空调末端节能调控技术研究进展
2025-10-19

近年来,随着我国城市化进程的加快和人民生活水平的不断提高,建筑能耗持续攀升,其中空调系统能耗在公共建筑和大型商业建筑中占比高达40%以上。作为空调系统与室内环境直接交互的关键环节,空调末端设备的运行效率直接影响整体系统的能效水平。因此,开展空调末端节能调控技术的研究,对于实现建筑低碳运行、降低能源消耗具有重要意义。

空调末端主要包括风机盘管、变风量(VAV)系统、多联机室内机以及辐射板等装置,其主要功能是根据室内热湿负荷变化调节送风量或冷热量输出,以维持舒适环境。传统的末端控制多采用定风量或简单的启停控制,缺乏对实际需求的动态响应,导致“过供”或“欠供”现象频发,造成大量能源浪费。为此,近年来国内外学者围绕智能感知、动态调节和系统协同等方面展开了深入研究。

智能感知与负荷预测技术方面,现代空调末端越来越多地集成温湿度、CO₂浓度、人员活动等多源传感器,结合物联网技术实现实时数据采集。通过机器学习算法(如支持向量机、神经网络)对历史数据进行训练,可实现对室内热舒适需求的精准预测。例如,基于 occupancy detection 的控制策略可根据人员分布动态调整末端运行状态,避免无人区域的无效制冷或供热,节能潜力可达15%-30%。

动态调节策略优化方面,模糊控制、模型预测控制(MPC)等先进算法被广泛应用于末端设备的实时调控。传统PID控制虽结构简单,但在面对非线性、时变性强的空调系统时响应滞后、调节精度不足。而MPC通过建立系统动态模型,在考虑未来负荷变化和约束条件的前提下,求解最优控制序列,显著提升了调节的前瞻性和稳定性。研究表明,在VAV系统中引入MPC策略后,末端能耗平均下降约20%,同时室内温度波动减少30%以上。

此外,多末端协同控制成为当前研究热点。在大型建筑中,各末端设备往往独立运行,缺乏全局协调,易引发冷热抵消、风量失衡等问题。通过构建集中-分布式控制架构,利用BIM(建筑信息模型)与楼宇自控系统(BAS)集成,实现末端之间的信息共享与联动调节。例如,在办公区与会议室相邻的空间中,可通过协同调度避免因局部高负荷导致整个区域过度降温。部分研究还引入博弈论方法,平衡不同区域用户的舒适偏好与整体能效目标,提升系统综合性能。

值得注意的是,新型末端设备与节能技术的融合也推动了调控方式的革新。例如,冷梁系统利用自然对流与诱导通风原理,大幅降低风机能耗;辐射末端则通过墙体或天花板的辐射换热,实现更均匀的温度场分布,配合低品位冷热源使用,显著提升能源利用效率。针对此类系统,研究人员开发了基于PMV(预测平均投票)指标的自适应调控模型,能够在保证热舒适的前提下最小化能耗。

尽管空调末端节能调控技术取得了显著进展,但仍面临诸多挑战。首先是模型精度与计算复杂度的矛盾:高精度模型依赖大量参数标定,难以在实际工程中推广应用;而简化模型又可能牺牲控制效果。其次是用户行为不确定性带来的干扰,如开关门窗、遮阳操作等,影响系统预测准确性。此外,现有控制系统在跨平台兼容性、数据安全与隐私保护方面仍需完善。

展望未来,空调末端节能调控将朝着智能化、个性化与集成化方向发展。边缘计算与数字孪生技术的引入有望实现本地快速决策与系统虚拟调试;人工智能大模型的应用或将提升系统对复杂工况的自适应能力;而与可再生能源系统(如光伏、地源热泵)的深度耦合,则为构建零碳建筑提供了可行路径。

综上所述,空调末端节能调控技术正经历从被动响应到主动预测、从单点优化到系统协同的深刻变革。通过持续的技术创新与工程实践,不仅能够有效降低建筑运行能耗,还将为实现“双碳”目标提供强有力的技术支撑。未来的空调系统将不再是单纯的环境调节工具,而是集节能、舒适、智慧于一体的综合能源服务载体。

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