CN112484250A - 一种基于室内热源信息的hvac在线监控***及控制方法 - Google Patents

一种基于室内热源信息的hvac在线监控***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于室内热源信息的HVAC在线监控***及控制方法，该监控***包括送风单元、空调机组、回风单元和监测单元，送风单元、空调机组和回风单元均设置在建筑顶部，监测单元设置在目标区域，送风单元包括送风管道和散流器送风口，回风单元包括回风管道和回风口，送风单元和回风单元均连接空调机组。本发明可根据室内温度分布实时响应数据，实现室内热环境分布结果快速预测，最终实现HVAC***的智能化控制，解决传统HVAC控制***无法基于传感器监测数据实现准确、智能化调控等难题，营造更加健康、舒适和节能的公共建筑室内环境。

Description

一种基于室内热源信息的HVAC在线监控***及控制方法
技术领域
本发明涉及建筑通风***技术领域，具体的是一种基于室内热源信息的HVAC在线监控***及控制方法。
背景技术
室内热环境是影响人员健康状况和舒适性的重要因素之一，对于人员密集环境(如人员密集的办公室内)，室内热环境质量恶化将导致人体新陈代谢速率降低，免疫功能下降，进而导致细菌和病毒等病原微生物趁虚而入，最终影响人员热舒适性甚至引起上呼吸道感染等疾病，对室内人员健康和生产力产生严重影响。因此，保持室内热环境的舒适状态对于保持室内的健康环境具有重要意义。
空气调节***，是包含温度、湿度、空气清净度以及空气循环的控制***，被称为HVAC。HVAC***可以有效的调节室内温度，但对于非稳态的室内热环境，采用传统的HVAC***会造成区域送风过冷或者过热，导致室内热环境分布不均匀，从而导致室内人员的热不舒适，同时也造成了建筑能源的浪费。造成这种现象的原因是因为传统HVAC***无法根据室内环境的分布情况对自身工况进行正确的调控。因此，为了应对动态的室内环境变化，且在保持室内人员热舒适的同时节约建筑能耗，新型HVAC***的应用会越来越受到人们的重视。
目前HVAC控制***的应用主要包括：暖通空调设备控制、在线监测控制、模型预测控制(MPC)和建筑能源管理***控制(MBC)。但是，这些控制方法没有考虑到室内环境参数的“非均匀、非稳态”分布特性，不能通过对室内环境分布结果的快速预测响应室内环境的瞬时变化，也不能满足室内空气质量和人员热舒适的实际需求。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种基于室内热源信息的HVAC在线监控***及控制方法，可根据室内温度分布实时响应数据，实现室内热环境分布结果快速预测，最终实现HVAC***的智能化控制，解决传统HVAC控制***无法基于传感器监测数据实现准确、智能化调控等难题，营造更加健康、舒适和节能的公共建筑室内环境。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于室内热源信息的HVAC在线监控***，包括送风单元、空调机组、回风单元和监测单元，送风单元、空调机组和回风单元均设置在建筑顶部，监测单元设置在目标区域，送风单元包括送风管道和散流器送风口，回风单元包括回风管道和回风口，送风单元和回风单元均连接空调机组。
进一步优选地，送风管道和回风管道呈L型。
进一步优选地，送风管道一端与散流器送风口连接，送风管道另一端与空调机组连接，回风管道一端与回风口连接，回风管道另一端与空调机组连接。
进一步优选地，空调机组将回风管道导入的室内空气经过滤、冷却或加热处理后再次送入送风管道。
进一步优选地，空调机组设置有压缩机组件，通过控制压缩机来对送风口温度大小进行调控。
一种基于室内热源信息的HVAC在线监控***的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)数据库的构建：利用数值模拟开源软件完成所有案例的模拟计算，获取室内温度的数值分布结果并用于构建基础数据库，考虑已有通风方式、不同送风温度、和不同热源位置等参数；
(2)数据库的扩充：根据线性叠加原理，当有多个热源位置时，其产生的温度分布结果等于这些热源单独作用时产生的温度分布结果的叠加，即利用该原理可快速获取任意数量热源所产生的温度分布结果，完成数据库的有效扩充；
(3)数据库的重构：数值模拟计算的前提需要绘制大量网格节点，使用离散化方法减少网格数据量，首先，将模拟网格的体积Ω划分为若干体积Ωi的立方体，其中i＝1～N，N≤网格节点数量，并将x、y、z坐标依次分布到数组i中，各个(x，y，z)对应的网格数据也相应地包含在这些数组中，接着，在这些数组中计算出基于网格坐标数据的体积均值，这是网格信息的离散化表示，最后，体积Ωi中的主数据可以用离散数据来表示，即实现降维处理；
(4)基于数据库的预测：根据室内温度贡献率CRI(T)对数据库进行预测，CRI(T)根据室内基础数据库得出室内温度贡献率因子的大小，根据所得到的温度贡献率因子，可以快速的对不同送风口工况下室内温度分布情况进行预测，从而快速获取室内环境分布状况；
(5)结合预测数据库实现HVAC***在线监控：通过平衡室内人员的舒适度和能源消耗得到最优的送风口温度，为了合理评估送风口温度和室内人员热舒适之间的权重关系，通过变异系数法对其进行加权处理，从而得出评价指标ET，其表达式如下所示：
Figure BDA0002780240280000031
Figure BDA0002780240280000041
其中，WT1和WT2为送风温度和平均热感觉指数PMV绝对值的权重,PMV由平均室内风速(VR)和温度(TR)计算获取；
确定评价指标后，将ET的最小值作为最优温度控制策略的评价标准，根据目标区域热源位置监测数据，确定不同热源位置信息对应的最优HVAC***送风口温度控制策略，将最优控制策略对应的最优送风口温度数据传输至HVAC***的压缩机的控制组件，实现HVAC***的在线控制。
本发明的有益效果：
1.本发明采用的数值模拟软件的代码开源，可自主定制数值求解方法，使计算结果更加接近实际HVAC***送风工况。
2.本发明采用的降维线性方法(即线性叠加和离散化方法)能有效减少数据库所需存储的数据量，节省数据存储成本，降低数据计算时间。
3.本发明采用的室内环境贡献率模型能实现目标变量的快速预测，节省了数值模拟计算时间和成本。
4.本发明综合考虑了室内温度因素对室内环境的影响，同时考虑了室内人员热舒适因素，对HVAC***进行了调控。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的整体布局示意图；
图2是本发明的散流器风口的结构示意图；
图3是本发明的控制步骤流程图；
图4是本发明离散化方法的数据库重构原理图；
图5是本发明的数据库训练和预测原理图；
图6是本发明实施例的验证结果示意图一；
图7是本发明实施例的验证结果示意图二；
图8是本发明实施例的验证结果示意图三。
图中：
1、空调机组；2、送风管道；3、回风管道；4、风机组件；5、回风单元；6、送风单元；7、目标区域；8、温度传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例：已知室内热源位置的某房间HVAC***控制方法
本实施例涉及的建筑几何尺寸为10m(长)×10m(宽)×5m(高)，通过调节送、排风口的闭合方式可实现不同通风方式转换。本次采用上送上回的方式进行送风。送风温度范围为16-22℃，热源位置为四个，其坐标分别为A(2.875,2.55,1.7)m，B(7.625,2.55,1.7)m，C(2.875,7.85,1.7)m和D(7.625,7.85,1.7)m。
如图1所示，一种基于室内热源信息的HVAC在线监控***，包括送风单元6、空调机组1、回风单元5和监测单元，所述送风单元6、空调机组1和回风单元5均设置在建筑顶部，所述监测单元设置在目标区域7，所述送风单元6包括送风管道2和散流器送风口，所述回风单元6包括回风管道3和回风口，所述送风单元6和回风单元5均连接空调机组1。
所述送风管道2和回风管道3呈L型。所述送风管道2一端与散流器送风口连接，所述送风管道2另一端与空调机组1连接，所述回风管道3一端与回风口连接，所述回风管道3另一端与空调机组1连接。所述空调机组1将回风管道3导入的室内空气经过滤、冷却或加热处理后再次送入送风管道2。所述空调机组1设置有压缩机组件，通过控制压缩机来对送风口温度进行调控。
一种基于室内热源信息的HVAC在线监控***的控制方法，包括以下步骤：
(1)数据库的构建：采用数值模拟软件OpenFOAM完成通风案例数值模拟计算，本实施例涉及一种通风方式，7种不同送风口温度和四个热源位置，因此基础数据库总共包括7×4＝28个通风案例；
(2)数据库的扩充：利用线性温度叠加原理对基础数据库进行有效扩充，图6为考虑室内热源A、B、C和D共同作用下，线性叠加结果与实际模拟结果(温度)之间的比较情况(z＝1.1m平面)，数值越大代表温度越高。由比较结果可知，线性叠加方法能够有效实现数据库的快速扩充；
(3)数据库的重构：在本案例中，网格被均匀划分为3×3×3＝27个小立方块实现数据库的重构，图7为某种通风方式和热源A、B、C和D作用下的离散处理结果与实际模拟结果(温度)之间的比较情况，由比较结果可知，基于27等分的降维方法可以有效实现数据库的重构；
(4)数据库的训练和预测：运用室内影响因子CRI(T)可实现室内温度分布的高效预测，其函数表达式如下所示：
Figure BDA0002780240280000071
其中，xi为空间坐标(i＝1，2，3分别为x，y，z)；Qm为空间坐标，Qm为来自源头m的对流传热；Cp为室内的比热空气；ρ为空气密度；V为送风量；Tn为室外计算温度，只用于计算CRI；Tm,0是指温度为当热源m的传热量Qm为均匀扩散；Tm(xi)是指在位置xi处的温度，由数值模拟方法计算出的热源m；△Tm，0是由CFD计算出的温升值△Tm(xi)是指从Tn处的温度升高，即从Tn处的温度升高。图8为某种通风方式和多个热源A、B、C和D作用下的实际模拟结果与CRI(H)的温度预测结果之间的比较情况，由比较结果可知，室内热因子贡献率能很好地实现数据库目标变量(如室内温度分布)的快速预测；
(5)结合预测数据库实现HVAC***温度在线监控：利用温度评价指标ET进一步实HVAC***的温度控制，通过控制之后的***，在满足室内人员舒适的情况下，能源节约可达50％，这也证实了该HVAC温度在线监控***的高效性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种基于室内热源信息的HVAC在线监控***，其特征在于，包括送风单元、空调机组(1)、回风单元(5)和监测单元，所述送风单元(6)、空调机组(1)和回风单元(5)均设置在建筑顶部，所述监测单元设置在目标区域(7)，所述送风单元(6)包括送风管道(2)和散流器送风口，所述回风单元(5)包括回风管道(3)和回风口，所述送风单元和回风单元均连接空调机组。
2.根据权利要求1所述的基于室内热源信息的HVAC在线监控***，其特征在于，所述送风管道(2)和回风管道(3)呈L型。
3.根据权利要求1所述的基于室内热源信息的HVAC在线监控***，其特征在于，所述送风管道(2)一端与散流器送风口连接，所述送风管道(2)另一端与空调机组(1)连接，所述回风管道(3)一端与回风口连接，所述回风管道(3)另一端与空调机组(1)连接。
4.根据权利要求1所述的基于室内热源信息的HVAC在线监控***，其特征在于，所述空调机组(1)将回风管道(3)导入的室内空气经过滤、冷却或加热处理后再次送入送风管道(2)。
5.根据权利要求1所述的基于室内热源信息的HVAC在线监控***，其特征在于，所述空调机组(1)设置有压缩机组件，通过控制压缩机来对送风口温度进行调控。
6.一种基于室内热源信息的HVAC在线监控***的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)数据库的构建：利用数值模拟开源软件完成所有案例的模拟计算，获取室内温度的数值分布结果并用于构建基础数据库，考虑已有通风方式、不同送风温度、和不同热源位置等参数；
(2)数据库的扩充：根据线性叠加原理，当有多个热源位置时，其产生的温度分布结果等于这些热源单独作用时产生的温度分布结果的叠加，即利用该原理可快速获取任意数量热源所产生的温度分布结果，完成数据库的有效扩充；
(3)数据库的重构：数值模拟计算的前提需要绘制大量网格节点，使用离散化方法减少网格数据量，首先，将模拟网格的体积Ω划分为若干体积Ωi的立方体，其中i＝1～N，N≤网格节点数量，并将x、y、z坐标依次分布到数组i中，各个(x，y，z)对应的网格数据也相应地包含在这些数组中，接着，在这些数组中计算出基于网格坐标数据的体积均值，这是网格信息的离散化表示，最后，体积Ωi中的主数据可以用离散数据来表示，即实现降维处理；
(4)基于数据库的预测：根据室内温度贡献率CRI(T)对数据库进行预测，CRI(T)根据室内基础数据库得出室内温度贡献率因子的大小，根据所得到的温度贡献率因子，可以快速地对不同送风口工况下室内温度分布情况进行预测，从而快速获取室内环境分布状况；
(5)结合预测数据库实现HVAC***在线监控：通过平衡室内人员的舒适度和能源消耗得到最优的送风口温度，为了合理评估送风口温度和室内人员热舒适度之间的权重关系，通过变异系数法对其进行加权处理，从而得出评价指标ET，其表达式如下所示：
Figure FDA0002780240270000021
Figure FDA0002780240270000022
其中，WT1和WT2为送风温度和平均热感觉指数PMV绝对值的权重,PMV由平均室内风速(VR)和温度(TR)计算得到；
确定评价指标后，将ET的最小值作为最优温度控制策略的评价标准，根据目标区域热源位置监测数据，确定不同热源位置信息对应的最优HVAC***送风口温度控制策略，将最优控制策略对应的最优送风口温度数据传输至HVAC***的压缩机的控制组件，实现HVAC***的在线控制。
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