專利名稱：一種基于模型降階技術(shù)的建筑室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于模型降階技術(shù)的建筑室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化方法，屬于建筑環(huán)境與建筑節(jié)能領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著人們對(duì)居住品質(zhì)和建筑節(jié)能要求的不斷提高，如何協(xié)調(diào)和優(yōu)化建筑室內(nèi)環(huán)境舒適度與空調(diào)能耗越來(lái)越受到關(guān)注。目前眾多學(xué)者已提出多種系統(tǒng)級(jí)的多目標(biāo)優(yōu)化控制策略。優(yōu)化算法從早期的依賴梯度的尋優(yōu)方法發(fā)展到目前廣泛運(yùn)用的各類智能優(yōu)化算法(如進(jìn)化規(guī)劃、遺傳算法等)，優(yōu)化參數(shù)則涵蓋了室內(nèi)環(huán)境的各方面，包括熱舒適度、空氣質(zhì)量以及空調(diào)能耗等。在環(huán)境優(yōu)化控制策略中，如何針對(duì)候選控制變量快速準(zhǔn)確地解算環(huán)境響應(yīng)是一個(gè)核心問(wèn)題。由于現(xiàn)成的建筑室內(nèi)環(huán)境模型很難同時(shí)滿足優(yōu)化的實(shí)時(shí)性和精確度要求，目前通常的做法是假設(shè)室內(nèi)空氣完全混合，即忽略空間分布對(duì)環(huán)境參數(shù)的影響，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突虬霗C(jī)理模型的方法求解環(huán)境響應(yīng)。而實(shí)際上，對(duì)于大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)，特別像置換通風(fēng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)在空間上有較大差異。忽略這種差異會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化效果與室內(nèi)各區(qū)域人員的實(shí)際感受不符，引起各種舒適度抱怨。目前國(guó)際上這方面研究很有限。原因是室內(nèi)多參數(shù)環(huán)境建模復(fù)雜，須借助CFD工具，且很難直接與在線的優(yōu)化控制算法整合。2009年，有文獻(xiàn)提出通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的方法得到CFD模型的簡(jiǎn)化模型，用于環(huán)境優(yōu)化策略中參數(shù)指標(biāo)的快速求解。此方法通過(guò)CFD仿真得到足夠多的輸入/輸出數(shù)據(jù)。通過(guò)這些數(shù)據(jù)對(duì)的訓(xùn)練和測(cè)試建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境指標(biāo)替代模型。在優(yōu)化算法的每次迭代中利用替代模型快速求解目標(biāo)函數(shù)，減少優(yōu)化算法的復(fù)雜度，提高實(shí)時(shí)性。此方法考慮了環(huán)境參數(shù)的空間分布影響，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型本質(zhì)上是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，只能?duì)指定的環(huán)境指標(biāo)作建模。當(dāng)性能指標(biāo)有變化，或關(guān)注的室內(nèi)用戶區(qū)域改變，則須重新建模，應(yīng)變能力較差。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有建筑室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化方法所存在的上述缺陷，本發(fā)明提供一種基于模型降階技術(shù)的建筑室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化方法。其特點(diǎn)在于通過(guò)構(gòu)造低階的環(huán)境參數(shù)變化子空間，將相關(guān)的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)模型直接嵌入尋優(yōu)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)環(huán)境響應(yīng)的精確、快速解算?；诒菊髡环纸?POD)的模型降階方法本質(zhì)上是一種映射方法。它將原空間內(nèi)的控制方程映射到某個(gè)正交子空間內(nèi)，且保證能量意義上映射誤差最小。典型的CFD模型通過(guò)POD降階方法可轉(zhuǎn)換為關(guān)于POD模式系數(shù)的低階模型，能同時(shí)滿足建模精度與實(shí)時(shí)性要求，適合優(yōu)化策略中環(huán)境響應(yīng)的快速解算任務(wù)。本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種基于模型降階技術(shù)的建筑室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化方法，包括如下步驟
(1)建立基于CFD的室內(nèi)環(huán)境模型；
(2)根據(jù)控制變量可能的變化范圍，等間距選擇控制變量數(shù)據(jù)點(diǎn)，作相應(yīng)的CFD穩(wěn)態(tài)仿真；WCFD仿真結(jié)果中提取環(huán)境參數(shù)分布，構(gòu)造參數(shù)變化空間；提取的參數(shù)類型包括室內(nèi)溫 度、風(fēng)速、污染物濃度及熱舒適度指標(biāo)；
(3)利用P0D模型降階技術(shù)重構(gòu)出步驟(2)所得參數(shù)變化空間的低階子空間；
(4)選擇室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)及能耗指標(biāo)，用于評(píng)估室內(nèi)環(huán)境及空調(diào)能耗；
(5)設(shè)置目標(biāo)函數(shù)，利用優(yōu)化算法對(duì)控制變量進(jìn)行迭代優(yōu)化。在每次優(yōu)化迭代過(guò)程中， 通過(guò)在參數(shù)子空間內(nèi)的多維插值快速得到系統(tǒng)響應(yīng)，進(jìn)而快速求解目標(biāo)函數(shù)。所述步驟(1)中，CFD仿真使用Airpak計(jì)算流體力學(xué)軟件；室內(nèi)環(huán)境模型為三維 模型；室內(nèi)環(huán)境模型的建立步驟如下
A、利用Airpak軟件建立房間圍護(hù)的幾何模型；確定空調(diào)送風(fēng)口和回風(fēng)口的位置與尺 寸；確定房間內(nèi)主要陳設(shè)的位置與尺寸；
