CN112528538A - 一种室内新风仿真模拟方法及室内设计系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内新风仿真模拟方法，包括以下步骤：在室内三维场景中布置新风设备，并生成新风管道；基于设备三维场景中的新风管道建立流体力学模型，并对流体力学模型进行计算，求解室内空气分布；基于室内空气分布计算空气评价指标，基于空气评价指标计算新风评价指标，并可视化显示新风评价指标结果。该室内新风仿真模拟方法能够根据室内新风布局构建模型并模拟室内新风的空气分布状态。本发明还公开了一种室内设计系统，该室内设计系统依据室内新风仿真模拟结果设计新风设备位置，来提升室内新风换气效率和效果。

Description

一种室内新风仿真模拟方法及室内设计系统

技术领域

本发明属于装饰装修设计软件的新风设备领域，具体涉及一种室内新风仿真模拟方法和基于室内新风仿真模拟结果的室内设计系统。

背景技术

随着中国经济的快速发展，越来越多的人开始注重居家生活的质量，对室内空气质量的要求越来越高。在日常生活中，人们可以通过开窗通风引入室外新鲜空气，使室内和室外空气流通，但是缺乏过滤措施，若室外存在污浊的有毒有害气、尘埃颗粒，也可以一并进入室内，对室内环境造成污染。为了达到净化室内空气的效果，不少家庭购买了空气净化机，用于净化室内空气。一般室内空气净化机的功率有限，不能同时开窗通风，否则净化效果会显著降低。因此产生了如下矛盾：开窗通风则无法净化空气，净化空气则难以通风。

为了解决这一问题，新风系统是一种改善室内空气质量的设施，且能克服开窗通风和空气净化的弊端。但是在家装设计时，新风设备的布局往往依赖设计师的经验，难以通过科学的方式验证新风设备布局是否合理，是否能使房间内的空气充分交换。

现有技术中均在强调新风系统的具体布局，但是对布局合理性并没有评价，如公开号为CN105240960A的专利申请公开的一种溶液调湿新风结合高温多联机的空调系统及其设计方法，再如公开号为CN101464027A的专利申请公开的一种室内外空气交换系统，因此，不能提升室内新风的换气效率和效果。

发明内容

鉴于上述，本发明的第一发明目的是提供一种室内新风仿真模拟方法，能够根据室内新风布局构建模型并模拟室内新风的空气分布状态。

本发明的第二发明目的是提供一种室内设计系统，该室内设计系统依据室内新风仿真模拟结果设计新风设备位置，来提升室内新风换气效率和效果。

为实现第一发明目的，本发明提供了一种室内新风仿真模拟方法，包括以下步骤：

在室内三维场景中布置新风设备，并生成新风管道；

基于设备三维场景中的新风管道建立流体力学模型，并对流体力学模型进行计算，求解室内空气分布；

基于室内空气分布计算空气评价指标，基于空气评价指标计算新风评价指标，并可视化显示新风评价指标结果和室内空气分布动画。

为实现第二发明目的，本发明提供了一种室内设计系统，包括前端和服务端，所述前端提供室内设计界面并呈现室内三维场景，用户通过室内设计界面在室内三维场景中设置新风设备，并选择进行新风仿真模拟，前端基于选择发送包含户型信息和新风设备信息的模拟请求；

服务端基于模拟请求，采用上述室内新风仿真模拟方法进行室内新风仿真模拟，获得模拟结果并保存，该模拟结果包括新风评价指标和新风设计的总体评分以及模拟动画；

用户通过前端下载模拟结果并可视化呈现，用户依据可视化呈现的模拟结果调整室内三维场景中新风设备的布置位置，以提升室内新风换气效率和效果。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：

本发明提供的室内新风仿真模拟方法中，依据室内三维场景构建流体力学模型，并根据流体力学模型计算室内空气分布进而获得新风评价指标，该模拟方法简单速度快，且模拟准确，模拟结果能够验证新风设备布局的合理性，并为室内设计新风设备提供参考。

本发明提供的室内设计系统中因为根据室内设计的总体评分和新风评价指标合理调整并布置室内三维场景中新风设备，这大大提升了室内新风换气效率和效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明实施例提供的室内新风仿真模拟方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了验证新风设备布局的合理性，本发明是在拥有多年水电装修经验的行业专家的指导下，结合空气动力学以及有限元分析技术，通过房间内的新风设备位置和房间的空间信息，分析计算出房间空间内的平均空气年龄及平均换气效率，最终综合所有评价指标，得出房间内的新风设备位置是否合理。除了具体的数字指标，本发明还提供了基于三维的新风仿真模拟动画，动画动态展示了房间内空气流动和交换的状态，使设计师和用户能够直观地了解到房间内空气流动的死角，从而调整新风设备的位置，使房间内的空气得以充分流动交换。

