一种办公建筑室内空调温度优化设定方法
一种办公建筑室内空调温度优化设定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种办公建筑室内空调温度优化设定方法。
【背景技术】
[0002] 在大型办公建筑中，空调能耗约占建筑总能耗的40%，并且随着大型办公建筑的 增多以及人们对舒适度的要求日益提高，空调能耗迅速上升，如何采取有效的措施在保证 人体舒适度的基础上降低空调能耗对于建筑节能意义重大。
[0003] 空调温度设定分为固定温度设定和动态温度设定两种，固定温度设定即空调的设 定值在一段时间内是恒定值，动态温度设定即空调的温度设定值随着室外温度等环境变化 而逐时变化。传统的空调温度设定多采用固定温度设定的方法，因此，目前对空调节能的研 宄主要是建立在固定温度设定的基础上，其中三个主要的方向是：空调系统的节能改造、办 公建筑结构节能设计和管理节能。空调系统的节能改造主要是利用新技术新材料对空调系 统进行节能改造，提高空调系统中用能设备的利用效率。但是因为投资巨大或受建筑空间 的限制，该节能方法的使用受到较大限制。办公建筑结构节能设计主要是通过改善围护结 构的设计以及提高门窗的气密性等措施间接减小空调能耗。这种方式只能应用在建筑的设 计与施工阶段。管理节能主要是通过完善空调的节能运行制度、规程、人员培训等避免运行 人员不合理的操作和空调用户不节能的使用习惯而造成的能耗浪费。这种方法受到相关人 员的主观能动性限制。动态空调温度设定方法在同时满足人体舒适度和节约空调能耗方面 具有独特的优势。预测室外空气温度和太阳辐射的等效温度变化轨迹、以及确立衡量人体 热舒适度的指标是研宄动态空调温度设定方法的基础。通过室内外环境因素的变化和室内 人员热舒适感觉，实时调整空调温度设定值是动态空调温度设定方法的关键，在这方面已 有的技术不是很成熟，尚需进一步的改进。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种办公建筑室内空调 温度优化设定方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种办公建筑室内空调温度 优化设定方法，包括以下步骤：
[0006] 1)预测室外空气温度、太阳辐射热作用的等效温度以及室外综合温度
[0007] 2)对办公建筑房间进行热力学分析，建立热平衡方程，通过热平衡方程得到空 调负荷与室外温度、空调温度设定值和热物质温度等的动态关系，设定优化模型的目标函 数；
[0008] 3)用基于热平衡数HB的计算方法计算热舒适度指标PMV，将PMV值设定在规定的 范围内作为空调温度设定的约束条件；
[0009] 4)在上述各步骤的基础上，建立空调温度设定优化模型，用线性规划法求能耗最 小值的方法，对优化模型进行优化求解，得到各个时刻的最优空调温度设定值。
[0010] 所述步骤1)中，室外综合温度T。的表达式为：
[0014]I；表示室外综合温度，室外综合温度等于所述等效温度与室外空气温度之和，Tw 表示室外空气温度，Tq表示太阳辐射的等效温度，Tw.p表示当天室外空气温度的平均值，Tw. max表示当天室外空气温度的最大值，《是室外空气温度变化的频率，取值为31/1211't表 示时刻，h表示室外空气温度变化的相角，ATw是室外空气最高温度和室外空气平均温度 的差值，h、kpk2、k3、1^4是常数，kd、kpk2、k3、值是用最小二乘法对T^进行曲线拟合得 来的。
[0015] 所述步骤2)中，热平衡方程为：
[0016]白天：
[0021] +=0
[0022] 其中：M表示房间外墙的质量，（；表示外墙的比热容，L表示外墙内表面温度，a。 表示外墙外表面的换热系数，a,表示外墙内表面的换热系数，S。表示外墙的表面积，1\表 示空调温度设定值，E表示室内热增益，Qd表示空调负荷，1\表示夜间室内温度，P表示空 气密度，Cp表示空气比热容，qv表示夜间通风率。
[0023] 空调负荷与室外温度、空调温度设定值、热物质温度的动态关系如下：
