申请/专利权人：北京工业大学

申请日：2021-11-24

公开（公告）日：2024-03-15

公开（公告）号：CN114062002B

主分类号：G01M99/00

分类号：G01M99/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.15#授权;2022.03.08#实质审查的生效;2022.02.18#公开

摘要：本发明公开一种居住建筑多区域动态通风换气量的测量方法，该方法在考虑房间之间空气流动的情况下，建立空气流动模型，并以居住者释放的CO2作为示踪气体，基于各房间的CO2质量守恒，利用卡尔曼滤波器过滤噪声影响计算各房间的通风量，确定出符合实际的空气流动模型以及各房间的动态通风量。本发明方法适用于居住建筑多区域动态通风换气量的计算，突破以往单区域稳态通风量计算方法的局限性，并且该方法运用卡尔曼滤波器有效过滤测量噪声的影响，实现各房间动态通风换气量的最优预测。

主权项：1.一种居住建筑多区域动态通风换气量的测量方法，其特征在于：在考虑居住建筑各房间之间空气流动的情况下，建立空气流动模型，并以居住者释放的CO2作为示踪气体，基于各房间的CO2质量守恒，利用卡尔曼滤波器过滤噪声影响计算各房间的通风量，确定出符合实际的空气流动模型及各房间的动态通风量，该方法具体包含以下步骤：1建立空气流动模型；2测试各房间体积和CO2浓度并计算室内人员CO2释放率；3根据空气流动模型，建立各房间示踪气体质量守恒方程；4利用卡尔曼滤波器计算各空气流动模型对应的房间通风量，并根据计算结果确定符合实际的空气流动模型；步骤1中，空气流动模型建立过程为：居住建筑包括多个房间，将每个房间视为一个单独区域，窗和门是区域间空气流动的通道，将通过窗和门的空气流动均视为单向流动，定义只有一个空气进口和一个空气出口的房间为单进单出房间；定义有多个空气进口和多个空气出口的房间为多进多出房间；单进单出房间互相之间无空气交换，但均与多进多出房间存在空气交换；根据气体体积守恒和空气流动通道的单向流动可知，单进单出房间的空气流动方向只有两种，分别是：室外→单进单出房间→多进多出房间，或多进多出房间→单进单出房间→室外，其中，→表示空气流动方向；假设居住建筑有N+1个房间，其中前N个房间为单进单出房间，第N+1个房间为多进多出房间，改变N个单进单出房间的空气流动方向，进行排列组合，共可得到2N种空气流动模型；步骤2中，各房间CO2浓度测量仪器的放置位置避免窗、门进出风区域，以及房间角落死角区；设定测量时间间隔为△τ；室内人员CO2释放率计算公式为：S＝0.04M×AD×α×1061式中，S为室内人员的CO2释放率，单位：mlh；M为成年男子在不同活动状态下的新陈代谢率，单位：Wm2；AD为人体皮肤表面积，单位：m2，AD与人的体重和身高的关系为：AD＝0.202m0.425h0.725，其中，m为体重，单位：kg，h为身高，单位：m；α为人体新陈代谢率的性别和年龄修正系数；步骤3中，各房间CO2质量守恒方程建立方法为：用1～N分别表示N个单进单出房间，N+1表示多进多出房间，单进单出房间i1≤i≤N的空气流动方向为：室外→房间i→房间N+1；单进单出房间j1≤j≤N的空气流动方向为：房间N+1→房间j→室外，则根据CO2质量守恒，房间i和j的CO2质量守恒关系式为： 房间N+1的CO2质量守恒关系式为： 式中，V为房间体积，单位：m3；c为房间CO2浓度，单位：ppm；cout为室外CO2浓度，单位：ppm；dcdτ为房间内CO2浓度变化速率，单位：ppmh；S为房间内人员CO2释放率，单位：mlh；Qi，Qj分别为房间i和j的通风量，单位：m3h；Q0为室外流入房间N+1的风量，QN+1为房间N+1流向室外的风量，单位：m3h，根据气体体积守恒，可知各通风量之间的关系为：利用公式2～4可对2N个空气流动模型中的各房间建立CO2质量守恒关系式；步骤4中采用卡尔曼滤波器用于过滤噪声影响，实现对通风量的最优预测，具体的，以△τ为时间间隔划分整个测试时间段，每个△τ内的通风量保持恒定，卡尔曼滤波器的计算公式如下： Pk|k-1＝Ak-1Pk-1Ak-1T+Gk-16Kk＝Pk|k-1HT[HPk|k-1HT+Rk]-17Pk＝I-KkHPk|k-1I-KkHT+KkRkKkT8 式中，下标k表示第k个时间间隔；是k-1△τ时刻的预测状态向量，是k-1△τ时刻对k△τ时刻的预测状态向量；Fk-1·是状态转移函数，其中，关系式根据步骤3中对应房间CO2质量守恒关系式在k-1△τ～k△τ内积分得到，具体的，房间i、房间j和房间N+1分别对应公式10～12；Pk-1是k-1△τ时刻的预测误差方差矩阵；Pk|k-1是k-1△τ对k△τ时刻的预测误差方差矩阵；是的雅可比矩阵，Ak-1T是Ak-1的转置矩阵；Gk-1是过程噪声的协方差矩阵，根据各状态量过程噪声的方差确定；H为观测矩阵，H＝[1,0,0；0,1,0]，HT是H的转置矩阵；Rk是观测噪声的协方差矩阵，根据测量仪器精度和计算公式的误差确定；Kk是k△τ时刻的滤波增益矩阵，KkT是Kk的转置矩阵；I是单位矩阵；Zk是观测向量，Zk＝[c'k；S'k]，c'k为k△τ时刻房间CO2浓度仪器测量值，S'k为k△τ时刻房间内人员CO2释放率，由步骤2中的公式1计算而得； 随着k的递进，公式5～9循环计算，实现对应房间根据实测的观测向量Zk得到最优预测状态向量的过程，中的即为房间的动态通风量；测试期间每个时刻只有一种空气流动模型符合实际情况，故需要从2N种空气流动模型中确定出符合实际情况的空气流动模型；首先对2N种空气流动模型的各房间通风量均进行卡尔曼滤波计算，每种模型的计算过程是：先计算单进单出房间的通风量，将其结果作为已知量，再计算多进多出房间的通风量；计算完成后，根据计算结果进行筛选，筛选标准是：若某模型中任一房间的通风量计算结果为负值，表明实际空气流动方向与模型设定方向不符，该模型对应时间段的计算结果不符合实际情况；若某房间卡尔曼滤波计算过程中，通风量计算结果不收敛，即无法消除初始值设定的影响，表明实际空气流动方向与模型设定方向不符，该模型不符合实际情况；依据上述标准，确定出测试时间段符合实际情况的空气流动模型，以及各房间的动态通风量。

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百度查询： 北京工业大学 一种居住建筑多区域动态通风换气量的测量方法

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