專利名稱：空調(diào)房間實時冷負荷確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及民用建筑暖通空調(diào)集中供冷的方法和系統(tǒng)，特別是設(shè)計空調(diào)運行節(jié)能 優(yōu)化控制所需的空調(diào)房間實時冷負荷確定方法。
背景技術(shù)：
目前我國僅民用建筑運行耗電就占全國總發(fā)電量的2214%，其中暖通空調(diào)能耗 約占其中的50-60 %，在一些超大城市這一比例更高，按重慶和上海的統(tǒng)計，中央空調(diào)用電 量已分別占全市總用電量的23%和31. 1%?？照{(diào)作為耗電大戶，應(yīng)成為節(jié)能減排的重點攻關(guān) 對象，據(jù)業(yè)內(nèi)專家預(yù)測，中央空調(diào)至少還有30%的節(jié)能潛力?？照{(diào)系統(tǒng)節(jié)能覆蓋系統(tǒng)設(shè)計、 運行、維護的全過程，其中運行階段是直接耗能過程，因此空調(diào)系統(tǒng)的運行控制對節(jié)能效果 至關(guān)重要。而空調(diào)房間實時冷負荷的計算是空調(diào)系統(tǒng)運行節(jié)能的基礎(chǔ)。
冷負荷是空調(diào)系統(tǒng)運行基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)之一，是空調(diào)系統(tǒng)供冷量的終端需求，直接決 定整個系統(tǒng)的能耗。一般空調(diào)是按照最大冷負荷設(shè)計的，但在實際運行時負荷在不斷變化， 據(jù)統(tǒng)計按照最大負荷設(shè)計的系統(tǒng)約有90%時間在80%負荷以下運行。部分負荷會影響設(shè)備 的運行效率、制冷機組的投入臺數(shù)、冷卻塔的供冷量以及系統(tǒng)運行條件，只有準確獲取實際 的動態(tài)負荷，才可據(jù)此對空調(diào)系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)控，實現(xiàn)按需供能、保證系統(tǒng)高效運行、減少 能耗。
傳統(tǒng)的負荷確定方法主要有傳熱機理計算方法和負荷預(yù)測方法。傳熱機理計算方 法適用于空調(diào)工程設(shè)計階段，區(qū)分了得熱與冷負荷，由得熱轉(zhuǎn)化為冷負荷。建筑物結(jié)構(gòu)、材 料、朝向、窗戶、室內(nèi)固定照明、用電設(shè)備等靜態(tài)因素和室外氣象條件、室內(nèi)人員流動、系統(tǒng) 運行方式、室內(nèi)設(shè)備狀態(tài)等動態(tài)因素是房間負荷的決定因素，傳熱機理計算方法通過預(yù)知 靜態(tài)參數(shù)和固化典型工況的動態(tài)參數(shù)來計算典型負荷和峰值負荷，雖然準確性較高，但是 動態(tài)實時性較差，且計算量大，考慮典型工況和極限工況的靜態(tài)因素較多，需要大量建筑結(jié) 構(gòu)參數(shù)和連續(xù)氣象數(shù)據(jù)，不適用于空調(diào)運行階段的房間實時冷負荷的計算，空調(diào)容量的設(shè) 計配置也往往比房間實際負荷偏大。
負荷預(yù)測方法主要目標是通過對實際負荷的準確預(yù)測，對空調(diào)運行過程進行實時 控制，達到按需供能、減少能耗的目的，大多是基于多年積累的相關(guān)基準數(shù)據(jù)，采用線性回 歸、指數(shù)平滑、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、層次分析、小波分析等現(xiàn)代模型辨識方法建立負荷預(yù)測模型，基于 該模型即可根據(jù)實測氣象數(shù)據(jù)計算實時負荷。目前負荷預(yù)測方法中主要采用的基準數(shù)據(jù)仍 是由基于經(jīng)典傳熱機理計算方法的模擬分析軟件產(chǎn)生。這種方法需要預(yù)知大量歷史數(shù)據(jù)， 難以反映隨機動態(tài)因素，影響了其準確性和實用性。