[0024]
[0025] 其中=MCm/pCpqv表示基于夜间通风率qv的时间常数，y。=a义/pCpqv 表示无量纲的外部对流热传递数，Yi=aiS/pCj^表示无量纲的内部对流热传递数， 奶=UmK7(w,)]表示外墙内表面温度相对于室外温度的相移，Q是一个常数，由边 界条件求得。
[0026] 热舒适度指标PMV的计算公式为：
[0027] PMV= 2. 43-3. 76HB；
[0028] 其中，
tTsk表示人体皮肤平均温度，T"t是环 境的平均辐射温度，M。表示人体新陈代谢率，I^表示服装的基本热阻，Ia表示空气层热阻， 表示服装面积系数，Ia/fel= 0.lm2°C/W。
[0029] 将PMV值设定为：_0? 9彡PMV彡0? 9〇
[0030] 空调温度设定优化模型为：
[0031]
[0032] 其中，&为空调开启时刻，t2为空调关闭时刻，tt2之间为白天空调开启时间 段；仍=tan +;?/,.)]表示外墙内表面温度相对于室外温度的相移；Di、D2表示加权系 数
\表示房间第j个表面的表面积，其中S^是外墙的表面积。
[0033] 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明中的空调温度设定值是随 着室内外环境因素逐时变化的，因此能够保证室内的人热舒适水平在一天中维持在恒定的 水平。在本发明方法中，室内的人热舒适度水平较好。在本发明的动态空调温度设定方法 中，早晨和傍晚由于室外的温度较低，因此，早晨和傍晚空调温度设定值自动设定得较高， 可以有效降低空调能耗，据测算，本发明方法相对于固定温度设定值方法可以节能9%左 右。
【附图说明】
[0034]图1是办公建筑房间在白天的示意图，白天空调开放，室内空气温度凡与空调温 度设定值!；相等。
[0035] 图2是办公建筑房间在夜间的示意图，夜间通风，空调关闭。
[0036] 附图中的标记为：1-房间外墙，2-房间隔墙，3-房间内部的热源，4-房间的内部热 物质。
【具体实施方式】
[0037] 办公建筑房间的示意图如图1和图2所示。在办公建筑中白天（白天指t2 时间段内，可以取t1= 6、12= 18 ;夜间指0~t:和12~24时间段）空调开放，室内空气 温度与空调温度设定值Ts相等，夜间空调关闭，自然通风，夜间通风率是qv。将室内的桌 椅等归结为内部热物质。房间的墙体分为外墙和隔墙。与室外环境有直接接触的一面墙是 外墙，其他墙是隔墙。白天室内所有的热增益归结成一个内部热源，其热增益为E;夜间室 内没有热增益，即夜间E= 0。
[0038] 为了量化室外环境对室内热环境的影响，必须预测室外空气温度和太阳辐射的等 效温度。室外空气温度和太阳辐射的等效温度的和是室外综合温度，表示室外空气温度和 太阳辐射对室内热环境的综合影响。
[0039] 室外空气温度表示为：
[0040]Tw=Twp+(Tw.腸x_Twp)sin[? (t-t0)]
[0041] (1)
[0042] =Tw.p+ATwsin[ ?(t_t0)]
[0043] 其中：TW表示室外空气温度，Tw.p表示当天室外空气温度的平均值，Tw._表示当天 室外空气温度的最大值，w取值表示时刻，h表示室外空气温度变化的相角。[0044] 太阳辐射的等效温度表示为：
[0045]
[0046] 其中：Tq表示太阳辐射的等效温度，Ps表示围护结构外表面对太阳辐射的吸收系 数；I表示当天的太阳辐射照度，ae表示围护结构外表面换热系数。
[0047] 上式表示的等效温度不利于后续过程的计算，所以用一个四次多项式对由（2)式 得出的等效温度进行拟合，拟合多项式为
[0048]
[0049] kpkpk2、k3、k4是拟合多项式系数，在拟合的过程中可以得出。
[0050] 室外综合温度T。表示为：
[0051] T0=TW+Tq (4)
[0052] 1；和1\分别由式⑴和式⑶得出。
