CN114580122A - 一种基于㶲经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法 - Google Patents

一种基于㶲经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法 Download PDF

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CN114580122A CN202210051696.5A CN202210051696A CN114580122A CN 114580122 A CN114580122 A CN 114580122A CN 202210051696 A CN202210051696 A CN 202210051696A CN 114580122 A CN114580122 A CN 114580122A
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Abstract

本发明公开了一种基于
Figure DDA0003474486550000011
经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法。所述方法包括以下步骤：对建筑热环境能量传递过程进行网络化建模为虚拟热网络，与建筑暖通空调系统供能网络组成一张能量网络，并建立建筑热环境能量传递模型与
Figure DDA0003474486550000013
分析模型；基于
Figure DDA0003474486550000012
经济分析方法对建筑暖通空调供能系统进行
Figure DDA0003474486550000016
成本分析，并将其能量按能量品质差异化定价，建立建筑热环境能量传递的
Figure DDA0003474486550000015
经济模型；根据不同品质能量的价格，在用户舒适度范围内，以
Figure DDA0003474486550000014
经济费用最小为目标构建建筑暖通空调优化调控模型，通过建筑暖通空调优化调控模型对建筑暖通空调系统能量供‑需进行能质匹配优化。本发明可指引建筑暖通空调节能技术开发，使建筑暖通空调供‑用能过程能质更加匹配。

Description

一种基于㶲经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法
技术领域
本发明涉及建筑节能及能源管理领域，具体涉及一种基于
Figure BDA0003474486530000012
经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法。
背景技术
由于全球能源的快速消耗与环境的持续恶化，提高能源利用率成了各个国家的共同目标。据统计，建筑能耗约占全球能源消耗的40％，其中，暖通空调系统在运行期间产生的能量消耗约占建筑物能耗的一半。预计到2050年，建筑部门节能减排潜力将高达74％，可减少碳排放量约50％。因此，建筑节能对于实现我国节能减排战略具有重大意义，是实现双碳目标的关键。
传统能源管理注重能源所含能量数量的管理，通过能量守恒实现能量的供需匹配。相关专利文献(基于部分线性模型的建筑暖通空调负荷优化控制方法)通过物理模型与数据驱动相结合的方法获得建筑热环境能量传递模型及暖通空调系统模型参数，最后以能耗最小为目标调控室内温度，该专利忽视了能量的品质差异，未考虑能量传递过程做功能力
Figure BDA0003474486530000016
的损耗，建筑暖通空调的节能潜力有待进一步挖掘。
能源互联网背景下，能源供应种类多样，能源供应形式灵活，能源需求品质参差不齐，在此背景下，如何衡量不同能源的差异性及经济价值，如何进一步挖掘节能潜力成为了亟需解决的难题。相关专利文献(建筑能量管理的优化方法、装置及设备)考虑了建筑热环境能量传递过程的
Figure BDA0003474486530000014
损耗，并以
Figure BDA0003474486530000015
损耗最小为目标优化调控建筑环境温度，但该专利未考虑不同品质能量的经济价值，使得建筑暖通空调能量供-需的经济价值不匹配。
综上所述，已有研究未述及建筑暖通空调供-用能系统能量传递过程一体化建模的思想，不便于能量传递过程的一体化分析，另外，对不同品质能量的价值分析不够全面，建筑暖通空调的节能潜力有待进一步挖掘。
发明内容
本发明从能量的量、质、价值出发，对建筑暖通空调系统能量传递过程进行了多角度分析，充分挖掘其节能潜力，并提出一种基于
Figure BDA0003474486530000021
经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法，为提高建筑能效，建筑能源管理优化奠定理论基础。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种基于
Figure BDA0003474486530000022
经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法，包括以下步骤：
S1，对建筑热环境能量传递过程进行网络化建模为虚拟热网络，与建筑暖通空调系统供能网络组成一张能量网络，便于建筑暖通空调供-用能系统能量传递过程一体化分析，为根据建筑环境温度变化进行优化调控打下基础，并建立建筑热环境能量传递模型与
Figure BDA0003474486530000023
分析模型；
S2，基于
Figure BDA0003474486530000024
经济分析方法对建筑暖通空调供能系统进行
Figure BDA0003474486530000025
成本分析，并将其能量按能量品质差异化定价，建立建筑热环境能量传递的
Figure BDA0003474486530000026
经济模型；
S3，根据不同品质能量的价格，在用户舒适度范围内，以
Figure BDA0003474486530000027
经济费用最小为目标构建建筑暖通空调优化调控模型，通过建筑暖通空调优化调控模型对建筑暖通空调系统能量供-需进行能质匹配优化。
进一步地，步骤S1中，建筑热环境包括建筑内环境和建筑外环境，建筑内环境与外环境主要通过建筑中的墙壁和窗户传热，建筑内环境中的热源包括暖通空调输送的热能，太阳辐射的热能，以及室内人和其他物体释放的热能，建筑外环境根据实际情况一般将其视为恒温热源；
