一种住宅新风系统气流组织优化设计的方法

1.本发明涉及住宅建筑新风系统领域，具体为涉及一种住宅新风系统气流组织优化设计的方法。


背景技术：

2.在中国，目前大部分新建高档住宅都配备有机械新风系统，但经过调研及实测发现，诸多新建住宅新风系统的实际工程应用效果不佳，存在气流组织设计不合理现象。对于机械新风系统的应用效果，关键在于其新风量大小及气流组织形式。良好的机械新风系统，不仅需要满足新风量设计要求，也应有合理的气流组织形式。其中气流组织形式直接决定了新风的有效利用效率。从能量利用角度来看，提高机械新风系统效率最有效的方法是优化其气流组织分布。并且室内的舒适性和空气质量也直接取决于室内气流组织分布。
3.为了实现一个可接受的室内环境，室内气流组织设计通常采用一个反复的假定设计过程。该过程通过假定若干个模拟的边界条件，例如送风口尺寸、数量、送风速度、温度等。然后采用恰当的方法去评估不同气流组织下的温度场、速度场、污染物浓度场等。有学者采用计算流体力学数值模拟技术，对夏季运行的壁挂式空调房间的风速场、温度场和空气龄场进行了分析。也有学者针对睡眠环境，利用计算流体力学方法，评估了排风口设置在床正下部时，五种不同送风高度(距离地面800、1100、1400、1700、2000mm)对通风效果的影响。结果发现，较低的送风口高度可以有效节约能源并去除呼吸区二氧化碳，而较高的送风口高度去除二氧化碳的效果不好。传统的假定设计过程是非常耗时的，需要大量的样本去发现一个较为接受的设计参数以满足室内环境要求。为了在较短的时间获得较优的室内环境，有学者利用cfd模拟技术，基于正交试验方法优化了厂房冬季横向的送风分布。正交试验是一种研究多因素、多水平的设计方法，它从全面试验中选取一些有代表的点进行试验，是一种高效率、快速、经济的一种试验设计方法。但通过正交试验获得的最佳结果只能是试验水平下的某种组合，最佳结果不会超过所选的试验水平组合。并且不能给下一步的试验提供明确的指向性。使得试验带有很强的摸索性，不很准确。
4.总结发现，现有研究缺乏更深入的探寻气流组织设计方案对室内空气品质的定量影响关系。定量评价气流组织设计与室内空气品质的关系对气流组织优化设计具有重要意义。因此，有必要设计一种住宅新风系统气流组织优化设计的方法。


技术实现要素：

5.为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种住宅新风系统气流组织优化设计的方法，基于计算流体力学方法及响应曲面法，建立气流组织与室内空气品质的定量关系模型，从而实现住宅新风系统气流组织的优化设计。
6.本发明是通过以下技术方案予以实现的：
7.一种住宅新风系统气流组织优化设计的方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.s1：构建住宅建筑房间室内空气环境模拟模型；住宅建筑房间模型包括房间的建
筑尺寸，室内门、窗及家具的位置布设情况；住宅建筑房间模型还包括房间内扰及参数、室外二氧化碳(co2)浓度、室内人员co2排放情况及房间壁面温度等；
9.s2：构建响应值与设计变量之间的函数模型；本发明采用响应曲面法对住宅建筑新风系统气流组织进行优化设计。基于响应曲面法的优化设计方法是利用合理的实验设计方法确定实验设计工况，然后进行相关实验获得各工况的响应值。采用多元回归方程拟合响应值和设计变量之间关系的函数模型，通过对回归模型调整分析寻求最优设计变量参数。响应回归模型通常由二阶泰勒级数多项式函数来表示，所述二阶泰勒级数多项式函数如下式所示：
[0010][0011]
式中：y是因变量，即响应值；xi、xj是设计变量；n是设计变量个数；β0、βi、β
ii
、β
ij
是回归系数，e是误差项。
[0012]
s3：确定仿真模拟的实验设计工况；
[0013]
s4：基于试验设计工况，根据仿真模拟实验获得响应值；基于获得的响应值构建各工况设计变量与响应值之间的响应曲面模型；
[0014]
s5：基于获得的响应曲面模型，得到设计变量参数范围内各设计变量的最佳组合，从而获得气流组织优化设计方案。
[0015]