[0053] 对于房间外墙进行分析，房间外墙本身不会产生热量，也不会消耗热量，因此，房 间外墙温度变化过程中所存储或释放的热量的数值等于房间外墙与室 内外环境进行热量 交换过程中得到或失去的热量。对于室内热环境进行分析，白天为了维持室内空气温度的 值，空调输出的负荷要抵消室内的热增益和室外环境通过房间外墙而传递到室内的热增 益。因此白天的热平衡方程为：
[0054]
[0055] a iS〇(Tm-Ts)+E =-Qci (6)
[0056] 其中：M表示房间外墙的质量，表示外墙的比热容，表示外墙内表面温度，t表 不时刻，a。表不外墙外表面的换热系数，ai表不外墙内表面的换热系数，S。表不外墙的表 面积，1；表示空调温度设定值，E表示室内热增益，Qd表示空调负荷，夏季空调输出冷负荷， 其值为负值。
[0057] 联立（4) (5) (6)式求解得到
[0058]
[0059]
[0060] 其中：!"表示外墙内表面温度，Q。^示空调负荷，e=MCVpCpqv表示基于夜间 通风率qv的时间常数，丫。=a 表示无量纲的外部对流热传递数，yi=aj。/ PCpqv表示无量纲的内部对流热传递数，灼=tanK/〇/Q +以]表示外墙内表面温度相对 于室外温度的相移，Q是一个常数，由边界条件求得。
[0061] 夜间空调关闭，自然通风，内部热增益为零，夜间的热平衡方式为：
[0062]
[0063]PCpqv (T。-^) +aa-凡）=0 (10)
[0064] 其中：1\表示夜间室内温度，P表示空气密度，Cp表示空气比热容，qv表示夜间通 风率。
[0065] 联立（4) (9) (10)式求解得到
[0066]
(11)
[0067]其中：y'i=y7(1+ 丫）；C2是常数，由边界条件求得；朽=1.an1 [</(二 +，,:)]。
[0068] 在白天和夜间的热平衡方程中各包含一个微分方程，所以在求解过程中产生了两 个常数CJPC2。这两个常数由边界条件求得。假定白天的开始时刻是，结束时刻是t2， 即心与12是白天与夜间的分界时刻，由于房间外墙内表面的温度变化是连续的，因此在ti 与心时刻由式（7)和式（11)所求得的Tm值是相等的。因此存在下面两个关系式：
[0069] 在&时刻有：
[0070]
[0073] 由式（12)和式（13)可以求解出常数(^和C2的值。
[0074] 衡量人体舒适度的PMV指标计算方法为：
[0075]
[0076]
[0077]
[0078] 其中：HB表示热平衡数，PMV表示预测平均投票数，Tsk表示人体皮肤平均温度，T"t 是环境的平均辐射温度，M。表示人体新陈代谢率，I^表示服装的基本热阻，Ia表示空气层 热阻，fd表示服装面积系数，S^表示房间j表面的表面积。
[0079] 联立（14) (15) (16)式得到PMV的计算式为：
[0080]
[0081]
[0082] 室内人对热舒适度的要求为-0. 9彡PMV彡0. 9,代入式（17)表示为：
[0083]
[0084] 优化得出的动态空调温度设定值，必须满足在保证人体热舒适的前提下最大限度 的降低空调能耗。空调能耗与空调负荷的绝对值是正相关关系，因此，以各时刻空调负荷的 绝对值之和最小为优化的目标函数，各时刻的空调负荷由式（8)得出；为了保证人体热舒 适，以舒适度在规定的范围内为约束条件，约束条件由式（18)得出，其中式（18)中的变量 Tm是由式（7)得出的，因此式（7)是空调温度设定值优化模型的等式约束。空调温度设定 值的优化模型表示为：
[0085]
[0086]f表示目标函数一一各时刻空调负荷的绝对值之和，minf表示求目标函数的最小 值。求解上述优化问题可以得到各时刻的最优空调温度设定值，得出的空调温度设定值是 一个逐时变化的动态值，能够达到在保证人体舒适度的前提下，显著降低空调能耗的效果。
【主权项】