在对建筑热环境能量传递过程进行网络化建模时，主要等效建模思路为：将室内空气、墙壁以及室外空气分别集总等效为不同节点，室内空气节点和墙壁节点等效为储能元件，通过热容元件等效；室外空气节点等效为恒温热源元件，通过热流源元件等效；各节点之间能量传递过程中发生的能量损耗通过阻性元件来等效，若节点有吸收其他形式的热能，包括暖通空调输送的热能，太阳辐射的热能，以及室内人和其他物体释放的热能，分别通过热流源来等效，从而将建筑热环境能量传递过程等效为虚拟热网络。
进一步地，在供能网络中，将暖通空调系统(HVAC)等效为一个多输入单输出的能量转化节点，输入暖通空调系统(HVAC)的能量包括电能、热能或其他形式的能量，根据输入的能量的传递过程的物理特性，通过阻性元件、感性元件或容性元件进行等效建模，从而组成供能网络。
进一步地，建筑暖通空调供-用能系统虽然包括不同种类能量，但从本质而言，其都是能量，遵从相同的物理规律，从而可组成一张能量网络，使得建筑暖通空调供-用能系统能量传递过程一体化建模，便于能量传递过程一体化分析求解，为根据建筑环境温度变化进行优化调控打下基础。
基于能量守恒定律，假设室内空气混合均匀，墙壁和窗户均匀传热，根据构建的虚拟热网络，通过耦合的微分方程构建建筑热环境能量传递模型，具体如下：
Figure BDA0003474486530000031
Figure BDA0003474486530000032
其中，t为时段索引，a表示室内节点，m表示墙壁节点，∞表示室外空气节点，ram表示室内节点a与墙壁节点m之间的热阻，ra∞表示室内节点a与室外空气节点∞之间的热阻，rm∞表示墙壁节点m与室外空气节点∞之间的热阻，Ta(t)为t时段室内空气节点a的温度，ca为室内空气节点a的热容，Tm(t)为t时段墙壁节点m的温度，cm为墙壁节点m的热容，T∞(t)为t时段室外空气节点∞恒温热源温度，
Figure BDA0003474486530000033
为t时段室内空气节点a吸收的太阳辐射热能，
Figure BDA0003474486530000034
为t时段墙壁节点m吸收的太阳辐射热能，Qint(t)为t时段室内空气节点a吸收的其他热量，Qhvac(t)为t时段暖通空调输送给室内空气节点a的热能。
进一步地，构建建筑热环境能量传递的
Figure BDA0003474486530000035
分析模型，具体如下：
能量不仅具有量的大小，还具有质
Figure BDA00034744865300000421
的差异，上述建立了建筑热环境能量传递模型，接下来构建建筑热环境能量传递的
Figure BDA0003474486530000046
分析模型。
由于
Figure BDA0003474486530000047
在传递过程中不守恒，一般不能简单的将其通过能量网络的形式来表示，将建筑空间视为一个开口控制体，开口控制体的
Figure BDA0003474486530000048
平衡方程式由下式表示：
Xin＝∑Xout+XL+ΔX；
其中，Xin为不同形式的输入
Figure BDA00034744865300000410
Xout为不同形式的输出
Figure BDA00034744865300000411
XL为
Figure BDA00034744865300000412
损耗，ΔX为控制体前后状态的
Figure BDA00034744865300000413
变化量；
热流流过控制体的总
Figure BDA00034744865300000414
包括动能、势能和焓
Figure BDA00034744865300000415
单位质量流量的
Figure BDA00034744865300000416
流ψ表示为：
ψ＝(h-h0)-T0(s-s0)+V2/2+gz；
其中，h和h0分别为热流的焓和寂态焓；T0是环境参考温度；s和s0分别为热流的熵和寂态熵；V2/2和gz分别表示热流的动能和势能；由于热流在控制体内流动过程中动能和势能变化很小，因此忽略热流流动过程的动能和势能；因此，热流流过建筑空间的
Figure BDA00034744865300000417
耗
Figure BDA0003474486530000041
表示为：
Figure BDA0003474486530000042
其中，
Figure BDA00034744865300000418
为热流质量流量，ψ1表示流入的单位质量流量
Figure BDA00034744865300000419
流，ψ2表示流出的单位质量流量
Figure BDA00034744865300000420
流，热流流动过程中的焓变Δh和熵变Δs具体计算如下：
Figure BDA0003474486530000043
Figure BDA0003474486530000044
其中，T为热流温度，1和2分别代表两种状态，cvavg和cpavg分别为室内空气的平均定容比热和平均定压比热容，R和v分别为气体常数和比体积；s2和s1分别为第二状态2和第一状态1下的熵，v2和v1分别为第二状态2和第一状态1下的气体体积，T2和T1分别为第二状态2和第一状态1下的热流温度，h1和h2分别为第一状态1和第二状态2下的焓；
因此，t时段建筑热环境能量传递过程的
Figure BDA0003474486530000054
耗
Figure BDA0003474486530000051
表示为：
Figure BDA0003474486530000052
其中，Ts(t)为t时段流入建筑空间的热流温度，Ta(t)为t时段流出建筑空间的热流温度，T0(t)为t时段的环境温度。
进一步地，步骤S2中，能量的有效能--
Figure BDA0003474486530000055
是从热力学第二定律出发表征不同能量做功能力差异性的一种方法，但该方法不能体现能量的经济价值，
Figure BDA0003474486530000056
经济分析方法在
Figure BDA0003474486530000057
分析的基础上，从经济层面衡量不同
Figure BDA0003474486530000058
的经济价值。在此背景下，本发明基于
Figure BDA0003474486530000059
经济分析方法对暖通空调系统(HVAC)供能系统进行
