CN117113624A

CN117113624A - 一种室内制冷方案设计方法和系统

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Publication number: CN117113624A
Application number: CN202310816623.5A
Authority: CN
Inventors: 袁旭东; 钱德猛; 熊珍凯; 周方跃; 汤传业; 张旭; 管成慧; 弓欣; 丁希宏; 张�杰; 洪玮
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2023-07-05
Filing date: 2023-07-05
Publication date: 2023-11-24
Anticipated expiration: 2043-07-05
Also published as: CN117113624B

Abstract

本发明涉及制冷领域，尤其涉及一种室内制冷方案设计方法和系统。本发明结合温度仿真模型和多个工况样本，考虑到房间的各个工况和降温时间需求，从而结合信息样本对不同的制冷方案配置进行仿真测试，以筛选可满足各个工况需求的制冷方案。本发明中根据降温时间、所需总制冷量等明确参数选择用于配置制冷方案的信息样本，可精确配置制冷方案，保证房间冷量供应能力，避免制冷方案的功率浪费。

Description

一种室内制冷方案设计方法和系统

技术领域

本发明涉及制冷领域，尤其涉及一种室内制冷方案设计方法和系统。

背景技术

制冷机是向室内提供冷量、实现室内空气温度降低的核心设备，选配合适的制冷机及其数量是保证所需室内低温环境和降温时间、能耗最小化的关键技术途径。当前，很多对冷量需求的场所(如大型冷库、冷藏车集装箱等)在选配制冷机及其数量的制冷方案时，仅考虑制冷方案能否满足房间的冷量需求，并没有考虑墙壁等围护结构、围护结构所包含的建筑材料种类与厚度、太阳辐射、漏风漏热量、存储物品(内容物)的热物性以及室内热源对室内温度的不利影响，更无法在满足降温时间的情况下优化降温动态过程能耗。由于没有考虑上述因素，无法精确匹配出制冷机及其数量，为了保证制冷需求，通常提供更多的冷量，从而造成功率浪费。

此外，根据不同的使用要求，存在不同的温度工况及其对应的降温时间、使用率，因此，也要综合考虑不同温度工况对应的降温时间、使用率等需求差异，这可以为提升制冷机的使用效果、综合能效提供技术支持，然而，目前的制冷方案也未考虑不同温度工况下降温时间、使用率等情况。

总体而言，上述问题的存在，无法为满足所需室内温度、降温时间的场所匹配出能耗最小化的制冷方案，限制了室内空间热环境的高效设计。

发明内容

为了解决上述现有技术中无法精确配置制冷方案造成功率浪费的缺陷，本发明提出了一种室内制冷方案设计方法，用于针对房间工况精确配置制冷机，实现节能减排。

本发明提出的一种室内制冷方案设计方法，用于选择制冷机和配置制冷机台数；包括以下步骤：

S1、构建温度仿真模型，所述温度仿真模型用于根据输入参数获取室内空气温度降低至室内所需温度的时间，即仿真降温时间；温度仿真模型的输入参数包括环境参数、制冷机名称和数量；

S2、构建M_g个工况样本，工况样本包括室内所需温度T_1,y、降温时间v_y和环境参数，降温时间v_y即为室内温度从室外空气温度T_oa降低至T_1,y所需时间；y表示工况样本序号，1≦y≦M_g；

S3、从工况样本中选择最恶劣样本，最恶劣样本满足以下条件FA和FB；

FA：室内所需温度T_1,y为所有工况样本中室内所需温度T_1,y的最小值；

FB：满足FA的情况下，室外空气温度T_oa为满足FA的工况样本中室外空气温度T_oa的最大值；

S4、计算最恶劣样本的所需总制冷量Q_all；

S5、建立制冷方案的信息样本，信息样本包括制冷机名称、单台制冷量函数关系式、单台功率函数关系式和制冷机数量N_L；单台制冷量函数关系式为单台制冷机的制冷量与室外空气温度、室内空气温度以及换热器制冷介质流量FL_y的函数关系式，单台功率函数关系式为单台制冷机的功率与室外空气温度、室内空气温度以及换热器制冷介质流量FL_y的函数关系式；信息样本满足约束条件：N_L×Q_e,L>Q_all且(N_L-1)×Q_e,L<Q_all，Q_e,L为单台制冷机在最恶劣样本下的制冷量；单台制冷量函数关系式和单台功率函数关系式为制冷机的固有属性；

S6、针对各信息样本，结合温度仿真模型计算工况样本的仿真降温时间；定义使得每一个工况样本对应的仿真降温时间均小于对应的降温时间的信息样本为筛选对象，判断信息样本中是否存在筛选对象；

否，则将每一个信息样本中的制冷机数量加1，再循环本步骤S6；

是，从筛选对象中选择目标样本作为最终的制冷方案。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供的一种室内制冷方案设计方法，结合温度仿真模型和多个工况样本，考虑到房间的各个工况和降温时间需求，从而结合信息样本对不同的制冷方案配置进行仿真测试，以筛选可满足各个工况需求的制冷方案。本发明中根据降温时间、所需总制冷量等明确参数选择用于配置制冷方案的信息样本，可精确配置制冷方案，保证房间冷量供应能力，避免制冷方案的功率浪费。

(2)本发明中根据筛选出的最恶劣工况样本的所需总制冷量设置信息样本中制冷机台数的初始值，然后根据各工况下的仿真降温时间逐一增加信息样本中的台数，保证了以最小制冷机台数构成制冷方案，节约了硬件成本和能耗。

