CN118133589A - 一种基于Modelica模型和CFD模型的空调风系统调适方法与系统 - Google Patents
一种基于Modelica模型和CFD模型的空调风系统调适方法与系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118133589A CN118133589A CN202410562222.6A CN202410562222A CN118133589A CN 118133589 A CN118133589 A CN 118133589A CN 202410562222 A CN202410562222 A CN 202410562222A CN 118133589 A CN118133589 A CN 118133589A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- model
- air
- cfd
- manual
- boundary
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 title description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 38
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 4
- 239000012466 permeate Substances 0.000 claims 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 10
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 4
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000009435 building construction Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003204 osmotic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Air Conditioning Control Device (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于Modelica模型和CFD模型的空调风系统调适方法与系统，包括：通过Modelica语言建立用于模拟空调风系统的，包含提供风压的机电设备和管道系统的计算模型；根据Modelica模型库建立快速计算流体力学模型CFD模型，用于对高大空间风管布设和建筑内环境进行仿真，在仿真过程中对各风口覆盖区域行人高度范围积分，计算出各风口区域的平均温度、湿度和空气流速；根据计算模型和CFD模型建立风系统‑室内热环境双向耦合模型，计算得到各风口区域的热舒适度和计算模型中的手动风阀开度；根据计算模型中的手动风阀开度对空调风系统中的手动风阀档位进行控制调整。本发明用以解决上述调试方法或系统的不足，基于建筑环境热舒适度评价对风系统平衡调适提供指导。
Description
技术领域
本发明属于技术领域，具体涉及一种基于Modelica模型和CFD模型的空调风系统调适方法与系统。
背景技术
设备调试是建筑建造过程中的关键一环，传统方法中，空调风系统一般以分支平衡为原则计算静态风量，再通过不断调节手动调节阀，以达到调试目标。其中，调节任意一个手动调节阀都会导致支路阻力改变，会对整个风系统的水力特性产生影响。
传统风系统调试方法存在以下问题：
1.调适效率低、调试精度差：依赖人工操作和现场测量，调试过程繁琐耗时，难以实现空调风系统各组件的动态平衡，无法保证调试的精度。
2.无法结合建筑环境进行前期验证：传统方法无法对设备系统的运行效果进行前期验证，可能导致设计不合理造成的建筑环境问题。
基于以上不足，近年来一些学者提出了两种基于数值仿真的空调风系统调适方法：通过CFD模拟分析管道流场、基于系统仿真计算寻优。CFD模拟分析法建模过程复杂，且计算效率低，很难对复杂管道进行计算分析；管道系统仿真虽然建模过程相对容易、计算效率高，但仅能够按照管道输配系统设计出风量进行约束和寻优，虽能保证风口风量分布较为均匀，却无法考虑建筑实际运行时的室内环境热舒适度。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于Modelica模型和CFD模型的空调风系统调适方法与系统，用以解决上述调试方法或系统的不足，基于建筑环境热舒适度评价对风系统平衡调适提供指导。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于Modelica模型和CFD模型的空调风系统调适方法，包括以下步骤：
通过Modelica语言建立用于模拟空调风系统的，包含提供风压的机电设备和管道系统的计算模型；
根据开源的Modelica模型库建立快速计算流体力学模型CFD模型，用于对高大空间风管布设和建筑内环境进行仿真，在仿真过程中对各风口覆盖区域行人高度范围积分，计算出各风口区域的平均温度、湿度和空气流速；
