費(fèi)鳳繁 蒲學(xué)森 范海川 付明坤 呂浩男 吳嘉峰 陳亞平

1 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

2 深圳東方鍋爐控制有限公司成都分公司

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體和液晶產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，電子行業(yè)制造水平越來(lái)越高，在生產(chǎn)高精度產(chǎn)品的過(guò)程中，對(duì)潔凈廠房?jī)?nèi)的工作區(qū)劃分得更加細(xì)致，溫度控制也愈發(fā)嚴(yán)格。為使廠房的溫度可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)得到廣泛運(yùn)用，對(duì)廠房?jī)?nèi)部溫度特性研究提出了更高的要求。目前有關(guān)于潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究[1]，而對(duì)于潔凈廠房?jī)?nèi)部溫度特性的研究則較少。為開發(fā)研究潔凈廠房?jī)?nèi)部的溫度特性的模型，需要參考民居、寫字樓、商場(chǎng)等資料較為豐富的室內(nèi)溫度特性數(shù)值模擬方法，并對(duì)比分析現(xiàn)已廣泛應(yīng)用的Multizone，CFD 和Zonal 建筑室內(nèi)溫度模型。

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，Multizone 和CFD 模型對(duì)室內(nèi)溫度特性影響因素的研究較為全面[2～3]，不過(guò)該兩種模型前者過(guò)于粗糙，不合適在建模精度很高的潔凈廠房中單獨(dú)采用。后者需要消耗大量計(jì)算資源，且在溫控要求一致的區(qū)域存在大量計(jì)算網(wǎng)格和需要處理的數(shù)據(jù)，兩者對(duì)潔凈廠房溫度特性模型的適用性均不夠強(qiáng)。而Zonal 過(guò)渡模型對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)研究的較多[4～5]，對(duì)室內(nèi)溫度特性影響因素進(jìn)行全面分析的研究較為少見。為快速、準(zhǔn)確地研究多種因素對(duì)潔凈廠房?jī)?nèi)溫度特性的影響，本文采用Multizone 和Zonal 模型耦合的思想，建立數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上使用MATLAB/Simulink軟件較為全面地分析潔凈廠房各區(qū)域溫度對(duì)送風(fēng)量、送風(fēng)溫度、室內(nèi)設(shè)備散熱量、室外參數(shù)等因素的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而較快速、全面地掌握潔凈廠房?jī)?nèi)部溫度特性。論文的建模方案和數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程也可能進(jìn)一步應(yīng)用于其它潔凈廠房或溫控要求較高的工業(yè)以及民用建筑。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 研究對(duì)象

研究對(duì)象選取位于四川省成都市的某一潔凈廠房（下文簡(jiǎn)稱為廠房），東/西向?yàn)?4.4 m，南/北向?yàn)?4.6 m（外圍尺寸），該廠房共有兩層，一層無(wú)設(shè)備，凈高4.2 m，二層為設(shè)備層，凈高5 m。本文主要研究廠房二層的溫度特性。廠房的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料為普通混凝土空心砌塊。廠房?jī)?nèi)側(cè)四周設(shè)有回風(fēng)夾道，材料為PU彩鋼復(fù)合板。廠房?jī)?nèi)設(shè)有空調(diào)系統(tǒng)，由新風(fēng)處理系統(tǒng)，回風(fēng)處理系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)過(guò)濾系統(tǒng)組成。