(3)本发明中构建的所需总制冷量计算公式考虑到了最恶劣工况、围护结构和漏风漏热量等，该所需总制冷量极其接近房间所需制冷量的实际值，结合该所需总制冷量设置各信息样本中制冷机台数初始值，有利于减少信息样本调整次数，提高制冷方案选配效率。

(4)本发明中基于结合前一时刻温度计算下一时刻温度的温度模型构建温度仿真模型以计算仿真降温时间，精确度高，为制冷方案选配的精确性奠定了基础。本发明中的温度模型可采用现有的任一种模型，便于该室内制冷方案设计方法的推广和灵活应用。

(5)本发明还给出了一种具体的温度模型，全面考虑了房间的围护结构、内容物、漏风漏热等对房间温度有影响的因素，保证了温度模型的精确性，从而进一步提高了根据温度仿真模型计算仿真降温时间的精确。

(6)本发明中在获得满足各工况需求的筛选对象后，选择加权平均能耗最小的筛选对象作为目标样本，实现了最小的制冷方案功耗，有利于节能减排，降低成本。本发明中结合各个工况使用率所占权重计算加权平均能耗，充分考虑到了各个工况下制冷方案的工作情况，为制冷方案的能耗对比提供了可靠的对比指标。

(7)本发明还提供了一种制冷方案选配系统和存储器，为室内制冷方案设计方法的推广提供了载体。

附图说明

图1为一种室内制冷方案设计方法流程图；

图2为筛选对象获取流程图；

图3为温度仿真模型示意图。

具体实施方式

参数定义如下：

ρ、c、T、h和A分别表示密度、比热容、温度、换热系数和面积；

下标ia表示室内，下标oa表示室外；下标sa表示实体结构在一维导热方向上远离室内空气的一端的环境；

ρ_ia、c_ia、T_ia和h_ia分别表示室内空气的密度、比热容、温度和换热系数；V_ia表示室内容积，即室内空气体积；

ρ_oa、c_oa、T_oa和h_oa分别表示室外空气的密度、比热容、温度和换热系数；

T_sa和h_sa分别表示实体结构在一维导热方向上远离室内空气的一端的环境的温度和换热系数。针对围护结构包含的实体结构，h_sa＝h_oa。针对内容物的实体结构，h_sa＝0。

T_ia ⁰表示室内温度为T_ia的上一时刻的室内空气温度，Δt为时间步长，即前后相邻两个时刻之间的时间长度；

单台制冷量函数关系式为单台制冷机的制冷量(简称单台制冷量)Q_e,s与室外空气温度、室内空气温度以及换热器制冷介质流量FL_y的函数关系式，记作Q_e,s＝F(T_oa,T_ia,FL_y)；

当室外空气温度、换热器制冷介质流量FL_y一定时，单台制冷量函数关系式用于描述单台制冷量Q_e,s与室内空气温度T_ia之间的函数关系，即Q_e,s＝f(T_ia)；f表示单台制冷机的制冷量Q_e,s和T_ia之间的函数关系，f为制冷机的固有属性，可通过参数拟合获得。

单台功率函数关系式为单台制冷机的功率W_e,s与室外空气温度、室内空气温度以及换热器制冷介质流量FL_y的函数关系式；记作W_e,s＝F’(T_io,T_ia,FL_y)；

当室外空气温度、换热器制冷介质流量FL_y一定时，单台功率函数关系式用于描述单台制冷机的功率W_e,s与室内空气温度T_ia之间的函数关系，即W_e,s＝f_p(T_ia)，f_p表示单台制冷机的功率W_e,s和T_ia之间的函数关系，f_p为制冷机的固有属性，可通过参数拟合获得。

定义实体结构包括构成房间的围护结构和房间内的内容物。围护结构表示隔离室内外的结构，包括墙、门和窗户。内容物指的是室内放置的对室内温度有影响的非电器类物品。定义构成房间的围护结构由I个实体结构构成，计算房间温度时考虑的实体结构的数量为R，即内容物的数量为R-I。

令，1≦r≦R；1≦n(r)≦N(r)；R为实体结构的数量，N(r)为第r个实体结构的节点数量，r和n(r)均为序数；

A_r表示第r个实体结构与室内空气接触的面积；K_L为过渡参数；P_i表示室内热源的功率之和；I_s,g为室内空气所获得的透过第g个窗户的太阳直射辐射辐照度，A_g为第g个窗户面积，G为窗户数量；具体实施时，可根据需要定义室内热源的范围，比如室内热源包含所有发热物体，例如室内上电工作的器件、人体等。

对平面形实体结构，将其厚度方向作为其一维导热方向；对于非平面形实体结构如内容物，将其等效厚度方向作为其一维导热方向；将第r个实体结构沿一维导热方向离散为N(r)个节点，即第r个实体结构沿一维导热方向的节点数为N(r)个；Δx(r)表示第r个实体结构在一维导热方向上的节点间距；

令T_r,n(r)表示第r个实体结构在其一维导热方向x(r)上的第n(r)个节点的温度，所述第一个节点指的是实体结构与室内空气接触表面上的节点；ρ_r,n(r)、c_r,n(r)和λ_r,n(r)分别表示第r个实体结构在其一维导热方向上第n(r)个节点的密度、比热容和热导率；

La、Δp和m分别表示漏风系数、室内外空气压差和漏风指数。

温度模型

本实施方式提出的一种基于构成房间的围护结构和房间内的内容物且考虑室内空气温度的温度模型。具体的，本实施方式中，当实体结构为围护结构，其一维导热方向即为其厚度方向；当实体结构为内容物，其一维导热方向即为其等效厚度方向。本实施方式中提供的温度模型为：