目前的負荷確定方法用到空調(diào)運行階段來計算實際負荷有諸多困難，因此，研究 空調(diào)房間實時冷負荷確定方法，對空調(diào)系統(tǒng)的運行節(jié)能具有重要意義。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決已有技術(shù)存在的問題，提供一種空調(diào)房間實時冷負荷確定方法，為空調(diào)運行提供精準、可靠的實時冷負荷數(shù)據(jù)，實現(xiàn)優(yōu)化節(jié)能控制。
為解決所述技術(shù)問題，本發(fā)明的構(gòu)思是提出一種空調(diào)房間實時冷負荷確定方法， 以空調(diào)制冷為典型工況，基于房間系統(tǒng)熱平衡過程，確定冷負荷模型結(jié)構(gòu)，測定空調(diào)的實時 供冷量輸入及室溫響應(yīng)實況，辨識模型參數(shù)，建立實時冷負荷模型，計算空調(diào)房間實時冷負 荷。
所述冷負荷模型的關(guān)鍵參數(shù)通過對空調(diào)實時供冷量輸入和室溫響應(yīng)輸出進行擬 合，按照系統(tǒng)辨識方法來獲得。
以往方法針對空調(diào)設(shè)計階段，基于機理建模方法或者冷負荷預(yù)測方法存在所述實 時性差、計算量大等缺點，本發(fā)明著重考慮已經(jīng)安裝了空調(diào)系統(tǒng)的房間，在空調(diào)運行階段， 通過測定空調(diào)實時供冷量和室溫實況以及室溫變化率，計算空調(diào)房間實時冷負荷，更直接、 準確、簡單易行。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種空調(diào)房間實時冷負荷確定方法，其特征在于具體包括以下步驟(1)確定冷負荷模型結(jié)構(gòu)所述冷負荷模型結(jié)構(gòu)表明房間系統(tǒng)的空調(diào)供冷量 β ,房間實時冷負荷C￡ ,室內(nèi)溫度響應(yīng)輸出，以及室溫變化率特征變量的熱平衡關(guān)系CL = Q +K^ydt ,式中κ為模型結(jié)構(gòu)需要辨識的空調(diào)房間系統(tǒng)有關(guān)的模型參數(shù)，d7Zdi是空調(diào)房間的時間溫度梯度；(2)測定空調(diào)實時供冷量與室溫實況在空調(diào)運行階段，設(shè)定目標室溫和風速檔，用空 氣流量計實時測量的空調(diào)送風量，用溫濕度計測量同一時刻的空調(diào)送風溫度、空調(diào)回風溫度，室溫和相對濕度值；用焓差法計算得到空調(diào)實時供冷量；β = σ( -~),式中G為空調(diào)送風的質(zhì)量流量，~為進風口濕空氣的焓值，~為出風口濕空氣的焓值，然后繪制實時室 溫響應(yīng)曲線；(3)辨識模型參數(shù)根據(jù)所述冷負荷模型結(jié)構(gòu)，將步驟(2)中得到的空調(diào)實時供冷量和 室溫實況以及室溫變化率數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)辨識方法擬合，得出辨識模型中的與房間系統(tǒng)特性 有關(guān)的模型參數(shù)尤；(4)建立實時冷負荷模型根據(jù)步驟(3)所述模型參數(shù)辨識結(jié)果得出的模型參數(shù)Γ，代 入冷負荷模型結(jié)構(gòu)，建立與房間系統(tǒng)特性相匹配的實時冷負荷模型；(5)計算空調(diào)房間實時冷負荷值在目標室溫設(shè)定后，再次進行步驟(2)實驗，將最新 測定的空調(diào)供冷量輸入，室溫實況以及室溫變化率代入所述實時冷負荷模型，計算得到空 調(diào)運行階段的房間實時冷負荷值。
本發(fā)明相比以往計算方法，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點 本發(fā)明具有以下技術(shù)效果(1)在空調(diào)運行階段，從空調(diào)供冷量與室溫響應(yīng)曲線出發(fā)，基于房間系統(tǒng)的熱平衡原理，求取實時冷負荷。為空調(diào)運行控制提供精準、可靠的實時冷負 荷需求數(shù)據(jù)。(2)避免傳熱機理建模方法和預(yù)測方法需要大量先驗知識和歷史數(shù)據(jù)、難以涵 蓋負荷動態(tài)影響因素等問題，可真實反映空調(diào)房間實時冷負荷需求。(3)適用范圍廣，實時 性強。本發(fā)明方法計算量小，實時性強，可以廣泛適用于空調(diào)運行階段的節(jié)能調(diào)控和老舊建 筑的空調(diào)節(jié)能改造等方面。


