基于热互感理论的离线建筑能源仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于热互感理论的离线建筑能源仿真方法，包括：结合温湿度传感器系统与建筑设计图获取公共建筑的结构信息，并对整个建筑空间进行区域划分；根据OPC UA协议与建筑本地控制系统建立通信，实时采集每分钟温湿度变化，监控中央空调系统制冷量以及室外天气条件；运用自然蒸汽蓄热分析与热互感分析法初步分析数据；拟合考虑冷热空气交互以及历史温湿度情况的建筑的热阻

【技术实现步骤摘要】
基于热互感理论的离线建筑能源仿真方法


[0001]本专利技术涉及建筑能源系统仿真
，尤其涉及一种基于热互感理论的离线建筑能源仿真方法。

技术介绍

[0002]建筑空调系统仿真与模拟是空调节能研究的重要工具之一，基于物理的建筑模拟计算可以帮助分析与预测空调电能消耗与运行成本。通常来讲，建筑能源仿真技术会同时考虑空间人流、光照、插座以及空间热特性来推算出建筑冷热负荷，而冷热负荷的准确计算可以帮助更好地衡量空调系统的节能潜力。
[0003]建筑能源仿真方法通常分为三类，分别是白箱模型、黑箱模型与灰箱模型。白箱模型通常指考虑到建筑物的几何形状、建筑材料和照明并且利用直观的数学物理公式表达的仿真模型；黑箱模型使用数据来模拟能源；而灰盒模型属于混合方法，其结合了白箱模型和黑箱模型的元素。黑箱模型，如人工神经网络，具有极高的准确性，但一般不具有可解释性。白箱模型纯粹基于物理公式来建立仿真模型，这使得模型内容更容易理解，但往往牺牲了准确性，并且计算过程复杂。灰箱模型则试图将二者的优势结合在一起，兼顾准确性、可解释性与轻便性。在诸多灰箱模型的具体方法中，最具代表性的是RC模型。RC模型也称热阻
‑
热容模型，它把物体的热学性质抽象为一个电路模型，其中热阻的作用用电阻来表示，热容的作用用电容来表示。该模型通过对温度随时间变化的分析，估算出物体内部的热流，并对外界环境对物体温度的影响作出预测。在实际应用中，RC模型通过温度节点来描述传热过程，通常来讲，节点越多说明空间被划分的越细，模型也就越复杂。然而RC模型的作用存在一定局限性，它通常为了简化而将非线性传热方程线性化，这可能导致不准确的结果。此外，仅仅根据建筑物的施工细节或者历史数据来估计RC模型的参数是具有挑战性的。同时，RC模型通常依赖统计学回归方法，而回归模型通常不能为参数数值范围提供物理依据，大大降低了RC模型的可靠性。
[0004]目前类似RC模型的建筑能源仿真技术存在一定的理论上的缺陷：1、当前的模型理论无法针对空间分区之间的热量传递提供解释，具体而言，RC模型无法对相互之间不存在墙体或门的两个互通空间的相互热量传递提供定性与定量分析。2、RC模型主要依赖统计学拟合方法来获取建筑热特性，很少为热容与热阻的取值范围提供参考值，并主要追求拟合准确度，无法保证拟合出来的数值具备准确的物理意义。
[0005]此外，类似RC模型的建筑能源仿真技术也存在应用方面的缺陷：1、大部分RC模型的建模方式依赖布置于墙体内外两侧的温度传感器来统计围护结构的热阻(相当于室外环境向室内传递热量的热阻)，然而大部分建筑施工时并没配置对应的传感器，导致此类方案通常只能在小型实验室实践。2、类似技术不提供可以将RC模型真正部署于实际场景的方法，难以对模型的建立流程、数据的通信交互、模型的运营维护等提供有效的指导，导致能源仿真技术与真实场景存在一定距离。此外，仅依靠热容与热阻两个参数不能表征空间分区之间的热量传递，导致在建筑内部存在空间分区时温度分布的计算不够准确。
[0006]因此，本领域的技术人员致力于提供一种基于热互感理论的离线建筑能源仿真方法，基于建筑不同空间分区内的传感器确定对象空间与其互通的近邻空间之间的热容、热阻与热互感，并在此基础上进一步提出能源仿真的建模
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部署
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维护三阶段方法，从而保障RLC模型的长期有效性。

