CN113076707A - 一种风机盘管***的热能输入控制方法、介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风机盘管***的热能输入控制方法、介质及设备，导出电气模型，电气模型建立风机盘管单元的水力模型；建立风机盘管的动力学方程，引入每个风机盘管单元的风阀速度的传热系数UO，通过动力学方程和传热系数建立风机盘管的热力学模型；求解风机盘管单元的水力模型，得到每个风机盘单元中最优的水的质量流量；求解热力学模型，根据水的质量流量最优解，对传热系数UO进行设定，得到一组关于风阀速度的UO标量，Uo＝{Uo off，Uo L，Uo M，Uo H}，通过求解传热系数函数与设定值UO之间的平方误差来找到未知系数a，b，β，ε，得到风机盘管的热力学模型，通过热力学模型得到每个风机盘管单元需要的传输热功率以及空气的返回温度。本发明能预测热能输入，降低能耗。
Description
技术领域
本发明属于暖通空调***控制技术领域，具体属于一种风机盘管***的热能输入控制方法、介质及设备。
背景技术
随着公共建筑规模增长及平均能耗强度的增加，公共建筑能耗已经占到中国建筑能耗的42％，而空调***能耗在公共建筑中的占比高达60％。风机盘管***作为公共建筑中最为常见的空调***末端设备，其运行效率与空调***整体能耗紧密相关。目前空调***中通常所存在的问题之一是建筑供热、供冷***中的应用效率太低，导致能耗较高。如果可以测量通过单个风机盘管(FCU)的介质流量以及供回介质和空气温度，那么可以很容易地评估它的热力学模型，但对于风机盘管组(FCUs)***来说，必须知道通过每个风机盘管的介质流量，因此需要建立***的水力模型。但在实际工程中，不可能针对单一风机盘管机组安装流量传感器，这会使得工程成本增加。因此，急需一种运行成本较低的根据建筑每个区域的热需求实现动态控制介质流量输入的方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种风机盘管***的热能输入控制方法、介质及设备，解决目前风机盘管***中监测每个风机盘管的介质流量的方法成本较高的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种风机盘管***的热能输入控制方法，包括以下步骤：根据风机盘管***的每个组成部分的阻抗特性，导出电气模型，根据电气模型建立风机盘管单元的水力模型；建立风机盘管的动力学方程，引入每个风机盘管单元的风阀速度的传热系数UO，通过动力学方程和传热系数建立风机盘管的热力学模型；求解风机盘管单元的水力模型，得到每个风机盘单元中最优的水的质量流量；求解热力学模型，根据水力模型求解得到的每个风机盘单元中水的质量流量最优解，对传热系数UO进行设定，得到一组关于风阀速度的UO标量，Uo＝{Uo off，Uo L，Uo M，Uo H}，通过求解传热系数函数与设定值UO之间的平方误差来找到未知系数a，b，β，ε，得到风机盘管的热力学模型，通过热力学模型得到每个风机盘管单元需要的传输热功率以及空气的返回温度。
进一步的，在静止状态下，已知风机盘管的水的热容量，水的质量流量和风阀速度的情况下，对传热系数进行设定。
进一步的，风机盘管***的每个组成部分的阻抗特性基于电-水类比导出电气模型，所述阻抗特性包括给水管水利阻力、回水管水利阻力和FCU水力阻力。
进一步的，通过电气模型计算每个风机盘管单元的水流量的过程如下：
ΔPp＝ΔPh+ΔPf
式中：ΔPj是平行分支的总压降，包括通过FCU的压降和相关垂直供应和返回管道的压降，ΔPk+1＝ΔPo是整个***的整体压降，Qw，i是每个风机盘管的水的质量流量。
进一步的，动力学方程的建立过程如下：根据风阀的运行速度以及随风阀的运行速度而变化的风机盘管内的空气质量流量变化，通过风机盘管内的空气的质量、比热容以及温度和水的质量、比热容以及温度得到风机盘管的动力学方程。
进一步的，引入每个风机盘管单元的风阀速度的传热系数函数，通过动力学方程和传热系数函数建立风机盘管的热力学模型，需要考虑进入风机盘管的空气温度与区域温度之间的温度差。
进一步的，求解风机盘管单元的水力模型的具体过程如下：根据制造商目录获取单个风机盘管管段直径和长度数据以及风机盘管***的压降特性，并以单个风机盘管管段直径和长度数据以及风机盘管***的压降特性优化电气模型，得到每个风机盘管单元的最优介质流量。
进一步的，若风机盘管***入口的压降发生变化，则通过重新测量风机盘管***的介质流量。
本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据上述的方法中的任一方法。
本发明还提供一种计算设备，包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据上述的方法中的任一方法的指令。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供一种风机盘管***的热能输入控制方法，采用电气模型模拟水力模型，将水力模型和热力学模型相结合，能更简便的获得建筑物热力学模型识别所需的每个区域的热功率，估计影响该区域的热负荷，并通过风阀的速度直接控制每个区域的热能输入，从而实现通过预测能源管理方案计算的优化热能输入，以保持区域的热舒适性，并有效降低空调***的能耗。
进一步的，建立电气模型，对于电路的每个闭环，一旦知道水力阻力和质量流量则通过基尔霍夫电路定律导出风机盘管***的压降，建立风机盘管的水力模型。
进一步的，通过引入水力模型求解得出每个风机盘管的水的质量流量作为求解热力学模型的已知条件，建立热力学模型，相对于风机盘管机理建模求解更加简便，求解更快。
附图说明
图1为面向控制的FCU***模型；
图2为加热/冷却网络拓扑的***等效电气模型图；
图3为FCUs***建模与辨识方法的流程图；
图4为FCU的压降特性曲线图；
图5为FCU测试数据的实验验证图，图5a为量热计测量的热功率与计算的传输热功率对比图；图5b为量热计测量的返回温度与计算的返回温度对比图；
图6为FCU水力***各支管的流量分布；
图7为实施例的Uo(x，Qw)的功能参数表。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明提供了一种风机盘管***的热能输入控制方法，用以支撑实现空调末端***智能控制。针对风机盘管的室内空气以及水的质量、热容量、温度得出风机盘管的动力学方程，建立切换式的线性模型为最终风机盘管的热力学模型；通过优化所建立的数学模型问题来求解通过不同风机盘管单元的流量份额Qw；最后对热力学模型的传热系数UO进行辨识，通过已建立的最小化模型和实验获得的值三元组之间的平方误差来找到未知系数a，b，β，ε；如图3所示，热能输入控制方法的大致步骤如下：根据返回介质温度传感器，在已知管道长度和尺寸数据以及FCU的压降特性的情况下，建立模拟类比的电气模型并通过求解计算出流量分配份额，如果操作点改变(两端电压改变)，则重新计算流量的分配情况，对选定的FCU使用历史数据或进行实验测试，对于在静止状态下，已知水的热容量，水的质量流量和风扇速度的风机盘管，对传热系数UO进行设定，得到一组关于风扇速度的UO标量，通过求解传热系数函数与设定值UO之间的平方误差来找到未知系数a，b，β，ε，得到风机盘管的热力学模型。
具体的，步骤如下：
S1、如图1所示，FCU***的建模由水力模型和热力学模型组成，Qw，i表示通过第i个FCU的水的质量流量，其中对于相同的FCU类型，热力学模型是相同的，利用面向控制的FCU***模型，实现各自所在空间单元的温度与热量的调节；其中FCU***的建模过程如S2-S3；
S2、根据风机盘管***的各个组成部分的阻抗特性(给水管水利阻力、回水管水利阻力和FCU水利阻力)，把复杂的水力***模拟为类似的电气模型；建立水力模型方程采用遗传算法计算***中的流量分配份额，开发了一种基于电-水力模拟的算法，用于计算求解风机盘管***中各个盘管的流量分布。
S201、将复杂的水力模型***向类似的电气模型过渡，其中介质质量流量Qw、压降和液压阻力分别相当于电流、电压和电阻。
S202、管道中的压力损失通过静水压力损失ΔPh和摩擦压力损失ΔPf来建立方程。
S203、定义给水管水利阻力、回水管水利阻力和FCU水力阻力分别表示为
和Rfc，基于电-水力类比，导出了最常见的加热/冷却网络拓扑的***等效电气模型，如图2所示，对于电路的每个闭环，一旦知道水力阻力和质量流量，可以通过基尔霍夫电路定律表示FCU的压降。
S204、通过求解以下优化问题得出FCU的最优流量：
ΔPp＝ΔPh+ΔPf
其中ΔPj是第j个平行分支的压降，包括通过FCU的压降和相关垂直供应和返回管道的压降；ΔPj+1是第j+1个平行分支的压降；ΔPk+1＝ΔPo是整个***的整体压降；Qw，i是通过第i个FCU水的质量流量；
是传感器测量通过FCU总的水的质量流量；Qw，o是FCU总的水的质量流量，
是第j个FCU的给水管水利阻力，
是第j个FCU的回水管水利阻力。
S3、通过计算得出的每一个风机盘管的流量分配份额对热力学模型进一步展开分析，考虑风阀的运行速度(关、低、中、高)以及随之变化的风机盘管内空气质量流量的改变，通过风机盘管的区域空气以及水的质量、比热容、温度得出风机盘管的动力学方程，同时，考虑进入风机盘管的空气温度与区域温度之间的温度差，引入每种风阀速度的传热系数UO，对于固定的水的质量流量Qw，建立风机盘管的热力学模型。
S301、为了建立热力学模型，提出了以下假设：1)有四种可能的风扇速度：关闭，低，中和高分别表示为Off，L，M，H；2)空气质量流量Qa在FCU内随风扇速度而变化，并假定每个速度是恒定的；3)FCU内部的平均水温
大约是进水温度
和出水温度
的的平均值；4)从水到空气的传热是由温差驱动的；5)假设进气温度等于区域温度；6)假定空气和水的性质是恒定的。
S302、在设定的假设下，给出每个FCU的动力学方程：
其中，
是输出空气温度，
是输出空气温度，Qw是通过FCU的介质质量流量，Ca和Cw分别是干空气的热容量和水的热容量，参数ma是空气质量，mw是FCU内部的水质量，可从制造商的目录中获得。
S303、传热系数Uo＝f(Qa，Qw)是介质的非线性函数，对于具有固定风扇速度的FCU，在一定的风扇速度x下空气质量流量Qa不随时间明显偏离(如果没有外部撞击阻塞空气路径)。
S304、把FCU的空气区域热效应过程看作一个稳定过程，这进一步意味着影响区域的热功率等于传输的总热功率；对于固定的介质质量流量Qw，FCU的最终热力学模型采用切换线性模型的形式。
S4、对传感器进行校准时，采用两点校准方法，在工作范围的下限和上限与可信的传感器数据进行比较，此操作基本上重新调整了输出，并能够找到校准斜率和偏移误差定义的传感器校准曲线。
S5、在制造商目录中得到，单个风机盘管管段直径和长度的相关***文件，以及具有特定压降特性的***元件，基于所建立的模拟电气模型，通过优化所建立的数学模型问题来定义通过不同风机盘管单元的流量分布。如果***入口的压降发生变化，则通过重新测量***的整体流量解决优化问题来找到新的流量分布，如图4所示，根据制造商的目录参数得出FCU的压降特性，“x”表示通过风机盘管的质量流量，“y”表示通过风机盘管的压降。
S6、在对热力学模型的传热系数Uo进行识别时，考虑到对于固定的介质质量流量和风扇速度，传热系数总是标量值，将识别分两部分进行：第一部分是通过相同类型FCU的数据集求解Uo，找到一组标量Uo＝{Uo off，Uo L，Uo M，Uo H}；第二部分是寻找Uo的未知系数，通过求解传热系数函数与设定值UO之间的平方误差来找到未知系数a，b，β，ε，得到风机盘管的热力学模型。
S601、应对供冷供热不同的季节性效应，提出每种风机速度的修正系数εx，得到风机盘管的传热系数函数：
S602、对于在静止状态下运行的已知介质热容量的***，固定介质质量流量Qw，i和风扇速度xi的Uo设定值定义为：
其中，其中，指数k表示测量样本，cw是水的热容量，
是测量第i个FCU的返回介质温度，Mi是考虑的数据集的长度。
热力学模型识别第一部分的结果是一组标量Uo＝{Uo off，Uo L，Uo M，Uo H}。
S603、识别的第二部分与寻找Uo特征的未知系数有关。通过优化求解传热系数函数与设定值UO之间的平方误差来找到未知系数a，b，β，ε，得到风机盘管的热力学模型。
S604、对于固定的介质质量流量Qw，建立风机盘管的热力学模型，FCU的最终模型采用切换线性模型的形式：
其中，x是用于切换的风机速度。
如图7所示，通过计算辨识出参数a，b，ε，β，在不同风机速度下都给出了修正系数的取值；供冷和供热季节取值并不唯一且在供热季节时修正系数不随风机速度的变化而改变。
如图5中图5a和图5b所示，在验证数据集测试时取一个示例性区域，热力学模型是通过使用已知的模型输入数据来计算返回空气温度的预测，将水的热功率以及空气的热功率与热量计的测量值进行比较，验证模型的可靠性和准确性。
如图6所示，表中显示了13个区域中流量的分布情况，由于单个区域内的所有FCU都是同时启动的，对于有多个FCU的区域，计算所有单元的平均流量份额，而不是单个份额，在标有“x”的区域，无法进行测量，总的流量份额为
实施例一
以某办公楼一层为例，走廊两边为办公室区域，共13间独立办公室，由中央空调***统一供冷。本实施例中，以13个办公房间为空间单元，每个空间单元分别设置1个风机盘管FCU，此外，在每个楼层的供应管道上安装热量计，热量计以一分钟的时间分辨率测量供给和返回介质温度、温差、介质流量、热功率和消耗的热能。所有***都与网络控制器单元集成在一起，该网络控制器单元用于实现在不同协议下运行的设备之间的双向通信。管道的长度定义为两个连续的FCUs之间水平段的长度或FCU与量热计之间的长度。垂直供应和回流管道(包括管件)的等效长度对于所有单位和数量都是相同的，由于管道具有良好的保温性能，在以下计算中忽略了输送热损失。这意味着FCU的进水温度被认为等于由量热仪测量的供水温度。如果沿网络的温度下降非常显著，则应该对其进行建模，或者在FCU的进水处安装额外的温度传感器。