圖1是空調(diào)房間實時冷負荷確定方法的操作流程圖； 圖2是空調(diào)房間模型示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖1和附圖2所示之最佳實施例作進一步詳述。
選取位于上海市的某一空調(diào)制冷的辦公室房間，其面積為27. 09m2，高為3. 3m，朝 向為南向，位于一棟4層辦公建筑的第2層。南向為外窗，窗墻比為0.觀7，北向為一扇內(nèi) 門?？照{(diào)設(shè)定溫度為沈！，已知實驗采用的空調(diào)循環(huán)風量為480m3/h。房間設(shè)備條件如圖2 所示。本空調(diào)房間實時冷負荷確定方法的具體實施步驟如下(1) 確定冷負荷模型結(jié)構(gòu)所述冷負荷模型結(jié)構(gòu)表明房間系統(tǒng)的空調(diào)供冷量輸入 β ,房間實時冷負荷C￡ ,室內(nèi)溫度響應(yīng)輸出Γ以及單位時間室溫變化率等特征變量的熱平衡關(guān)系。σ￡ = β +“ ,式中t力空調(diào)的供冷量，對整個房間系統(tǒng)，考慮集中參數(shù)模型，為模型結(jié)構(gòu)需要辨識的空調(diào)房間系統(tǒng)有關(guān)的模型參數(shù)，dT/di是空調(diào)房間的時間溫度梯度。
(2)測定空調(diào)實時供冷量與室溫實況在空調(diào)運行階段，設(shè)定目標室溫^rc,設(shè)定 為空調(diào)最大風速檔，以5分鐘為單位，開機后用空氣流量計實時測量的空調(diào)送風量，用溫濕 度計測量同一時刻的空調(diào)送風溫度、空調(diào)回風溫度，室溫和相對濕度值。測量房間內(nèi)實時空調(diào)進風溫度巧，出風溫度石；測量同一時刻的室溫7以及室內(nèi)空氣相對濕度識。空調(diào)的供冷量β的計算公式β = G^1-Ab), σ為空調(diào)送風的質(zhì)量流量，可由已知的空調(diào)循環(huán)風量指標轉(zhuǎn)化計算為進風口濕空氣的焓值，^為出風口濕空氣的焓值。用焓差法計算得到空 調(diào)實時供冷量，繪制實時室溫響應(yīng)曲線。
(3)辨識模型參數(shù)根據(jù)所述冷負荷模型結(jié)構(gòu)，將步驟(2)中得到的空調(diào)實時供冷 量和室溫實況以及室溫變化率(按照每5分鐘為時間間隔，取溫度變化的梯度)等數(shù)據(jù)通過 系統(tǒng)辨識方法擬合，得出辨識模型中的與房間系統(tǒng)特性有關(guān)的模型參數(shù)Γ。
所述系統(tǒng)辨識方法，可以采用最小二乘法，將空調(diào)實時供冷量β和室溫變化率作 為線性擬合的輸入和輸出，辨識出的系數(shù)即為模型參數(shù)K的值。
(4)建立實時冷負荷模型根據(jù)步驟(3)所述模型參數(shù)辨識結(jié)果得出的模型參數(shù) i,代入冷負荷模型結(jié)構(gòu)，建立與房間系統(tǒng)特性相匹配的實時冷負荷模型。
(5)計算空調(diào)房間實時冷負荷值在目標室溫設(shè)定^TC,再次進行步驟(2)實驗， 將最新測定的空調(diào)供冷量輸入，室溫實況以及室溫變化率代入所述實時冷負荷模型，計算 得到空調(diào)運行階段的房間實時冷負荷值。
實驗計算結(jié)果與DeST能耗分析軟件仿真結(jié)果進行對比，驗證發(fā)明方法的可行性。 以2010年8月21日實驗計算結(jié)果為例，連續(xù)3小時計算參考房間的實時冷負荷數(shù)據(jù)后，由 于DeST只含有逐時負荷仿真結(jié)果，用發(fā)明方法的數(shù)據(jù)結(jié)果計算得9:00至11:00逐時冷負荷分別為2. 31kW、2.61 kW、2.69 kW ；在DeST全年逐時冷負荷報表中，相應(yīng)于實驗氣象條件 日的9:00至11:00逐時冷負荷分別為2.51 kW、2.60 kW、2. 69 kW。本發(fā)明方法的計算結(jié)果 與DeST的平均相對誤差為2. 5%。
