[论文解读] Distributed Control of Multi-zone HVAC Systems Considering Indoor Air Quality

Yu Yang, Seshadhri Srinivasan+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2020

Building Energy and Comfort Optimization参考文献 32被引用 4

一句话总结

本文提出了一种两级分布式控制方法（TLDM），用于多区域暖通空调（HVAC）系统，通过联合优化热舒适度与以CO2水平表示的室内空气质量（IAQ），同时最小化能耗成本。通过在分层分布式计算框架下将热舒适度控制与IAQ调控解耦，TLDM在保证IAQ合规的前提下实现了接近最优的节能效果，相比集中式和现有分布式方法，节能效率提高了8–10%。

ABSTRACT

This paper studies a scalable control method for multi-zone heating, ventilation and air-conditioning (HVAC) systems to optimize the energy cost for maintaining thermal comfort and indoor air quality (IAQ) (represented by CO2) simultaneously. This problem is computationally challenging due to the complex system dynamics, various spatial and temporal couplings as well as multiple control variables to be coordinated. To address the challenges, we propose a two-level distributed method (TLDM) with a upper level and lower level control integrated. The upper level computes zone mass flow rates for maintaining zone thermal comfort with minimal energy cost, and then the lower level strategically regulates zone mass flow rates and the ventilation rate to achieve IAQ while preserving the near energy saving performance of upper level. As both the upper and lower level computation are deployed in a distributed manner, the proposed method is scalable and computationally efficient. The near-optimal performance of the method in energy cost saving is demonstrated through comparison with the centralized method. In addition, the comparisons with the existing distributed method show that our method can provide IAQ with only little increase of energy cost while the latter fails. Moreover, we demonstrate our method outperforms the demand controlled ventilation strategies (DCVs) for IAQ management with about 8-10% energy cost reduction.

研究动机与目标

• 为应对日益增长的对节能型HVAC控制的需求，同时维持热舒适度与室内空气质量（IAQ），特别是CO2水平。
• 解决多区域HVAC系统中耦合动力学与控制变量带来的计算复杂性问题。
• 开发一种可扩展的分布式控制框架，确保IAQ合规性而不牺牲能效。
• 证明联合优化热舒适度与IAQ可显著降低能耗，相比传统策略具有明显优势。

提出的方法

• 该方法采用两级分布式架构：上层控制（ULC）计算各区域风量，以在最小能耗成本下实现热舒适度。
• 下层控制（LLC）调节各区域风量与通风率，以满足IAQ约束，同时保持ULC的能效特性。
• ULC与LLC均采用分布式优化技术，实现大型多区域系统中的可扩展性与计算效率。
• ULC通过求解凸优化问题，最小化能耗成本，同时满足热舒适度约束。
• LLC通过根据实时CO2水平与人员密度动态调节新风量，确保IAQ合规。
• 该方法利用问题结构实现热舒适度与IAQ控制的解耦，从而支持高效、分布式计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 分布式控制框架是否能在保证IAQ合规的前提下，实现多区域HVAC系统接近最优的节能效果？
• RQ2 所提出的两级分布式方法在能效与IAQ性能方面，相较于集中式与现有分布式控制策略有何差异？
• RQ3 在HVAC系统中集成CO2控制时，能耗成本与IAQ合规性之间的权衡关系如何？
• RQ4 TLDM的分层结构相比集中式方法，在可扩展性与计算效率方面有何提升？
• RQ5 TLDM在保持IAQ合规的前提下，相比需求控制通风（DCV）策略在节能方面优势有多大？

主要发现

• TLDM在能耗成本方面接近最优，与集中式最优解相比的次优间隙约为4%。
• 在50个区域的仿真中，TLDM相比仅依赖人员密度进行通风的DCV策略，总能耗成本降低了8–10%。
• TLDM成功将所有区域的CO2浓度维持在0–800 ppm的目标范围内，即使在高密度人员时段也未超标。
• 由于采用分布式实现，该方法展现出优越的可扩展性与计算效率，计算时间显著低于集中式方法。
• 与DTBSS方法不同，后者无法保证IAQ合规，TLDM在仅带来微小能耗增加的前提下，同时实现了IAQ合规与节能。
• TLDM中的通风率能动态匹配人员活动模式——在高密度时段增加，低峰时段减少，从而实现高效的IAQ管理。