厂房温度特性建模与动态仿真

费凤繁 蒲学森 范海川 付明坤 吕浩男 吴嘉峰 陈亚平

1 东南大学能源与环境学院

2 深圳东方锅炉控制有限公司成都分公司

0 引言

随着国内半导体和液晶产业的迅速发展，电子行业制造水平越来越高，在生产高精度产品的过程中，对洁净厂房内的工作区划分得更加细致，温度控制也愈发严格。为使厂房的温度可以自动调节，空调自动控制系统得到广泛运用，对厂房内部温度特性研究提出了更高的要求。目前有关于洁净厂房空调系统设计的研究[1]，而对于洁净厂房内部温度特性的研究则较少。为开发研究洁净厂房内部的温度特性的模型，需要参考民居、写字楼、商场等资料较为丰富的室内温度特性数值模拟方法，并对比分析现已广泛应用的Multizone，CFD 和Zonal 建筑室内温度模型。

根据文献调研，Multizone 和CFD 模型对室内温度特性影响因素的研究较为全面[2～3]，不过该两种模型前者过于粗糙，不合适在建模精度很高的洁净厂房中单独采用。后者需要消耗大量计算资源，且在温控要求一致的区域存在大量计算网格和需要处理的数据，两者对洁净厂房温度特性模型的适用性均不够强。而Zonal 过渡模型对室内温度场研究的较多[4～5]，对室内温度特性影响因素进行全面分析的研究较为少见。为快速、准确地研究多种因素对洁净厂房内温度特性的影响，本文采用Multizone 和Zonal 模型耦合的思想，建立数学模型，并在此基础上使用MATLAB/Simulink软件较为全面地分析洁净厂房各区域温度对送风量、送风温度、室内设备散热量、室外参数等因素的动态响应，从而较快速、全面地掌握洁净厂房内部温度特性。论文的建模方案和数据计算过程也可能进一步应用于其它洁净厂房或温控要求较高的工业以及民用建筑。

1 数学模型

1.1 研究对象

研究对象选取位于四川省成都市的某一洁净厂房（下文简称为厂房），东/西向为94.4 m，南/北向为74.6 m（外围尺寸），该厂房共有两层，一层无设备，净高4.2 m，二层为设备层，净高5 m。本文主要研究厂房二层的温度特性。厂房的外围护结构材料为普通混凝土空心砌块。厂房内侧四周设有回风夹道，材料为PU彩钢复合板。厂房内设有空调系统，由新风处理系统，回风处理系统和风机过滤系统组成。

1.2 厂房模型

本文运用能量守恒定律，结合Multizone 和Zonal模型，建立厂房温度特性的数学模型。根据Multizone模型，对厂房内部、围护结构、室外分别建立节点，不同的围护结构设置相应的节点。为得到内部更细致的温度特性，采用Zonal 模型中室内空间分区的思想，将厂房内部划分为多个区域：厂房一楼无生产设备，温度分布均匀，控制要求较低，设置成一个节点。二楼为生产车间，面积较大，不同分区有不同的温控要求，水平方向划分20 个区，每个区设置一个计算节点，垂直方向不分区。图1 为该模型的厂房节点图，设置了6 个重要区域的测温点A～F，分别对应分区1、2、7、10、12、14，本文利用这6 个测温点对照，分析实测和模拟数据。图1 中tEO1～tEO3、tSO1～tSO4、tNO1、tNO2为不与回风夹道接触的外墙节点；teo1、teo2、tso1、tso2、tno1、tno2为与回风夹道接触的外墙节点；teh1、teh2、tsh1～tsh5、twh1、twh2、tnh1、tnh2为回风夹道节点；tEI1～tEI3、tSI1～tSI4、tWI1、tWI2、tNI1为内墙节点；tj1～tj3为静电帘节点；t1～t20为室内节点，其中节点t17为不送风区域，节点t4、t5为更衣室，节点t19、t20为楼梯间；圆形物件为生产设备。

图1 厂房二楼节点设置

本文忽略室内辐射传热，并认为生产设备、照明、人员的散热直接散发到空气中，室外对外墙的辐射作用以太阳辐射的形式输入。由能量守恒定律有：

外墙、回风夹道、内墙、静电帘、二楼室内的数学表达式分别以tEO1、tnh2、tSI3、tj1、t3节点为例。一楼只有t1F一个节点的数学表达式。

式（1）～（7）中，m（kg）为质量，c（J/(kg·K)）为空气比热容，（t℃）为温度，τ（s）为时间，Ri，j（K/W）为节点间的换热热阻，E（W）为外墙吸收的太阳辐射量，ρ（kg/m3）为空气密度，G（m3/s）为风量，Qin（W）为节点散热量。设计工况下，夏季室外温度为35 ℃，太阳辐射照度为：东向为151 W/m2，南向为93 W/m2，北向为86 W/m2，西向外墙对室内温度无影响，日照吸收率取0.7。厂房各节点Simulink 仿真模块图搭建原理相同，以图2 节点t3为例。

图2 厂房节点t3 Simulink 模块图

1.3 空调系统模型

在空调系统的空气处理循环中，处理过的新风与回风混合后送入室内，随后，室内空气一部分作为回风进入循环，另一部分作为排风排到室外。为了平衡模型的总风量，假设排风量与新风量相同。对空调中的新风处理系统、回风处理系统、风机过滤系统分别建立模型。制冷状态下，设计工况的新风入口温度为35 ℃，湿球温度为28 ℃，含湿量为21.11 g/kg，密度为1.2 kg/m3，比热容为1005 J/kg·K。空调系统新风量为28 m3/s，回风量为1334 m3/s。