T_M＝Y_M ^-1B_M

T_M、Y_M和B_M均为矩阵，上标-1为矩阵的逆；

T_M＝[T_ia,T₁,T₂,...,T_r,...,T_R-1,T_R]^T

T_ia为室内空气温度；T_r为第r个实体结构的过渡矩阵参数，R为实体结构的数量，1≤r≤R；

具体实施时，可令T_ia为室内多个位置的温度平均值。

T_r＝(T_r,1,T_r,2,…,T_r,n(r),…,T_r,N(r)-1,T_r,N(r))^T

T_r,n(r)为第r个实体结构在其一维导热方向上的第n(r)个节点的温度，所述第一个节点指的是实体结构与室内空气接触表面上的节点，所述第N(r)个节点为第r个实体结构在其一维导热方向上远离室内空气一端的节点；N(r)为第r个实体结构在其一维导热方向上的节点总数，1≤n(r)≤N(r)；上标T为矩阵转置；T_ia和T_r,n(r)均为待求解量；

B_M＝[B,b₁,b₂,...,b_r,...,b_R-1,b_R]^T

K_L＝(La×Δp^m/3600)×ρ_oa×c_oa

B和K_L均为过渡项，ρ_ia和c_ia分别为室内空气的密度和比热容，V_ia为室内空气容积，Δt为时间步长，N_L为制冷机的数量；T_ia ⁰为室内空气的上一时刻温度，f’(T_ia ⁰)为f(T_ia ⁰)对T_ia ⁰的一阶导数，f为单台制冷机的制冷量Q_e,s和T_ia之间的函数关系，即Q_e,s＝f(T_ia)；T_oa为室外空气温度，P_i为室内热源的功率之和；I_s,g为室内空气所获得的透过第g个窗户的太阳直射辐射辐照度，A_g为第g个窗户面积，G为窗户数量；f(T_ia ⁰)为根据函数关系f获得的室内温度T_ia ⁰对应的单台制冷机的制冷量；La、Δp和m分别为漏风系数、室内外空气压差和漏风指数；ρ_oa为室外空气的密度，c_oa为室外空气的比热容；

b_r＝(b_r,1,b_r,2,…,b_r,n(r),…,b_r,N(r)-1,b_r,N(r))^T

b_r为第r个实体结构的过渡矩阵参数；b_r,n(r)为第r个实体结构在其一维导热方向上的第n(r)个节点的参数项；

其中，0...0表示省略项均为0；

令为矩阵Y_M的第/>行第/>列的元素，/>当时，Y_M(1,1)＝C_ia；

当时，/>

当且/>时，/>

C_ia为室内空气参数计算值；

h_ia为室内空气的换热系数；A_r为第r个实体结构与室内空气接触的面积；

H_r和C_r均为第r个实体结构的过渡矩阵参数

H_r＝[-h_ia,0,...,0]^T，H_r共有N(r)-1个“0”；

C_r＝[-h_iaA_r,0,...,0]，C_r共有N(r)-1个“0”；

令T_r,n(r) ⁰为第r个实体结构在其一维导热方向上的第n(r)个节点在上一时刻的温度，T_ia ⁰和T_r,n(r) ⁰均为已知量；T_sa和h_sa分别为实体结构在其一维导热方向上远离室内空气的一端的环境的温度和换热系数；ρ_r,n(r)和c_r,n(r)分别为第r个实体结构在其一维导热方向的第n(r)个节点处的密度和比热容；λ_r,n(r)为第r个实体结构在其一维导热方向上第n(r)个节点处的热导率，λ_r,n(r)+1为第r个实体结构在其一维导热方向上第n(r)+1个节点处的热导率，λ_r,n(r)-1为第r个实体结构在其一维导热方向上第n(r)-1个节点处的热导率；Δx(r)为第r个实体结构在其一维导热方向上的节点间距；

定义过渡参数a_r,n(r),p、a_r,n(r)+1、a_r,n(r)-1和a_r,n(r),p’：

n(r)＝1时：

a_r,n(r),p＝a_r,n(r)+1+a_r,n(r),p’+h_ia；

a_r,n(r)+1＝λ_r,n(r)+1/Δx(r)；

a_r,n(r),p’＝ρ_r,n(r)×c_r,n(r)×Δx(r)/(2Δt)；

b_r,n(r)＝a_r,n(r),p’×T_r,n(r) ⁰；

2≤n(r)≤N(r)-1时：

a_r,n(r),p＝a_r,n(r)+1+a_r,n(r)-1+a_r,n(r),p’；

a_r,n(r)+1＝λ_r,n(r)+1/Δx(r)；

a_r,n(r)-1＝λ_r,n(r)-1/Δx(r)；

a_r,n(r),p’＝ρ_r,n(r)×c_r,n(r)×Δx(r)/Δt；

b_r,n(r)＝a_r,n(r),p’×T_r,n(r) ⁰；

n(r)＝N(r)时：

a_r,n(r),p＝a_r,n(r)-1+a_r,n(r),p’+h_sa；

a_r,n(r)-1＝λ_r,n(r)-1/Δx(r)；

a_r,n(r),p’＝ρ_r,n(r)×c_r,n(r)×Δx(r)/(2Δt)；

b_r,n(r)＝a_r,n(r),p’×T_r,n(r) ⁰+h_saT_sa

Z_r为第r个实体结构的相关矩阵：

令Z_r(n(r),u(r))为矩阵Z_r的第n(r)行第u(r)列的元素，1≤n(r)≤N(r)，1≤u(r)≤N(r)；则：

当n(r)＝u(r)，Z_r(n(r),u(r))＝a_r,n(r),p；

当u(r)＝n(r)+1，Z_r(n(r),u(r))＝-a_r,n(r)+1；

当u(r)＝n(r)-1，Z_r(n(r),u(r))＝-a_r,n(r)-1；

当u(r)>n(r)+1，或者u(r)<n(r)-1，则Z_r(n(r),u(r))＝0。

值得注意的是，单一材料的热物性参数即换热系数、比热容和热导率均是材料的固有参数，是已知值。即，如果节点n(r)对应区域为单一材料，则换热系数h_r,n(r)、比热容c_r,n(r)和热导率λ_r,n(r)均为该材料的固有参数；但是，若实体结构存在不同建筑材料，将围护结构内不同材质交界处作为一个节点，此时不同材质交界处节点的ρ_r,n(r)、c_r,n(r)根据以下公式计算：

