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智能建筑中的热源自适应节能控制探讨

出处:论文网
时间:2017-09-10

智能建筑中的热源自适应节能控制探讨

  中图分类号:TU855 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2016)03(b)-0092-03

  建筑产业不断发展的过程中,智能建筑和绿色建筑的理念逐渐被人们接受和认可,智能建筑业也成为当今建筑发展的最终产物。智能建筑概念最早由美国人提出,1984年1月,美国联合科技集团的UTBS公司在康涅狄格州哈伏特市建成了世界上第一座智能大厦,在这座建筑中,客户不必自己添置设备,便可获得语言通讯、文字处理、电子邮件、科学计算和情报资料检索等服务。此外,大厦实现了自动化综合管理,楼内的空调、供水、防火、防盗供配电系统等均由电脑控制,使客户真正感到舒适、方便和安全。由于智能建筑本身集计算机技术、自动控制技术和通信技术等为一体,在现阶段的发展速度较快,同时经济建设的进步也为智能建筑的发展提供了保障。进入新世纪以后,需要对国家多年发展智能建筑的经验进行总结,在面对公共建筑和住宅建筑的过程中时刻保持科学的态度,不断加快智能化建设,提高与智能建筑技术相关设备的稳定性和可靠性,保证正常使用,实现节能能耗、保护环境的目的。针对住宅建筑而言,需要在建设过程中充分考虑居民的居住要求,从实际出发,为未来建筑功能的拓展保留充足的余地,在经验总结和技术完善的过程中促进智能建筑的发展和进步。

  1 热源节能在智能建筑中的重要作用

  经济建设不断发展的过程中,城市居民在建筑类资产方面的投资不断增多,很大程度上提高了建筑产品的需求量,但是在目前能源危机问题日益突出的同时,国内在建筑行业中的热能利用率较低,主要原因是建筑热能利用方面报文隔热措施和气密性措施不到位。热能利用率较低的问题也加快了空气中二氧化碳的排放量,温室效应加重,气温升高,冰川消失,土地的沙化问题逐渐加重,缓解建筑中热源能耗问题迫在眉睫,为了解决这一问题重点从以下几个方面入手。

  (1)降低建筑内部的能耗;(2)开发天阳能等可再生能源;(3)在充分利用能源的过程中保证建筑本身的功能优势得到发挥,以满足人们的日常能源需求。

  建筑行业中能源问题涉及的领域较多,智能建筑更是多种专业化技术完美结合的实例。针对建筑采暖热源控制问题,需要在保证健康、安全和舒适的前提下,对热源系统的启动和关闭进行严格地控制,最终实现能源节约的目的。从19世纪中叶开始,自适应控制系统被应用于建筑领域中,近年来各种与自适应控制系统相关的软件也获得了应用,很大程度上加快了智能建筑中热源节能技术的发展。

  2 智能建筑中集中供热自动控制方法

  集中供热自动控制的过程中需要明确整个采暖系统的热负荷,热负荷计算时需要先弄清建筑物的总体耗热量,热量的计算必须以稳定传热为基础。因此,集中供热自动控制需要重视建筑物外墙和屋面等外围结构的特性,任何点位的温度和外围结构内外空气温度保持恒定,室内外空气温度昼夜变化较大,因此需要结合这些气温变化特点对室内采暖系统进行设计和控制,调节采暖房间内散热器的散热量,保持室内有舒适的温度,降低室内热量较高带来的热量浪费问题,提高热能的利用效率。

  在集中供热系统中,可以应用改变温度的方法实现对供热量的调节,这种方法也被称为质调。应用改变热水流量的方法实现对供热量的调节,这种方法也被称为量调。通过对放热时间的调节实现对热量的控制,这种方法也被成为间歇调节。这3种方法在集中采暖系统热量控制过程中较为常见。

  由于实施控制的位置存在差异,一般将供热量的控制方法分为个别调节、局部调节和中央集中调节3种。其中个别调节是指在用热设备和机组设备上直接进行热量调节,局部调节在供暖系统管道中或者某一区域内进行调节,中央集中调节是在在援用的热源上实现对热量的控制。

  中央集中式调节过程中需要重点考虑不同热工况的影响因素,可以在明确室外温度的基础上掌握热量的供应和需求信息,初步实现调节。局部调节过程中需要重点考虑不同区域的供热特性,实现对中央集中调节的补充。单个别调节需要结合热设备使用对象提出的具体要求进行后续的补充调节[1]。间歇供热调节方法一般应用于室外气温较高的环境中,也可以实现对中央集中式调节的补充。

  调节方式在选用的过程中需要重点考虑建筑物本身的结构和功能,明确建筑物对采暖工程提出的主要卫生要求,发挥出采暖系统的经济性,考虑热媒对不同控制过程的影响。

  3 智能建筑中热源自适应节能控制

  3.1 温度分布控制

  很多集中建筑物的供热系统中存在一个重要的问题,即建筑物内部的温度分布并不十分均匀,不同位置热量获取和传输过程中很容易受到外界环境条件的影响,导致整个建筑物内部热量存在较大偏差。为了提高建筑物内部舒适性,避免寒冷地区建筑内部出现严重过热的问题,可以在实际建筑结构内部应用三通阀代替传统的分布阀,实现对不同开关控制的操作。三通阀的应用可以将建筑物内部的供热系统分割成不同的可以独立运行的热区域,但是应用三通阀的缺点是只能进行局部调节,很难实现不同区域内热量的协调,也无法准确控制热源的供给,最终出现能源浪费问题。

