CN104572246B - 用于改善建筑物内环境的交互式优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于改善建筑物内环境的交互式优化方法，包括步骤：建立基于计算流体力学软件的室内环境仿真模块，并配置相关数据接口；建立数据交互模块，实现仿真程序与优化算法之间的数据交互；建立基于进化算法的优化模块，运用进化算法搜索暖通空调送风温度和速度的最优值使得建筑物内环境最优且建筑能耗最小。本发明利用环境仿真和科学计算软件各自接口，整合多方软件组成不同模块，运用数据交互技术将建筑环境中的多种分布式参数直接传递给优化算法，使得优化方法能充分考虑空间分布对环境参数的影响，相对目前的建筑环境优化方法，本发明具有通用性好、精度高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于改善建筑物内环境的交互式优化方法，属于建筑环境与建筑节能领域。
背景技术
在目前全球节能减排的大背景下，如何协调和优化建筑室内环境与空调能耗越来越受到关注。近年来，针对建筑物内环境的优化方法已得到长足发展，从早期的梯度寻优发展到目前广泛运用的各类智能寻优(如遗传算法，微粒群算法等)，优化参数则逐渐涵盖了室内环境的各方面，包括热舒适度、空气质量以及空调能耗等。
在各类建筑环境优化方法中，如何针对候选控制变量准确地解算环境响应是一个核心问题。由于现成的建筑室内环境模型很难同时满足优化的实时性和精确度要求，目前通常的做法是假设室内空气完全混合，即忽略空间分布对环境参数的影响，采用经验模型或半机理模型的方法求解环境响应。而实际上，对于大多数空调系统，特别像置换通风系统来说，室内的环境参数在空间上有较大差异。忽略这种差异会导致优化效果与室内各区域人员的实际感受不符，引起各种舒适度抱怨。目前国际上这方面研究很有限。原因是室内多参数环境建模复杂，须借助CFD工具，且很难直接与在线的优化算法整合。
2013年，有文献提出一种基于模型降阶技术的建筑室内环境优化方法。其特点在于通过构造低阶的环境参数变化子空间，将相关的室内环境参数模型直接嵌入寻优过程中，实现环境响应的快速解算。该方法充分考虑了环境参数的空间分布特性，但建模复杂，不易工程技术人员掌握。
发明内容
针对现有建筑室内环境优化方法所存在的上述缺陷，本发明提供一种用于改善建筑物内环境的交互式优化方法。其特点在于利用环境仿真和科学计算软件各自接口，整合多方软件组成不同模块，运用数据交互技术将建筑环境仿真中的多种分布式参数直接传递给优化算法，使得优化方法能充分考虑空间分布对环境参数的影响，相对目前的环境优化方法，本发明具有通用性好、优化精度高等特点。
本发明的技术方案是：
用于改善建筑物内环境的交互式优化方法，具体包括如下步骤：
(1)建立基于计算流体力学软件的室内环境仿真模块，配置相关数据接口文件；
(2)建立基于Visual C++的数据交互模块，用于在优化过程中将控制变量从优化模块传递给仿真模块，同时将环境参数从仿真模块传递给优化模块；
(3)建立优化模块，优化算法为进化算法，用加权方式设置代价函数；
(4)启动优化算法，得到空调控制量的优化值。
进一步，所述步骤(1)中，计算流体力学软件使用Airpak软件；室内环境仿真模型的建立步骤如下：
A.利用Airpak软件建立建筑物内环境的几何模型并划分网格；
B.利用Airpak软件在空调出风口、回风口及用户区域等位置设定多个点用于记录环境参数，具体设定为：空调出风口处为P1点，空调回风口处为P2点，用户区域为P3-P5点；环境参数包括：温度、风速和污染物浓度。这里的污染物用二氧化碳气体代表。
C.室内气体流动假设为湍流，Fluent求解器设置为解算质量、动量、能量及组分方程的稳态解。在离散化方法设置中，压力、动量和温度方程选择二阶差分法，组分方程采用一阶差分法；各项松弛因子均设为默认值，最后设置迭代计算次数。
进一步，所述步骤(1)中，配置相关数据接口文件的步骤如下：
A.配置仿真模块输入文件。具体为：将Airpak工程文件(*.cas)中暖通空调出风口的温度/风速值分别设置为控制变量形式：AIRTEMP和AIRSPEED，并将此文件定义为输入文件供交互模块调用，文件名改为Template.cas，用于设置控制变量；
