一种室内温度场时空动态分布的快速预测方法

本发明涉及室内温度场预测领域，特别是涉及一种综合考虑建筑外扰与内扰情况下的室内温度场实时动态变化快速预测方法。

背景技术：

1、建筑运行和维护阶段是其全生命周期中持续时间最长、碳排放量最大的阶段。数据显示，该阶段碳排放占建筑全生命周期碳排放的70％以上，且其中空调系统运行产生的能耗占比高达40％以上。实现建筑的绿色低碳并营造健康舒适的人居环境需要依赖于空调系统的精确运维，而此运维方式需要建立在室内温度场实时动态反馈的基础上。

2、目前与本技术最接近的现有专利如下：

3、1)一种基于lstm算法的室内温度预测方法(113361744a)，该发明主要将每间隔15分钟的室内外环境参数、机组参数等数据，转化为有监督学习数据集，并构建lstm神经网络模型预测后一时段内每间隔15分钟的室内温度。该专利主要用于室内空间整体温度的预测，不能预测空间内温度场动态分布特性。

4、2)室内温度分布预测系统(113344287a)，该发明通过温度采集装置根据路径规划指令，依次采集待预测空间内各温度采集坐标点处的温度数据，通过线性温度分布预测模型，计算待预测空间内温度预测目标点处的温度变化值。该专利主要用于不同空间坐标点的温度预测，但需要依赖于温度采集装置，并通过传感器按照指定路径规划指令连续工作。

5、3)预测室内温度分布的方法及装置(113344286a)，该发明通过若干温度采集点温度测量数据和热源敏感度值，建立了以若干室内温度变化值为自变量的室内温度预测函数。该专利可用于室内温度场分布的预测，但同样需要依赖于传感器数据采集，不能根据建筑实时内外扰变化直接预测空间内各点温度随时间和空间变化的动态规律。

6、综上所述，针对现有技术发明人发现：室内温度场预测领域普遍存在无法根据建筑内外扰动变化，在不额外增加室内传感器情况下，直接实时动态预测其场域分布的问题，尤其是缺乏针对此分布在时间和空间双重维度上动态变化的快速预测方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，针对室内温度在内扰与外扰共同作用下的复杂时变性、非线性、滞后性等问题，提供一种室内温度场时空动态分布的快速预测方法，用于预测各类内扰外扰共同影响下的室内温度实时动态变化及分布情况，为空气调节系统控制策略提供依据，并有效解决建筑短期负荷计算的问题。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种室内温度场时空动态分布的快速预测方法，通过控制内扰因素和外扰因素中的任一因素独立引发室内温度波动，得到任意时刻内室内各点温度的数据，基于温度场线性叠加原理，得到任意扰动工况下室内温度场的温度预测，具体步骤如下：

4、(1)将影响室内温度变化的内扰因素、外扰因素产生的子温度场进行拆分；

5、(2)确定内扰因素、外扰因素影响的温度变化规律；

6、(3)确定内扰因素、外扰因素影响的滞后时间规律；

7、(4)通过改变扰动位置确定室内各点温度变化规律及滞后时间规律；

8、(5)通过改变扰动强度确定室内各点温度变化规律及滞后时间规律；

9、(7)建立人工神经网络预测模型；

10、(8)将步骤(1)中所拆分的内扰因素、外扰因素产生的子温度场进行叠加，得到实时动态温度场预测结果。

11、进一步的，所述内扰因素包括但不限于室内人员、设备、空调系统调节作用；外扰因素为室外环境因素经围护结构传热的影响，所述室外环境因素为室外空气温度或外壁面温度。

12、进一步的，步骤(2)中，将人员、设备视为固定强度的热源，热源单位时间内向室内空气传入的热量为定值，假定空气的密度和比热容未发生变化，则在固定流场下热源所散发热量传入空气后对室内各点造成的温度变化只受热源强度的影响；对于空调系统调节作用的影响，在固定送风温度与风速条件下，单位时间内空调系统送入室内的热量或冷量同样为定值，该部分热量或冷量在与室内空气换热后，多余热量或冷量从出风口流出，因此由换热引起的室内各点单位时间内温度变化与当前时刻对应各点温度有关；则内扰因素对温度变化影响的计算方法如下：

