冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)預(yù)測方法的回顧

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 摘要： 準(zhǔn)確的預(yù)測是冰蓄冷系統(tǒng)優(yōu)化和控制的基礎(chǔ)和前提。本文介紹了冰蓄冷系統(tǒng)預(yù)測的內(nèi)容和方法，主要包括室外逐時(shí)氣象參數(shù)的預(yù)測和建筑物逐時(shí)冷負(fù)荷的預(yù)測。其中，溫度預(yù)測通常采用形狀系數(shù)法；而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在太陽輻射預(yù)測和建筑物冷負(fù)荷預(yù)測中優(yōu)勢顯著。

    關(guān)鍵詞： 冰蓄冷 氣象參數(shù) 形狀系數(shù) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

    1 前言

    對北京市冬夏季典型日電力負(fù)荷構(gòu)成情況的調(diào)查表明：民用建筑用電是構(gòu)成電力峰荷的主要因素［１］。目前，我國城市建筑夏季的空調(diào)用電量占其總用電量的40％以上。解決電力不足的途徑有很多種，根據(jù)有關(guān)資料，在采用電能儲(chǔ)存解決電力峰谷差的成熟技術(shù)中，冰蓄冷的轉(zhuǎn)換效率最高［２］。在建筑物空調(diào)中應(yīng)用冰蓄冷技術(shù)是改善電力供需矛盾最有效措施之一。

    冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)前提是設(shè)計(jì)日的負(fù)荷分布，系統(tǒng)主要設(shè)備的容量都是按設(shè)計(jì)日進(jìn)行的。然而，100％的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)間僅占總運(yùn)行時(shí)間的o％［3］。同時(shí)，由于分時(shí)電價(jià)或?qū)崟r(shí)電價(jià)（RTP）的引入，建筑物中各種設(shè)備的運(yùn)行控制更為復(fù)雜，運(yùn)行決策必須以天、甚至小時(shí)為基礎(chǔ)[4].1993年，ASHRAE研究項(xiàng)目RP776對美國蓄冷（水蓄冷、優(yōu)態(tài)鹽。冰蓄冷）系統(tǒng)的調(diào)查顯承；冰蓄冷系統(tǒng)約占近對m個(gè)蓄冰系統(tǒng)總數(shù)的86.7％。從設(shè)計(jì)到運(yùn)行、維護(hù)，控制及控制相關(guān)問題是蓄冷系統(tǒng)的首要問題。在蓄冷系統(tǒng)滿意程度的調(diào)查中，冰蓄冷系統(tǒng)滿意率最低，僅有50％的冰蓄冷用戶認(rèn)為達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的人正確地運(yùn)用優(yōu)化和控制技術(shù)至關(guān)重要[5]

    一些研究報(bào)告指出，某些蓄冷系統(tǒng)在降低電力峰值需求的同時(shí)，顯著地增加了總的年電力消耗。因此，將最終導(dǎo)致發(fā)電量增加，自然資源浪費(fèi)和環(huán)境污空失這些批評導(dǎo)致了對蓄冷系統(tǒng)及相關(guān)研究項(xiàng)目資助的減少[６].1994年，Brady根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)證明，上述消極影響可以通過充分的利用蓄冰系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)來消除。蓄冰系統(tǒng)可以降低年能量消耗、峰值電力需求、年運(yùn)行費(fèi)用[7] [8]和系統(tǒng)對環(huán)境的影響[6]［9］。1993年，F(xiàn)iorino對Dallas某（水）蓄冷進(jìn)行了改造，使蓄冷系統(tǒng)不但減少了運(yùn)行費(fèi)用，而且節(jié)約了用電量［10］［11］。冰蓄冷空調(diào)也是如此［12］［13］。

    隨著《中華人民共和國節(jié)約能源法》的公布施行，冰蓄冷系統(tǒng)節(jié)能問題受到更加廣泛的重視。冰蓄冷系統(tǒng)優(yōu)化和控制的目的是在滿足建筑物供冷要求的同時(shí)，使系統(tǒng)空調(diào)期運(yùn)行費(fèi)用最小。準(zhǔn)確的預(yù)測是蓄體系統(tǒng)優(yōu)化和控制的基礎(chǔ)和前提，主要包括下列內(nèi)容。