B.配置仿真模块输出文件。具体为：通过Airpak软件将室内P1-P5点的相关环境参数值自动保存为文本文件(.out文件)供交互模块读取，用于解算优化模块中的代价函数。
进一步，所述步骤(2)中，数据交互模块由Visual C++语言编写的控制台程序实现，交互模块的建立具体包括如下步骤：
A.读取优化模块输出文件中的控制变量值并赋值给仿真模块输入文件Template.cas的对应变量AIRTEMP和AIRSPEED；然后根据输入文件格式复制生成新的Airpak工程文件参与仿真；
B.根据新的工程文件启动Fluent解算器，求解稳态室内环境参数，启动指令由批处理命令完成；
C.在稳态仿真结束之后，从仿真模块输出文件(.out文件)中查找P1-P5点的稳态温度、风速和污染物浓度值，提取并写入优化模块输入文件中。
进一步，所述步骤(3)中，优化模块的建立须预先配置接口文件，用于与交互模块进行数据读写。优化模块接口文件包括输入文件MatlabIO_X.txt和输出文件MatlabIO_Y.txt。MatlabIO_X.txt中依次存放P1-P5各点的稳态温度、风速和污染物浓度值，MatlabIO_Y.txt中依次存放空调出风口的温度与风速值。
进一步，所述步骤(3)中，进化算法具体为遗传算法；代价函数为建筑环境指标与能耗指标的加权形式；建筑环境指标包括预测平均投票数(PMV)指标及通风效力指标；能耗指标包括风机能耗指标和制冷能耗指标。
本发明提出一种用于改善建筑物内环境的交互式优化方法，充分利用环境仿真和科学计算软件各自接口，将建筑环境仿真模型直接“嵌入”优化算法中，可满足环境优化的精确性和通用性要求。
相对目前的环境优化方法，本发明的优点表现在：
1、优化的精确性。本发明不再假设室内空气“充分混合”，而是利用CFD工具对建筑室内环境做精确建模，并通过数据交互模块将“室内环境”嵌入环境优化方法中，使得优化结果更精确。在体育馆，宾馆大厅，医院，学校等大空间场合，本发明提出的方法尤其具备明显的精度优势。
2、优化的通用性。在本发明涉及的优化方法中，优化算法可采用Matlab平台的各种智能优化算法，仿真软件适用于各种通过脚本文件启动的复杂系统建模软件。
此外，本发明在具体的技术方案上还具有下述作用和有益效果：
本发明建立基于计算流体力学软件的室内环境仿真模块，并配置相关数据接口；同时，所建立的数据交互模块实现了仿真程序与优化算法之间的数据交互；建立基于进化算法的优化模块，运用进化算法搜索暖通空调送风温度和速度的最优值使得建筑物内环境最优且建筑能耗最小。
本发明利用环境仿真和科学计算软件各自接口，整合多方软件组成不同模块，运用数据交互技术将建筑环境中的多种分布式参数直接传递给优化算法，使得优化方法能充分考虑空间分布对环境参数的影响，相对目前的建筑环境优化方法，本发明在通用性以及精度方面都有了很大的提高。
附图说明
图1是一个3D办公室模型示意图；
图2是交互式优化方法设计框架；
图3是办公室内热舒适度优化对比图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
图1为一个3D办公室模型示意图。该办公室的长宽高分别为5.16m×3.65m×2.44m。室内设计有两个坐姿的办公人员(3，4)、两张办公桌(7，8)、两台电脑(5，6)、两个文件柜(10，11)及六盏日光灯(12-17)。房间左侧墙有一面3.65m×1.04m的窗户(9)，置换通风系统的送风口(1)设置在窗的对面墙上，回风口(2)布置在天花板中心位置。空气污染物的挥发口设计于人员的头部位置。
图2描述了交互式优化方法的总体框架；下面详细描述本发明方法的实施步骤：
步骤0.建立基于计算流体力学软件的室内环境仿真模块，具体步骤为：
步骤0.1确定包括房间的围护(墙、地板及天花板等)、空调送风口/回风口以及室内陈设(包括人员)的位置与尺寸，利用Airpak软件搭建如图1所示的办公室几何模型，对建立的几何模型划分网格，本例中共划分72282个不规则网格；
