基于智能模糊控制技术在展馆建筑中空调系统的节能应用
来源:用户上传
作者: 李岩松 马少华
摘要：随着展馆经济被各级地方政府的重视，国内各大城市相继掀起建设大型展馆的热潮。由于展馆建筑结构的特殊性，空调系统的能耗占展馆建筑总能耗比重为最大，所以如何降低展馆空调能耗已成为运营单位的工作重点。从管理节能的角度出发，通过先进的控制技术来达到空调系统的节能效果以成为最有效的节能办法。本文通过研究智能模糊控制系统对展馆空调系统的应用来达到节能的目的。
关键词：展览馆、空调系统、模糊控制、变频调速
沈阳展览中心位于沈阳市苏家屯区，是为适应沈阳市的经济发展，专为承办各类大型、专业的展会而建设的大型公共建筑。展览中心整个建筑由展览部分和行政办公部分组成。其中，展览部分由8榀独立布置、开间跨度70米、最大进深180米、高28米的单厅展厅及连接各展厅的中央综合服务区组成，建筑面积为14.3万平方米；行政服务部分由两栋高68.4米的十四层管理楼及二层裙房组成；建筑面积为2.48万平方米。该项目建成后将推动沈阳市会展经济的发展，为各类会展提供专业的场所。在项目的建设初期，就已经把沈阳展览中心定位为节能环保的智能建筑，以适应当今低碳生活的发展趋势。在十二五规划发展的纲要中，也进一步提出全社会应继续加大节能减排力度工作的力度；作为沈阳新的地标性建筑，其节能减排的标杆作用尤为突出。根据展览中心设计中用电设备的能耗量依据来看，其空调系统的能耗将占整个建筑能耗的70%，如何通过新型稳定的节能控制来大大降低展览中心的能耗量，已成为展馆运营工作者的工作重点。节能的根本出路是技术进步，可以利用展览中心应用的系统集成技术和变频调速技术，加入成熟的优化算法对空调系统进行智能模糊控制，来达到高效节能的低碳减排目标。
展馆空调系统是时滞、时变、非线性、多参量且参量之间耦合很强的复杂系统，这些特性都难以利用精确数学模型建模的传统控制来控制。所以该空调系统的控制需要当代多种先进技术和多种科学方法加以综合，利用模糊控制对非线性控制、动态控制、经验知识的推理和决策等特性进行智能控制。在控制过程中，以模糊语言描述人类知识，并把它表示成模糊规则或关系，通过推理、利用知识库，把系统知识与过程状态结合起来，以实现空调系统各受控参量的优化控制，达到最大节能减排效果。
1.被控对象的分析
沈阳展览中心的建筑特点为大跨度，大空间，层高高；为保证展馆内人员的舒适，展馆的温湿度必须在给定的范围，这给展馆运行管理者提出了很高的要求。
温湿度的调节的主要手段是控制风量、水量、制冷量等。由空调系统原理可知，常规的空调控制仅以控制开关量运行方式实现空气调节系统的恒温控制。这种方式一方面忽视了管内人员舒适感的多因数性；另一方面由与机械设备的频繁启动和停止，造成了设备的冲击和不必要的能耗。而且采用人工控制存在工作人员技术素质等内在因素等，往往也会造成不必要的能耗。从诸多因素和经验总结出，展馆内空调系统采用模糊智能控制技术对空气调节的准确度及其节能性具有更高的品质。
2.智能模糊控制基本原理
模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的计算机数字控制。其工作原理步骤为：
（1）根据本次采样得到的系统输出值，计算所选择的系统的输入变量。
（2）将输入变量精确值变为模糊量。
（3）根据输入变量及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算模糊量。
（4）由上述得到的控制量（模糊量）计算精确的控制量。
3.模糊控制方案设计