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作***。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关水果价格预测的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：
根据风机盘管***的每个组成部分的阻抗特性，导出电气模型，根据电气模型建立风机盘管单元的水力模型；
建立风机盘管的动力学方程，引入每个风机盘管单元的风阀速度的传热系数UO，通过动力学方程和传热系数建立风机盘管的热力学模型；
求解风机盘管单元的水力模型，得到每个风机盘单元中最优的水的质量流量；
求解热力学模型，根据水力模型求解得到的每个风机盘单元中水的质量流量最优解，对传热系数UO进行设定，得到一组关于风阀速度的UO标量，Uo＝{Uo off，Uo L，Uo M，Uo H}，通过求解传热系数函数与设定值UO之间的平方误差来找到未知系数a，b，β，ε，得到风机盘管的热力学模型，通过热力学模型得到每个风机盘管单元需要的传输热功率以及空气的返回温度。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种风机盘管***的热能输入控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据风机盘管***的每个组成部分的阻抗特性，导出电气模型，根据电气模型建立风机盘管单元的水力模型；
建立风机盘管的动力学方程，引入每个风机盘管单元的风阀速度的传热系数UO，通过动力学方程和传热系数建立风机盘管的热力学模型；
求解风机盘管单元的水力模型，得到每个风机盘单元中最优的水的质量流量；
求解热力学模型，根据水力模型求解得到的每个风机盘单元中水的质量流量最优解，对传热系数UO进行设定，得到一组关于风阀速度的Uo标量，Uo＝{Uo off，Uo L，Uo M，Uo H}，通过求解传热系数函数与设定值UO之间的平方误差来找到未知系数a，b，β,ε，得到风机盘管的热力学模型，通过热力学模型得到每个风机盘管单元需要的传输热功率以及空气的返回温度。
2.根据权利要求1所述的一种风机盘管***的热能输入控制方法，其特征在于，在静止状态下，已知风机盘管的水的热容量，水的质量流量和风阀速度的情况下，对传热系数进行设定。
3.根据权利要求1所述的一种风机盘管***的热能输入控制方法，其特征在于，风机盘管***的每个组成部分的阻抗特性基于电-水类比导出电气模型，所述阻抗特性包括给水管水利阻力、回水管水利阻力和FCU水力阻力。
4.根据权利要求1所述的一种风机盘管***的热能输入控制方法，其特征在于，通过电气模型计算每个风机盘管单元的水流量的过程如下：
APp＝APh+APf
式中：ΔPj是平行分支的总压降，包括通过FCU的压降和相关垂直供应和返回管道的压降，ΔPk+1＝ΔPo是整个***的整体压降,Qw，i是每个风机盘管的水的质量流量。
5.根据权利要求1所述的一种风机盘管***的热能输入控制方法，其特征在于，动力学方程的建立过程如下：根据风阀的运行速度以及随风阀的运行速度而变化的风机盘管内的空气质量流量变化，通过风机盘管内的空气的质量、比热容以及温度和水的质量、比热容以及温度得到风机盘管的动力学方程。
6.根据权利要求1所述的一种风机盘管***的热能输入控制方法，其特征在于，引入每个风机盘管单元的风阀速度的传热系数函数，通过动力学方程和传热系数函数建立风机盘管的热力学模型，需要考虑进入风机盘管的空气温度与区域温度之间的温度差。
7.根据权利要求1所述的一种风机盘管***的热能输入控制方法，其特征在于，求解风机盘管单元的水力模型的具体过程如下：根据制造商目录获取单个风机盘管管段直径和长度数据以及风机盘管***的压降特性，并以单个风机盘管管段直径和长度数据以及风机盘管***的压降特性优化电气模型，得到每个风机盘管单元的最优介质流量。
8.根据权利要求7所述的一种风机盘管***的热能输入控制方法，其特征在于，若风机盘管***入口的压降发生变化，则通过重新测量风机盘管***的介质流量。
9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至8所述的方法中的任一方法。
10.一种计算设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至8所述的方法中的任一方法的指令。
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