基于FLUENT的通風(fēng)室內(nèi)熱舒適性自動(dòng)調(diào)節(jié)仿真

胡俊生，吳 帥

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

1 引言

自然式通風(fēng)能夠高效減少建筑能耗，應(yīng)用范圍十分廣泛[1]。在現(xiàn)代社會(huì)不斷發(fā)展中，人們的大部分時(shí)間會(huì)在室內(nèi)中度過，由此，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量與舒適性等方面提出了非常高的要求。以往的溫濕度控制已經(jīng)不能滿足大眾日常需求，越來(lái)越多的人希望可以將自身熱舒適性當(dāng)作出發(fā)點(diǎn)，對(duì)室內(nèi)溫度影響因素進(jìn)行分析和控制[2-3]。綜上，對(duì)通風(fēng)室內(nèi)熱舒適性進(jìn)行調(diào)節(jié)有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義，引起了該領(lǐng)域相關(guān)人員的關(guān)注。

李剛[4]等人將火炕熱舒適性當(dāng)作對(duì)象進(jìn)行研究。傳統(tǒng)火炕的炕面整體溫差差異很大，以提升炕面溫度分布均勻程度，并延長(zhǎng)炕面供暖時(shí)長(zhǎng)為目的，將石蠟和炕體結(jié)合，根據(jù)相變材料具備的恒溫蓄能換熱特點(diǎn)，比較試驗(yàn)傳統(tǒng)火炕和相變火炕溫度。結(jié)果顯示：傳統(tǒng)火炕炕面的溫度差別非常大，相變蓄能火炕炕面溫度整體分布相對(duì)均勻；相變蓄熱火炕非常明顯地優(yōu)化了炕面溫度分布情況，并高效延長(zhǎng)了供暖時(shí)間，利于控制室內(nèi)熱舒適性。田海寧[5]針對(duì)陜南地區(qū)的不同類型建筑室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，分別從建筑構(gòu)造做法、圍護(hù)結(jié)構(gòu)能力等方面出發(fā)，分析影響室內(nèi)熱環(huán)境因素，同時(shí)根據(jù)能耗模擬軟件針對(duì)熱環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)模擬，獲得更加科學(xué)和精準(zhǔn)的分析結(jié)果，并提出熱環(huán)境改善策略。王亮[6]等人利用構(gòu)建室內(nèi)自然通風(fēng)模型，分析系統(tǒng)在不同溫度和進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速以及外窗開度耦合狀況下，室內(nèi)人體熱舒適感受可以承受溫度的上限值、空氣流速以及外窗的開度適用范圍。隨著開度的不斷增加室內(nèi)熱舒適性會(huì)增強(qiáng)；在風(fēng)速不斷增加情況下帶來(lái)的不適也要考慮在內(nèi)。上述方法在一定程度上解決了室內(nèi)熱舒適性的問題，但是效果并不理想。

為了更好地分析與控制室內(nèi)熱舒適性，提出基于FLUENT模擬的通風(fēng)室內(nèi)熱舒適性自動(dòng)調(diào)節(jié)方法。

2 通風(fēng)室內(nèi)熱舒適性自動(dòng)調(diào)節(jié)

2.1 室內(nèi)環(huán)境模擬

研究對(duì)象的室內(nèi)環(huán)境模擬具體過程分為以下步驟：

1)數(shù)學(xué)模型

引入FLUENT中具備的不可壓縮氣體規(guī)范k-ε湍流模型，出于不考量用戶自定義，k方程和ε方程能夠簡(jiǎn)化成

(1)

(2)

其中，μt代表湍流黏性系數(shù)，表達(dá)式為

(3)

式中，ρ代表流體的密度值，Gk代表因平均速度提取啟動(dòng)的湍流功能，C1ε、C2ε代表常數(shù)，取值分別為1.44和1.92，σk、σε代表湍流數(shù)，取值分別為1和1.3。

2)幾何模型構(gòu)建和網(wǎng)格劃分

當(dāng)住宅處于風(fēng)場(chǎng)，此時(shí)氣流由室外經(jīng)窗戶傳輸至室內(nèi)，綜合考量計(jì)算機(jī)內(nèi)存與計(jì)算速度約束，針對(duì)戶型1和戶型2模擬過程中分別進(jìn)行建模，同時(shí)將建筑剩余部分均設(shè)定為混凝土實(shí)體。

