一种基于双层分布式预测控制的新风空调节能控制方法

本发明属于新风空调控制领域，尤其涉及一种基于双层分布式预测控制的新风空调节能控制方法。

背景技术：

1、在以“双碳”为目标的能源发展背景下，能源的高效利用显得尤为重要。而随着人们生活水平的不断提高，建筑能耗占社会总能耗的比例越来越大，作为高能耗行业之一，优化并降低建筑能耗迫在眉睫。其中，暖通空调约占建筑能耗的50％，它的节能优化对推动建筑业双碳目标的实现有着至关重要的意义。

2、传统新风空调节能策略系统仅考虑热舒适度为指标，在其下界实现新风空调系统的冷负荷最小化，但常以糟糕的室内空气质量为代价实现。然而对于室内空气质量管理，通常需要足够的新风来稀释室内空气。这意味着仅考虑热舒适度不足以开发优质的节能新风空调控制策略。

3、同时，传统的集中式算法常常出现部分区域新风过量、部分区域新风量不足或导致新风能耗增加的问题，而分布式的控制算法分区域计算空调子系统的风量和新风子系统的通风率，能大大减少部分新风过量和部分新风不足等现象，且分布式具有更好的可拓展性；同时需要注意的是，热舒适度和空气质量两项指标的时间尺度不同，双层的模型预测控制能更好的同时考虑两项指标。

4、典型商用新风空调系统的配置主要由空气处理单元、变风量箱和冷水机组系统组成。ahu基本上集成了风阀、过滤器、冷却/加热盘管和送风风扇。

5、加热/冷却盘管将混合空气(外部新鲜空气和内部再循环空气的混合物)冷却/加热到设定值温度。风阀调节的通风率为：再循环风量dr或室外新风风量1-dr。因此，dr越小，新风注入比例越高，对新风空调系统的冷却需求越高，反之亦然。过滤器负责在空气循环过程中对空气中的灰尘颗粒、总挥发性有机化合物和细菌菌落等有害物质进行高效净化和复合杀菌，达到优化空气质量的目的。送风风扇用于驱动建筑风管网络内的空气循环。而变风量箱连接到区域，每个区域由一个风阀和一个加热线圈组成。风阀调节区域质量流率，加热线圈在必要时对供气进行再加热。冷水机组系统通常由冷水机组泵、水箱和冷水机组组成，冷水机组为ahu的冷却盘管提供连续的冷冻水。除了冷水机组外，冷水机组泵还部分承担了新风空调在水箱和冷水机组之间循环水的能耗。

技术实现思路

1、本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于双层分布式预测控制的新风空调节能控制方法。本发明的技术方案如下：

2、一种基于双层分布式预测控制的新风空调节能控制方法，其包括以下步骤：

3、(1)建立区域动态热力学、co2浓度模型，确定目标函数、决策变量和约束条件，明确优化问题；

4、(2)进行双层控制中的上层控制，以人体热舒适度指标下的最低能耗成本作为目标函数，还考虑了区域温度上下限、变风量箱和空气处理单元的区域质量流率的可操作范围限制、风阀的开合比例限制，计算最低能耗成本下的区域质量流率；

5、(3)当区域co2浓度超标时，进行双层控制中下层控制的第一阶段，以室内空气质量为指标，通过加速分布增广拉格朗日法计算mccormick包络放松后的松弛凸问题，得到下层控制计算得到的区域质量流率，递推后得到对应的区域温度；

6、(4)当下层控制第一阶段求得的区域质量流率使得区域温度超过下界时，进行下层控制的第二阶段，调节风阀控制的新风比例，重新回到上层控制；上、下层控制交替进行，直到同时达到两个舒适指标。

7、首先，所述新风空调被控系统中包含热动力模型、co2浓度动态模型，具体为：

8、

9、其中aii、aij、cii和di(k)为系数矩阵；k∈h表示时间序列，i,j∈n表示区域编号；i、h分别表示区域总数和预测时域；ti(k)、to(k)、tc分别表示区域温度、室外温度和空气处理单元的设定点温度；δk表示采样间隔，是区域空气热容；其中rij(rji)为相邻区域的热阻；roi表示i区与外界之间的热阻，ni表示与i区在空间上相邻的区域的集合；cp为空气比热容，表示区域质量流率，qi(k)表示来自区域内部的居住者和电气设备的热增益，可通过占用率估算；

10、多区域的co2动力学描述方程为：

11、

12、其中mi表示区域空气质量，ci(k)表示区域co2浓度，如式(2)的右侧第一项所示，co2积累量通过人均co2生成率cg乘以居住率ni(k)来估计，表示区域质量流率，cz(k)表示送风中的co2浓度，其由下式估计得到；

