CN112668224A - 一种空调房间温度传感器最优安装位置的确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空调房间温度传感器最优安装位置的确定方法及系统，建立空调房间的三维模型并进行热流场仿真，得到所述三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场，并根据三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场得到各个墙壁及顶面的温度随时间变化的温度曲线集，分别将各个墙壁及顶面的温度随时间变化的温度曲线集与三维模型内部空间平均温度随时间变化曲线进行比对，确定各个墙壁与房顶的温度传感器的最优安装位置，本方法通过对温度传感器最佳安装位置的精确计算，采用多个温度传感器实时测量空调房间温度，能够更加准确地反映房间整体温度，从而起到降低空调能耗，提高环境舒适度的效果。

Description

一种空调房间温度传感器最优安装位置的确定方法及系统

技术领域

本发明涉及温度测量技术领域，具体为一种空调房间温度传感器最优安装位置的确定方法及系统。

背景技术

目前空调系统对于室内温度的控制大多是基于单一温度传感器的直接测量值，但是传感器的数量、位置以及精度受限，使得空调调节系统存在测温不准、无法反映房间整体温度的问题，从而影响空调温度调控效果，引起室内温度调节的不及时，降低了环境的舒适性。例如，目前壁挂式空调的室温传感器一般安装在回风口处，仅此一个测温点，无法准确反映房间整体温度，因为空调回风口处的温度相对室温在制热时是偏高的，制冷时是偏低的，从而造成测温不准、系统送风量偏小的问题，导致能源浪费以及房间环境舒适度降低的后果。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种空调房间温度传感器最优安装位置的确定方法及系统，通过仿真模拟分析，确定温度传感器的最佳安装位置，将多个温度传感器测量到的温度值求平均作为房间实时温度值，回馈给空调主控制板，从而提高传感器对房间环境温度测量的准确度。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种空调房间温度传感器最优安装位置的确定方法，包括以下步骤：

步骤1、建立空调房间的三维模型并进行热流场仿真，得到所述三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场；

步骤2、根据三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场计算房间的平均温度，得到三维模型内部空间平均温度随时间变化曲线；

步骤3、根据三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场，获取三维模型各个墙壁及顶面的温度随时间变化的温度场；

步骤4、根据三维模型各个墙壁及顶面的温度随时间变化的温度场，得到各个墙壁及顶面的温度随时间变化的温度曲线集；

步骤5、分别将各个墙壁及顶面的温度随时间变化的温度曲线集与步骤2得到三维模型内部空间平均温度随时间变化曲线进行比对，确定各温度曲线集中与三维模型内部空间平均温度随时间变化曲线的差值绝对值最小的曲线，则此曲线对应的网格节点位置即为对应墙壁或顶面上温度传感器的最优安装位置。

优选的，所述三维模型包括房间以及其内部的空调，三维模型区域内部空间为房间内部空间与空调的差集。

优选的，步骤1中所述热流场仿真的过程如下：

采用网格剖分方式对三维模型进行剖分，设定瞬态研究的时间和步长，对三维模型内部区域的热流场进行求解计算，得到三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场。

优选的，步骤2中得到三维模型内部空间平均温度随时间变化曲线的方法如下：

获取三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场中所有网格节点的位置坐标及该坐标对应的温度值；

计算每个时间点上所有网格节点处的温度的平均值，根据每个时间点上的平均值建立三维模型内部空间平均温度随时间变化曲线T＝f(t)。

优选的，步骤4中所述各个墙壁及顶面的温度随时间变化的曲线集的获取方法如下：

将三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场中各个墙壁及房顶所有网格节点位置及其温度值导出，得到三维模型各个墙壁及顶面的温度随时间变化的温度场；

对各个墙壁及房顶的所有网格节点温度进行遍历搜索，得到三维模型各个墙壁及顶面的网格节点温度随时间变化曲线集。

优选的，步骤5中确定温度传感器的最佳安装位置的确定方法如下：

分别将步骤4求得的各个温度曲线集中的所有曲线与三维模型内部空间平均温度随时间变化曲线做差并取绝对值，再对各时间点的差值绝对值求平均值，每个曲线集中平均值最小的曲线所对应的网格节点位置即为对应墙壁或顶面上温度传感器的最优安装位置。