图1是本发明实施例提供的室内新风仿真模拟方法的流程图。如图1所示，实施例提供的室内新风仿真模拟方法包括以下步骤：

步骤1，在室内三维场景中布置新风设备，并生成新风管道。

室内三维场景图包含户型信息、设计的硬装信息和设计的软装家具等。在室内三维场景中布置新风设备时，可以在各个房间内分别布置新风设备。新风设备为一种有效的空气净化设备，能够使室内空气产生循环，可以是新风机，以该新风机一般包含用于室外交换空气的外风口和用于室内交换空气的内风口。

在设置新风设备后，基于不同户型及布置好的新风设备可以生成新风管道。其中，生成新风管道包括：

在布置有新风设备的室内三维场景中识别户型信息，遍历室内三维场景中的新风设备，建立新风设备与房间的关联信息；

对于每个新风设备按布线规则生成管道位置数据，依据管道位置数据和户型信息生成连接新风设备的新风管道。

实施例中，户型信息为户型的布局信息，一般包括墙、房间、门窗等信息。在遍历室内三维场景时，生成家具与房间，墙及门窗的连通关系图，同时遍历新风设备，建立新风设备与房间的关联信息。

在生成管道位置数据时，要遵循的布线规则包括管道的设置信息，一般包括管道距离墙体的距离，距离地面的高度等，要遵循的布线规则还包括管道的属性信息，一般包括管道的直径和弯头型号等。例如在一个实例中有一个新风设备和多个内外气口，根据行业要求，生成了新风管和污风管。并且区分新风内外气口方向，连接合适的新风机出口。

在获得管道位置数据后，依据该管道位置数据和管道类型以及户型信息在室内三维场景中生成连接新风设备的各类新风管道，其中新风管道包括新风管和污风管。

步骤2，基于设备三维场景中的新风管道建立流体力学模型，并对流体力学模型进行计算，求解室内空气分布。

实施例中，基于设备三维场景中的新风管道建立流体力学模型包括：

依据设备三维场景中的新风管道确定空气流场区域，并建立空气流场区域的三维几何模型；

在三维几何模型中确定风口，对三维几何模型进行体积网格划分和设置边界条件，得到流体力学模型(CFD)。

空气流场区域是包含新风管道的空间区域，该空间区域内形成空气流场。根据计算精度的要求和计算耗时的限制，确定不同复杂度的空气流场区域，即依据模拟精度区分建立空气流场区域对应的三维几何模型，当低精度模拟时，建立的三维几何模型包含基本户型信息；当高精度模拟时，建立的三维几何模型中包含基本户型信息和软装信息。

当对计算精度要求不高且要求计算耗时尽可能短时进行低精度模拟，此时将空气流场区域简化为基础硬装(墙、地面、吊顶、门窗等)围成的室内空间，不考虑装饰细节以及可移动家具和设备；当对于计算精度要求较高或对计算耗时要求宽松时进行高精度模拟，空气流场区域可进一步考虑装饰细节，并扣除可移动家具和设备占据的空间。

实施例中，将空气进出空气流场区域的入口和出口作为风口。风口一般设置在空气流场边界表面。确定风口时要确定风口的位置、几何形状以及风属性，风属性也就是风口的工作信息，包括风量、风速、风向、压力以及压强。

对三维几何模型进行合理的体积网格划分时，需要确定网格单元的形状、尺寸和数量。合理的网格划分能在保证仿真的合理性和计算精度的同时，控制网格生成的数量和计算规模。因此体积网格划分时首先根据空气流场区域的大小确定全局的网格的形状和尺寸，再在细节和风口等局部进行更为细致的网格划分，并在流场边界表面增加边界层网格。

在网格划分之后，还需要设定边界条件，具体地，设置边界条件时，若风量和风向已知则设定风口的风速为边界条件，若风速和风向已知则设定风口的风量为边界条件，若压强已知则设定为风口的压力为边界条件，对除去风口的其他边界表面设定壁面边界条件。

