基于多物理场耦合模拟的建筑中庭热压通风路径优化方法及系统

本发明涉及建筑通风，具体是涉及基于多物理场耦合模拟的建筑中庭热压通风路径优化方法及系统。

背景技术：

1、建筑中庭热压通风作为被动式节能设计的重要手段，其路径优化长期依赖于稳态单点温差估算、理想化几何模型或常规afn节点-支路风量网络模型。现有技术通常将围护结构简化为恒定热阻边界，忽略材料多层构造的动态热惰性、透光界面太阳辐射得热在对流与辐射分量间的非均匀分配，以及近壁面热边界层对流道有效截面的缩减效应；同时，afn模型虽然能够进行节点-支路风量求解，但围护结构热工特性、太阳辐射得热、蓄热体动态响应及近壁面热边界层等因素难以连续传递至流道有效截面、支路阻力和热压驱动力计算中，在风量求解阶段仍多采用均匀浮力假设与简化阻力系数，未充分考虑竖向温度梯度导致的密度剖面非线性变化及中性面位置的动态漂移，致使理论计算风量与实际通风效能存在偏差。

2、上述简化处理导致热压通风路径设计中的物理过程被人为割裂：固体域的热工属性未能有效传递至流体域的几何与动力参数，网络求解缺乏密度差逐段积分形成的浮力势能支撑，效能评价亦难以反映真实气流组织状态。虽然cfd方法能够获得较精细的三维速度场、压力场和温度场信息，但其建模、网格划分及迭代求解成本较高，难以支撑多构型、多工况下的快速寻优。因此，现有方法尚难建立从围护结构热工参数、流道有效截面修正、密度差逐段积分、网络风量分配到效能指标评价的连续参数传递链，路径调整仍主要依赖经验试算，难以同时解释热压形成机理、气流分配结果和优化指标变化，最终输出的通风路径构型容易偏离真实热-流耦合机制，无法充分挖掘建筑中庭自然通风潜力。

技术实现思路

1、本发明旨在提供基于多物理场耦合模拟的建筑中庭热压通风路径优化方法及系统，解决了现有技术中afn模型难以连续表征热工边界、流道阻力与通风效能之间的参数传递关系，以及cfd模拟计算时间长、算力成本高、不适于多方案快速寻优的问题，实现了建筑中庭热压通风路径的精细化设计与自然通风潜力的有效挖掘。

2、为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种基于多物理场耦合模拟的建筑中庭热压通风路径优化方法，包括：