B、對(duì)建立的房間模型劃分網(wǎng)格；
C、利用Fluent求解器耦合求取質(zhì)量、動(dòng)量、能量及污染物濃度方程的穩(wěn)態(tài)解。所述步驟(2)中，控制變量包括空調(diào)送風(fēng)口溫度和風(fēng)速；控制變量的選擇間隔為 送風(fēng)口溫度0. 1攝氏度，送風(fēng)口風(fēng)速0. 1米/秒；對(duì)每一組控制變量利用步驟(1)所述的室 內(nèi)環(huán)境模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真；通過(guò)Airpak軟件的導(dǎo)出功能提取每一組控制變量對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài) 參數(shù)分布，組成各類參數(shù)的變化空間。所述步驟(3)中，P0D模型降階的基本思想為在n維向量空間H中有一組數(shù)據(jù)集， 找到其一組m維子集構(gòu)成S子空間(m〈n)，使原數(shù)據(jù)集映射到子集的誤差在能量意義上最 小。P0D模型降階的基本步驟如下
A、利用各參數(shù)變化空間組成矩陣
權(quán)利要求
1.一種基于模型降階技術(shù)的建筑室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化方法，具體包括如下步驟(1)建立基于CFD的室內(nèi)環(huán)境模型；(2)根據(jù)控制變量可能的變化范圍，等間距選擇控制變量數(shù)據(jù)點(diǎn)，作相應(yīng)的CFD穩(wěn)態(tài)仿真；從CFD仿真結(jié)果中提取環(huán)境參數(shù)分布，構(gòu)造參數(shù)變化空間；(3)利用POD模型降階技術(shù)重構(gòu)出步驟(2)所得參數(shù)變化空間的低階子空間；(4)選擇室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)及能耗指標(biāo)，用于評(píng)估室內(nèi)環(huán)境及空調(diào)能耗；(5)設(shè)置目標(biāo)函數(shù)，利用優(yōu)化算法對(duì)控制變量進(jìn)行迭代優(yōu)化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模型降階技術(shù)的建筑室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟(I)中，CFD仿真使用Airpak計(jì)算流體力學(xué)軟件；室內(nèi)環(huán)境模型為三維模型; 室內(nèi)環(huán)境模型的建立步驟如下(1)利用Airpak軟件建立房間圍護(hù)的幾何模型；確定空調(diào)送風(fēng)口和回風(fēng)口的位置與尺寸；確定房間內(nèi)主要陳設(shè)的位置與尺寸；(2)對(duì)建立的房間模型劃分網(wǎng)格；(3)利用Fluent求解器耦合求取質(zhì)量、動(dòng)量、能量及污染物濃度方程的穩(wěn)態(tài)解。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模型降階技術(shù)的建筑室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟(2)中，控制變量包括空調(diào)送風(fēng)口溫度和風(fēng)速；控制變量的選擇間隔為送風(fēng)口溫度O.1攝氏度，送風(fēng)口風(fēng)速O.1米/秒；對(duì)每一組控制變量利用步驟(I)所述的室內(nèi)環(huán)境模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真；通過(guò)Airpak軟件的導(dǎo)出功能提取每一組控制變量對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)分布，組成各類參數(shù)的變化空間；提取的所述環(huán)境參數(shù)類型包括室內(nèi)溫度、風(fēng)速、污染物濃度及熱舒適度指標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模型降階技術(shù)的建筑室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟(3)中，POD模型降階的基本步驟如下(1)利用各參數(shù)變化空間組成矩陣
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模型降階技術(shù)的建筑室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟(4)中，室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)包括熱舒適度指標(biāo)及室內(nèi)空氣質(zhì)量指標(biāo)，能耗指標(biāo)指空調(diào)能耗指標(biāo)，其中熱舒適度指標(biāo)采用預(yù)測(cè)平均投票指標(biāo)PMV ；室內(nèi)空氣質(zhì)量指標(biāo)采用通風(fēng)效力指標(biāo)Ey
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模型降階技術(shù)的建筑室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟(5)中，目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于模型降階技術(shù)的建筑室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化方法，包括三個(gè)主要步驟1)利用CFD軟件對(duì)室內(nèi)環(huán)境作穩(wěn)態(tài)仿真，并構(gòu)造各類環(huán)境參數(shù)的變化空間；2)通過(guò)POD技術(shù)重構(gòu)低階的參數(shù)變化子空間；3)運(yùn)用遺傳算法搜索最優(yōu)的空調(diào)送風(fēng)溫度和速度。本發(fā)明運(yùn)用POD技術(shù)構(gòu)造室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化子空間，從而在優(yōu)化策略中能充分考慮空間分布對(duì)環(huán)境參數(shù)的影響，提高了優(yōu)化的精確性。本征正交分解(POD)的模型降階方法，將原空間內(nèi)的控制方程映射到某個(gè)正交子空間內(nèi)，且保證能量意義上映射誤差最小。相對(duì)目前的環(huán)境優(yōu)化策略，本發(fā)明具有優(yōu)化精度高，速度快等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103049612SQ201210564269
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者李康吉, 薛文平 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)