美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的智能建筑代理實(shí)驗(yàn)室（IBAL）[1–3]配備了真實(shí)的商用供暖、通風(fēng)與空調(diào)（HVAC）設(shè)備，用于研究先進(jìn)的控制策略。這些設(shè)備包括空氣處理機(jī)組（AHU）、變風(fēng)量末端（VAV）、冷水機(jī)組以及盤管蓄冰式熱能儲存（TES）水箱。IBAL可用于模擬真實(shí)商業(yè)建筑的運(yùn)行。在此背景下，空氣系統(tǒng)因照明、計(jì)算機(jī)設(shè)備、太陽輻射得熱、人員等因素產(chǎn)生建筑冷負(fù)荷；水系統(tǒng)則根據(jù)模擬建筑使用者的熱舒適度和通風(fēng)需求為建筑提供冷量。冷量由冷水機(jī)組或蓄冰系統(tǒng)提供。IBAL中的盤管蓄冰式蓄冷系統(tǒng)如圖1所示。30%的丙二醇（PG）溶液在塑料螺旋盤管內(nèi)流動，盤管外部被水包圍。中間和右側(cè)的圖片展示了內(nèi)部螺旋盤管。本技術(shù)說明中詳細(xì)研究的重點(diǎn)正是該蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行。編譯 陳講運(yùn)

蓄冷系統(tǒng)中的制冰過程被稱為“蓄冷”（充電）。蓄冷過程利用冷水機(jī)組將丙二醇（PG）溶液冷卻至水的冰點(diǎn)以下。當(dāng)PG溶液流經(jīng)蓄冷系統(tǒng)時(shí)，螺旋盤管周圍的水便會結(jié)冰。利用蓄冷系統(tǒng)代替冷水機(jī)組為建筑提供冷量的過程則被稱為“放冷”（放電）。在這種情況下，溫度較高的PG溶液流經(jīng)蓄冷系統(tǒng)，將熱量傳遞給冰使其融化，隨后返回空氣處理機(jī)組（AHU）的冷卻盤管，從空氣系統(tǒng)中吸收熱量，從而冷卻空氣并滿足建筑的冷負(fù)荷需求。一種簡單的控制策略是：在電價(jià)較低時(shí)（通常是夜間）進(jìn)行蓄冷，在電價(jià)較高時(shí)（通常是下午）進(jìn)行放冷。圖2為原理示意圖，展示了蓄冷系統(tǒng)與冷水機(jī)組如何協(xié)同或獨(dú)立運(yùn)行以滿足建筑負(fù)荷。

結(jié)論

在本研究中，我們開發(fā)了五種不同的盤管蓄冰式熱能儲存（TES）水箱模型。其中一種是基于物理機(jī)制的簡單模型，另外四種則是利用真實(shí)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)構(gòu)建的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型。這些模型各有優(yōu)缺點(diǎn)，使其在不同應(yīng)用場景下的適用性也有所不同。對于本研究的TES系統(tǒng)，由于蓄冰量的變化是積分負(fù)荷的線性函數(shù)，且具備充足的數(shù)據(jù)，因此線性插值法是最佳的整體選擇。該方法無需對水的熱力學(xué)特性和TES的物理幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行假設(shè)，因此在許多方面比基于物理機(jī)制的模型更為簡單。此外，插值法的精度也幾乎總是優(yōu)于基于物理機(jī)制的模型。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）和高斯過程（GP）方法的實(shí)現(xiàn)比其他方法更為復(fù)雜，因此對本研究的TES系統(tǒng)而言適用性稍遜；但它們可能更適合更復(fù)雜的系統(tǒng)，特別是在需要模擬瞬態(tài)行為的情況下。對于該TES系統(tǒng)，盡管其大部分運(yùn)行過程處于線性區(qū)間，但如果需要模擬非線性數(shù)據(jù)，這些更復(fù)雜的方法則是必不可少的，因?yàn)樗鼈兌寄軐?fù)雜函數(shù)進(jìn)行建模。如果希望了解模型的不確定性，GP方法則具有獨(dú)特的優(yōu)勢。在所有情況下，對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)那逑炊际侨〉米罴呀Y(jié)果的關(guān)鍵。

本研究提出了幾個(gè)我們未能充分探討的問題，但它們可能值得在未來進(jìn)行研究。我們將數(shù)據(jù)從每10秒采樣一次降采樣至每10分鐘采樣一次。選擇這一時(shí)間跨度是基于實(shí)際觀察：在10秒內(nèi)，蓄冰量的變化不會超過測量的不確定度；但在10分鐘內(nèi)，如果積分負(fù)荷足夠大，其變化可能會超過該不確定度。未來應(yīng)進(jìn)一步研究不同的降采樣周期和降采樣技術(shù)（即選取第n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與使用降采樣周期內(nèi)的平均值）對模型精度的影響。此外，數(shù)據(jù)集中任何數(shù)據(jù)不平衡對模型的影響也是一個(gè)值得探討的問題。例如，在本文使用的數(shù)據(jù)中，積分負(fù)荷為零的出現(xiàn)頻率高于任何其他值，這種數(shù)據(jù)不平衡會產(chǎn)生怎樣的影響？

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