Figure BDA00034744865300000510
成本分析，并将其能量按能量品质差异化定价。将暖通空调系统(HVAC)等效为多输入单输出元件，则综合考虑不同工况的
Figure BDA00034744865300000511
成本平衡方程为：
Figure BDA0003474486530000053
其中，g代表不同工况，g＝1～n，n为总工况数，i代表不同输入
Figure BDA00034744865300000512
流，i＝1～S，S为输入
Figure BDA00034744865300000513
流总数，ci(g)代表工况g下第i股输入
Figure BDA00034744865300000514
流的单位价格，c'(g)代表工况g下输出
Figure BDA00034744865300000515
流的单位价格，Ei(g)代表工况g下第i股输入
Figure BDA00034744865300000516
流，E'(g)代表工况g下的输出
Figure BDA00034744865300000517
流。
进一步地，一方面，不同品质的能量所固有的经济价值不同；另一方面，不同工况下，输出能量的成本不同，由于管理不善或技术缺陷，某些工况下会出现暖通空调系统(HVAC)输出能量的成本与其能量品质所固有的经济价值相差很大的情况，导致能量的成本与其经济价值不匹配，不利于品质对口，科学用能。因此，为合理体现不同工况下暖通空调系统(HVAC)输出能量经济价值的差异性，将能量按品质差异化定价，在
Figure BDA0003474486530000068
成本平衡方程基础上，综合考虑不同工况构建成本分摊方程，如下式所示：
Figure BDA0003474486530000061
Figure BDA0003474486530000062
其中，λ(g)为工况g下暖通空调系统(HVAC)输出能量的能质系数，Ts(g)为工况g下暖通空调系统(HVAC)输出能量的温度，不同工况下，环境参考温度T0可能不同，但本发明忽略环境参考温度的影响，环境参考温度T0统一取固定值。
进一步地，构建建筑热环境能量传递的
Figure BDA0003474486530000069
经济模型，具体如下：
在建筑热环境能量传递的
Figure BDA00034744865300000610
耗模型
Figure BDA0003474486530000063
的基础上，结合考虑不同工况构建的成本分摊方程，建筑热环境能量传递的
Figure BDA00034744865300000611
经济模型具体如下：
Figure BDA0003474486530000064
Figure BDA0003474486530000065
其中，
Figure BDA0003474486530000066
为t时段工况g下
Figure BDA00034744865300000612
耗经济费用，Ts,g(t)为t时段工况g下暖通空调系统(HVAC)输出能量的温度。
进一步地，步骤S3中，在用户舒适度范围内，以最小化暖通空调系统的
Figure BDA00034744865300000613
耗经济费用
Figure BDA0003474486530000067
为目标，构建建筑暖通空调优化调控模型如下：
Figure BDA0003474486530000071
s.t.
Figure BDA0003474486530000072
Figure BDA0003474486530000073
Figure BDA0003474486530000074
Figure BDA0003474486530000075
Figure BDA0003474486530000076
Figure BDA0003474486530000077
Figure BDA0003474486530000078
Figure BDA0003474486530000079
Figure BDA00034744865300000710
其中，
Figure BDA00034744865300000711
和T分别为输入热流温度上下限，
Figure BDA00034744865300000712
和ΔT分别为输入热流温度上下爬坡能力约束，ε(t)和
Figure BDA00034744865300000713
分别为室内温度舒适度下限和上限；质量流量
Figure BDA00034744865300000714
为固定值。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
相比于建筑暖通空调系统传统能量管理模式，不同种类能量单独建模，尤其建筑热环境能量传递的复杂时空微分方程，本发明提出的一体化建模方法，可大大简化多种类复杂耦合能源系统的能量传递建模，使得能量传递过程清晰明了，便于一体化分析计算，为建筑暖通空调的优化调控打下坚实基础。
另外，传统能量管理模式下，仅仅考虑能量的数量，而忽略了能量的质量及经济价值，本发明综合考虑了建筑热环境中能量传递过程数量、质量(
Figure BDA00034744865300000715
)的变化特性并将能量按能量品质差异化定价，从而体现不同种类能量经济价值的差异性，为建筑暖通空调的供-用能能质匹配优化打下坚实基础。
最后，本发明分别以
Figure BDA00034744865300000716
耗最小和
Figure BDA00034744865300000717
经济费用最小为目标对暖通空调系统进行优化调控，仿真结果表明了本发明所提方法，从经济价值层面使得建筑暖通空调系统供-用能能质更加匹配，为品质对口，科学用能打下坚实基础。
附图说明
图1为本发明实施例中的能量网络示意图；
图2为本发明实施例中建筑空间
Figure BDA0003474486530000081
传递过程示意图；
图3为本发明实施例中暖通空调系统(HVAC)的
Figure BDA0003474486530000082
流图；
图4为本发明实施例中建筑热环境网络模型示意图；
图5为本发明实施例1中的场景1模型B优化结果曲线图；
图6为本发明实施例1中的场景1模型A优化结果曲线图；
图7为本发明实施例2中的场景2模型B优化结果曲线图；
图8为本发明实施例2中的场景2模型A优化结果曲线图；
图9为本发明实施例3中的场景3模型B优化结果曲线图；
