Optimising Ventilation System Preplanning: Duct Sizing and Fan Layout Using Mixed-Integer Programming

Julius H.P. Breuer

doi:10.3390/ijtpp10040032

2025-10-01

Julius H.P. Breuer

Peter F. Pelz *

DOI：10.3390/ijtpp10040032

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摘要

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传统上，通风系统中的风管尺寸设计基于平衡各分支的压力损失，随后进行风机选型。然而，这种顺序方法对于中央风管网络中分布有风机的系统来说是不充分的，因为压力损失可能存在显著差异。因此，在设计系统拓扑时，风机布置和风管尺寸必须同时考虑。近期研究表明，离散优化方法能够考虑多种负载工况，并生成兼具成本与节能效益的通风布局。然而，现有方法通常集中于组件布置，并假设风管尺寸已最终确定。尽管这对于设计后期阶段足够，但在规划早期阶段，由于需要快速评估大量系统配置，这种方法并不适用。本研究提出了一种新型方法，通过同时优化风管尺寸、风机布置和体积流量控制器配置来最小化生命周期成本。为此，我们利用问题结构，构建了一个混合整数线性规划（MILP）模型。与现有的非线性模型不同，该模型显著减少了计算时间，同时仅引入微小的近似误差。所得到的模型能够实现快速且稳健的早期阶段规划，如案例研究表明，可在几秒到几分钟内提供最优解。该方法通过案例研究得到验证，实现了在中央风机站中布置分布式风机的最优配置，相较于传统集中式设计，生命周期成本降低了5%。MILP模型在几秒内即可实现这些结果，且电功率消耗的线性化误差低于1.4%，证实了该方法的准确性和适用于早期阶段规划的适用性。

Keyword:

ventilation system design

system optimization

fan placement optimization