优选的，根据多个温度传感器测量的温度的平均值调节空调的工作温度。

一种空调房间温度传感器最优安装位置的确定系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种确定空调房间内温度传感器最优安装位置的方法，首先对空调房间建模并进行热场仿真，得到三维模型房间整体、各个墙壁及房顶的温度场，最后分别寻找每个墙壁和房顶与房间平均温度差值绝对值在全时间域上最小的网格节点，该网格节点对应位置即为相应平面上温度传感器的最佳安装位置。以多个温度传感器测得温度的平均值作为环境实时温度回馈给空调控制中心，比采用直接用空调回风口处温度传感器测到的温度作为房间实时温度的方法能够大幅度降低温度测量误差，通过对温度传感器最佳安装位置的精确计算，采用多个温度传感器实时测量空调房间温度，能够更加准确地反映房间整体温度，从而起到降低空调能耗，提高环境舒适度的效果。

附图说明

图1为本发明实施例的三维房间的结构图；

图2为本发明实施例的三维房间网格剖分效果图；

图3为本发明实施例的三维房间所有网格节点温度的平均值随时间变化曲线图；

图4为本发明实施例的房间空调所在墙面在第300s的温度分布情况；

图5为本发明实施例的房间空调所在墙面所有网格节点的温度随时间变化曲线集；

图6为本发明实施例的房间空调所在墙面上与房间平均温度差值最小网格点处的温度随时间变化曲线；

图7为本发明实施例的温度传感器最佳安装位置空间分布图；

图8为本发明实施例的空调回风口处温度曲线与房间平均温度曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1-8，一种确定空调房间内温度传感器最佳安装位置的方法，包括以下步骤：

步骤1、建立空调房间的三维模型，使用有限元分析软件对三维模型进行热流场仿真，分析三维模型内部区域的热流场分布情况，得到所述三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场；

具体的，模拟装有壁挂式空调的房间结构，在COMSOL Multiphysics软件中分别对房间和空调进行建模。为减小仿真运行时间，以单人宿舍及其壁挂式空调布置情况为例，进行COMSOL Multiphysics数值模拟仿真。

所述宿舍模型即为长6m、宽2m、高2.5m的大长方体，空调长1m、宽0.2m、高0.25m的小长方体，三维模型区域内部空间为宿舍内部与空调的差集。

根据非等温流的具有对流项的传热方程(能量守恒)、Navier-Stokes方程(动量守恒)、连续性方程(质量守恒)，确定建立热场和流场相耦合的非等温流动多物理场。

根据浮力与惯性力比值确定三维模型的内部区域空气对流为自然对流或强迫对流，当浮力与惯性力的比值

不成立时，确定三维模型内部区域空气对流为自然对流。

根据格拉晓夫数

断空气流场特征为湍流。

其中，g为重力加速度，m/s²；α为热膨胀系数，1/K；ΔT为温度差，K；L为特征长度，m；U为速度，m/s；v为运动粘度，m²/s。

由于k-ε湍流模型具有很好的收敛速率和相对较低的内存要求，因此利用k-ε湍流模型分析房间内空气自然流动的传热过程，具体如下：

设定空调送风口为空调前面板、回风口为空调上面板，模拟房间降温过程。设定送风温度为20℃，室内环境初始温度为30℃，房间6个面以及空调除送风口、回风口之外的其余4个面均为热绝缘面。设定空调出风速度为v_x＝0m/s，v_y＝-0.15m/s，v_z＝-0.2m/s，房间内初始空气流动速度为0m/s。

使用COMSOL Multiphysics默认的网格自动剖分方式对三维模型进行常规剖分(剖分效果见图2)，设定总时间为2500s、步长为10s的瞬态研究对所述三维模型内部区域的热流场分布进行求解计算，得到三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场，如图1所示为仿真全时间过程2500s内三维模型内部空间的空气温度随时间变化动态分布图，即三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场。

步骤2、根据三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场计算房间所有网格节点的平均温度，得到三维模型内部空间平均温度随时间变化曲线T＝f(t)，具体如下：

首先，将三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场的数据导出，即为默认剖分方式下瞬态研究全时间过程中所有网格节点的位置坐标及该坐标对应的温度值。

然后，利用数学计算软件对每个时间点上所有网格节点处的温度值求平均后画图描述，便得到了三维模型内部空间所有网格节点温度的平均值随时间变化曲线T＝f(t)(如图3所示)，将此曲线作为三维模型内部空间平均温度随时间变化曲线。

步骤3、根据三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场，获取三维模型四面墙壁及顶面的温度随时间变化的温度场；

具体的，对三维模型做切面处理获得四面墙壁、房顶平面以及空调回风面上的温度随时间变化分布图，并将三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场中四面墙壁、房顶和空调回风面所有网格节点位置及其温度值导出，得到三维模型四面墙壁及顶面的温度随时间变化的温度场。