在上述技术方案中，先对住宅建筑内的房间进行实测，并构建住宅建筑房间模型，进而采用响应曲面法构建房间室内空气品质响应值与设计变量之间的函数关系；然后确定仿真模拟的实验设计工况，基于试验设计工况进行仿真模拟，得出各设计变量在不同取值时的室内空气品质响应值，将模拟试验结果代入响应值与设计变量之间的函数模型中，求解模型，得到设计变量与响应值之间的响应曲面模型；以响应值的范围为限制值，根据各设计变量的参数范围，得到各设计变量的最佳取值组合，从而得到气流组织优化设计方案。
[0016]
进一步地，所述s1具体包括以下步骤：
[0017]
s101：建立住宅建筑模型；
[0018]
s102：设置仿真模拟的边界条件。
[0019]
进一步地，所述步骤s3中采用box-behnken设计方法确定实验设计工况。
[0020]
进一步地，步骤s3具体包括：
[0021]
s301：根据研究问题确定响应值及设计变量；
[0022]
s302：确定设计变量的参数范围；
[0023]
s303：定义设计变量并输入每个设计变量的上限、中线和下限，对不同水平的影响因素值进行排列和组合，确定各实验设计工况。
[0024]
进一步地，所述设计变量包括送风量、送风角度、送风口半径和送风口位置。所述响应值为室内人员活动区co2平均浓度。
[0025]
进一步地，步骤s4具体包括：
[0026]
s401：选择送风口位置，并设定送风量、送风角度和送风口半径，基于上述设计变量进行cfd数值模拟，获得响应值；
[0027]
s402：将设计变量数值与获得的响应值代入响应值与设计变量之间的函数模型，
并进行拟合建模，得到响应曲面模型。
[0028]
进一步地，步骤s5具体包括：
[0029]
s501：设置响应值的限值；
[0030]
s502：确定最优目标；
[0031]
s503：将响应值代入响应曲面模型，根据最优目标求解响应曲面模型，获得各设计变量的数值。
[0032]
进一步地，所述步骤s402中还包括：在获得响应曲面模型过程中，采用后项消除法去除p-value＞0.05的项。去除p-value值大于0.05的项可以提高回归模型的质量。
[0033]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0034]
本发明提供的一种住宅新风系统气流组织优化设计的方法，先对住宅建筑内的房间进行实测，并构建住宅建筑房间室内空气环境仿真模拟模型；然后采用响应曲面法构建房间室内空气品质响应值与设计变量之间的函数关系；然后确定仿真模拟的实验设计工况，基于试验设计工况进行仿真模拟，得出各设计变量在不同取值时的响应值，将模拟试验结果代入响应值与设计变量之间的函数模型中，求解模型，得到设计变量与响应值之间的响应曲面模型；以响应值的范围为限制值，根据响应曲面模型以及各设计变量的参数范围，得到各设计变量的最佳取值组合，从而得到气流组织优化设计方案。本发明建立了人员活动区平均co2浓度与ach(换气次数)、送风角度、送风口半径及送风口位置定量关系的数学模型，可以预测不同设计变量下人员活动区平均co2浓度，从而实现新风系统气流组织的优化设计。通过本技术提供的方法可较方便的获得气流组织的最佳设计方案，满足室内空气品质的设计要求。
附图说明
[0035]
图1为根据本发明实施例的方法流程图；
[0036]
图2为根据本发明实施例的仿真模型图；
[0037]
图3为根据本发明实施例的送风口位置示意图。
具体实施方式
[0038]
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
[0039]
实施例
[0040]
如图1所示，本实施例提供一种住宅新风系统气流组织优化设计的方法，具体过程如下：
[0041]
s1：构建住宅建筑房间模型，本实施例针对某住宅建筑，选取实测主卧，采用cfd仿真模拟软件对其建立建筑模型，具体包括以下步骤：
[0042]
步骤s101：建立住宅建筑室内空气环境模拟模型。包括设置建筑尺寸，室内布局。
[0043]
本实施例中，步骤s101中建筑模型为西安市一新建配备有机械新风系统住宅的主卧房间。其位于23层，几何尺寸为4.5m
×
3.7m
×
