本發(fā)明涉及一種建筑熱環(huán)境建模方法，尤其是一種基于物理特性的的建筑熱環(huán)境控制建模方法。

背景技術(shù)：

目前而言，針對于建筑熱環(huán)境的控制研究多是基于負(fù)荷情況，采用對于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識并建立系統(tǒng)模型。這種建模方法雖能保證一定的建模精確性，但需要針對不同建筑對象分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，且建模精度易受數(shù)據(jù)量大小的影響。

同樣，利用物理方法針對建筑熱環(huán)境的研究也有一定的歷史，且對一些建筑熱環(huán)境都建立了模型?？梢园l(fā)現(xiàn)，目前對于熱環(huán)境建模存在缺少控制方法的問題，且建模過程與風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)結(jié)合程度不高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中控制建模方法普遍性不強，易受數(shù)據(jù)量影響等缺陷或不足，本發(fā)明目的在于，提供一種基于物理特性的建筑熱環(huán)境控制建模方法，在一定程度上彌補因數(shù)據(jù)量不足而造成的控制建模不準(zhǔn)確的缺陷。

為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案：

一種的基于物理特性的建筑熱環(huán)境控制建模方法，其特征在于，該方法首先通過分析周期室外空氣溫度、太陽直射輻射強度、太陽散射輻射強度、墻體蓄放熱規(guī)律、室內(nèi)擾動五個影響因素確定建筑物逐時熱環(huán)境模型；其次分析室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管放熱規(guī)律從而建立風(fēng)機(jī)盤管模型；然后通過對兩部分的分析建立熱環(huán)境控制模型，并通過拉普拉斯變換求解出室內(nèi)溫度與其它各個影響因素之間關(guān)系；最后選取控制變量并加以一定的控制使得室內(nèi)溫度保持在一個合理的范圍。

本發(fā)明基于物理特性的建筑熱環(huán)境控制建模方法，針對建筑的墻體、窗戶以及室外陽光等眾多影響房間熱環(huán)境因素的物理特性，結(jié)合建筑室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管的物理特性，建立室內(nèi)熱環(huán)境與設(shè)備之間的動態(tài)方程并提出適合于控制的建筑熱環(huán)境動態(tài)模型。該模型以建筑熱工學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合風(fēng)機(jī)盤管的熱工特性，能夠更加精確的描述建筑熱環(huán)境的動態(tài)特性并為后續(xù)控制提供模型支撐。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于物理特性的建筑熱環(huán)境控制建模方法建模技術(shù)路線圖；

圖2是模型原理圖；

圖3是控制結(jié)構(gòu)框圖；

圖4是實驗環(huán)境simulink仿真圖；

圖5是模擬效果對比圖；

圖6是控制結(jié)果圖。

以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

具體實施方式

如圖1所示，本實施例給出一種基于物理特性的建筑熱環(huán)境控制建模方法，首先通過分析周期室外空氣溫度、太陽直射輻射強度、太陽散射輻射強度、墻體蓄放熱規(guī)律、室內(nèi)擾動五個影響因素確定建筑物逐時熱環(huán)境模型；其次分析室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管放熱規(guī)律從而建立風(fēng)機(jī)盤管模型；然后通過對兩部分的分析建立熱環(huán)境控制模型，并通過拉普拉斯變換求解出室內(nèi)溫度與其它各個影響因素之間關(guān)系，最后選取控制變量并加以控制，使得室內(nèi)溫度保持在一個合理的范圍。

由于所建立的熱環(huán)境控制模型是針對于建筑特性和風(fēng)機(jī)盤管特性的，所以這種建模方法具有一定的普遍適用性，并且能夠及時具體的反映出房間熱環(huán)境及其控制的動態(tài)變化特性。

具體包括以下步驟：

(1)針對建筑物逐時與室內(nèi)溫度進(jìn)行分析，可以得出影響這一溫度的變量因素，并結(jié)合能量守恒原理列寫各因素與室溫的逐時關(guān)系，可得到如下關(guān)系式：

