一种中央空调冷站的数字孪生建模方法及系统与流程

本发明涉及中央空调冷站数字孪生建模，具体涉及一种中央空调冷站的数字孪生建模方法及系统。

背景技术：

1、随着建筑节能技术和数字孪生技术的发展，为中央空调冷站建立数字模型，已逐渐成为提升建筑能源系统运行效率的重要手段。中央空调冷站通常是由冷水机组产生冷冻水，冷冻水经过运输管网输送至建筑末端，并释放到各个用冷空间（例如走廊、办公室、电梯间等）中。因此，冷站的实际运行状态不仅取决于设备供给端的制冷能力，还会受到输送管网的管网状态和建筑末端用冷需求的共同影响。

2、然而，现有的中央空调冷站建模方法通常将建筑末端、输送管网和设备供给端作为三个独立的模块分别建模，而各个模型之间缺乏有效的耦合关系，导致三个模型之间相互割裂，无法有效的反映冷站在实际运行过程中的供需匹配和冷量传递关系。例如，在实际运用中通常将建筑末端的预测需求冷量来代替设备实际的制冷量，并计算设备负载率和制冷性能系数等运行指标。但是却忽略了建筑末端实际用冷量、管网输送过程中所发生的损失、以及设备实际运行状态之间的差异，由此所导致的问题是：当建筑实际用冷量低于预测的需求冷量时，设备的负载率被过度高估；当设备老化或者性能下降时，基于预测需求冷量所计算得到的能效指标也难以反映设备的真实性能，最终导致冷站的能耗计算不准确、供需状态判断失真，难以为冷站的运行监测、能效诊断等提供可信的计算环境。

3、因此，需要在现有技术的基础上加以改进，提供一种能够更好地耦合建筑末端、输送管网和设备供给端，以真实反映冷站实际运行状态的中央空调冷站数字孪生建模方法及系统。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种能够更加真实的反映中央空调冷站实际运行状态的数字孪生建模方法及系统。

2、为了解决上述技术问题，本发明所使用的技术方案是：

3、一种中央空调冷站的数字孪生建模方法，包括以下步骤：

4、s1：根据建筑末端的运行数据，构建需求侧冷负荷模型，得到建筑末端的需求冷量；

5、s2：构建输配侧的拓扑感知水力模型，得到输配管网的实际输配冷量；

6、s3：根据冷水机组设备参数，构建供给侧的冷水机组设备性能模型，得到冷水机组设备的实际供冷量；

7、s4：对所述需求冷量、实际输配冷量和实际供冷量进行统一采样周期和时间标签对齐；基于冷量平衡关系，对需求冷量、实际输配冷量和实际供冷量进行关联计算，并构建冷站数字孪生模型，基于所述冷站数字孪生模型输出孪生预测值；

8、s5：对所述孪生预测值与对应的实测值进行比较，得到孪生预测值与实测值之间的数据残差，基于所述数据残差对所述冷站数字孪生模型进行动态修正。

9、优选地，在步骤s1中，所述建筑末端运行数据包括气象数据、历史冷负荷、室内状态、时间特征中的一种或者多种；

10、所述建筑末端的需求冷量可以表示为：

11、

12、其中，t表示时间变量，h表示预测范围，表示需求侧时序kan模型，表示需求侧时序输入，表示模型参数。

13、优选地，在步骤s2中还包括构建冷冻水管网拓扑图，构建所述冷冻水管网拓扑图具体包括如下步骤：

14、s201：将冷水机组、水泵、阀门、总管和关键末端表示为图节点；

15、s202：将连接各节点的管段表示为图边；

16、s203：将管段的参数信息嵌入图结构，形成冷冻水管网拓扑图，基于所述冷冻水管网拓扑图构建所述拓扑感知水力模型，所述冷冻水管网拓扑图的表达公式为：

17、

18、其中，表示冷水机组、水泵、阀门、总管和关键末端构成的节点集合，表示连接各节点的管段连接集合。

19、优选地，所述管段的参数信息包括管径、长度、阻力系数中的一种或者多种。

20、优选地，所述拓扑感知水力模型根据冷冻水的动态运行参数和冷冻水管网拓扑图，重构输配管网的水力状态，所述水力状态包括冷冻水流量、总管压差、回水温度中的一种或者多种；