图10为本发明实施例3中的场景3模型A优化结果曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。但本发明要求保护的范围并不限于此。
实施例1：
一种基于
Figure BDA0003474486530000083
经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法，包括以下步骤：
S1，对建筑热环境能量传递过程进行网络化建模为虚拟热网络，与建筑暖通空调系统供能网络组成一张能量网络，便于建筑暖通空调供-用能系统能量传递过程一体化分析，为根据建筑环境温度变化进行优化调控打下基础，并建立建筑热环境能量传递模型与
Figure BDA0003474486530000084
分析模型；
本实施例中，如图1所示，为建筑暖通空调供用能系统一体化建模案例，具体展开如下：
建筑热环境包括建筑内环境和建筑外环境，建筑内环境与外环境主要通过建筑中的墙壁和窗户传热，建筑内环境中的热源包括暖通空调输送的热能，太阳辐射的热能，以及室内人和其他物体释放的热能，建筑外环境根据实际情况一般将其视为恒温热源；
在对建筑热环境能量传递过程进行网络化建模时，主要等效建模思路为：将室内空气、墙壁以及室外空气分别集总等效为不同节点，室内空气节点和墙壁节点等效为储能元件，通过热容元件等效；室外空气节点等效为恒温热源元件，通过热流源元件等效；各节点之间能量传递过程中发生的能量损耗通过阻性元件来等效，若节点有吸收其他形式的热能，包括暖通空调输送的热能，太阳辐射的热能，以及室内人和其他物体释放的热能，分别通过热流源来等效，从而将建筑热环境能量传递过程等效为虚拟热网络。
在供能网络中，将暖通空调系统(HVAC)等效为一个多输入单输出的能量转化节点，输入暖通空调系统(HVAC)的能量包括电能、热能或其他形式的能量，根据输入的能量的传递过程的物理特性，通过阻性元件、感性元件或容性元件进行等效建模，从而组成供能网络。
建筑暖通空调供-用能系统虽然包括不同种类能量，但从本质而言，其都是能量，遵从相同的物理规律，从而可组成一张能量网络，使得建筑暖通空调供-用能系统能量传递过程一体化建模，便于能量传递过程一体化分析求解，为根据建筑环境温度变化进行优化调控打下基础。
基于能量守恒定律，假设室内空气混合均匀，墙壁和窗户均匀传热，根据构建的虚拟热网络，通过耦合的微分方程构建建筑热环境能量传递模型，具体如下：
Figure BDA0003474486530000091
Figure BDA0003474486530000092
其中，t为时段索引，a表示室内节点，m表示墙壁节点，∞表示室外空气节点，ram表示室内节点a与墙壁节点m之间的热阻，ra∞表示室内节点a与室外空气节点∞之间的热阻，rm∞表示墙壁节点m与室外空气节点∞之间的热阻，Ta(t)为t时段室内空气节点a的温度，ca为室内空气节点a的热容，Tm(t)为t时段墙壁节点m的温度，cm为墙壁节点m的热容，T∞(t)为t时段室外空气节点∞恒温热源温度，
Figure BDA0003474486530000101
为t时段室内空气节点a吸收的太阳辐射热能，
Figure BDA0003474486530000102
为t时段墙壁节点m吸收的太阳辐射热能，Qint(t)为t时段室内空气节点a吸收的其他热量，Qhvac(t)为t时段暖通空调输送给室内空气节点a的热能。
本实施例中，如图4所示，以其中一个房间为案例具体展开如下：
房间节点的能量平衡方程为：
Figure BDA0003474486530000103
Figure BDA0003474486530000104
墙壁节点的能量平衡方程为：
Figure BDA0003474486530000105
Figure BDA0003474486530000106
Figure BDA0003474486530000107
Figure BDA0003474486530000108
其中，T1(t)为t时段室内空气节点温度，T2(t),T3(t),T4(t),T5(t)分别为t时段室外空气节点温度，
Figure BDA0003474486530000109
为t时段墙壁节点温度，
Figure BDA00034744865300001010
为墙壁节点热容，
Figure BDA00034744865300001011
为室内空气节点T1与墙壁节点
Figure BDA00034744865300001012
之间的热阻，假设室外空气节点Tj与墙壁节点
Figure BDA00034744865300001013
之间的热阻等于室内空气节点T1与墙壁节点
Figure BDA00034744865300001014
之间的热阻，j为节点编号，
Figure BDA00034744865300001015
表示流入或流出室内空气节点的热流质量流量；cpavg表示室内空气的平均定压比热容，Ts(t)是为t时段流入室内空气节点的热流温度；
Figure BDA0003474486530000111
为墙壁节点
Figure BDA0003474486530000112
所含有的玻璃窗面积，τw是玻璃窗的透射率；
Figure BDA0003474486530000113
是t时段辐射到玻璃窗的太阳辐射热通量密度，
Figure BDA0003474486530000114
是t时段辐射到墙壁节点
Figure BDA0003474486530000115
的太阳辐射热通量密度，Qint(t)表示室内空气节点吸收的内部产生的其他热量；α5和
Figure BDA0003474486530000116
分别为墙壁节点
Figure BDA0003474486530000117
的太阳辐射热吸收系数和墙壁的面积。
构建建筑热环境能量传递的
Figure BDA00034744865300001111
分析模型，具体如下：
能量不仅具有量的大小，还具有质(
Figure BDA00034744865300001112
)的差异，上述建立了建筑热环境能量传递模型，接下来构建建筑热环境能量传递的
Figure BDA00034744865300001113
分析模型。
由于
Figure BDA00034744865300001114
在传递过程中不守恒，一般不能简单的将其通过能量网络的形式来表示，将建筑空间视为一个开口控制体，如图2所示，开口控制体的
