Development of Integrated Building Control Systems for Energy and Comfort Management in Intelligent Buildings
Chapter 6 Development of an Optimal Control Strategy for HVAC System in Building Energy Management
Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) system provides a relatively constant and comfortable temperature as well as fresh and filtered air with a comfortable humidity range to the buildings. Generally, HVAC system consumes more than 40% of the total electrical power for buildings. It is one of the most important subsystems in building automation that affects occupants，thermal and air quality comfort. Therefore, effective energy management of the HVAC system is important in building energy management system. This Chapter proposes an optimal control strategy for a typical HVAC system in building energy management. Without sacrifice of thermal comfort, to reset the suitable operating parameters can also achieve energy saving purpose [46].
- Introduction
In HVAC system, the heating, ventilating and air-conditioning units are coordinated to provide a comfortable thermal environment and high indoor air quality to inhabitants. The HVAC units should be carefully chosen and designed based on different building characteristics and varying climatic conditions for meeting the need of the building without abusing installations.
The operation of an HVAC system has impacts on two kinds of comfort: the thermal comfort and the indoor air quality comfort [47]. The indoor air temperature usually serves as an index to indicate the thermal comfort. In cold weather, comfortable indoor temperatures can only be maintained by the heating system which provides heat to the space at the same rate as the space is losing heat. Similarly, in hot weather, heat should be removed from the space at the same rate that the space is gaining heat. Therefore, in order to maintain a stable thermal environment, heat balance that determines the indoor temperature needs to be properly controlled by the heating and cooling system.
The indoor air quality comfort can be indicated by the carbon dioxide (CO2) concentration inside the building space. Carbon dioxide comes from inhabitants and other pollutant sources in the building. For efficient control of the indoor air quality, demand- controlled ventilation systems are usually deployed to reduce energy consumption and improve the indoor air quality. A demand-controlled ventilation system determines the amount of outside air that should be brought into the building according to actual occupantsrsquo; need. It adjusts the amount of outside air taken into the building based on the number of the occupants as well as the ventilation demands from the occupants [48]. Since the HVAC system already contains ventilation hardware, the demand-controlled ventilation system typically involves a modification incorporating extra components into the existing HVAC system design.
There are usually two major control objectives in designing control systems for HVAC: saving energy usage and maintaining indoor thermal comfort and air quality comfort. In this paper, a hierarchical control system is developed to control the operation of HVAC system. An intelligent optimizer is embedded to coordinate each HVAC unit for achieving high energy efficiency. The proposed optimizer utilizes swarm intelligence to find the optimal solution that fulfills the control objectives. In order to determine the suitable control variables of the optimizer and find their impact on occupant#39;s comfort and energy consumption, the thermal and ventilation model of building environment as well as the energy model of HVAC system are studied in section II. The proposed control system and its detailed design is illustrated in section III. Section IV gives a case study to demonstrate the performance of the proposed strategies. Section V wraps up the whole paper.
- HVAC System Modeling
In this section, the HVAC system model as well as the building model for heat exchange and CO2 concentration ventilation will be discussed. Figure 6-1 demonstrates the system model for a typical HVAC system with the air circulation procedure. The supply air, which is heated or cooled by the reheat coil or cooling coil, leaves the air handler through the supply air fan, down to the ductwork and into the building space. The supply air can warm up or cool down the building space. In order to maintain a constant indoor air pressure, the supply air mass flow rate is usually equal to the air flow rates leaving the space through the return fan. One portion of the return air mixes with outside fresh air in a mix chamber and returns to the air handler through the filters. In the air handler unit, the supplied air will be warmed up or cooled down by passing through the heating/cooling coils with the operation of the heating/cooling system. The damper in the air handler is throttled to regulate the air flow. Coordinated with the damper, the speed of the supply fan is altered to maintain the constant duct static pressure that can be sensed
by a pressure sensor. The humidifier can be water spray or steam, and it is utilized to add
Figure 6-1: A typical HVAC system model.
- Thermal and Ventilation Models for Building Environment
humidity to air that is too dry.
