樓宇冷凍站節(jié)能控制裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種樓宇冷卻站節(jié)能控制裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著中國(guó)城市建筑智能化、舒適化、便捷化的發(fā)展，建筑設(shè)備能耗問(wèn)題也逐漸突 出。研究表明，在建筑設(shè)備能耗占比上，空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)占總能耗的2/3以 上；而冷凍站系統(tǒng)是其中能耗最為顯著的部分，也是最為復(fù)雜的部分，如何實(shí)現(xiàn)高效，節(jié)能， 穩(wěn)定的冷凍站系統(tǒng)控制系統(tǒng)，是每個(gè)項(xiàng)目必須考慮的重點(diǎn)。
[0003] 然而目前國(guó)內(nèi)冷凍站系統(tǒng)的運(yùn)行效率普遍偏低，冷凍站系統(tǒng)的高能耗、低效率使 客戶的運(yùn)營(yíng)成本顯著增加。分析原因，主要有以下幾個(gè)方面：
[0004] 1)控制目標(biāo)
[0005] 在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中，控制系統(tǒng)的主要作用是按照工藝要求，將工藝參數(shù)嚴(yán)格控 制在規(guī)定的范圍內(nèi)，與節(jié)能相比，控制精度是更為重要的指標(biāo)。在建筑中，建筑環(huán)境的舒適 度是由人體的感受決定的，而人體的感受是一個(gè)范圍，為了穩(wěn)定環(huán)境參數(shù)，BAS (Building Automation System,樓宇設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)，以下簡(jiǎn)稱BAS)無(wú)論是PID (Proportion Integration Differentiation,比例積分微分，以下簡(jiǎn)稱PID)調(diào)節(jié)、還是頻繁的啟?？刂疲?都不可避免的造成額外的能源消耗。
[0006] 同時(shí)，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)以水溫度、水流量參數(shù)控制為核心的策略嚴(yán)重依賴于傳感 器的精度和穩(wěn)定性，由于機(jī)房環(huán)境變化，傳感器在使用一段時(shí)間后精度會(huì)下降，導(dǎo)致原本能 夠節(jié)能的功能變得不節(jié)能，甚至更加耗能。
[0007] 2)設(shè)計(jì)思想
[0008] 對(duì)于照明、水泵等獨(dú)立的用能設(shè)備，傳統(tǒng)的BAS控制策略是合理且有效的。但對(duì)于 占到建筑總能耗60%的空調(diào)系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)的BAS控制思想恰恰對(duì)節(jié)能造成了不利的影響。 無(wú)論何種空調(diào)系統(tǒng)，都將是多個(gè)設(shè)備以系統(tǒng)的方式進(jìn)行工作，沒(méi)有一個(gè)設(shè)備能夠脫離系統(tǒng) 獨(dú)立工作，即多個(gè)設(shè)備之間存在著耦合。
[0009] 控制理論解決耦合采用的技術(shù)是解耦，而解耦的核心思路就是認(rèn)為降低系統(tǒng)中設(shè) 備間的相互聯(lián)系，只要不影響系統(tǒng)的正常工作，甚至可以將系統(tǒng)中的設(shè)備看成完全獨(dú)立工 作的設(shè)備。在解耦理論指導(dǎo)下開(kāi)發(fā)的控制策略幾乎沒(méi)有考慮設(shè)備變化對(duì)系統(tǒng)工作造成的影 響，這種理論對(duì)于化工、造紙等工藝參數(shù)要求嚴(yán)格的工業(yè)過(guò)程是非常有意義的，但對(duì)于以節(jié) 能為重要控制目標(biāo)的建筑用能設(shè)備的控制，這種設(shè)計(jì)思想就存在一定的問(wèn)題。
[0010] 3)暖通、機(jī)電設(shè)備等與控制的分離
[0011] 在項(xiàng)目初期的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，暖通部分、給排水部分、供配電部分、自動(dòng)控制等設(shè)計(jì) 是分開(kāi)實(shí)施的，這使得各系統(tǒng)技術(shù)封閉，特別是暖通、機(jī)電設(shè)備與自控系統(tǒng)的技術(shù)配合非常 有限。
[0012] 在常規(guī)的暖通設(shè)計(jì)中，工程師往往是按照大樓的最不利負(fù)荷進(jìn)行設(shè)備容量設(shè)計(jì)， 并預(yù)留一定的余量；例如冷凍機(jī)組的設(shè)計(jì)，需要能夠保證夏季最大負(fù)荷量下，環(huán)境參數(shù)仍能 維持在可控范圍內(nèi)；這使得在正常運(yùn)行狀態(tài)下，冷源設(shè)備的開(kāi)機(jī)、停機(jī)、運(yùn)行負(fù)載的上升、下 降等如果不能很好地匹配負(fù)荷變化，都將會(huì)造成很大的能源浪費(fèi)。
