基于FLUENT的通風室內熱舒適性自動調節(jié)仿真

胡俊生，吳 帥

(沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

1 引言

自然式通風能夠高效減少建筑能耗，應用范圍十分廣泛[1]。在現(xiàn)代社會不斷發(fā)展中，人們的大部分時間會在室內中度過，由此，人們對室內環(huán)境質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不能滿足大眾日常需求，越來越多的人希望可以將自身熱舒適性當作出發(fā)點，對室內溫度影響因素進行分析和控制[2-3]。綜上，對通風室內熱舒適性進行調節(jié)有著很重要的現(xiàn)實意義，引起了該領域相關人員的關注。

李剛[4]等人將火炕熱舒適性當作對象進行研究。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，并延長炕面供暖時長為目的，將石蠟和炕體結合，根據(jù)相變材料具備的恒溫蓄能換熱特點，比較試驗傳統(tǒng)火炕和相變火炕溫度。結果顯示：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，并高效延長了供暖時間，利于控制室內熱舒適性。田海寧[5]針對陜南地區(qū)的不同類型建筑室內熱環(huán)境進行試驗，對試驗結果進行比較分析，分別從建筑構造做法、圍護結構能力等方面出發(fā)，分析影響室內熱環(huán)境因素，同時根據(jù)能耗模擬軟件針對熱環(huán)境進行相應模擬，獲得更加科學和精準的分析結果，并提出熱環(huán)境改善策略。王亮[6]等人利用構建室內自然通風模型，分析系統(tǒng)在不同溫度和進風口風速以及外窗開度耦合狀況下，室內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熱舒適性會增強；在風速不斷增加情況下帶來的不適也要考慮在內。上述方法在一定程度上解決了室內熱舒適性的問題，但是效果并不理想。

為了更好地分析與控制室內熱舒適性，提出基于FLUENT模擬的通風室內熱舒適性自動調節(jié)方法。

2 通風室內熱舒適性自動調節(jié)

2.1 室內環(huán)境模擬

研究對象的室內環(huán)境模擬具體過程分為以下步驟：

1)數(shù)學模型

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方程能夠簡化成

(1)

(2)

其中，μt代表湍流黏性系數(shù)，表達式為

(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)幾何模型構建和網格劃分

當住宅處于風場，此時氣流由室外經窗戶傳輸至室內，綜合考量計算機內存與計算速度約束，針對戶型1和戶型2模擬過程中分別進行建模，同時將建筑剩余部分均設定為混凝土實體。

3)設置邊界條件

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

(4)

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

在此，自然通風室內環(huán)境模擬時，入口邊界為速度進口，此速度值為室外來流風速值，通過FLUENT中具備的編程功能，利用式(4)對來流風整體速度情況編程。

出口邊界條件設計情況如下所示：設定流動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 室內熱舒適性指標

在上述模擬工況下，利用室內熱舒適性指標的計算，為通風室內熱舒適性自動調節(jié)控制器的設計提供支撐。

熱舒適性指數(shù)指的是人體對于熱環(huán)境每一項因素綜合反應[7]。該指數(shù)評價指標可分為有效溫度、PMV等若干種，在此，選擇PMV當作室內熱舒適性的評價指標。

預測平均熱覺指標ηPMV將環(huán)境變量和人體的新陳代謝等一系列個人指標變量聯(lián)系到一起，綜合性非常強，表達式為

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代表對流換熱系數(shù)。

2.3 室內熱舒適性預測調節(jié)

依據(jù)上述室內熱舒適性指標的計算，根據(jù)PMV指標對室內空氣進行廣義預測控制，進而實現(xiàn)通風室內熱舒適性自動調節(jié)。

1)PMV模糊預測模型轉化過程分析

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

thenΔy′i=ai1Δx′1+…+aipΔx′p

(6)

采樣時，系統(tǒng)基于該時間模型輸入，對各條規(guī)則隸屬度函數(shù)進行計算，判斷目前各個子模型權系數(shù)，針對多模型實行融合操作，因通風室內熱舒適性調節(jié)是一個變化比較緩慢的系統(tǒng)，各采樣間隔能夠選擇比較長的時間，因此有非常充足的時間能夠使系統(tǒng)在各間隔內均可以重新離線構建一次模型。全局預測模型能夠以各子模型的組合進行描述，形式為

(7)

式中，ai1…aip代表具有離線辨識功能的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。通過轉化后，在此就能夠直接根據(jù)常規(guī)GPC算法進行相關操作。與此同時，因在各采樣時刻線性化模型參數(shù)均會在隸屬度函數(shù)μAi(xi)不斷變化而產生變化，因此相當于在各步均對上一步預測模型實行了相應更新，由廣義角度觀察有反饋校正作用。

2)PMV下廣義預測控制結構分析

整個研究的主要目的為可以調節(jié)和控制通風室內熱舒適程度，以此使其可以保持室內溫度使人體感覺到舒適。PMV是一種常用的室內熱舒適性量化指標，將此當作出發(fā)點，針對熱舒適度指標PMV下廣義預測控制器進行設計，實現(xiàn)室內熱舒適性自動調節(jié)。詳細如圖1所示。

