空调热舒适仿真平台设计及开发

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：With the increased demand for quality of life, the thermal comfort in air-conditioned rooms has become an important issue that the air-conditioning industry needs to be solved urgently. In the studies of thermal comfort in air-conditioned rooms, numerical simulation is an important and simple method. In order to simplify the simulation process and reduce the threshold of simulation technology of the air-conditioning thermal comfort on the basis of ensuring the simulation accuracy, secondary development of Creo, ICEM and FLUENT are carried out.And the key parameters are reserved to be adjustable for air conditioning simulation.Programming software is used for integrating the software that have been developed, and the platform of air-conditioning thermal comfort simulation is established to realize the automation of the simulation process, and the simulation efficiency is improved by more than 90 %; when the platform of air-conditioning thermal comfort simulation is used for steady-state simulation and transient simulation,the relative error is less than 6 %, which is in good agreement with the actual situation. The platform is an air conditioning thermal comfort simulation platform with high precision, high efficiency and strong versatility. Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：air conditioning; thermal comfort; simulation; secondary development
摘要：随着人们对生活品质需求的提高，空调房间内热舒适成为空调行业急需解决的重要问题。

在空调房间内热舒适研究中，数值仿真方法是一种简单高效的重要方法。

为了简化空调热舒适仿真过程，并在保证仿真精度的基础上降低仿真技术的使用门槛，对Creo、ICEM 和FLUENT 软件进行二次开发，保留关键参数可调，进行空调使用情况的仿真；采用编程软件对已开发的三种软件集成封装，建立空调热舒适仿真平台，实现仿真流程自动化，仿真效率提升达90 %以上；空调热舒适仿真平台进行稳态仿真和瞬态仿真时，相对误差小于6 %，与实际情况吻合好。

该平台是具有高精度、高效率和强通用性的空调热舒适仿真平台。

关键词：空调；热舒适；仿真；二次开发
中图分类号：TP29 文献标识码：B 文章编号：1004-7204(2019)05-0128-06
空调热舒适仿真平台设计及开发
Design and Development of Air Conditioning Thermal Comfort Simulation
Platform
李想，闫艳，孔婷婷，赵树男，崔兰荣（珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070）
LI Xiang，YAN Yan，KONG Ting-ting，ZHAO Shu-nan，CUI Lan-rong
(Gree Electric Appliances Inc of Zhuhai, Zhuhai 519070)
前言
随着互联网信息技术的发展，仿真技术在各行业推进速度越来越快，普及度也越来越高，已覆盖车辆工程、海洋船舶、航空航天、石化工艺流程等众多领域。

相比于实验，仿真技术具有使用方便、修改参数容易、计算速度快等优点［１］。

随着仿真软件种类和功能的丰富，采用仿真手段进行气流组织及热舒适的研究工作也越来越多，其中黄慧丽采用ＣＦＤ模拟不同送风温度的气流组织，并利用ＥＤＴ和ＡＤＰＩ值分析模拟房间的热舒适［２］；莫志娇等利用ＦＬＵＥＮＴ计算软件对轿车室内流场进行了模拟［３］；吴金星利用ＦＬＵＥＮＴ对某体育馆夏季设计工况下气流组织舒
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适性进行了模拟研究［４］；王敬欢等采用ＣＦＤ计算软件对空调房间不同送风角度进行数值模拟［５］。

目前，多数热环境数值仿真所采用的边界条件和参数与实际相差较大，对于房间内实际情况考虑较少，如：围护结构的传热特性、空调启停的时间长短、空调吹风的动态特点、房间内饰以及人员干扰等，这些可变因素导致仅依靠软件自备参数仿真的结果与实际结果偏差大，仿真意义甚微。