步骤0.2利用Airpak软件在空调出风口、回风口及用户区域等位置设定多个点用于记录环境参数，具体设定为：空调出风口处为P1点，空调回风口处为P2点，用户区域为P3-P5点；五个记录点位置如图1所示；环境参数包括：温度、风速和污染物浓度。这里的污染物用二氧化碳气体代表；
步骤0.3室内气体流动假设为湍流，Fluent求解器设置为解算质量、动量、能量及组分方程的稳态解。求解之前，相关的边界条件设置如下：空调送风口设置为速度入口边界；回风口设置为自然流出边界；墙、地面及天花板设置为温度边界。相关的模型定义和求解方法设置如下：室内气体假设为低速流动的不可压缩粘性牛顿流体，湍流模型选用k-ε标准模型，近壁处理采用标准壁面函数，浮力效应采用Boussinesq近似方式，不考虑粘性发热；压力、动量和温度方程选择二阶差分法，组分方程采用一阶差分法；各项松弛因子均设为默认值；迭代计算次数设为200次。
步骤1.为仿真模块配置相关数据接口文件，具体步骤如下：
步骤1.1配置仿真模块输入文件。具体为：将Airpak工程文件(Matlab_Airpak01.cas)中暖通空调出风口的温度/风速值分别设置为控制变量：AIRTEMP和AIRSPEED，并将此文件定义为输入文件供交互模块调用，文件名改为Template.cas；
步骤1.2配置仿真模块输出文件。具体为：通过Airpak软件将室内P1-P5点的相关环境参数值自动保存为文本文件，Matlab_Airpak01.*.out(*为1-5序号)，供交互模块读取，用于解算优化模块中的代价函数。
步骤2.建立基于Visual C++的数据交互模块，用于在优化过程中将控制变量从优化模块传递给仿真模块，同时将环境参数从仿真模块传递给优化模块；
步骤2.1读取优化模块输出文件中的控制变量值并赋值给仿真模块输入文件Template.cas的对应变量AIRTEMP和AIRSPEED；然后复制生成新的Airpak工程文件参与仿真；
步骤2.2根据新的工程文件启动Fluent解算器，启动指令由批处理命令完成；
步骤2.3在稳态仿真结束之后，从仿真模块输出文件(.out文件)中查找P1-P5点的稳态温度、风速和污染物浓度值，提取并写入优化模块输入文件中。
步骤3.建立基于Matlab的优化模块。优化算法采用Matlab工具箱中的遗传算法，代价函数为建筑环境指标与能耗指标的加权形式。建筑环境指标包括预测平均投票数(PMV)指标及通风效力指标；能耗指标包括风机能耗指标和制冷能耗指标。
步骤3.1优化模块的建立须预先配置接口文件，用于与交互模块进行数据读写。优化模块接口文件包括输入文件MatlabIO_X.txt和输出文件MatlabIO_Y.txt。MatlabIO_X.txt中依次存放P1-P5各点的稳态温度、风速和污染物浓度值，以空格相隔；MatlabIO_Y.txt中依次存放空调出风口的温度与风速值，以换行相隔。各模块用于数据交互的文件如表1所示。
表1用于数据传递的接口文件
| 输入文件 | 输出文件 | |
| 仿真模块 | Template.cas | *.out |
| 优化模块 | Matlab_X.txt | Matlab_Y.txt |
步骤3.2优化算法的代价函数为建筑环境指标与能耗指标的加权形式。建筑环境指标包括预测平均投票数(PMV)指标及通风效力指标；能耗指标包括风机能耗指标和制冷能耗指标。
PMV指标将人体冷热感觉量化为以下七级：冷(-3)、凉(-2)、稍凉(-1)、舒适(0)、稍暖(1)、暖(2)、热(3)，并将其与空气温度、太阳辐射、空气流速、空气湿度、人体新陈代谢率、及人体着衣等六个因素用函数联系起来，是目前国际上最为通用的热舒适度定量指标。
通风效力指标(εv)可由下式表示为：
这里，Crtn和Csup分别为空调回风口和送风口的污染物浓度，Cbr为室内人员头部高度的污染物平均浓度；
风机能耗和制冷能耗指标经适当简化后可表示为：
这里，Efan为风机能耗，ΔP为风机压升，为总送风量，Ecooling为制冷能耗，Espace为用于除显热负载的制冷能耗，Event为对新风进行除湿降温的能耗；
代价函数设置为：
这里，ω为各指标的加权系数，设定范围1-5，具体数值根据优化目标侧重热舒适度、室内空气质量或空调能耗给定；本例中均设为1；下标max指对应性能指标的最大值，用于各个指标的归一化。
