廠房溫度特性建模與動態(tài)仿真

費鳳繁 蒲學(xué)森 范海川 付明坤 呂浩男 吳嘉峰 陳亞平

1 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

2 深圳東方鍋爐控制有限公司成都分公司

0 引言

隨著國內(nèi)半導(dǎo)體和液晶產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，電子行業(yè)制造水平越來越高，在生產(chǎn)高精度產(chǎn)品的過程中，對潔凈廠房內(nèi)的工作區(qū)劃分得更加細致，溫度控制也愈發(fā)嚴(yán)格。為使廠房的溫度可以自動調(diào)節(jié)，空調(diào)自動控制系統(tǒng)得到廣泛運用，對廠房內(nèi)部溫度特性研究提出了更高的要求。目前有關(guān)于潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的研究[1]，而對于潔凈廠房內(nèi)部溫度特性的研究則較少。為開發(fā)研究潔凈廠房內(nèi)部的溫度特性的模型，需要參考民居、寫字樓、商場等資料較為豐富的室內(nèi)溫度特性數(shù)值模擬方法，并對比分析現(xiàn)已廣泛應(yīng)用的Multizone，CFD 和Zonal 建筑室內(nèi)溫度模型。

根據(jù)文獻調(diào)研，Multizone 和CFD 模型對室內(nèi)溫度特性影響因素的研究較為全面[2～3]，不過該兩種模型前者過于粗糙，不合適在建模精度很高的潔凈廠房中單獨采用。后者需要消耗大量計算資源，且在溫控要求一致的區(qū)域存在大量計算網(wǎng)格和需要處理的數(shù)據(jù)，兩者對潔凈廠房溫度特性模型的適用性均不夠強。而Zonal 過渡模型對室內(nèi)溫度場研究的較多[4～5]，對室內(nèi)溫度特性影響因素進行全面分析的研究較為少見。為快速、準(zhǔn)確地研究多種因素對潔凈廠房內(nèi)溫度特性的影響，本文采用Multizone 和Zonal 模型耦合的思想，建立數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上使用MATLAB/Simulink軟件較為全面地分析潔凈廠房各區(qū)域溫度對送風(fēng)量、送風(fēng)溫度、室內(nèi)設(shè)備散熱量、室外參數(shù)等因素的動態(tài)響應(yīng)，從而較快速、全面地掌握潔凈廠房內(nèi)部溫度特性。論文的建模方案和數(shù)據(jù)計算過程也可能進一步應(yīng)用于其它潔凈廠房或溫控要求較高的工業(yè)以及民用建筑。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 研究對象

研究對象選取位于四川省成都市的某一潔凈廠房（下文簡稱為廠房），東/西向為94.4 m，南/北向為74.6 m（外圍尺寸），該廠房共有兩層，一層無設(shè)備，凈高4.2 m，二層為設(shè)備層，凈高5 m。本文主要研究廠房二層的溫度特性。廠房的外圍護結(jié)構(gòu)材料為普通混凝土空心砌塊。廠房內(nèi)側(cè)四周設(shè)有回風(fēng)夾道，材料為PU彩鋼復(fù)合板。廠房內(nèi)設(shè)有空調(diào)系統(tǒng)，由新風(fēng)處理系統(tǒng)，回風(fēng)處理系統(tǒng)和風(fēng)機過濾系統(tǒng)組成。

1.2 廠房模型

本文運用能量守恒定律，結(jié)合Multizone 和Zonal模型，建立廠房溫度特性的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)Multizone模型，對廠房內(nèi)部、圍護結(jié)構(gòu)、室外分別建立節(jié)點，不同的圍護結(jié)構(gòu)設(shè)置相應(yīng)的節(jié)點。為得到內(nèi)部更細致的溫度特性，采用Zonal 模型中室內(nèi)空間分區(qū)的思想，將廠房內(nèi)部劃分為多個區(qū)域：廠房一樓無生產(chǎn)設(shè)備，溫度分布均勻，控制要求較低，設(shè)置成一個節(jié)點。二樓為生產(chǎn)車間，面積較大，不同分區(qū)有不同的溫控要求，水平方向劃分20 個區(qū)，每個區(qū)設(shè)置一個計算節(jié)點，垂直方向不分區(qū)。圖1 為該模型的廠房節(jié)點圖，設(shè)置了6 個重要區(qū)域的測溫點A～F，分別對應(yīng)分區(qū)1、2、7、10、12、14，本文利用這6 個測溫點對照，分析實測和模擬數(shù)據(jù)。圖1 中tEO1～tEO3、tSO1～tSO4、tNO1、tNO2為不與回風(fēng)夾道接觸的外墻節(jié)點；teo1、teo2、tso1、tso2、tno1、tno2為與回風(fēng)夾道接觸的外墻節(jié)點；teh1、teh2、tsh1～tsh5、twh1、twh2、tnh1、tnh2為回風(fēng)夾道節(jié)點；tEI1～tEI3、tSI1～tSI4、tWI1、tWI2、tNI1為內(nèi)墻節(jié)點；tj1～tj3為靜電簾節(jié)點；t1～t20為室內(nèi)節(jié)點，其中節(jié)點t17為不送風(fēng)區(qū)域，節(jié)點t4、t5為更衣室，節(jié)點t19、t20為樓梯間；圓形物件為生產(chǎn)設(shè)備。