而且，在ＣＦＤ仿真过程需要多个软件配合使用。

首先需要三维绘图软件进行建模，然后通过网格划分软件合理规划模型的计算单元，再采用求解器进行计算，最后利用后处理软件查看结果，进行云图显示。

ＣＦＤ仿真软件对使用人员专业知识要求高，且操作复杂、难度大［６］；因此，有必要对空调热舒适仿真进行二次开发，在保证仿真精度的前提下提高仿真效率。

目前，仿真软件的二次开发已经逐渐成为一种趋势。

方瑞和陈岳坪利用ＵＧ中的ＵＩＳＴｙｌｅｒ和ＭｅｎｕＳｅｒｉｐｔ开发工具，实现了在线检测中的干扰检测和避障［７］；周彬和吴优为消除船舶企业信息孤岛并提高效率，对船舶设计软件ＳＰＤ　４．０进行二次开发［８］；王国林等将Ａｂａｑｕｓ软件二次开发技术应用到轮胎研发领域，开发并集成针对轮胎力学性能仿真计算的平台系统［９］
；张文东等以Ａｂａｑｕｓ为平台，应用Ｐｙｔｈｏｎ脚本语言开发了一套裂纹自动扩展程序包［１０］；李贺佳和毕小平应用ＶＣ＋＋对ＦＬＵＥＮＴ进行了二次开发［１１］。

然而，针对空调热舒适仿真的开发还没有系统的开展。

围绕空调热舒适仿真存在的问题，本文针对空调热舒适仿真关键问题及其平台的二次开发进行了深入研究，实现了热舒适仿真的高精度、高效率和强通用性。

１空调热舒适仿真模型
１．１几何模型
本文以安装空调的房间内热舒适为研究对象，对其进行数值仿真，研究房间内气流组织和温度分布。

为了能够详尽的反映和考虑房间内细节结构对仿真结果的影
响，采用Ｃｒｅｏ建模软件对房间建立了１：１的全尺寸几何模型，如图１所示。

将１：１房间几何模型导入到仿真软件中，对仿真房间内空调的出风、回风等参数设置，计算得出房间内气流组织以及房间内温度分布，通过分析气流组织状态和房间内温度分布情况，衡量房间内热舒适。

１．２数学—物理模型
空调房间内的气流流动是湍流流动过程。

为简化仿真过程问题，忽略对室内流场影响较小的因素，作如下假设：
１）实验室内空气低速流动，可视为不可压缩流体，且符合Ｂｏｓｓｉｎｅｓｑ假设；
２）实验室可控外壁面温度恒定，考虑内壁面温度不均匀且存在变化，采用外壁面作为边界条件；
３）忽略墙壁、房顶和地面等辐射热；
４）忽略门、窗、墙壁等漏风的影响，认为房间气密性良好。

根据上述假设，数学模型采用ｋ－ｅ湍流模型，模型的基本方程包括连续方程、动量方程、能量方程和湍流动能。

其中，瞬态三维可压缩流体的质量守恒方程为：
（１）
动量守恒方程为：
（２）
能量守恒方程为：
图1 热舒适房间几何模型
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（３）
上述三个方程的通用形式可表示为：
（４）
其中，ρ为密度；为通用变量，可以代表ｕ，ｖ，ｗ，
Ｔ等求解变量；ｔ为时间项；Ｕ为速度项；为广义扩散系数；Ｓ为广义源项。

采用基础能量方程对房间内的壁面以及进出口边界条件进行加载，计算房间内气流、壁面的能量传递，保证与实际情况相符。

２二次开发
２．１路线
空调热舒适仿真平台二次开发流程如图２所示。

平台运行包括Ｃｒｅｏ模型建立、ＩＣＥＭ网格划分、ＦＬＵＥＮＴ迭代计算，利用编程软件对计算结果进行后处理，生成房间内不同维度的温度云图，完成仿真流程。

具体二次开发及工作流程如图２所示。

２．２效率提升
空调热舒适仿真平台基于脚本动态编译，对Ｃｒｅｏ、ＩＣＥＭ和ＦＬＵＥＮＴ专业软件的二次开发，实现了几何模型参数化建模、网格自动生成、边界条件和求解器智能设置以及后处理结果标准输出。