ρ_r,n(r)＝[ρ_r,n(r)-1×Δx(w)+ρ_r,n(r)+1×Δx(e)]/Δx(r)

c_r,n(r)＝[c_r,n(r)-1×Δx(w)+c_r,n(r)+1×Δx(e)]/Δx(r)

其中，Δx(w)+Δx(e)＝Δx(r)，Δx(w)为节点n(r)对应区域内与节点n(r)-1处相同材质的厚度，Δx(e)为节点n(r)对应区域内与节点n(r)+1处相同材质的厚度；

若Δx(w)＝Δx(e)＝Δx(r)/2，不同材质交界点n(r)处的密度、比热容计算如下：

ρ_r,n(r)＝[ρ_r,n(r)-1+ρ_r,n(r)+1]/2

c_r,n(r)＝[c_r,n(r)-1+c_r,n(r)+1]/2

由于n(r)点为不同材质交界点，因此，在求解n(r)-1点温度时，从n(r)点到n(r)-1点的热量传递过程的热导率按λ_r,n(r)-1来处理，在求解n(r)+1点温度时，从n(r)点到n(r)+1点的热量传递过程的热导率按λ_r,n(r)+1来处理。

温度仿真模型

参照图3，本实施方式提供的温度仿真模型包括输入端、温度模型和输出端；温度模型的输入分别连接输入端和温度模型的输出，输出端连接温度模型的输出。

输入端用于获取输入参数并输入温度模型，输入参数包括：ρ_ia、c_ia、V_ia、h_ia、ρ_oa、c_oa、T_oa、h_oa、h_sa、T_sa、Δp、La、m、Q_e,s＝f(T_ia)、W_e,s＝f_p(T_ia)、P_i、I_s,g、A_g、Δx(r)、Δt、R、{N(r)}^1≦r≦R、{A_r}^1≦r≦R、{λ_r,n(r)}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}、{ρ_r,n(r)}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}和{c_r,n(r)}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}；

其中，{N(r)}^1≦r≦R表示各实体结构在其一维导热方向上的节点数量，{A_r}^1≦r≦R表示各实体结构与室内空气接触的面积；{λ_r,n(r)}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}表示各实体结构在其一维导热方向上各节点的热导率、{ρ_r,n(r)}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}表示各实体结构在其一维导热方向上各节点的密度，{c_r,n(r)}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}表示各实体结构在其一维导热方向上各节点的比热容，{T_r,n(r) ⁰}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}表示上一时刻各实体结构在其一维导热方向上各节点的温度；{T_r,n(r)}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}表示当前时刻各实体结构在其一维导热方向上各节点的温度。

令n’-1时刻上的室内空气温度为T_ia ^n’-1，n’-1时刻上第r个实体结构在其一维导热方向上第n(r)个节点的温度为T_r,n(r) ^n’-1；令n’时刻上的室内空气温度为T_ia ^n’，n’时刻上第r个实体结构在其一维导热方向上第n(r)个节点的温度为T_r,n(r) ^n’；

n’初始值为n0，n0为设定值，表示温度迭代的起始时刻；室内空气温度和实体结构上各节点温度的初始值均为室外空气温度T_oa；即n’＝n0时，n’-1时刻室内空气温度和n’-1时刻各实体结构上每一个节点的温度均为室外空气温度T_oa；

温度模型用于结合输入参数以及T_ia ^n’-1、{T_r,n(r) ^n’-1}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}计算T_ia ^n’和{T_r,n(r) ^n’}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}；温度模型计算T_ia ^n’和{T_r,n(r) ^n’}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}时，令T_ia ⁰＝T_ia ^n’-1，T_r,n(r) ⁰＝T_r,n(r) ^n’-1，则T_ia ^n’＝T_ia，T_r,n(r) ^n’＝T_r,n(r)；

当n’＝n0时，温度模型结合输入参数计算T_ia ^n’和{T_r,n(r) ^n’}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}；

当温度模型计算获得的T_ia ^n’大于设定的室内所需温度，则将n’更新为n’+1，温度模型结合输入参数和温度模型计算的T_ia ^n’-1和{T_r,n(r) ^n’-1}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}计算T_ia ^n’和{T_r,n(r) ^n’}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}；

当温度模型计算获得的T_ia ^n’小于或者等于设定的室内所需温度，则输出端获取T_ia ^n’，输出端结合n’计算仿真降温时间，仿真降温时间为(n’-n0)×Δt。