2.7m。西墙上有一扇门，南墙上有一扇飘窗。
测试住宅配备有机械新风系统，有风量调节装置。主卧房间送风口为一直径为13cm的圆形送风口，没有设置排风口，通过门下门缝回风，门缝高度为2cm。根据室内布局，采用cfd软件建立了仿真模型(如图2所示)。
[0044]
步骤s102：设置仿真模拟的边界条件。包括主卧房间内扰及参数，室外co2浓度及室内人员co2的排放，人员代谢率，房间壁面温度。
[0045]
在本次气流组织模拟中，仅将人体排放的co2视为室内污染源。人体活动水平为坐姿，测试房间内有2人。呼吸流量为每人0.604m3/h，co2生成率为2.5％。模拟时未考虑住户间的热传递，内部热源为人体。实测西安室外co2的监测结果显示室外co2浓度基本稳定在550
±
50ppm。因此，送风的co2浓度的模拟设置为550ppm。表1给出了模拟的边界条件设定。
[0046]
为了简化问题，在数值模拟中做出了以下假设：
[0047]
(1)地板和顶板表面温度分布均匀；
[0048]
(2)室内空气是不可压缩的；
[0049]
(3)室内气流是稳定的湍流；
[0050]
(4)不考虑房间漏风的影响。
[0051]
表1模拟的边界条件
[0052]
边界条件设置人员呼吸流量0.604m3/(h
·
p)人员co2生成率2.5％人员代谢率1met外墙定壁温，2.5℃外窗定壁温，4℃其它内墙壁面绝热条件送风口速度入口排风口压力出口
[0053]
s2：构建响应值与设计变量之间的函数模型，具体过程如下：
[0054]
本实施例采用响应曲面法对住宅建筑新风系统气流组织进行优化设计。基于响应曲面法的优化设计方法是利用合理的实验设计方法确定实验设计工况，然后进行相关实验获得各工况的响应值。采用多元回归方程拟合响应值和设计变量之间关系的函数模型，通过对回归模型调整分析寻求最优设计变量参数。响应回归模型通常由二阶泰勒级数多项式函数来表示，如下式所示：
[0055][0056]
式中：y是因变量，即响应值；xi、xj是设计变量；n是设计变量个数；β0、βi、β
ii
、β
ij
是回归系数，e是误差项。
[0057]
s3：确定仿真模拟的实验设计工况。对于实验设计工况的具体确定方法，本实施例采用box-behnken设计(box-behnken design,bbd)方法。box-behnken设计方法是响应曲面法中开发二阶多项式响应面模型的常用实验设计方法。本实施中bbd方法的实施采用design-expert 10.0软件执行。在bbd方法的实现过程中，每个设计变量被三等分:低、中和
高，它们分别代表各自设计范围的下限、中值和上限。然后用标准化单位(xi)定义三级设计变量：-1、0、1。将设计变量转换成标准单位表示的公式为：
[0058][0059]
其中，xi、xi分别是第i个标准化单位和设计变量；x
i,lower
、x
i,medium
、x
i,upper
分别是设计变量的下限、中值和上限。
[0060]
s301：根据研究问题确定响应值及设计变量，本实施例的目的在于探究住宅新风系统气流组织的优化设计。将气流组织优化设计转化为探究室内co2浓度(c)与送风量(ach)、送风角度(θ)、送风口半径(r)、送风口位置(l)之间的关系，获得它们之间的响应曲面模型。因此，本研究的响应值(y)为室内co2浓度，设计变量(x1、x2、x3、x4)分别为送风量、送风角度、送风口半径、送风口位置。
[0061]
s302：确定设计变量的参数范围。
[0062]
在送风量的设计中，将实测中获得的高档风量2.8次/h作为设计上限。实测过程中保持两人在卧室中，卧室面积为16.6m2。测试房间人均居住面积为8.3m2。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(gb50736—2012)相关规定，人均居住面积小于10m2时，换气次数不应小于0.7次/h。因此将0.7次/h作为设计下限。
[0063]
目前住宅建筑在新风口的设计中通常采用水平送风方式。为了探究不同送风角度对气流组织的影响。本发明中的设计变量包括了送风角度。为了保证新风的送风距离，并没有考虑0
°
到180
