一种基于物理特性的建筑热环境控制建模方法与流程

本发明涉及一种建筑热环境建模方法，尤其是一种基于物理特性的的建筑热环境控制建模方法。

背景技术：

目前而言，针对于建筑热环境的控制研究多是基于负荷情况，采用对于历史数据进行辨识并建立系统模型。这种建模方法虽能保证一定的建模精确性，但需要针对不同建筑对象分别进行数据的采集，且建模精度易受数据量大小的影响。

同样，利用物理方法针对建筑热环境的研究也有一定的历史，且对一些建筑热环境都建立了模型。可以发现，目前对于热环境建模存在缺少控制方法的问题，且建模过程与风机盘管系统结合程度不高。

技术实现要素：

为了克服现有技术中控制建模方法普遍性不强，易受数据量影响等缺陷或不足，本发明目的在于，提供一种基于物理特性的建筑热环境控制建模方法，在一定程度上弥补因数据量不足而造成的控制建模不准确的缺陷。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种的基于物理特性的建筑热环境控制建模方法，其特征在于，该方法首先通过分析周期室外空气温度、太阳直射辐射强度、太阳散射辐射强度、墙体蓄放热规律、室内扰动五个影响因素确定建筑物逐时热环境模型；其次分析室内风机盘管放热规律从而建立风机盘管模型；然后通过对两部分的分析建立热环境控制模型，并通过拉普拉斯变换求解出室内温度与其它各个影响因素之间关系；最后选取控制变量并加以一定的控制使得室内温度保持在一个合理的范围。

本发明基于物理特性的建筑热环境控制建模方法，针对建筑的墙体、窗户以及室外阳光等众多影响房间热环境因素的物理特性，结合建筑室内风机盘管的物理特性，建立室内热环境与设备之间的动态方程并提出适合于控制的建筑热环境动态模型。该模型以建筑热工学为基础，结合风机盘管的热工特性，能够更加精确的描述建筑热环境的动态特性并为后续控制提供模型支撑。

附图说明

图1是本发明基于物理特性的建筑热环境控制建模方法建模技术路线图；

图2是模型原理图；

图3是控制结构框图；

图4是实验环境simulink仿真图；

图5是模拟效果对比图；

图6是控制结果图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

如图1所示，本实施例给出一种基于物理特性的建筑热环境控制建模方法，首先通过分析周期室外空气温度、太阳直射辐射强度、太阳散射辐射强度、墙体蓄放热规律、室内扰动五个影响因素确定建筑物逐时热环境模型；其次分析室内风机盘管放热规律从而建立风机盘管模型；然后通过对两部分的分析建立热环境控制模型，并通过拉普拉斯变换求解出室内温度与其它各个影响因素之间关系，最后选取控制变量并加以控制，使得室内温度保持在一个合理的范围。

由于所建立的热环境控制模型是针对于建筑特性和风机盘管特性的，所以这种建模方法具有一定的普遍适用性，并且能够及时具体的反映出房间热环境及其控制的动态变化特性。

具体包括以下步骤：

(1)针对建筑物逐时与室内温度进行分析，可以得出影响这一温度的变量因素，并结合能量守恒原理列写各因素与室温的逐时关系，可得到如下关系式：

其中，表示室内通过墙体与外界进行交换的能量，即室外温度通过墙体对房屋的影响。其中包括通过各个墙面的渗透出室外的能量和一部分在墙体中损耗的能量。

因为外界温度对房屋的影响一部分是通过墙体渗透来进行的，所以在考虑外界温度对房屋内环境的影响时应当考虑这一因素；表示室内通过门窗缝隙与外界进行交换的能量，即室内透风损失的热量。由于门窗存在缝隙，必定和外界进行热量的交换，对室内的热环境造成一定的影响，表示室内扰动的影响。

表示室外阳光辐射和散射对室温的影响，即太阳光对室内的影响。这一影响可以分为有直射辐射造成的影响和由散射辐射造成的影响。

表示设备对室内温度的影响，即以风机盘管为例，该设备对房间热环境的影响。

(2)针对风机盘管换热规律，结合能量守恒定律，分析得到风机盘管出风温度和出水温度的逐时变化情况，可得如下关系式：

其中，代表风机盘管能够供给室内的能量，该能量即由出风交换给房间的能量和热源交换给风机的热量组成。

(3)针对已经给出的各部分能量变化情况，从整体房屋角度(如图2所示)联系式1，式2，式3并对其进行拉普拉斯变换。针对变换后的各式联立求解微分方程组，即可得到室内温度与其他各个影响因素间的动态联系。

