考虑热舒适、能耗成本与低碳的多联机空调三级约束组合优化策略：数值研究

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Combinatorial optimization strategy with three-tier constraints of multi-split air conditioners considering thermal comfort, energy cost, and low-carbon: A numerical investigation

　　# 摘要将多联机空调（MSAC）整合到电网-光伏（PV）混合系统中，为建筑脱碳提供了一条前景广阔的路径。然而，由于动态天气、多区域热舒适偏好与电网碳排放之间存在高度非线性耦合，协同优化MSAC的日均功率曲线仍面临挑战。为应对这些挑战，本文提出了一种受三级约束机制控制的新型组合优化策略，该策略明确考虑了热舒适度、能源成本和碳排放。该策略采用加权综合适应度函数，在能源经济学与热舒适度之间取得平衡；同时，通过局部决策约束协同调整电网-光伏供电比，以最小化运行碳强度。尤为关键的是，本文开发了一种高斯参数拟合方法来表征输入变量的随机特征，将物理状态变化转化为解耦的数学调整，从而简化敏感性分析。案例研究表明，基于理想温度曲线提出的温度带方法可实现日均能源成本降低12.17%~16.62%。此外，与传统纯电网模式相比，混合供电模式带来了显著的碳减排效益。具体而言，将最大光伏发电量从600 W提升至1600 W，单日CO?减排量从1.08 kg提高至1.24 kg。对不同影响因素的分析为该策略在不同应用场景中的性能提供了全面洞察，从而指导家庭MSAC的选型并完善组合优化策略。# 引言**1. 背景**能源短缺与环境污染日益受到全球关注，可持续发展已成为当代社会发展的关键优先事项。据报道，建筑占全球能源消耗的32%和化石燃料CO?总排放量的34% [1]，而家庭最终能源消耗中有50%用于制冷和供暖 [2]。为实现城市可持续发展，迫切需要减少建筑能源浪费并提高住宅建筑中可再生能源的使用比例 [3,4]。**2. 多联机空调的优势**随着全球气温升高，家庭环境控制需求迅速增长 [5]。已有研究表明，不适宜的室内温度会对人体身心健康产生负面影响，包括工作效率、学习效率甚至死亡率 [6]。随着社会发展和生活水平的不断提高，传统中央空调系统难以同时满足不同房间类型和多样化居住用户群体的独特环境控制需求。相比之下，多联机空调（MSAC）凭借其局部分区温度控制能力得到了广泛应用。MSAC系统由室外机和多台室内机组成，通过采用电子膨胀阀（EEV）和变频压缩机实现精确的系统控制 [7]。MSAC具有诸多优势：首先，它提供高运行灵活性，因为每台室内回路单元都可独立控制；配备变频压缩机的系统能够在不同室内和环境条件下高效匹配制冷能力与热负荷。其次，与中央空调系统相比，MSAC在管路系统中的能量损失更低且能效更高 [8]。第三，Francisco等 [9] 发现热分区控制可显著提高建筑不同区域的舒适度并减少能耗。因此，凭借其可调节的多回路制冷能力实现热分区控制的MSAC，已逐渐取代灵活性有限的传统中央空调系统。**3. 现有研究现状**基于上述MSAC的优势，大量研究致力于MSAC与其他环境控制系统的耦合与集成、能源使用的经济性评估、智能负荷预测与控制以及优化策略，旨在提升MSAC的整体性能。具体而言，MSAC与新风处理机组的耦合研究 [10,11] 解决了MSAC传统上仅循环室内空气、无法引入新风和调节室内空气质量的问题。在能源经济性评估方面，Kim等 [12] 对配备并网光伏发电MSAC系统的净零能耗建筑（NZEB）在不同美国气候条件下进行了生命周期成本分析（LCCA），发现年场地能源使用强度、现场发电能力和气候特定成本因素显著影响NZEB的生命周期成本。此外，将负荷预测模型嵌入智能控制算法能够实现主动且灵活的负荷控制，在保持室内温度稳定的同时将功耗约束在目标水平内。