根据计算模型和CFD模型建立风系统-室内热环境双向耦合模型，根据各风口区域的平均温度、湿度和空气流速，计算得到各风口区域的热舒适度和计算模型中的手动风阀开度；
根据计算模型中的手动风阀开度对空调风系统中的手动风阀档位进行控制调整。
提供风压的机电设备具体为风机或风柜；管道系统具体包括与空调风系统中各风管部件对应的风井模型、管道模型、弯头模型、异径模型、三通模型、手动风阀模型和散流器模型；计算模型根据空调风系统中各风管部件的实际参数和阻力系数，对各风管部件对应的模型参数进行对标，手动风阀模型的阻力系数大小根据空调风系统中手动风阀的不同档位进行对应调整。
CFD模型根据管道风口分布，设置送回风边界和渗透风边界。
计算得到各风口区域的热舒适度和计算模型中的手动风阀开度的方法具体为：通过计算模型读取CFD模型的模型文件，并对送回风边界和渗透风边界进行赋值，再根据各风口区域的平均温度、湿度和空气流速，计算得到送风口散流器边界温度及其质量流量、回风口边界质量流量、渗透风边界条件参数和CFD模型的建筑热负荷；
CFD模型根据各风口区域的平均温度、湿度对各封面户口区域的温湿度进行模拟，计算得到各风口区域的热舒适度，并根据热舒适度通过Modelica语言建立PID控制模型，以表征人体热反应的评价指标PMV为目标，对CFD模型中各手动风阀支管覆盖的区域进行计算，得到CFD模型中各手动风阀开度。
风系统-室内热环境双向耦合模型基于dymola平台进行建立。
还提供一种基于Modelica模型和CFD模型的空调风系统调适系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在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如上述所述方法的步骤。
提供风压的机电设备具体为风机或风柜；管道系统具体包括与空调风系统中各风管部件对应的风井模型、管道模型、弯头模型、异径模型、三通模型、手动风阀模型和散流器模型；计算模型根据空调风系统中各风管部件的实际参数和阻力系数，对各风管部件对应的模型参数进行对标，手动风阀模型的阻力系数大小根据空调风系统中手动风阀的不同档位进行对应调整。
CFD模型根据管道风口分布，设置送回风边界和渗透风边界。
计算得到各风口区域的热舒适度和计算模型中的手动风阀开度的方法具体为：通过计算模型读取CFD模型的模型文件，并对送回风边界和渗透风边界进行赋值，再根据各风口区域的平均温度、湿度和空气流速，计算得到送风口散流器边界温度及其质量流量、回风口边界质量流量、渗透风边界条件参数和CFD模型的建筑热负荷；
CFD模型根据各风口区域的平均温度、湿度对各封面户口区域的温湿度进行模拟，计算得到各风口区域的热舒适度，并根据热舒适度通过Modelica语言建立PID控制模型，以表征人体热反应的评价指标PMV为目标，对CFD模型中各手动风阀支管覆盖的区域进行计算，得到CFD模型中各手动风阀开度。
风系统-室内热环境双向耦合模型基于dymola平台进行建立。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明通过数值仿真结合优化算法的方式，可以通过设定热舒适度指标为目标对风阀控制方案进行寻优以获得最优方案，简化了传统设备调试的流程，提高了风系统调适效率，并能获得理想的调试效果，为系统运行和设计的持续优化提供了有力支持。
（2）本发明通过将风系统模型计算的送风数据应用于快速计算流体力学模型，在确保送风口散流器边界、回风口边界、开放区域边界和渗透风边界条件的精确性和可靠性的同时，在不同场景中灵活地应用计算结果，能够准确模拟和预测不同风管设计和风阀控制方案下风系统运行的室内气流环境，对提高室内空气质量、舒适性和能源效率具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例的流程示意图；
图2为本发明实施例中空调风系统部分设计方案的示意图；
图3为本发明实施例中中央空调风系统Modelica模型的示意图；
图4为本发明实施例中某建筑空间的中央空调风系统和围护结构的三维模型示意图；
图5为本发明实施例中风系统-室内热环境双向耦合模型的示意图；
图6是本发明实施例中最优调试方案下建筑室内风速分布示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、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详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的技术方案为：首先，采用Modelica语言建立中央空调风系统计算模型；随后根据建筑室内环境建立CFD模型；基于CFD模型和系统系统建立风系统-室内热环境双向耦合模型；构造舒适度目标优化函数，基于寻优算法计算风系统风阀开度。如图1所示，该方法具体包括以下步骤：
（1）系统模型应包括风机或风柜等提供风压的机电设备，以及风井模型、管道模型、弯头模型、异径模型、三通模型、手动阀模型、散流器模型等组成管道系统；模型已各风管部件的实际参数和阻力系数等为基准，对参数进行对标，手动风阀应根据不同固定档位对应不同的阻力系数。