  3.2 自动控制策略

  集中供热系统控制过程选用质调、量调和间歇性调节3种自动控制方法。质调过程中需要对供水温度进行精确的控制,从事实现对供热量的口供纸;量调过程中调节水流量实现热量控制;间歇性调节过程中需要实现对放热时间的控制,改变热量的大小。其中,间歇性调节在智能建筑热能控制过程中应用较为广泛,现以间歇性调节的应用为例进行分析。图1是热源系统间歇性调节的操作方式。   这种热源系统间歇性调节的操作方法建立在对供热系统全面分析的基础上,在实际操作的过程中需要明确热源的启动和关闭,以最大限度地降低能量消耗,针对建筑物内部而言,需要将温度控制在期望温度范围值内[2]。智能建筑应用过程中会表现出明显的动态特性,动态特性的体现主要与建筑物的整体结构外部环境因素相关,由于外部环境中存在多种不确定因素,对建筑物动态特性的分析将十分困难。正是由于建筑中多种不确定因素的存在,为自适应控制技术的选择提供了可靠的依据。针对建筑物中供热系统和外部环境而言,它们对温度的影响都将表现出缓慢的滞后特点。作为一种新的现代化控制系统,自适应控制方法可以结合实际控制对象相关的环境特点和多种影响因素,可以方便实现对控制系统辨识能力的优化,降低外界因素对系统控制的影响,实现自校正,可以被广泛应用于模型分析和干扰变化缓慢愈合的情景中。

  在以上理论分析的基础上,可以应用自校正调节控制的方法,在系统中引入温度预测模型,可以借助最小方差的递推算法实现对温度参数的有效辨识,在热源控制过程中采暖过程中不需要事先知道物理参数,这一技术优势使得该调解控制方法被广泛应用于集中供热系统中。

  3.3 智能建筑中热源自适应节能控制模型

  结合热力学第一定律可以知道,不同形式的能量在传递或者转换的过程中守恒,基本公式为△U=Q+W,其中△U表示内能的增量;Q表示系统与环境交换热,吸热为正,放热为负;W表示热能对外做的功。热量具有可传递的特征,该定律说明热量从一个物体(系统)传递到另一个物体(系统)时,能量的总值保持不变,热力可以转变为功,功也可以转变为热,热能消失时,也必定会产生相应的功。

  理论分析与实际温度测量系统表现出较高的一致性,研究过程中也很容易明确整个热力系统的结构和动态变化规律,可以将所有的热传导现象看作是线性的,循环水系统中存在一部分热量,这部分热量可以被忽略,与建筑外墙的储热量相比,建筑内墙和分隔楼板的储热量较高。

  由于热源系统和建筑物本身都存在一定的热惯性,因此在建筑产品使用之前需要留有一定的预热时间,控制过程中最好在预热时间内启动热源系统,建筑产品使用的过程中可以实现对内部温度的控制,保证居住者的体感达到较为舒适的水平。针对预热时间而言,需要重点考虑3个因素:(1)建筑物本身的热特性;(2)建筑物内不得蓄热特性;(3)热源系统的实际工作状态。所有的起始控制器工作过程中都需要明确预热时间,如果预热时间估计过高,将会造成较多的热量浪费;预热时间估计过低将对导致在应用的初期就觉得舒适感降低。

  建筑物热源系统控制过程中需要重点明确热源自适应系统的时间,明确其中重要的热惯性特点,建筑物内部的房间需要有一个启动热源系统,在使用之前给定精确的预热时间,在这个时间段内开启热源系统,保证居民在使用房间时体会到内部温度带来的舒适感[3]。一般情况下,预热系统的时间控制需要重点考虑3个方面的影响因素:第一是建筑物本身的特点,而预热特性的分析需要建筑里建筑物本身的特性上;第二是建筑物本身的蓄热量,建筑物内部的蓄热量与建筑物本身的结构特性有较大的关联,为了避免温度过高或过低,需要重点体现出建筑物的储热稳定性能;第三需要及时汇报热源系统的基本概况,为热源系统的稳定运行提供可靠的基础,便于发现问题后及时解决,保证热源系统的正常运行。图2是区域内热源微机监控和系统控制的基本原理。

  该控制过程中选用两级计算机控制方法,第一级为对设定值的控制和监督,在这个过程中实现信号的收集和命令发出,之后借助系统数学模型的计算和处理得出最可靠的值。自适应控制器可以实现模型给定值和测量值之间的比较,同时实现对数字化参数的控制和计算,参数经过数模转换后送入到执行机构完成调节。应用这种自适应可供至系统结合实际情况对调节功能进行优化,机器中赋值后提高控制过程的安全性地及时性,机器出现使用故障的概率较低,系统功能实现的过程中可以借助多个控制器,整个系统的节能控制也就实现了。

  4 结语

  智能建筑是现代建筑发展的最终产物,在目前能源短缺的大北京辖区,智能建筑中的节能控制方案成为业界研究的热点。传统建筑中突显出能源浪费问题,建筑行业对能源的综合利用效率提出了更高的要求。文章以智能建筑为例,在论述热源节能重要意义的基础上,分析了集中供热自动控制系统,探讨了建筑中热源自适应节能控制的方法,可以为建筑行业能源的有效利用提供借鉴。

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