3)設(shè)置邊界條件

入口邊界條件如下：因地表會(huì)產(chǎn)生摩擦，地表層以上室外風(fēng)速會(huì)隨著高度而不斷提高，300m以下的風(fēng)速能夠以平均風(fēng)速梯度狀況進(jìn)行識(shí)別，風(fēng)速在高度不斷變化下發(fā)生的變化可基于指數(shù)方程進(jìn)行描述，則有

(4)

其中，v(z)代表距離地面z高度位置的風(fēng)速，v(z0)代表參考z0位置的風(fēng)速，α代表粗糙程度指數(shù)，綜合考慮該值可取0.4。

在此，自然通風(fēng)室內(nèi)環(huán)境模擬時(shí)，入口邊界為速度進(jìn)口，此速度值為室外來(lái)流風(fēng)速值，通過FLUENT中具備的編程功能，利用式(4)對(duì)來(lái)流風(fēng)整體速度情況編程。

出口邊界條件設(shè)計(jì)情況如下所示：設(shè)定流動(dòng)在一定程度上充分發(fā)展，在此種情況下邊界條件是自由出口邊界。

2.2 室內(nèi)熱舒適性指標(biāo)

在上述模擬工況下，利用室內(nèi)熱舒適性指標(biāo)的計(jì)算，為通風(fēng)室內(nèi)熱舒適性自動(dòng)調(diào)節(jié)控制器的設(shè)計(jì)提供支撐。

熱舒適性指數(shù)指的是人體對(duì)于熱環(huán)境每一項(xiàng)因素綜合反應(yīng)[7]。該指數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)可分為有效溫度、PMV等若干種，在此，選擇PMV當(dāng)作室內(nèi)熱舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

預(yù)測(cè)平均熱覺指標(biāo)ηPMV將環(huán)境變量和人體的新陳代謝等一系列個(gè)人指標(biāo)變量聯(lián)系到一起，綜合性非常強(qiáng)，表達(dá)式為

ηPMV=(M-W)-Pafc1(Tr-Tsk)-fc1

(5)

其中，M代表人體的新陳代謝率，W代表人體做出的機(jī)械功，Pa代表水蒸氣壓力，fc1代表穿衣面積系數(shù)，Tsk代表衣服外表層溫度，Tr代表輻射溫度均值，hc代表對(duì)流換熱系數(shù)。

2.3 室內(nèi)熱舒適性預(yù)測(cè)調(diào)節(jié)

依據(jù)上述室內(nèi)熱舒適性指標(biāo)的計(jì)算，根據(jù)PMV指標(biāo)對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行廣義預(yù)測(cè)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通風(fēng)室內(nèi)熱舒適性自動(dòng)調(diào)節(jié)。

1)PMV模糊預(yù)測(cè)模型轉(zhuǎn)化過程分析

借鑒相關(guān)研究成果中融合多模型轉(zhuǎn)化思路，不僅能高效防止模型之間硬切換導(dǎo)致的不良影響，還避免了非線性凸優(yōu)化的求解過程復(fù)雜問題[8-9]。該方法運(yùn)行過程中，每條模糊規(guī)則為一個(gè)子模型，先利用變形將各子模型表示為GPC適合的自回歸積分互動(dòng)平均模型，即CARIMA結(jié)構(gòu)，將第i條規(guī)則當(dāng)作示例進(jìn)行計(jì)算，則有

thenΔy′i=ai1Δx′1+…+aipΔx′p

(6)

采樣時(shí)，系統(tǒng)基于該時(shí)間模型輸入，對(duì)各條規(guī)則隸屬度函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，判斷目前各個(gè)子模型權(quán)系數(shù)，針對(duì)多模型實(shí)行融合操作，因通風(fēng)室內(nèi)熱舒適性調(diào)節(jié)是一個(gè)變化比較緩慢的系統(tǒng)，各采樣間隔能夠選擇比較長(zhǎng)的時(shí)間，因此有非常充足的時(shí)間能夠使系統(tǒng)在各間隔內(nèi)均可以重新離線構(gòu)建一次模型。全局預(yù)測(cè)模型能夠以各子模型的組合進(jìn)行描述，形式為

(7)

式中，ai1…aip代表具有離線辨識(shí)功能的T-S模糊模型的后件參數(shù)，c代表規(guī)則數(shù)，也就是子模型的數(shù)量。通過轉(zhuǎn)化后，在此就能夠直接根據(jù)常規(guī)GPC算法進(jìn)行相關(guān)操作。與此同時(shí)，因在各采樣時(shí)刻線性化模型參數(shù)均會(huì)在隸屬度函數(shù)μAi(xi)不斷變化而產(chǎn)生變化，因此相當(dāng)于在各步均對(duì)上一步預(yù)測(cè)模型實(shí)行了相應(yīng)更新，由廣義角度觀察有反饋校正作用。

