CN102043907A - 空调房间实时冷负荷确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空调房间实时冷负荷确定方法。本方法是基于房间系统热平衡过程，确定冷负荷模型结构，测定空调的实时供冷量输入及室温响应实况，辨识模型参数，建立实时冷负荷模型，计算空调房间实时冷负荷。本发明为空调运行控制提供精准、可靠的实时冷负荷需求数据；避免传热机理建模方法和预测方法需要大量先验知识和历史数据、难以涵盖负荷动态影响因素等问题，可真实反映空调房间实时冷负荷需求；本发明适用范围广，实时性强，可以广泛适用于空调运行阶段的节能调控和老旧建筑的空调节能改造等方面。

Description

空调房间实时冷负荷确定方法
技术领域
本发明涉及民用建筑暖通空调集中供冷的方法和系统，特别是设计空调运行节能优化控制所需的空调房间实时冷负荷确定方法。
背景技术
目前我国仅民用建筑运行耗电就占全国总发电量的22-24％，其中暖通空调能耗约占其中的50-60％，在一些超大城市这一比例更高，按重庆和上海的统计，中央空调用电量已分别占全市总用电量的23%和31.1%。空调作为耗电大户，应成为节能减排的重点攻关对象，据业内专家预测，中央空调至少还有30%的节能潜力。空调系统节能覆盖系统设计、运行、维护的全过程，其中运行阶段是直接耗能过程，因此空调系统的运行控制对节能效果至关重要。而空调房间实时冷负荷的计算是空调系统运行节能的基础。
冷负荷是空调系统运行基础的数据之一，是空调系统供冷量的终端需求，直接决定整个系统的能耗。一般空调是按照最大冷负荷设计的，但在实际运行时负荷在不断变化，据统计按照最大负荷设计的系统约有90%时间在80%负荷以下运行。部分负荷会影响设备的运行效率、制冷机组的投入台数、冷却塔的供冷量以及系统运行条件，只有准确获取实际的动态负荷，才可据此对空调系统进行优化调控，实现按需供能、保证系统高效运行、减少能耗。
传统的负荷确定方法主要有传热机理计算方法和负荷预测方法。传热机理计算方法适用于空调工程设计阶段，区分了得热与冷负荷，由得热转化为冷负荷。建筑物结构、材料、朝向、窗户、室内固定照明、用电设备等静态因素和室外气象条件、室内人员流动、系统运行方式、室内设备状态等动态因素是房间负荷的决定因素，传热机理计算方法通过预知静态参数和固化典型工况的动态参数来计算典型负荷和峰值负荷，虽然准确性较高，但是动态实时性较差，且计算量大，考虑典型工况和极限工况的静态因素较多，需要大量建筑结构参数和连续气象数据，不适用于空调运行阶段的房间实时冷负荷的计算，空调容量的设计配置也往往比房间实际负荷偏大。
负荷预测方法主要目标是通过对实际负荷的准确预测，对空调运行过程进行实时控制，达到按需供能、减少能耗的目的，大多是基于多年积累的相关基准数据，采用线性回归、指数平滑、神经网络、层次分析、小波分析等现代模型辨识方法建立负荷预测模型，基于该模型即可根据实测气象数据计算实时负荷。目前负荷预测方法中主要采用的基准数据仍是由基于经典传热机理计算方法的模拟分析软件产生。这种方法需要预知大量历史数据，难以反映随机动态因素，影响了其准确性和实用性。
目前的负荷确定方法用到空调运行阶段来计算实际负荷有诸多困难，因此，研究空调房间实时冷负荷确定方法，对空调系统的运行节能具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于解决已有技术存在的问题，提供一种空调房间实时冷负荷确定方法，为空调运行提供精准、可靠的实时冷负荷数据，实现优化节能控制。
为解决所述技术问题，本发明的构思是：提出一种空调房间实时冷负荷确定方法，以空调制冷为典型工况，基于房间系统热平衡过程，确定冷负荷模型结构，测定空调的实时供冷量输入及室温响应实况，辨识模型参数，建立实时冷负荷模型，计算空调房间实时冷负荷。
所述冷负荷模型的关键参数通过对空调实时供冷量输入和室温响应输出进行拟合，按照系统辨识方法来获得。
以往方法针对空调设计阶段，基于机理建模方法或者冷负荷预测方法存在所述实时性差、计算量大等缺点，本发明着重考虑已经安装了空调系统的房间，在空调运行阶段，通过测定空调实时供冷量和室温实况以及室温变化率，计算空调房间实时冷负荷，更直接、准确、简单易行。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种空调房间实时冷负荷确定方法，其特征在于具体包括以下步骤：
(1)     确定冷负荷模型结构：所述冷负荷模型结构表明房间系统的空调供冷量                                                
Figure 753449DEST_PATH_IMAGE001
，房间实时冷负荷
Figure 342693DEST_PATH_IMAGE002
，室内温度响应输出