1.4 整体模型

根据所建立的数学模型，利用MATLAB/Simulink创建厂房节点、新风处理系统、回风处理系统、风机过滤系统的仿真模型，分别封装为子模块，连接各子模块以得到厂房温控对象整体模型，如图3 所示。

图3 厂房整体Simulink 模型

1.5 模型校验

表1中在空调的设计工况下，6 个测温点的仿真平衡温度与实测温度值，模拟结果的误差在0.3℃以内，在误差允许范围内，仿真模型较为准确。平衡温度为系统达到热平衡时的温度。

表1 制冷状态下厂房测温点仿真平衡温度与实测值

2 厂房温度特性分析

运用该模型可以更方便地分析室内各分区节点对空调系统、散热量、室外参数变化的响应情况，本文以6 个测温点为所在区域为例，主要研究参数阶跃变化、室内参数小幅度波动变化、室外参数昼夜周期性变化时测温点的动态响应情况，并分析各参数对室内温度的影响程度。

2.1 空调系统对厂房温度的控制

2.1.1 送风量和送风温度的影响

可通过改变送风参数的输入值，分析测温点温度响应情况。图4（a）中，送风量变化为80%，各测温点温度上升约0.3 ℃，响应时间小于1 h。图4（b）中，送风温度升高1 ℃，各测温点温度上升约1 ℃，响应时间小于600 s。

图4 送风量、送风温度变化时各测温点的温度响应

2.1.2 送风量、送风温度波动的影响

在实际运行时，受环境影响，送风量和送风温度不是恒定的，会有微小的波动，可使用Simulink 软件模拟现实波动情况。设计工况下，风机过滤系统送风量1362 m3/s，送风温度为21.97 ℃。由图5（a）可知，送风量波动幅度为50 m3/s 时，测温点温度波动幅度约为0.1 ℃。由图5（b）可知，当送风温度波动幅度为0.2 ℃时，测温点温度波动幅度约为0.2 ℃，与上文送风温度对室温的影响结论一致。

图5 送风量和送风温度波动时各测温点响应情况

2.2 室内散热量的影响

2.2.1 散热量变化的影响

在厂房使用过程中，有时会调大某些设备的功率，因此，有必要对局部设备散热量突增的情况进行模拟。在其他参数不变的情况下，将测温点A 所在分区的散热量增至原来的150%，进行仿真模拟。图6 中各测温点温度均上升，响应时间小于1 h，其中测温点A 升高约0.6 ℃，其余五个测温点升高约0.1 ℃，可知测温点A 温度增加得比其余测温点多。由图6 起始处各节点曲线变化可知，测温点A 的温度响应速度最快，其余测温点温度变化相对滞后。由上述结果可得，设备散热量的变化对所处区域的温度影响最大，对其他区域影响较小。

图6 测温点A 所在分区散热量增加时各测温点的温度响应

2.2.2 单个区域散热量波动的影响

在实际运行时，每个分区设备散热量不是恒定的，根据运行工况可能会有一定的波动，可使用Simulink软件模拟现实波动情况。设计工况下，1 区散热量为133.4 kW。由图7 可知，当散热量波动幅度为100 kW时，测温点A 温度波动幅度约为0.8 ℃，测温点B～测温点F 温度波动幅度较为相近，约为0.1 ℃，与上文1区散热量变化对室温的影响一致。

图7 1 区散热量波动变化时各测温点温度波动曲线

2.3 室外参数、送风温度、区域散热量耦合影响

通过同时改变室外参数、室内温度、区域散热量的输入函数，可以得到三者耦合作用下室温的变化情况。为模拟真实运行情况，设定该厂房6:00～18:00 为连续工作时间，18:00～次日6:00 为停工休息时间，期间空调、设备、照明都停止运行。查询气象网站，得到2019年6 月20 日至2019 年6 月22 日三天的逐时温度，查阅规范[6]，得到夏季各向逐时太阳总辐射照度（设三天太阳辐射照度变化规律相同）。工作时间内，室内温度波动幅度为0.2 ℃，各区散热量波动幅度为设计工况下散热量的依20%。图8 中6:00～18:00 时间段室温受送风温度和各区散热量影响较大，各测温点波动幅度相近，约为0.4 ℃。18:00～次日6:00 室内温度由室外参数支配，停工后室内温度会逐渐上升，最高上升约4 ℃，后随着室外温度降低而降低。

图8 室外参数、送风温度、区域散热量耦合变化时各测温点温度响应

3 结论

本文结合Multizone 和Zonal 模型，针对洁净厂房建立一套温度特性仿真模型。模型通过对厂房空间的灵活分区，体现了不同厂房区域、结构和设施对厂房温度特性的影响，更好地适应了精细、严格的洁净厂房温控要求。本文通过对厂房温度特性的仿真模拟，得到以下结论：

1）空调系统对室温的影响主要体现在送风量与送风温度，室温响应较快。送风量和送风温度有微小波动时，室温也会产生微小波动。

2）散热量阶跃或波动变化对所处分区的影响大于其他分区，测温点A 所处分区散热量变化时，测温点B～F 的温度响应相对测温点A 有滞后现象。

3）在室外参数、送风温度、散热量波动的耦合影响下，厂房连续运行时，室内参数影响较大，室外参数对室温周期性影响并不明显，厂房停工休息时，室温由室外参数支配。