其中N_i1、N_i2、N_i3分别代表三个变量的初始状态对房间温度的影响情况，N₁、N₂、N₃、N₄、N₅分别代表风机盘管进水侧温度、室外温度、室外光照直射强度、室外光照散射强度、风机盘管转速这些变量对室内温度的动态影响关系(此处不考虑房屋内扰)。

(4)根据已经得到的室内温度与其它影响因素的动态联系，可以构建出控制系统并选择控制参数。由于影响房间温度的因素众多，所以选取合适的控制变量便非常关键。

该方法的优势在于，能够将风机盘管与室内环境综合考虑，通过影响风机盘管的参数即可影响房间温度。根据已经得到的室内温度与其他因素的动态联系，可以选取设备的变量，即风机的转速作为整个控制系统的控制变量，其余的因素作为对于系统的干扰。通过控制调整风机转速的大小来消除其他影响因素对室内温度的干扰。通过及时采集室内温度并及时反馈给控制器，进行与参考温度的比较并调整控制器的输出以调节风机的实际转速，最终实现达到参考温度这一的控制目标。整个控制系统的结构框图如图3所示。

图3为整个控制系统的结构框图，表示该系统为单闭环系统。该系统输入量为设定的参考温度，输出量为实际温度。参考温度和反馈的得到的实际温度之差共同进入末端控制器。通过末端控制器调节风机转速以达到使实际温度满足参考温度的控制要求。由图中可看到影响该系统的干扰分别为室外温度、太阳直射辐射强度、太阳散射辐射强度、风机盘管进水侧温度，控制量为风机盘管转速，且各个量和系统的关系为N1、N2、N3、N4、N6。

具有室内热环境建模和控制两部分，其中，针对室内热环境建模是以房屋已有设备和建筑材料为依据，通过建立房屋、风机换热的热平衡方程进而求解出各变量之间对于室内温度的影响，实现建模的目标。

模型的建立与验证是核心，控制方法的提出是基于模型建立的基础之上，根据各变量与室内温度这一控制目标间的关系，提出控制策略并达到控制目标。

一个具体实施例如下：

(1)以一栋长10m、宽4m、高3m的实验建筑为例，房屋墙面对流换热系数＝0.62J/m²S℃，空气的渗透量La(n)＝14.56m³/h，玻璃对太阳直射辐射的透过率的平均值＝0.7，玻璃对太阳散射辐射的透过率＝0.65，玻璃对太阳直射辐射的平均吸收率＝0.13，玻璃太阳散射辐射的吸收率＝0.1，玻璃外表面换热热阻＝0.04m²℃/w，玻璃内表面换热热阻＝0.13m²℃/w，全遮阳系数SC＝0.5，阳光实际照射面积比＝0.32，窗玻璃有效面积系数＝0.7，窗面积F＝9.56m²。

(2)以一种紫铜翅片为散热材料的风机盘管为例，水的密度＝kg/m³，水的比热＝4.2×10³J/kg，蓄热水箱至风机高温侧循环流速＝0.000272m³/s，风机盘管材料比热＝704J/kg，风机盘管材料质量＝8kg，水换的容积＝0.0005m³，气换的容积＝0.046m³，空气密度＝1.29kg/m³，空气比热＝1×10³J/kg，换热过程中的热损系数＝1000w/m²℃，换热中传热器表面积＝5.5m²。

(3)将(1)和(2)中参数分别带入由式1、式2、式3共同组成的方程组，即可得到室内热平衡动态方程。

(4)针对该实验对象使用simulink进行模型的搭建如图4所示。

图4为使用simulink搭建的实验对象，即为验证房屋模型与所推导模型一致性建立的房屋热环境动态环境。其中方程1、2、3为式1、2、3。各个信号按顺序进入混合器(图中黑色方框)并经积分器处理后反馈形成回路。室外温度变化情况在温度模块中模拟，太阳辐射直射强度变化情况在直射模块中模拟，太阳辐射散射强度变化情况在散射模块中模拟。常数1表示风机进水测温度，常数2表示风机转速。各变量变化情况可通过显示器1～7进行检测。

(5)进行实际温度与模拟温度的对比并验证模型的准确性如图5所示。

(6)针对控制框图(图3)选取PID作为末端控制器的控制方法，通过调节风机盘管中风机的转速来达到使室内温度趋于稳定的控制目标。设定参考温度为20℃，并设定比例积分微分系数分别为：kp＝0.08；ki＝0.05；kd＝0.5进行模拟的控制。结果如图6所示

由图6控制结果可知，房间温度大约在25min左右能够与设定温度吻合，即实现控制目标。

综上所述，按照本实施例建立的建筑热环境控制模型较为准确，可以表述房间模型的动态特性，可以为室内热环境的建模控制提供依据。