基于负荷预测的超高层建筑供水系统能耗综合优化方法

裴 婷

（浙江大学建筑设计研究院有限公司，杭州 310028）

超高层建筑建设越来越多，实现超高层建筑供水系统的优化控制受到人们的关注［1-5］.文献［6］结合某超高层建筑设计案例对重力给水系统的相关技术进行比较，并提出超高层建筑给水系统方案选择建议，但是其供水系统的输出能耗开销没有实现均衡调度；文献［7］采用水泵-高位水箱联合供水和变频水泵供水两种方式联合优化供水组合方案，根据超高层建筑给水系统能耗计算公式，并采用简化方式计算给水系统能耗的方法，但其对超高层建筑供水系统能耗控制的适应性不好；文献［8］针对高层建筑的给排水设计，总结出为给水系统能耗分析提供一种量化计算方法，为给排水设计工作提供参考借鉴，但是其整体节能控制能力不强.

针对上述问题，本文提出基于负荷预测的超高层建筑供水系统能耗综合优化方法，其理论优越性为：在超高层建筑供水系统的固体相及各流体相线弹性变形分布下实现负荷预测，根据负荷预测结果实现超高层建筑供水系统能耗的弹性柔度张量分析和量化特征分解，实现供水系统的能耗综合估计和自适应控制.

1 超高层建筑供水系统的能耗参数采集和传感节点部署

1.1 超高层建筑供水系统的能耗参数采集

为了实现基于负荷预测的超高层建筑供水系统能耗综合参数采集，采用水流强度传感节点优化部署结构，结合水流传感节点综合部署的方法［9-10］，进行超高层建筑供水节点优化，得到超高层建筑供水系统的节点部署结构如图1所示.

图1 超高层建筑供水系统的节点部署结构Fig.1 Node deployment structure of super high-rise building water supply system

根据图1所示的超高层建筑供水系统的节点部署结构，采用综合能耗控制决策的方法，分析超高层建筑供水系统的水流进出参数，建立单相饱和各向同性参数控制模型［11］，得到超高层建筑供水系统能耗综合控制的节点分布特征，采用各向异性多孔介质融合的方法，得到输出有效应力为：

其中：E(t)表示超高层建筑供水系统能耗综合控制的初始能量；E表示超高层建筑供水系统能耗综合控制的衰减系数.采用各向异性多重孔隙输出控制的方法，得到超高层建筑供水系统节能优化代价模型为：

其中：l()e为超高层建筑供水系统能耗综合控制的负载；la表示多相非饱和各向流量；结合能量阈值控制，得到超高层建筑供水系统能耗综合决策的负载，用fr表示；根据l()e过载程度不同，采用负荷预测和均衡调度的方法，得到超高层建筑供水系统的能耗综合调度模型，用R来表示.采用有效应力特征分析的方法，构建超高层建筑供水系统能耗负荷均衡调度模型，采用模糊控制方法构建超高层建筑供水系统能耗综合决策的控制律，实现能耗参数采集［12-15］.

1.2 各向异性多孔介质的节点部署

采用多相非饱和各向异性多重孔隙分析的方法，分析超高层建筑供水系统的水流传输中间节点分布结构［16-17］，引入等效饱和状态分析的方法，得到超高层建筑供水系统的能耗为：

其中：zv为超高层建筑供水系统能耗综合控制节点的能量分配参数；ed为流体的孔隙特征分量.根据节点剩余度规则［18-20］，设计超高层建筑供水系统能耗综合优化控制的框架结构如图2所示.