设置好风口、边界条件以及网格划分好之后即得到流体力学模型，然后对流体力学模型进行计算即可以求解室内空气分布。对流体力学模型求解时，采用湍流模拟方和湍流模型，求解室内空气流动的纳维尔-斯托克斯(Navier-Stokes)方程，得到室内空气分布。其中，湍流模拟方法可以为雷诺时均(RAS)，湍流模型可以采用k-ε模型。其中，室内空气分布包括空气流场区域的风速分布和风向分布。

步骤3，基于室内空气分布计算空气评价指标，基于空气评价指标计算新风评价指标，并可视化显示新风评价指标结果和室内空气分布动画。

实施例中，基于室内空气分布计算空气评价指标包括：

依据风速分布和风向分布计算空气流场区域中某个位置的空气龄评价指标和换气频率评价指标。

实施例中，可以依据风速分布和风向分布通过输运方程计算空气流场区域的空气龄分布和换气频率分布。空气流场区域中某个位置的空气龄，指的是空气从入口进入后到达此位置的所耗费的时间，空气龄越小，说明空气越新鲜。空气流场区域中某个位置的换气频率，指的是单位时间内该位置的换气次数，换气频率是空气龄的倒数，因此换气频率越大，说明空气越新鲜。

基于空气评价指标计算新风评价指标包括但不限于：

依据空气流场区域中某个位置的空气龄计算相对于体积的平均空气龄作为新风评价指标；

依据空气流场区域中某个位置的换气频率计算相对于换气次数的平均换气频率作为新风评价指标；

依据空气流场区域计算不通风区域的占比作为新风评价指标。

实施例中，计算平均空气龄，即计算空气流场区域空气龄的体积平均值，对于一个房间来说，平均空气龄越小，空气越新鲜，新风效果越好。计算平均换气频率，即计算单位时间内房间的平均换气次数。平均换气频率是平均空气龄的倒数。设计换气频率就是房间设计风量与房间体积的比值，其中房间的设计风量是单位时间内进入所有空气的体积，即所有空气入口的总进风量。通过比较平均换气频率与设计换气频率来评判换气质量。

不通风区域定义为换气频率大于设计换气频率的空气流场区域，不通风区域的百分比即为不通风区域的体积与空气流场区域总体积的比值。

在获得所有新风评价指标时，可以依据所有新风评价指标计算新风设计的总体评分。室内新风仿真模拟结果，如换气频率、空气龄、平均换气频率、平均空气龄、不通风区域的占比以及总体评分均会在前端可视化显示。与此同时，在前端呈现的室内三维场景中还会以动画的形式呈现当前房间的空气流动效果。以使用户直观地观察房间内的空气流动效果，来进一步了解房间具体的空气流动状态以及新风换气过程中的死角区域。

实施例还提供了一种室内设计系统，包括前端和服务端，前端提供室内设计界面并呈现室内三维场景，用户通过室内设计界面在室内三维场景中设置新风设备，并选择进行新风仿真模拟，前端基于选择发送包含户型信息和新风设备信息的模拟请求；

服务端基于模拟请求，采用上述室内新风仿真模拟方法进行室内新风仿真模拟，获得模拟结果并保存，该模拟结果包括新风评价指标和新风设计的总体评分以及模拟动画；

用户通过前端下载模拟结果并可视化呈现，用户依据可视化呈现的模拟结果调整室内三维场景中新风设备的布置位置，以提升室内新风换气效率和效果。

本实施例中，将上述室内新风仿真模拟方法集成到室内设计系统中，该室内设计系统包括前端和服务端，前端在设计场景中基于请求呈现新风仿真面板，用户点击工具栏面板中的计算检查按钮，点击子菜单中的风环境仿真计算按钮，调出新风计算面板。之后勾选希望计算的房间，点击仿真计算开始模拟。此时，前端基于仿真模拟请求将选择的基本的房间信息及新风设备信息传递给服务端。服务端根据上述室内新风仿真模拟方法进行模拟，即根据有限元分析计算原理，将户型房间对应的三维空间进行切分，划分为有限个几何块。根据分析精度可以控制几何切分的力度，几何块越小，模拟分析结果越精准，但所需的时间成分越高。根据划分完成之后的空间几何信息，结合新风设备信息，以空气动力学算法计算出空间气体流动状态，计算结束后，服务端将空间信息和仿真模拟结果数据进行整合，生成合理的Json文件保存在后端文件夹中。同时通知前端计算完成，可以获取计算结果。

