基于模型降階和多模型預(yù)測(cè)控制的室內(nèi)熱環(huán)境控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于模型降階和多模型預(yù)測(cè)控制的室內(nèi)熱環(huán)境控制方法，包括三個(gè)主要步驟：1）對(duì)室內(nèi)用戶區(qū)域的溫度變化區(qū)間分段，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件和本征正交分解（POD）技術(shù)在每段的平衡態(tài)處建模，重構(gòu)出多模型形式的低階線性化建筑熱環(huán)境；2）運(yùn)用優(yōu)化算法合理選擇多模型切換時(shí)間；3）對(duì)各個(gè)子模型運(yùn)用預(yù)測(cè)控制方法進(jìn)行用戶區(qū)域溫度的精確控制。本發(fā)明運(yùn)用POD技術(shù)和多模型方法構(gòu)造建筑室內(nèi)熱環(huán)境的低階模型，從而在溫度調(diào)節(jié)策略中能充分考慮空間分布對(duì)溫度變化的影響，提高室內(nèi)溫度控制的精確性。相對(duì)目前大空間內(nèi)的溫度控制策略，本發(fā)明具有精度高、利于建筑節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】基于模型降階和多模型預(yù)測(cè)控制的室內(nèi)熱環(huán)境控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于模型降階和多模型預(yù)測(cè)控制的室內(nèi)熱環(huán)境控制方法，屬于建筑環(huán)境與建筑節(jié)能領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)是能源消耗大國(guó)，其中建筑能耗約占我國(guó)社會(huì)總能耗的25%，且比例仍在逐年提升。隨著人們對(duì)居住品質(zhì)和建筑節(jié)能要求的不斷提高，如何控制和優(yōu)化建筑室內(nèi)熱環(huán)境與空調(diào)能耗越來(lái)越受到關(guān)注。
[0003]在目前傳統(tǒng)的暖通空調(diào)控制策略下，建筑室內(nèi)熱環(huán)境中各控制參數(shù)通常簡(jiǎn)化為勻一值，忽略了空間分布的影響。實(shí)際上，由于建筑內(nèi)部空氣流動(dòng)和傳熱特性，溫度與風(fēng)速的空間分布處處不同，大空間(比如商場(chǎng)、酒店大廳、劇院等)尤為明顯。人們直觀的感受往往是:室內(nèi)某些區(qū)域過(guò)熱或過(guò)冷，某些區(qū)域卻不夠熱或不夠冷；或者某些區(qū)域很悶(通風(fēng)不夠)，某些區(qū)域卻風(fēng)很大。這種用戶區(qū)域與實(shí)際傳感器位置之間的差異是導(dǎo)致舒適度抱怨，進(jìn)而引起能耗增加的重要因素。在一些特殊場(chǎng)合，比如數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院等，室內(nèi)溫度和通風(fēng)效果的要求更高，更需要以精確建模為基礎(chǔ)對(duì)室內(nèi)微環(huán)境進(jìn)行精確控制。在此背景下，對(duì)建筑節(jié)能領(lǐng)域中的建筑熱環(huán)境優(yōu)化控制問(wèn)題展開研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0004]從國(guó)際國(guó)內(nèi)報(bào)道看，目前建筑環(huán)境的優(yōu)化控制策略并未充分考慮空間分布的影響。作為一類氣體流動(dòng)和熱傳遞相互耦合的分布式參數(shù)系統(tǒng)，熱環(huán)境建模的復(fù)雜性是目前制約精確熱環(huán)境模型參與溫度控制的主要原因。仔細(xì)分析建筑室內(nèi)熱環(huán)境易知，室內(nèi)的氣體流動(dòng)和熱量交換主要由質(zhì)量、動(dòng)量和能量等三個(gè)基本的偏微分方程來(lái)描述。由于上述偏微分方程組直接求解困難，目前建筑熱環(huán)境建模發(fā)展出許多行之有效的工程方法，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型、區(qū)域模型以及計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模型等。就建模精度而言，CFD方法是分辨率最高的。但CFD的建模復(fù)雜度和迭代求解方式使得它與現(xiàn)代控制理論相互割裂，這給后續(xù)的熱環(huán)境模型控制器設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有建筑室內(nèi)溫度控制策略所存在的上述缺陷，本發(fā)明提供一種基于模型降階和多模型預(yù)測(cè)控制的室內(nèi)熱環(huán)境控制方法。其特點(diǎn)在于將非線性系統(tǒng)在平衡點(diǎn)線性化展開的思路擴(kuò)展到復(fù)雜分布式參數(shù)系統(tǒng)，運(yùn)用離散化方法和模型降階技術(shù)建立低階線性的、多模型形式的室內(nèi)熱環(huán)境數(shù)學(xué)模型，解決熱耦合現(xiàn)象引起的模型失配問(wèn)題，從而適用線性系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制方法進(jìn)行精確的室內(nèi)熱環(huán)境精確控制。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種基于模型降階和多模型預(yù)測(cè)控制的室內(nèi)熱環(huán)境控制方法，包括如下步驟:
(1)建立基于CFD的室內(nèi)熱環(huán)境動(dòng)態(tài)模型；
(2)對(duì)室內(nèi)用戶區(qū)域的溫度變化區(qū)間進(jìn)行合理分段；
(3)對(duì)熱環(huán)境模型離散化并通過(guò)模型降階技術(shù)在(2)中每段溫度區(qū)間的平衡態(tài)處進(jìn)行模型重構(gòu)，構(gòu)造出線性多模型形式的室內(nèi)熱環(huán)境模型；
(4)運(yùn)用優(yōu)化算法合理選擇多模型切換時(shí)間；
