用于改善建筑物內(nèi)環(huán)境的交互式優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于改善建筑物內(nèi)環(huán)境的交互式優(yōu)化方法，屬于建筑環(huán)境與建筑 節(jié)能領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在目前全球節(jié)能減排的大背景下，如何協(xié)調(diào)和優(yōu)化建筑室內(nèi)環(huán)境與空調(diào)能耗越來 越受到關(guān)注。近年來，針對建筑物內(nèi)環(huán)境的優(yōu)化方法已得到長足發(fā)展，從早期的梯度尋優(yōu)發(fā) 展到目前廣泛運用的各類智能尋優(yōu)（如遺傳算法，微粒群算法等），優(yōu)化參數(shù)則逐漸涵蓋了 室內(nèi)環(huán)境的各方面，包括熱舒適度、空氣質(zhì)量以及空調(diào)能耗等。
[0003] 在各類建筑環(huán)境優(yōu)化方法中，如何針對候選控制變量準確地解算環(huán)境響應(yīng)是一個 核心問題。由于現(xiàn)成的建筑室內(nèi)環(huán)境模型很難同時滿足優(yōu)化的實時性和精確度要求，目前 通常的做法是假設(shè)室內(nèi)空氣完全混合，即忽略空間分布對環(huán)境參數(shù)的影響，采用經(jīng)驗?zāi)Ｐ?或半機理模型的方法求解環(huán)境響應(yīng)。而實際上，對于大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)，特別像置換通風系統(tǒng) 來說，室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)在空間上有較大差異。忽略這種差異會導(dǎo)致優(yōu)化效果與室內(nèi)各區(qū)域 人員的實際感受不符，引起各種舒適度抱怨。目前國際上這方面研宄很有限。原因是室內(nèi) 多參數(shù)環(huán)境建模復(fù)雜，須借助CFD工具，且很難直接與在線的優(yōu)化算法整合。
[0004] 2013年，有文獻提出一種基于模型降階技術(shù)的建筑室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化方法。其特點 在于通過構(gòu)造低階的環(huán)境參數(shù)變化子空間，將相關(guān)的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)模型直接嵌入尋優(yōu)過程 中，實現(xiàn)環(huán)境響應(yīng)的快速解算。該方法充分考慮了環(huán)境參數(shù)的空間分布特性，但建模復(fù)雜， 不易工程技術(shù)人員掌握。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有建筑室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化方法所存在的上述缺陷，本發(fā)明提供一種用于改善建 筑物內(nèi)環(huán)境的交互式優(yōu)化方法。其特點在于利用環(huán)境仿真和科學(xué)計算軟件各自接口，整合 多方軟件組成不同模塊，運用數(shù)據(jù)交互技術(shù)將建筑環(huán)境仿真中的多種分布式參數(shù)直接傳遞 給優(yōu)化算法，使得優(yōu)化方法能充分考慮空間分布對環(huán)境參數(shù)的影響，相對目前的環(huán)境優(yōu)化 方法，本發(fā)明具有通用性好、優(yōu)化精度高等特點。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] 用于改善建筑物內(nèi)環(huán)境的交互式優(yōu)化方法，具體包括如下步驟：
[0008] (1)建立基于計算流體力學(xué)軟件的室內(nèi)環(huán)境仿真模塊，配置相關(guān)數(shù)據(jù)接口文件；
[0009] (2)建立基于Visual C++的數(shù)據(jù)交互模塊，用于在優(yōu)化過程中將控制變量從優(yōu)化 模塊傳遞給仿真模塊，同時將環(huán)境參數(shù)從仿真模塊傳遞給優(yōu)化模塊；
[0010] (3)建立優(yōu)化模塊，優(yōu)化算法為進化算法，用加權(quán)方式設(shè)置代價函數(shù)；
[0011] ⑷啟動優(yōu)化算法，得到空調(diào)控制量的優(yōu)化值。
[0012] 進一步，所述步驟（1)中，計算流體力學(xué)軟件使用Airpak軟件；室內(nèi)環(huán)境仿真模型 的建立步驟如下：
[0013] A.利用Airpak軟件建立建筑物內(nèi)環(huán)境的幾何模型并劃分網(wǎng)格；
[0014] B.利用Airpak軟件在空調(diào)出風口、回風口及用戶區(qū)域等位置設(shè)定多個點用于記 錄環(huán)境參數(shù)，具體設(shè)定為：空調(diào)出風口處為P1點，空調(diào)回風口處為P2點，用戶區(qū)域為P3-P5 點；環(huán)境參數(shù)包括：溫度、風速和污染物濃度。這里的污染物用二氧化碳氣體代表。
[0015] C.室內(nèi)氣體流動假設(shè)為湍流，F(xiàn)luent求解器設(shè)置為解算質(zhì)量、動量、能量及組分 方程的穩(wěn)態(tài)解。在離散化方法設(shè)置中，壓力、動量和溫度方程選擇二階差分法，組分方程采 用一階差分法；各項松弛因子均設(shè)為默認值，最后設(shè)置迭代計算次數(shù)。