3、解构建筑中庭围护结构多层材料物理特性、能量得失及室外气象参数，计算总传导热阻、内表面对流换热系数、太阳得热对流分量形成边界条件；

4、根据热边界层修正流道名义截面，得到有效流通面积，根据得热分配差异、热阻变化和连通口阻力修正结果构建分段拓扑及支路阻力参数；

5、利用有效流通面积与分段拓扑构建室内外密度剖面，逐段积分浮力势能并迭代中性面位置，获得动力状态向量；

6、将动力状态向量投影到通风网络方程，联立质量与能量守恒方程，迭代求解获得各支路收敛风量向量；

7、基于收敛风量向量计算区域空气龄、换气效率、热舒适偏差和排污效率指标，归一化加权构造优化目标函数；

8、依据优化目标函数筛选主控影响因子，生成几何-材料-能量协同调整序列并全局寻优，确立最优通风路径构型与材料方案。

9、优选的，形成所述边界条件，包括：

10、逐层提取围护结构各层材料厚度与导热系数计算各层热阻并累加获得总传导热阻；

11、基于总传导热阻，经迭代确定内表面与室内空气之间的温差，关联自然对流换热关系反推内表面对流换热系数并确定热边界层厚度；

12、依据内表面对流换热系数，将透光界面太阳辐射得热分解为对流分量与辐射分量；

13、基于蓄热层材料热物性计算蓄热体热时间常数，整合形成边界条件集。

14、优选的，根据得热分配差异、热阻变化和连通口阻力修正结果构建分段拓扑及支路阻力参数，包括：

15、基于热边界层厚度扣除流道近壁面无效流动区域，将名义截面缩减为有效流通面积；

16、依据边界条件集中蓄热体分布识别连通口附近阻碍构件，修正连通口几何参数、边缘锐度、开启角、热力修正因子与局部阻力系数之间的映射；

17、根据边界条件集中太阳辐射得热分配差异与围护结构热阻变化，沿高度方向离散烟囱获得分段拓扑；

18、结合边界条件集中对流换热系数，并计及蓄热体热时间常数对壁面温度的间接影响，修正各分段壁面摩擦因子生成流动阻力参数集；

19、基于上述分段的几何、物理特性，构建由分段编号、起止标高、有效流通面积、修正后阻力、热分配差异及流动阻力参数构成的分段拓扑。

20、优选的，利用有效流通面积与分段拓扑构建室内外密度剖面，逐段积分浮力势能并迭代中性面位置，获得动力状态向量，包括：

21、基于流动阻力参数集与分段拓扑，对每个分段建立热平衡方程构建垂直温度梯度并转化为室内密度剖面；

22、依据大气温度递减率计算各标高处室外空气温度，校准室外参考空气柱密度基准获得室内外密度差序列；

23、沿分段拓扑对室内外密度差序列逐段积分合成总热压差；

24、基于总热压差与流动阻力参数集迭代搜寻中性面位置，修正获得包含有效热压与中性面标高的动力状态向量。

25、优选的，将动力状态向量投影到通风网络方程，联立质量与能量守恒方程，迭代求解获得各支路收敛风量向量，包括：

26、基于分段拓扑与修正阻力映射构建关联矩阵，嵌入由有效流通面积与流动阻力参数集计算的支路阻力特性方程；

27、依据关联矩阵组建节点质量守恒方程组；

28、将动力状态向量中的有效热压按回路路径投影，加载至独立回路能量守恒方程；

29、以总热压差对应的理论风量为初值，联立节点质量守恒方程组与回路能量守恒方程迭代求解获得收敛风量向量。

30、优选的，基于收敛风量向量计算区域空气龄、换气效率、热舒适偏差和排污效率指标，归一化加权构造优化目标函数，包括：

31、基于收敛风量向量与分段拓扑体积，求解示踪气体输运方程获得区域空气龄分布；

32、依据区域空气龄分布与名义时间常数计算换气效率；

33、耦合边界条件集中对流分量、蓄热体热时间常数与收敛风量向量，计算热舒适偏差指数与排污效率；

34、以设计工况限值为基准归一化体积加权平均空气龄、换气效率、热舒适偏差指数与排污效率，加权合成优化目标函数；

35、目标函数限定优化方向为最小化体积加权平均空气龄、最小化换气效率偏离基准的程度、最小化热舒适偏差指数，同时提高排污效率。

36、优选的，依据优化目标函数筛选主控影响因子，生成几何-材料-能量协同调整序列并全局寻优，确立最优通风路径构型与材料方案，包括：

37、基于优化目标函数对各可调几何参数的偏导数进行敏感度分析，筛选主控因子；

38、基于主控因子生成几何动作与热力补偿措施组合的调整序列，校验围护结构安全限值与流道最小截面约束；

39、在调整序列中逐一重新计算优化目标函数值，全局搜寻极小值锁定最优构型；

40、回溯动力状态向量与收敛风量向量验证最优构型的物理合理性，输出实施参数。

41、优选的，关联自然对流换热关系反推内表面对流换热系数并确定热边界层厚度，包括：

42、依据总传导热阻与室外气象参数计算壁面热流密度，经迭代收敛确定内表面与室内空气之间的温差；

43、将温差与壁面特征高度代入自然对流换热关联式，反推获得内表面对流换热系数；

44、基于内表面对流换热系数与空气导热系数计算近壁面热边界层理论厚度，作为后续流道截面修正的输入。

45、优选的，沿分段拓扑对室内外密度差序列逐段积分合成总热压差，包括：

46、依据分段拓扑划分积分区间，计算各分段内室内外平均密度差；

47、将各分段平均密度差与对应分段高度及重力加速度相乘获得分段热压增量；

48、累加所有分段热压增量获得作用于整个流道的总热压差，作为后续中性面迭代的动力上限。

49、另一方面，本发明提出一种基于多物理场耦合模拟的建筑中庭热压通风路径优化系统，包括：

50、热工属性解构单元，用于解构建筑中庭围护结构多层材料物理特性、能量得失及室外气象参数，计算总传导热阻、内表面对流换热系数、太阳得热对流分量形成边界条件；

51、几何参数重构单元，用于根据热边界层修正流道名义截面，得到有效流通面积，根据得热分配差异、热阻变化和连通口阻力修正结果构建分段拓扑及支路阻力参数；

52、热压驱动力量化单元，用于利用有效流通面积与分段拓扑构建室内外密度剖面，逐段积分浮力势能并迭代中性面位置，获得动力状态向量；

53、风量分配求解单元，用于将动力状态向量投影到通风网络方程，联立质量与能量守恒方程，迭代求解获得各支路收敛风量向量；

54、效能指标量化单元，用于基于收敛风量向量计算区域空气龄、换气效率、热舒适偏差和排污效率指标，归一化加权构造优化目标函数；

55、路径优化确立单元，用于依据优化目标函数筛选主控影响因子，生成几何-材料-能量协同调整序列并全局寻优，确立最优通风路径构型与材料方案。

56、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

57、本发明通过解构围护结构多层材料热阻、透光界面辐射得热分配及蓄热体热惰性确立包含稳态与动态特征的边界条件集，并基于该边界条件集中的热边界层厚度与蓄热体分布修正流道名义截面与连通口阻力，重构获得有效流通面积与分段拓扑，消除了理想化几何假设带来的参数失真；进而利用所述有效流通面积与分段拓扑构建室内外密度剖面，逐段积分浮力势能并迭代中性面位置获得动力状态向量，确保热压驱动力反映真实非均匀浮力分布；将该动力状态向量嵌入由有效流通面积与分段拓扑构成的通风网络联立求解获得各支路收敛风量向量，使风量分配符合质量与能量守恒的物理规律；最终基于收敛风量向量计算区域空气龄、换气效率、热舒适偏差以及排污效率耦合指标并归一化加权构造优化目标函数，据此筛选主控因子生成几何-材料-能量协同调整序列并全局寻优，确立了兼具物理可解释性与工程可实施性的最优通风路径构型，解决了现有技术中afn模型难以连续表征热工边界、流道阻力与通风效能之间的参数传递关系，以及cfd模拟计算时间长、算力成本高、不适于多方案快速寻优的问题，实现了建筑中庭热压通风路径的精细化设计与自然通风潜力的有效挖掘。