基于 CFD 模拟的室内温湿度最佳测量位置研究

侯娜 闫秀英* 王秀东

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

变风量空调系统的节能技术已经被广泛应用到实际系统运行中，在节能的同时，人们对空调房间内人员的健康与舒适度渐渐引起重视。空气温度与湿度是一个与人们生活和生产有密切关系的重要环境参数，温湿度对人体舒适度，产品生产过程，产品质量和产品保存期都有重要意义。

如今空调房间的温湿度传感器通常安装在门口附近的墙壁上，其温湿度测量值并不能反应室内工作区的温湿度，测量效果偏离室内温湿度真实分布情况，从而影响室内温湿度的控制效果，导致室内环境不能达到人们设定的值或生产要求。随着人们对舒适度要求的提高，对室内温湿度最佳测量位置的研究渐渐成为国内外空调学者的研究热点。

目前传感器的最佳位置多应用于减少传感器数量方面，在空调室内测量位置方面的研究较少。Duwaraka Yoganathan[1]为获得室内环境的完整图像，提出确定最佳的传感点以提供对目标办公楼室内环境充分全面的描述，减少 80%多余的传感器。采用聚类算法，信息丢失法和 Pareto 原理推导出最优的传感器布局策略，有助于推导出物理边界，使所有传感器能覆盖所有空间，以达到信息丢失数量最少的目的。陈熙[2]在博物馆新型空调系统设计研究中阐述了博物馆的建筑特征和博物馆对室内环境温湿度的特殊要求，强调了气流组织形式对空调的重要性，寻求同时达到人体的舒适性和节约能源的合理的气流组织，并对空调系统内的气流组织进行了介绍。Kojima Kazuyuki[3]在文中以办公室的空调系统为例，介绍了如何利用传感器网络预测人类的热舒适和感觉的方法。在室内环境中放置21 个温度传感器和受试者，并通过实验得出其受试者身上的传感器读数与受试者的热感觉相关联。Loris Vincenzi[4]研究了模型误差和参数不确定性在结构健康监测和模态测试的最佳或接近最佳传感器布置方法方面的作用。信息熵理论获得了最佳的测量位置集合。放置的位置很大程度上取决于预测误差的协方差矩阵以及相关函数的定义。刘巧玲[5]为了使室内空气分布均匀，提出基于多传感器的送风优化控制策略，通过对送风温度设定的优化，调整送风量的大小，以获得室内均匀的气流分布。仿真验证表明，基于多传感器的送风优化控制策略有助于改善房间空气分布均匀性和提高室内人员的舒适性。

1 室内温湿度模拟计算

依据 ASHRAE Standard 55-2010[6（]人类居住热环境条件）在特定条件下的室内测点布置建议，利用西安建筑科技大学智能建筑与楼宇自动化实验室的实验平台，随机选取在房间5 内搭建传感器检测架，考虑空调室内人员的坐着，站立以及数据可靠性角度，最终确定在 6 个平面布置传感器，各平面高度分别为：0.75 m、1.1 m、1.3 m、1.5 m、1.7 m、1.9 m。每个平面放置12 个传感器。

在 FLUENT 中以西安建筑科技大学智能建筑与楼宇自动化实验室房间 5 为研究对象，建立其物理模型，以房间的东南角为坐标原点，正北为 x 轴方向，正西为y 轴方向，正上为z 轴方向。空调房间三维模型如图1 所示。利用GAMBIT 软件对该空调房间的物理模型进行网格的划分，物理模型的网格划分如图2 所示。

将房间温度设置为 26 ℃，湿度设置为 40%，在FLUENT 中控制方程采用双方程湍流模型进行空调房间内气流流场的数值模拟[7-9]。

房间内 0.75 m、1.1 m、1.3 m、1.5 m、1.7 m、1.9 m六个不同平面处的温度场模拟结果如图3 所示，温度的单位为开尔文。

图1 物理模型

图2 物理模型的网格划分

图3 六个不同平面的温度分布云图

从图中可以看出，每个平面的温度分布云图都不一样，由于各个部分之间的温差引起了空气的自然对流换热，温度高的空气由于浮升力的作用从室内的低处上升到高处，温度低的空气从上部往下流动，平面越高，温度值越高，平面越低，温度值越低。同一个平面不同位置的温度值也有很大的不同，靠近送风口处的温度值最低，由于与送风口距离的不同，不同位置的温度值随着与送风口距离的增大而增大。

图4 六个不同平面的湿度分布云图

房间内0.75 m、1.1 m、1.3 m、1.5 m、1.7 m、1.9 m 六个不同平面处的湿度场模拟结果如图4 所示。

室内的湿度分布云图同温度分布云图一样，呈现出平面的不同，湿度的分布情况不同。湿度分布云图的每个平面不同位置处的湿度值变化没有温度分布云图的每个平面不同位置处的温度值变化剧烈，湿度云图内部湿度变化趋于均匀。模拟出的6 个平面湿度最高值多出现于 0.75 m 平面，湿度值约为 47%到50%，湿度最低值多出现于 1.9 m 平面，湿度值约为41%到44%。

2 室内温湿度最佳测点位置

导出模拟计算出的所有点位处的温湿度值，找出与实际房间中搭建的实验平台上的 72 个传感器一一对应的模拟出来的点位，将这72 个不同点位处的温度与湿度采用基于均值递推融合算法[10-13]进行融合，融合后的温度与湿度值代入有效温度指数ET[14-15]的计算式中，计算出FLUENT 模拟情况下的温湿度值融合后的有效温度指数ET 值。

经计算，FLUENT 模拟情况下的72 个温湿度值融合后带入有效温度指数ET 的计算式，计算出的 ET 值为16.23 ℃。FLUENT 模拟的72 个不同位置处的传感器有效温度指数ET 值如表1 所示。

由表1 中可以看出，与 FLUENT 模拟情况下的温湿度值融合后的有效温度指数ET 值做差绝对值最小的测点为1.3 m 平面处的测点5 和测点11，这两个点为 FLUENT 模拟寻找出的房间 5 的最佳温湿度测量位置。

表1 FLUENT 模拟中不同测点处的有效温度指数ET

3 结语

针对如今空调房间的温湿度传感器安装位置不合理现象，利用 FLUENT 技术，对选取的变风量空调房间进行了三维模拟，采用上送上回的送回风方式，模拟出设定工况下房间内的温度场和湿度场。运用基于均值的递推融合算法以及有效温度指数 ET 作为室内人员热舒适的评价标准，求取了空调房间内温湿度的最佳测量位置在 1.3 m 平面内的测点 5 和测点 11，可对实际工程应用中温湿度传感器安装位置的确定提供一定的参考价值。