1. 一种办公建筑室内空调温度优化设定方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 预测室外空气温度、太阳辐射热作用的等效温度以及室外综合温度Ttl; 2) 对办公建筑房间进行热力学分析，建立热平衡方程，通过热平衡方程得到空调负荷 与室外温度、空调温度设定值和热物质温度等的动态关系，设定优化模型的目标函数； 3) 用基于热平衡数HB的计算方法计算热舒适度指标PMV，将PMV值设定在规定的范围 内作为空调温度设定的约束条件； 4) 在上述各步骤的基础上，建立空调温度设定优化模型，用线性规划法求能耗最小值 的方法，对优化模型进行优化求解，得到各个时刻的最优空调温度设定值。2. 根据权利要求1所述的空调温度优化设定方法，其特征在于，所述步骤1)中，室外综 合温度Ttl的表达式为： τ〇= T W+Tq;Ttl表示室外综合温度，室外综合温度等于所述等效温度与室外空气温度之和，T w表示 室外空气温度，Tq表示太阳辐射的等效温度，Tw p表示当天室外空气温度的平均值，Tw niax表 示当天室外空气温度的最大值，ω是室外空气温度变化的频率，取值为31/121^，t表示时 亥lj，h表示室外空气温度变化的相角，Λ Tw是室外空气最高温度和室外空气平均温度的差 值，k。、Ii1、k2、k3、k4是常数，k。、Ii 1、k2、k3、k4的值是用最小二乘法对T q进行曲线拟合得来的。3. 根据权利要求2所述的空调温度优化设定方法，其特征在于，所述步骤2)中，热平衡 方程为： 白天：P CpQv (T0-Ti)+ QiS0 (Tffl-Ti) =O 其中：M表示房间外墙的质量，C111表示外墙的比热容，T111表示外墙内表面温度，α。表示 外墙外表面的换热系数，^表示外墙内表面的换热系数，S。表示外墙的表面积，Ts表示空 调温度设定值，E表示室内热增益，Qd表示空调负荷，Ti表示夜间室内温度，P表示空气密 度，Cp表示空气比热容，qv表示夜间通风率。4. 根据权利要求3所述的空调温度优化设定方法，其特征在于，空调负荷与室外温度、 空调温度设定值、热物质温度的动态关系如下：其中，6=]\1〇11/0(：1^表示基于夜间通风率9 3勺时间常数，丫。=€[。5。/0(：1^表 示无量纲的外部对流热传递数，Yi= a j。/P Cpqv表示无量纲的内部对流热传递数， 奶=tan 表示外墙内表面温度相对于室外温度的相移，C1是一个常数，由边 界条件求得。5. 根据权利要求4所述的空调温度优化设定方法，其特征在于，热舒适度指标PMV的计 算公式为： PMV = 2. 43-3. 76HB ； 其中，Tsk表示人体皮肤平均温度，T ",是环境的 平均辐射温度，Mtl表示人体新陈代谢率，I ^表示服装的基本热阻，I a表示空气层热阻，〖^表 示服装面积系数，Ia/fd= 0. lm2°c /W。6. 根据权利要求5所述的空调温度优化设定方法，其特征在于，将PMV值设定 为：-0· 9 彡 PMV 彡 0· 9〇7. 根据权利要求6所述的空调温度优化设定方法，其特征在于，空调温度设定优化模 型为：其中，ti为空调开启时刻，t2为空调关闭时刻，、~、之间为白天空调开启时间段； 奶=tan X./(a+7,.)]表示外墙内表面温度相对于室外温度的相移；示加权系数，Sj表示房间第j个表面的表面积，其中S ^是外墙的表面积。
【专利摘要】本发明公开了一种办公建筑室内空调温度优化设定方法，根据室内外的环境因素，实时地改变空调温度设定值的动态设定方法。为了能够实现空调温度的动态设定，建立了一个简化的房间热力学模型，模型中白天空调开放，夜间自然通风。通过对房间模型的分析建立了空调负荷与室外温度、热物质温度、室内温度设定值等环境变量的动态关系。以空调负荷最小为目标函数，以人体舒适度指标PMV值在规定范围内为限制条件，建立空调温度设定值的优化模型，对该模型进行优化求解，得出各时刻的最优空调温度设定值。得出的动态温度设定值能够保证室内人员热舒适水平较好，同时能够有效地降低空调的能耗。
【IPC分类】F24F11/00
【公开号】CN104896660
【申请号】CN201510260247
【发明人】彭辉, 王玉山, 王丹, 刘明月, 杨晗, 武明源, 覃业梅
【申请人】中南大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月20日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种办公建筑室内空调温度优化设定方法。