图4为空调所在墙面在第300s的温度分布情况，以下均以此平面为例分析温度传感器最佳安装位置的确定方法。

步骤4、根据三维模型四面墙壁及顶面的温度随时间变化的温度场，对所述各平面上所有网格节点温度进行遍历搜索，分别得到三维模型四面墙壁及顶面的网格节点温度随时间变化曲线集。

具体的，根据5个平面温度梯度场的网格剖分结果，对所述各平面上所有网格节点温度进行遍历搜索，分别得到5个平面上的网格节点温度随时间变化曲线集C1＝{f₁₁(t),f₁₂(t)……f_1n-1(t),f_1n(t)}、C2＝{f₂₁(t),f₂₂(t)……f_2n-1(t),f_2n(t)}、C3＝{f₃₁(t),f₃₂(t)……f_3n-1(t),f_3n(t)}、C4＝{f₄₁(t),f₄₂(t)……f_4n-1(t),f_4n(t)}、C5＝{f₅₁(t),f₅₂(t)……f_5n-1(t),f_5n(t)}。

如图5所示，为空调所在墙面上所有网格节点处的温度随时间变化曲线集C4。

步骤5、分别将三维模型四面墙壁及顶面的网格节点温度随时间变化曲线集与步骤2得到的三维模型内部空间平均温度随时间变化曲线T＝f(t)做差并取绝对值，对各时间点的差值绝对值求平均值，其中平均值最小的曲线对应的网格节点位置便是相应平面上温度传感器的最优安装位置。

基于此，便可求得各平面上温度传感器的最佳安装位置a(x_a,y_a,z_a)、b(x_b,y_b,z_b)、c(x_c,y_c,z_c)、d(x_d,y_d,z_d)、e(x_e,y_e,z_e)。

通过数学计算软件分别对比各平面的温度曲线集与房间平均温度曲线，确定各平面上与房间平均温度f(t)的全时间域差值绝对值最小网格节点的位置。下面以空调所在墙面为例，详细说明确定此平面全时间域上与房间平均温度的差值绝对值最小的网格节点的过程。

假设，曲线集C4中的曲线f_4d(t)与f(t)在全时间过程的平均差值绝对值

比曲线集C4中任意曲线f_4n(t)与f(t)全时间过程的平均差值绝对值

都小，则网格节点所处的位置即为平面4上温度传感器的最佳安装位置。

如图6为通过遍历搜寻找到的空调所在墙面上与房间平均温度在全时间域上差值绝对值最小的网格节点d处温度随时间变化曲线，其中曲线a为空调所在墙面网格节点d处温度随时间变化曲线，曲线b为房间平均温度随时间变化曲线。进一步，也可以得出该网格节点为此平面上的第2395个节点，其空间位置坐标为d(5.2936,2,1.6865)，此点与房间平均温度的全时间过程平均差值绝对值ΔT₄为0.0274℃。同理，可确定5个平面上温度传感器的最佳安装位置分别为a(0,1.1332,1.1613)、对应平均差值绝对值ΔT₁为0.0436℃；b(6,1.8580,1.6935)、对应平均差值绝对值ΔT₂为0.0311℃；c(2.4049,0,1.2867)、对应平均差值绝对值ΔT₃为0.0402℃；e(0,2,2.5)、对应平均差值绝对值ΔT₅为0.05175℃。

根据以上a、b、c、d、e这5个节点的位置坐标便能确定房间四墙壁与房顶5个平面上温度传感器的最佳安装位置，如图7为房间中5个温度传感器分布位置示意图。

步骤6、对空调回风面上所有网格节点的温度求平均，得到空调回风口处的温度随时间变化曲线T＝f_o(t)；

为了说明本发明提出的方法测温准确度更高，求出空调回风面上所有网格节点温度平均值随时间变化曲线T＝f_o(t)，用其模拟目前市面上的单室温传感器测温空调的测得的温曲线。如图8为此实施例下，空调回风口处温度变化曲线T＝f_o(t)与房间整体平均温度变化曲线T＝f(t)对比图，其中曲线a为空调回风口处温度随时间变化曲线T＝f_o(t)，曲线b为房间平均温度随时间变化曲线T＝f(t)。经过计算得出这两条曲线在全时间过程上的温度平均差值绝对值ΔT为0.3539℃。

步骤7，对四墙壁和房顶5个平面上温度传感器最佳安装位置处温度与房间平均温度在全时间过程的差值绝对值求平均，并将其与空调回风口处温度和房间平均温度在全时间过程的平均差值绝对值进行对比，分析本发明提出的测温方法相对单温度传感器测温方式对房间测温误差降低的程度。