[0016] 進一步，所述步驟（1)中，配置相關(guān)數(shù)據(jù)接口文件的步驟如下：
[0017] A?配置仿真模塊輸入文件。具體為：將Airpak工程文件（*? cas)中暖通空調(diào)出 風口的溫度/風速值分別設(shè)置為控制變量形式：AIRTEMP和AIRSPEED，并將此文件定義為輸 入文件供交互模塊調(diào)用，文件名改為Template, cas，用于設(shè)置控制變量；
[0018] B.配置仿真模塊輸出文件。具體為：通過Airpak軟件將室內(nèi)P1-P5點的相關(guān)環(huán) 境參數(shù)值自動保存為文本文件（.out文件）供交互模塊讀取，用于解算優(yōu)化模塊中的代價 函數(shù)。
[0019] 進一步，所述步驟（2)中，數(shù)據(jù)交互模塊由Visual C++語言編寫的控制臺程序?qū)?現(xiàn)，交互模塊的建立具體包括如下步驟：
[0020] A.讀取優(yōu)化模塊輸出文件中的控制變量值并賦值給仿真模塊輸入文件 Template, cas的對應(yīng)變量AIRTEMP和AIRSPEED ;然后根據(jù)輸入文件格式復(fù)制生成新的 Airpak工程文件參與仿真；
[0021] B.根據(jù)新的工程文件啟動Fluent解算器，求解穩(wěn)態(tài)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，啟動指令由批 處理命令完成；
[0022] C.在穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)束之后，從仿真模塊輸出文件（.out文件）中查找P1-P5點的穩(wěn) 態(tài)溫度、風速和污染物濃度值，提取并寫入優(yōu)化模塊輸入文件中。
[0023] 進一步，所述步驟（3)中，優(yōu)化模塊的建立須預(yù)先配置接口文件，用于與交互模塊 進行數(shù)據(jù)讀寫。優(yōu)化模塊接口文件包括輸入文件MatlabIO_X. txt和輸出文件MatlabI0_ Y.txt。MatlabIO_X.txt中依次存放P1-P5各點的穩(wěn)態(tài)溫度、風速和污染物濃度值， MatlabIO_Y. txt中依次存放空調(diào)出風口的溫度與風速值。
[0024] 進一步，所述步驟（3)中，進化算法具體為遺傳算法；代價函數(shù)為建筑環(huán)境指標與 能耗指標的加權(quán)形式；建筑環(huán)境指標包括預(yù)測平均投票數(shù)（PMV)指標及通風效力指標；能 耗指標包括風機能耗指標和制冷能耗指標。
[0025] 本發(fā)明提出一種用于改善建筑物內(nèi)環(huán)境的交互式優(yōu)化方法，充分利用環(huán)境仿真和 科學(xué)計算軟件各自接口，將建筑環(huán)境仿真模型直接"嵌入"優(yōu)化算法中，可滿足環(huán)境優(yōu)化的 精確性和通用性要求。
[0026] 相對目前的環(huán)境優(yōu)化方法，本發(fā)明的優(yōu)點表現(xiàn)在：
[0027] 1、優(yōu)化的精確性。本發(fā)明不再假設(shè)室內(nèi)空氣"充分混合"，而是利用CFD工具對建 筑室內(nèi)環(huán)境做精確建模，并通過數(shù)據(jù)交互模塊將"室內(nèi)環(huán)境"嵌入環(huán)境優(yōu)化方法中，使得優(yōu) 化結(jié)果更精確。在體育館，賓館大廳，醫(yī)院，學(xué)校等大空間場合，本發(fā)明提出的方法尤其具備 明顯的精度優(yōu)勢。
[0028] 2、優(yōu)化的通用性。在本發(fā)明涉及的優(yōu)化方法中，優(yōu)化算法可采用Matlab平臺的各 種智能優(yōu)化算法，仿真軟件適用于各種通過腳本文件啟動的復(fù)雜系統(tǒng)建模軟件。
[0029] 此外，本發(fā)明在具體的技術(shù)方案上還具有下述作用和有益效果：
[0030] 本發(fā)明建立基于計算流體力學(xué)軟件的室內(nèi)環(huán)境仿真模塊，并配置相關(guān)數(shù)據(jù)接口； 同時，所建立的數(shù)據(jù)交互模塊實現(xiàn)了仿真程序與優(yōu)化算法之間的數(shù)據(jù)交互；建立基于進化 算法的優(yōu)化模塊，運用進化算法搜索暖通空調(diào)送風溫度和速度的最優(yōu)值使得建筑物內(nèi)環(huán)境 最優(yōu)且建筑能耗最小。
[0031] 本發(fā)明利用環(huán)境仿真和科學(xué)計算軟件各自接口，整合多方軟件組成不同模塊，運 用數(shù)據(jù)交互技術(shù)將建筑環(huán)境中的多種分布式參數(shù)直接傳遞給優(yōu)化算法，使得優(yōu)化方法能充 分考慮空間分布對環(huán)境參數(shù)的影響，相對目前的建筑環(huán)境優(yōu)化方法，本發(fā)明在通用性以及 精度方面都有了很大的提高。
【附圖說明】
[0032] 圖1是一個3D辦公室模型示意圖；
[0033] 圖2是交互式優(yōu)化方法設(shè)計框架；
[0034] 圖3是辦公室內(nèi)熱舒適度優(yōu)化對比圖。
【具體實施方式】
[0035] 為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說 明。
[0036] 圖1為一個3D辦公室模型示意圖。該辦公室的長寬高分別為 5. 16mX 3.65mX 2. 44m。室內(nèi)設(shè)計有兩個坐姿的辦公人員（3,4)、兩張辦公桌（7,8)、兩臺電 腦（5,6)、兩個文件柜（10,11)及六盞日光燈（12-17)。房間左側(cè)墻有一面3. 65mX 1.04m 的窗戶（9)，置換通風系統(tǒng)的送