【背景技术】
[0002] 在大型办公建筑中，空调能耗约占建筑总能耗的40%，并且随着大型办公建筑的 增多以及人们对舒适度的要求日益提高，空调能耗迅速上升，如何采取有效的措施在保证 人体舒适度的基础上降低空调能耗对于建筑节能意义重大。
[0003] 空调温度设定分为固定温度设定和动态温度设定两种，固定温度设定即空调的设 定值在一段时间内是恒定值，动态温度设定即空调的温度设定值随着室外温度等环境变化 而逐时变化。传统的空调温度设定多采用固定温度设定的方法，因此，目前对空调节能的研 宄主要是建立在固定温度设定的基础上，其中三个主要的方向是：空调系统的节能改造、办 公建筑结构节能设计和管理节能。空调系统的节能改造主要是利用新技术新材料对空调系 统进行节能改造，提高空调系统中用能设备的利用效率。但是因为投资巨大或受建筑空间 的限制，该节能方法的使用受到较大限制。办公建筑结构节能设计主要是通过改善围护结 构的设计以及提高门窗的气密性等措施间接减小空调能耗。这种方式只能应用在建筑的设 计与施工阶段。管理节能主要是通过完善空调的节能运行制度、规程、人员培训等避免运行 人员不合理的操作和空调用户不节能的使用习惯而造成的能耗浪费。这种方法受到相关人 员的主观能动性限制。动态空调温度设定方法在同时满足人体舒适度和节约空调能耗方面 具有独特的优势。预测室外空气温度和太阳辐射的等效温度变化轨迹、以及确立衡量人体 热舒适度的指标是研宄动态空调温度设定方法的基础。通过室内外环境因素的变化和室内 人员热舒适感觉，实时调整空调温度设定值是动态空调温度设定方法的关键，在这方面已 有的技术不是很成熟，尚需进一步的改进。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种办公建筑室内空调 温度优化设定方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种办公建筑室内空调温度 优化设定方法，包括以下步骤：
[0006] 1)预测室外空气温度、太阳辐射热作用的等效温度以及室外综合温度
[0007] 2)对办公建筑房间进行热力学分析，建立热平衡方程，通过热平衡方程得到空 调负荷与室外温度、空调温度设定值和热物质温度等的动态关系，设定优化模型的目标函 数；
[0008] 3)用基于热平衡数HB的计算方法计算热舒适度指标PMV，将PMV值设定在规定的 范围内作为空调温度设定的约束条件；
[0009] 4)在上述各步骤的基础上，建立空调温度设定优化模型，用线性规划法求能耗最 小值的方法，对优化模型进行优化求解，得到各个时刻的最优空调温度设定值。
[0010] 所述步骤1)中，室外综合温度T。的表达式为：
[0014]I；表示室外综合温度，室外综合温度等于所述等效温度与室外空气温度之和，Tw 表示室外空气温度，Tq表示太阳辐射的等效温度，Tw.p表示当天室外空气温度的平均值，Tw. max表示当天室外空气温度的最大值，《是室外空气温度变化的频率，取值为31/1211't表 示时刻，h表示室外空气温度变化的相角，ATw是室外空气最高温度和室外空气平均温度 的差值，h、kpk2、k3、1^4是常数，kd、kpk2、k3、值是用最小二乘法对T^进行曲线拟合得 来的。
[0015] 所述步骤2)中，热平衡方程为：
[0016]白天：
[0021] +=0
[0022] 其中：M表示房间外墙的质量，（；表示外墙的比热容，L表示外墙内表面温度，a。 表示外墙外表面的换热系数，a,表示外墙内表面的换热系数，S。表示外墙的表面积，1\表 示空调温度设定值，E表示室内热增益，Qd表示空调负荷，1\表示夜间室内温度，P表示空 气密度，Cp表示空气比热容，qv表示夜间通风率。
[0023] 空调负荷与室外温度、空调温度设定值、热物质温度的动态关系如下：
[0024]
