متدهای روش کنترل بهینه مورد استفاده برای سیستم تهویه مطبوع

طبقه بندي كلي متد كنترل در استفاده از HVAC در شكل زير نشان داده شده است . نظارت بر سيستم هاي كنترل تهويه ميتواند بر چهار قسمت تقسيم شود . روش كنترل بهينه مبتني بر مدل ، روش كنترل بهينه تركيبي ،روش كنترل بهينه كارايي و روش كنترل بهينه مدل رايگان . طبقه بندي دقيقي به دليل عدم وجود مرز هاي مشترك بين تعاريف بالا وجود ندارد. وليكن ميتوان مبناي مفيد و موثري براي مقايسه مزايا و معايب روش هاي مختلف كنترل قرار داد .همچنين روش بسيار مناسب براي شناسايي نقاط قوت و ضعف و نيز تجزيه و تحليل در قابليت اجرا شدن برنامه هاي كاربردي ميباشد.

روش كنترل بهينه رايگان (Model- free optimal control methods)

اين روش هيچ نيازي به مدلي از هدف ندارد . كارشناسی خبره با رويكرد ارتقاء يادگيري ميتواند براي مدل فوق مورد استفاده قرار گيرد. يك سيستم خبره ميتواند به عنوان كنترل بهينه و تعيين تنظيمات كنترل در دو حالت بيشترين بهره وري از انرژي و يا كنترل مقرون به صرفه براي عمليات مطلوب سيستم هاي HVAC با توجه به شرايط كاري آنها به كار رود. تنظيمات كنترل مقرون به صرفه بر اساس تركيبي از قوانين تعريف شده در دانش و اطلاعات به دست آمده از سيستم هاي BAS تعيين ميشود.سيستم هاي خبره ميتوانند براي تصميم گيري در شرايط كاري و بر اساس شرايط پايگاه اطلاعاتي و همچنين توانايي استنتاج راه حل هاي مناسب براي داده هاي ناقص از استدلال هاي بشر تقليد نمايند . مديريت و برنامه ريزي سيستم هاي خبره ساده ميباشد. هر چند هر چيزي خارج از دامنه تخصص ديتا بيس دانشي ممكن است موجب اشتباهات عمده شود. از متد ديگر اين روش تقويت قدرت كنترل يادگيري ميباشد كه در آن سيستم كنترل براي بهبود رفتار خود با توجه به نتايج قبلي اقدامات بدون نياز به هيچ مدلي از محيط اطراف و يا اثرات آنها تلاش ميكند .

 . روش كنترل بهينه مبتني بر مدل (Model- based optimal control methods)

در اين روش ابزار مورد نياز براي انجام كنترل مطلوب، سيستم، مولفه هاي مدل و روش هاي بهينه سازي ميباشند.تابع اصلي مدل، پيش بيني انرژي و يا هزينه سيستم وكارايي مطلوب در پاسخ سيستم در جهت تنظيم كنترل ميباشد.همه مدل ها مستقيما به مصرف انرژي و هزينه عملياتي مرتبط هستند. اندازه گيري هاي آنلاين جمع آوري شده از BAS براي تنظيم كردن پارامترهاي مدل به كار ميرود. اين روش بهينه سازي به دنبال اين است كه با انرژي مقرون و كارآمد تنظيمات كنترل را (مدل كاركرد و Set-Point) در جهت به حداقل رساندن ورودي انرژي و يا هزينه عملياتي سيستم در حاليكه متغيير هاي كنترل در وضعيت رضايت بخش باشند، به انجام برساند.در اين شيوه استراتژي كنترل به سرعت به تغييرات سريع از شرايط داخلي و خارجي واكنش نشان ميدهد .

روش كنترل بهينه تركيبي (Hybrid optimal control methods)

در يك كنترل مطلوب تركيبي، انواع مدل ها ذكر شده در فوق با هم تركيب شده و استراتژي كنترل بهينه تدوين و فرموله كرده است . كنترل بهينه فرموله شده در اين روش مي تواند عملكرد كنترلي مناسبي ارائه دهد به شرط آنكه كنترل كننده هاي منطقي به خوبي طراحي شوند.