圖1 廠房二樓節(jié)點設(shè)置

本文忽略室內(nèi)輻射傳熱，并認為生產(chǎn)設(shè)備、照明、人員的散熱直接散發(fā)到空氣中，室外對外墻的輻射作用以太陽輻射的形式輸入。由能量守恒定律有：

外墻、回風(fēng)夾道、內(nèi)墻、靜電簾、二樓室內(nèi)的數(shù)學(xué)表達式分別以tEO1、tnh2、tSI3、tj1、t3節(jié)點為例。一樓只有t1F一個節(jié)點的數(shù)學(xué)表達式。

式（1）～（7）中，m（kg）為質(zhì)量，c（J/(kg·K)）為空氣比熱容，（t℃）為溫度，τ（s）為時間，Ri，j（K/W）為節(jié)點間的換熱熱阻，E（W）為外墻吸收的太陽輻射量，ρ（kg/m3）為空氣密度，G（m3/s）為風(fēng)量，Qin（W）為節(jié)點散熱量。設(shè)計工況下，夏季室外溫度為35 ℃，太陽輻射照度為：東向為151 W/m2，南向為93 W/m2，北向為86 W/m2，西向外墻對室內(nèi)溫度無影響，日照吸收率取0.7。廠房各節(jié)點Simulink 仿真模塊圖搭建原理相同，以圖2 節(jié)點t3為例。

圖2 廠房節(jié)點t3 Simulink 模塊圖

1.3 空調(diào)系統(tǒng)模型

在空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理循環(huán)中，處理過的新風(fēng)與回風(fēng)混合后送入室內(nèi)，隨后，室內(nèi)空氣一部分作為回風(fēng)進入循環(huán)，另一部分作為排風(fēng)排到室外。為了平衡模型的總風(fēng)量，假設(shè)排風(fēng)量與新風(fēng)量相同。對空調(diào)中的新風(fēng)處理系統(tǒng)、回風(fēng)處理系統(tǒng)、風(fēng)機過濾系統(tǒng)分別建立模型。制冷狀態(tài)下，設(shè)計工況的新風(fēng)入口溫度為35 ℃，濕球溫度為28 ℃，含濕量為21.11 g/kg，密度為1.2 kg/m3，比熱容為1005 J/kg·K?？照{(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量為28 m3/s，回風(fēng)量為1334 m3/s。

1.4 整體模型

根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB/Simulink創(chuàng)建廠房節(jié)點、新風(fēng)處理系統(tǒng)、回風(fēng)處理系統(tǒng)、風(fēng)機過濾系統(tǒng)的仿真模型，分別封裝為子模塊，連接各子模塊以得到廠房溫控對象整體模型，如圖3 所示。

圖3 廠房整體Simulink 模型

1.5 模型校驗

表1中在空調(diào)的設(shè)計工況下，6 個測溫點的仿真平衡溫度與實測溫度值，模擬結(jié)果的誤差在0.3℃以內(nèi)，在誤差允許范圍內(nèi)，仿真模型較為準(zhǔn)確。平衡溫度為系統(tǒng)達到熱平衡時的溫度。

表1 制冷狀態(tài)下廠房測溫點仿真平衡溫度與實測值

2 廠房溫度特性分析

運用該模型可以更方便地分析室內(nèi)各分區(qū)節(jié)點對空調(diào)系統(tǒng)、散熱量、室外參數(shù)變化的響應(yīng)情況，本文以6 個測溫點為所在區(qū)域為例，主要研究參數(shù)階躍變化、室內(nèi)參數(shù)小幅度波動變化、室外參數(shù)晝夜周期性變化時測溫點的動態(tài)響應(yīng)情況，并分析各參數(shù)對室內(nèi)溫度的影響程度。

2.1 空調(diào)系統(tǒng)對廠房溫度的控制

2.1.1 送風(fēng)量和送風(fēng)溫度的影響

可通過改變送風(fēng)參數(shù)的輸入值，分析測溫點溫度響應(yīng)情況。圖4（a）中，送風(fēng)量變化為80%，各測溫點溫度上升約0.3 ℃，響應(yīng)時間小于1 h。圖4（b）中，送風(fēng)溫度升高1 ℃，各測溫點溫度上升約1 ℃，響應(yīng)時間小于600 s。

圖4 送風(fēng)量、送風(fēng)溫度變化時各測溫點的溫度響應(yīng)