Figure BDA00034744865300001115
平衡方程式由下式表示：
∑Xin＝∑Xout+XL+ΔX；
其中，Xin为不同形式的输入
Figure BDA00034744865300001116
Xout为不同形式的输出
Figure BDA00034744865300001117
XL为
Figure BDA00034744865300001118
损耗，ΔX为控制体前后状态的
Figure BDA00034744865300001119
变化量；
热流流过控制体的总
Figure BDA00034744865300001120
包括动能、势能和焓
Figure BDA00034744865300001121
单位质量流量的
Figure BDA00034744865300001122
流ψ表示为：
ψ＝(h-h0)-T0(s-s0)+V2/2+gz；
其中，h和h0分别为热流的焓和寂态焓；T0是环境参考温度；s和s0分别为热流的熵和寂态熵；V2/2和gz分别表示热流的动能和势能；由于热流在控制体内流动过程中动能和势能变化很小，因此忽略热流流动过程的动能和势能；因此，热流流过建筑空间的
Figure BDA00034744865300001123
耗
Figure BDA0003474486530000118
表示为：
Figure BDA0003474486530000119
其中，
Figure BDA00034744865300001110
为热流质量流量，ψ1表示流入的单位质量流量
Figure BDA00034744865300001124
流，ψ2表示流出的单位质量流量
Figure BDA0003474486530000126
流，热流流动过程中的焓变Δh和熵变Δs具体计算如下：
Figure BDA0003474486530000121
Figure BDA0003474486530000122
其中，T为热流温度，1和2分别代表两种状态，cvavg和cpavg分别为室内空气的平均定容比热和平均定压比热容，R和v分别为气体常数和比体积；s2和s1分别为第二状态2和第一状态1下的熵，v2和v1分别为第二状态2和第一状态1下的气体体积，T2和T1分别为第二状态2和第一状态1下的热流温度，h1和h2分别为第一状态1和第二状态2下的焓；
因此，t时段建筑热环境能量传递过程的
Figure BDA0003474486530000127
耗
Figure BDA0003474486530000123
表示为：
Figure BDA0003474486530000124
其中，Ts(t)为t时段流入建筑空间的热流温度，Ta(t)为t时段流出建筑空间的热流温度，T0(t)为t时段的环境温度。
S2，基于
Figure BDA0003474486530000128
经济分析方法对建筑暖通空调供能系统进行
Figure BDA0003474486530000129
成本分析，并将其能量按能量品质差异化定价，建立建筑热环境能量传递的
Figure BDA00034744865300001210
经济模型；
将暖通空调系统(HVAC)等效为多输入单输出元件，如图3所示，则综合考虑不同工况的
Figure BDA00034744865300001211
成本平衡方程为：
Figure BDA0003474486530000125
其中，g代表不同工况，g＝1～n，n为总工况数，i代表不同输入
Figure BDA00034744865300001212
流，i＝1～S，S为输入
Figure BDA00034744865300001213
流总数，ci(g)代表工况g下第i股输入
Figure BDA00034744865300001214
流的单位价格，c'(g)代表工况g下输出
Figure BDA0003474486530000137
流的单位价格，Ei(g)代表工况g下第i股输入
Figure BDA0003474486530000138
流，E'(g)代表工况g下的输出
Figure BDA0003474486530000139
流。
进一步地，一方面，不同品质的能量所固有的经济价值不同；另一方面，不同工况下，输出能量的成本不同，由于管理不善或技术缺陷，某些工况下会出现暖通空调系统(HVAC)输出能量的成本与其能量品质所固有的经济价值相差很大的情况，导致能量的成本与其经济价值不匹配，不利于品质对口，科学用能。因此，为合理体现不同工况下暖通空调系统(HVAC)输出能量经济价值的差异性，将能量按品质差异化定价，在
Figure BDA00034744865300001310
成本平衡方程基础上，综合考虑不同工况构建成本分摊方程，如下式所示：
Figure BDA0003474486530000131
Figure BDA0003474486530000132
其中，λ(g)为工况g下暖通空调系统(HVAC)输出能量的能质系数，Ts(g)为工况g下暖通空调系统(HVAC)输出能量的温度，不同工况下，环境参考温度T0可能不同，但本发明忽略环境参考温度的影响，环境参考温度T0统一取固定值。
构建建筑热环境能量传递的
Figure BDA00034744865300001311
经济模型，具体如下：
在建筑热环境能量传递的
Figure BDA00034744865300001312
耗模型
Figure BDA0003474486530000133
的基础上，结合考虑不同工况构建的成本分摊方程，建筑热环境能量传递的
Figure BDA00034744865300001313
经济模型具体如下：
Figure BDA0003474486530000134
Figure BDA0003474486530000135
其中，
Figure BDA0003474486530000136
为t时段工况g下
Figure BDA00034744865300001314
耗经济费用，Ts,g(t)为t时段工况g下暖通空调系统(HVAC)输出能量的温度。
S3，根据不同品质能量的价格，在用户舒适度范围内，以最小化暖通空调系统的
Figure BDA00034744865300001418
耗经济费用
Figure BDA0003474486530000141
为目标，构建建筑暖通空调优化调控模型如下：
Figure BDA0003474486530000142
s.t.