اجرای نقشه های مبتنی بر روش کنترل بهینه (Performance map- based optimal control methods)

در مقايسه با سه روش ارائه شده در بالا، كنترل بهينه مبتني بر نقشه ، كمي متفاوت تر است . اين روش اغلب با استفاده از نتايج توليد شده از شبيه سازي دقيق(يا تست هاي تجربي) بكار ميرود . از  اهداف سيستم،  بيش از طيف وسيعي از شرايط عملياتي انتظار ميرود . در جهت ترسيم يك نقشه عملكردي براي سيستم و سپس با بهره گيري از اين نقشه راه براي كنترل بهينه سيستم هاي تهويه مطبوع ممكن ميشود. براي مثال، تركيبي از بارهاي خنك كننده، دماي هوا محيط، تعداد چيلرهاي عملياتي، تعداد پمپ هاي عملياتي، و همچنين تعداد برج هاي خنك كننده عملياتي ، فن هاي متغيير فردي ميتواند به عنوان ورودي براي نرم افزارهاي شبيه سازي بر اساس مدل تركيبي استفاده شود.در هر شرايط عملياتي ، ميزان مصرف انرژي و يا عملكرد داده ها براي تمام تركيبات محاسبه و تنظيم كنترلر كمترين ميزان انرژي يا بهترين كارايي را شناسايي و ارائه ميدهد . نقشه عملكردي ميتواند با استفاده از تركيبات با كمترين ميزان انرژي و بهترين كارايي شناسايي شده از رنج بيشترين كارايي سيستم ها تهيه و براي عملكرد بهينه سيستم هاي تهويه مطبوع استفاده شود.

كنترل بهينه سيستم تهويه يك طرفه

براي صرفه جويي در مصرف انرژي و بهبود هواي محيط داخلي، متغيير هاي Set-Point كنترل بهينه، همانند Set-Point هواي تازه سيستم DCV ، تنظيم Set-Point دماي هواي توليدي، تنظيم Set-Point فشار استاتيك هواي توليديVAV، و به همين ترتيب براي سيستم هاي تهويه مطلوب مي تواند به كار رود. در يك سيستم معمولي VAV يك لوپ كنترل محلي و وابستگي كنترل(ناظر) به شرح زير است:

حلقه كنترل شامل:

كنترل دماي هواي توليدي هواساز AHU

كنترل فشار استاتيك

كنترل دماي زون

كنترل جريان هواي خارجي

كنترل فن برگشتي

و وابستگي كنترل(ناظر كنترل):

تنظيم Set-Point جريان هواي بيروني

تنظيم Set-Point فشار استاتيك

تنظيم Set-Point دماي هواي توليدي AHU

كنترل حلقه محلي براي عملكرد صحيح و ارتقاء رفاه در يك محيط داخلي ضروري ميباشد . در حاليكه ناظر كنترل اجازه عملكرد بهتر و بهينه سيستم را ميدهد، تنظيم كننده Set-Point تاثير نرخ فلو هواي بيروني در مصرف بهينه انرژي (عمدتا بار كويل)و كيفيت هوا در محيط داخل را برعهده دارد. تنظيم كننده فشار استاتيك تاثير گذار بر مصرف انرژي فن ها بوده است . به هر حال اگر Set-Point به يك محدوده نادرست هدايت شود اين تنظيمات مجدد ممكن است بر محيط داخل ساختمان تاثير گذار شود . اگر در منطقه بحراني تنظيمات از حد معيين كمتر شود جريان كافي داخل محيط ارائه داده نمي شود و در صورت بالا رفتن تنظيمات مشكلات و نويزهاي صوتي ايجاد ميشود. تنظيمات Set-Point دماي هواي توليدي AHU بر آسايش حرارتي و مصرف انرژي(عمدتا بر روي مصرف فن ها) سيستم تاثير گذار خواهد بود.

