基于傳熱機(jī)理的實(shí)時冷負(fù)荷預(yù)測

金碧瑤，李占培，劉廷章，張修紅，閆 斌，張穎婍

（上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海市電站自動化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072）

基于傳熱機(jī)理的實(shí)時冷負(fù)荷預(yù)測

金碧瑤，李占培，劉廷章，張修紅，閆 斌，張穎婍

（上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海市電站自動化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072）

針對現(xiàn)有冷負(fù)荷預(yù)測方法不能有效解決動態(tài)實(shí)時性的問題，提出一種基于傳熱機(jī)理的實(shí)時冷負(fù)荷預(yù)測方法。根據(jù)諧波反應(yīng)法建立針對室外氣象因子的實(shí)時冷負(fù)荷預(yù)測簡化模型，用最小二乘法辨識模型參數(shù)，從而降低計算量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該模型能較好地反映室外氣象因子的實(shí)時動態(tài)性，具有較高準(zhǔn)確度。

冷負(fù)荷預(yù)測；動態(tài)實(shí)時性；室外氣象因子；模型

0 引 言

能耗的迅速增加是造成我國電力供應(yīng)緊張的一個重要因素?？照{(diào)的能耗約占建筑能耗的40%～55%[1]，可見空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能是建筑節(jié)能的重點(diǎn)之一。準(zhǔn)確計算空調(diào)的實(shí)時負(fù)荷有助于調(diào)整空調(diào)的實(shí)際運(yùn)行，同時盡可能地減少能源消耗。

空調(diào)冷負(fù)荷[2-3]形成過程中，室內(nèi)熱量的產(chǎn)生遵循一定散熱規(guī)律，可通過簡化的工程方法進(jìn)行計算。而室外環(huán)境對房間冷負(fù)荷形成的影響有圍護(hù)結(jié)構(gòu)、窗戶傳熱兩個方面。室外環(huán)境包括室外溫度、室外空氣濕度、太陽輻射、室外風(fēng)速等，這些因素具有不確定的變化規(guī)律，是研究冷負(fù)荷計算的難點(diǎn)?，F(xiàn)有的空調(diào)負(fù)荷計算方法[4-8]可以分為兩類：面向空調(diào)工程設(shè)計的負(fù)荷計算和面向空調(diào)運(yùn)行的負(fù)荷預(yù)測。前者準(zhǔn)確性較高，但計算量大；后者建模時間較長，模型建立后可以實(shí)時快速地計算，但無法涵蓋室內(nèi)外動態(tài)變化的因素。

本文提出一種針對室外氣象因子的基于傳熱機(jī)理的實(shí)時冷負(fù)荷預(yù)測方法。該方法融合了兩類方法的優(yōu)點(diǎn)，能有效地解決動態(tài)實(shí)時性問題，同時具有較好的準(zhǔn)確性。

1 冷負(fù)荷模型的建立

在不考慮內(nèi)擾的情況下，基于傳熱機(jī)理的冷負(fù)荷形成過程如圖1所示。房間冷負(fù)荷主要由通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)得到的冷負(fù)荷（CLQ1）和經(jīng)窗戶得熱形成的冷負(fù)荷（CLQ2）組成。因此，某時刻的冷負(fù)荷為

圖1 建模總體方案

1.1 通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量形成冷負(fù)荷

圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要是指墻體、屋頂?shù)?。在諧波反應(yīng)法[9-10]中，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成的冷負(fù)荷由對流熱成分和輻射熱成分組成。只考慮傅里葉的低階級數(shù)時，某時刻通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量形成冷負(fù)荷CLQ1為

式中：K——圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

F——墻體或屋頂?shù)拿娣e，m2；

tN——室內(nèi)空氣溫度，℃；

βd——對流成分占總得熱量的比例；

βf——輻射成分占總得熱量的比例；

αN——圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面放熱系數(shù)，W/（m2·K）；

ΔtZ·1——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一階外擾；

ν1——圍護(hù)結(jié)構(gòu)對一階綜合溫度擾量的衰減度；

μ1——房間對一階墻體或屋頂傳導(dǎo)得熱中輻射擾量的衰減度。

室外空氣綜合溫度tz受室外空氣溫度tW和太陽總輻射I的影響而室外空氣綜合溫度是以24h為周期的，因此其平均值以24h為單位取平均。將式（2）中的室外平均溫度用室外空氣溫度和太陽總輻射來表示并簡化可得：

式中：ρ——圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對太陽輻射熱的吸收系數(shù)；

αW——圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面的總放熱系數(shù)，W/（m2·K）；

外空氣溫度和總輻射，單位分別為℃，W/m2。

1.2 通過窗戶得熱量形成冷負(fù)荷

通過窗戶得熱量形成的冷負(fù)荷包括瞬變傳導(dǎo)形成的冷負(fù)荷（CLQA）和日射形成的冷負(fù)荷（CLQB）即：

某時刻瞬變傳導(dǎo)形成的冷負(fù)荷為

式中A1為一階室外空氣溫度的波幅，℃。

相應(yīng)的日射形成的冷負(fù)荷為

式中：Cs——窗玻璃的遮陽系數(shù)；

C1——窗內(nèi)遮陽設(shè)施的遮陽系數(shù)；

B1——一階日射得熱因數(shù)諧波的波幅。

日射得熱取決于很多因素，從太陽輻射方面來說，輻射強(qiáng)度和入射角均依緯度、月份、日期、時間的不同而不同。從窗戶本身的結(jié)構(gòu)來說，它隨玻璃的光學(xué)性能，窗戶結(jié)構(gòu)、特性、是否有遮陽裝置等而異。此外，還與內(nèi)外放熱系數(shù)有關(guān)。為了計算方便，這里主要選擇太陽直射輻射強(qiáng)度IC·Z和太陽散射輻射強(qiáng)度IS這兩個因素。因此式（7）和式（8）可表示為