2.1.2 送風(fēng)量、送風(fēng)溫度波動的影響

在實際運行時，受環(huán)境影響，送風(fēng)量和送風(fēng)溫度不是恒定的，會有微小的波動，可使用Simulink 軟件模擬現(xiàn)實波動情況。設(shè)計工況下，風(fēng)機過濾系統(tǒng)送風(fēng)量1362 m3/s，送風(fēng)溫度為21.97 ℃。由圖5（a）可知，送風(fēng)量波動幅度為50 m3/s 時，測溫點溫度波動幅度約為0.1 ℃。由圖5（b）可知，當(dāng)送風(fēng)溫度波動幅度為0.2 ℃時，測溫點溫度波動幅度約為0.2 ℃，與上文送風(fēng)溫度對室溫的影響結(jié)論一致。

圖5 送風(fēng)量和送風(fēng)溫度波動時各測溫點響應(yīng)情況

2.2 室內(nèi)散熱量的影響

2.2.1 散熱量變化的影響

在廠房使用過程中，有時會調(diào)大某些設(shè)備的功率，因此，有必要對局部設(shè)備散熱量突增的情況進行模擬。在其他參數(shù)不變的情況下，將測溫點A 所在分區(qū)的散熱量增至原來的150%，進行仿真模擬。圖6 中各測溫點溫度均上升，響應(yīng)時間小于1 h，其中測溫點A 升高約0.6 ℃，其余五個測溫點升高約0.1 ℃，可知測溫點A 溫度增加得比其余測溫點多。由圖6 起始處各節(jié)點曲線變化可知，測溫點A 的溫度響應(yīng)速度最快，其余測溫點溫度變化相對滯后。由上述結(jié)果可得，設(shè)備散熱量的變化對所處區(qū)域的溫度影響最大，對其他區(qū)域影響較小。

圖6 測溫點A 所在分區(qū)散熱量增加時各測溫點的溫度響應(yīng)

2.2.2 單個區(qū)域散熱量波動的影響

在實際運行時，每個分區(qū)設(shè)備散熱量不是恒定的，根據(jù)運行工況可能會有一定的波動，可使用Simulink軟件模擬現(xiàn)實波動情況。設(shè)計工況下，1 區(qū)散熱量為133.4 kW。由圖7 可知，當(dāng)散熱量波動幅度為100 kW時，測溫點A 溫度波動幅度約為0.8 ℃，測溫點B～測溫點F 溫度波動幅度較為相近，約為0.1 ℃，與上文1區(qū)散熱量變化對室溫的影響一致。

圖7 1 區(qū)散熱量波動變化時各測溫點溫度波動曲線

2.3 室外參數(shù)、送風(fēng)溫度、區(qū)域散熱量耦合影響

通過同時改變室外參數(shù)、室內(nèi)溫度、區(qū)域散熱量的輸入函數(shù)，可以得到三者耦合作用下室溫的變化情況。為模擬真實運行情況，設(shè)定該廠房6:00～18:00 為連續(xù)工作時間，18:00～次日6:00 為停工休息時間，期間空調(diào)、設(shè)備、照明都停止運行。查詢氣象網(wǎng)站，得到2019年6 月20 日至2019 年6 月22 日三天的逐時溫度，查閱規(guī)范[6]，得到夏季各向逐時太陽總輻射照度（設(shè)三天太陽輻射照度變化規(guī)律相同）。工作時間內(nèi)，室內(nèi)溫度波動幅度為0.2 ℃，各區(qū)散熱量波動幅度為設(shè)計工況下散熱量的依20%。圖8 中6:00～18:00 時間段室溫受送風(fēng)溫度和各區(qū)散熱量影響較大，各測溫點波動幅度相近，約為0.4 ℃。18:00～次日6:00 室內(nèi)溫度由室外參數(shù)支配，停工后室內(nèi)溫度會逐漸上升，最高上升約4 ℃，后隨著室外溫度降低而降低。

圖8 室外參數(shù)、送風(fēng)溫度、區(qū)域散熱量耦合變化時各測溫點溫度響應(yīng)

3 結(jié)論

本文結(jié)合Multizone 和Zonal 模型，針對潔凈廠房建立一套溫度特性仿真模型。模型通過對廠房空間的靈活分區(qū)，體現(xiàn)了不同廠房區(qū)域、結(jié)構(gòu)和設(shè)施對廠房溫度特性的影響，更好地適應(yīng)了精細、嚴(yán)格的潔凈廠房溫控要求。本文通過對廠房溫度特性的仿真模擬，得到以下結(jié)論：

1）空調(diào)系統(tǒng)對室溫的影響主要體現(xiàn)在送風(fēng)量與送風(fēng)溫度，室溫響應(yīng)較快。送風(fēng)量和送風(fēng)溫度有微小波動時，室溫也會產(chǎn)生微小波動。

2）散熱量階躍或波動變化對所處分區(qū)的影響大于其他分區(qū)，測溫點A 所處分區(qū)散熱量變化時，測溫點B～F 的溫度響應(yīng)相對測溫點A 有滯后現(xiàn)象。

3）在室外參數(shù)、送風(fēng)溫度、散熱量波動的耦合影響下，廠房連續(xù)運行時，室內(nèi)參數(shù)影響較大，室外參數(shù)對室溫周期性影響并不明顯，廠房停工休息時，室溫由室外參數(shù)支配。