[0025] 其中=MCm/pCpqv表示基于夜间通风率qv的时间常数，y。=a义/pCpqv 表示无量纲的外部对流热传递数，Yi=aiS/pCj^表示无量纲的内部对流热传递数， 奶=UmK7(w,)]表示外墙内表面温度相对于室外温度的相移，Q是一个常数，由边 界条件求得。
[0026] 热舒适度指标PMV的计算公式为：
[0027] PMV= 2. 43-3. 76HB；
[0028] 其中，
tTsk表示人体皮肤平均温度，T"t是环 境的平均辐射温度，M。表示人体新陈代谢率，I^表示服装的基本热阻，Ia表示空气层热阻， 表示服装面积系数，Ia/fel= 0.lm2°C/W。
[0029] 将PMV值设定为：_0? 9彡PMV彡0? 9〇
[0030] 空调温度设定优化模型为：
[0031]
[0032] 其中，&为空调开启时刻，t2为空调关闭时刻，tt2之间为白天空调开启时间 段；仍=tan +;?/,.)]表示外墙内表面温度相对于室外温度的相移；Di、D2表示加权系 数
\表示房间第j个表面的表面积，其中S^是外墙的表面积。
[0033] 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明中的空调温度设定值是随 着室内外环境因素逐时变化的，因此能够保证室内的人热舒适水平在一天中维持在恒定的 水平。在本发明方法中，室内的人热舒适度水平较好。在本发明的动态空调温度设定方法 中，早晨和傍晚由于室外的温度较低，因此，早晨和傍晚空调温度设定值自动设定得较高， 可以有效降低空调能耗，据测算，本发明方法相对于固定温度设定值方法可以节能9%左 右。
【附图说明】
[0034]图1是办公建筑房间在白天的示意图，白天空调开放，室内空气温度凡与空调温 度设定值!；相等。
[0035] 图2是办公建筑房间在夜间的示意图，夜间通风，空调关闭。
[0036] 附图中的标记为：1-房间外墙，2-房间隔墙，3-房间内部的热源，4-房间的内部热 物质。
【具体实施方式】
[0037] 办公建筑房间的示意图如图1和图2所示。在办公建筑中白天（白天指t2 时间段内，可以取t1= 6、12= 18 ;夜间指0~t:和12~24时间段）空调开放，室内空气 温度与空调温度设定值Ts相等，夜间空调关闭，自然通风，夜间通风率是qv。将室内的桌 椅等归结为内部热物质。房间的墙体分为外墙和隔墙。与室外环境有直接接触的一面墙是 外墙，其他墙是隔墙。白天室内所有的热增益归结成一个内部热源，其热增益为E;夜间室 内没有热增益，即夜间E= 0。
[0038] 为了量化室外环境对室内热环境的影响，必须预测室外空气温度和太阳辐射的等 效温度。室外空气温度和太阳辐射的等效温度的和是室外综合温度，表示室外空气温度和 太阳辐射对室内热环境的综合影响。
[0039] 室外空气温度表示为：
[0040]Tw=Twp+(Tw.腸x_Twp)sin[? (t-t0)]
[0041] (1)
[0042] =Tw.p+ATwsin[ ?(t_t0)]
[0043] 其中：TW表示室外空气温度，Tw.p表示当天室外空气温度的平均值，Tw._表示当天 室外空气温度的最大值，w取值表示时刻，h表示室外空气温度变化的相角。[0044] 太阳辐射的等效温度表示为：
[0045]
[0046] 其中：Tq表示太阳辐射的等效温度，Ps表示围护结构外表面对太阳辐射的吸收系 数；I表示当天的太阳辐射照度，ae表示围护结构外表面换热系数。
[0047] 上式表示的等效温度不利于后续过程的计算，所以用一个四次多项式对由（2)式 得出的等效温度进行拟合，拟合多项式为
[0048]
[0049] kpkpk2、k3、k4是拟合多项式系数，在拟合的过程中可以得出。
[0050] 室外综合温度T。表示为：
[0051] T0=TW+Tq (4)
[0052] 1；和1\分别由式⑴和式⑶得出。
[0053] 对于房间外墙进行分析，房间外墙本身不会产生热量，也不会消耗热量，因此，房 间外墙温度变化过程中所存储或释放的热量的数值等于房间外墙与室 内外环境进行热量 交换过程中得到或失去的热量。对于室内热环境进行分析，白天为了维持室内空气温度的 值，空调输出的负荷要抵消室内的热增益和室外环境通过房间外墙而传递到室内的热增 益。因此白天的热平衡方程为：
