數(shù)字孿生在室內(nèi)空氣物理環(huán)境評估中的初步探索與應(yīng)用

錢瑋昕，唐銘，張歡，呂勝，劉京*

0 引言

隨著建造技術(shù)的不斷提升，如今建筑功能多樣、布局復(fù)雜，繁多的內(nèi)外擾動(dòng)因素作用于室內(nèi)環(huán)境。在建筑運(yùn)營中，精準(zhǔn)高效的人工環(huán)境控制方案依賴于準(zhǔn)確的室內(nèi)物理場信息，但對于復(fù)雜的室內(nèi)流場，傳統(tǒng)的監(jiān)測方式往往存在離散測點(diǎn)數(shù)量稀少、代表性不足的缺陷，難以直觀表征物理場的分布特性，因此室內(nèi)環(huán)境的精準(zhǔn)監(jiān)控面臨巨大挑戰(zhàn)。

針對以上問題，數(shù)字化和可視化技術(shù)提供了解決途徑。數(shù)字孿生技術(shù)利用虛擬模型模擬物理實(shí)體的狀態(tài)[1]，基于數(shù)據(jù)交互完成狀態(tài)更新，從而實(shí)現(xiàn)對物理場的分析和預(yù)測。該技術(shù)起初用于航空航天[2]，但在數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級的驅(qū)動(dòng)力下，目前數(shù)字孿生也被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)[3-4]，同時(shí)也出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[5]和能源管理[6]等多種場景。在建筑業(yè)，受科技革命的影響[7]，數(shù)字孿生近年來也逐漸得到重視，相關(guān)研究主要集中于城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)與維護(hù)[8]，而以室內(nèi)環(huán)境為對象的應(yīng)用研究仍較為匱乏。

本文基于數(shù)字孿生的理念，提出利用CFD 模擬與集合卡爾曼濾波（Ensemble Kalman Filter，EnKF）數(shù)據(jù)同化算法相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)多物理場全局監(jiān)測與可視化呈現(xiàn)的目標(biāo)，并以北京市某大型博物館展廳為例，驗(yàn)證該技術(shù)的可行性和有效性。

1 室內(nèi)物理場數(shù)字孿生技術(shù)框架的構(gòu)建

實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的重點(diǎn)有二：其一為虛擬模型的構(gòu)建，其二是數(shù)據(jù)信息的收集與傳遞。對于虛擬模型，本研究采用CFD 模擬技術(shù)，根據(jù)物理空間實(shí)體構(gòu)建幾何模型，并針對室內(nèi)氣流、溫度和濕度等物理場建立數(shù)值模型。對于數(shù)據(jù)交互，通過空氣狀態(tài)傳感器采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，將其傳遞給虛擬模型用以校正模型的邊界條件，而后更新模擬的物理場狀態(tài)以評估室內(nèi)環(huán)境。數(shù)值模擬與測量數(shù)據(jù)的融合借助EnKF 數(shù)據(jù)同化算法來完成，該算法立足于貝葉斯理論，在考慮背景誤差和觀測噪聲的基礎(chǔ)上求解真實(shí)物理場的近似狀態(tài)。

基于以上基本原理，建立室內(nèi)物理場數(shù)字孿生技術(shù)框架（圖1）。該框架由數(shù)值模擬、傳感器測量、數(shù)據(jù)傳遞及EnKF 數(shù)據(jù)同化等部分組成，其中涉及的詳細(xì)算法見參考文獻(xiàn)[9]。

1 室內(nèi)物理場數(shù)字孿生技術(shù)框架

2 應(yīng)用案例

本研究以北京市某大型博物館“古代書畫展廳”為應(yīng)用場景，該展廳所陳列的中國古代著名書畫作品對熱濕環(huán)境有較為嚴(yán)苛的要求，故須準(zhǔn)確掌握溫濕度場的全局信息。根據(jù)展廳建筑構(gòu)造建立幾何模型（圖2）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該展廳中照明、設(shè)備等開啟率較為穩(wěn)定，室內(nèi)人流量雖有波動(dòng)，但帶來的熱濕變化相對較小，可忽略不計(jì)，此外空調(diào)系統(tǒng)定風(fēng)量運(yùn)行，而送風(fēng)溫度、濕度及外墻傳熱成為影響室內(nèi)環(huán)境的主要邊界條件變量。

2 展廳幾何模型

本案例中，展廳中溫濕度傳感器布設(shè)位置見圖2，測試時(shí)間為2021 年9 月- 2022 年2 月。為校正模型邊界條件參數(shù)以更新物理場狀態(tài)，選用測點(diǎn)B、C、D 為模型融合的測量數(shù)據(jù)來源，而測點(diǎn)A 的對比數(shù)據(jù)驗(yàn)證該技術(shù)在非數(shù)據(jù)同化節(jié)點(diǎn)處的模擬精度。

3 結(jié)果分析

通過虛擬模型與物理實(shí)體中傳感器數(shù)據(jù)的融合，展廳數(shù)值模型由初始設(shè)定條件更新為與實(shí)際相匹配的運(yùn)行工況，圖3、4 為每月第一日正午時(shí)間展廳溫濕度場模擬結(jié)果，室內(nèi)平均溫度在20℃～22℃范圍內(nèi)變化，整體分布較為均勻，但與外墻相鄰區(qū)域的溫度受室外溫度影響存在偏高或偏低的現(xiàn)象。此外，室內(nèi)空氣平均相對濕度在50%～60%范圍內(nèi)變化，但由于溫度場存在局部溫度較低的問題，相應(yīng)位置空氣相對濕度則較高，不利于藏品的保存。

3 展廳溫度場模擬結(jié)果

4 展廳濕度場模擬結(jié)果

將測試時(shí)間段內(nèi)物理場的模擬結(jié)果與監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測值展開對比，圖5 所示為監(jiān)測點(diǎn)位置模擬溫濕度的平均相對誤差。結(jié)果表明，模擬溫度平均相對誤差最大為3.0%，約為0.6℃，相對濕度平均相對誤差最高為4.6%，可見本研究提出的方法能夠較為準(zhǔn)確地反映室內(nèi)溫濕度場的實(shí)際分布。

5 模擬溫濕度的平均相對誤差

4 結(jié)論

本研究提出基于CFD 模擬與EnKF 數(shù)據(jù)同化相結(jié)合的數(shù)字孿生技術(shù)，建立實(shí)際物理場的虛擬模型，并通過融合觀測數(shù)據(jù)來呈現(xiàn)室內(nèi)空氣環(huán)境的全局分布狀態(tài)。以博物館展廳為例的溫濕度場模擬應(yīng)用測試表明，該技術(shù)能夠結(jié)合少量的傳感器測試數(shù)據(jù)來求解全局空間中物理場的分布，并且結(jié)果較為準(zhǔn)確，測點(diǎn)位置溫濕度平均相對誤差分別在0.3%～3.0%以及1.2%～4.6%范圍內(nèi)，均為工程可接受范圍。通過該技術(shù)可直觀判斷室內(nèi)是否存在空氣狀態(tài)未達(dá)標(biāo)的空間區(qū)域。然而利用數(shù)字孿生監(jiān)控室內(nèi)空氣物理環(huán)境仍處于初級探索階段，在今后的工作中還需進(jìn)一步研究實(shí)測方案制定原則、孿生模型與控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)機(jī)制等方面內(nèi)容，從而建立完善的技術(shù)體系并在建筑領(lǐng)域推廣應(yīng)用。□