优化策略研究可为MSAC各回路提供指定优化目标下的最佳温度设定值。代表性成果包括以经济效益最大化为目标的MSAC优化运行 [13]、平衡热舒适与节能的无模型控制框架 [14]，以及综合考虑室内环境参数、热舒适指数和能源性能的综合最优调度 [15]。**4. 研究空白与本文贡献**当前对MSAC系统优化的研究通常局限于固定的室内温度、风速和湿度参数 [16,17]，无法适应住宅环境复杂且动态变化的需求。此外，尽管许多研究聚焦于MSAC的能效优化，但专门针对其碳减排性能的研究仍十分匮乏。事实上，随着低碳技术的不断进步和可持续发展需求的日益紧迫，家庭本地光伏（PV）与集中式电网的混合能源供应模式已逐渐成为主流。在对MSAC系统运行进行综合最优调度时，必须考虑该混合模式下电源选择带来的碳减排效益，以及传统的能耗和热舒适度。此外，节能、热舒适和低碳排放等多个优化目标本质上相互冲突且互斥。因此，如何通过多目标权衡分析实现最佳整体系统性能，仍是亟待解决的关键挑战。针对上述研究空白，本文提出了一种新型组合优化策略。一方面，该策略兼顾了不同用户群体和房间类型的多样化环境控制需求；另一方面，在本地住宅光伏与集中式电网相结合的混合能源供应模式下优化了节能与碳减排效益之间的平衡。所提出的组合优化策略包含加权综合适应度函数和三级约束框架。具体而言，适应度函数包含两个维度：热舒适评估和能耗成本；三级约束框架由边界约束、热状态转移约束和策略约束组成。在策略约束中，集成了低碳能源使用决策机制，以增强MSAC的碳减排性能。鉴于遗传算法在多目标优化领域的优异表现 [18,19,20]，本文选用实数编码遗传算法作为求解算法。同时，引入了一种通过高斯函数拟合的参数化输入表征方法来表示环境和行为输入特征。与直接使用原始未经拟合的数据集不同，这种数学映射方法通过调整特定系数来表示物理状态的变化，从而简化了对优化输出中输入变动的追踪。最终，系统研究了目标函数权重、太阳辐射条件和不同应用场景对优化结果的影响。优化后的日均功率分布结果可作为MSAC系统实际运行的预设配置，从而在提升用户舒适度的同时实现能源成本降低和CO?排放减少。# 章节摘要## MSAC优化问题的描述选择由公用电网和本地住宅光伏系统组成的混合能源供应驱动的多联机空调（MSAC）系统作为优化对象。其配置与应用场景如图1所示。从能源供应角度看，电网的单位能源成本在一天中的不同时段有所变化，而本地住宅光伏系统仅在白天运行，其日发电量随太阳辐射的变化而波动。## 仿真设计与主要参数MSAC的运行优化在Python平台上进行仿真。优化周期为24小时，时间间隔为300秒。一个包含三间卧室和一个客厅的典型住宅布局作为MSAC运行优化仿真的基准应用场景。所研究的MSAC系统配置包含四个室内回路，用于调节客厅（房间0）和三间卧室（房间1~3）的室内热环境。详细结构……## 结论本文创新性地提出了考虑热舒适需求、能源成本和低碳的具有三级约束的MSAC组合优化策略，并构建了相应的数学模型。优化结果通过三个指标进行评估：日均能源成本、日均CO?减排量以及优化后室内温度与理想温度之间的收敛性。基于理想温度曲线提出的温度带方法……## CRediT作者贡献声明**席燕奥铭：** 写作——审阅与编辑，写作——原稿撰写，软件，方法学，调查研究，形式化分析。**蒋海浩：** 监督，资源，项目管理，概念构思。**李振宇：** 写作——审阅与编辑，资源，数据管理。**李云泽：** 写作——审阅与编辑，方法学，资金获取。**常凯丰：** 验证，调查研究。**陈雅辉：** 验证，调查研究。**徐嘉璐：** 可视化。**司晓雅：** 验证。---**作者：** 席燕奥铭 | 蒋海浩 | 李振宇 | 李云泽 | 常凯丰 | 陈雅辉 | 徐嘉璐 | 司晓雅**单位：** 北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191，中国