[0054]
[0055] a iS〇(Tm-Ts)+E =-Qci (6)
[0056] 其中：M表示房间外墙的质量，表示外墙的比热容，表示外墙内表面温度，t表 不时刻，a。表不外墙外表面的换热系数，ai表不外墙内表面的换热系数，S。表不外墙的表 面积，1；表示空调温度设定值，E表示室内热增益，Qd表示空调负荷，夏季空调输出冷负荷， 其值为负值。
[0057] 联立（4) (5) (6)式求解得到
[0058]
[0059]
[0060] 其中：!"表示外墙内表面温度，Q。^示空调负荷，e=MCVpCpqv表示基于夜间 通风率qv的时间常数，丫。=a 表示无量纲的外部对流热传递数，yi=aj。/ PCpqv表示无量纲的内部对流热传递数，灼=tanK/〇/Q +以]表示外墙内表面温度相对 于室外温度的相移，Q是一个常数，由边界条件求得。
[0061] 夜间空调关闭，自然通风，内部热增益为零，夜间的热平衡方式为：
[0062]
[0063]PCpqv (T。-^) +aa-凡）=0 (10)
[0064] 其中：1\表示夜间室内温度，P表示空气密度，Cp表示空气比热容，qv表示夜间通 风率。
[0065] 联立（4) (9) (10)式求解得到
[0066]
(11)
[0067]其中：y'i=y7(1+ 丫）；C2是常数，由边界条件求得；朽=1.an1 [</(二 +，,:)]。
[0068] 在白天和夜间的热平衡方程中各包含一个微分方程，所以在求解过程中产生了两 个常数CJPC2。这两个常数由边界条件求得。假定白天的开始时刻是，结束时刻是t2， 即心与12是白天与夜间的分界时刻，由于房间外墙内表面的温度变化是连续的，因此在ti 与心时刻由式（7)和式（11)所求得的Tm值是相等的。因此存在下面两个关系式：
[0069] 在&时刻有：
[0070]
[0073] 由式（12)和式（13)可以求解出常数(^和C2的值。
[0074] 衡量人体舒适度的PMV指标计算方法为：
[0075]
[0076]
[0077]
[0078] 其中：HB表示热平衡数，PMV表示预测平均投票数，Tsk表示人体皮肤平均温度，T"t 是环境的平均辐射温度，M。表示人体新陈代谢率，I^表示服装的基本热阻，Ia表示空气层 热阻，fd表示服装面积系数，S^表示房间j表面的表面积。
[0079] 联立（14) (15) (16)式得到PMV的计算式为：
[0080]
[0081]
[0082] 室内人对热舒适度的要求为-0. 9彡PMV彡0. 9,代入式（17)表示为：
[0083]
[0084] 优化得出的动态空调温度设定值，必须满足在保证人体热舒适的前提下最大限度 的降低空调能耗。空调能耗与空调负荷的绝对值是正相关关系，因此，以各时刻空调负荷的 绝对值之和最小为优化的目标函数，各时刻的空调负荷由式（8)得出；为了保证人体热舒 适，以舒适度在规定的范围内为约束条件，约束条件由式（18)得出，其中式（18)中的变量 Tm是由式（7)得出的，因此式（7)是空调温度设定值优化模型的等式约束。空调温度设定 值的优化模型表示为：
[0085]
[0086]f表示目标函数一一各时刻空调负荷的绝对值之和，minf表示求目标函数的最小 值。求解上述优化问题可以得到各时刻的最优空调温度设定值，得出的空调温度设定值是 一个逐时变化的动态值，能够达到在保证人体舒适度的前提下，显著降低空调能耗的效果。
【主权项】