其中，表示室內(nèi)通過墻體與外界進(jìn)行交換的能量，即室外溫度通過墻體對房屋的影響。其中包括通過各個墻面的滲透出室外的能量和一部分在墻體中損耗的能量。

因為外界溫度對房屋的影響一部分是通過墻體滲透來進(jìn)行的，所以在考慮外界溫度對房屋內(nèi)環(huán)境的影響時應(yīng)當(dāng)考慮這一因素；表示室內(nèi)通過門窗縫隙與外界進(jìn)行交換的能量，即室內(nèi)透風(fēng)損失的熱量。由于門窗存在縫隙，必定和外界進(jìn)行熱量的交換，對室內(nèi)的熱環(huán)境造成一定的影響，表示室內(nèi)擾動的影響。

表示室外陽光輻射和散射對室溫的影響，即太陽光對室內(nèi)的影響。這一影響可以分為有直射輻射造成的影響和由散射輻射造成的影響。

表示設(shè)備對室內(nèi)溫度的影響，即以風(fēng)機(jī)盤管為例，該設(shè)備對房間熱環(huán)境的影響。

(2)針對風(fēng)機(jī)盤管換熱規(guī)律，結(jié)合能量守恒定律，分析得到風(fēng)機(jī)盤管出風(fēng)溫度和出水溫度的逐時變化情況，可得如下關(guān)系式：

其中，代表風(fēng)機(jī)盤管能夠供給室內(nèi)的能量，該能量即由出風(fēng)交換給房間的能量和熱源交換給風(fēng)機(jī)的熱量組成。

(3)針對已經(jīng)給出的各部分能量變化情況，從整體房屋角度(如圖2所示)聯(lián)系式1，式2，式3并對其進(jìn)行拉普拉斯變換。針對變換后的各式聯(lián)立求解微分方程組，即可得到室內(nèi)溫度與其他各個影響因素間的動態(tài)聯(lián)系。

其中N_i1、N_i2、N_i3分別代表三個變量的初始狀態(tài)對房間溫度的影響情況，N₁、N₂、N₃、N₄、N₅分別代表風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)水側(cè)溫度、室外溫度、室外光照直射強度、室外光照散射強度、風(fēng)機(jī)盤管轉(zhuǎn)速這些變量對室內(nèi)溫度的動態(tài)影響關(guān)系(此處不考慮房屋內(nèi)擾)。

(4)根據(jù)已經(jīng)得到的室內(nèi)溫度與其它影響因素的動態(tài)聯(lián)系，可以構(gòu)建出控制系統(tǒng)并選擇控制參數(shù)。由于影響房間溫度的因素眾多，所以選取合適的控制變量便非常關(guān)鍵。

該方法的優(yōu)勢在于，能夠?qū)L(fēng)機(jī)盤管與室內(nèi)環(huán)境綜合考慮，通過影響風(fēng)機(jī)盤管的參數(shù)即可影響房間溫度。根據(jù)已經(jīng)得到的室內(nèi)溫度與其他因素的動態(tài)聯(lián)系，可以選取設(shè)備的變量，即風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速作為整個控制系統(tǒng)的控制變量，其余的因素作為對于系統(tǒng)的干擾。通過控制調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的大小來消除其他影響因素對室內(nèi)溫度的干擾。通過及時采集室內(nèi)溫度并及時反饋給控制器，進(jìn)行與參考溫度的比較并調(diào)整控制器的輸出以調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的實際轉(zhuǎn)速，最終實現(xiàn)達(dá)到參考溫度這一的控制目標(biāo)。整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3為整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，表示該系統(tǒng)為單閉環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)輸入量為設(shè)定的參考溫度，輸出量為實際溫度。參考溫度和反饋的得到的實際溫度之差共同進(jìn)入末端控制器。通過末端控制器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到使實際溫度滿足參考溫度的控制要求。由圖中可看到影響該系統(tǒng)的干擾分別為室外溫度、太陽直射輻射強度、太陽散射輻射強度、風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)水側(cè)溫度，控制量為風(fēng)機(jī)盤管轉(zhuǎn)速，且各個量和系統(tǒng)的關(guān)系為N1、N2、N3、N4、N6。

具有室內(nèi)熱環(huán)境建模和控制兩部分，其中，針對室內(nèi)熱環(huán)境建模是以房屋已有設(shè)備和建筑材料為依據(jù)，通過建立房屋、風(fēng)機(jī)換熱的熱平衡方程進(jìn)而求解出各變量之間對于室內(nèi)溫度的影響，實現(xiàn)建模的目標(biāo)。

模型的建立與驗證是核心，控制方法的提出是基于模型建立的基礎(chǔ)之上，根據(jù)各變量與室內(nèi)溫度這一控制目標(biāo)間的關(guān)系，提出控制策略并達(dá)到控制目標(biāo)。

一個具體實施例如下：

(1)以一棟長10m、寬4m、高3m的實驗建筑為例，房屋墻面對流換熱系數(shù)＝0.62J/m²S℃，空氣的滲透量La(n)＝14.56m³/h，玻璃對太陽直射輻射的透過率的平均值＝0.7，玻璃對太陽散射輻射的透過率＝0.65，玻璃對太陽直射輻射的平均吸收率＝0.13，玻璃太陽散射輻射的吸收率＝0.1，玻璃外表面換熱熱阻＝0.04m²℃/w，玻璃內(nèi)表面換熱熱阻＝0.13m²℃/w，全遮陽系數(shù)SC＝0.5，陽光實際照射面積比＝0.32，窗玻璃有效面積系數(shù)＝0.7，窗面積F＝9.56m²。

(2)以一種紫銅翅片為散熱材料的風(fēng)機(jī)盤管為例，水的密度＝kg/m³，水的比熱＝4.2×10³J/kg，蓄熱水箱至風(fēng)機(jī)高溫側(cè)循環(huán)流速＝0.000272m³/s，風(fēng)機(jī)盤管材料比熱＝704J/kg，風(fēng)機(jī)盤管材料質(zhì)量＝8kg，水換的容積＝0.0005m³，氣換的容積＝0.046m³，空氣密度＝1.29kg/m³，空氣比熱＝1×10³J/kg，換熱過程中的熱損系數(shù)＝1000w/m²℃，換熱中傳熱器表面積＝5.5m²。

(3)將(1)和(2)中參數(shù)分別帶入由式1、式2、式3共同組成的方程組，即可得到室內(nèi)熱平衡動態(tài)方程。

(4)針對該實驗對象使用simulink進(jìn)行模型的搭建如圖4所示。

圖4為使用simulink搭建的實驗對象，即為驗證房屋模型與所推導(dǎo)模型一致性建立的房屋熱環(huán)境動態(tài)環(huán)境。其中方程1、2、3為式1、2、3。各個信號按順序進(jìn)入混合器(圖中黑色方框)并經(jīng)積分器處理后反饋形成回路。室外溫度變化情況在溫度模塊中模擬，太陽輻射直射強度變化情況在直射模塊中模擬，太陽輻射散射強度變化情況在散射模塊中模擬。常數(shù)1表示風(fēng)機(jī)進(jìn)水測溫度，常數(shù)2表示風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。各變量變化情況可通過顯示器1～7進(jìn)行檢測。

(5)進(jìn)行實際溫度與模擬溫度的對比并驗證模型的準(zhǔn)確性如圖5所示。

(6)針對控制框圖(圖3)選取PID作為末端控制器的控制方法，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)盤管中風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來達(dá)到使室內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定的控制目標(biāo)。設(shè)定參考溫度為20℃，并設(shè)定比例積分微分系數(shù)分別為：kp＝0.08；ki＝0.05；kd＝0.5進(jìn)行模擬的控制。結(jié)果如圖6所示

由圖6控制結(jié)果可知，房間溫度大約在25min左右能夠與設(shè)定溫度吻合，即實現(xiàn)控制目標(biāo)。

綜上所述，按照本實施例建立的建筑熱環(huán)境控制模型較為準(zhǔn)確，可以表述房間模型的動態(tài)特性，可以為室內(nèi)熱環(huán)境的建?？刂铺峁┮罁?jù)。