设计仿真 | 优化暖通空调(HVACR)系统的设计以应对新时代的挑战

项目背景

许多人大约90%的时间都在室内度过，健康的建筑环境在改善认知功能和个人健康方面发挥着重要作用。COVID-19大流行使人们更加关注清洁的室内空气和更好的循环，从而更加关注HVACR系统的性能。

此外，鉴于建筑环境产生了全球温室气体排放量的39%，对可持续性发展和低碳的日益关注使专注于绿色/高效的暖通空调运营。此外，围绕建筑规范的法规旨在通过确保“全民制冷优化”来减少能源匮乏，这也影响了HVACR系统的设计。

随着我们的世界日益数字化，我们看到HVACR设备与集成系统连接的智能（smart）建筑的兴起。气候变化的影响导致了更多的极端天气，更加强调HVACR系统的效率和有效性。

HVACR系统必须提供足够的通风、良好的空气质量、最佳的温度和湿度、最小的噪音以及安全和保障。同时，对可持续性和智能建筑的关注意味着越来越关注低能耗冷却标准和最新技术，如自动化、无管HVACR系统、双燃料热泵和分区HVACR系统。由于这些趋势，HVACR行业必须越来越关注工业4.0，数字化转型和可持续性。

设计挑战

当今HVACR系统必须满足的各种需求，HVACR系统的设计考虑因素必须优先考虑以下参数：

能源与性能

Energy & performance

提高能源效率，减少二氧化碳排放量

提高冷却性能-系统小型化

降噪：降低风扇和冷凝器噪音

部件的耐久性/疲劳（压缩机管道、风扇支架、管道系统）

更好的冷却，以适应电子元件的日益普及

舒适与安全

Comfort & Safety

优化的通风设计，可改善整个室内环境的热舒适度/空气质量

包括多种功能，可实现香气、气流、湿度、净化控制

保持室内空气质量（IAQ），以防范病原体和其他空气污染物 

设计案例

计算流体动力学（CFD）或热流体分析软件广泛用于模拟和分析复杂的热/流体现象，对于提高工程理解很有价值，同时提供了将这些知识传达给非专家的工具。例如，MSC Cradle CFD是Hexagon最先进的仿真软件，为制造领域的工程师提供支持已超过38年。

使用海克斯康的CradleCFD软件进行无缝且全面的多物理场计算流体动力学（CFD）仿真有助于优化HVACR系统设计。室内环境和室内空气质量的热舒适预测CFD模拟也支持绿色建筑认证项目，如LEED和BREEAM。

优化暖通空调风扇性能

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在设计风扇时，关键考虑因素是降低噪音和功耗，同时提高风扇效率和流场稳定性。空气动力学和气动声学建模很困难，通常需要很长的模型准备时间（几何清理、网格划分）。准确的预测风扇噪音是另一个挑战。

松下生态系统拥有市场领先的产品系列，包括通风风扇、厨房抽油烟机、 空气净化器和屋顶风扇。 希望在其通用通风风扇系列中实现高效率和低噪音，以便增强市场竞争力。

使用高效，友好的Cradle CFD 仿真，实现低轴功率以高效率和更低噪音的风扇设计。在仿真优化选择了三个设计变量进行优化 – 弦长、前倾角和风扇叶片的进口角。经过样机实验证实，优化设计的性能在所有参数上均高于现有产品。此外，在相同风量下，风扇噪音降低了接近2.5 dB，总压力效率提高了 2.5%。

该公司通过Cradle CFD 仿真优化，既能够提高产品性能，又能够提高了产品舒适性，及实现了降噪。

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热交换器设计

在设计换热器的同时优化/最大化传热并最大限度地减少压力损失和结露冷凝具有挑战性。同时为了精确预测换热器性能，需要对沸腾/相变等复杂的物理现象进行仿真，而此类复杂物理模型的求解需要很长时间。几何结构的复杂性，在传统的仿真软件中导致高内存消耗和以及大量的计算时间。

