模拟软件在HVAC领域中的应用

模拟软件在HVAC领域中的应用主讲：尹志芳2008.12.4模拟仿真技术在HVAC领域的兴起国内建筑能耗模拟软件的发展HVAC领域模拟仿真软件的类型与比较基于CFD的室内环境模拟软件建筑能耗模拟分析软件建筑设备系统模拟软件现存的问题和未来的发展Introduction模拟仿真技术在HVAC领域的兴起本世纪60年代中期,得益于计算机技术的发展在建筑及环境控制领域就兴起了对建筑环境及控制系统动态模拟的研究。初期的研究内容主要是传热的基础理论和负荷的计算方法，例如一些简化的动态传热算法，如度日法，bin法等。在这一阶段，建筑模拟的主要目的是改进围护结构的传热特性。在经历了上个世纪70年代的全球石油危机之后，建筑模拟受到越来越多的重视。上个世纪七十年代中期，美国开发出了至今仍具有重要影响的建筑能耗模拟程序BLAST和DOE-2欧洲也于上个世纪70年代初开始研究模拟分析的方法，具有代表性的软件为ESP-r。模拟仿真技术在HVAC领域的兴起在70年代末期，随着模块化集成思想的出现，研究空调和其他能量转换系统及控制的模拟软件也相继出现，TRNSYS和HVACSIM+就是当时先后开发出的两种很有影响力的软件。与此同时，亚洲各国也逐渐认识到建筑模拟技术的重要性，先后进行研究开发，主要成果有我国清华大学的BTP和日本的HASP.模拟仿真技术在HVAC领域的兴起进入90年代，模拟技术的研究重点逐渐从模拟建模(simulationmodeling)向应用模拟方法(simulationmethod)转移，即研究如何充分利用现有的各种模型和模拟软件，使模拟技术能够更广泛、更有效地应用于实际工程的方法和步骤。时至今日，建筑模拟仿真技术通过40多年的不断发展，已经在建筑环境等相关领域得到了较广泛的应用，并贯穿于建筑设计的整个生命周期。模拟仿真技术在HVAC领域的兴起模拟仿真技术在HVAC领域的兴起模拟软件在HVAC领域的发展阶段动态传热算法及基础理论研究建筑能耗模拟程序空调及能量转化系统模拟建模研究应用模拟方法的研究模拟仿真技术在HVAC领域的应用用于空调设备选择建筑设计或改造制定建筑管理控制模式改进室内气流组织国内建筑能耗模拟软件的发展1995年，我国同济大学自主开发了我国第一套在Windows环境下的暖通空调设计计算软件EasyHVAC.1998年，该软件又推出了辅助绘图版本EasyHVACCAD。2001年7月，上海华电源信息技术有限公司和上海现代建筑设计集团共同开发的HDY-SMAD空调负荷计算及分析软件将暖通空调设计计算软件推向了新的高潮。HDY暖通空调负荷计算及分析HDY防排烟设计软件HDY湿空气分析国内建筑能耗模拟仿真软件的发展最近十年，国产能耗分析软件和辅助画图软件发展迅速，鸿业的ACS、天正系列软件.清华同方开发的能耗分析软件DeST,都有各自鲜明的特色.DeST的前身是BTP(buildingthermalperformance)其初始定位是室内热环境模拟，后来添加了空调系统模拟模块及其他针对设计的模拟分析工具才逐渐形成现在的DeST.气象数据建筑描述阴影和通风计算建筑分析模拟系统分析模拟基础数据库（材料、构件、设备等）国内建筑能耗模拟仿真软件的发展它的基本算法是基于江亿院士在80年代初提出的用于分析建筑热状况的状态空间法理论。它不仅能够根据围护结构计算建筑物长达7680小时的逐时冷热负荷，还能够在此基础上根据设计人员设想的不同方案，模拟出房间的全年温度状况并给出理论上空调设备的出力以便设计人员作进一步的经济性分析。国内建筑能耗模拟仿真软件的发展除此以外，DeST还可以用作空气出力设备的校核以及制冷站和泵站的设计。