(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210991737.9 (22)申请日 2022.08.16 (71)申请人 中南建筑设计院股份有限公司 地址 430071 湖北省武汉市武昌区中南 二 路 (72)发明人 张慎　陈菡　王义凡　雷雪莲　 吴燕　李霆　 (74)专利代理 机构 湖北武汉 永嘉专利代理有限 公司 42102 专利代理师 钟锋　张宇 (51)Int.Cl. G01M 99/00(2011.01) G05B 23/02(2006.01) G06F 30/28(2020.01) G06T 17/00(2006.01)G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 基于Modelica-CFD的实验室通风系 统多方 案比选设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于Modelica ‑CFD联合 仿真的实验室通风系统多 方案比选设计方法， 属 于实验室通风系统设计技术领域， 包括： 确定实 验室建筑几何模型、 通风系统设备参数， 以及具 备节能潜力的通风系统控制策略； 建立实验室房 间CFD模型， 确定联合仿真中需要数据交换的边 界物理量； 建立通风系统设备Modelica模型， 设 置控制策略逻辑； 基于FMI标准接口进行CFD ‑ Modelica联合仿真， 完成多种运营场景工 况不同 控制策略逻辑的实验室试验通风系统通风效率 和能耗计算； 综合通风效率和能耗计算结果确定 最优的通风系统控制策略， 并更新Modelica通风 系统设计方案， 提出优化建议。 该发明利用基于 FMI接口的联合仿真， 结合参数化建模技术、 CFD 算法和Modelica系统建模技术， 搭建了适用于实 验室、 洁净室优化设计的C FD‑Modelica联合仿真 的技术方案， 对实验室通风系统的设计方案进行多目标优化， 提高了设计效率和质量。 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 CN 115452435 A 2022.12.09 CN 115452435 A 1.一种基于 Modelica‑CFD的实验室通 风系统多方案比选设计方法， 其特 征在于， 包括： S1： 根据建筑、 设备厂家和暖通专业资料确定实验室建筑几何模型、 通风系统设备参数 模型， 以及实际多种运营场景工况中具 备节能潜力的通 风系统控制策略； S2： 建立实验室房间CFD模型， 确定联合仿真中需要数据交换的边界物理量， 建立通风 系统设备系统Model ica模型， 设置多种运营场景工况中控制策略逻辑； S3： 基于FMI标准接口进行CFD ‑Modelica联合仿真， 基于1个CFD ‑Modelica联合仿真模 型完成多种运营场景工况和 不同控制策略逻辑下实验室试验通风系统通风效率和能耗的 计算； S4： 综合通风效率和能耗计算结果确定最优的通风系统控制 策略， 并更新Modelica通 风系统模型和设计方案， 提出优化建议。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 在步骤S1之前， 所述方法还 包括： 对实验室通风系统进行优化设计， 以在保证通风需求的前提下， 对通风系统的通风效 率和能耗曲线进行优化， 优化内容包括： 设备选型优化、 通风策略优化、 室内通风设备布设 位置的优化及变风 量控制优化。 3.根据权利要求2所述的方法， 其特 征在于， 步骤S1包括： 采集实验室的空间信息， 初步确定通风系统设备的选型与布设， 基于使用需求确定存 在的控制策略和运营工况， 其中， 实验室的空间信息包括房间围护结构信息和室内设备布 设， 实验室房间的运营需求包括： 室内空气净化需求、 室内舒适度需求、 操作人员的安全保 障及室内负压需求。 4.根据权利要求1至 3任意一项所述的方法， 其特 征在于， 步骤S2包括： 采用基于格子玻尔兹曼方法的XFlow软件建立建筑房 间CFD通风计算模型， CFD模型包 括室内建筑和设备几何对应的网格模型、 湍流设置参数以及通 风系统边界参数； 基于Dymola软件建立通风系统Modelica模型， 通风系统Modelica模型包含通风系统的 设备模型和控制策略模型， 其中控制策略模型包括通风系统应用到的所有节能优化策略方 案以及各种运营工况。 5.根据权利 要求4所述的方法， 其特征在于， 采用XFlow软件建立建筑房间CFD通风计算 模型， 还包括数据接口的设置， 基于FMI标准导出x fz格式的FMU接口文件， 设置联合仿真过 程中需要数据交换(Inp uts、 Outp uts)的物理变量， 包括： 新风管道入口边界的风速输入、 排 风设备的负压边界输入、 室内污染物浓度的输出及室内平均压力的输出。 6.根据权利 要求5所述的方法， 其特征在于， 采用基于Modelica语言的多物 理场系统仿 真软件Dymola建立通风系统Modelica模型， 包括Modelica房间系统组件模型和Modelica通 风系统设备组件模型； 根据不同的设备控制方案建立不同Modelica逻辑控制策略下的房 间‑通风系统模型； 在同一个Modelica模型中输入各控制策 略和设计工况并设定计算过程 中的工况转换原则， 其中， Modelica房间系统组件模 型的建立包括： 建立房间与天气环 境的 热交换模型、 分析并简化房间空间模、 设置室内热源模型及建立房间必要传热过程模型， Modelica通风系统设备组件模型包括： 风机、 冷机、 热交换器、 加湿设备、 过滤器、 管道、 三 通、 机械开关、 阀门、 通风柜及排风罩， Modelica逻辑控制策略包括： 机械开关 的控制、 阀门 的开度控制、 通风柜的柜门高度的人工控制及自动启停条件、 设备间的联动及延迟启停控 制。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115452435 A 27.根据权利要求6所述的方法， 其特 征在于， 步骤S3包括： 基于FMI标准接 口进行联合仿真， 在Modelica模型中导入xfz格式的接 口文件， 设置联 合仿真的数据交换及工况转换的控制条件， 将联合仿真的计算结果反馈到通风系统 Modelica模型中对比分析， 用于每 个运营情景 下的通风效率和能耗优化。 8.根据权利要求7所述的方法， 其特征在于， 步骤S3中基于1个CFD ‑Modelica联合仿真 模型完成多种运营场景工况， 包括： 各工况的计算时间通过联合仿真的数据交换自动判断： 不同Modelica逻辑控制策略均 包含在一个Modelica系统仿真模型中， 在联合仿真过程中对每个工况逐一进行计算， 根据 CFD反馈的计算结果指标判定每个Modelica计算工况是否继续， 在计算过程中对每一个工 况的室内空气流量进 出以及压力指标进行动态监控， 判断当前工况的监控信号是否到达稳 定状态， 若已稳定则自动进入下一工况的计算。 9.根据权利要求8所述的方法， 其特征在于， 步骤S3中， 每个运营情景下的通风效率和 能耗优化， 包括： 将不同Modelica逻辑控制策略下的CFD模型计算得到的通风效率计算结果和Modelica 能耗计算结果综合， 分析实验室的通风次数、 洁净度和微负压维持度， 对通风设备的参数进 行调整， 优化设备选型； 分析不同Modelica逻辑控制策略下的通风系统 能耗， 通过调整变风 量控制参数降低能耗； 对不同Modelica逻辑控制策略下的最优方案进行比选， 得到最优的 通风系统设计方案 。 10.根据权利要求9所述的方法， 其特 征在于， 步骤S4包括： 参照优化后的通风系统设计方案对设备选型提出优化建议， 根据最优模型确定通风系 统的控制策略。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115452435 A 3