21、所述冷冻水的动态运行参数包括水泵频率、设备启停状态、阀门开度、压差目标和供水温度中的一种或者多种；

22、获取输配边界处的冷冻水流量和供回水温差；其中，冷冻水流量和供回水温差为通过所述拓扑感知水力模型重构得到的重构值和/或实测值；

23、根据所述冷冻水流量和供回水温差，确定输配管网的实际输配冷量，具体为：

24、

25、其中，t表示时间变量，表示水的密度，表示水的定压比热容，表示冷冻水体积流量，表示回水温度，表示供水温度。

26、优选地，在步骤s3中，冷水机组设备的实际供冷量计算公式为：

27、

28、其中，t表示时间变量，表示水的密度，cp表示水的定压比热容，表示冷水机组的蒸发器侧的冷冻水体积流量，表示蒸发器侧的进水温度，表示蒸发器侧的出水温度。

29、优选地，所述冷水机组设备的实际负载率和制冷系数分别根据所述冷水机组设备的实际供冷量确定：

30、

31、其中，表示实际负载率，表示制冷性能系数，表示冷水机组设备实际供冷量，表示冷水机组设备额定制冷量，表示冷水机组设备功率。

32、优选地，在步骤s4中，需求冷量与实际输配冷量之间的冷量差、实际供冷量与实际输配冷量之间的冷量残差表示公式为：

33、

34、

35、其中，表示输配侧实际输配冷量，表示需求侧需求冷量，表示设备实际供冷量，t表示时间变量；

36、基于需求冷量与实际输配冷量之间的冷量差、实际供冷量与实际输配冷量之间的冷量残差，判断中央空调冷站的冷量状态。

37、优选地，对所述冷站数字孪生模型进行动态修正包括对所述冷水机组设备性能模型进行基于弹性权重巩固机制的增量更新，所述增量更新的目标函数为：

38、

39、其中，表示增量更新的总损失，表示新增现场数据的拟合损失，表示约束强度，表示参数重要程度，表示当前模型参数，表示基础模型参数。

40、一种中央空调冷站的数字孪生建模系统，执行如上述优选实施例中任一项所述的建模方法，其特征在于，该系统包括：

41、需求侧建模模块， 用于根据建筑末端的运行数据，构建需求侧冷负荷模型，得到建筑末端的需求冷量；

42、输配侧建模模块， 用于构建输配侧的拓扑感知水力模型，得到输配管网的实际输配冷量；

43、供给侧建模模块， 用于根据冷水机组设备参数，构建供给侧的冷水机组设备性能模型，得到冷水机组设备的实际供冷量；

44、三侧耦合模块， 用于对所述需求冷量、实际输配冷量和实际供冷量进行统一采样周期和时间标签对齐，并基于冷量平衡关系对三者进行关联计算，构建冷站数字孪生模型，输出孪生预测值；

45、校准模块， 用于将所述孪生预测值与对应的现场实测值进行比较，得到孪生预测值与现场实测值之间的数据残差，并基于所述数据残差对所述冷站数字孪生模型进行动态修正。

46、本发明的有益效果主要体现在：本发明通过将需求侧的需求冷量、输配侧的实际输配冷量和供给侧的设备实际供冷量进行统一关联计算，使需求侧、输配侧和供给侧不再作为相互独立的模块分别处理，当建筑末端需求、管网水力工况或设备性能发生变化时，模型能够反映某一环节变化对其他环节产生的连续影响，避免了现有技术中以需求侧的预测冷量代替设备实际制冷量来计算负载率、制冷性能系数或设备功率，能够进一步提高冷站供需状态判断和能耗计算的准确性。同时，也为后续冷站的运行监测、能效诊断和工况仿真等提供更加完整、可信的运行态计算环境。