（2）采用基于开源Modelica模型库建立快速计算流体力学模型，根据管道风口分布，设置送回风边界以及渗透风边界；根据高大空间风管布设和建筑设计用途，确定风管送风总风量，并根据建筑用途和分口分布对行人高度建筑空间进行划分；在仿真过程中对各风口覆盖区域行人高度范围积分，计算出各区域平均温度、湿度、空气流速等环境变量。
（3）基于dymola平台建立Modelica-CFD模型，Modelica模型读取CFD模型文件，并将输配送系统的计算结果和赋值相应的送回风边界条件，包括送风口散流器边界温度和质量流量、回风口边界质量流量；通过Modelica模型将其他建筑环境模拟参数赋值给CFD边界条件，如渗透风边界条件参数、建筑热负荷等；基于CFD对各区域温湿度模拟结果计算各区域热舒适度，并基于Modelica系统建立阀门控制模型。
（4）根据优化需求构造CFD模型各区域舒适度的目标函数，通过联合仿真模型结合粒子群等优化算法的方式，对手动风阀的不同阻力系数即固定档位的组合进行迭代优化，计算控制模型中风阀开度，对应手动阀实际档位给出调试建议。
下面以某高大空间管道调适为例，举出一个更具体的实施例。如图1所示，针对通风系统方案设计，具体实施步骤如下：
步骤一：根据图2通风管道设计建立管道系统Modelica模型，共有通风管道六条，Modelica模型如图3所示，设备模型包括风量输入、直管、弯管、三通、四通、手动风阀、散流器和风量接收器等，根据设计参数对模型进行设定，如管道尺寸、弯头角度、手动风阀档位阻力系数、散流器类型和叶片参数等。输入设计风量对管道系统运行进行初步测试，保证计算结果的合理性。
步骤二：建立快速计算流体力学（CFD）模型，根据图4所示管道设计，根据风口分布设定送风边界回风边界以及渗透风边界，对各风口覆盖区域行人高度范围积分，计算出各区域平均温度、湿度、空气流速等环境变量。
步骤三：基于dymola平台建立Modelica-CFD模型，Modelica模型读取CFD模型文件模型如图5，并将输配送系统的计算结果和赋值相应的送回风边界条件，包括送风口散流器边界温度和质量流量、回风口边界质量流量，基于CFD对各区域温湿度模拟结果计算各区域PMV，并在Modelica系统种建立控制模型。
步骤四：根据各区域PMV，结合阀门控制模型，对不同手动风阀的阻力系数即固定档位的组合进行迭代优化，计算控制模型中风阀开度，对应手动阀实际档位给出调试建议，本发明实施例中最优调试方案下建筑室内风速分布示意图如图6所示。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤，也可将两个或多个步骤或者步骤的部分操作组合成新的步骤，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于Modelica模型和CFD模型的空调风系统调适方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过Modelica语言建立用于模拟空调风系统的，包含提供风压的机电设备和管道系统的计算模型；
根据开源的Modelica模型库建立快速计算流体力学模型CFD模型，用于对高大空间风管布设和建筑内环境进行仿真，在仿真过程中对各风口覆盖区域行人高度范围积分，计算出各风口区域的平均温度、湿度和空气流速；
根据计算模型和CFD模型建立风系统-室内热环境双向耦合模型，根据各风口区域的平均温度、湿度和空气流速，计算得到各风口区域的热舒适度和计算模型中的手动风阀开度；
根据计算模型中的手动风阀开度对空调风系统中的手动风阀档位进行控制调整。
2.根据权利要求1所述的基于Modelica模型和CFD模型的空调风系统调适方法，其特征在于，提供风压的机电设备具体为风机或风柜；管道系统具体包括与空调风系统中各风管部件对应的风井模型、管道模型、弯头模型、异径模型、三通模型、手动风阀模型和散流器模型；计算模型根据空调风系统中各风管部件的实际参数和阻力系数，对各风管部件对应的模型参数进行对标，手动风阀模型的阻力系数大小根据空调风系统中手动风阀的不同档位进行对应调整。
3.根据权利要求1所述的基于Modelica模型和CFD模型的空调风系统调适方法，其特征在于，CFD模型根据管道风口分布，设置送回风边界和渗透风边界。
4.根据权利要求3所述的基于Modelica模型和CFD模型的空调风系统调适方法，其特征在于，计算得到各风口区域的热舒适度和计算模型中的手动风阀开度的方法具体为：通过计算模型读取CFD模型的模型文件，并对送回风边界和渗透风边界进行赋值，再根据各风口区域的平均温度、湿度和空气流速，计算得到送风口散流器边界温度及其质量流量、回风口边界质量流量、渗透风边界条件参数和CFD模型的建筑热负荷；
CFD模型根据各风口区域的平均温度、湿度对各封面户口区域的温湿度进行模拟，计算得到各风口区域的热舒适度，并根据热舒适度通过Modelica语言建立PID控制模型，以表征人体热反应的评价指标PMV为目标，对CFD模型中各手动风阀支管覆盖的区域进行计算，得到CFD模型中各手动风阀开度。
5.根据权利要求1所述的基于Modelica模型和CFD模型的空调风系统调适方法，其特征在于，风系统-室内热环境双向耦合模型基于dymola平台进行建立。