(5)對(duì)多模型形式的室內(nèi)熱環(huán)境運(yùn)用預(yù)測(cè)控制方法進(jìn)行用戶區(qū)域溫度的精確控制。
[0007]進(jìn)一步,所述步驟(1)中,CFD仿真使用Fluent計(jì)算流體力學(xué)軟件；室內(nèi)熱環(huán)境模型的建立步驟如下:
A、利用Fluent軟件建立房間圍護(hù)的二維幾何模型，確定空調(diào)送風(fēng)口和回風(fēng)口的位置與尺寸；
B、對(duì)建立的房間模型劃分網(wǎng)格；
C、固定空調(diào)送風(fēng)速度，耦合求解質(zhì)量、動(dòng)量及能量方程的瞬態(tài)解，得到室內(nèi)用戶區(qū)域的溫度變化曲線。
[0008]進(jìn)一步，所述步驟(2)中，室內(nèi)用戶區(qū)域的溫度變化區(qū)間分段方法采用均分法。
[0009]進(jìn)一步，所述步驟(3)中，為了便于降階模型的參數(shù)提取和精度比較，離散化策略采用與Fluent軟件一致的有限體積法。有限體積法的基本思想是將計(jì)算域劃分為一系列不重復(fù)的微元體，將控制方程對(duì)每一個(gè)微元體體積分，保證各物理量在計(jì)算域內(nèi)守恒。
[0010]模型降階技術(shù)采用本征正交分解/伽遼金(POD/Galerkin)方法；POD模型降階的基本思想為:在《維向量空間4中有一組數(shù)據(jù)集，找到其一組^維子集構(gòu)成子空間(?<?)，使原數(shù)據(jù)集映射到子集的誤差在能量意義上最小。p0D/Galerkin模型降階的基本步驟如下:
A、在CFD動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程中，利用快照方式(snapshots)截取《個(gè)代表性溫度場(chǎng)并組成矩陣:
【權(quán)利要求】
1.基于模型降階和多模型預(yù)測(cè)控制的室內(nèi)熱環(huán)境控制方法，具體包括如下步驟: (1)建立基于CFD的室內(nèi)熱環(huán)境動(dòng)態(tài)模型； (2)對(duì)室內(nèi)用戶區(qū)域的溫度變化區(qū)間進(jìn)行合理分段； (3)對(duì)熱環(huán)境模型離散化并通過(guò)模型降階技術(shù)在步驟(2)中每段溫度區(qū)間的平衡態(tài)處進(jìn)行模型重構(gòu)，構(gòu)造出低階線性多模型形式的室內(nèi)熱環(huán)境模型； (4)運(yùn)用優(yōu)化算法合理選擇多模型切換時(shí)間； (5)對(duì)多模型形式的室內(nèi)熱環(huán)境運(yùn)用預(yù)測(cè)控制方法進(jìn)行用戶區(qū)域溫度的精確控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型降階和多模型預(yù)測(cè)控制的室內(nèi)熱環(huán)境控制方法，其特征在于:步驟(1)中，所述室內(nèi)熱環(huán)境動(dòng)態(tài)模型的建立步驟如下: (1)利用Fluent軟件建立房間圍護(hù)的二維幾何模型，確定空調(diào)送風(fēng)口和回風(fēng)口的位置與尺寸； (2)對(duì)建立的房間模型劃分網(wǎng)格； (3)固定空調(diào)送風(fēng)速度，耦合求解質(zhì)量、動(dòng)量及能量方程的瞬態(tài)解，得到室內(nèi)用戶區(qū)域的溫度變化曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型降階和多模型預(yù)測(cè)控制的室內(nèi)熱環(huán)境控制方法，其特征在于:步驟(2)中，所述室內(nèi)用戶區(qū)域的溫度變化區(qū)間分段方法采用均分法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型降階和多模型預(yù)測(cè)控制的室內(nèi)熱環(huán)境控制方法，其特征在于:步驟(3)中，所述熱環(huán)境模型的離散化方法采用有限體積法；所述模型降階技術(shù)采用POD-Galerkin方法；所述每段溫度區(qū)間的后端點(diǎn)值選取為對(duì)應(yīng)平衡態(tài)的輸出溫度值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于模型降階和多模型預(yù)測(cè)控制的室內(nèi)熱環(huán)境控制方法，其特征在于:所述POD-Galerkin模型降階方法的基本步驟如下: (1)在CFD動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程中，利用快照方式截取個(gè)代表性溫度場(chǎng)并組成矩陣:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型降階和多模型預(yù)測(cè)控制的室內(nèi)熱環(huán)境控制方法，其特征在于:步驟(4)中，所述用于選擇多模型切換時(shí)間的優(yōu)化算法可表述為下式:
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于模型降階和多模型預(yù)測(cè)控制的室內(nèi)熱環(huán)境控制方法，其特征在于:所述優(yōu)化算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下: (1)運(yùn)用Matlab仿真軟件對(duì)相鄰兩個(gè)線性熱環(huán)境子模型同時(shí)進(jìn)行溫度預(yù)測(cè)控制； (2)計(jì)算兩個(gè)相鄰子模型的輸出誤差，即:

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型降階和多模型預(yù)測(cè)控制的室內(nèi)熱環(huán)境控制方法，其特征在于:步驟(5)中，由于各個(gè)子模型重構(gòu)為低階的線性模型，所述用戶區(qū)域溫度的精確控制采用經(jīng)典模型預(yù)測(cè)控制算法。
【文檔編號(hào)】G05D23/19GK103995548SQ201410199657
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】薛文平, 李康吉, 劉國(guó)海 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)