使用者只需在平台界面
仿真项目几何建
模网格划分求解器设置后处理平台设置耗时/min 0.5121人工设置耗时/min
30
40
30
50
表
1 空调热舒适仿真平台与人工设置耗时对比
图2 二次开发及工作流程
输入关键参数值，即可完成自动化仿真，得到温度数据、云图等信息。

下表１为平台自动设置与人工设置在不同阶段的大致时间对比。

由表１数据可知，平台自动化设置耗时远远低于人工设置耗时，相比于人工设置，仿真平台在保证仿真精度的基础上，降低仿真门槛，提升仿真效率达９０　％以上，可对空调行业热舒适仿真起到一定的推动作用。

２．３脚本程序
在房间几何模型中，对房间内热舒适仿真影响较大的关键结构是进出风口大小、出风口角度以及导风板的偏转角度。

通过对Ｃｒｅｏ脚本程序预留接口的参数调整，
完成建模。

由于在Ｃｒｅｏ中仅对部分结构进行了调整，只需将模型文件导入到ＩＣＥＭ中，并载入ＩＣＥＭ脚本文件，即可完成网格划分，输出．ｍｓｈ文件。

网格文件导入到ＦＬＵＥＮＴ软件后，需在ＦＬＵＥＮＴ脚本中修改设定房间内材料及边界条件；另外，为了判断房间内热舒适的优劣，需对房间内设定温度监控点，并
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将所有的点进行参数化处理，在ＦＬＵＥＮＴ脚本文件中予以添加，在迭代计算后输出各点的温度数值。

ＦＬＵＥＮＴ软件运行结束后，经过编程软件后处理，输出房间内的气流组织状态云图和房间温度场云图。

通过对Ｃｒｅｏ、ＩＣＥＭ和ＦＬＵＥＮＴ脚本文件中关键参数的修改，并搭配衔接程序的运行，实现了空调热舒适仿真平台的自动化。

３平台功能
空调热舒适仿真平台采用编程软件对仿真平台进行界面设计。

平台界面如图３所示，界面中包括几何模型房间中空调三维尺寸、出风口大小、出风口角度等。

仿真平台包含瞬态与稳态仿真计算，以便用户了解空调房间内的温度变化规律和稳定状态下的温度分布。

用户在进行瞬态仿真过程时，输入参数界面如图４显示，平台基于用户提供的机组参数，利用调研分析的数据分析得出空调出风风速及温度在空调运行不同时刻的数值，并定义动态出风参数，加载至ＦＬＵＥＮＴ中，实现瞬态模拟；在进行稳态仿真时，用户可自行设置相关参数，参数输入界面如图５显示。

在仿真计算完成后，平台利用编程软件对结果文件进行后处理，对温度监控点进行矩阵变化，生成温度云图，如图６所示。

仿真平台能够以不同维度展示房间的气流组织及温度场分布，并可动态显示不同时刻的云图状态，
及时捕捉热舒适特征区域。

图
3 空调热舒适仿真平台界面图
4 瞬态仿真参数输入界面
图
5 稳态仿真参数输入界面
图6 可视化结果云图
４案例验证
为了验证热舒适仿真平台的准确性，本文采用仿真平台计算了空调Ａ的稳态制冷和稳态制热两种工况下的温度分布，与实验测试数据对比分析；并计算了空调Ｂ瞬态制冷与瞬态制热两种工况下温度变化，对比了仿真结果与实验值之间的绝对误差与相对误差值。