由于展览中心每个展厅的面积达1.2万平方米，这种大空间展馆的空气调节受外界气象条件的影响比较明显，因此采用分层控制的方式，分别模仿人类思考方式在不同的控制模式间切换，以达到最优控制的节能效果。具体的控制对象可采用智能模糊控制方式。
随着室外气温的变化和室内场景的变化，展馆内的空气调节可分为三种工作模式：（1）需要冷源的工况，（2）需要热源的工况，（3）不需要冷热源的工况，只需要改变换气量、空调水系统的流量等即可调节室内温度。显然第（3）种工况最为节省能源。由检测到的室外空气的焓值I外作为控制依据来选择不同的控制模式。
由于空调系统特性为强耦合的多变量系统，该系统的可控对象主要为风系统流量和水系统流量，针对第（1）种工况，对系统采用模糊控制器进行仿真控制，系统结构图为
图中FC11、FC12、FC21、FC22为模糊控制器，仿真时取1=3=0，2=4=1， T1=1, T2=3, T3=2.5, T4=4(单位为min), K1=K4=1, K2=K3=0.1。结果表明，只要参数K11、K12 、K21 、K22的合理选择就可以得到很好的控制效果，这4个参数的不同取值相当于对模糊控制表的在线修正。将多变量模糊控制器简化为单变量的模糊控制器，进一步简化控制算法，对变量间的耦合进行修正补偿。
现以第（1）种工况为例，这里需要调节冷却水阀门开度uw、空调器风机转速uf、新风窗开度ud对室内温度T、湿度的控制。经运营实践及原理分析，室内温度主要受uw控制，室内湿度主要受uf控制，uf对T、uw对、ud对T和的影响分别引用修正系数Kft、Kw、Kdt、Kd。这些参数的设定可依据运行调试中确定。最后得到模糊控制器，风机数度f、冷却水阀门开度w由下式表示：
f=K11Uf+Kw+Kd
w=K22Uw+Kft+Kdt
实际运行中，当温度超上界时采用满负荷控制，即f=Ufmax, w=Uwmax。因工程建设中设备安装变频器进行调速，所以f以频率表示，w以百分数表示。现举例Uf的模糊控制表，见表一。值期望范围为55%~70%。给定值为60%。
4、运行结果
该系统是较为成熟先进的控制系统，能够为展览中心空调系统提供良好的控制及节能效果。通过计算机模拟室外温湿度与室内温湿度进行比较，设备运营后设备通过模糊系统控制，尽管室外温度一天内变化明显，由于实施了先进节能的控制效果，室内的温度基本为恒定，并能够减少主机能耗20%，减少水泵、风机能耗60%～80%。
结束语
本文针对Fuzzy控制及被控对象的特点，设计了分层控制方案。在方案具体设计实施时，采用了单变量Fuzzy控制，变量间的耦合、Fuzzy控制表的修正等利用修正系数加以修正，使之适合展览中心实际情况。实现空调冷媒流量（冷冻水、冷却水）跟随负荷的变化而变流量、变风量运行，对主机运行效率进行优化，确保主机在任何负荷条件下，都保持较高的热转换效率（COP）,解决了变负荷工况下主机效率下降的难题。依据以往实践，该系统的成功运行将为展览中心带来令人满意的控制节能效果。今后通过进一步研究、仿真实验等，通过改进模糊预测和优化算法等，将该控制系统提升为针对展馆空调系统利用遗传算法优化的模糊神经网络控制系统。
参考文献：
1、李士勇．模糊控制、神经网络控制和智能控制论[M]．哈尔滨工业大学出版社,1998．
2、诸静. 模糊控制理论与系统原理[M].北京:机械工业出版社,2005.
3、曹柏荣、谢东晓, 二氧化碳浓度的测量与控制, 仪表技术2006年第1期.
4、刘惠贞、赵汉斌,同时测量大气中二氧化碳和水汽浓度的红外气体分析仪[J], 中国仪器仪表2003.11
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-424179.htm
