一种室外环境与室内温湿度动态交互的多区域建筑冷负荷计算模型的建立方法

本发明属于建筑冷负荷计算模型建立，具体涉及一种室外环境与室内温湿度动态交互的多区域建筑冷负荷计算模型的建立方法。

背景技术：

1、hvac系统是现代建筑中广泛使用的系统之一，占建筑物能耗的60％。如何在确保居住者热舒适的情况下，提高hvac系统的能效对建筑节能意义重大。而且计算hvac系统的能耗是hvac系统进行节能优化控制研究的基础。因此，建立一个能准确计算多区域建筑冷负荷的数学模型是非常有意义的。

2、目前针对空调冷负荷的计算，主要是根据相关的规范，如ashrae，按照其中所提供的参数进行计算。这种计算方式的结果无法体现室内实时的冷负荷变化情况，因此只能用于空调系统的设计阶段。而实际情况下，由于建筑内部环境的复杂性，使得对实际冷负荷的计算变得十分困难。目前已发布的有关冷负荷计算的发明专利，如苗宇峰等针对大空间建筑通过将大空间划分为空调区和非空调区，最终得到更为精确的逐时冷负荷计算结果。这种方式的计算结果仍然是逐时冷负荷，无法体现冷负荷的瞬时变化情况。闫秀英等通过将时间变量加入冷负荷系数法，结合遗传算法得到了新的冷负荷计算模型。该模型能够计算两个时刻之间冷负荷最大值。该方法虽然缩短了计算间隔，但用冷负荷系数法得到的计算模型并没有完全考虑多区域房间内的环境变化情况。目前仍然缺少考虑室内实际环境的空调冷负荷计算模型。同时，目前对冷负荷的计算大多为逐时冷负荷，计算结果难以为空调系统的控制及能耗预测提供实际数据。本发明使用了电阻-电容(rc)网络方法来表示建筑围护结构，这种方法在很多领域已有不少应用，而在空调领域，如雷蕾等利用rc网络方法将建筑围护结构划分为两层结构，建立了多区域建筑房间温湿度的数学模型，结果表明该数学模型能准确计算多区域建筑中房间的温湿度。本发明在此基础上将rc网络用于多区域建筑冷负荷的计算，在充分考虑室内外环境变化的情况下，建立一个能实时计算多区域冷负荷的数学模型。

技术实现思路

1、本发明所解决的技术问题是提供一种室外环境与室内温湿度动态交互的多区域建筑冷负荷计算模型的建立方法，为冷负荷的控制模型开发设计提供理论依据。本发明根据大量试验数据，通过将实际温度加入冷负荷计算中，并考虑室内温湿度变化情况，得到了一种满足研究和工程要求的数学模型。经过多次计算检验，该数学模型能准确计算多区域建筑中房间的温湿度。

2、为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种室外环境与室内温湿度动态交互的多区域建筑冷负荷计算模型的建立方法，建模过程包括以下步骤：

4、步骤一：将空调房间划分为送风区、工作区、回风区；

5、步骤二：建立围护结构冷负荷计算方程；

6、步骤三：建立新风冷负荷计算方程；

7、步骤四：建立人体，照明，设备引起的冷负荷计算方程；

8、步骤五：将建筑围护结构采用双节点结构；

9、步骤六：建立建筑围护结构各节点和内外表面的能量平衡方程；

10、步骤七：建立送风区、工作区、回风区的能量平衡方程和湿度平衡方程；

11、步骤八：对步骤六和步骤七的公式进行化简；

12、步骤九：建立由于温湿度波动引起的附加冷负荷计算方程；

13、步骤十：将单房间数学模型扩展到整个建筑的多区域数学模型。

14、进一步地，步骤二中通过引入三个区域的温度得到外墙冷负荷计算方程：

15、

16、其中，λwa表示墙体的导热系数，w/(m·℃)；δwa表示墙体的厚度，m；tins表示送风区的空气温度，℃；tinw表示工作区的空气温度，℃；tinr表示回风区的空气温度，℃；awa表示墙体的面积，m2；awa,s表示墙体与送风区的接触面积，m2；awa,w表示墙体与工作区的接触面积，m2；awa,r表示墙体与回风区的接触面积，m2；kwa,out表示墙外表面的传热系数，w/m2；kwa,in表示墙内表面的传热系数，w/m2。

