一种建筑热舒适模型预测控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种建筑热舒适模型预测控制方法及系统，针对建筑空间与周围环境的热交换建立湿热平衡方程以及墙体的温度的状态参数方程，通过优化数学模型问题求解房间温度与湿度比，最后对状态空间模型进行求解，通过已建立的输入输出状态空间参数以及预测控制器获得PMV值和功率消耗值。可实现楼宇建筑空间的自动化预测控制，可以快速实时的针对多目标优化；以热舒适为主，节省6％的能源。节省6％的能源。节省6％的能源。

【技术实现步骤摘要】
一种建筑热舒适模型预测控制方法及系统


[0001]本专利技术属于暖通空调系统控制
，具体涉及一种建筑热舒适模型预测控制方法及系统。

技术介绍

[0002]多年来，建筑物的能源消耗一直在稳步增长，占发达国家总能源使用量的20％至40％。其中一半以上用于空调和机械通风系统以维持可接受的室内条件。建筑能源消耗所占比例之大，需要通过技术发展来提高建筑能源效率。
[0003]目前空调系统中通常所存在的问题之一是很少涉及潜在负荷和人体热舒适度，而建筑中，空调机械通风系统的潜在负荷占年能耗的很大一部分，湿度也是预测平均投票(PMV)热舒适指数的关键因素。如果在预测模型中同时包含湿度和热舒适性指数，可有效实现最佳建筑节能和室内热舒适性。同时保持PMV值在0.5左右，处于舒适范围的上限。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种建筑热舒适模型预测控制方法及系统，用于预测室内温度、湿度和热舒适度，以实现控制器控制的室内环境。采用RC模型来表示建筑物内的综合热湿动态，以减少状态参数。机械通风系统中的传热和除湿过程以及PMV指标计算模型通过理论模型中非线性项的近似线性化。能够应用于具有物理意义的建筑图，直接采用状态空间模型，而不是通过测量大量输入/输出数据来训练黑色或灰色模型。
[0005]本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种建筑热舒适模型预测控制方法，包括以下步骤：
[0007]S1、根据房间空间通过建筑围护结构与周围环境进行的热交换过程，建立房间的湿度和热量平衡方程；
[0008]S2、基于步骤S1的热交换过程，采用二阶RC模型描述建筑围护结构中的传热过程，把房间墙体，屋顶和地板系统模拟为电气模型，得到墙体的温度状态参数方程；
[0009]S3、考虑室内外温差引起的传导热量增益以及玻璃窗透射的太阳能热量增益，建筑内表面吸收的太阳热量通过辐射进行分布，建立玻璃窗系统的热量传递模型；
[0010]S4、当空调机器通风系统运行时，送风相对湿度为100％，对混合空气和风机盘管之间的热量传递建立通风系统的数学模型，同时考虑混合空气的质量流量、温度和湿度比；
[0011]S5、基于步骤S3玻璃窗系统的热量传递与步骤S4中通风系统的数学模型，考虑布料系数、居住者的代谢率、居住者的外部功和房间压力，在办公环境中，基于人体热舒适列出PMV方程；
[0012]S6、基于步骤S1的房间湿度和热量平衡方程和步骤S2的墙体温度状态参数方程，考虑室内空气温度，湿度比以及建筑围护结构的总温度得到关于建筑房间的一阶动力学方程，根据输入条件和状态变量通过一阶代数方程计算输出参数室内空气温度、室内湿度比
和步骤S5的PMV方程，将步骤S1和步骤S2数学模型转换为状态空间的形式；
[0013]S7、基于步骤S6中的一阶代数方程定义针对办公楼控制MPC控制器目标函数，产生最佳供应冷却功率以实现建筑环境内的的热舒适性和楼宇节能。
[0014]具体的，步骤S1中，房间的湿度和热量平衡方程建模如下：
[0015][0016][0017]其中，Q是热量，是盘管内的介质流速，T、ψ分别表示温度和湿度，inte指房间内部，z指热区；指房间内人员的湿度负荷，为从空调机械通风系统获得的湿度，Q
inte
，Q
ACMV
分别表示内部显热增益以及空调机械通风系统带来的热量。
[0018]具体的，步骤S2中，RC模型包括两个聚集体的两个热电容，三个聚集体的导热电阻和两个表面与空气之间的表面热电阻。
[0019]具体的，步骤S3中，玻璃窗系统的热量传递模型的目标是使所描述的室温平方和误差最小化，具体为：
[0020][0021]其中，T
z,set
,T
z,exp
分别表示模拟室温和测量室温。
[0022]具体的，步骤S4中，混合空气与风机盘管之间的热量传递建立数学模型为：
[0023][0024]其中，Q
cc
为传递过程的热量损耗，为通风系统中水的流速，C
air
为空气热容，C
vap
为水蒸气热容，ψ
ma
为风机盘管湿度，T
ma
为风机盘管温度，T
sa
为混合空气的温度，ψ
sa
为混合空气的湿度比，下标ma、vap、sat和cc分别为风机盘管中的混合空气、水蒸气、饱和的冷却盘管，L为水凝结比潜热。
[0025]具体的，步骤S5中，PMV方程如下：
[0026]PMV＝0.153T
Z
+0.142T
mr
+35.71ψ
z
‑
88.34
[0027]其中，T为温度，ψ为湿度，下标mr指平均辐射，z代表热区。
[0028]具体的，步骤S6中，输出参数，室内空气温度、室内湿度比和PMV，根据输入u和状态x，通过一阶代数方程计算如下：