13、

14、其中dr(k)∈[0,1]表示送风到ahu的回风比例即控制通风率，cm(k)表示所有区域的回风的co2平均浓度。

15、进一步的，所述步骤(2)考虑同时满足人体热舒适度和室内空气质量两个指标下的最低能耗成本作为目标函数，具体包括：

16、能耗主要来自于ahu内的冷却盘管pc(k)和送风风机pf(k)，即

17、

18、其中cp为空气比热容，κf为风机效率转换系数，η是制冷机的性能系数(cop)的倒数，能反映冷却耗电与总耗电的比例；考虑到能源消耗在实际操作中不易测量，选择以每日按电价ck(c￥/kw)计算的总能源成本作为目标。

19、

20、进一步的，所述考虑了区域温度上下限、co2浓度上限、变风量箱和空气处理单元的区域质量流率的可操作范围限制、风阀的开合比例限制，具体包括：

21、区域温度上下限和co2浓度上限为：

22、

23、

24、其中timin和timax表示舒适的区温度范围，为理想的区域co2浓度上界；

25、同时新风空调的操作需遵守vav和ahu的物理限制如下：

26、

27、

28、其中和为vav箱的可操作范围，mmax表示ahu的供应能力；

29、用于调节通风率的ahu的风阀通常限制在以和为特征的运行范围内，

30、

31、进一步的，则所述计算最低能耗成本下的区域质量流率，具体为：

32、

33、进一步的，所述步骤(2)中以人体热舒适度为指标，考虑了区域温度上下限、变风量箱和空气处理单元的区域质量流率的可操作范围限制、风阀的开合比例限制，求解上层控制下最低能耗成本的区域质量流率。

34、进一步的，所述步骤(3)中以室内空气质量为指标，通过加速分布增广拉格朗日法(adal)计算mccormick包络放松后的松弛凸问题，得到下层控制计算得到的区域质量流率，递推后得到对应的区域温度，具体包括：引入辅助决策变量并使用mccormick包络来放松双线性项。

35、

36、其中ci(0)表示当前计算周期开始时测得的区域co2浓度。将优化伪问题转换为标准形式：

37、

38、其中串联i区的决策变量。表示i区的局部目标函数。解释了耦合线性约束(9)，在每个阶段引入了额外的松弛变量x0(k)≥0(将不等式约束转换为等式约束)。表示区域i对应得局部约束(7)、(8)、(12)，且x0＝{x0|x0≥0}，有

39、

40、且bc＝(mmax,mmax,...,mmax)t∈rh。其对应的增广拉格朗日函数为：

41、

42、其中α为拉格朗日乘子，ρ为罚函数。使用adal求解问题的主要步骤一般包括三个步骤：

43、1)对于给定的拉格朗日乘子α，求解问题：

44、

45、2)更新拉格朗日乘子α；

46、3)更新惩罚因子ρ。

47、adal的结束准则为耦合约束的残差或任意两个连续的供气co2浓度的估计偏差

48、进一步的，所述步骤(4)中，先以热舒适度为指标进行上层控制，得到理想的上层区域质量流率；当co2浓度超标时，才进行同时考虑以空气质量为指标的下层控制的第一阶段，若得到的下层区域质量流率会导致区域温度低于下限，则进入下层控制的第二阶段，调节通风率，改变新风比例，重新进行上层控制的计算。直至同时满足两项指标。

49、本发明的优点及有益效果如下：

50、本发明提出了一种基于双层分布式预测控制的新风空调节能控制策略，建立了多区域建筑新风空调的动态热力学模型和动态co2浓度模型，根据相关系统限制，利用双层分布式的模型预测控制算法求解，得到能同时满足人体热舒适度和室内空气质量要求的co2浓度指标的最低能耗成本。将时间尺度不同的两个指标分层进行控制，上层计算区域质量流率，以最小的能源成本维持区域tc。下层只在co2浓度不满足要求时进行，通过策略性地调节区域质量流率和通风率，以达到室内空气质量指标，同时尽量保持上层的低能耗成本。

51、两层结构的基本思想都是在保持接近最佳节能性能的同时，依次解决两个舒适指标。由于只有在违反室内空气指标中规定的co2浓度时才需要调用下层控制，本双层控制算法通过分层控制可以更好地解决tc和iaq两项指标因时间尺度不同而对控制效果和效率的影响，从而比一般的控制算法拥有更好的计算效率。且上下两层都采用分布式的方式来实现，与传统集中式的控制方式相比，可以有效避免局部过高或过低的情况，控制效果更加精准，且具有可扩展性和计算效率高等优点。