تنظيم مطلوب Set-Point فشار استاتيك :

اهداف استراتژي كنترل در كاهش مصرف فن VAV بوسيله كاهش فشار استاتيك انجام ميپذيرد . به منظور تامين هواي كافي براي هر منطقه و فرد و  نيز براي به حداقل رساندن فشار استاتيك، آن را فقط نسبت به شدت بار مورد نياز هر منطقه كنترل ميكنند .اين استراتژي باعث ميشود همه موقعيت هاي دمپرVAV بر اساس بارهاي موجود طراحي شوند. در شكل زير اين مطلب به صورت كامل نشان داده شده است . فشار استاتيك تنظيم شده فقط اجازه كنترل دمپر VAV با بالاترين نسبت بار سرمايشي در ميان تمام VAVها را داده و به دو موقعيت كاملا باز و بسته در هر زمان قابل كنترل ميباشد. هنگامي كه تعداد زياذي VAV در مكان باشند ، تعداد محدودي از دمپرهاي VAV به صورت كاملا باز (در حداكثر آستانه مجاز)بوسيله پارامتر N max تنظيم ميشوند. در اين سيستم ها از مجموعه PID ها به عنوان Set Point استفاده ميشود. براي افزايش فشار استاتيك در شكل زير يك تابع PID فعال ميشود و در مقابل براي كاهش Set Point فشار استاتيك در زمانيكه دمپر در موقعيت بيشترين و در پايين تر از حد آستانه باشد از يك تابع PID استفاده ميشود.

از استراتژي كنترل فوق براي تنظيم Set Point در جهت افزايش ثبات كنترل سيستم هاي زمان مرده استفاده ميشود. در شكل زير از بين خروجي  دو تابع PID براي تنظيم Set Point فشار استاتيك استفاده شده است .

در برخي از برنامه هاي كاربردي ، از مجموعه Set-Point فلوهاي درخواستي و نرخ جريان اندازه گيري شده واقعي به عنوان تنظيم كننده VAV استفاده ميشود.

تنظيم مطلوب Set-Point دماي هوا :

با بستن دمپر VAV در زمانيكه بار يك زون كاهش ميابد، اين كاهش منتج به صرفه جويي قابل توجهي در قدرت فن ميباشد. از سوي ديگر، نرخ كم جريان تهويه مطبوع ممكن است باعث نقص در كارايي سيستم شود . (كاهش مخلوط هواي توليدي و هواي اتاق ، گردش ناكافي هواي محيط اتاق)

هنگاميكه كمترين محدوديت براي نرخ جريان كلي استفاده شود، در بعضي از اماكن كه بار كم و دماي هواي توليدي پايين باشد ، سرمايش بيش از حد است.تنظيم مجدد درجه هوا به سيستم VAV اجازه جلوگيري از تهويه ضعيف و عدم مصرف بهينه انرژي در فن ها را ميدهد و با بهره گيري از Set-Point نرخ جريان هوا از فشار مستقل كنترل VAV به عنوان شاخص هاي خنك كننده مناطق مختلف استفاده ميشود.

كمترين فلو Set-Point براي جلوگيري از نقص عملكرد سيستم در مناطق تحت پوشش استفاده ميشود كه ممكن است مقادير مختلفي با توجه به مناطق مختلف براي تنظيم طراحي واقعي  تنظيم شود.

بيشترين فلو Set-Point جريان بالا براي محاسبه بار نسبي منطقه استفاده ميشود. از آنجاييكه مناطق مختلف ممكن است جريان هواي مختلفي داشته باشند ، ميزان Set-Point به نسبت بين دو حد بالا و پايين تنظيم ميشود.

ماكزيمم نسبت Set-Point فلو بالا در مناطق انتخاب شده در مقياس بار نسبي يك زون به بار حرارتي بحراني سنجيده ميشود و كمترين نسبت Set-Point جريان در مناطق ، در بحراني ترين منطقه از نظر تهويه سنجيده ميشود.

  ميزان L-PID نشان دهنده جريان هو اي كم در يك منطقه خاص و نياز Set-Point به افزايش ميباشد و ميزان H-PID نشان دهنده بار بالاي منطقه خاص و Set-Point دماي هواي توليدي نياز به كاهش است.

خروجي توابع PID در داخل محدوده از پيش تنظيم شده براي تعيين دماي يك منطقه قرار دارد . اين محدود براي دماي Set-Point جهت ثبات كنترل بهينه ميباشد.

در شکل زیر یک نمونه از هواساز با سنسورهای مربوطه را مشاهده میکنید: