一种空气载能系统及其动态控制方法

本发明属于温度控制，具体涉及一种空气载能系统及其动态控制方法。

背景技术：

1、舒适的室内热环境对人体的身心和高效工作十分重要，有节能潜力的辐射系统可在提高舒适性的同时降低建筑能耗。以空气作为传热介质的辐射系统的动态热特性，受循环储能层、换热面特性等物理参数的影响，具有非线性、惯性和滞后等特性。对于空气载能系统而言，快速预测制热和制冷系统启动过程的响应时间和热性能对控制和优化系统至关重要。对于温度控制传统pid控制无法感知室内环境未来的温度变化，且控制精度低、控制波动性大。目前，空调系统的预测和控制方法有线性回归、人工神经网络、支持向量机、cfd瞬态模拟等方法，其中，线性回归方法无法适用空气载能系统非线性变化的特点；大数据机器学习等方法需大量的数据进行训练，不同的空气载能系统方案都需大量不同的数据来保证模型的准确性，此方法受缺失数据影响较大；cfd稳态数值模拟方法可以基于热物理特点进行方案优化，但瞬态cfd方法所需的计算资源较大。对于现有空调系统的预测和控制技术存在的上述问题的解决，已有相关文献进行了研究报道：如公开号为cn115930376a的一种空调控制算法评估方法、装置、设备及存储介质，根据当前周期累计的性能指标，得到当前周期各备选控制算法的评估结果，能够解决现有空调控制算法评估结果不准确的问题，提升空调控制算法评估结果准确性。但该方法受到预设模型参数的准确性的影响，没有考虑空调系统热物理特性，缺乏对方案控制优化的灵活性。又如公开号为cn110986304a的一种空调启动控制方法、控制装置及空调系统，通过控制空调自动提前开启，可使室内环境在用户到家之前即进行改变，使用户到家即可享受舒适的室内环境温度，且控制空调在预设时间段进入自动运行模式，使空调的控制更加有针对性，有利于避免空调全天处于待机状态，还可起到节能作用。但该方法无法预测为达到目标环境温度和空调需提前启动的时长，更换空调系统方案后无法准确进行控制。以及如公开号为cn112524751a的一种动态空调系统能耗预测模型构建、预测方法及装置，通过建立改进粒子群优化bp神经网络对动态空调系统能耗进行逐时的预测，提高了能耗预测的准确性，从而有利于对空调系统的节能与优化控制；通过建立了动态能耗控制模型，实现室内热环境有效跟随室外温度的动态变化趋势。但该方法需采集的初始数据较多，方法的准确性需大量数据进行模型训练，没有考虑空调系统的热物理特性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种空气载能系统及其动态控制方法，为准确表征空气载能系统的非线性动态启动特点的同时，避免预测模型需大量训练数据和大量计算资源的缺点，达到快速准确的预测室内环境和换热面随时间的变化趋势的目的。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案之一是：一种空气载能系统，包括设置在人员使用区域的空调系统，所述的空调系统包括出风口、回风口、换热面、风量控制单元、温度控制单元以及对流换热结构，所述出风口中心设置第一温度检测单元、第一风量检测单元，所述回风口中心设置第二温度检测单元，所述换热面中心设置第三温度检测单元，所述第三温度检测单元附近设置热流密度检测单元，所述人员使用区域包括室内回风口、新风口、排风口以及窗，所述新风口设置在房间上侧，排风口设置在房间下侧，新风口、排风口与室内回风口设置在非同一面墙上，所述室内回风口中心设置第四温度检测单元。