1.2 廠房模型

本文運(yùn)用能量守恒定律，結(jié)合Multizone 和Zonal模型，建立廠房溫度特性的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)Multizone模型，對(duì)廠房?jī)?nèi)部、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室外分別建立節(jié)點(diǎn)，不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。為得到內(nèi)部更細(xì)致的溫度特性，采用Zonal 模型中室內(nèi)空間分區(qū)的思想，將廠房?jī)?nèi)部劃分為多個(gè)區(qū)域：廠房一樓無(wú)生產(chǎn)設(shè)備，溫度分布均勻，控制要求較低，設(shè)置成一個(gè)節(jié)點(diǎn)。二樓為生產(chǎn)車間，面積較大，不同分區(qū)有不同的溫控要求，水平方向劃分20 個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)設(shè)置一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，垂直方向不分區(qū)。圖1 為該模型的廠房節(jié)點(diǎn)圖，設(shè)置了6 個(gè)重要區(qū)域的測(cè)溫點(diǎn)A～F，分別對(duì)應(yīng)分區(qū)1、2、7、10、12、14，本文利用這6 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)對(duì)照，分析實(shí)測(cè)和模擬數(shù)據(jù)。圖1 中tEO1～tEO3、tSO1～tSO4、tNO1、tNO2為不與回風(fēng)夾道接觸的外墻節(jié)點(diǎn)；teo1、teo2、tso1、tso2、tno1、tno2為與回風(fēng)夾道接觸的外墻節(jié)點(diǎn)；teh1、teh2、tsh1～tsh5、twh1、twh2、tnh1、tnh2為回風(fēng)夾道節(jié)點(diǎn)；tEI1～tEI3、tSI1～tSI4、tWI1、tWI2、tNI1為內(nèi)墻節(jié)點(diǎn)；tj1～tj3為靜電簾節(jié)點(diǎn)；t1～t20為室內(nèi)節(jié)點(diǎn)，其中節(jié)點(diǎn)t17為不送風(fēng)區(qū)域，節(jié)點(diǎn)t4、t5為更衣室，節(jié)點(diǎn)t19、t20為樓梯間；圓形物件為生產(chǎn)設(shè)備。

圖1 廠房二樓節(jié)點(diǎn)設(shè)置

本文忽略室內(nèi)輻射傳熱，并認(rèn)為生產(chǎn)設(shè)備、照明、人員的散熱直接散發(fā)到空氣中，室外對(duì)外墻的輻射作用以太陽(yáng)輻射的形式輸入。由能量守恒定律有：

外墻、回風(fēng)夾道、內(nèi)墻、靜電簾、二樓室內(nèi)的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別以tEO1、tnh2、tSI3、tj1、t3節(jié)點(diǎn)為例。一樓只有t1F一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

式（1）～（7）中，m（kg）為質(zhì)量，c（J/(kg·K)）為空氣比熱容，（t℃）為溫度，τ（s）為時(shí)間，Ri，j（K/W）為節(jié)點(diǎn)間的換熱熱阻，E（W）為外墻吸收的太陽(yáng)輻射量，ρ（kg/m3）為空氣密度，G（m3/s）為風(fēng)量，Qin（W）為節(jié)點(diǎn)散熱量。設(shè)計(jì)工況下，夏季室外溫度為35 ℃，太陽(yáng)輻射照度為：東向?yàn)?51 W/m2，南向?yàn)?3 W/m2，北向?yàn)?6 W/m2，西向外墻對(duì)室內(nèi)溫度無(wú)影響，日照吸收率取0.7。廠房各節(jié)點(diǎn)Simulink 仿真模塊圖搭建原理相同，以圖2 節(jié)點(diǎn)t3為例。

圖2 廠房節(jié)點(diǎn)t3 Simulink 模塊圖

1.3 空調(diào)系統(tǒng)模型

在空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理循環(huán)中，處理過(guò)的新風(fēng)與回風(fēng)混合后送入室內(nèi)，隨后，室內(nèi)空氣一部分作為回風(fēng)進(jìn)入循環(huán)，另一部分作為排風(fēng)排到室外。為了平衡模型的總風(fēng)量，假設(shè)排風(fēng)量與新風(fēng)量相同。對(duì)空調(diào)中的新風(fēng)處理系統(tǒng)、回風(fēng)處理系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)過(guò)濾系統(tǒng)分別建立模型。制冷狀態(tài)下，設(shè)計(jì)工況的新風(fēng)入口溫度為35 ℃，濕球溫度為28 ℃，含濕量為21.11 g/kg，密度為1.2 kg/m3，比熱容為1005 J/kg·K?？照{(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量為28 m3/s，回風(fēng)量為1334 m3/s。

1.4 整體模型

根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB/Simulink創(chuàng)建廠房節(jié)點(diǎn)、新風(fēng)處理系統(tǒng)、回風(fēng)處理系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)過(guò)濾系統(tǒng)的仿真模型，分別封裝為子模塊，連接各子模塊以得到廠房溫控對(duì)象整體模型，如圖3 所示。

圖3 廠房整體Simulink 模型

1.5 模型校驗(yàn)