圖1 PMV下廣義預測控制器結構示意圖

圖1中，控制器需構建可以反映被控目標特征的一個預測模型，對于通風室內熱舒適性指標PMV，其能夠當作預測模型使用。

針對一般的室內溫度調節(jié)系統(tǒng)，利用風閥對空調出口的風量進行調節(jié)，可以影響室內的風速，因此室內風速能夠利用調節(jié)風閥進行控制。與此同時，利用安裝在通風室內的各溫度和濕度傳感設備能夠獲取當前室內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，熱舒適性自動控制器的設計過程將前一刻室內風速v(t-1)當成控制量u′，前一刻室內溫度Ta(t-1)、人體新陳代謝率M(t-1)以及相對濕度Hai(t-1)結合代表可測的擾動u′d。與此同時，控制系統(tǒng)的通風室內熱舒適性模型采用遞階模糊具有自適應性的熱舒適型模型，該模型一共有三層，前兩層輸入變量是Ta、M、Hai，這三個變量實際上是不可控的，但是可測，由此在控制器設計過程中融合前兩層模型，構成軟測量模型，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)值方面包括該時刻測得的通風室內溫度Ta和濕度Hai以及M綜合信息，能夠起到實現(xiàn)變量軟測量的作用。綜上，依據(jù)前一刻各個環(huán)境擾動獲取的y2(t-1)一起當作最后一層輸入擾動值u′d，將這一層另一輸入值，也就是通風室內風速v(t-1)當成控制量u′，這時模糊模型輸出不會發(fā)生變化，還是反映當前時刻通風室內PMV值yPMV(t-1)。

室內熱舒適性控制器設計過程中，實際是把最后一層模型當成實際目標預測模型，因該子模型還是T-S模糊模型，且具備自適應性，由此，依舊根據(jù)PMV模糊預測模型轉化過程對模型實行轉化，接著據(jù)此實現(xiàn)廣義預測調控。

圖2 PMV遞階模糊模型示意圖

通風室內熱舒適性預測控制器將yr(t)=0當作滾動優(yōu)化過程中設定值，yr描述的物理意義為當前室內PMV，PMV越接近0，則說明目前室內熱舒適性就越符合人體需求。將yr(t)=0當作基礎構建柔化參考軌跡w(t+k)，對控制器進行設計時利用優(yōu)化控制將PMV值控制在0，亦或是接近0。

綜合考慮通風室內風速真實可控范圍，針對控制量u′與控制量的增量Δu′進行約束。

根據(jù)上述內容，設計的控制器能夠歸納成如下問題，則被控目標模型可表示為

(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)性能指標最佳的控制增量，當前時刻控制量可表示為

u′(t)=u′(t-1)+Δu′(t)

(10)

其中，N1、Nu代表優(yōu)化時域起點和控制步長。

綜合上述內容，提出利用帶約束條件的廣義預測控制器對室內熱舒適性進行自主式控制。將熱舒適性指標PMV當作被控目標，控制器設計時通過遞階模糊室內自動熱舒適性模型，將模型劃分成軟測量與預測兩部分。對于預測模型根據(jù)融合多模型法轉化成適用于廣義預測控制GPC格式，且參數(shù)具有時變性的模型，并以此為依據(jù)完成帶約束條件的GPC控制器設計，實現(xiàn)室內熱舒適性自動調節(jié)。

3 實驗結果與分析

為驗證基于FLUENT模擬的通風室內熱舒適性自動調節(jié)方法運行性能，進行一次實驗。實驗環(huán)境如圖3所示。

圖3 實驗環(huán)境

實驗選擇某居住小區(qū)位于南部的兩個戶型，當夏季主導風是南向時，房間處在風場的上游位置，受到的總影響比較小。

3.1 研究對象

以某住宅小區(qū)建筑為研究對象，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分別為兩個戶型平面圖和窗尺寸情況。

圖4 兩個戶型平面圖

表1 兩種戶型窗尺寸

3.2 建筑所在地氣象環(huán)境

在分析室內通風熱舒適性過程中，針對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情況較多，因此選擇夏季氣象環(huán)境作為室內熱舒適性研究時段。研究地區(qū)盛行南風和東南風，風速均值為1.8m/s，溫度分別在28℃和31℃，濕度為82%，選擇在該條件下針對通風室內情況進行模擬。

在實驗時，以盡可能貼近實際工況為目的，同時考慮到工況在變化過程中系統(tǒng)整體控制效果，設定采樣點為500個，采樣間隔是1分鐘。利用采集到的數(shù)據(jù)對所提方法的風速控制和PMV控制效果進行驗證。

分析圖5和圖6可知，與文獻成果相比，所提方法對于風速和PMV的控制效果較為理想，風速和PMV變化較為平穩(wěn)，表示在所提方法的運行下，室內的舒適度，也就是溫度和濕度等指標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為控制變量設計了室內環(huán)境控制器，該廣義預測控制器在高效滿足控制量約束下，利用調節(jié)控制變量，使通風室內熱環(huán)境能夠滿足人體舒適性需求，控制效果良好。

圖5 不同研究成果風速控制效果

圖6 不同研究成果PMV控制效果

4 結束語

室內熱環(huán)境控制越來越重要，面向通風室內舒適性控制，提出基于FLUENT模擬的通風室內熱舒適性自動調節(jié)方法。以PMV指標為控制變量，設計室內環(huán)境預測控制器。通過實驗對所提方法進行驗證，實驗結果表明，該方法能夠滿足室內人體熱舒適性需求，具有可實踐性。下一步可針對滿足熱舒適性需求的同時，進一步節(jié)約能耗，實現(xiàn)綠色可持續(xù)性室內環(huán)境調節(jié)。