本發(fā)明方法能反應(yīng)空調(diào)房間系統(tǒng)的實時供冷量輸入與室溫相應(yīng)特性，建立與空調(diào) 房間相適應(yīng)的冷負荷模型結(jié)構(gòu)，并能使用系統(tǒng)辨識方法對民用建筑空調(diào)房間特性參數(shù)進行 辨識，確定實時冷負荷模型，最后計算出空調(diào)房間實時冷負荷。由于冷負荷計算是空調(diào)系統(tǒng) 優(yōu)化運行控制的基礎(chǔ)，本發(fā)明方法結(jié)合空調(diào)運行控制將對于民用建筑節(jié)能和老舊建筑空調(diào) 節(jié)能改造產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
權(quán)利要求
1. 一種空調(diào)房間實時冷負荷確定方法，其特征在于基于房間系統(tǒng)熱平衡過程，確定 冷負荷模型結(jié)構(gòu)，測定空調(diào)的實時供冷量輸入及室溫響應(yīng)實況，辨識模型參數(shù)，建立實時冷 負荷模型，計算出空調(diào)房間實時冷負荷；具體包括以下步驟A.確定冷負荷模型結(jié)構(gòu)所述冷負荷模型結(jié)構(gòu)表明房間系統(tǒng)的空調(diào)供冷量 β ,房間實時冷負荷CZ ,室內(nèi)溫度響應(yīng)輸出巾以及室溫變化率特征變量的熱平衡關(guān)系= + f dpi,式中I為模型結(jié)構(gòu)需要辨識的空調(diào)房間系統(tǒng)有關(guān)的模型參數(shù)，d= ‘是空調(diào)房間的時間溫度梯度；B.測定空調(diào)實時供冷量與室溫實況在空調(diào)運行階段，設(shè)定目標室溫和風速檔，用空 氣流量計實時測量的空調(diào)送風量，用溫濕度計測量同一時刻的空調(diào)送風溫度、空調(diào)回風溫度，室溫和相對濕度值；用焓差法計算得到空調(diào)實時供冷量-M = GiJh-k),式中G為空調(diào)送風的質(zhì)量流量，~為進風口濕空氣的焓值， 為出風口濕空氣的焓值，然后繪制實時室 溫響應(yīng)曲線；C.辨識模型參數(shù)根據(jù)所述冷負荷模型結(jié)構(gòu)，將步驟B中得到的空調(diào)實時供冷量和室 溫實況以及疒廣艾比率數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)辨識方法擬合，得出辨識模型中的與房間系統(tǒng)特性有 關(guān)的模型參數(shù)<D.建立實時冷負荷模型根據(jù)步驟C所述模型參數(shù)辨識結(jié)果得出的模型參數(shù)Γ，代入 冷負荷模型結(jié)構(gòu)，建立與房間系統(tǒng)特性相匹配的實時冷負荷模型；E.計算空調(diào)房間實時冷負荷值在目標室溫設(shè)定后，再次進行步驟B實驗，將最新測定 的空調(diào)供冷量輸入，室溫實況以及室溫變化率代入所述實時冷負荷模型，計算得到空調(diào)運 行階段的房間實時冷負荷值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種空調(diào)房間實時冷負荷確定方法。本方法是基于房間系統(tǒng)熱平衡過程，確定冷負荷模型結(jié)構(gòu)，測定空調(diào)的實時供冷量輸入及室溫響應(yīng)實況，辨識模型參數(shù)，建立實時冷負荷模型，計算空調(diào)房間實時冷負荷。本發(fā)明為空調(diào)運行控制提供精準、可靠的實時冷負荷需求數(shù)據(jù)；避免傳熱機理建模方法和預(yù)測方法需要大量先驗知識和歷史數(shù)據(jù)、難以涵蓋負荷動態(tài)影響因素等問題，可真實反映空調(diào)房間實時冷負荷需求；本發(fā)明適用范圍廣，實時性強，可以廣泛適用于空調(diào)運行階段的節(jié)能調(diào)控和老舊建筑的空調(diào)節(jié)能改造等方面。
文檔編號G06F19/00GK102043907SQ201010610670
公開日2011年5月4日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者劉廷章, 姚麗霞, 龔安紅 申請人:上海大學(xué)