Figure 388009DEST_PATH_IMAGE003
以及室温变化率特征变量的热平衡关系：
Figure 216507DEST_PATH_IMAGE004
，式中
Figure 765300DEST_PATH_IMAGE005
为模型结构需要辨识的空调房间系统有关的模型参数，
Figure 791025DEST_PATH_IMAGE006
是空调房间的时间温度梯度；
(2)     测定空调实时供冷量与室温实况：在空调运行阶段，设定目标室温和风速档，用空气流量计实时测量的空调送风量，用温湿度计测量同一时刻的空调送风温度、空调回风温度，室温和相对湿度值；用焓差法计算得到空调实时供冷量；
Figure 58058DEST_PATH_IMAGE007
，式中为空调送风的质量流量， 
Figure 597941DEST_PATH_IMAGE009
为进风口湿空气的焓值，
Figure 856884DEST_PATH_IMAGE010
为出风口湿空气的焓值，然后绘制实时室温响应曲线；
(3)     辨识模型参数：根据所述冷负荷模型结构，将步骤（2）中得到的空调实时供冷量和室温实况以及室温变化率数据通过系统辨识方法拟合，得出辨识模型中的与房间系统特性有关的模型参数
Figure 548897DEST_PATH_IMAGE005
；
(4)     建立实时冷负荷模型：根据步骤（3）所述模型参数辨识结果得出的模型参数
Figure 285908DEST_PATH_IMAGE005
，代入冷负荷模型结构，建立与房间系统特性相匹配的实时冷负荷模型；
(5)     计算空调房间实时冷负荷值：在目标室温设定后，再次进行步骤（2）实验，将最新测定的空调供冷量输入，室温实况以及室温变化率代入所述实时冷负荷模型，计算得到空调运行阶段的房间实时冷负荷值。
本发明相比以往计算方法，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
本发明具有以下技术效果：（1）在空调运行阶段，从空调供冷量与室温响应曲线出发，基于房间系统的热平衡原理，求取实时冷负荷。为空调运行控制提供精准、可靠的实时冷负荷需求数据。（2）避免传热机理建模方法和预测方法需要大量先验知识和历史数据、难以涵盖负荷动态影响因素等问题，可真实反映空调房间实时冷负荷需求。（3）适用范围广，实时性强。本发明方法计算量小，实时性强，可以广泛适用于空调运行阶段的节能调控和老旧建筑的空调节能改造等方面。
附图说明
图1是空调房间实时冷负荷确定方法的操作流程图；
图2是空调房间模型示意图。
具体实施方式
以下结合附图1和附图2所示之最佳实施例作进一步详述。
选取位于上海市的某一空调制冷的办公室房间，其面积为27.09m2，高为3.3m，朝向为南向，位于一栋4层办公建筑的第2层。南向为外窗，窗墙比为0.287，北向为一扇内门。空调设定温度为26℃，已知实验采用的空调循环风量为480m3/h。房间设备条件如图2所示。本空调房间实时冷负荷确定方法的具体实施步骤如下：
(1)     确定冷负荷模型结构：所述冷负荷模型结构表明房间系统的空调供冷量输入
Figure 245512DEST_PATH_IMAGE001
，房间实时冷负荷
Figure 675356DEST_PATH_IMAGE002
，室内温度响应输出
Figure 651403DEST_PATH_IMAGE003
以及单位时间室温变化率等特征变量的热平衡关系。
Figure 129788DEST_PATH_IMAGE004
，式中：
Figure 773259DEST_PATH_IMAGE001
为空调的供冷量，对整个房间系统，考虑集中参数模型，为模型结构需要辨识的空调房间系统有关的模型参数，
Figure 775030DEST_PATH_IMAGE006
是空调房间的时间温度梯度。
(2)     测定空调实时供冷量与室温实况：在空调运行阶段，设定目标室温26℃，设定为空调最大风速档，以5分钟为单位，开机后用空气流量计实时测量的空调送风量，用温湿度计测量同一时刻的空调送风温度、空调回风温度，室温和相对湿度值。测量房间内实时空调进风温度
Figure 791528DEST_PATH_IMAGE011
，出风温度；测量同一时刻的室温
Figure 795573DEST_PATH_IMAGE003
以及室内空气相对湿度
Figure 450939DEST_PATH_IMAGE013
。空调的供冷量
Figure 333444DEST_PATH_IMAGE001
的计算公式：
Figure 623611DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 566159DEST_PATH_IMAGE008
为空调送风的质量流量，可由已知的空调循环风量指标转化计算，
Figure 4094DEST_PATH_IMAGE009
为进风口湿空气的焓值，
Figure 362394DEST_PATH_IMAGE010
为出风口湿空气的焓值。用焓差法计算得到空调实时供冷量，绘制实时室温响应曲线。
(3)     辨识模型参数：根据所述冷负荷模型结构，将步骤（2）中得到的空调实时供冷量和室温实况以及室温变化率（按照每5分钟为时间间隔，取温度变化的梯度）等数据通过系统辨识方法拟合，得出辨识模型中的与房间系统特性有关的模型参数
Figure 834964DEST_PATH_IMAGE005
。
所述系统辨识方法，可以采用最小二乘法，将空调实时供冷量
Figure 620517DEST_PATH_IMAGE001
和室温变化率作为线性拟合的输入和输出，辨识出的系数即为模型参数
Figure 981966DEST_PATH_IMAGE005
的值。
(4)     建立实时冷负荷模型：根据步骤（3）所述模型参数辨识结果得出的模型参数
Figure 206274DEST_PATH_IMAGE005
，代入冷负荷模型结构，建立与房间系统特性相匹配的实时冷负荷模型。
(5)     计算空调房间实时冷负荷值：在目标室温设定26℃，再次进行步骤（2）实验，将最新测定的空调供冷量输入，室温实况以及室温变化率代入所述实时冷负荷模型，计算得到空调运行阶段的房间实时冷负荷值。
实验计算结果与DeST能耗分析软件仿真结果进行对比，验证发明方法的可行性。以2010年8月21日实验计算结果为例，连续3小时计算参考房间的实时冷负荷数据后，由于DeST只含有逐时负荷仿真结果，用发明方法的数据结果计算得9:00至11:00逐时冷负荷分别为2.31kW、2.61 kW、2.69 kW；在DeST全年逐时冷负荷报表中，相应于实验气象条件日的9:00至11:00逐时冷负荷分别为2.51 kW、2.60 kW、2.69 kW。本发明方法的计算结果与DeST的平均相对误差为2.5%。
本发明方法能反应空调房间系统的实时供冷量输入与室温相应特性，建立与空调房间相适应的冷负荷模型结构，并能使用系统辨识方法对民用建筑空调房间特性参数进行辨识，确定实时冷负荷模型，最后计算出空调房间实时冷负荷。由于冷负荷计算是空调系统优化运行控制的基础，本发明方法结合空调运行控制将对于民用建筑节能和老旧建筑空调节能改造产生显著的经济效益和社会效益。

Claims (1)

1.一种空调房间实时冷负荷确定方法，其特征在于：基于房间系统热平衡过程，确定冷负荷模型结构，测定空调的实时供冷量输入及室温响应实况，辨识模型参数，建立实时冷负荷模型，计算出空调房间实时冷负荷；具体包括以下步骤：
A.确定冷负荷模型结构：所述冷负荷模型结构表明房间系统的空调供冷量                                                
Figure 104025DEST_PATH_IMAGE001
，房间实时冷负荷，室内温度响应输出以及室温变化率特征变量的热平衡关系：
Figure 13710DEST_PATH_IMAGE004
，式中
Figure 435201DEST_PATH_IMAGE005
为模型结构需要辨识的空调房间系统有关的模型参数，
Figure 744960DEST_PATH_IMAGE006
是空调房间的时间温度梯度；
B.测定空调实时供冷量与室温实况：在空调运行阶段，设定目标室温和风速档，用空气流量计实时测量的空调送风量，用温湿度计测量同一时刻的空调送风温度、空调回风温度，室温和相对湿度值；用焓差法计算得到空调实时供冷量；
Figure 753367DEST_PATH_IMAGE007
，式中
Figure 806774DEST_PATH_IMAGE008
为空调送风的质量流量， 
Figure 584237DEST_PATH_IMAGE009
为进风口湿空气的焓值，
Figure 64897DEST_PATH_IMAGE010
为出风口湿空气的焓值，然后绘制实时室温响应曲线；
C.辨识模型参数：根据所述冷负荷模型结构，将步骤B中得到的空调实时供冷量和室温实况以及室温变化率数据通过系统辨识方法拟合，得出辨识模型中的与房间系统特性有关的模型参数
Figure 295021DEST_PATH_IMAGE005
；
D.建立实时冷负荷模型：根据步骤C所述模型参数辨识结果得出的模型参数
Figure 152119DEST_PATH_IMAGE005
，代入冷负荷模型结构，建立与房间系统特性相匹配的实时冷负荷模型；
E.计算空调房间实时冷负荷值：在目标室温设定后，再次进行步骤B实验，将最新测定的空调供冷量输入，室温实况以及室温变化率代入所述实时冷负荷模型，计算得到空调运行阶段的房间实时冷负荷值。
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