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论文题目：考虑土壤蓄热的间歇空调最佳启停时间预测

论文编号： lw200711021208317252

编辑： la

论文属性：学术论文

论文国籍：

论文语言：中文

登出日期： 2007-11-02

点击次数：424

论文字数：5959

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摘要：针对浅埋地下工程，分析在考虑土壤蓄热作用下的室内热环境变化，在应用CFD软件的基础上建立围护结构及室内空气的耦合传热模型。并将模拟所得结果进一步用来训练预测空调最佳启停时间的人工神经网络模型。此模型可用于预测出各种复杂的非线性条件下最佳启停时间，以降低能耗，节约能源。

关键词：土壤蓄热间歇空调最佳启停时间 MATLAB

1 引言
大多数地面建筑的空调系统，如商场、写字楼、餐厅等均属间歇运行方式。在许多平战结合的人防工程甚至指挥所同样也存在间歇运行系统。非工作时间空调系统停机后，由于室内外温差及围护结构散热导致室温偏离设定值，在下一段运行前需要提前启动空调系统进行预冷（热），使房间在使用时处于要求的温度范围内。预冷过早会造成能量浪费；预冷过晚又达不到控制所要求的指标。同时空调的制冷机组停机后，其冷却系统中仍有一部分剩余冷量，可以继续利用送风机组将这部分冷量送入房间，从而达到节能目的，如图1所示。从图1中还可以明显看出间歇空调系统运行时间相对房间使用时间存在一定的偏移量。因此需要对这一启停时间进行预测，并保证用最少的能量在使用时间内达到所要求的参数范围。然而，空调系统的预冷（热）启动时间以及提前停机时间是一多输入单输出的带有大滞后环节的非线性对象。其中最佳启动时间取决于启动前室内温度，室外气象条件，建筑结构的热物性及内热源和空调送冷（热）量等；最佳提前停机时间也受空调设备容量及温差，内部照明、办公设备及人员散热等、停机前室内外温度等诸因素影响，因此系统的建模工作相当复杂。

同时应该看到间歇空调如果没有足够的预热（冷）时间，空调中的蓄热负荷是不容忽视的。【1】尤其对各种地下建筑而言，土壤的蓄热作用对启动和停机时间的影响尤为重要。不同热惰性的土壤对室内外温度波及热流波存在不同的延迟和衰减作用。本文主要针对典型地区的浅埋平战结合的人防工程，分别对考虑土壤蓄热作用下的围护结构及室内空气建立热平衡方程，并通过软件模拟出室内温度随时间的变化情况；并在此基础上用MATLAB中的人工神经网络工具箱对启动和停止时间进行智能控制。

2 研究方法

图1 间歇空调运行期间的室内温度典型变化曲线

目前，有关预测最佳启动时间的研究已有静态最优法、简化数学模型法、一元回归分析法、模糊控制等，这些方法各有特点，但由于空调系统的复杂性和受传统算法的限制，预测结果都存在着一定的误差。同时关于最佳停机时间的确定，由于停机过程尚处在房间使用期间，仍需保证空气热舒适性要求，因此在来自内部随机变化的较大扰动下，预测的提前停机时间误差有可能会更大，至今也没有较成功的理论和实例。文献【2】【3】曾就建筑物内HVAC设备的衰减时间用数学公式表示，但是由于强烈的非线性以及建筑负荷响应的不断变化导致结果误差较大。金洪文和韦节廷等在文献【4】中对空调系统间歇运行的时间延迟问题的讨论时，分别对全空气空调系统和风机盘管空调系统进行分析。但在建立室内空气热平衡方程的过程中，由于对围护结构传热存在很大程度上的简化，即采用空调冷负荷估算指标对传热量进行计算，这样的处理方法不能及时有效地反映实际上的强烈非线形复杂变化，因此精度不能得到有效保证。河北工业大学的张雪萍、刘作军对智能楼宇定风量空调系统的启停控制【5】提出采用最优化方法中的非线性规划问题解法，即外点罚函数法。这一方法不但需要系统停止使用前内的工程用电量、平均人员数、室内平均温度和室外平均温度四个因素，同时各系数必须通过采集各种历史数据，并应用统计的方法，经过回归分析运算得出。因此这一方法也不无忧论文【http://www.uklunwen.com】是很适用。