表1中在空調(diào)的設(shè)計(jì)工況下，6 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的仿真平衡溫度與實(shí)測(cè)溫度值，模擬結(jié)果的誤差在0.3℃以內(nèi)，在誤差允許范圍內(nèi)，仿真模型較為準(zhǔn)確。平衡溫度為系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)的溫度。

表1 制冷狀態(tài)下廠房測(cè)溫點(diǎn)仿真平衡溫度與實(shí)測(cè)值

2 廠房溫度特性分析

運(yùn)用該模型可以更方便地分析室內(nèi)各分區(qū)節(jié)點(diǎn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)、散熱量、室外參數(shù)變化的響應(yīng)情況，本文以6 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)為所在區(qū)域?yàn)槔?，主要研究參?shù)階躍變化、室內(nèi)參數(shù)小幅度波動(dòng)變化、室外參數(shù)晝夜周期性變化時(shí)測(cè)溫點(diǎn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，并分析各參數(shù)對(duì)室內(nèi)溫度的影響程度。

2.1 空調(diào)系統(tǒng)對(duì)廠房溫度的控制

2.1.1 送風(fēng)量和送風(fēng)溫度的影響

可通過(guò)改變送風(fēng)參數(shù)的輸入值，分析測(cè)溫點(diǎn)溫度響應(yīng)情況。圖4（a）中，送風(fēng)量變化為80%，各測(cè)溫點(diǎn)溫度上升約0.3 ℃，響應(yīng)時(shí)間小于1 h。圖4（b）中，送風(fēng)溫度升高1 ℃，各測(cè)溫點(diǎn)溫度上升約1 ℃，響應(yīng)時(shí)間小于600 s。

圖4 送風(fēng)量、送風(fēng)溫度變化時(shí)各測(cè)溫點(diǎn)的溫度響應(yīng)

2.1.2 送風(fēng)量、送風(fēng)溫度波動(dòng)的影響

在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，受環(huán)境影響，送風(fēng)量和送風(fēng)溫度不是恒定的，會(huì)有微小的波動(dòng)，可使用Simulink 軟件模擬現(xiàn)實(shí)波動(dòng)情況。設(shè)計(jì)工況下，風(fēng)機(jī)過(guò)濾系統(tǒng)送風(fēng)量1362 m3/s，送風(fēng)溫度為21.97 ℃。由圖5（a）可知，送風(fēng)量波動(dòng)幅度為50 m3/s 時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)溫度波動(dòng)幅度約為0.1 ℃。由圖5（b）可知，當(dāng)送風(fēng)溫度波動(dòng)幅度為0.2 ℃時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)溫度波動(dòng)幅度約為0.2 ℃，與上文送風(fēng)溫度對(duì)室溫的影響結(jié)論一致。

圖5 送風(fēng)量和送風(fēng)溫度波動(dòng)時(shí)各測(cè)溫點(diǎn)響應(yīng)情況

2.2 室內(nèi)散熱量的影響

2.2.1 散熱量變化的影響

在廠房使用過(guò)程中，有時(shí)會(huì)調(diào)大某些設(shè)備的功率，因此，有必要對(duì)局部設(shè)備散熱量突增的情況進(jìn)行模擬。在其他參數(shù)不變的情況下，將測(cè)溫點(diǎn)A 所在分區(qū)的散熱量增至原來(lái)的150%，進(jìn)行仿真模擬。圖6 中各測(cè)溫點(diǎn)溫度均上升，響應(yīng)時(shí)間小于1 h，其中測(cè)溫點(diǎn)A 升高約0.6 ℃，其余五個(gè)測(cè)溫點(diǎn)升高約0.1 ℃，可知測(cè)溫點(diǎn)A 溫度增加得比其余測(cè)溫點(diǎn)多。由圖6 起始處各節(jié)點(diǎn)曲線變化可知，測(cè)溫點(diǎn)A 的溫度響應(yīng)速度最快，其余測(cè)溫點(diǎn)溫度變化相對(duì)滯后。由上述結(jié)果可得，設(shè)備散熱量的變化對(duì)所處區(qū)域的溫度影響最大，對(duì)其他區(qū)域影響較小。

圖6 測(cè)溫點(diǎn)A 所在分區(qū)散熱量增加時(shí)各測(cè)溫點(diǎn)的溫度響應(yīng)