3、在一种可行的实现方式中，所述空气载能系统还包括循环储能区域，为换热面到被对流换热结构加热/冷却后吹出的空气分布区域，用于储存对流换热结构加热或冷却的空气。

4、在一种可行的实现方式中，所述循环储能区域的高度为0.15-0.5m。

5、在一种可行的实现方式中，所述换热面采用金属多孔板或轻质材料平板，换热面大小和位置为室内顶部、侧墙、底部、窗户的一整面墙/窗、局部面积中的一种或多种组合。

6、在一种可行的实现方式中，所述换热面大小和位置为与人员使用区垂直映射区域对应的面积及位置。

7、在一种可行的实现方式中，所述对流换热结构为风机盘管或空调内机。

8、在一种可行的实现方式中，所述空气载能系统还包括设置在人员使用区域人体坐姿高度处中心位置的温度检测单元。

9、在一种可行的实现方式中，所述回风口为两个，分别设置房间的上下侧。

10、本发明所采用的技术方案之二是：上述空气载能系统的动态控制方法，包括以下步骤：s1，通过各检测单元获取空气载能系统的物理参数；s2，计算空气载能系统的等效物理特性；s3，收集初始环境参数值；s4，预测系统启动响应时间；s5，根据室内平均温度随时间的变化来控制系统启停过程，包括系统启动到换热面温度开始变化的时间、换热面温度开始变化到室内温度开始变化的快速响应时间，根据换热面温度、换热平衡时室内温度随时间的变化得到总响应时间即为控制时间。

11、在一种可行的实现方式中，s1中物理参数包括人员使用区域面积，记为a，单位m2；测定室内回风口中心温度，记为tr，单位℃；从辐射表面传递到室内的热流密度，记为q，单位w/m2；送风量lp，单位为m3，送风温度记为tin(℃)，循环储能区域的回风温度tr’(℃)；ρp是空气密度,kg/m3；cp是空气的比热容, kj/(kg·℃)；换热面密度ρ(kg/m3); 换热面比热容c(kj/kg·℃); 换热面厚度h(m);送回风平均温度tɑ(℃)；对流辐射热交换系数h(w/m2·℃)。

12、在一种可行的实现方式中，s2中等效物理特性包括等效热阻，记为rl，循环储能层的蓄能，记为qstored，等效空气载能热容c，换热面材料的热容c1，空气载能循环储能区域的热容c2，计算公式分别为：

13、；

14、；

15、；

16、；

17、c1为换热面材料的热容，kj/(m2·℃);由c1引起的传热延迟时间为t1，定义为传热表面的延迟时间。c2为空气载能循环储能层的热容，kj/(m2·℃)。受c2影响的传热延迟时间为t2，定义为换热面快速响应时间。

18、在一种可行的实现方式中，s3中初始环境参数包括换热表面初始温度ti(℃)，室内初始温度tri(℃)。

19、在一种可行的实现方式中，s4中获得达到目标温度的响应时间τ；换热面延迟响应时间t1；实时调整的快速响应时间t2；换热面达到平衡温度te的总响应时间ttotal，计算公式分别为：

20、t1=c1/(h+1/rl)；

21、t2=c2/(h+1/rl)；

22、ttotal=-ln{1-[(te-ti±0.2)/(te-ti)]}/[(h+1/rl)/c2]-c1/(h+1/rl)；

23、在一种可行的实现方式中，s5中启停控制具体为：获得换热面温度ts跟随时间τ的动态变化，记为 ；对应室内平均温度tr跟随时间τ的动态变化，记为。

24、换热面的温度ts随系统启动时间变化的预测公式为：

25、；

26、室内平均温度与换热面温度的关系分别由下列公式定义：

27、；

28、；

29、、、b1、b2、c为常数，、分别为动态启动时间在t1-t2阶段时的参数,b1，b2分别为动态启动时间在大于t2阶段时的参数。

30、在一种可行的实现方式中，d2=1.1m时，c为0.5，天花板制冷参数、、b1和 b2分别为0.0345，0.938，2.7351，0.7968，制热参数为0.1815，0.315，11.5，0.691。

31、在一种可行的实现方式中，人员使用区为空调有效工作区，区域范围为从人体脚踝处（记为d1）到头顶高度（记为d3）区域高度，距离墙体（记为d4）距离的区域面积，并将人体坐姿高度处（记为d2）的中心温度定义为室内平均温度。

32、在一种可行的实现方式中，d1=0.1m，d2=08-1.4m，d3=1.8m，d4=0.5m。

33、本发明的有益效果：本发明基于便于测量的热物理参数，通过定义等效的热特性参数，结合能量平衡方法，对系统换热面的启动响应过程进行简化。通过对换热面温度和系统响应时间的快速预测，对系统启动后的室内温度进行启停控制。

34、该动态控制方法无需大量的基础数据进行模型训练预测，基于系统的热物理参数，即可实现对空气载能系统的启动响应时间和换热面温度的预测，从而对室内平均温度进行控制。基于热物理参数的启动动态控制，实现对动态空气载能系统的响应时间和温度进行快速的逐时预测，实现控制室内热环境和换热表面温度有效跟随时间的动态变化趋势，提高了控制的准确性，有利于对空调系统的节能与优化。