6.一种使用如权利要求1所述的基于Modelica模型和CFD模型的空调风系统调适方法的系统，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在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如权利要求1所述方法的步骤。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，提供风压的机电设备具体为风机或风柜；管道系统具体包括与空调风系统中各风管部件对应的风井模型、管道模型、弯头模型、异径模型、三通模型、手动风阀模型和散流器模型；计算模型根据空调风系统中各风管部件的实际参数和阻力系数，对各风管部件对应的模型参数进行对标，手动风阀模型的阻力系数大小根据空调风系统中手动风阀的不同档位进行对应调整。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，CFD模型根据管道风口分布，设置送回风边界和渗透风边界。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，计算得到各风口区域的热舒适度和计算模型中的手动风阀开度的方法具体为：通过计算模型读取CFD模型的模型文件，并对送回风边界和渗透风边界进行赋值，再根据各风口区域的平均温度、湿度和空气流速，计算得到送风口散流器边界温度及其质量流量、回风口边界质量流量、渗透风边界条件参数和CFD模型的建筑热负荷；
CFD模型根据各风口区域的平均温度、湿度对各封面户口区域的温湿度进行模拟，计算得到各风口区域的热舒适度，并根据热舒适度通过Modelica语言建立PID控制模型，以表征人体热反应的评价指标PMV为目标，对CFD模型中各手动风阀支管覆盖的区域进行计算，得到CFD模型中各手动风阀开度。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，风系统-室内热环境双向耦合模型基于dymola平台进行建立。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410562222.6A CN118133589A (zh) | 2024-05-08 | 2024-05-08 | 一种基于Modelica模型和CFD模型的空调风系统调适方法与系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410562222.6A CN118133589A (zh) | 2024-05-08 | 2024-05-08 | 一种基于Modelica模型和CFD模型的空调风系统调适方法与系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118133589A true CN118133589A (zh) | 2024-06-04 |
Family
ID=91238428
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410562222.6A Pending CN118133589A (zh) | 2024-05-08 | 2024-05-08 | 一种基于Modelica模型和CFD模型的空调风系统调适方法与系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118133589A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120323376A1 (en) * | 2011-06-14 | 2012-12-20 | Azbil Corporation | Air conditioning controlling device and method |
| CN113688487A (zh) * | 2021-08-16 | 2021-11-23 | 苏州同元软控信息技术有限公司 | 乘用车二维空调管路流体动力学的仿真方法及装置 |
| CN115238532A (zh) * | 2022-09-23 | 2022-10-25 | 天津大学 | 一种适用于商业综合体的冬季温度场预测系统及方法 |
| CN115795607A (zh) * | 2022-11-24 | 2023-03-14 | 中南建筑设计院股份有限公司 | 针对高大空间建筑的全年能耗和热舒适度耦合评估方法 |
-
2024
- 2024-05-08 CN CN202410562222.6A patent/CN118133589A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120323376A1 (en) * | 2011-06-14 | 2012-12-20 | Azbil Corporation | Air conditioning controlling device and method |
