設計仿真 | 優化暖通空調(HVACR)系統的設計以應對新時代的挑戰

項目背景

許多人大約90%的時間都在室內度過，健康的建筑環境在改善認知功能和個人健康方面發揮著重要作用。COVID-19大流行使人們更加關注清潔的室內空氣和更好的循環，從而更加關注HVACR系統的性能。

此外，鑒于建筑環境產生了全球溫室氣體排放量的39%，對可持續性發展和低碳的日益關注使專注于綠色/高效的暖通空調運營。此外，圍繞建筑規范的法規旨在通過確保“全民制冷優化”來減少能源匱乏，這也影響了HVACR系統的設計。

隨著我們的世界日益數字化，我們看到HVACR設備與集成系統連接的智能（smart）建筑的興起。氣候變化的影響導致了更多的極端天氣，更加強調HVACR系統的效率和有效性。

HVACR系統必須提供足夠的通風、良好的空氣質量、最佳的溫度和濕度、最小的噪音以及安全和保障。同時，對可持續性和智能建筑的關注意味著越來越關注低能耗冷卻標準和最新技術，如自動化、無管HVACR系統、雙燃料熱泵和分區HVACR系統。由于這些趨勢，HVACR行業必須越來越關注工業4.0，數字化轉型和可持續性。

設計挑戰

當今HVACR系統必須滿足的各種需求，HVACR系統的設計考慮因素必須優先考慮以下參數：

能源與性能

Energy & performance

提高能源效率，減少二氧化碳排放量

提高冷卻性能-系統小型化

降噪：降低風扇和冷凝器噪音

部件的耐久性/疲勞（壓縮機管道、風扇支架、管道系統）

更好的冷卻，以適應電子元件的日益普及

舒適與安全

Comfort & Safety

優化的通風設計，可改善整個室內環境的熱舒適度/空氣質量

包括多種功能，可實現香氣、氣流、濕度、凈化控制

保持室內空氣質量（IAQ），以防范病原體和其他空氣污染物 

設計案例

計算流體動力學（CFD）或熱流體分析軟件廣泛用于模擬和分析復雜的熱/流體現象，對于提高工程理解很有價值，同時提供了將這些知識傳達給非專家的工具。例如，MSC Cradle CFD是Hexagon最先進的仿真軟件，為制造領域的工程師提供支持已超過38年。

使用海克斯康的CradleCFD軟件進行無縫且全面的多物理場計算流體動力學（CFD）仿真有助于優化HVACR系統設計。室內環境和室內空氣質量的熱舒適預測CFD模擬也支持綠色建筑認證項目，如LEED和BREEAM。

優化暖通空調風扇性能

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在設計風扇時，關鍵考慮因素是降低噪音和功耗，同時提高風扇效率和流場穩定性。空氣動力學和氣動聲學建模很困難，通常需要很長的模型準備時間（幾何清理、網格劃分）。準確的預測風扇噪音是另一個挑戰。

松下生態系統擁有市場領先的產品系列，包括通風風扇、廚房抽油煙機、 空氣凈化器和屋頂風扇。 希望在其通用通風風扇系列中實現高效率和低噪音，以便增強市場競爭力。

使用高效，友好的Cradle CFD 仿真，實現低軸功率以高效率和更低噪音的風扇設計。在仿真優化選擇了三個設計變量進行優化 – 弦長、前傾角和風扇葉片的進口角。經過樣機實驗證實，優化設計的性能在所有參數上均高于現有產品。此外，在相同風量下，風扇噪音降低了接近2.5 dB，總壓力效率提高了 2.5%。

該公司通過Cradle CFD 仿真優化，既能夠提高產品性能，又能夠提高了產品舒適性，及實現了降噪。

02

熱交換器設計

在設計換熱器的同時優化/最大化傳熱并最大限度地減少壓力損失和結露冷凝具有挑戰性。同時為了精確預測換熱器性能，需要對沸騰/相變等復雜的物理現象進行仿真，而此類復雜物理模型的求解需要很長時間。幾何結構的復雜性，在傳統的仿真軟件中導致高內存消耗和以及大量的計算時間。