Figure BDA0003474486530000143
Figure BDA0003474486530000144
Figure BDA0003474486530000145
Figure BDA0003474486530000146
Figure BDA0003474486530000147
Figure BDA0003474486530000148
Figure BDA0003474486530000149
Figure BDA00034744865300001410
Figure BDA00034744865300001411
其中，
Figure BDA00034744865300001412
和T分别为输入热流温度上下限，
Figure BDA00034744865300001413
和ΔT分别为输入热流温度上下爬坡能力约束，ε(t)和
Figure BDA00034744865300001414
分别为室内温度舒适度下限和上限；质量流量
Figure BDA00034744865300001415
为固定值，本实施例中，白天t∈[5,6,...,18]时，
Figure BDA00034744865300001416
晚上t∈[19,...,24,1,2,3,4]时，
Figure BDA00034744865300001417
本实施例中，同时构建以
Figure BDA00034744865300001419
耗最小为目标的建筑暖通空调优化调控模型，用于对比分析以
Figure BDA00034744865300001420
经济费用最小为目标构建建筑暖通空调优化调控模型的优越性，如下式所示：
Figure BDA0003474486530000151
s.t.
Figure BDA0003474486530000152
Figure BDA0003474486530000153
Figure BDA0003474486530000154
Figure BDA0003474486530000155
Figure BDA0003474486530000156
Figure BDA0003474486530000157
Figure BDA0003474486530000158
Figure BDA0003474486530000159
Figure BDA00034744865300001510
通过建筑暖通空调优化调控模型对建筑暖通空调系统能量供-需进行能质匹配优化。
本实施例中，具体仿真分析过程如下：
仿真模型物理参数数据如下：
表1模型参数
Figure BDA00034744865300001511
Figure BDA0003474486530000161
仿真模型经济参数数据如下：
假设某冬季典型日下，取环境参考温度T0＝2.2℃，经
Figure BDA0003474486530000162
经济分析方法对建筑暖通空调供能系统进行
Figure BDA0003474486530000163
成本分析，并将其能量按能量品质差异化定价后，该供能系统所能提供的最低能级(λ＝0.85)的能量价格为3元/kWh,高于该能级的能量，按能级比例可计算出对应价格。
在以当不考虑能量品味差异时，统一取能量价格为3元/kWh。
为验证本发明的优越性，本实施例中设置以下场景：
场景1：
Figure BDA0003474486530000171
实施例2：
本实施例与实施例1的不同之处在于，设置以下场景：
场景2：
Figure BDA0003474486530000172
实施例3：
本实施例与实施例1的不同之处在于，设置以下场景：
场景3：
Figure BDA0003474486530000173
算例仿真时间为24h,时间步长为1h,使用MATLAB调用fmincon求解上述优化模型，可得出不同场景不同优化模型下的优化结果，为便于区分不同优化模型，将以
Figure BDA0003474486530000175
经济费用最小为目标的优化模型标记为模型A，以
Figure BDA0003474486530000176
耗最小为目标的优化模型标记为模型B，具体如下：
不同场景不同优化模型下，具体优化结果如图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，图中送风温度代表HVAC送入房间热流的温度。通过不同场景下，将模型A与B的优化结果曲线对比可以明显看出，在满足用户舒适度的前提下，模型A各时段的优化结果不同于模型B，另外，模型A与模型B在不同场景下的总
Figure BDA0003474486530000177
耗如表2所示。
表2不同场景不同优化模型下优化结果数据
总
Figure BDA0003474486530000178
耗/kWh
Figure BDA0003474486530000174
如表2所示，模型A下总
Figure BDA0003474486530000181
耗略微大于模型B下的总
Figure BDA0003474486530000182
耗值，这从侧面进一步反应本发明的优越性，因为从
Figure BDA0003474486530000183
的经济价值层面来考虑时，总
Figure BDA0003474486530000184
耗大小与节能没有必然联系，模型A下的总
Figure BDA0003474486530000185
耗虽大于模型B下的总
Figure BDA0003474486530000186
耗，但是模型A下的
Figure BDA0003474486530000187
耗经济价值较低，因此，本发明方法可进一步挖掘系统节能潜力，指引建筑暖通空调节能技术的开发，从而使建筑暖通空调供-用能过程能质更加匹配，是一种高级长远的能源管理优化方法。

Claims (10)

1.一种基于
Figure FDA0003474486520000011
经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，对建筑热环境能量传递过程进行网络化建模为虚拟热网络，与建筑暖通空调系统供能网络组成一张能量网络，并建立建筑热环境能量传递模型与
