技术领域

本发明涉及高大空间建筑内温度的调控领域，具体地说是现代温室节能调控方法，特别是涉及一种基于计算流体力学和能量预测混合的温室节能控制方法。

背景技术

设施农业是现代农业的具体体现，是一个国家农业发展水平的标志，是高产、优质、高效农业的必然要求。温室生产产业作为设施农业生产的一项重要内容，越来越引起人们的普遍关注。现代大型温室设施农业生产对于能源条件存在重要依赖，且能耗普遍较高。因此温室的节能调控方法对于缓解能源矛盾具有重要的意义。

农业温室在冬季或夏季为维持室内作物生长合适的温度，需消耗大量能量。在温室热水供暖系统中，末端风机盘管对整个供暖系统效率的影响很大，特别是现代大型温室的供暖系统。若对每一个风机末端都设置一个控制端点，不仅使成本和工作效率降低，而且也不利于空调系统的运行与节能，造成资源浪费。因此合理的风机盘管控制方法和整体供热输出调控对提高温室供暖系统效率，节约能源消耗具有重要的意义。

目前现代高大温室能量控制采用多区域独立控制方法，即把高大空间分成多个区域，每个独立控制器控制某个区域的风机盘管，并采用区间温度设置开关控制方法。多区域独立控制方法容易造成高大空间温室内温度场温度分布不均匀，且具有整体供热控制系统的不稳定，温室内温度控制精度不高和响应时间较慢等缺点。因此采用采用计算流体力学（computational fluid dynamics, 简称CFD)和能量预测模型混合的方法实现温室供暖系统热量效率的最大化利用。

发明内容

为了实现温室能量有效调控的技术问题，本发明提供一种计算流体力学方法与能量预测模型混合的节能控制方法。

本发明所采用的技术方案是这样的：

基于计算流体力学和能量预测混合的温室节能控制方法，包括以下步骤：

1）根据下列式I-III建立温室CFD模型：

其中式I为基于不可压缩气体自然对流的Naiver-Stokes方程，上列式中：

S_p——动量源项；

μ——动力粘度；

u——空气速度；

α——多孔介质的渗透率；

C₂——惯性阻力系数；

ρ——空气密度；

S_G——光照辐射强度；

S_P——作物蒸腾作用潜热引起的拖曳效应；

S_Φ——用户自定义的源项；

Φ为以无量纲形式表示的输送量浓度，即三维的动量和标量的质量和能量守恒方程；

Г为扩散系数；

U、V、W为直角坐标中X,Y,Z方向的速度向量；

2）根据步骤1）建立的CFD模型，模拟室内温度场云图，根据温度场云图提取室内若干个关键点温度值，包括最大值、最小值、平均值以及各点偏差值和平均偏差值数据，进行均方根偏差计算，均方根偏差值与初始温度之差，即为植物冠层关键区域温度的变化量ΔT；

3）根据下式IV判定各组风机盘管工作的优先级：

式中：ΔT——温度的变化量；q——各组风机盘管释放的热量；η——风机盘管的有效性，即风机盘管的优先级判定依据；

4）根据下式V进行温室能量的预测：

式中，ρ——空气密度（kg[干燥空气] /m³）；

V——温室的体积（m³）；

C——空气中的热含量（Jkg^-1K^-1）；

T_i——温室室内温度（℃）；

t——时间（s）；

q_t——太阳光照辐射热流量（W）；

q_s——温室热源需提供的热流量（W）；

q_r——植物呼吸作用释放的热流量（W）；

q_l——长波辐射热流量（W）；

q_c——温室与外界热传导的热流量（W）；

q_w——温室通风换热的热流量（W）；

q_ε——作物蒸腾所需要的能量（W）；

q_p——作物光合作用吸收的热流量（W）；

5）根据下式VI建立能耗的优化目标函数F：

式中n 为时间步长；

6) 利用能耗的优化目标函数，并结合温室内目标温度进行序列二次规划优化计算，算法过程为：

6.1）确定能耗的优化目标函数F，约束条件为q_s 受加热系统的物理能力限制；单位间隔时间内，输入能量的约束条件为最大变化率Δq_max，输入能量变化量q_min和最大变化量q_max：q_min< q_s< q_max；|q_s(n+1)- q_s(n) | ≤ Δq_max；

6.2）根据初始条件和数据，根据能量预测模型和单位时间温度变化率ΔT_i计算出第n个能耗；

6.3）结合实时测量的气候数据，根据室内温度要求计算第n+1个能耗；

6.4）获得能耗的优化目标函数F值，判断F值是否小于设定目标值；

6.5）采用序列二次规划优化修正单位时间温度变化率ΔT_i；

6.6）判断迭代次数是否小于设定的最大迭代次数，如否则返回第6.2步骤；

7）根据步骤6）的计算结果，得到每个时间段的总输入能量，根据计算的总输入能量，使用PID算法实时调节给水的流量和风机盘管的总开启数；结合步骤3）判定的风机盘管工作的优先级顺序，开启和关闭各风机盘管。