    2 室外逐時(shí)氣象參數(shù)的預(yù)測

    2.l 室外逐時(shí)溫度

    許多研究結(jié)果表明：室外溫度直接影響負(fù)荷大小、能量消耗和高峰期用電量。以往溫度預(yù)測算法大多建立在室外溫度按正弦曲線變化的假設(shè)上。Chen通過對蒙特利爾最近十年氣象數(shù)據(jù)的分析，得出了室外溫度波的三種模式：近正弦波模式、降溫模式、升溫模式。他發(fā)現(xiàn)該市1月和12月份每日溫度最高溫度孵出現(xiàn)在午夜12：00.將溫度波簡單地假設(shè)為正弦曲線不能反映室外溫度實(shí)際變化的趨勢［14］。全球“溫室效應(yīng)”和城市的“熱島”效應(yīng)的影響，需要對室外溫度變化做進(jìn)一步的分析和研究。況且，我們所指的室外溫度是針對某個(gè)實(shí)際建筑而言的，而氣象預(yù)報(bào)是一個(gè)大區(qū)域內(nèi)的整體平均，二者存在著差異，因此。需要一個(gè)有針對性的預(yù)測手段。

    預(yù)測中通常采用的模型包括回歸模型（線性回歸、多元回歸等）、時(shí)間序列模型（ARIMA、ARMA、AR、MA等）、Kalman濾波模型、模糊集模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。

    1985年Rawlingr指出對蓄冰系統(tǒng)，為了防止冰在熱天提前耗盡，一種預(yù)測熱天的辦法是觀察當(dāng)天早晨的氣溫（主觀預(yù)測法）。例如，在新澤西地區(qū)，如果上午8：00的溫度為29℃，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明當(dāng)天很可能接近“設(shè)計(jì)日”[15]

    用于客觀天氣預(yù)測的模型輸出統(tǒng)計(jì)（Model output statistics）可以給出精確的未來天氣撒尼“然而，這種方法需要大量的氣象數(shù)據(jù)和超級計(jì)算機(jī)；而不適于在線控制。實(shí)時(shí)控測。氣象參數(shù)和負(fù)荷預(yù)測的方法大多數(shù)基于最小M乘回歸分析。1989年MacA－rthur[16]等利用以前測量的環(huán)境溫度和當(dāng)?shù)貧忸A(yù)報(bào)的最高、最低溫度來預(yù)測未來溫度曲線。 1995年Kawashima等采用預(yù)報(bào)的最高，最低溫度和ASHRAE建議的形狀系數(shù)預(yù)測環(huán)境逐時(shí)溫度[17].因?yàn)槔昧烁行У男畔?，他們的方法?yōu)于僅采用過去測量氣象數(shù)據(jù)的方法。Chen對天氣預(yù)報(bào)的最高、最低溫度作了更詳盡的修正。由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)測室外溫度，并根據(jù)算法是未來幾個(gè)小時(shí)的逐時(shí)溫度；同時(shí)將室外溫度變化分為上升階段和下降階段，分別計(jì)算各時(shí)刻的形狀系數(shù)；二者共同用于室外溫度的預(yù)測，取得了較好的效果。

    2.2 逐時(shí)太陽輻射的預(yù)測

    1996 年，Kawshima將天氣分為晴、陰、多云、雨四種典型情況。首先根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)擬合出用于預(yù)測次日太陽輻射總量的多項(xiàng)式，然后乘以逐時(shí)的系數(shù)來預(yù)測次日的太陽輻射[18].Chen將太陽輻射細(xì)分為10個(gè)級別，并給出了它們的相對于各時(shí)刻歷史最大太陽輻射強(qiáng)度的中值，用于太陽輻射的預(yù)測，他發(fā)現(xiàn)對于晴朗小時(shí)或天晴間多云（sunny hour or day）預(yù)測效果較好；而對于不確定的天氣狀況，如晴間多云（clearing and clouding）則有一定的偏差[14].在建筑物能耗預(yù)測結(jié)果的報(bào)告中[19]，前六名分別為英國劍橋卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的Mackay［20］、瑞典 Lund大學(xué)理論物理系的Ohlsson［2］、普林斯頓大學(xué)中心研究實(shí)驗(yàn)室汽車研究和發(fā)展公司的Feuston[22]，南非的Stevenson [23]、日本東京電氣工程部的Iijima[24]、日本東京技術(shù)大學(xué)的Kawashima[25].他們分別在各自的文章中介紹了自己的模型和預(yù)測方法。其中，只有Iijima采用了非ANN的分段線性回歸方法。雖然算法取得了較為滿意的結(jié)果，但是作者指出線性算法的在解決實(shí)際非線性問題時(shí)，還是有限局性的。