本实施方式中，根据温度仿真模型计算仿真降温时间的方法包括以下步骤：

SA1、初始化n’＝n0，n0为设定值，表示温度迭代的起始时刻；

SA2、输入端获取输入参数ρ_ia、c_ia、V_ia、h_ia、T_ia ⁰、ρ_oa、c_oa、T_oa、h_oa、h_sa、T_sa、Δp、La、m、Q_e,s＝f(T_ia)、W_e,s＝f_p(T_ia)、P_i、I_s,g、A_g、Δx(r)、Δt、R、{N(r)}^1≦r≦R、{A_r}^1≦r≦R、{λ_r,n(r)}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}、{ρ_r,n(r)}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}、{c_r,n(r)}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}和{T_r,n(r) ⁰}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}}并输入温度模型，T_ia ⁰即为n’-1时刻的室内空气温度T_ia ^n’-1，T_r,n(r) ⁰即为n’-1时刻第r个实体结构在其一维导热方向上第n(r)个节点的温度T_r,n(r) ^n’-1；温度模型输出T_ia和{T_r,n(r)}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}，T_ia即为n’时刻的室内空气温度T_ia ^n’，T_r,n(r)即为n’时刻第r个实体结构在其一维导热方向上第n(r)个节点的温度T_r,n(r) ^n’。

SA3、判断T_ia是否小于或等于设置的室内所需温度T_1,y；

否，则令n’更新为n’+1，T_ia ⁰＝T_ia ^n’-1，T_r,n(r) ⁰＝T_r,n(r) ^n’-1，然后返回步骤SA2；

是，则计算仿真降温时间v_x，v_x＝(n’-n0)×Δt。

室内制冷方案设计方法

本实施方式中提供的室内制冷方案设计方法，用于选择制冷机和设计制冷机数量N_L以实现在满足制冷目标的情况下最小化功耗，实现节能。

上述温度仿真模型的输入参数包括：ρ_ia、c_ia、V_ia、h_ia、ρ_oa、c_oa、T_oa、h_oa、h_sa、T_sa、Δp、La、m、P_i、I_s,g、A_g、Δx(r)、Δt、R、{N(r)}^1≦r≦R、{A_r}^1≦r≦R、{λ_r,n(r)}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}、{ρ_r,n(r)}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}、{c_r,n(r)}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}、Q_e,s＝f(T_ia)和W_e,s＝f_p(T_ia)；

其中ρ_ia、c_ia、V_ia、h_ia、ρ_oa、c_oa、T_oa、h_oa、h_sa、T_sa、Δp、La、m、P_i、I_s,g、A_g、Δx(r)、Δt、R、{N(r)}^1≦r≦R、{A_r}^1≦r≦R、{λ_r,n(r)}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}、{ρ_r,n(r)}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}、{c_r,n(r)}^{1≦r≦R,1≦n(r)≦N(r)}为环境参数，Q_e,s＝f(T_ia)为制冷机的固有属性。

参照图1、图2，本实施方式中的室内制冷方案设计方法，包括以下步骤S1-S6。

S1、获取上述温度仿真模型。

S2、构建M_g个工况样本，工况样本包括室内所需温度T_1,y、降温时间v_y和上述环境参数；y表示工况样本序号，1≦y≦M_g。降温时间v_y即为室内温度从T_oa降低至T_1,y所需时间的上限值。

值得注意的是，本步骤中的工况样本对应的是同一建筑房间的不同工况。

FB：满足FA的情况下，室外空气温度T_oa为满足FA的工况样本中室外空气温度T_oa的最大值。

S4、计算最恶劣样本的所需总制冷量Q_all。

S5、建立制冷方案的信息样本，信息样本包括制冷机名称、单台制冷量函数关系式、单台功率函数关系式和制冷机数量N_L；单台制冷量函数关系式为单台制冷机的制冷量与室外空气温度、室内空气温度以及换热器制冷介质流量FL_y的函数关系式，单台功率函数关系式为单台制冷机的功率与室外空气温度、室内空气温度以及换热器制冷介质流量FL_y的函数关系式；信息样本满足约束条件：N_L×Q_e,L>Q_all且(N_L-1)×Q_e,L<Q_all，Q_e,L为单台制冷机在最恶劣样本下的制冷量；

本实施方式中，制冷介质为空气或者水。单台制冷量函数关系式和单台功率函数关系式为制冷机的固有属性。

本步骤中值得注意的是，当室外环境温度T_oa、单台制冷机的换热器制冷介质流量FL_y确定，则制冷机的单台制冷量函数关系式和单台功率函数关系式确定。结合室外空气温度、热器制冷介质流量FL_y，可确定单台制冷机的制冷量Q_e,s和T_ia之间的函数关系Q_e,s＝f(T_ia)以及单台制冷机的功率W_e,s与室内空气温度T_ia之间的函数关系W_e,s＝f_p(T_ia)，从而完善每一个制冷方案对应的输入参数。

S6、执行以下步骤S61-S65，以从信息样本中选择目标样本。

S61、结合温度仿真模型，计算将第x个信息样本对应的制冷方案应用于第y个工况样本对应的工况时的仿真降温时间；即结合第x个信息样本和第y个工况样本构建温度仿真模型的输入参数，获取温度仿真模型输出的仿真降温时间。x和y的初始值均为1。

S62、判断仿真降温时间是否大于第y个工况样本中的降温时间v_y；

否，则执行以下步骤S63：是，则执行以下步骤S64；

S63、判断y是否小于M_g；是，则令y更新为y+1，然后返回步骤S61；否，则将第x个信息样本作为筛选对象，并执行以下步骤S64；

S64、判断是否遍历所有信息样本；

否，则令x更新为x+1，并初始化y＝1，然后返回步骤S61；

是，则执行步骤S65；

S65、判断是否存在筛选对象；否，则将每一个信息样本中的制冷机数量加1，初始化x＝1，y＝1，然后返回步骤S61；是，则计算所有筛选对象的加权平均能耗，选择加权平均能耗最小的筛选对象作为目标样本，根据目标样本实现制冷资源配置。本步骤中，如果只存在1个筛选对象，则直接将筛选对象作为目标样本。

本实施方式中，信息样本的加权平均能耗的计算公式为：

其中，y表示工况样本序号，x表示信息样本序号，P_x表示第x个信息样本对应的加权平均能耗，η_y表示工况样本的使用率所占权重，η_y为设定值，M_g个工况样本的使用率所占权重η_y总和为1，P_x,y表示第x个信息样本应用于第y个工况样本时的制冷机的功耗总和，即在第y个工况样本环境中，采用第x个信息样本配置制冷机时，所有制冷机的功耗总和；

第x个信息样本应用于第y个工况样本时温度模型迭代n1个时刻，使得室温温度T_ia达到室内所需温度；q为序数，1≤q≤n1；T_ia ^q表示温度模型迭代q个时刻时的室内空气温度，T_ia ^q-1表示温度模型迭代q-1个时刻时的室内空气温度；N_L为制冷机台数，Δt为时间步长；f_p单台制冷机的功率W_e,s和室内空气温度T_ia之间的函数关系，f_p为制冷机的固有属性。

上述S4中，最恶劣样本的所需总制冷量Q_all的计算公式为：

Q_all＝s(Q₁+Q₂)+P_i

其中，s为设定值，表示室内空气与室外环境之间的总传热量的余量系数；Q₁为围护结构与室外空气的最大传热量；Q₂为漏风漏热功率；P_i为室内热源的功率之和；

I表示构成围护结构的实体结构的数量，即围护结构包括的实体结构的数量；i表示序数；

K_i表示构成围护结构的第i个实体结构的总传热系数，A_i表示构成围护结构的第i个实体结构与室内空气的接触面积；T_1,min等于最恶劣样本的室内所需温度T_1,y，T_2,max等于最恶劣样本的室外空气温度T_oa；

h_ia为室内空气换热系数，h_oa为室外空气换热系数，δ_i,j为构成围护结构的第i个实体结构中的第j种材料的厚度，λ_i,j为构成围护结构的第i个实体结构中的第j种材料的热导率；Num(i)表示构成围护结构的第i个实体结构包含的材料种类数量；所述厚度为材料在一维传热方向上的两侧间距，即跨度；

Q₂＝(La×Δp^m/3600)×ρ_oa×c_oa(T_2,max-T_1,min)

Δp表示室内外空气压差，La表示漏风系数，m表示漏风指数；ρ_oa和c_oa分别表示室外空气的密度和比热容。

实施例

本实施例中房间建模容积V_ia为114.3m³，房间的室内热源的功率之和P_i＝300W；设置时间步长Δt为1s，房间内空气与室外环境之间总传热量的余量系数s＝1.25。

本实施例中根据以下步骤S1-S6选择制冷方案。

S1：构建上述的温度仿真模型；

S2：构建M_g个工况样本，M_g＝3。

本实施例中房间确定，各工况样本共用的环境参数如下表1、表2、表3和表4所示：

表1空气参数

表2阳光辐射参数

结合上表2的数据可计算太阳直射辐射辐照度I_s,g。

I_s,g＝I_v,gτX_g

I_v,g＝I₀E^kcosγ_g

其中，I_v,g为第g个窗户的太阳直射辐射辐照度，τ为得热系数，X_g为第g个窗户中玻璃面积占窗户面积比例；I₀为太阳常数，E为大气透明度系数，k为过渡参数，γ_g为第g个窗户的太阳入射角；为太阳高度角；β为太阳方位角，α_g为第g个窗户的照射面朝向角；在北半球上，照射面朝南时α_g＝0o；照射面朝东时α_g＝90°；照射面朝西时α_g＝-90°；/>为当地纬度，δ为赤纬角，Ω为太阳时角。

表3围护结构及内容物尺寸参数

上表中内容物材质视为钢材，其一维导热方向为等效厚度方向。

表4建筑材料及内容物热物性参数

/>

各工况样本的特征数据如下表5所示，工况样本的特征数据包括室内所需温度T_1,y、降温时间v_y和环境参数中的室外空气温度。本步骤中，各工况样本中制冷方案换热器的制冷介质均为空气。

表5所需工况样本元素信息

S3：从工况样本中选择最恶劣样本。

结合条件FA和FB可知，上述工况样本3为最恶劣工况样本。

S4、计算最恶劣样本的所需总制冷量Q_all。

Q_all＝s(Q₁+Q₂)+P_i (1)

Q₂＝(La×Δp^m/3600)×ρ_oa×c_oa(T_2,max-T_1,min) (4)

本步骤中根据最恶劣工况样本可确定T_1,min＝-20℃，T_2,max＝35℃。

结合上述表1到表5中的数据以及上述公式(1)到(4)计算结果如下表6所示。

表6所需总制冷量计算结果

S5、建立制冷方案的信息样本。本实施例中，信息样本设有3个，具体数据如下表1所示。

表7制冷方案的信息样本

/>

单台制冷量是与室外环境空气温度T_io、室内空气温度T_ia、换热器制冷介质流量FL_y的函数关系式Q_e,s＝F(T_oa,T_ia,FL_y)；当T_oa和FL_y确定时，Q_e,s＝f(T_ia)；

单台功率是与室外环境空气温度T_io、室内空气温度T_ia、换热器制冷介质流量FL_y的函数关系式W_e,s＝F’(T_io,T_ia,FL_y)；当T_oa和FL_y确定时，W_e,s＝f_p(T_ia)；

制冷机名称Name包括制冷机的品牌、规格、型号等信息，制冷机名称用于确定制冷方案中的单台制冷量函数关系式和单台功率函数关系式。

S6、获得目标样本。

针对每一个信息样本，结合上述温度仿真模型计算该制冷方案应用于各工况时的制冷效果，具体参照下表8-10。

表8制冷方案1在各工况下的制冷效果仿真计算值

/>

表9制冷方案2在各工况下的制冷效果仿真计算值

表10制冷方案3在各工况下的制冷效果仿真计算值

/>

表5中，工况1、工况2和工况3对应的降温时间分别为0.6小时、2小时和3小时。

结合表5、表8-10可得3个信息样本对应得制冷方案应用于各工况时得仿真降温时间统计如下表11所示。

表11制冷方案在各工况下的仿真降温时间统计

经计算，没有任何一个信息样本能够同时满足各工况的降温时间，这表明在现有台数下，所有制冷方案提供的制冷量过小，因此，需要对各信息样本的台数加1，通过增加制冷机台数，以实现制冷方案制冷量的提升，有利于降温时间的降低。更新后的信息样本如下表12所示。

表12更新后的信息样本

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相对于表7，表12更新后的信息样本中制冷机台数均加1。

针对表12中每一个信息样本对应的制冷方案，结合上述温度仿真模型计算该制冷方案应用于各工况时的制冷效果，具体参照下表13-15。

表13制冷方案1在各工况下的制冷效果仿真计算值

表14制冷方案2在各工况下的制冷效果仿真计算值

表15制冷方案3在各工况下的制冷效果仿真计算值

结合表5、表13-15可得表12中3个信息样本对应的制冷方案应用于各工况时的仿真降温时间统计如下表16所示。

表16制冷方案在各工况下的仿真降温时间统计

可见，表12中3个信息样本均可满足所有工况的降温时间需求，从而选择出加权平均能耗最小的信息样本作为目标样本。

表13-15可知，制冷方案1的加权平均能耗最小，因此，选择制冷方案1作为目标样本。结合表16也可看出，制冷方案1可在最小时间内达到室内所需温度，证明了本实施例中选择的目标样本可满足房间降温需求，本实施例计算的仿真降温时间精确度极高。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种室内制冷方案设计方法，用于选择制冷机和配置制冷机台数；其特征在于，包括以下步骤：

S4、计算最恶劣样本的所需总制冷量Q_all；

是，从筛选对象中选择目标样本作为最终的制冷方案。

2.如权利要求1所述的室内制冷方案设计方法，其特征在于，最恶劣样本的所需总制冷量Q_all的计算公式为：

Q_all＝s(Q₁+Q₂)+P_i

其中，s为设定值，表示室内空气与室外环境之间的总传热量的余量系数；Q₁为围护结构与室外空气的最大传热量，围护结构表示隔离室内外的结构；Q₂为漏风漏热功率；P_i为室内热源的功率之和；

I表示构成围护结构的实体结构的数量，即围护结构包括的实体结构的数量；

K_i表示构成围护结构的第i个实体结构的传热系数，A_i表示构成围护结构的第i个实体结构与室内空气的接触面积；T_1,min等于最恶劣样本的室内所需温度T_1,y，T_2,max等于最恶劣样本的室外空气温度T_oa；

Q₂＝(La×Δp^m/3600)×ρ_oa×c_oa(T_2,max-T_1,min)

3.如权利要求2所述的室内制冷方案设计方法，其特征在于，

h_ia为室内空气换热系数，h_oa为室外空气换热系数，δ_i,j为构成围护结构的第i个实体结构中的第j种材料的厚度，λ_i,j为构成围护结构的第i个实体结构中的第j种材料的热导率；Num(i)表示构成围护结构的第i个实体结构包含的材料种类数量；所述厚度为材料在一维传热方向上的两侧间距。

4.如权利要求1所述的室内制冷方案设计方法，其特征在于，温度仿真模型包括输入端、温度模型和输出端；输入端用于获取输入参数并输入温度模型；输出端用于输出仿真降温时间；

温度模型用于结合输入参数以及T_ia ^n’-1、计算T_ia ^n’和

当温度模型计算获得的T_ia ^n’大于设定的室内所需温度，则将n’更新为n’+1，温度模型结合输入参数和温度模型计算的T_ia ^n’-1和计算T_ia ^n’和

5.如权利要求4所述的室内制冷方案设计方法，其特征在于，温度模型为：

T_M＝Y_M ^-1B_M

T_M、Y_M和B_M均为矩阵，上标-1为矩阵的逆；

T_M＝[T_ia,T₁,T₂,...,T_r,...,T_R-1,T_R]^T

T_r＝(T_r,1,T_r,2,…,T_r,n(r),…,T_r,N(r)-1,T_r,N(r))^T

B_M＝[B,b₁,b₂,...,b_r,...,b_R-1,b_R]^T

K_L＝(La×Δp^m/3600)×ρ_oa×c_oa

B和K_L均为过渡项，ρ_ia和c_ia分别为室内空气的密度和比热容，V_ia为室内空气容积，Δt为时间步长，N_L为制冷机的数量；T_ia ⁰为室内空气的上一时刻温度，f’(T_ia ⁰)为f(T_ia ⁰)对T_ia ⁰的一阶导数，f为单台制冷机的制冷量Q_e,s和T_ia之间的函数关系，即Q_e,s＝f(T_ia)，f为制冷机的固有属性；T_oa为室外空气温度，P_i为室内热源的功率之和；I_s,g为室内空气所获得的透过第g个窗户的太阳直射辐射辐照度，A_g为第g个窗户面积，G为窗户数量；f(T_ia ⁰)为根据函数关系f获得的室内温度T_ia ⁰对应的单台制冷机的制冷量；La、Δp和m分别为漏风系数、室内外空气压差和漏风指数；ρ_oa为室外空气的密度，c_oa为室外空气的比热容；