技术实现思路

[0007]有鉴于现有技术上的缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何提供一种基于热互感理论的离线建筑能源仿真方法。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于热互感理论的离线建筑能源仿真方法，包括以下步骤：
[0009]步骤S1：结合温湿度传感器系统与建筑设计图获取公共建筑的结构信息，并对整个建筑空间进行区域划分；
[0010]步骤S2：根据OPC UA协议与建筑本地控制系统建立通信，实时采集每分钟温湿度变化，监控中央空调系统制冷量以及室外天气条件；
[0011]步骤S3：采用自然蒸汽蓄热分析与热互感分析法初步分析数据；
[0012]步骤S4：拟合考虑冷热空气交互以及历史温湿度情况的建筑的热阻
‑
热容
‑
热互感综合热交互数字模型；
[0013]步骤S5：将数字模型以可运行代码的形式轻量化部署于建筑本地服务器内运行；
[0014]步骤S6：通过误差指标R2评价热交互模型对温度变化的仿真模拟效果。
[0015]优选地，步骤S1中，所述结构信息包括建筑的功能分区、立面、朝向、采光条件、热桥位置信息。
[0016]进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：
[0017]步骤S21：根据OPC UA协议读取参数实际数值，包括：不同分区温湿度、中央空调末端进出水温、室外天气在建筑本地的交互地址；
[0018]步骤S22：将数据实时存储于本地数据库中。
[0019]进一步地，步骤S3中，根据前一时刻净得热量乘以相对湿度变化，来量化从分区空间角度的热量传递，并定义为热互感系数L。
[0020]进一步地，步骤S4中，净得热量以及历史温湿度为输入，用未来温度作为预测输出，净得热量来自建筑热源与冷源输出之差。
[0021]进一步地，步骤S4中，数字模型的单个空间内的温度变化计算方式为：
[0022][0023]△
k
T
inter
＝T
inter,i,k
‑
T
k
[0024]△
k
T
out
＝T
out,k
‑
T
k
[0025]△
k
I
inter,i
＝I
inter,i,k
‑
I
inter,i,k
‑1[0026]△
k
RH
inter,i
＝RH
inter,i,k
‑
RH
inter,i,k
‑1[0027]式中，k表示时刻，C为建筑空间的热容，α是空调冷量输出在空间的无量纲分布系数:R
inter,i
是对象空间与其近邻互开空间i之间的热阻，L
inter
‑
>i
为从对象空间向其近邻互开空间i之间的热互感，T
k
为空间在k时刻的温度，I
net,k
为在k和k
‑
1之间的时间内获得的净得热量，τ是时间间隔的长度，R
ext
是对象空间与室外空气之间的热阻，M是与对象空间互通的空间数量，RH
inter,i,k
是与对象空间互通的邻近空间i在k时刻的相对湿度，I
inter,i,k
是与对象空间互通的邻近空间i在k时刻的净得热量。
[0028]进一步地，夏季时，建筑热源包括乘客人体散本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于热互感理论的离线建筑能源仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：结合温湿度传感器系统与建筑设计图获取公共建筑的结构信息，并对整个建筑空间进行区域划分；步骤S2：根据OPC UA协议与建筑本地控制系统建立通信，实时采集每分钟温湿度变化，监控中央空调系统制冷量以及室外天气条件；步骤S3：采用自然蒸汽蓄热分析与热互感分析法初步分析数据；步骤S4：拟合考虑冷热空气交互以及历史温湿度情况的建筑的热阻
‑
热容
‑
热互感综合热交互数字模型；步骤S5：将数字模型以可运行代码的形式轻量化部署于建筑本地服务器内运行；步骤S6：通过误差指标R2评价热交互模型对温度变化的仿真模拟效果。2.如权利要求1所述的基于热互感理论的离线建筑能源仿真方法，其特征在于，步骤S1中，所述结构信息包括建筑的功能分区、立面、朝向、采光条件、热桥位置信息。3.如权利要求1所述的基于热互感理论的离线建筑能源仿真方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：步骤S21：根据OPC UA协议读取参数实际数值，包括：不同分区温湿度、中央空调末端进出水温、室外天气在建筑本地的交互地址；步骤S22：将数据实时存储于本地数据库中。4.如权利要求1所述的基于热互感理论的离线建筑能源仿真方法，其特征在于，步骤S3中，根据前一时刻净得热量乘以相对湿度变化，来量化从分区空间角度的热量传递，并定义为热互感系数L。5.如权利要求1所述的基于热互感理论的离线建筑能源仿真方法，其特征在于，步骤S4中，净得热量以及历史温湿度为输入，用未来温度作为预测输出，净得热量来自建筑热源与冷源输出之差。6.如权利要求5所述的基于热互感理论的离线建筑能源仿真方法，其特征在于，步骤S4中，数字模型的单个空间内的温度变化计算方式为：
△
k
T
inter
＝T
inter,i,k
‑
T
k
△
k
T
out
＝T
out,k
‑
T
k
△
k
I
inter,i
＝I
inter,i,k
‑
I
inter,i,k
‑1△
k
RH
inter,i
＝RH
inter,i,k
‑
RH
inter,i,k
‑1式中，k表示时刻，C为建筑空间的热容，α是空调冷量输出在空间的无量纲分布系数:R
inter,i
是对象空间与其近邻互开空...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟晓强，熊元科，魏子清，王杰炜，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：