作为进一步的技术方案，本发明利用控制执行系统来完成上述的控制方法，所述的控制执行系统由信号采集器、嵌入式计算机、继电器信号输出器组成，信号采集器接收室内外光照、温湿度传感器数据，并进行限幅滤波和归一化的预处理操作后上传至嵌入式计算机；嵌入式计算机接收信号采集器上传的室内外光照、温湿度等信号，识别当前的环境、光照状态，并根据前述计算结果向继电器信号输出器发出相应的控制指令；继电器信号输出器，接收嵌入式计算机发出的控制指令，产生对应的强电信号，完成不同风机盘管回路、高低风档的启停和水源热泵机组输出水的流量供应。

本发明的有益效果主要表现在：

1) 可以较好的模拟温室室内的温度场和温室能耗，是模拟研究室内热环境和能耗的有效方法；

2) 本方法不受温室控制系统硬件条件的限制，只需对控制策略进行改进，方便、快捷，应用范围广，可节约了控制系统硬件成本；

3) 本方法可实现温室温度场均匀分布，降低加热、降温能耗，降低运行成本。

附图说明

图1是本发明的控制系统示意图。

图2是本发明控制方法流程图。

图3是实施例1中室内外温度、室外辐射和设定温度曲线图。

图4是实施例1中输入能量比较图。

图5是实施例2中室内外温度、室外辐射和设定温度曲线图。

图6是实施例2中输入能量比较图。

具体实施方式

申请人已在杭州某大型温室试用本发明进行控制，某月26日采用本发明的方法进行一次试验，27日采用传统的分区域独立控制法进行对照试验，为实施例1；某月28日采用本发明的方法进行一次试验，29日采用传统的分区域独立控制法进行对照试验，为实施例2。

参见附图。两组实施例均采用水源热泵系统对温室进行供热或供冷。水源热泵系统由地热1、地源热泵2和风机盘管3组成。风机盘管3作为温室供热或供冷系统末端，共分回路1至回路10共10个回路，所述回路均安装在温室4内。温室4内布置温度传感器5，地源热泵出水口安装水温度传感器6和流量传感器7。实施例通过控制执行系统来完成温室环境参数和执行过程，所述的控制执行系统由信号采集器8、嵌入式计算机9、继电器信号输出器10组成，信号采集器8接收室内外光照及温湿度传感器11的数据，并进行限幅滤波和归一化的预处理操作后上传至嵌入式计算机9；所述的嵌入式计算机9选用工业计算机，具体为带有CAN总线接收卡的温室环境控制的核心，接口卡选用PCI-CAN 型号，嵌入式计算机9接收信号采集器8上传的室内外光照、温湿度等信号，识别当前的环境、光照状态，并根据前述计算结果向继电器信号输出器10发出相应的控制指令；继电器信号输出器10，接收嵌入式计算机9发出的控制指令，产生对应的强电信号，完成不同风机盘管回路、高低风档的启停和地源热泵输出水的流量供应。所有的信号传送采用串行总线接口中的Controller Area Network（简称CAN）总线技术。CAN收发器采用基于美国微芯科技公司的CAN 和隔离技术相结合的器件低功耗器件，具体型号为MCP2551。

实施例采用风量与水量相结合的串级调节形式。温室内供暖系统由主环路和副环路组成。主环路依据室内温度变化来改变送风温度的给定值，减少室温的波动，提高室温调节质量。副环路则依据送风温度的实测值与设置值偏差来控制风机盘管的电动调节阀，达到及时抑制主要干扰的影响，具有前置调节作用。在风机盘管均工作于设定的风量且数量一定时，随着空调循环水路水量的增加，每台风机盘管所释放的热量也会相应的增强；当空调循环水量保持稳定时，每台风机盘管所释放的热量也会随风机风量的增加而增大。

温室的计算流体力学模型在Fluent中模拟分析，模型参数采用用户自定义的方式从数据库信息中读取输入Fluent模型中。采用离线的方式模拟进行，对模拟结果进行分析获取各组风机盘管工作的优先级。能量预测模型在Matlab在线模拟实现，对未来几个单位时间步长的能量进行模拟预测。并结合对能耗的优化目标函数F与室内控制温度精度进行序列二次规划优化计算。超级监督根据实际气候数据和实际温室内温室，对预测结果进行单位时间多步长取平均均方根的方法与设定值比较。当跟实际偏差大于设定值时采取介入控制方法，切换成常规的多区域独立控制方法。否则超级监督只作为监督，不进行任何操作。结合CFD模拟结果的风机盘管优先级和预测模型优化结果的输入能耗，对水源热泵机组的输出流量和温室内的风机盘管进行有效的控制，以便实现温室内温度的有效控制和供热系统的稳定和可靠。

所述温室4内种植秋海棠，采用吊挂在4米高度和地面布置两种方式。具体地说，所述秋海棠的作物叶面积指数为3.5，通过试验方法获得温室CFD模型中作物多孔介质渗透率设定为0.395，惯性阻力系数为0.4。地源热泵给温室供热或供冷的总输入能量可有供回水温度差和流量决定。地源热泵的出水温度通常限定在某一个温度，因此供回水流量是能量控制的目标之一。