2)PMV下廣義預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)分析

整個(gè)研究的主要目的為可以調(diào)節(jié)和控制通風(fēng)室內(nèi)熱舒適程度，以此使其可以保持室內(nèi)溫度使人體感覺到舒適。PMV是一種常用的室內(nèi)熱舒適性量化指標(biāo)，將此當(dāng)作出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)熱舒適度指標(biāo)PMV下廣義預(yù)測(cè)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)熱舒適性自動(dòng)調(diào)節(jié)。詳細(xì)如圖1所示。

圖1 PMV下廣義預(yù)測(cè)控制器結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中，控制器需構(gòu)建可以反映被控目標(biāo)特征的一個(gè)預(yù)測(cè)模型，對(duì)于通風(fēng)室內(nèi)熱舒適性指標(biāo)PMV，其能夠當(dāng)作預(yù)測(cè)模型使用。

針對(duì)一般的室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，利用風(fēng)閥對(duì)空調(diào)出口的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以影響室內(nèi)的風(fēng)速，因此室內(nèi)風(fēng)速能夠利用調(diào)節(jié)風(fēng)閥進(jìn)行控制。與此同時(shí)，利用安裝在通風(fēng)室內(nèi)的各溫度和濕度傳感設(shè)備能夠獲取當(dāng)前室內(nèi)的溫度和濕度變化情況[10]。綜合考慮空氣系統(tǒng)具有滯后性，熱舒適性自動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)過程將前一刻室內(nèi)風(fēng)速v(t-1)當(dāng)成控制量u′，前一刻室內(nèi)溫度Ta(t-1)、人體新陳代謝率M(t-1)以及相對(duì)濕度Hai(t-1)結(jié)合代表可測(cè)的擾動(dòng)u′d。與此同時(shí)，控制系統(tǒng)的通風(fēng)室內(nèi)熱舒適性模型采用遞階模糊具有自適應(yīng)性的熱舒適型模型，該模型一共有三層，前兩層輸入變量是Ta、M、Hai，這三個(gè)變量實(shí)際上是不可控的，但是可測(cè)，由此在控制器設(shè)計(jì)過程中融合前兩層模型，構(gòu)成軟測(cè)量模型，模型輸入為上述影響PMV的變量，輸出是中間變量y2，y2不存在物理意義，但其在數(shù)值方面包括該時(shí)刻測(cè)得的通風(fēng)室內(nèi)溫度Ta和濕度Hai以及M綜合信息，能夠起到實(shí)現(xiàn)變量軟測(cè)量的作用。綜上，依據(jù)前一刻各個(gè)環(huán)境擾動(dòng)獲取的y2(t-1)一起當(dāng)作最后一層輸入擾動(dòng)值u′d，將這一層另一輸入值，也就是通風(fēng)室內(nèi)風(fēng)速v(t-1)當(dāng)成控制量u′，這時(shí)模糊模型輸出不會(huì)發(fā)生變化，還是反映當(dāng)前時(shí)刻通風(fēng)室內(nèi)PMV值yPMV(t-1)。

室內(nèi)熱舒適性控制器設(shè)計(jì)過程中，實(shí)際是把最后一層模型當(dāng)成實(shí)際目標(biāo)預(yù)測(cè)模型，因該子模型還是T-S模糊模型，且具備自適應(yīng)性，由此，依舊根據(jù)PMV模糊預(yù)測(cè)模型轉(zhuǎn)化過程對(duì)模型實(shí)行轉(zhuǎn)化，接著據(jù)此實(shí)現(xiàn)廣義預(yù)測(cè)調(diào)控。

圖2 PMV遞階模糊模型示意圖

通風(fēng)室內(nèi)熱舒適性預(yù)測(cè)控制器將yr(t)=0當(dāng)作滾動(dòng)優(yōu)化過程中設(shè)定值，yr描述的物理意義為當(dāng)前室內(nèi)PMV，PMV越接近0，則說(shuō)明目前室內(nèi)熱舒適性就越符合人體需求。將yr(t)=0當(dāng)作基礎(chǔ)構(gòu)建柔化參考軌跡w(t+k)，對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)利用優(yōu)化控制將PMV值控制在0，亦或是接近0。

綜合考慮通風(fēng)室內(nèi)風(fēng)速真實(shí)可控范圍，針對(duì)控制量u′與控制量的增量Δu′進(jìn)行約束。

根據(jù)上述內(nèi)容，設(shè)計(jì)的控制器能夠歸納成如下問題，則被控目標(biāo)模型可表示為

(8)

s.t.u′min≤u′(t+k-1)