步骤3.3优化算法采用遗传算法。主要初始化设置包括：
a)将空调出风口的温度和风速设为待优化参数用实数编码形成码串，并设置上下限为：温度(290k-305k)，风速(0.1m/s-3m/s)；
b)初始化种群，设置种群规模为10，最大遗传代数为20；
c)设置代价函数，本发明的代价函数J通过仿真模块迭代求解获得；
d)设置交叉参数CrossoverFraction：0.8；再生参数EliteCount：2，其余参数为默认值。
步骤4.启动优化模块，执行优化算法，其中代价函数由交互模块调用仿真模块求解得到，最后求得空调控制量的最优值。
以室内热舒适度(PMV值)为例，图3为应用本发明所述优化方法前后室内热舒适度的对比图。上图(a)描述了优化前的室内热舒适度分布情况，下图(b)描述了优化后的室内热舒适度分布情况。由图可见，本发明通过在优化方法中直接嵌入仿真程序参与求解代价函数，能够充分考虑建筑物内多种环境参数的空间分布，在节省能耗和建筑环境舒适两者间找到令人满意的平衡点。
上面已经结合具体实施步骤说明了本发明，然而对于本领域的技术人员来说，可以在不背离本发明的精神和范围的前提下，对本发明做出不同的改进和变型。因而落入本发明的权利要求范围内的各种改进和变型，都应属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.用于改善建筑物内环境的交互式优化方法，具体包括如下步骤：
步骤1，建立基于计算流体力学软件的室内环境仿真模块，配置相关数据接口文件；
步骤2，建立数据交互模块，用于在优化过程中将控制变量从优化模块传递给仿真模块，同时将环境参数从仿真模块传递给优化模块；
步骤3，建立优化模块，优化算法为进化算法，用加权方式设置代价函数；
步骤4，启动优化算法，得到空调控制量的优化值；
所述步骤3中，进化算法具体为遗传算法；代价函数为建筑环境指标与能耗指标的加权形式；建筑环境指标包括预测平均投票数(PMV)指标及通风效力指标；能耗指标包括风机能耗指标和制冷能耗指标；
所述步骤1中，计算流体力学软件使用Airpak软件；室内环境仿真模型的建立步骤如下：
步骤1.1，利用Airpak软件建立建筑物内环境的几何模型并划分网格；
步骤1.2，利用Airpak软件在空调出风口、回风口及用户区域等位置设定多个点用于记录环境参数，环境参数包括：温度、风速和污染物浓度；
步骤1.3，室内气体流动假设为湍流，Fluent求解器设置为解算质量、动量、能量及组分方程的稳态解；在离散化方法设置中，压力、动量和温度方程选择二阶差分法，组分方程采用一阶差分法；各项松弛因子均设为默认值，最后设置迭代计算次数。
2.根据权利要求1所述的用于改善建筑物内环境的交互式优化方法，其特征在于：所述步骤1中，配置相关数据接口文件的步骤如下：
步骤a，配置仿真模块输入文件；具体为：将Airpak工程文件中暖通空调出风口的温度/风速值设置为变量形式，并将此文件定义为输入文件供交互模块调用，用于设置控制变量；
步骤b，配置仿真模块输出文件；具体为：将Airpak中多个点的环境参数值保存为文本文件供交互模块读取，用于解算优化模块中的代价函数。
3.根据权利要求1所述的用于改善建筑物内环境的交互式优化方法，其特征在于：所述步骤2中，数据交互模块的建立包括如下步骤：
步骤2.1，读取优化模块输出文件中的控制变量值并赋值给仿真模块输入文件的对应变量中，根据输入文件格式复制生成新的Airpak工程文件参与仿真；
步骤2.2，根据新的工程文件启动Fluent解算器，求解稳态室内环境参数，启动指令由批处理命令完成；
步骤2.3，在稳态仿真结束之后，从仿真模块输出文件中查找多个点的稳态温度、风速和污染物浓度值，提取并写入优化模块输入文件中。
4.根据权利要求1所述的用于改善建筑物内环境的交互式优化方法，其特征在于：所述步骤3中，优化模块的建立须预先配置接口文件，用于与交互模块进行数据读写；优化模块接口文件包括文本文件格式的输入文件和输出文件，分别存放稳态环境参数值和控制变量。
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