Figure FDA0003474486520000012
分析模型；
S2，基于
Figure FDA0003474486520000013
经济分析方法对建筑暖通空调供能系统进行
Figure FDA0003474486520000014
成本分析，并将其能量按能量品质差异化定价，建立建筑热环境能量传递的
Figure FDA0003474486520000015
经济模型；
S3，根据不同品质能量的价格，在用户舒适度范围内，以
Figure FDA0003474486520000016
经济费用最小为目标构建建筑暖通空调优化调控模型，通过建筑暖通空调优化调控模型对建筑暖通空调系统能量供-需进行能质匹配优化。
2.根据权利要求1所述的一种基于
Figure FDA0003474486520000017
经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法，其特征在于，步骤S1中，建筑热环境包括建筑内环境和建筑外环境，建筑内环境与外环境主要通过建筑中的墙壁和窗户传热，建筑内环境中的热源包括暖通空调输送的热能，太阳辐射的热能，以及室内人和其他物体释放的热能；
在对建筑热环境能量传递过程进行网络化建模时，主要等效建模思路为：将室内空气、墙壁以及室外空气分别集总等效为不同节点，室内空气节点和墙壁节点等效为储能元件；室外空气节点等效为恒温热源元件；各节点之间能量传递过程中发生的能量损耗通过阻性元件来等效，若节点有吸收其他形式的热能，包括暖通空调输送的热能，太阳辐射的热能，以及室内人和其他物体释放的热能，分别通过热流源来等效，从而将建筑热环境能量传递过程等效为虚拟热网络。
3.根据权利要求1所述的一种基于
Figure FDA0003474486520000018
经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法，其特征在于，在供能网络中，将暖通空调系统等效为一个多输入单输出的能量转化节点，输入暖通空调系统的能量包括电能、热能或其他形式的能量，根据输入的能量的传递过程的物理特性，通过阻性元件、感性元件或容性元件进行等效建模，从而组成供能网络。
4.根据权利要求1所述的一种基于
Figure FDA0003474486520000024
经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法，其特征在于，基于能量守恒定律，假设室内空气混合均匀，墙壁和窗户均匀传热，根据构建的虚拟热网络，通过耦合的微分方程构建建筑热环境能量传递模型，具体如下：
Figure FDA0003474486520000021
其中，t为时段索引，a表示室内节点，m表示墙壁节点，∞表示室外空气节点，ram表示室内节点a与墙壁节点m之间的热阻，ra∞表示室内节点a与室外空气节点∞之间的热阻，rm∞表示墙壁节点m与室外空气节点∞之间的热阻，Ta(t)为t时段室内空气节点a的温度，ca为室内空气节点a的热容，Tm(t)为t时段墙壁节点m的温度，cm为墙壁节点m的热容，T∞(t)为t时段室外空气节点∞恒温热源温度，
Figure FDA0003474486520000022
为t时段室内空气节点a吸收的太阳辐射热能，
Figure FDA0003474486520000023
为t时段墙壁节点m吸收的太阳辐射热能，Qint(t)为t时段室内空气节点a吸收的其他热量，Qhvac(t)为t时段暖通空调输送给室内空气节点a的热能。
5.根据权利要求4所述的一种基于
Figure FDA0003474486520000025
经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法，其特征在于，构建建筑热环境能量传递的
Figure FDA0003474486520000026
分析模型，具体如下：
由于
Figure FDA0003474486520000027
在传递过程中不守恒，一般不能简单的将其通过能量网络的形式来表示，将建筑空间视为一个开口控制体，开口控制体的
Figure FDA0003474486520000028
平衡方程式由下式表示：
∑Xin＝∑Xout+XL+ΔX；
其中，Xin为不同形式的输入
Figure FDA0003474486520000029
Xout为不同形式的输出
Figure FDA00034744865200000210
XL为
Figure FDA00034744865200000211
损耗，ΔX为控制体前后状态的
Figure FDA00034744865200000212
变化量；
热流流过控制体的总
Figure FDA00034744865200000213
包括动能、势能和焓
Figure FDA00034744865200000214
单位质量流量的
Figure FDA00034744865200000215
流ψ表示为：
ψ＝(h-h0)-T0(s-s0)+V2/2+gz；
其中，h和h0分别为热流的焓和寂态焓；T0是环境参考温度；s和s0分别为热流的熵和寂态熵；V2/2和gz分别表示热流的动能和势能；由于热流在控制体内流动过程中动能和势能变化很小，因此忽略热流流动过程的动能和势能；因此，热流流过建筑空间的
Figure FDA0003474486520000036
耗
Figure FDA0003474486520000031
表示为：
Figure FDA0003474486520000032
其中，
Figure FDA0003474486520000033
为热流质量流量，ψ1表示流入的单位质量流量
Figure FDA0003474486520000037
流，ψ2表示流出的单位质量流量
Figure FDA0003474486520000038
流，热流流动过程中的焓变Δh和熵变Δs具体计算如下：
Figure FDA0003474486520000034
