專利名稱：一種基于模型降階技術的建筑室內環境優化方法
技術領域：
本發明涉及一種基于模型降階技術的建筑室內環境優化方法，屬于建筑環境與建筑節能領域。
背景技術：
隨著人們對居住品質和建筑節能要求的不斷提高，如何協調和優化建筑室內環境舒適度與空調能耗越來越受到關注。目前眾多學者已提出多種系統級的多目標優化控制策略。優化算法從早期的依賴梯度的尋優方法發展到目前廣泛運用的各類智能優化算法(如進化規劃、遺傳算法等)，優化參數則涵蓋了室內環境的各方面，包括熱舒適度、空氣質量以及空調能耗等。在環境優化控制策略中，如何針對候選控制變量快速準確地解算環境響應是一個核心問題。由于現成的建筑室內環境模型很難同時滿足優化的實時性和精確度要求，目前通常的做法是假設室內空氣完全混合，即忽略空間分布對環境參數的影響，采用經驗模型或半機理模型的方法求解環境響應。而實際上，對于大多數空調系統，特別像置換通風系統來說，室內的環境參數在空間上有較大差異。忽略這種差異會導致優化效果與室內各區域人員的實際感受不符，引起各種舒適度抱怨。目前國際上這方面研究很有限。原因是室內多參數環境建模復雜，須借助CFD工具，且很難直接與在線的優化控制算法整合。2009年，有文獻提出通過神經網絡訓練的方法得到CFD模型的簡化模型，用于環境優化策略中參數指標的快速求解。此方法通過CFD仿真得到足夠多的輸入/輸出數據。通過這些數據對的訓練和測試建立基于神經網絡的環境指標替代模型。在優化算法的每次迭代中利用替代模型快速求解目標函數，減少優化算法的復雜度，提高實時性。此方法考慮了環境參數的空間分布影響，但是神經網絡模型本質上是經驗模型，只能對指定的環境指標作建模。當性能指標有變化，或關注的室內用戶區域改變，則須重新建模，應變能力較差。

發明內容
針對現有建筑室內環境優化方法所存在的上述缺陷，本發明提供一種基于模型降階技術的建筑室內環境優化方法。其特點在于通過構造低階的環境參數變化子空間，將相關的室內環境參數模型直接嵌入尋優過程中，實現環境響應的精確、快速解算。基于本征正交分解(POD)的模型降階方法本質上是一種映射方法。它將原空間內的控制方程映射到某個正交子空間內，且保證能量意義上映射誤差最小。典型的CFD模型通過POD降階方法可轉換為關于POD模式系數的低階模型，能同時滿足建模精度與實時性要求，適合優化策略中環境響應的快速解算任務。本發明的技術方案是
一種基于模型降階技術的建筑室內環境優化方法，包括如下步驟
(1)建立基于CFD的室內環境模型；
(2)根據控制變量可能的變化范圍，等間距選擇控制變量數據點，作相應的CFD穩態仿真；WCFD仿真結果中提取環境參數分布，構造參數變化空間；提取的參數類型包括室內溫 度、風速、污染物濃度及熱舒適度指標；
(3)利用P0D模型降階技術重構出步驟(2)所得參數變化空間的低階子空間；
(4)選擇室內環境指標及能耗指標，用于評估室內環境及空調能耗；
(5)設置目標函數，利用優化算法對控制變量進行迭代優化。在每次優化迭代過程中， 通過在參數子空間內的多維插值快速得到系統響應，進而快速求解目標函數。所述步驟(1)中，CFD仿真使用Airpak計算流體力學軟件；室內環境模型為三維 模型；室內環境模型的建立步驟如下
A、利用Airpak軟件建立房間圍護的幾何模型；確定空調送風口和回風口的位置與尺 寸；確定房間內主要陳設的位置與尺寸；
B、對建立的房間模型劃分網格；
