基于 CFD 模擬的室內溫濕度最佳測量位置研究

侯娜 閆秀英* 王秀東

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

變風量空調系統的節能技術已經被廣泛應用到實際系統運行中，在節能的同時，人們對空調房間內人員的健康與舒適度漸漸引起重視?？諝鉁囟扰c濕度是一個與人們生活和生產有密切關系的重要環境參數，溫濕度對人體舒適度，產品生產過程，產品質量和產品保存期都有重要意義。

如今空調房間的溫濕度傳感器通常安裝在門口附近的墻壁上，其溫濕度測量值并不能反應室內工作區的溫濕度，測量效果偏離室內溫濕度真實分布情況，從而影響室內溫濕度的控制效果，導致室內環境不能達到人們設定的值或生產要求。隨著人們對舒適度要求的提高，對室內溫濕度最佳測量位置的研究漸漸成為國內外空調學者的研究熱點。

目前傳感器的最佳位置多應用于減少傳感器數量方面，在空調室內測量位置方面的研究較少。Duwaraka Yoganathan[1]為獲得室內環境的完整圖像，提出確定最佳的傳感點以提供對目標辦公樓室內環境充分全面的描述，減少 80%多余的傳感器。采用聚類算法，信息丟失法和 Pareto 原理推導出最優的傳感器布局策略，有助于推導出物理邊界，使所有傳感器能覆蓋所有空間，以達到信息丟失數量最少的目的。陳熙[2]在博物館新型空調系統設計研究中闡述了博物館的建筑特征和博物館對室內環境溫濕度的特殊要求，強調了氣流組織形式對空調的重要性，尋求同時達到人體的舒適性和節約能源的合理的氣流組織，并對空調系統內的氣流組織進行了介紹。Kojima Kazuyuki[3]在文中以辦公室的空調系統為例，介紹了如何利用傳感器網絡預測人類的熱舒適和感覺的方法。在室內環境中放置21 個溫度傳感器和受試者，并通過實驗得出其受試者身上的傳感器讀數與受試者的熱感覺相關聯。Loris Vincenzi[4]研究了模型誤差和參數不確定性在結構健康監測和模態測試的最佳或接近最佳傳感器布置方法方面的作用。信息熵理論獲得了最佳的測量位置集合。放置的位置很大程度上取決于預測誤差的協方差矩陣以及相關函數的定義。劉巧玲[5]為了使室內空氣分布均勻，提出基于多傳感器的送風優化控制策略，通過對送風溫度設定的優化，調整送風量的大小，以獲得室內均勻的氣流分布。仿真驗證表明，基于多傳感器的送風優化控制策略有助于改善房間空氣分布均勻性和提高室內人員的舒適性。

1 室內溫濕度模擬計算

依據 ASHRAE Standard 55-2010[6（]人類居住熱環境條件）在特定條件下的室內測點布置建議，利用西安建筑科技大學智能建筑與樓宇自動化實驗室的實驗平臺，隨機選取在房間5 內搭建傳感器檢測架，考慮空調室內人員的坐著，站立以及數據可靠性角度，最終確定在 6 個平面布置傳感器，各平面高度分別為：0.75 m、1.1 m、1.3 m、1.5 m、1.7 m、1.9 m。每個平面放置12 個傳感器。

在 FLUENT 中以西安建筑科技大學智能建筑與樓宇自動化實驗室房間 5 為研究對象，建立其物理模型，以房間的東南角為坐標原點，正北為 x 軸方向，正西為y 軸方向，正上為z 軸方向?？照{房間三維模型如圖1 所示。利用GAMBIT 軟件對該空調房間的物理模型進行網格的劃分，物理模型的網格劃分如圖2 所示。

將房間溫度設置為 26 ℃，濕度設置為 40%，在FLUENT 中控制方程采用雙方程湍流模型進行空調房間內氣流流場的數值模擬[7-9]。

房間內 0.75 m、1.1 m、1.3 m、1.5 m、1.7 m、1.9 m六個不同平面處的溫度場模擬結果如圖3 所示，溫度的單位為開爾文。

圖1 物理模型

圖2 物理模型的網格劃分

圖3 六個不同平面的溫度分布云圖

從圖中可以看出，每個平面的溫度分布云圖都不一樣，由于各個部分之間的溫差引起了空氣的自然對流換熱，溫度高的空氣由于浮升力的作用從室內的低處上升到高處，溫度低的空氣從上部往下流動，平面越高，溫度值越高，平面越低，溫度值越低。同一個平面不同位置的溫度值也有很大的不同，靠近送風口處的溫度值最低，由于與送風口距離的不同，不同位置的溫度值隨著與送風口距離的增大而增大。

圖4 六個不同平面的濕度分布云圖

房間內0.75 m、1.1 m、1.3 m、1.5 m、1.7 m、1.9 m 六個不同平面處的濕度場模擬結果如圖4 所示。

室內的濕度分布云圖同溫度分布云圖一樣，呈現出平面的不同，濕度的分布情況不同。濕度分布云圖的每個平面不同位置處的濕度值變化沒有溫度分布云圖的每個平面不同位置處的溫度值變化劇烈，濕度云圖內部濕度變化趨于均勻。模擬出的6 個平面濕度最高值多出現于 0.75 m 平面，濕度值約為 47%到50%，濕度最低值多出現于 1.9 m 平面，濕度值約為41%到44%。

2 室內溫濕度最佳測點位置

導出模擬計算出的所有點位處的溫濕度值，找出與實際房間中搭建的實驗平臺上的 72 個傳感器一一對應的模擬出來的點位，將這72 個不同點位處的溫度與濕度采用基于均值遞推融合算法[10-13]進行融合，融合后的溫度與濕度值代入有效溫度指數ET[14-15]的計算式中，計算出FLUENT 模擬情況下的溫濕度值融合后的有效溫度指數ET 值。

經計算，FLUENT 模擬情況下的72 個溫濕度值融合后帶入有效溫度指數ET 的計算式，計算出的 ET 值為16.23 ℃。FLUENT 模擬的72 個不同位置處的傳感器有效溫度指數ET 值如表1 所示。

由表1 中可以看出，與 FLUENT 模擬情況下的溫濕度值融合后的有效溫度指數ET 值做差絕對值最小的測點為1.3 m 平面處的測點5 和測點11，這兩個點為 FLUENT 模擬尋找出的房間 5 的最佳溫濕度測量位置。

表1 FLUENT 模擬中不同測點處的有效溫度指數ET

3 結語

針對如今空調房間的溫濕度傳感器安裝位置不合理現象，利用 FLUENT 技術，對選取的變風量空調房間進行了三維模擬，采用上送上回的送回風方式，模擬出設定工況下房間內的溫度場和濕度場。運用基于均值的遞推融合算法以及有效溫度指數 ET 作為室內人員熱舒適的評價標準，求取了空調房間內溫濕度的最佳測量位置在 1.3 m 平面內的測點 5 和測點 11，可對實際工程應用中溫濕度傳感器安裝位置的確定提供一定的參考價值。