Boost HEAT的創新鍋爐設計使用燃氣（天然或丙烷）燃燒產生的能量來運行壓縮機。BoostHEAT的再生式熱壓縮機在斯特林循環的基礎上有效地將氣體與熱泵循環融合在一起，與上一代傳統冷凝鍋爐相比，效率高達200%。

Cradle CFD仿真在BoostHEAT的設計探索過程中發揮了關鍵作用，以優化熱通量，鍋爐系統在最短的時間內響應不斷變化的行業需求。

借助 Cradle CFD 的高效scFLOW 模塊，助推完成了20次關鍵的鍋爐設計仿真迭代，創建了他們的“數字孿生”。CFD 預測根據滿足法規遵從性所需的物理測試進行了驗證。在每個開發階段，增壓熱都實現了更高的溫度和更高的壓力，與物理測試的相關性越來越高。

紫外線消毒

03

COVID-19大流行更加重視清潔的室內空氣，并創造了使用紫外線消毒需求。最大限度地提高消毒率，同時通過最小的壓力損失保持最佳換氣具有挑戰性，特別是因為組件必須盡可能緊湊要求下，設計人員必須模擬紫外線/紫外線輻射，包括光的方向性，以幫助確保最佳消毒效果。

Ecokaku株式會社的京都技術部門致力于解決與異常天氣、減少碳排放和現代城市傳染病傳播相關的問題。 

Ecokaku使用了各種類型的Cradle CFD模擬和實驗專業型，包括開發UV-C光空氣凈化裝置。計算UV-V射線源附近的輻射照度分布，并將其應用于氣流模擬，以評估輻射劑量和流場分布。調整設計參數以滿足通過暴露于UV-C射線進行所需的病毒消除。

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熱舒適性

人的熱舒適性是基于身體的熱平衡的函數評估，并受到各種參數的影響，如表面溫度、空氣溫度、空氣速度、濕度、人體代謝率和衣服。根據全球公認的ANSI/ASHRAE標準55，熱舒適性公認為“對熱環境表示滿意并通過主觀評估的心理狀態”。

工程師可以根據ANSI/ASHRAE標準55和ISO7730標準，通過計算PMV（predicted ean vote）、PPD（predicted percentage dissatisfied）和SET（standard effective temperature）等指標來評估室內環境中的熱舒適度。然而，這些多變量熱舒適指數在三維室內空間的計算是非常困難的，依賴于工程師的經驗和傳統估計方法的適用性。

CFD模擬可以更容易地分析和優化室內環境中的熱感覺，并發現可能的節能。到目前為止，由于與BIM數據的連通性差、學習周期長專業知識和大量計算時間等問題，CFD模擬在熱舒適設計中的應用一直很少。

Shinryo Corporation提供空調系統，給排水系統以及其他工程服務。為了解決能源效率問題，該公司引入了一種將Cradle CFD納入其BIM系統的方法。這有助于將仿真時間縮短多達 50%。符合BIM標準的一個關鍵功能包括數據傳輸、管理部件和組織設計信息、定義分析條件的自定義接口、自動模型簡化和自動高質量網格生成。這為他們的工程師配備了優化空調系統所需的設計工具。

在當今的行業中，降低建筑能耗是一個關鍵問題，Cradle CFD 幫助 Shinryo 工程師設計了更高效的空調。

電子產品冷卻

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如今，HVACR設備的電子元件比以往任何時候都多。因此，將組件溫度保持在最高允許工作溫度以下的熱管理是當務之急。避免電路板周圍潮濕也很重要.由于復雜性，幾何準備需要很長時間。同時確定結露量非常麻煩且很難。

松下公司是一家綜合電子公司，業務涉及家用電器，包括視聽設備，工業設備，IT工具，商業和家用產品以及能源/環境產品。該公司希望將電子元件的溫度保持在硬件耐用性極限以下，即使在極端工作條件下也是如此。

在產品開發過程中，使用Cradle CFD基于結構化網格的scSTREAM模塊進行熱流體分析，該團隊可以開發準確的溫度預測模型。他們可以在流程早期使用更少的原型對電子產品進行詳細的熱設計，從而顯著縮短開發周期。該團隊還使用軟件的高級物理功能在機箱內進行粉塵擴散分析，并設計集塵離子系統。