运行都处在最优化状态下才是人们所期待的。显然，在工程中嵌入建筑设备系统最优化运行技术可以使性能检证工作实时且有效地执行，嵌入了建筑设备系统最优化运行技术的建筑物才称得上是环境性能优秀的建筑物。
　　建筑设备系统最优化运行技术的工程嵌入不，。、仅仅是为了性能检证，更为重要的是为智能建筑物提供最佳的系统运行方案，并在此技术的基础上开发楼宇自动化系统的自学习功能。例如，蓄能空调最优化运行过程的模拟计算有助于确定使系统总COP最大的运行参数c23-24]。具体过程是，先由气象预报参数和往年空调负荷值计算第二天需要的冷量或热量，据此确定蓄能槽介质的初、终工作温度和总蓄能量，然后进行最优化运行模拟计算，得到夜间制冷机运行时间和制冷机的设定出水温度。
　　有了建筑设备系统最优化运行技术，就有了对各种多参数配置的优化运行方案进行工程模拟的可能。实际运行数据与最优化方案的比较结果可作为评价建筑设备系统节能程度的依据。同时，最优化运行方案的数据可以用来验证设计过程中的某些环节，为以后类似工程的设计积累经验∞6‘2引。对于重大的工程改造项目，还可在最优化运行方案中提炼出最优化运行的设备技术参数，从而有可能根据工程项目的特殊性量体裁衣地定制建筑设备。
　　5结语
　　建筑设备系统最优化运行技术是一项节能环保技术，正在工程应用中不断发展完善，是建设环?境性能优良建筑物的有效工具。该项技术的主要。内容包括数据采集、系统建模、最优化分析和工程嵌入四个方面。数据采集将会随着技术的进步越来越准确和方便；系统建模是这项技术的关键和重点；最优化分析的目标会在节能环保的基础上有所LUJ变化；工程嵌入则是该项技术在现代建筑物和市政工程中的应用和发展。