C、利用Fluent求解器耦合求取質量、動量、能量及污染物濃度方程的穩態解。所述步驟(2)中，控制變量包括空調送風口溫度和風速；控制變量的選擇間隔為 送風口溫度0. 1攝氏度，送風口風速0. 1米/秒；對每一組控制變量利用步驟(1)所述的室 內環境模型進行穩態仿真；通過Airpak軟件的導出功能提取每一組控制變量對應的穩態 參數分布，組成各類參數的變化空間。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中有一組數據集， 找到其一組m維子集構成S子空間(m〈n)，使原數據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、利用各參數變化空間組成矩陣
權利要求
1.一種基于模型降階技術的建筑室內環境優化方法，具體包括如下步驟(1)建立基于CFD的室內環境模型；(2)根據控制變量可能的變化范圍，等間距選擇控制變量數據點，作相應的CFD穩態仿真；從CFD仿真結果中提取環境參數分布，構造參數變化空間；(3)利用POD模型降階技術重構出步驟(2)所得參數變化空間的低階子空間；(4)選擇室內環境指標及能耗指標，用于評估室內環境及空調能耗；(5)設置目標函數，利用優化算法對控制變量進行迭代優化。
2.根據權利要求1所述的一種基于模型降階技術的建筑室內環境優化方法，其特征在于所述步驟(I)中，CFD仿真使用Airpak計算流體力學軟件；室內環境模型為三維模型; 室內環境模型的建立步驟如下(1)利用Airpak軟件建立房間圍護的幾何模型；確定空調送風口和回風口的位置與尺寸；確定房間內主要陳設的位置與尺寸；(2)對建立的房間模型劃分網格；(3)利用Fluent求解器耦合求取質量、動量、能量及污染物濃度方程的穩態解。
3.根據權利要求1所述的一種基于模型降階技術的建筑室內環境優化方法，其特征在于所述步驟(2)中，控制變量包括空調送風口溫度和風速；控制變量的選擇間隔為送風口溫度O.1攝氏度，送風口風速O.1米/秒；對每一組控制變量利用步驟(I)所述的室內環境模型進行穩態仿真；通過Airpak軟件的導出功能提取每一組控制變量對應的穩態參數分布，組成各類參數的變化空間；提取的所述環境參數類型包括室內溫度、風速、污染物濃度及熱舒適度指標。
4.根據權利要求1所述的一種基于模型降階技術的建筑室內環境優化方法，其特征在于所述步驟(3)中，POD模型降階的基本步驟如下(1)利用各參數變化空間組成矩陣
5.根據權利要求1所述的一種基于模型降階技術的建筑室內環境優化方法，其特征在于所述步驟(4)中，室內環境指標包括熱舒適度指標及室內空氣質量指標，能耗指標指空調能耗指標，其中熱舒適度指標采用預測平均投票指標PMV ；室內空氣質量指標采用通風效力指標Ey
6.根據權利要求1所述的一種基于模型降階技術的建筑室內環境優化方法，其特征在于所述步驟(5)中，目標函數設置為
全文摘要
本發明公開了一種基于模型降階技術的建筑室內環境優化方法，包括三個主要步驟1)利用CFD軟件對室內環境作穩態仿真，并構造各類環境參數的變化空間；2)通過POD技術重構低階的參數變化子空間；3)運用遺傳算法搜索最優的空調送風溫度和速度。本發明運用POD技術構造室內環境參數的變化子空間，從而在優化策略中能充分考慮空間分布對環境參數的影響，提高了優化的精確性。本征正交分解(POD)的模型降階方法，將原空間內的控制方程映射到某個正交子空間內，且保證能量意義上映射誤差最小。相對目前的環境優化策略，本發明具有優化精度高，速度快等優點。
文檔編號G06F17/50GK103049612SQ201210564269
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月24日 優先權日2012年12月24日
發明者李康吉, 薛文平 申請人:江蘇大學