2.2.2 單個(gè)區(qū)域散熱量波動(dòng)的影響

在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，每個(gè)分區(qū)設(shè)備散熱量不是恒定的，根據(jù)運(yùn)行工況可能會(huì)有一定的波動(dòng)，可使用Simulink軟件模擬現(xiàn)實(shí)波動(dòng)情況。設(shè)計(jì)工況下，1 區(qū)散熱量為133.4 kW。由圖7 可知，當(dāng)散熱量波動(dòng)幅度為100 kW時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)A 溫度波動(dòng)幅度約為0.8 ℃，測(cè)溫點(diǎn)B～測(cè)溫點(diǎn)F 溫度波動(dòng)幅度較為相近，約為0.1 ℃，與上文1區(qū)散熱量變化對(duì)室溫的影響一致。

圖7 1 區(qū)散熱量波動(dòng)變化時(shí)各測(cè)溫點(diǎn)溫度波動(dòng)曲線

2.3 室外參數(shù)、送風(fēng)溫度、區(qū)域散熱量耦合影響

通過(guò)同時(shí)改變室外參數(shù)、室內(nèi)溫度、區(qū)域散熱量的輸入函數(shù)，可以得到三者耦合作用下室溫的變化情況。為模擬真實(shí)運(yùn)行情況，設(shè)定該廠房6:00～18:00 為連續(xù)工作時(shí)間，18:00～次日6:00 為停工休息時(shí)間，期間空調(diào)、設(shè)備、照明都停止運(yùn)行。查詢氣象網(wǎng)站，得到2019年6 月20 日至2019 年6 月22 日三天的逐時(shí)溫度，查閱規(guī)范[6]，得到夏季各向逐時(shí)太陽(yáng)總輻射照度（設(shè)三天太陽(yáng)輻射照度變化規(guī)律相同）。工作時(shí)間內(nèi)，室內(nèi)溫度波動(dòng)幅度為0.2 ℃，各區(qū)散熱量波動(dòng)幅度為設(shè)計(jì)工況下散熱量的依20%。圖8 中6:00～18:00 時(shí)間段室溫受送風(fēng)溫度和各區(qū)散熱量影響較大，各測(cè)溫點(diǎn)波動(dòng)幅度相近，約為0.4 ℃。18:00～次日6:00 室內(nèi)溫度由室外參數(shù)支配，停工后室內(nèi)溫度會(huì)逐漸上升，最高上升約4 ℃，后隨著室外溫度降低而降低。

圖8 室外參數(shù)、送風(fēng)溫度、區(qū)域散熱量耦合變化時(shí)各測(cè)溫點(diǎn)溫度響應(yīng)

3 結(jié)論

本文結(jié)合Multizone 和Zonal 模型，針對(duì)潔凈廠房建立一套溫度特性仿真模型。模型通過(guò)對(duì)廠房空間的靈活分區(qū)，體現(xiàn)了不同廠房區(qū)域、結(jié)構(gòu)和設(shè)施對(duì)廠房溫度特性的影響，更好地適應(yīng)了精細(xì)、嚴(yán)格的潔凈廠房溫控要求。本文通過(guò)對(duì)廠房溫度特性的仿真模擬，得到以下結(jié)論：

1）空調(diào)系統(tǒng)對(duì)室溫的影響主要體現(xiàn)在送風(fēng)量與送風(fēng)溫度，室溫響應(yīng)較快。送風(fēng)量和送風(fēng)溫度有微小波動(dòng)時(shí)，室溫也會(huì)產(chǎn)生微小波動(dòng)。

2）散熱量階躍或波動(dòng)變化對(duì)所處分區(qū)的影響大于其他分區(qū)，測(cè)溫點(diǎn)A 所處分區(qū)散熱量變化時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)B～F 的溫度響應(yīng)相對(duì)測(cè)溫點(diǎn)A 有滯后現(xiàn)象。

3）在室外參數(shù)、送風(fēng)溫度、散熱量波動(dòng)的耦合影響下，廠房連續(xù)運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)參數(shù)影響較大，室外參數(shù)對(duì)室溫周期性影響并不明顯，廠房停工休息時(shí)，室溫由室外參數(shù)支配。