°
。且规定偏转方向为向水平面以下偏转。送风角度的设计范围为2
°
到10
°
。
[0064]
在住宅建筑的新风送风速度设计中，送风速度要求不能过高且不能过低，一般要求在2m/s-3m/s范围内。结合送风量的设计范围，送风口半径的设计范围规定为0.04m-0.06m。
[0065]
如图3所示，在考虑送风口位置设计时，首先调研了西安市住宅的侧送风布置方式。结合住宅楼层高度，在实验设计中送风高度规定为2.5m。且送风口位置不能距四周围墙较近，这里规定距墙的距离最近为0.5m。因此，如图3送风口位置示意图所示。以地板为基准，送风口的水平高度为2.5m，且在北墙、东墙、南墙、西墙上水平移动。设计了不同墙面、不同送风口位置的模拟方案：距西墙的距离0.5m-3.2m(送风口布置在南墙、北墙)；距北墙的距离0.5m-4m(送风口布置在东墙、西墙)。表2给出了各设计变量的设计范围
[0066]
表2各变量设计值
[0067][0068]
s303：利用design-expert 10.0软件，定义设计变量并输入每个设计变量的上限、中值、下限，对不同水平的设计变量值进行排列和组合，确定各实验设计工况，表3、表4、表5和表6分别给出了送风口设置在北墙、东墙、南墙、西墙时的实验工况。
[0069]
s4：基于试验设计工况，根据仿真模拟实验获得响应值；基于获得的响应值构建各工况设计变量与响应值之间的响应曲面模型。
[0070]
s401：根据表3、4、5、6中送风口设置在北墙、东墙、南墙、西墙时的实验工况调整送风参数进行cfd数值模拟获得人员活动区平均co2浓度(即响应值)。
[0071]
表3送风口设置在北墙时的实验工况及响应值
[0072][0073]
表4送风口设置在东墙时的实验工况及响应值
[0074][0075]
表5送风口设置在南墙时的实验工况及响应值
[0076][0077]
表6送风口设置在西墙时的实验工况及响应值
[0078][0079]
s402：将设计变量数值与获得的响应值代入响应值与设计变量之间的函数模型，并进行拟合建模，得到响应曲面模型。
[0080]
经过实验设计与数值实验获得响应值后，根据响应值与设计变量之间的函数模型，对各工况设计变量和响应值之间的关系进行拟合建模。建立了送风口设置在不同墙面时的人员活动区平均co2浓度的响应曲面模型，如表7所示。
[0081]
在获得模型的过程中，为了提高回归模型的质量，采用后向消除法去除了p-value＞0.05项。具体实现方法为：首先找到回归模型的一元二次项(x
12
、x
22
、x
32
、x
42
)，判断其p-value的大小，当p-value＞0.05时，去除该项，反之，留下该项。二次项结束后，判断二元一次项(x1·
x2、x1·
x3、x1·
x4、x2·
x3、x2·
x4、x3·
x4)，方法同上，最后判断一元一次项(x1、x2、x3、x4)。
[0082]
表7送风口设置在不同墙面的响应曲面模型
[0083][0084]
s5：基于获得的响应曲面模型，得到设计变量参数范围内各设计变量的最佳组合，从而获得气流组织优化设计方案。具体为：
[0085]
s501：设置响应值的限值；《gb/t18883-2022室内空气质量标准》规定住宅建筑中室内co2浓度的限值为1000ppm。因此，设定室内人员活动区平均co2浓度，即响应值为1000ppm。
[0086]
s502：确定最优目标；本实施例中以最小送风量为最优目标。
[0087]
s503：将响应值代入响应曲面模型，根据最优目标求解响应曲面模型，获得各设计变量的数值。利用design-expert 10.0软件获得了不同响应曲面模型的相应设计参数，如表8所示。
[0088]
表8最小新风量下不同模型的相应设计参数
[0089]
响应曲面模型ach/(次/h)送风角度/
°
送风口半径/m送风口位置/m北墙1.0502.0030.051.777东墙0.95020.0423.278南墙1.00520.053.120西墙0.9592.60.053.563
[0090]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。