前端得知后端计算完成之后，将获取仿真模拟结果，解析后端生成的Json文件。并将解析得到的换气频率、空气龄、平均换气频率、平均空气龄、不通风区域的占比以及总体评分进行显示。若设计师或用户希望进一步了解当前房间的空气流动状态，可以选择打开仿真模拟面板，勾选已经计算完成的房间。前端的室内三维场景中会以动画的形式呈现当前房间的空气流动效果。

通过集成有室内新风仿真模拟方法的室内设计系统，新风设计用户可以便捷地计算出当前家装设计中新风设备布置所在房间的不通风占比及平均换气效率，从而得知当前新风设备布置位置是否合理，降低了家装设计中新风布置方面的错误率，提升了设计的专业度和合理性。同时通过室内新风仿真模拟方法的三维展示效果，提供了动态的三维模拟特效，用户可以直观地观察到当前新风设备的进气口/出气口的空气换气流向，以及当前新风设计中每个房间对应的不合理区域(即不通风或换气率过低的区域)。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种室内新风仿真模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

在室内三维场景中布置新风设备，并生成新风管道；

基于设备三维场景中的新风管道建立流体力学模型，并对流体力学模型进行计算，求解室内空气分布；

基于室内空气分布计算空气评价指标，基于空气评价指标计算新风评价指标，并可视化显示新风评价指标结果和室内空气分布动画。

2.如权利要求1所述的室内新风仿真模拟方法，其特征在于，所述生成新风管道包括：

在布置有新风设备的室内三维场景中识别户型信息，遍历室内三维场景中的新风设备，建立新风设备与房间的关联信息；

对于每个新风设备按布线规则生成管道位置数据，依据管道位置数据和户型信息生成连接新风设备的新风管道。

3.如权利要求1所述的室内新风仿真模拟方法，其特征在于，所述基于设备三维场景中的新风管道建立流体力学模型包括：

依据设备三维场景中的新风管道确定空气流场区域，并建立空气流场区域的三维几何模型；

在三维几何模型中确定风口，对三维几何模型进行体积网格划分和设置边界条件，得到流体力学模型。

4.如权利要求3所述的室内新风仿真模拟方法，其特征在于，依据模拟精度区分建立三维几何模型，当低精度模拟时，建立的三维几何模型包含基本户型信息；当高精度模拟时，建立的三维几何模型中包含基本户型信息和软装信息。

5.如权利要求3所述的室内新风仿真模拟方法，其特征在于，所述确定风口时要确定风口的位置、几何形状以及风属性，所述风属性包括风量、风速、风向、压力以及压强；

设置边界条件时，若风量和风向已知则设定风口的风速为边界条件，若风速和风向已知则设定风口的风量为边界条件，若压强已知则设定为风口的压力为边界条件，对除去风口的其他边界表面设定壁面边界条件。

6.如权利要求1或3所述的室内新风仿真模拟方法，其特征在于，对流体力学模型求解时，采用湍流模拟方和湍流模型，求解室内空气流动的纳维尔-斯托克斯方程，得到室内空气分布。

7.如权利要求1所述的室内新风仿真模拟方法，其特征在于，所述基于室内空气分布计算空气评价指标包括：

所述室内空气分布包括空气流场区域的风速分布和风向分布；

依据风速分布和风向分布计算空气流场区域中某个位置的空气龄评价指标和换气频率评价指标。

8.如权利要求7所述的室内新风仿真模拟方法，其特征在于，所述基于空气评价指标计算新风评价指标包括：

依据空气流场区域中某个位置的空气龄计算相对于体积的平均空气龄作为新风评价指标；

依据空气流场区域中某个位置的换气频率计算相对于换气次数的平均换气频率作为新风评价指标；

依据空气流场区域计算不通风区域的占比作为新风评价指标。

9.如权利要求8所述的室内新风仿真模拟方法，其特征在于，依据所有新风评价指标计算新风设计的总体评分。

10.一种室内设计系统，其特征在于，包括前端和服务端，所述前端提供室内设计界面并呈现室内三维场景，用户通过室内设计界面在室内三维场景中设置新风设备，并选择进行新风仿真模拟，前端基于选择发送包含户型信息和新风设备信息的模拟请求；

服务端基于模拟请求，采用权利要求1～9任一项所述的室内新风仿真模拟方法进行室内新风仿真模拟，获得模拟结果并保存，该模拟结果包括新风评价指标和新风设计的总体评分以及模拟动画；

用户通过前端下载模拟结果并可视化呈现，用户依据可视化呈现的模拟结果调整室内三维场景中新风设备的布置位置，以提升室内新风换气效率和效果。

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