[发明专利]用于基于MPC的建筑能源控制的自适应建模方法和系统

说明书

一种用于在模型预测控制(MPC)系统中使用建筑的建筑热模型来控制建筑的温度的方法包括测量包括在建筑热模型中的至少一个区的温度和温度变化速率，以便确定由MPC系统预测的温度和温度变化速率的误差。确定误差可能原因和误差可能原因中的各个发生的概率。评估可能原因中的各个的影响，以便识别将减少误差的可能原因中的至少一个。基于至少一个识别的可能原因来修改建筑热模型，并且在MPC控制器中使用经修改的建筑热模型来控制建筑的温度。

技术领域

本发明涉及用于建筑能源控制的自适应建模方法和系统，并且更特别地涉及改进用于建筑能源控制的模型预测控制(MPC)。

背景技术

MPC是已经在化学工业中使用并最近被用于负载平衡和建筑能源管理的控制方法。该方法使用过程的实时测量、预报状况和模型。对于建筑能源管理模型，如在Oldewurtel.F.等人的“使用模型预测控制和天气预报用于控制能源高效建筑气候控制”(能源和建筑，45，15-27(2012))和Cheung, J.Y.M.等人的“用于BEMS的基于模型的控制器”(基于模型的预测控制的工业应用，IEE讨论会，第2/1页，第2/6页，1991年11月21日)中所论述的那样，已经使用了诸如预报的天气和随着时间推移的过去的使用的因素，以预测在预先限定的时间范围内的未来使用，以便最大程度地降低能源使用、能源成本或高峰能源消耗。

图1显示用于建筑能源管理的MPC系统的方块图。系统包括建筑的固定热模型和控制器。基于建筑的热模型、目前的温度测量和天气预报，控制器在扩展到未来的固定时间间隔内优化建筑热性能。通过在所述时间范围内提出许多可能房间温度设定点，然后基于提出的设定点、热模型和天气预报来分析建筑的所得到的能源和温度性能，来实现该优化。一旦完成该过程，选择在时间间隔内最大程度地降低能源使用、成本或高峰能源消耗的房间温度设定点。实现目前时间间隔的设定点，同时丢弃未来设定点，而且在下一个时间间隔中，以更新的测量重复该过程。

高级模型可用来对建筑的HVAC系统和热性能建模，但这些模型往往对于在必须在短期内执行大量模拟的MPC中使用来说在计算方面过于密集。一个常用模型将建筑表示为电路，例如其中空间之间的隔离物如窗子和墙壁充当热电阻，减缓热能在温度不同的两个空间之间的流动，并且房间中的空气和物体充当热电容，存储热能且减慢功率使房间的温度快速升高的过程。在这个模型中，温度像存在于系统内的节点处的电压那样起作用，而电流则表示在节点之间流动的热能。一些节点可在固定温度(诸如测量的室外温度)下工作，而电流源则可表示恒定热能源，诸如电加热器。

图2显示了该热模型。电流源P_源表示在房间中产生热功率的物体和人。这可包括管理房间的温度的HVAC系统、小空间加热器、人体和诸如计算机或冰箱的电力装备。电容C_房间表示房间中的热容量。空气能够存储基于湿度和总空气量而改变的热功率，同时房间中诸如家具的物体也能够存储热功率。关于给定热能输入的温度变化速率取决于房间的热容量。电阻R_隔离表示房间和室外空间之间的隔离。房间可连接到多个其它空间，并且所以可具有将它连接到各个空间的多个隔离电阻。该隔离值取决于房间和空间之间的屏障的材料和厚度。可存在多个不同的屏障，诸如墙壁内的窗子。在这种情况下，各个具有不同的隔离值，并且空间之间的等效隔离电阻是这些各种屏障的隔离电阻的总和。最后，电压源表示固定温度。室外温度取决于其本身的复杂因素集，但它可直接被测量，而且在该模拟中可用固定参数表示。它改变得足够缓慢，以至于可认为它在测量时间间隔之间是恒定的。