αD——玻璃窗直射吸收率；

αS——玻璃窗散射吸收率。

1.3 房間總的冷負(fù)荷

綜合上述分析，某時刻房間的冷負(fù)荷可以表示為與室外空氣溫度tW、太陽總輻射I、太陽直射輻射強(qiáng)度IC·Z及太陽散射輻射強(qiáng)度IS有關(guān)的關(guān)系式。而太陽的總輻射、散射和直射是存在一定聯(lián)系的，知道其中兩個量，必可推倒出第3個量。因此，將室外氣象因子減為室外空氣溫度、總輻射和散射3個量，可用矩陣表示：

2 模型參數(shù)的辨識

在實(shí)驗(yàn)過程中，由于測量儀器有限，無法實(shí)時采集太陽總輻射、散射等數(shù)值，并且冷負(fù)荷又難以測量，而DeST[11]是一款可以實(shí)現(xiàn)房間冷負(fù)荷模擬的仿真軟件。因此，本文以上海某建筑為原型建立實(shí)際房間的模型，選取特定房間，通過仿真得到7月的冷負(fù)荷數(shù)據(jù)。將DeST中的典型氣象值和仿真得到的冷負(fù)荷數(shù)據(jù)中前25日的逐時值作為模型辨識數(shù)據(jù)，剩余數(shù)據(jù)作為模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

本文采用最小二乘法在Matlab平臺上進(jìn)行辨識。將室外空氣溫度、太陽總輻射、散射以及模擬房間冷負(fù)荷數(shù)據(jù)的24 h樣本序列輸入Matlab程序中進(jìn)行計算。7月份的部分樣本數(shù)據(jù)如表1所示。辨識的結(jié)果為

3 模型驗(yàn)證

由辨識得到的模型參數(shù)結(jié)合7月26日至7月31日的氣象數(shù)據(jù)，可以得到一組計算負(fù)荷，并與DeST的仿真負(fù)荷進(jìn)行比較驗(yàn)證，其結(jié)果如圖2所示。橫軸為時間，每天從0時刻到23時刻反復(fù)進(jìn)行；縱軸為冷負(fù)荷值，單位是kW。藍(lán)色為DeST的仿真負(fù)荷曲線，紅色為利用模型計算得到的冷負(fù)荷曲線。雖然在局部點(diǎn)上，計算負(fù)荷與仿真負(fù)荷存在差距，但二者在總體趨勢上是一致的。

圖2 模型計算結(jié)果與DeST仿真結(jié)果對比

圖3為相對誤差統(tǒng)計圖，模型的計算與仿真結(jié)果的最大相對誤差為0.084%，說明該模型計算結(jié)果在合理的范圍內(nèi)，從而驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

圖4為冷負(fù)荷與氣象因子的趨勢圖。從圖中可以看出，影響冷負(fù)荷的最主要因子是室外空氣溫度，同時也驗(yàn)證了模型能較好地反映室外氣象因子的動態(tài)實(shí)時性。

表1 7月份的部分樣本數(shù)據(jù)

圖3 相對誤差統(tǒng)計

圖4 冷負(fù)荷與氣象因子的趨勢圖

4 結(jié)束語

本文提出的基于傳熱機(jī)理的實(shí)時冷負(fù)荷模型方法能夠在空調(diào)運(yùn)行工況下，進(jìn)行房間冷負(fù)荷計算，為優(yōu)化房間空調(diào)供冷量控制策略提供了理論依據(jù)。進(jìn)一步分析了房間冷負(fù)荷形成的重要影響因素，實(shí)現(xiàn)空調(diào)冷負(fù)荷簡化計算。該模型能有效地解決動態(tài)實(shí)時性問題，同時又保證其準(zhǔn)確度。

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Forecasting of real-time cooling load based on heat transfer mechanism

JIN Biyao，LI Zhanpei，LIU Tingzhang，ZHANG Xiuhong，YAN Bin，ZHANG Yingqi
（Shanghai Key Laboratory of Power Station Automation Technology，School of Mechanical Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai 200072，China）

This paper proposes a methodology in predicting real-time cooling load based on heattransfer mechanism，which solves the problem that the current calculation and prediction on cooling load cannot work out the dynamic real-time performance efficiently.Considering outdoor meteorologicalfactors，the cooling load simplified modelis builtvia harmonic reaction and identified by least square method，which reduces the amount of computation.The result indicates that the model improves dynamic real-time performance of outdoor meteorological factors as well as accuracy.

cooling load forecasting；dynamic real-time；outdoor meteorological factors；model

A

：1674-5124（2015）07-0112-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.07.026

2014-11-12；

：2015-01-16

國家自然科學(xué)基金項目（61273190）

金碧瑤（1989-），女，浙江安吉市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)榭照{(diào)節(jié)能控制。