1. 一种办公建筑室内空调温度优化设定方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 预测室外空气温度、太阳辐射热作用的等效温度以及室外综合温度Ttl; 2) 对办公建筑房间进行热力学分析，建立热平衡方程，通过热平衡方程得到空调负荷 与室外温度、空调温度设定值和热物质温度等的动态关系，设定优化模型的目标函数； 3) 用基于热平衡数HB的计算方法计算热舒适度指标PMV，将PMV值设定在规定的范围 内作为空调温度设定的约束条件； 4) 在上述各步骤的基础上，建立空调温度设定优化模型，用线性规划法求能耗最小值 的方法，对优化模型进行优化求解，得到各个时刻的最优空调温度设定值。2. 根据权利要求1所述的空调温度优化设定方法，其特征在于，所述步骤1)中，室外综 合温度Ttl的表达式为： τ〇= T W+Tq;Ttl表示室外综合温度，室外综合温度等于所述等效温度与室外空气温度之和，T w表示 室外空气温度，Tq表示太阳辐射的等效温度，Tw p表示当天室外空气温度的平均值，Tw niax表 示当天室外空气温度的最大值，ω是室外空气温度变化的频率，取值为31/121^，t表示时 亥lj，h表示室外空气温度变化的相角，Λ Tw是室外空气最高温度和室外空气平均温度的差 值，k。、Ii1、k2、k3、k4是常数，k。、Ii 1、k2、k3、k4的值是用最小二乘法对T q进行曲线拟合得来的。3. 根据权利要求2所述的空调温度优化设定方法，其特征在于，所述步骤2)中，热平衡 方程为： 白天：P CpQv (T0-Ti)+ QiS0 (Tffl-Ti) =O 其中：M表示房间外墙的质量，C111表示外墙的比热容，T111表示外墙内表面温度，α。表示 外墙外表面的换热系数，^表示外墙内表面的换热系数，S。表示外墙的表面积，Ts表示空 调温度设定值，E表示室内热增益，Qd表示空调负荷，Ti表示夜间室内温度，P表示空气密 度，Cp表示空气比热容，qv表示夜间通风率。4. 根据权利要求3所述的空调温度优化设定方法，其特征在于，空调负荷与室外温度、 空调温度设定值、热物质温度的动态关系如下：其中，6=]\1〇11/0(：1^表示基于夜间通风率9 3勺时间常数，丫。=€[。5。/0(：1^表 示无量纲的外部对流热传递数，Yi= a j。/P Cpqv表示无量纲的内部对流热传递数， 奶=tan 表示外墙内表面温度相对于室外温度的相移，C1是一个常数，由边 界条件求得。5. 根据权利要求4所述的空调温度优化设定方法，其特征在于，热舒适度指标PMV的计 算公式为： PMV = 2. 43-3. 76HB ； 其中，Tsk表示人体皮肤平均温度，T ",是环境的 平均辐射温度，Mtl表示人体新陈代谢率，I ^表示服装的基本热阻，I a表示空气层热阻，〖^表 示服装面积系数，Ia/fd= 0. lm2°c /W。6. 根据权利要求5所述的空调温度优化设定方法，其特征在于，将PMV值设定 为：-0· 9 彡 PMV 彡 0· 9〇7. 根据权利要求6所述的空调温度优化设定方法，其特征在于，空调温度设定优化模 型为：其中，ti为空调开启时刻，t2为空调关闭时刻，、~、之间为白天空调开启时间段； 奶=tan X./(a+7,.)]表示外墙内表面温度相对于室外温度的相移；示加权系数，Sj表示房间第j个表面的表面积，其中S ^是外墙的表面积。
【专利摘要】本发明公开了一种办公建筑室内空调温度优化设定方法，根据室内外的环境因素，实时地改变空调温度设定值的动态设定方法。为了能够实现空调温度的动态设定，建立了一个简化的房间热力学模型，模型中白天空调开放，夜间自然通风。通过对房间模型的分析建立了空调负荷与室外温度、热物质温度、室内温度设定值等环境变量的动态关系。以空调负荷最小为目标函数，以人体舒适度指标PMV值在规定范围内为限制条件，建立空调温度设定值的优化模型，对该模型进行优化求解，得出各时刻的最优空调温度设定值。得出的动态温度设定值能够保证室内人员热舒适水平较好，同时能够有效地降低空调的能耗。
【IPC分类】F24F11/00
【公开号】CN104896660
【申请号】CN201510260247
【发明人】彭辉, 王玉山, 王丹, 刘明月, 杨晗, 武明源, 覃业梅
【申请人】中南大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月20日
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