在制定各回路风机盘管工作的优先级时，主要从两个方面来考虑。第一，按照优先级顺序开启风机盘管后，必须保证温室温度分布的均匀性；第二，风机盘管的有效性可作为风机盘管工作的优先级判定依据，有效性较高的风机盘管回路应具有较高的优先级。为简化CFD数值模型的计算量，按照安装位置和风向将各回路风机盘管分为三类。根据公式I-III建立的CFD数值模拟室内温度场云图，可获得开启前的温度值和开启15分钟后的平均温度值，如下表所示：

在15分钟时三类风机盘管在有效区域内的温度升高值分别为：7.29℃、8.82℃、8.35℃。

依据前述式IV，风机盘管工作的优先级判定依据为风机盘管的有效性η：在保证温度分布的均匀性情况下，风机盘管的有效性η越大表示该风机盘管开启的优先级越高。通过计算比较可得：第三类风机盘管的有效性最高，第一类风机盘管有效性其次，而第二类风机盘管有效性最差。此外，通过分析各类风机盘管开启后的温度分布云图，可以发现整个温度场相对比较均匀，且差别不是很大，故在对各类风机盘管的优先级制定时可认为满足均匀性要求。

此外，对于每一类中包含的各个回路的风机盘管优先级可根据位置、风向和数量等参数，以温室内温度场的均匀度和优先级判据做同样的CFD模拟分析获得进一步的优先级结论。对于所有回路风机盘管的优先级顺序为

（9，10）>（5，7） >（6，8）>（2，4）>（1，3）

针对所得出的各个回路的优先级顺序可以制定出对于整个温室内所有风机盘管的开启先后次序，在控制策略考虑中，先将每一个回路用一位开关量表示，其中“1”表示开启，“0”表示关闭。这样所有十个回路可以用一个10位二进制数表示风机盘管的控制命令，这里假设最高位表示第10回路，最低位表示第1回路。根据温室内预测所需的能量不同来决定开启哪些区域的风机盘管回路，同样针对每台风机盘管由于本系统采用的是变风量和变水量相结合的控制方式，且风机盘管末端控制是三级变速，故对于每一台风机盘管的控制可以采用一个四位变量来判断，其中“1000”表示关闭，“0100”表示开启低档，“0010”表示开启中档，“0001”表示开启高档。可以看出若需对风机盘管的不同级数进行控制时，只需对四位变量其中的一个高位变量进行移位控制即可。

经过两组对照试验的测试比较，试验验证结果如下：

实施例1参见图3和图4。图3中，横坐标X为时间且单位h，纵坐标Y1为温度且单位℃，纵坐标Y2为太阳辐射且单位为W/m²，103代表实施例1中室内温度曲线，104代表实施例1中室外温度曲线，105代表实施例1中设定温度曲线，106代表实施例1中室外辐射曲线。图4中，横坐标X为时间且单位为h，纵坐标Y为能量且单位kW，101代表实施例1中本发明控制方法控制能量输入曲线，102代表实施例1中传统控制方法控制能量输入曲线。在设定温度的上升阶段，实施例1中本发明控制方法比传统控制方法能增加能量输入提前25分钟。说明本发明控制方法比传统控制方法温度上升的快，更快逼近设定值。在设定温度的下降阶段，实施例1中本发明控制方法比传统控制方法能减少能量输入提前25分钟。说明本发明控制的方法比传统方法温度下降的快，更快逼近设定值。因此，本发明控制方法比传统控制方法具有更好的预判性，且响应速度快。根据图4能量输入表明，本发明控制的能量输入更平稳，没有传统控制的输入能量剧烈波动。可使供热供冷系统更稳定可靠，延长水系统中水源热泵机组、水泵和阀门等器件的工作寿命。

实施例2参见图5和图6。图5中，横坐标X为时间且单位为h，纵坐标Y1为温度且单位℃，纵坐标Y2为太阳辐射且单位为W/m²，203代表实施例2中室内温度曲线，204代表实施例2中室外温度曲线，205代表实施例2中设定温度曲线，206代表实施例2中室外辐射曲线。图6中，横坐标X为时间且单位为h，纵坐标Y为能量且单位kW，201代表实施例2中本发明控制方法控制能量输入曲线，202代表实施例2中传统控制方法控制能量输入曲线。在相同设定温度条件下，实施例2的实际温度和能耗情况，具有与实施例1相类似的温度和能耗曲线。可见实施例2中两次试验气候条件相近，采用基于计算流体力学和能量预测结合的温室能量控制方法能可节约能量15.1%，控制精度更高，响应的速度更快。经过交叉控制方法长时间测试比较，本发明比传统控制结果具有更高的精度、响应速度快，可节约能量从8.7%-15.1%。

以上列举的仅是本发明的两个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，如本方法运用于高大空间建筑温度控制等。本领域的普通技术人员还能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。