13、qi＝cpρvδti

14、式中，qi为某一内扰因素在单位时间i内传入室内的热量或冷量，j；δti为该内扰因素对室内各点造成的单位时间i内温度变化，℃；cp为空气比热容，j/(kg℃)；ρ为空气密度，kg/m3；v为空气体积，m3；

15、在固定流场条件下，外扰因素对室内各点造成的单位时间内温度变化与室外环境因素和围护结构热工参数有关。

16、进一步的，步骤(3)中，滞后时间规律通过瞬态计算流体力学仿真获取，通过查看仿真结果中各类内扰因素、外扰因素影响下室内各点温度变化为0℃的持续时间决定。

17、进一步的，步骤(4)中，扰动位置的变化包括建筑中内扰因素中的人员和设备，通过对各独立扰动因素所有位置情况进行遍历仿真模拟，并重复步骤(2)和(3)获取。

18、进一步的，步骤(5)中：

19、对于已知扰动强度的人员和设备，采用热贡献率cri的方法得到不同扰动强度对室内各点温度的热影响贡献，通过流体力学仿真运算确定滞后时间；在气流场固定的情况下，每个热源对温度场分布的cri被视为常数，故当热源强度发生变化时，对应热源引起的温度变化与热源强度本身的变化成正比；计算如下：

20、

21、式中，crim(xi)为热源m影响下xi位置处的热贡献率cri；δtm(xi)为由热源m引起xi位置处的温度变化，℃；δtm,0为热源m均匀扩散在室内时产生的室内温度变化，℃；tm(xi)为xi位置处的温度，℃；tn为xi位置处初始温度，℃；tm,0为热源m均匀扩散在室内时的室内温度，℃；qm为热源m的发热量，j；cp为空气比热容，j/(kg℃)；ρ为空气密度，kg/m3；v为空气体积，m3；

22、对于空调系统调节作用以及外扰因素，分别将空调系统送风温度以及室外环境因素以设定步长采样，并进行计算流体力学仿真运算后，重复步骤(2)和(3)以获取。

23、进一步的，步骤(6)中以步骤(5)中得到的不同扰动强度对空间内各点温度变化数据及滞后时间数据作为训练集和验证集，建立以送风温度/室外环境因素、室内各点坐标以及时间为输入端，并以室内各点温度变化值以及滞后时间为输出端的人工神经网络预测模型，实现任意空调系统送风温度、室外环境因素下的室内各点温度变化规律预测。

24、本发明还提供一种室内温度场时空动态分布的快速预测方法的应用，应用于既有建筑及新建建筑，实现任意内外扰动条件下的室内各点温度变化的实时动态预测。

25、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

26、1.健康舒适室内环境营造的社会意义；

27、现有室内温度预测中多以单一温度点的预测为主，在少有的温度场预测中仍多以稳态环境作为预测目标。但建筑在实际使用过程中，内扰因素和外扰因素具有实时动态变化的特征，即稳态情况很难达到。本发明所提供的动态预测方法可实现在任意内扰与外扰变化情况下的室内温度场动态预测，且所得温度场具有在时间与空间双重维度上的动态分布特性，可为室内环境的精细化控制提供指导，从而促进健康舒适的高品质人居环境营造。

28、2.能源系统供需匹配管控的应用意义；

29、建筑能源系统运行需要依赖于室内环境的实时动态分布作为调节依据，本发明所提供的室内温度场时空动态分布预测可为其提供重要的数据支撑。尤其是双碳战略背景下，根据室内环境实时变化，动态调整能源系统的智能运维策略，实现供和需的精确匹配，是电力降峰、调峰、填谷的重要手段，可大幅提升能效、降低能耗、降低碳排。

30、3.无源预测温度场动态分布的经济意义；

31、本发明所提出的室内温度场时空动态分布快速预测方法以建筑当下内扰因素以及外扰因素作为边界条件进行预测，无需依靠传感器监测以及建筑运行检测数据作为支撑。尤其是当所预测既有建筑或新建建筑规模较大时，该发明可大幅减少在建筑中增设传感器等设备设施的额外经济投入。

32、本方法可以实现任意内外扰动条件下的室内各点温度变化的实时动态预测。而且，本方法具有无源预测特性以及高动态建筑场景适应性特点，无需依靠传感器监测以及建筑运行检测数据，对于均可应用。