    溫度和太陽輻射是影響建筑物冷負(fù)荷的主要因素，其他參數(shù)的預(yù)測，如相對濕度等，本文不再贅述。

    3 建筑物逐時(shí)冷負(fù)荷的預(yù)測

    簡單的負(fù)荷預(yù)測方法是將當(dāng)天的負(fù)荷作為第二天冷負(fù)荷的預(yù)測值。1985年Tamblyn利用測量儀器，如流量計(jì)和溫差傳感器產(chǎn)生準(zhǔn)確的冷噸一小時(shí)冷負(fù)荷曲線，然后建立冷負(fù)荷與環(huán)境溫度和內(nèi)部負(fù)荷之間的函數(shù)關(guān)系，用于負(fù)荷預(yù)測[26].1989年Meredith等在利用BASIC程序進(jìn)行蓄冷系統(tǒng)模擬時(shí)，根據(jù)ASHRAE通用負(fù)荷曲線（ASHRAE 1987），采用四階多項(xiàng)式回歸得到方程來預(yù)測模擬日的負(fù)荷［27］。

    RuChti[28]采用了標(biāo)準(zhǔn)日、最熱日負(fù)荷預(yù)測器進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測。這種方法實(shí)際上是將一定時(shí)期內(nèi)（如一個(gè)月）某一特殊的負(fù)荷圖樣作為該時(shí)期每天的負(fù)荷圖樣。此方法簡單、計(jì)算量小、比較適合于一般的工程應(yīng)用，對運(yùn)行管理水平要求不高，但遠(yuǎn)不能滿足優(yōu)化和控制的要求。

    1989 年Boonyatikam等指出采用數(shù)學(xué)模型預(yù)測空調(diào)冷負(fù)荷的缺陷，包括①詳細(xì)模型需要內(nèi)存的增加；②數(shù)學(xué)方程不容易適應(yīng)外界條件或運(yùn)行狀況的改變；③計(jì)算機(jī)處理時(shí)間過長；④有精度要求時(shí)，對建筑物的輸人描述過多等。為了避免這些問題，作者采用基于實(shí)際空間響應(yīng)（負(fù)荷）而不是理論模型的預(yù)測函數(shù)。收集相關(guān)變量的歷史數(shù)據(jù)用于分析。將每一個(gè)變量，如：室外干球溫度、相對溫度、人射太陽輻射、風(fēng)速、風(fēng)向、負(fù)荷等的數(shù)值記錄到數(shù)據(jù)文件中，最后采用多元線性回歸導(dǎo)出預(yù)測方程［29］。

    1989年MacArthur等采用ARMAX時(shí)序模型進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，預(yù)測誤差在5％以內(nèi)[16].

    1989 年Spethmann[7]和1994年Simmonds［3］采用第二天預(yù)報(bào)的最高、最低溫度、歷史形狀因子曲線，并區(qū)分了工作日與周末。首先預(yù)測室外溫度，然后通過溫度曲線和歷史形狀因子進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，并將算法集成于預(yù)測優(yōu)化蓄冷控制器。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，測量溫度和負(fù)荷用于對預(yù)測值的在線修正。

    1990 年Ferrano采用ANN預(yù)測次日總冷負(fù)荷，并與實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)結(jié)合用于邁阿密一幢建筑冰蓄冷系統(tǒng)控制。根據(jù)每天24小時(shí)的溫度波動(dòng)情況，分三種溫度模式：冷（COld）10℉、暖（warm）14℉下和普通（normal）2.5℉，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成后，預(yù)測值與理想值的偏差為 4％［30］。

    以上研究工作具有各自的特點(diǎn)，然而各預(yù)測模型間沒有性能對比。1993年，在ASHRAE首屆建筑物能量預(yù)測競賽中，在對比多個(gè)參賽選手的預(yù)測結(jié)果后，Kreider指出為了達(dá)到更為精確的預(yù)測效果，傳統(tǒng)方法將讓位于新的預(yù)測方法，如ANN.1995年Ka- washima采用完全相同的數(shù)據(jù)集，對包括ANN模型在內(nèi)的七種預(yù)測模型（ARIMA、LR、EWMA）進(jìn)行比較論證，指出ANN模型預(yù)測最精確［17］。

    4 結(jié)束語

    準(zhǔn)確的預(yù)測是冰蓄冷系統(tǒng)優(yōu)化和控制的基礎(chǔ)和前提。根據(jù)以上文獻(xiàn)，目前冰蓄冷系統(tǒng)中的溫度預(yù)測通常采用形狀因子法；而對于太陽輻射和建筑物冷負(fù)荷的預(yù)測，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是更為有效的方法。