The thermal and ventilation models are developed to study the impact of HVAC system operations on the indoor temperature variation and indoor CO2 concentration variation.
- Heat Balance Model
In this model, the building is considered as a single thermal zone, and the heat balance should be maintained in order to achieve a constant comfortable temperature. If the building is gaining or losing energy, the indoor temperature will cha
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智能建筑能源与舒适管理综合楼宇控制系统的研制
第6章 建筑能效管理加热，通风和空调系统最优化控制策略研究
加热，通风和空调系统（HVAC）提供了一个相对恒定和舒适的温度以及新鲜的、过滤过的空气，并为建筑物提供舒适的湿度范围。通常，HVAC系统消耗建筑物总电力的40％以上。 它是建筑自动化中最重要的子系统之一，它影响着居住者，热以及空气质量的舒适度。因此，HVAC系统的有效能源管理对于建立能源管理系统非常重要。 本章提出了建筑能源管理中典型HVAC系统的最优控制策略。 在不牺牲热舒适性的情况下，重新设定合适的运行参数也可以达到节能的目的
6.1简介
在HVAC系统中，暖通空调机组协调配合，为居民提供舒适的热环境和高质量的室内空气质量。 暖通空调设备应根据不同的建筑特点和不同的气候条件进行仔细的选择和设计，以满足建筑物的需要而不会滥用设施。HVAC系统的运行对两种舒适度有影响：热舒适度和室内空气质量舒适度[47]。 室内空气温度通常作为指示热舒适度的指标。 在寒冷的天气里，舒适的室内温度只能通过加热系统来维持，该系统以与空间失热相同的速率向空间提供热量。 同样，在炎热的天气里，热量应该以相同的速度从空间中移走，而空间的速度也是相同的。 因此，为了保持稳定的热环境，需要通过加热和冷却系统适当地控制决定室内温度的热平衡。室内空气质量舒适度可以通过建筑物空间内的二氧化碳（CO2）浓度来表示。 二氧化碳来自建筑物中的居民和其他污染源。 为了有效控制室内空气质量，有需求控制的通风系统通常用于减少能源消耗和改善室内空气质量。需求控制的通风系统根据实际占用者的需求来确定应该带入建筑物的外部空气量。 它根据乘员人数以及乘员的通风需求调整进入建筑物的外部空气量[48]。 由于HVAC系统已经包含通风硬件，所以需求控制通风系统通常涉及将额外部件结合到现有HVAC系统设计中的修改。需求控制的通风系统会根据实际占用者的需求来确定应该带入建筑物的外部空气量。 它根据乘员人数以及乘员的通风需求调整进入建筑物的外部空气量[48]。 由于HVAC系统已经包含通风硬件，所以需求控制通风系统通常涉及将额外部件结合到现有HVAC系统设计中的修改。HVAC设计控制系统通常有两大控制目标：节约能源使用量并保持室内热舒适度和空气质量舒适度。 在本文中，开发了一个分级控制系统来控制HVAC系统的运行。 可以嵌入智能优化器以协调每个HVAC单元以实现高能效。 有人提出的优化器会利用群智能来找到满足控制目标的最佳解决方案。 而为了确定优化器的合适控制变量，并找出它们对乘员舒适性和能耗的影响，我们第二节研究了建筑环境的热通风模型以及HVAC系统的能量模型。 第三节阐述了拟议的控制系统及其详细设计。 第四节给出了一个案例研究来证明所提出的策略的性能。 第五节包括整个论文。
6.2暖通空调系统建模