Δu′min≤u′(t+k-1)-u′(t+k-2)<Δu′max

(9)

根據(jù)性能指標(biāo)最佳的控制增量，當(dāng)前時(shí)刻控制量可表示為

u′(t)=u′(t-1)+Δu′(t)

(10)

其中，N1、Nu代表優(yōu)化時(shí)域起點(diǎn)和控制步長(zhǎng)。

綜合上述內(nèi)容，提出利用帶約束條件的廣義預(yù)測(cè)控制器對(duì)室內(nèi)熱舒適性進(jìn)行自主式控制。將熱舒適性指標(biāo)PMV當(dāng)作被控目標(biāo)，控制器設(shè)計(jì)時(shí)通過遞階模糊室內(nèi)自動(dòng)熱舒適性模型，將模型劃分成軟測(cè)量與預(yù)測(cè)兩部分。對(duì)于預(yù)測(cè)模型根據(jù)融合多模型法轉(zhuǎn)化成適用于廣義預(yù)測(cè)控制GPC格式，且參數(shù)具有時(shí)變性的模型，并以此為依據(jù)完成帶約束條件的GPC控制器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)熱舒適性自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證基于FLUENT模擬的通風(fēng)室內(nèi)熱舒適性自動(dòng)調(diào)節(jié)方法運(yùn)行性能，進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)選擇某居住小區(qū)位于南部的兩個(gè)戶型，當(dāng)夏季主導(dǎo)風(fēng)是南向時(shí)，房間處在風(fēng)場(chǎng)的上游位置，受到的總影響比較小。

3.1 研究對(duì)象

以某住宅小區(qū)建筑為研究對(duì)象，選擇了其中一棟樓的兩種戶型：戶型1和戶型2。房間布置不同，圖4和表1分別為兩個(gè)戶型平面圖和窗尺寸情況。

圖4 兩個(gè)戶型平面圖

表1 兩種戶型窗尺寸

3.2 建筑所在地氣象環(huán)境

在分析室內(nèi)通風(fēng)熱舒適性過程中，針對(duì)研究的住宅建筑所處地區(qū)氣象數(shù)據(jù)資料，選擇較為典型的氣候狀況。由于夏季的自然通風(fēng)情況較多，因此選擇夏季氣象環(huán)境作為室內(nèi)熱舒適性研究時(shí)段。研究地區(qū)盛行南風(fēng)和東南風(fēng)，風(fēng)速均值為1.8m/s，溫度分別在28℃和31℃，濕度為82%，選擇在該條件下針對(duì)通風(fēng)室內(nèi)情況進(jìn)行模擬。

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，以盡可能貼近實(shí)際工況為目的，同時(shí)考慮到工況在變化過程中系統(tǒng)整體控制效果，設(shè)定采樣點(diǎn)為500個(gè)，采樣間隔是1分鐘。利用采集到的數(shù)據(jù)對(duì)所提方法的風(fēng)速控制和PMV控制效果進(jìn)行驗(yàn)證。

分析圖5和圖6可知，與文獻(xiàn)成果相比，所提方法對(duì)于風(fēng)速和PMV的控制效果較為理想，風(fēng)速和PMV變化較為平穩(wěn)，表示在所提方法的運(yùn)行下，室內(nèi)的舒適度，也就是溫度和濕度等指標(biāo)均符合人體舒適感受，且這種狀態(tài)較為穩(wěn)定。所提方法以PMV為控制變量設(shè)計(jì)了室內(nèi)環(huán)境控制器，該廣義預(yù)測(cè)控制器在高效滿足控制量約束下，利用調(diào)節(jié)控制變量，使通風(fēng)室內(nèi)熱環(huán)境能夠滿足人體舒適性需求，控制效果良好。

圖5 不同研究成果風(fēng)速控制效果

圖6 不同研究成果PMV控制效果

4 結(jié)束語(yǔ)

室內(nèi)熱環(huán)境控制越來(lái)越重要，面向通風(fēng)室內(nèi)舒適性控制，提出基于FLUENT模擬的通風(fēng)室內(nèi)熱舒適性自動(dòng)調(diào)節(jié)方法。以PMV指標(biāo)為控制變量，設(shè)計(jì)室內(nèi)環(huán)境預(yù)測(cè)控制器。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠滿足室內(nèi)人體熱舒適性需求，具有可實(shí)踐性。下一步可針對(duì)滿足熱舒適性需求的同時(shí)，進(jìn)一步節(jié)約能耗，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)性室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)。