Figure FDA0003474486520000035
其中，T为热流温度，1和2分别代表两种状态，cvavg和cpavg分别为室内空气的平均定容比热和平均定压比热容，R和v分别为气体常数和比体积；s2和s1分别为第二状态2和第一状态1下的熵，v2和v1分别为第二状态2和第一状态1下的气体体积，T2和T1分别为第二状态2和第一状态1下的热流温度，h1和h2分别为第一状态1和第二状态2下的焓。
6.根据权利要求5所述的一种基于
Figure FDA0003474486520000039
经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法，其特征在于，因此，t时段建筑热环境能量传递过程的
Figure FDA00034744865200000310
耗
Figure FDA00034744865200000311
表示为：
Figure FDA0003474486520000041
其中，Ts(t)为t时段流入建筑空间的热流温度，Ta(t)为t时段流出建筑空间的热流温度，T0(t)为t时段的环境温度。
7.根据权利要求1所述的一种基于
Figure FDA0003474486520000045
经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法，其特征在于，步骤S2中，将暖通空调系统等效为多输入单输出元件，则综合考虑不同工况的
Figure FDA0003474486520000046
成本平衡方程为：
Figure FDA0003474486520000042
其中，g代表不同工况，g＝1～n，n为总工况数，i代表不同输入
Figure FDA0003474486520000047
流，i＝1～S，S为输入
Figure FDA0003474486520000048
流总数，ci(g)代表工况g下第i股输入
Figure FDA0003474486520000049
流的单位价格，c'(g)代表工况g下输出
Figure FDA00034744865200000410
流的单位价格，Ei(g)代表工况g下第i股输入
Figure FDA00034744865200000411
流，E'(g)代表工况g下的输出
Figure FDA00034744865200000412
流。
8.根据权利要求7所述的一种基于
Figure FDA00034744865200000413
经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法，其特征在于，因此，为合理体现不同工况下暖通空调系统输出能量经济价值的差异性，将能量按品质差异化定价，在
Figure FDA00034744865200000414
成本平衡方程基础上，综合考虑不同工况构建成本分摊方程，如下式所示：
Figure FDA0003474486520000043
Figure FDA0003474486520000044
其中，λ(g)为工况g下暖通空调系统输出能量的能质系数，Ts(g)为工况g下暖通空调系统输出能量的温度，环境参考温度T0统一取固定值。
9.根据权利要求8所述的一种基于
Figure FDA00034744865200000415
经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法，其特征在于，构建建筑热环境能量传递的
Figure FDA00034744865200000416
经济模型，具体如下：
在建筑热环境能量传递的
Figure FDA00034744865200000520
耗模型
Figure FDA0003474486520000051
的基础上，结合考虑不同工况构建的成本分摊方程，建筑热环境能量传递的
Figure FDA00034744865200000521
经济模型具体如下：
Figure FDA0003474486520000052
Figure FDA0003474486520000053
其中，
Figure FDA0003474486520000054
为t时段工况g下
Figure FDA00034744865200000522
耗经济费用，Ts,g(t)为t时段工况g下暖通空调系统(HVAC)输出能量的温度。
10.根据权利要求1～9任一项所述的一种基于
Figure FDA00034744865200000523
经济的建筑暖通空调系统能质匹配优化方法，其特征在于，步骤S3中，在用户舒适度范围内，以最小化暖通空调系统的
Figure FDA00034744865200000524
耗经济费用
Figure FDA0003474486520000055
为目标，构建建筑暖通空调优化调控模型如下：
Figure FDA0003474486520000056
s.t.
Figure FDA0003474486520000057
Figure FDA0003474486520000058
Figure FDA0003474486520000059
Figure FDA00034744865200000510
Figure FDA00034744865200000511
Figure FDA00034744865200000512
Figure FDA00034744865200000513
Figure FDA00034744865200000514
Figure FDA00034744865200000515
其中，
Figure FDA00034744865200000516
和T分别为输入热流温度上下限，
Figure FDA00034744865200000517
和ΔT分别为输入热流温度上下爬坡能力约束，ε(t)和
Figure FDA00034744865200000518
分别为室内温度舒适度下限和上限；质量流量
Figure FDA00034744865200000519
为固定值。
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