误差计算方法如下公式：
绝对误差＝（仿真值－实验值） （５）相对误差＝（绝对温差／仿真值） （６）其中，ｎ为几何模型中的温度监控点数量。

空调Ａ的几何模型房间内有１４７个温度监控点，仿真结果与实验值的绝对误差如图７所示。

图７（ａ）为空调Ａ稳态制冷工况数据对比图。

由图可知，空调热舒适仿真平台计算得到的室内温度与实测温度的绝对温差平均值为０．９３　℃，相对误差平均值为５．８２　％，１４７个监控点中１３９个测点温差处于±２　℃偏差范围内，测点合格率为９４．５６　％；图７（ｂ）为空调Ａ稳态制热数据对比图，由图可知，空调热舒适仿真平台计算得到的室内各点温度与实测温度的绝对温差为－１．０４　℃，相对误差为３．８９　％，１４７监控点中１３４个点处于±２　℃偏差范围内，测点合格率为９１．１６　％。

由平台计算稳态仿真数据可知，９０　％以上的监控点与实测数据在±２　℃以内，相对误差在５　％左右，仿真精度已可以拟合实际稳态情况下房间内温度分布的水平。

空调Ｂ室内热舒适瞬态仿真得到的温度平均值与实验值逐时对比如图８所示。

图８（ａ）为空调Ｂ瞬态制冷工
(a)空调A稳态制冷仿真结果和实验值对比(a)空调B瞬态制冷仿真结果和实验值对比
(b)空调A稳态制热仿真结果和实验值对比(b)空调B瞬态制热仿真结果和实验值对比
图7 仿真结果与实验值的绝对误差图8 温度平均值与实验值逐时对比
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况结果对比图，由图可知，平台计算的每分钟室内平均温度与实验的绝对温差范围在－０．６５　℃至１．１９　℃，相对
误差在－１．８４　％至４．０１　％之间，第７　ｍｉｎ误差最大，仅为４．０１　％；图８（ｂ）为空调Ｂ瞬态制热工况结果对比图，由图可知，平台计算的室内每分钟平均温度与实验的绝对温差范围为－０．９５　℃至０．６３　℃，相对误差为－１２．２８　％至３．２１　％，在第２　ｍｉｎ误差最大，为－１２．２８　％。

由平台计算瞬态仿真数据可知，室内平均温度与实验的绝对温差值可保持±２　℃以内，相对误差与实际偏差量较低，瞬态仿真数据与实测数据契合度高，可反映实际房间内每分钟温度变化。

从仿真结果与实验对比分析中可知，在进行稳态制冷和稳态制热仿真时，空调热舒适仿真平台计算结果与实际测试数据相差较小，可以真实反映房间内热舒适状态，对空调行业热舒适仿真具有一定的指导意义。

５结论
本文以空调房间热舒适为研究对象，针对目前仿真软件存在的不足进行深入研究，搭建了空调热舒适仿真平台，在保证仿真精度的基础上，降低了仿真门槛，提升了仿真效率，是一款实用性强、通用性高的软件，并能够在空调行业地热舒适仿真领域起到一定地推动作用。

具体表现为：
１）仿真平台可以对影响房间内热舒适的关键参数进行灵活调整，验证不同参数对房间内气流组织的影响和温度变化，实现不同参数搭配下的房间热舒适对比，保证仿真与实际情况相符，遴选最佳热舒适参数；
２）空调热舒适仿真平台通过脚本动态编译实现了软件耦合及仿真自动化，剔除人为误差，减少重复劳动，自动进行数据后处理，多维度展示热舒适效果，总体提升仿真效率达９０　％以上；
３）空调热舒适仿真平台可进行稳态和瞬态仿真，稳态仿真的相对误差在１０　％以内，瞬态仿真的相对误差小于６　％，平台计算结果与实测数据契合度高，仿真结果可以真实的反应房间内热舒适特点。

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参考文献：
作者简介：
李想（1991.02-），男，硕士研究生，制冷及低温工程，研究方向：空调热舒适性。

闫艳（1992.10-），女，硕士研究生，供热、供燃气、通风及空调工程，研究方向：空调热舒适性。

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