17、进一步地，步骤二中通过引入三个区域的温度得到内墙冷负荷计算方程：

18、

19、其中，λnq,i表示第i个相邻房间内围护结构的导热系数，w/(m·℃)；δnq,i表示第i个相邻房间内围护结构的厚度，m；anq,i表示第i个相邻房间内围护结构的面积，m2；tnq,i,out表示第i个相邻房间内围护结构外表面的温度，℃；knq,i,out表示第i个相邻房间内围护结构外表面的换热系数，w/(m2·℃)；knq,i,in表示第i个相邻房间内围护结构内表面的换热系数，w/(m2·℃)；anq,i,s表示第i个相邻房间内围护结构与送风区的接触面积，m2；anq,i,w表示第i个相邻房间内围护结构与工作区的接触面积，m2；anq,i,r表示第i个相邻房间内围护结构与回风区的接触面积，m2。

20、进一步地，步骤三中通过分析新风处理过程得到新风冷负荷计算方程：

21、qx＝gx(hw-hs)＝gx(hw-catsa1-β2msa)

22、β2＝2.5×106+cawtin

23、其中，qx为夏季新风冷负荷，kw；gx为新风量，kg/s；hw为室外空气的焓值，kj/kg；hs为送风室内空气的焓值，kj/kg；caw表示水蒸气的平均定压比热，caw＝1840j/(kg℃)。

24、进一步地，步骤四中通过采集实际情况下室内热源参数建立人体，照明，设备引起的冷负荷计算方程：

25、

26、其中，qr表示由人体散热形成的冷负荷，w；n表示房间内的人数；g表示每个人的平均散热量，w；φ表示群集系数；qzs表示由室内设备和照明形成的冷负荷，w；μ1表示同时使用系数；μ2表示整流器的散热系数；μ3表示安装系数；nil表示灯具安装功率，w；η1表示电机容量的利用系数；η2表示电动机负荷系数；η3表示同时使用系数；η表示电动机效率；neq表示电动机的安装功率，w。

27、进一步地，步骤五中通过在建筑围护结构中引入双节点系统，每个结构层级的热容量和热阻与其对应的结构质点的热容和热阻相匹配，其中，符号c代表整个建筑围护结构的热容，符号代表其热阻，具体到结构的分布，建筑围护结构的外表面到第二节点的距离占墙体总厚度的1/4，内部的两个节点之间的距离占总墙厚的1/2，而从第一个节点到内表面的距离同样是墙厚的1/4。

28、进一步地，步骤六中通过分析和描述分别得到墙体内表面、第二节点、第一节点和外表面的能量平衡方程：

29、

30、

31、

32、

33、其中，λwa代表墙体的热导率，单位为w/(m·℃)；δwa为墙体的厚度，单位为m；ρwa为墙体的密度，单位为kg/m3；cwa为墙体的比热容，单位为j/(kg·℃)；awa为墙体的表面积，单位为m2；twa,out为墙体外表面温度，单位为℃；twa1为墙体内第一个节点的温度，单位为℃；twa2为墙体内第二个节点的温度，单位为℃；twa,in为墙体内表面温度，单位为℃；tout为室外气温，单位为℃；tinr为房间内的回风温度，单位为℃；kwa,out为墙体外表面的换热系数，单位为w/(m2·℃)；kwa,in为墙体内表面的换热系数，单位为w/(m2·℃)；etwa,sunfu代表墙体外表面吸收的太阳辐射能，单位为kj；etwa,sunen代表墙体内表面吸收的太阳辐射能，单位为kj；etwa,inner代表室内热源通过辐射传到墙体内表面的能量，单位为kj。