在本节中，将讨论HVAC系统模型以及热交换和CO2浓度通风的建筑模型。 图6-1演示了具有空气循环过程的典型HVAC系统的系统模型。可以看出 由再热盘管或冷却盘管加热或冷却的供气通过供气扇离开空气处理器，会直至管道系统并进入建筑物空间。 供应空气可以预热或冷却建筑物空间。 为了保持恒定的室内空气压力，供应空气质量流量通常等于通过回风扇离开空间的空气流量。 一部分返回空气与混合室内的外部新鲜空气混合并通过过滤器返回空气处理器。在空气处理机组中，随着加热/冷却系统的运行，供应的空气将通过加热/冷却盘管而被加热或冷却。 空气处理器中的阻尼器被节流以调节气流。 与风门协调一致，供风扇的速度发生变化，以保持压力传感器可检测到的恒定风道静压。加湿器可以是喷水或蒸汽，它可以用来为太干燥的空气增加湿度。
图6-1： 典型的HVAC系统模型
6.2.1建筑环境的热量和通风模型
开发热量和通风模型是为了研究HVAC系统运行对室内温度变化和室内CO2浓度变化的影响。
6.2.1.1热平衡模型
在这个模型中，建筑物被认为是一个单独的热区，并且应该保持热平衡以实现恒定的舒适温度。 如果建筑物增减能量，室内温度将相应改变。
基于建筑物空气的热平衡，室内温度的变化可以表述如下：
(6.1)
其中m是建筑面积的空气质量（kg）, Cp是空气的比热容量（J / kgbull;0C）。 T是室内温度（0C）; Qinternal是内部负载; Q对流是来自墙壁和天花板表面的对流传热; Qinfiltration是由于外部空气的渗透导致的传热; Qsystem是来自HVAC系统的热传递。
内部负载是由人员和设备产生的热负载，这与房间内居住者的数量有关
(6.2)
其中N是建筑物内居住者的人数; alpha;和beta;是与建筑物内部负荷产生率有关的系数。从区域表面Qconvectionl来的对流传热可以如（6.3）中所述制定。
（6.3）
其中h是墙壁和天花板的内部对流系数（W / mbull;°C）; A是传热表面的面积（m）; Ts是表面温度（℃）。
(6 .4)
minf是渗透空气的质量流量（kg / s）。 Tout是室外新鲜空气的温度（℃）。 (6.5)
其中msupply是供气的质量流量（kg / s）; Tsupply是供气温度（℃）。
通过将（6.2） - （6.5）代入（6.1）中的变量，室内温度方程可以改写如下： (6.6)
通过观察（6.6）可以看出，室内温度可以通过供气的质量流率和温度来控制。
6.2.1.2 通风模型
对于通风良好的空间，室内二氧化碳浓度可以从以下公式推导出来（6.7）
其中V是通风空间的体积（m3）; A是通风空间中的CO2浓度; L是人均CO2浓度产生率; Gsupply是供气的体积流量（m / s），公式如下:
(6.8)
其中是空气密度。Asupply是通风空间供气中的CO2浓度，它表示由旁路空气和进气混合的混合空气Amix的CO2浓度。计算如下：
（6.9）
假设Tmix是来自混合室的混合空气的温度，它可以表示如下：（6.10）
结合（6.10）至（6.9），Asupply可以用混合空气温度Tmix表示如下：(6.11）
在很短的时间内，我们可以假设N，Asupply和A是常数，并且（6.7）可以如下求解(6.12)
其中A（0）是时间t = 0时的室内CO2浓度; I = Gsupply / V是空间空气变化率。
通过观察（6.11）和（6.12），可以得出室内CO2浓度可由供气质量流量，供气温度和混合空气温度控制的结论。
6.2.2 HVAC装置的能源模型
为了整个系统的能量模拟，将预先建立主要设备或组件的能量模型。 在HVAC系统中，主要的能耗部件是变速风扇和加热和冷却系统。 这些组件的能量模型在本节中构建。
6.2.2.1风扇的能量模型
变速风机的功率消耗由气流的质量流量决定。 对于变速风扇，功率表示如下(6.13)
其中“air”是空气的比重(N/ m3); XG为风量G与额定风量G0之比（m3 / s），XG = G / G0; H0为风扇额定风量（m）; trans是透射率的效率。 电动机motor（XG）的效率和变频驱动器的效率vfd XG）都随转速的变化而变化。 它们可以模拟如下：