[0029][0030]其中，y、C和D分别是输出向量、输出矩阵和馈通矩阵，下标l是输出的索引，D
l,k
为输出索引的馈通矩阵，n
x
为状态变量的数量。
[0031]进一步的，一阶动力学方程转换为状态空间方程：
[0032][0033]其中，x是一个状态向量，u是由天气条件、内部增益和空调机械通风系统控制变量组成的输入向量，A和B是用于计算状态变化率的状态矩阵和输入矩阵，n表示变量的数量，下标i、j和k表示状态和输入的索引。
[0034]具体的，步骤S7中，MPC控制器的目标函数J为：
[0035][0036]其中，N为总的变量数量，为t+k|t时刻运行能耗，为t+k|t时刻舒适度指数值，和分别表示归一化的冷却能耗和PMV指数，且
[0037][0038][0039]其中，W
PMV
表示室内热舒适显著性权重因子，PMV
max
和PMV
min
表示PMV指数的上限和下限，为PMV指数；Q
max
和Q
min
表示风机盘管制冷量的上限和下限。
[0040]本专利技术的另一技术方案是，一种建筑热舒适模型预测控制系统，包括：
[0041]热交换模块，根据房间空间通过建筑围护结构与周围环境进行的热交换过程，建立房间的湿度和热量平衡方程；
[0042]模拟模块，基于热交换模块的热交换过程，采用二阶RC模型描述建筑围护结构中的传热过程，把房间墙体，屋顶和地板系统模拟为电气模型，得到墙体的温度状态参数方程；
[0043]分布模块，考虑室内外温差引起的传导热量增益以及玻璃窗透射的太阳能热量增益，建筑内表面吸收的太阳热量通过辐射进行分布，建立玻璃窗系统的热量传递模型；
[0044]通风模块，当空调机器通风系统运行时，送风相对湿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种建筑热舒适模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据房间空间通过建筑围护结构与周围环境进行的热交换过程，建立房间的湿度和热量平衡方程；S2、基于步骤S1的热交换过程，采用二阶RC模型描述建筑围护结构中的传热过程，把房间墙体，屋顶和地板系统模拟为电气模型，得到墙体的温度状态参数方程；S3、考虑室内外温差引起的传导热量增益以及玻璃窗透射的太阳能热量增益，建筑内表面吸收的太阳热量通过辐射进行分布，建立玻璃窗系统的热量传递模型；S4、当空调机器通风系统运行时，送风相对湿度为100％，对混合空气和风机盘管之间的热量传递建立通风系统的数学模型，同时考虑混合空气的质量流量、温度和湿度比；S5、基于步骤S3玻璃窗系统的热量传递与步骤S4中通风系统的数学模型，考虑布料系数、居住者的代谢率、居住者的外部功和房间压力，在办公环境中，基于人体热舒适列出PMV方程；S6、基于步骤S1的房间湿度和热量平衡方程和步骤S2的墙体温度状态参数方程，考虑室内空气温度，湿度比以及建筑围护结构的总温度得到关于建筑房间的一阶动力学方程，根据输入条件和状态变量通过一阶代数方程计算输出参数室内空气温度、室内湿度比和步骤S5的PMV方程，将步骤S1和步骤S2数学模型转换为状态空间的形式；S7、基于步骤S6中的一阶代数方程定义针对办公楼控制MPC控制器目标函数，产生最佳供应冷却功率以实现建筑环境内的的热舒适性和楼宇节能。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，房间的湿度和热量平衡方程建模如下：模如下：其中，Q是热量，是盘管内的介质流速，T、ψ分别表示温度和湿度，inte指房间内部，z指热区；指房间内人员的湿度负荷，为从空调机械通风系统获得的湿度，Q
inte
，Q
ACMV
分别表示内部显热增益以及空调机械通风系统带来的热量。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，RC模型包括两个聚集体的两个热电容，三个聚集体的导热电阻和两个表面与空气之间的表面热电阻。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，玻璃窗系统的热量传递模型的目标是使所描述的室温平方和误差最小化，具体为：其中，T
z，set
，T
z，exp
分别表示模拟室温和测量室温。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，混合空气与风机盘管之间的热量传递建立数学模型为：其中，Q
cc
为传递过程的热量损耗，为通风系统中水的流速，C
air
为空气热容，C
vap
为水
蒸气热容，ψ
ma
为风机盘管湿度，T
ma
为风机盘管温度，T
sa
为混合空气的温度，ψ
sa
为混合空气的湿度比，下标ma、vap、sat和cc分别为风机盘管中的混合空气、水蒸气、饱和的冷却盘管，L为水凝结比潜热。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，PMV方...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵安军，张萌芝，于军琪，杨航杰，焦阳，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：