可以看出，通过本发明提出的方法布置温度传感器测得的平均温度差值绝对值ΔT_1a、ΔT_2b、ΔT_3c、ΔT_4d、ΔT_5e的平均值为ΔT_ave＝(ΔT_1a+ΔT_2b+ΔT_3c+ΔT_4d+ΔT_5e)/5＝0.0436+0.0311+0.0402+0.0274+0.517＝0.13196℃，远小于单传感器测得的平均温度差值绝对值ΔT＝0.3539℃。这种多温度传感器测温方法相对单温度传感器测温方法，从理论上计算使得测温误差大约下降了

因此本发明提出的空调房间温度传感器最优安装位置的确定方法及系统，能够更加准确反映空调房间的整体温度。在实际使用中，需要对特定房间及其空调安装位置进行三维建模，采用仿真的方法确定四个墙壁平面以及房顶平面上温度传感器的最佳安装位置，然后通过在这些位置上布置温度传感器进行测温，再将测到的5个实时温度值求平均，反馈给空调温度控制系统，从而做到对房间环境实时温度更加准确的监测控制，以期进一步降低空调能耗、提高房间环境舒适度。

在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述空调房间温度传感器最优安装位置的确定方法的步骤。其中，所述计算机存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器(例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(MO)等)、光学存储器(例如CD、DVD、BD、HVD等)、以及半导体存储器(例如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存储器(NANDFLASH)、固态硬盘(SSD))等。

在示例性实施例中，还提供了一种终端系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述空调房间温度传感器最优安装位置的确定方法的步骤。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种空调房间温度传感器最优安装位置的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立空调房间的三维模型并进行热流场仿真，得到所述三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场；

步骤2、根据三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场计算房间的平均温度，得到三维模型内部空间平均温度随时间变化曲线；

步骤3、根据三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场，获取三维模型各个墙壁及顶面的温度随时间变化的温度场；

步骤4、根据三维模型各个墙壁及顶面的温度随时间变化的温度场，得到各个墙壁及顶面的温度随时间变化的温度曲线集；

步骤5、分别将各个墙壁及顶面的温度随时间变化的温度曲线集与步骤2得到三维模型内部空间平均温度随时间变化曲线进行比对，确定各温度曲线集中与三维模型内部空间平均温度随时间变化曲线的差值绝对值最小的曲线，则此曲线对应的网格节点位置即为对应墙壁或顶面上温度传感器的最优安装位置。

2.根据权利要求1所述的一种空调房间温度传感器最优安装位置的确定方法，其特征在于，所述三维模型包括房间以及其内部的空调，三维模型区域内部空间为房间内部空间与空调的差集。

3.根据权利要求1所述的一种空调房间温度传感器最优安装位置的确定方法，其特征在于，步骤1中所述热流场仿真的过程如下：

采用网格剖分方式对三维模型进行剖分，设定瞬态研究的时间和步长，对三维模型内部区域的热流场进行求解计算，得到三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场。

4.根据权利要求3所述的一种空调房间温度传感器最优安装位置的确定方法，其特征在于，步骤2中得到三维模型内部空间平均温度随时间变化曲线的方法如下：

获取三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场中所有网格节点的位置坐标及该坐标对应的温度值；

计算每个时间点上所有网格节点处的温度的平均值，根据每个时间点上的平均值建立三维模型内部空间平均温度随时间变化曲线T＝f(t)。

5.根据权利要求3所述的一种空调房间温度传感器最优安装位置的确定方法，其特征在于，步骤4中所述各个墙壁及顶面的温度随时间变化的曲线集的获取方法如下：

将三维模型内部区域空气温度随时间变化的温度场中各个墙壁及房顶所有网格节点位置及其温度值导出，得到三维模型各个墙壁及顶面的温度随时间变化的温度场；

对各个墙壁及房顶的所有网格节点温度进行遍历搜索，得到三维模型各个墙壁及顶面的网格节点温度随时间变化曲线集。

6.根据权利要求5所述的一种空调房间温度传感器最优安装位置的确定方法，其特征在于，步骤5中确定温度传感器的最佳安装位置的确定方法如下：

分别将步骤4求得的各个温度曲线集中的所有曲线与三维模型内部空间平均温度随时间变化曲线做差并取绝对值，再对各时间点的差值绝对值求平均值，每个曲线集中平均值最小的曲线所对应的网格节点位置即为对应墙壁或顶面上温度传感器的最优安装位置。

7.根据权利要求1所述的一种空调房间温度传感器最优安装位置的确定方法，其特征在于，根据多个温度传感器测量的温度的平均值调节空调的工作温度。

8.一种空调房间温度传感器最优安装位置的确定系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述方法的步骤。

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