Boost HEAT的创新锅炉设计使用燃气（天然或丙烷）燃烧产生的能量来运行压缩机。BoostHEAT的再生式热压缩机在斯特林循环的基础上有效地将气体与热泵循环融合在一起，与上一代传统冷凝锅炉相比，效率高达200%。

Cradle CFD仿真在BoostHEAT的设计探索过程中发挥了关键作用，以优化热通量，锅炉系统在最短的时间内响应不断变化的行业需求。

借助 Cradle CFD 的高效scFLOW 模块，助推完成了20次关键的锅炉设计仿真迭代，创建了他们的“数字孪生”。CFD 预测根据满足法规遵从性所需的物理测试进行了验证。在每个开发阶段，增压热都实现了更高的温度和更高的压力，与物理测试的相关性越来越高。

紫外线消毒

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COVID-19大流行更加重视清洁的室内空气，并创造了使用紫外线消毒需求。最大限度地提高消毒率，同时通过最小的压力损失保持最佳换气具有挑战性，特别是因为组件必须尽可能紧凑要求下，设计人员必须模拟紫外线/紫外线辐射，包括光的方向性，以帮助确保最佳消毒效果。

Ecokaku株式会社的京都技术部门致力于解决与异常天气、减少碳排放和现代城市传染病传播相关的问题。 

Ecokaku使用了各种类型的Cradle CFD模拟和实验专业型，包括开发UV-C光空气净化装置。计算UV-V射线源附近的辐射照度分布，并将其应用于气流模拟，以评估辐射剂量和流场分布。调整设计参数以满足通过暴露于UV-C射线进行所需的病毒消除。

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热舒适性

人的热舒适性是基于身体的热平衡的函数评估，并受到各种参数的影响，如表面温度、空气温度、空气速度、湿度、人体代谢率和衣服。根据全球公认的ANSI/ASHRAE标准55，热舒适性公认为“对热环境表示满意并通过主观评估的心理状态”。

工程师可以根据ANSI/ASHRAE标准55和ISO7730标准，通过计算PMV（predicted ean vote）、PPD（predicted percentage dissatisfied）和SET（standard effective temperature）等指标来评估室内环境中的热舒适度。然而，这些多变量热舒适指数在三维室内空间的计算是非常困难的，依赖于工程师的经验和传统估计方法的适用性。

CFD模拟可以更容易地分析和优化室内环境中的热感觉，并发现可能的节能。到目前为止，由于与BIM数据的连通性差、学习周期长专业知识和大量计算时间等问题，CFD模拟在热舒适设计中的应用一直很少。

Shinryo Corporation提供空调系统，给排水系统以及其他工程服务。为了解决能源效率问题，该公司引入了一种将Cradle CFD纳入其BIM系统的方法。这有助于将仿真时间缩短多达 50%。符合BIM标准的一个关键功能包括数据传输、管理部件和组织设计信息、定义分析条件的自定义接口、自动模型简化和自动高质量网格生成。这为他们的工程师配备了优化空调系统所需的设计工具。

在当今的行业中，降低建筑能耗是一个关键问题，Cradle CFD 帮助 Shinryo 工程师设计了更高效的空调。

电子产品冷却

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如今，HVACR设备的电子元件比以往任何时候都多。因此，将组件温度保持在最高允许工作温度以下的热管理是当务之急。避免电路板周围潮湿也很重要.由于复杂性，几何准备需要很长时间。同时确定结露量非常麻烦且很难。

松下公司是一家综合电子公司，业务涉及家用电器，包括视听设备，工业设备，IT工具，商业和家用产品以及能源/环境产品。该公司希望将电子元件的温度保持在硬件耐用性极限以下，即使在极端工作条件下也是如此。

在产品开发过程中，使用Cradle CFD基于结构化网格的scSTREAM模块进行热流体分析，该团队可以开发准确的温度预测模型。他们可以在流程早期使用更少的原型对电子产品进行详细的热设计，从而显著缩短开发周期。该团队还使用软件的高级物理功能在机箱内进行粉尘扩散分析，并设计集尘离子系统。