b_r＝(b_r,1,b_r,2,…,b_r,n(r),…,b_r,N(r)-1,b_r,N(r))^T

其中，0...0表示省略项均为0；

令为矩阵Y_M的第/>行第/>列的元素，/>当时，Y_M(1,1)＝C_ia；

当时，/>

当且/>时，/>

C_ia为室内空气参数计算值；

H_r和C_r均为第r个实体结构的过渡矩阵参数

H_r＝[-h_ia,0,...,0]^T，H_r共有N(r)-1个“0”；

C_r＝[-h_iaA_r,0,...,0]，C_r共有N(r)-1个“0”；

定义过渡参数a_r,n(r),p、a_r,n(r)+1、a_r,n(r)-1和a_r,n(r),p’：

n(r)＝1时：

a_r,n(r),p＝a_r,n(r)+1+a_r,n(r),p’+h_ia；

a_r,n(r)+1＝λ_r,n(r)+1/Δx(r)；

a_r,n(r),p’＝ρ_r,n(r)×c_r,n(r)×Δx(r)/(2Δt)；

b_r,n(r)＝a_r,n(r),p’×T_r,n(r) ⁰；

2≤n(r)≤N(r)-1时：

a_r,n(r),p＝a_r,n(r)+1+a_r,n(r)-1+a_r,n(r),p’；

a_r,n(r)+1＝λ_r,n(r)+1/Δx(r)；

a_r,n(r)-1＝λ_r,n(r)-1/Δx(r)；

a_r,n(r),p’＝ρ_r,n(r)×c_r,n(r)×Δx(r)/Δt；

b_r,n(r)＝a_r,n(r),p’×T_r,n(r) ⁰；

n(r)＝N(r)时：

a_r,n(r),p＝a_r,n(r)-1+a_r,n(r),p’+h_sa；

a_r,n(r)-1＝λ_r,n(r)-1/Δx(r)；

a_r,n(r),p’＝ρ_r,n(r)×c_r,n(r)×Δx(r)/(2Δt)；

b_r,n(r)＝a_r,n(r),p’×T_r,n(r) ⁰+h_saT_sa

Z_r为第r个实体结构的相关矩阵：

当n(r)＝u(r)，Z_r(n(r),u(r))＝a_r,n(r),p；

当u(r)＝n(r)+1，Z_r(n(r),u(r))＝-a_r,n(r)+1；

当u(r)＝n(r)-1，Z_r(n(r),u(r))＝-a_r,n(r)-1；

当u(r)>n(r)+1，或者u(r)<n(r)-1，则Z_r(n(r),u(r))＝0。

6.如权利要求1所述的室内制冷方案设计方法，其特征在于，环境参数包括：室内空气的密度ρ_ia、比热容c_ia、空气容积V_ia、换热系数h_ia；室外空气的密度ρ_oa、比热容c_oa、温度T_oa、换热系数h_oa；实体结构远离室内空气一侧的换热系数h_sa和温度T_sa；室内外空气压差Δp、漏风系数La、漏风指数m、室内热源的功率之和P_i、太阳直射辐射辐照度I_s,g、窗户面积A_g、节点间距Δx(r)、时间步长Δt、实体结构的数量R、实体结构的节点数量集合实体结构与室内空气接触面积的集合/>节点的热导率分布/>节点的密度分布/>节点的比热容分布/>针对围护结构包含的实体结构，h_sa＝h_oa、T_sa＝T_oa；针对内容物的实体结构，h_sa＝0。

7.如权利要求1所述的室内制冷方案设计方法，其特征在于，步骤S6包括以下分步骤：

S61、结合温度仿真模型，计算将第x个信息样本对应的制冷方案应用于第y个工况样本对应的工况时的仿真降温时间；x和y的初始值均为1；

S62、判断仿真降温时间是否大于第y个工况样本中的降温时间；

否，则执行以下步骤S63：是，则执行以下步骤S64；

S64、判断是否遍历所有信息样本；

否，则令x更新为x+1，并初始化y＝1，然后返回步骤S61；

是，则执行步骤S65；

S65、判断是否存在筛选对象；否，则将每一个信息样本中的制冷机数量加1，初始化x＝1，y＝1，然后返回步骤S61；是，则计算所有筛选对象的加权平均能耗，选择加权平均能耗最小的筛选对象作为目标样本，将目标样本作为最终的制冷方案。

8.如权利要求7所述的室内制冷方案设计方法，其特征在于，信息样本的加权平均能耗的计算公式为：

其中，y表示工况样本序号，x表示信息样本序号，P_x表示第x个信息样本对应的加权平均能耗，η_y表示工况样本的使用率所占权重，η_y为设定值，M_g个工况样本的使用率所占权重η_y总和为1；

P_x,y表示第x个信息样本应用于第y个工况样本时的功耗；第x个信息样本应用于第y个工况样本时温度模型迭代n1个时刻，使得室温温度T_ia达到室内所需温度；q为序数，1≤q≤n1；T_ia ^q表示温度模型迭代q个时刻时的室内空气温度，T_ia ^q-1表示温度模型迭代q-1个时刻时的室内空气温度；N_L为制冷机台数，Δt为时间步长；f_p为单台制冷机的功率W_e,s和室内空气温度T_ia之间的函数关系，f_p为制冷机的固有属性。

9.一种室内制冷方案设计系统，其特征在于，包括存储器，存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时，用于实现如权利要求1-8任一项所述的室内制冷方案设计方法。

10.如权利要求9所述的室内制冷方案设计系统，其特征在于，处理器与存储器连接，处理器用于执行所述计算机程序以实现如权利要求1-8任一项所述的室内制冷方案设计方法。