图2 超高层建筑供水系统能耗综合优化控制的框架结构（单位：mm）Fig.2 Framework structure for comprehensive optimization control of energy consumption of super high-rise building water supply system

根据图2所示的超高层建筑供水系统能耗综合优化控制的框架结构，采用换算截面法，得到超高层建筑供水系统的应变硬化区域应力值等集结果［21］，进行热量均衡控制下的超高层建筑供水系统水流强度传感节点优化融合［22］，得到Ⅱ型应力分布成立的条件下控制目标函数为：

其中：Vi(e)表示超高层建筑供水系统的弹性区域及高度、节点ni的超高层建筑供水系统的接收能量；Va表示超高层建筑供水系统的剩余能量值.在平均阻力系数小于单圆柱体下，得到剪切层交互作用的目标函数为：

其中：Sir是超高层建筑供水的平均升力.在涡脱强度增大的条件下，得到两个圆柱表面平均水压为：

其中：Nir是第r轮超高层建筑供水系统能耗综合控制的覆盖点集.通过阻力系数约束，得到超高层建筑供水系统的负荷预测输出为：

其中：q()s为负荷预测的最优解特征量参数；bu为供水系统特征参数.根据超高层建筑供水系统能耗的多相等效饱和特征分布，实现负荷均衡调度和优化预测［23-26］.

2 超高层建筑供水系统能耗综合控制设计

其中：wf为建立流体动力黏度预测模型参数；z(s)为时间步长得到控制的方法参数.在超高层建筑供水系统的固体相及各流体相线弹性变形分布下，实现负荷预测，预测输出为：

其中：pk、pi为超高层建筑供水系统能量函数.选用自由流出边界约束的方法，得到供水系统的能耗综合控制函数表示如下：

其中：nj为负荷预测特征量；ζ(u)为供水系统优化控制参数.通过上述设计实现超高层建筑供水系统能耗的弹性柔度张量分析和量化特征分解，进行超高层建筑供水系统的能耗调度和优化设计，进而根据负荷预测结果实现供水系统的能耗综合估计和自适应控制.

3 实验测试

根据世界超高层建筑学会的新标准，以某市摩天指数为459.93的超高层建筑为例，进行实验测试.实验中，设定超高层建筑供水系统能耗检测的传感节点数为54，供水系统的孔隙介质传递系数为0.35，水流液相的压力为200 MPa，超高层建筑供水管道圆柱的阻力系数为0.73，超高层建筑供水系统的力学参数拟合值见表1.

表1 超高层建筑供水系统的力学参数拟合值Tab.1 Mechanical parameters of super high-rise building water supply system

根据表1对超高层建筑供水系统的力学参数检测结果进行超高层建筑供水系统的负荷预测，得到负荷预测的分析结果如图3所示.

图3 超高层建筑供水系统的负荷预测分析结果Fig.3 Load prediction analysis results of super high-rise building water supply system

分析图3得知，本文方法能有效实现对超高层建筑供水系统的负荷预测，所以本方法可以通过正确评估间隙流所受的挤压特征，实现对供水系统的能耗综合决策，测试供水系统的水流加速度，得到测试结果如图4所示.

图4 供水系统的水流加速度测试Fig.4 Water flow acceleration test of water supply system

分析图4得知，通过对超高层建筑供水系统的优化设计，提高了供水系统的水流加速度，降低了能量开销，这是因为构建了超高层建筑供水系统的能耗优化控制模型，通过对供水系统的绿色施工设计，实现超高层建筑供水系统的优化控制.

以图4的加速度测试结果为例进行能耗综合优化的模型参数分析，得到分析结果如表2所示.

表2 模型参数分析Tab.2 Model parameter analysis

分析表2得知，本文方法对超高层建筑供水系统能耗优化控制的收敛性较好，决策水平较高，这是因为本文采用时间步长得到控制的方法，在超高层建筑供水系统的固体相及各流体相线弹性变形分布下，实现负荷预测和能耗控制.

4 结语

本文提出基于负荷预测的超高层建筑供水系统能耗综合优化方法，以超高层建筑供水系统的水流传输中间节点分布集和供水系统的固体相及各流体相线弹性变形分布模式，建立流体动力黏度预测模型，提高了供水系统的水流加速度，降低了能量开销，模型力学参数拟合程度高，收敛性较强.