[0013] 4)系統(tǒng)復(fù)雜性
[0014] 冷源系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，冷站內(nèi)各設(shè)備間存在很大的耦合及非線性相 關(guān)。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)把冷源設(shè)備劃分為多個(gè)控制孤島，各自獨(dú)立控制運(yùn)行，缺乏系統(tǒng)規(guī)劃； 例如以冷卻水為控制目標(biāo)的冷卻塔控制；以冷凍水供回水溫度為目標(biāo)的冷凍機(jī)組運(yùn)行控 制；以末端壓力為目標(biāo)的泵的頻率控制等。而事實(shí)證明，冷站中任何一部分系統(tǒng)參數(shù)的變化 都將帶來(lái)其他部分效率的上升或下降，常規(guī)的孤島型控制策略缺少魯棒性，不利于建筑節(jié) 能的發(fā)展。
[0015] 5)管理方面的瓶頸
[0016] 國(guó)內(nèi)工程人員和物業(yè)人員的運(yùn)營(yíng)水平和對(duì)節(jié)能的認(rèn)知程度有限，廠家的技術(shù)支持 在維保期過(guò)后收費(fèi)不低，所以物業(yè)往往只使用自控系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程控制功能，甚至自控系統(tǒng) 癱瘓也無(wú)能為力。建筑節(jié)能是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，需要根據(jù)不同的使用情況、不同的氣候做出 分析，給出不同的控制策略。但自控系統(tǒng)的調(diào)試往往實(shí)現(xiàn)基本功能后就不做進(jìn)一步服務(wù)，而 物業(yè)人員也缺乏對(duì)自控系統(tǒng)使用的能力，故難以發(fā)揮其節(jié)能能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明目的是提供本系統(tǒng)基于以上問(wèn)題，將整個(gè)冷凍站系 統(tǒng)視為一個(gè)整體，利用當(dāng)前智能化領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，同時(shí)配合小波包算法、 最小二乘算法、加權(quán)算法等將冷凍站系統(tǒng)進(jìn)行非線性擬合，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)冷凍站系 統(tǒng)內(nèi)參數(shù)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化控制，節(jié)能的目的。
[0018] 具體技術(shù)方案包括：
[0019] 一種樓宇冷凍站節(jié)能控制裝置及方法，包括
[0020] 一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化單元，該優(yōu)化單元包括：
[0021] 一用于針對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及保存的歷史數(shù)據(jù)集中模塊，
[0022] 利用歷史數(shù)據(jù)生成仿真模型并通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 模型模塊；
[0023] 一控制單元，該控制單元包括：
[0024] -以判斷優(yōu)化模式的判斷模塊，
[0025] -用以實(shí)時(shí)采集冷凍站系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊，
[0026] -用以對(duì)冷凍站各設(shè)備設(shè)定參數(shù)的優(yōu)化執(zhí)行模塊；
[0027] 所述冷凍站系統(tǒng)包括冷卻塔、冷凍機(jī)、冷凍泵、冷卻泵，所述參數(shù)包括運(yùn)行頻率、流 量、揚(yáng)程、功率、運(yùn)行模式、油溫、壓力、水溫、電流和電壓。
[0028] -種利用前述優(yōu)化裝置實(shí)施的優(yōu)化方，其特征在于，包括以下步驟：
[0029] 步驟0 :控制單元通過(guò)判斷模塊判斷啟動(dòng)手動(dòng)優(yōu)化或自動(dòng)優(yōu)化程序：如啟動(dòng)自動(dòng) 優(yōu)化程序，執(zhí)行步驟2 ;如啟動(dòng)手動(dòng)模塊，執(zhí)行步驟3 ;
[0030] 步驟1 :控制單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集冷凍站系統(tǒng)數(shù)據(jù)，當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)偏 離目標(biāo)值，則將采集到的數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)存入歷史數(shù)據(jù)集中模塊，歷史數(shù)據(jù)集中模塊就 該歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；