人工神经网络（Artificial Neural Network）具有较强的学习和适应能力，适于那些具有不确定性或高度非线性的对象建模及控制。同时BP算法可以在隐层单元足够多的时候逼近任意非线性映射关系，而且其学习算法属于全局逼近方法，具有较好的泛化能力。本文将用ANN模型来预测考虑土壤蓄热作用下的间歇空调最佳启停时间，并对这一模型进行优化后用于其他各种不同热特性地下建筑间歇空调启停控制，达到节能目的。由于神经网络的学习需要大量正确的实验数据作为训练样本，在本文的研究过程中为了弥补有限实验条件的不足，在做了少量的采样实验基础上采用计算机模拟的方法来获得各种不同条件下的学习样本。因此还需要结合CFD数值模拟软件对浅埋地下工程的围护结构传热情况及其对室温变化的影响进行模拟，并得出考虑土壤蓄热作用下的室温变化情况。之后将各种条件下得出的模拟数据输入到人工神经网络模型中，不断进行训练并进一步优化，为最佳启停时间的预测确定好最优模型。

2.1 考虑围护结构蓄热的室内温度模型

首先需要对室内空气温度变化进行热分析，见图2。由此可以看出室内空气温度是受各围护结构内表面与室内空气的换热，空调送冷量，排风带走的冷量以及室内各种热量扰动因素影响的。这些热量和冷量共同作用于室内空气，在考虑室内空气的综合热容基础上建立其热平衡方程；而在这一方程中围护结构内表面的换热量计算尤为重要，因此还需要以围护结构内表面建立热平衡方程，并考虑围护结构对内扰的蓄热作用和对外扰的阻隔作用对室温变化造成的影响。

CFD数值模拟使用现有的软件PHOENICS 3.4，并做如下假设：

1) 各围护结构内表面之间的辐射不予考虑；

2) 室内综合热源对室温的作用只考虑对流换热，且其间歇过程视工程使用情况进行简化；

3) 围护结构中均不考虑存在内热源；

4) 各围护结构之间不存在冷桥作用；

5) 假定所研究房间室内空气温度为均匀的，在每一时刻保持为一定值；

6) 假定同一天的逐时气象参数在计算过程中连续使用一定天数。

图2 室内空气热分析示意图

考虑单建式浅埋地下工程在较短的一段时期（如某一季节）的室内温度随围护结构特性、空调参数及室外气象参数的变化情况。由于短时期内室外气象参数具有一定的变化规律且可以稳定地近似成为余弦变化，考虑土壤对地表温度波的衰减和延迟后，受地表气温影响的地层温度周期性变化的幅值随地层深度的增加按自然指数的规律减小。因此地层温度随深度和时间变化的关系如下：

（1）

同时考虑简化室内间歇过程，将人员、照明和其他等室内热源综合成一均值表示。根据工作班制，考虑热源在及这两个时间段开启。模型分别针对不同热工特性的围护结构以及间歇工作机制进行模拟，考虑土壤蓄热作用影响下的室内温度分布情况。对于围护结构传热部分，PHOENICS中是将室内空气和围护结构视为整体来求解的，即采用整场求解方法【6】。下图3显示了室内空气温度在试验的两个工作日中随时间变化的情况，图4显示了围护结构内表面在这两个试验工作日中的温度变化情况以及与实测数据的比较。

图3 室内空气温度随时间变化情况（两个工作日）

图4土壤壁面温度随时间的变化曲线（两个工作日）

以上误差分析是针对土壤壁面的温度进行的，原因之一是因为室内气温变化比较突兀，对误差分析不利；同时由于围护结构内表面的温度直接影响到室内辐射平均温度，因此有必要对土壤壁面的温度进行研究。经过误差分析比较得出，程序模拟结果与实测数

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