| CN113688487A (zh) * | 2021-08-16 | 2021-11-23 | 苏州同元软控信息技术有限公司 | 乘用车二维空调管路流体动力学的仿真方法及装置 |
| CN115238532A (zh) * | 2022-09-23 | 2022-10-25 | 天津大学 | 一种适用于商业综合体的冬季温度场预测系统及方法 |
| CN115795607A (zh) * | 2022-11-24 | 2023-03-14 | 中南建筑设计院股份有限公司 | 针对高大空间建筑的全年能耗和热舒适度耦合评估方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 洪阳等: ""基于Modelica风机盘管空调系统动态控制过程仿真平台的开发与验证"", 《建筑科学》, 30 April 2016 (2016-04-30), pages 122 - 123 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sun et al. | A CFD-based test method for control of indoor environment and space ventilation | |
| Wetter et al. | IEA EBC annex 60 modelica library-an international collaboration to develop a free open-source model library for buildings and community energy systems | |
| Tian et al. | Coupling fast fluid dynamics and multizone airflow models in Modelica Buildings library to simulate the dynamics of HVAC systems | |
| CN105677964A (zh) | 一种基于cfd仿真和网格自适应的阀门流量系数计算方法 | |
| CN107702272B (zh) | 固定二次混合比的新回风混合式空气调节系统的计算方法 | |
| Maile et al. | Formalizing approximations, assumptions, and simplifications to document limitations in building energy performance simulation | |
| CN102323760A (zh) | 一种空调控制系统半实物测试方法与装置 | |
| CN109798646A (zh) | 一种基于大数据平台的变风量空调控制系统和方法 | |
| Kümpel et al. | Modular hydronic subsystem models for testing and improving control algorithms of air-handling units | |
| CN111626003A (zh) | 一种供暖系统热负荷分层预测方法、存储介质及预测设备 | |
| Jia et al. | Structural optimization of V-sector valve cores and adaptability in secondary heating networks | |
| CN110688740A (zh) | 基于Modelica联合仿真优化的冷水机房模型校准方法 | |
| CN118133589A (zh) | 一种基于Modelica模型和CFD模型的空调风系统调适方法与系统 | |
| CN104102139A (zh) | 一种变风量空调控制系统的仿真平台 | |
| US20240053254A1 (en) | Configurable Test Platform | |
| CN116085937A (zh) | 智能中央空调节能控制方法及系统 | |
| CN113536640B (zh) | 一种基于正交试验的布风器内部流道结构的优化设计方法 | |
| CN202210037U (zh) | 一种用于空调柜机的半实物仿真测试装置 | |
| CN113255185B (zh) | 一种阀门调节特性自动仿真方法 | |
| CN115374527A (zh) | 一种区域电-热-冷综合能源动态模拟系统构建方法 | |
| CN111563332B (zh) | 基于夜间调压实测的城镇供水管网漏失定位方法 | |
| CN113343378B (zh) | 高空台空气管路系统气动特性计算方法和系统 | |
| CN201060587Y (zh) | 一种中央空调教学实验装置 | |
| Trcka et al. | HVAC system simulation: Overview, issues and some solutions | |
| JP4390164B2 (ja) | 空調システム解析方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |