专利名称：一种基于模型降阶技术的建筑室内环境优化方法
技术领域：
本发明涉及一种基于模型降阶技术的建筑室内环境优化方法，属于建筑环境与建筑节能领域。
背景技术：
随着人们对居住品质和建筑节能要求的不断提高，如何协调和优化建筑室内环境舒适度与空调能耗越来越受到关注。目前众多学者已提出多种系统级的多目标优化控制策略。优化算法从早期的依赖梯度的寻优方法发展到目前广泛运用的各类智能优化算法(如进化规划、遗传算法等)，优化参数则涵盖了室内环境的各方面，包括热舒适度、空气质量以及空调能耗等。在环境优化控制策略中，如何针对候选控制变量快速准确地解算环境响应是一个核心问题。由于现成的建筑室内环境模型很难同时满足优化的实时性和精确度要求，目前通常的做法是假设室内空气完全混合，即忽略空间分布对环境参数的影响，采用经验模型或半机理模型的方法求解环境响应。而实际上，对于大多数空调系统，特别像置换通风系统来说，室内的环境参数在空间上有较大差异。忽略这种差异会导致优化效果与室内各区域人员的实际感受不符，引起各种舒适度抱怨。目前国际上这方面研究很有限。原因是室内多参数环境建模复杂，须借助CFD工具，且很难直接与在线的优化控制算法整合。2009年，有文献提出通过神经网络训练的方法得到CFD模型的简化模型，用于环境优化策略中参数指标的快速求解。此方法通过CFD仿真得到足够多的输入/输出数据。通过这些数据对的训练和测试建立基于神经网络的环境指标替代模型。在优化算法的每次迭代中利用替代模型快速求解目标函数，减少优化算法的复杂度，提高实时性。此方法考虑了环境参数的空间分布影响，但是神经网络模型本质上是经验模型，只能对指定的环境指标作建模。当性能指标有变化，或关注的室内用户区域改变，则须重新建模，应变能力较差。
发明内容
针对现有建筑室内环境优化方法所存在的上述缺陷，本发明提供一种基于模型降阶技术的建筑室内环境优化方法。其特点在于通过构造低阶的环境参数变化子空间，将相关的室内环境参数模型直接嵌入寻优过程中，实现环境响应的精确、快速解算。基于本征正交分解(POD)的模型降阶方法本质上是一种映射方法。它将原空间内的控制方程映射到某个正交子空间内，且保证能量意义上映射误差最小。典型的CFD模型通过POD降阶方法可转换为关于POD模式系数的低阶模型，能同时满足建模精度与实时性要求，适合优化策略中环境响应的快速解算任务。本发明的技术方案是
一种基于模型降阶技术的建筑室内环境优化方法，包括如下步骤
(1)建立基于CFD的室内环境模型；
(2)根据控制变量可能的变化范围，等间距选择控制变量数据点，作相应的CFD稳态仿真；WCFD仿真结果中提取环境参数分布，构造参数变化空间；提取的参数类型包括室内温 度、风速、污染物浓度及热舒适度指标；
(3)利用P0D模型降阶技术重构出步骤(2)所得参数变化空间的低阶子空间；
(4)选择室内环境指标及能耗指标，用于评估室内环境及空调能耗；
(5)设置目标函数，利用优化算法对控制变量进行迭代优化。在每次优化迭代过程中， 通过在参数子空间内的多维插值快速得到系统响应，进而快速求解目标函数。所述步骤(1)中，CFD仿真使用Airpak计算流体力学软件；室内环境模型为三维 模型；室内环境模型的建立步骤如下
A、利用Airpak软件建立房间围护的几何模型；确定空调送风口和回风口的位置与尺 寸；确定房间内主要陈设的位置与尺寸；
B、对建立的房间模型划分网格；
C、利用Fluent求解器耦合求取质量、动量、能量及污染物浓度方程的稳态解。所述步骤(2)中，控制变量包括空调送风口温度和风速；控制变量的选择间隔为 送风口温度0. 1摄氏度，送风口风速0. 1米/秒；对每一组控制变量利用步骤(1)所述的室 内环境模型进行稳态仿真；通过Airpak软件的导出功能提取每一组控制变量对应的稳态 参数分布，组成各类参数的变化空间。所述步骤(3)中，P0D模型降阶的基本思想为在n维向量空间H中有一组数据集， 找到其一组m维子集构成S子空间(m〈n)，使原数据集映射到子集的误差在能量意义上最 小。P0D模型降阶的基本步骤如下
A、利用各参数变化空间组成矩阵
权利要求
1.一种基于模型降阶技术的建筑室内环境优化方法，具体包括如下步骤(1)建立基于CFD的室内环境模型；(2)根据控制变量可能的变化范围，等间距选择控制变量数据点，作相应的CFD稳态仿真；从CFD仿真结果中提取环境参数分布，构造参数变化空间；(3)利用POD模型降阶技术重构出步骤(2)所得参数变化空间的低阶子空间；(4)选择室内环境指标及能耗指标，用于评估室内环境及空调能耗；(5)设置目标函数，利用优化算法对控制变量进行迭代优化。
2.根据权利要求1所述的一种基于模型降阶技术的建筑室内环境优化方法，其特征在于所述步骤(I)中，CFD仿真使用Airpak计算流体力学软件；室内环境模型为三维模型; 室内环境模型的建立步骤如下(1)利用Airpak软件建立房间围护的几何模型；确定空调送风口和回风口的位置与尺寸；确定房间内主要陈设的位置与尺寸；(2)对建立的房间模型划分网格；(3)利用Fluent求解器耦合求取质量、动量、能量及污染物浓度方程的稳态解。
3.根据权利要求1所述的一种基于模型降阶技术的建筑室内环境优化方法，其特征在于所述步骤(2)中，控制变量包括空调送风口温度和风速；控制变量的选择间隔为送风口温度O.1摄氏度，送风口风速O.1米/秒；对每一组控制变量利用步骤(I)所述的室内环境模型进行稳态仿真；通过Airpak软件的导出功能提取每一组控制变量对应的稳态参数分布，组成各类参数的变化空间；提取的所述环境参数类型包括室内温度、风速、污染物浓度及热舒适度指标。
4.根据权利要求1所述的一种基于模型降阶技术的建筑室内环境优化方法，其特征在于所述步骤(3)中，POD模型降阶的基本步骤如下(1)利用各参数变化空间组成矩阵
5.根据权利要求1所述的一种基于模型降阶技术的建筑室内环境优化方法，其特征在于所述步骤(4)中，室内环境指标包括热舒适度指标及室内空气质量指标，能耗指标指空调能耗指标，其中热舒适度指标采用预测平均投票指标PMV ；室内空气质量指标采用通风效力指标Ey
6.根据权利要求1所述的一种基于模型降阶技术的建筑室内环境优化方法，其特征在于所述步骤(5)中，目标函数设置为
全文摘要
本发明公开了一种基于模型降阶技术的建筑室内环境优化方法，包括三个主要步骤1)利用CFD软件对室内环境作稳态仿真，并构造各类环境参数的变化空间；2)通过POD技术重构低阶的参数变化子空间；3)运用遗传算法搜索最优的空调送风温度和速度。本发明运用POD技术构造室内环境参数的变化子空间，从而在优化策略中能充分考虑空间分布对环境参数的影响，提高了优化的精确性。本征正交分解(POD)的模型降阶方法，将原空间内的控制方程映射到某个正交子空间内，且保证能量意义上映射误差最小。相对目前的环境优化策略，本发明具有优化精度高，速度快等优点。
文档编号G06F17/50GK103049612SQ201210564269
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月24日 优先权日2012年12月24日
发明者李康吉, 薛文平 申请人:江苏大学