[0031] 步驟2 :采用三層結(jié)構(gòu)反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立模型，選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核函數(shù)，對(duì)數(shù) 據(jù)模型進(jìn)行訓(xùn)練，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通過(guò)最小二乘加權(quán)方法搜尋全局最優(yōu)點(diǎn)，輸出結(jié)果至控制 單元；
[0032] 步驟3 :控制單元的執(zhí)行優(yōu)化模塊接收優(yōu)化模塊的輸出結(jié)果對(duì)冷凍站設(shè)備進(jìn)行參 數(shù)設(shè)置，并對(duì)各設(shè)備進(jìn)行內(nèi)部控制以使各設(shè)備維持在設(shè)定參數(shù)上運(yùn)行。
[0033] 較佳的，所述預(yù)處理包括以下步驟：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化或/和小波包分解去噪。
[0034] 較佳的，所述小波包分解采用db2小波函數(shù)，分解層數(shù)為5。
[0035] 較佳的，所述網(wǎng)絡(luò)參數(shù)包括：初始權(quán)值、學(xué)習(xí)速率G和期望誤差。
[0036] 較佳的，所述初始權(quán)值為（-1，1)之間的隨機(jī)數(shù)，學(xué)習(xí)速率G值的范圍為0.01~ 0間。
[0037] 較佳的，所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集冷凍站系統(tǒng)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為3min~ 5min〇
[0038] 較佳的，所述控制單元對(duì)冷卻塔頻率、冷凍泵頻率、冷卻泵頻率采用PID控制。
[0039] 較佳的，所述控制單元還通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)分析，計(jì)算出能源指 標(biāo)，并形成統(tǒng)計(jì)報(bào)表。
[0040] 較佳的，所述控制單元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化單元以能耗為優(yōu)化條件，根據(jù)各樓宇冷熱負(fù) 荷不同，輸出各樓宇的供水溫度和/或流量。
[0041] 本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0042] 通過(guò)對(duì)冷凍站系統(tǒng)所包括的冷卻塔、水泵、冷凍機(jī)及冷凍水的相關(guān)參數(shù)建立一整 體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，改變各自獨(dú)立的控制流程，從而在各參數(shù)間建立了互相聯(lián)系，可以從整 體對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整獲得所需最大節(jié)能收益。在此過(guò)程中，使用了智能化領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用的 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，同時(shí)配合小波包算法、最小二乘算法、加權(quán)算法等將冷凍站系統(tǒng)進(jìn)行非線性 擬合，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)冷凍站系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)的調(diào)節(jié)，其結(jié)果更為精確、過(guò)程更為高效。
【附圖說(shuō)明】
[0043] 圖1為本發(fā)明樓宇冷凍站節(jié)能控制裝置的模塊結(jié)構(gòu)圖；
[0044] 圖2為本發(fā)明樓宇冷凍站節(jié)能控制裝置優(yōu)化控制方法的流程圖；
[0045] 圖3為含噪歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖；
[0046] 圖4為去噪后歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖；
[0047] 圖5為三層小波包分解結(jié)構(gòu)；
[0048] 圖6為小波包分解系數(shù)收縮去噪流程圖。
[0049] 圖7為冷卻塔頻率的PID控制圖；