其中bo，bj，b2，b3，cg，cj，c2和c3是实验因素。
6.2.2.2加热系统和冷却系统的能量模型
加热系统的能量功率如下：(6.16)
其中msupply是供气的质量流量; heat是加热系统的效率。
冷却系统的能量功率如下: (6.17)
其中, cool是冷却系统的效率。
HVAC系统中的总消耗能量是包括加热系统，冷却系统以及变风量风扇在内的每个组件消耗的能源总和。 对于这个典型的HVAC系统，如图6-1所示，总能耗如下：E Efan Eheat Ecool (6.18)
其中Efan是供应风扇Efanlarr;supply和 Efan— return返回的功耗总和。
可以看出，加热和冷却系统的能耗与供气质量流量，供气温度和混合空气的温度有关
6.3 HVAC控制系统设计
在设计用于能源和舒适管理的HVAC控制系统时，采用了分层结构，如图6-2所示。 这个控制系统可以嵌入到所提出的多代理系统中。 该系统中有两层控制器。 第一个是主控制器，其确定次级控制器的室内环境参数的设定点或舒适范围。 辅助控制器通过对HVAC系统中的执行器进行控制来将室内环境维持在设定点。 优化器嵌入在次级控制器中，以最小化建筑操作中的HVAC系统的能量消耗。
图6-2：HVAC系统的控制系统结构
6.3.1主控制器
主控制器确定两个室内环境参数的设定点：室内温度和CO2浓度。 对于室内温度的设定值，可以定义最佳温度Tset和允许范围，这意味着居住者舒适的温度范围是[Tset —/2,Tset /2]。
对于室内CO2浓度的设定点，可以定义室内CO2浓度的最大限制Amax。 由于设定点的确定在建筑物自动化系统中起着至关重要的作用，因此可以使用多种场景来确定环境参数的设定点。
用户确定的情景：对于某些类型的建筑，如住宅，居住者通常需要优先处理环境。 在这样的建筑物中，用户可以在设定点上确定他们自己的偏好。 设定值可能因用户不同或室外环境而异。
预定义情景：对于办公室或购物中心等其他建筑类型，设定点需要预先定义，并且可以采用某些标准。 例如，根据ASHRAE标准62.1，室内二氧化碳浓度的最大限值为1050ppm。 温度的设定值通常与室外温度有关。 冬季的温度设定值通常低于夏季的温度设定值。 ASHRAE 55-1992建议了整体热舒适度的温度范围，如表6.1所示:
表6.1：建议的温度范围。
|
季节 |
服装 |
最佳温度 |
舒适范围 |
|
冬季 |
重型休闲裤，长袖衬衫和毛衣 |
22 0C |
20-23.5 0C |
|
夏季 |
浅色休闲裤，短袖衬衫 |
24.5 0C |
23-260C |
6.3.2 次要控制器
对于二级控制器，主要目标是将室内温度和室内二氧化碳浓度保持在指定的舒适范围内。 另外，二次控制器中嵌入了优化器，其中开发了有效的控制策略来管理室内环境以实现高能效。
6.3.2.1问题的表述
根据第二节的讨论，有三个确定性参数影响HVAC系统的功能和能耗，即供气的质量流量msupply，供气温度Tsupply和混合空气的温度TMIX。 供气温度和流量可以通过加热/冷却系统和可变风量调节。 混合空气温度主要由连接到混合室的阻尼器来调节。 选择这三个变量作为HVAC系统的控制变量。
设计暖通空调控制器有两个目标：最小化能耗并保持舒适的室内热和空气质量环境。 这个问题可以表述如下：
最小化：E = E(msupply，Tsupply ,Tmix)
受到两个限制：，（6.20）
A le;Amax （6.21）
对于（6.19），总能耗是（6.18）所示各单元能耗的总和，它是三个控制变量的函数。
对于（6.20），室内温度应尽可能接近温度设定值，这意味着室内温度T与目标温度Tset之间的差值应小于允许值。 室内温度T可由式（6.6）计算，它是供应空气的质量流量和温度的函数，如T = T（msupply，Tsupply）。
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