34、进一步地，步骤七中通过仔细分析，分别建立了送风区、工作区和回风区的能量平衡方程：

35、

36、

37、

38、其中，vins、vinr和vinw分别表示送风区、回风区和工作区的体积，单位为m3；ρa指的是空气的密度，单位为kg/m3；ca为空气的比热容，单位为j/(kg·℃)；tsa1为送风的温度，单位为℃；tins为送风区内的空气温度，单位为℃；在工作区，tinw代表该区域的空气温度，单位为℃；twa,in和tfl,in分别指墙体和地板及天花板内表面的温度，单位为℃；kwa,in和kfl,in分别代表墙体内表面和地板及天花板内表面的换热系数，单位为w/(m2·℃)；awa,s和awa,w分别是墙体与送风区以及工作区的接触面积，单位为m2；afl,w为地板和天花板与工作区的接触面积，单位为m2；窗户和门的面积分别由awin和adoor表示，单位为m2；gsa1和gsa,sw分别是送风区的空气质量流量及送风区向工作区输送的空气质量流量，单位为kg/s；gsa,wr是从工作区向回风区输送的空气质量流量，单位为kg/s；换气次数由r表示；房间某朝向上的门窗缝隙长度由l表示，单位为m；每米门窗缝隙的基准渗风量由l表示，单位为m3/(h·m)；m为门窗缝隙的渗风量综合修正系；cp代表干空气的定压比热，单位为kj/(kg·℃)；v为渗透空气的体积流量，单位为m3/h；、awa,r和afl,r分别表示墙体与回风区的接触面积以及地板和天花板与回风区的接触面积，单位为m3和m2；gsa2是送风区的空气质量流量，单位为kg/s。

39、进一步地，步骤七中过仔细分析，分别建立了送风区、工作区、回风区的湿度平衡方程：

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41、

42、

43、其中，mins用来表明送风区的空气湿度，单位为g/(kg dry air))；minw用于描述工作区的空气湿度，单位以g/(kg dry air))计量；madj,i代表相邻房间内的空气湿度，单位亦为g/(kg dry air))；msa指送风的湿度，以g/(kg dry air))为单位；mr表示每人每小时的增湿量，单位为g/h。

44、进一步地，步骤十中所述的多区域建筑数学模型为：

45、

46、其中，qzong表示多区域建筑总冷负荷，w；wi表示第i个房间冷负荷计算值，i＝1,2,3,…,z；ai表示第i个房间温湿度参数系数矩阵，i＝1,2,3,…,z；bi表示第i个房间环境参数系数矩阵，i＝1,2,3,…,z；ci表示第i个房间室内扰动量系数矩阵，i＝1,2,3,…,z；xi表示第i个房间温湿度参数组成的矩阵，i＝1,2,3,…,z；yi表示第i个房间环境参数组成的矩阵，i＝1,2,3,…,z；zi表示第i个室内扰动量组成的矩阵，i＝1,2,3,…,z。

47、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

48、(1)本发明涉及一种室外环境与室内温湿度动态交互的多区域建筑冷负荷计算模型的建立方法。目前常用的空调冷负荷计算方法是根据相关的规范和相关的经验公式。这种方式的计算结果无法体现实际情况下室内冷负荷的实时变化情况。考虑到实际情况下建筑内部的环境会不断发生变化，本发明将实际环境参数加入到冷负荷计算方程中，同时通过考虑室内温湿度变化情况使冷负荷计算结果更加准确。本发明解决的技术问题是提供一种室外环境与室内温湿度动态交互的多区域建筑冷负荷计算模型的建立方法，为空调末端的控制模型开发设计提供理论依据。本发明在考虑空调系统运行和室内外环境的情况下，通过对不同区域进行能量平衡分析和湿度平衡分析，得到了一种满足研究和工程要求的数学模型。经过多次计算检验，该数学模型能准确计算多区域建筑空调冷负荷。

49、(2)本发明将建筑围护结构的热传导转换为一维来计算围护结构冷负荷，并且将室内热源引起的冷负荷的采集误差考虑到室内温湿度的变化中，得出的多区域建筑空题冷负荷计算模型能够准确计算出较短时间间隔内的空题冷负荷。填补了目前尚无分析和描述多区域建筑冷负荷数学模型的以及能够计算短时间间隔内冷负荷的数学模型的空白，为准确计算hvac系统能耗和hvac系统节能优化控制提供了一种新的思路。