根据空调系统方案模拟及空气出力设备模拟结果还可以得到各个房间及末端的风量水量需求，进行空调风系统，水系统设计计算，确定风机水泵等设备型号，校核设计方案在全工况下是否能满足逐时的要求，并模拟计算全年的风机，水泵系统运行能耗等。什么是CFD？ComputationalFluidDynamics（计算流体动力学）是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的它相当于“虚拟”地在计算机中做实验，来模拟仿真实际的流体流动情况。基本原理图数值求解控制体流动的微分方程流体流动的流场在连续区域上的离散分布近似模拟流体流动情况CFD的产生及发展1933年代英国人Thom首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方程，CFD由此而生。1974年，丹麦的Nielsen首次将CFD用于暖通空调工程领域，对通风房间内的空气流动进行模拟。之后的短短20多年内，CFD已经成为广大空调工程师和建筑师解决分析工程问题的有力工具。CFD在暖通领域的应用研究应用研究自然通风的数值模拟置换通风的数值模拟高大空间的数值模拟洁净室的数值模拟有害物散发的数值模拟地板置换通风体育场馆大空间建筑形式固定的空调气流组织大气环境污染座椅送风CFD与其他预测空气分布的方法比较CFD主要应用于模拟预测室内外或设备内的空气或其他工质流动的流动情况。以预测室内空气分布为例，目前采用的方法主要有四种：经验公式，Zonalmodel,CFD以及模型实验。预测方法比较项经验公式(如射流)ZonalmodelCFD模型实验房间形状复杂程度简单较复杂基本不限基本不限对经验参数的依赖性几乎完全很依赖一些不依赖预测成本最低较低较昂贵最高预测周期最短较短较长最长结果的完备性简略简略最详细较详细结果的可靠性差差较好最好适用性机械通风，且实际射流条件有关机械和自然通风，一定条件机械和自然通风机械和自然通风基于CFD的室内环境模拟软件主要是基于CFD的室内温度场、速度场的模拟计算、模拟室内环境状态1）Fluent是较典型的CFD模拟软件，基于CFD计算机软件群的设计概念，针对每一种流动物理问题采用适用于它的数值解法以在计算速度，稳定性和精度等方面达到最优。其结构由前处理，求解器及后处理三大模块组成。它采用GAMBIT作为专用的前处理软件，使网格可以有多种形状，针对非结构网格提出多维梯度重构法.后来进一步发展采用最小二乘法估算梯度，能较好地处理畸变网格的计算。基于CFD的室内环境模拟软件该软件的核心部分是纳维-斯托克斯方程组的求解模块。用压力校正法作为低速不可压流动的计算方法，精度较高。后处理模块具有三维显示功能来展现各种流动特性，并能以动画功能演示非定常过程，从而以直观的形式展示模拟效果，便于进一步的分析.在暖通领域，Fluent主要用来模拟温度场、气流场、污染物浓度等的分布状况。用Fluent模拟散流器上送上回房间的气流分布在送风口风速为3m/s时，研究整个房间的气流分布情况1示意图如下：2前处理在Gambit中作图,如下所示：后处理结果可视化前处理建立数学物理模型数值算法求解再画网格，如图：前处理：导入Fluent求解：设置进风速度，流体方程，是否考虑热等问题。本例在只考虑速度的情况下进行求解。结果与后处理速度场与流线图通过分析可知道某点的气流分布冷却塔大气羽流的扩散模拟Fluent软件用于模拟复杂结构的绕流，周围结构干扰下，羽流轨迹、扩散速率、结构气动载荷、温度都有很大影响。计算中仅考虑了定常流动条件，而作用于建筑物上的非定常气体动力采用时间相关法模拟。冷却塔排出温度为600k气流，风在某一方向占优条件下，羽流不足以扩散。因此对周围结构产生过高的温度。冷却塔后的尾迹流可以模拟，非结构化的四面体网格允许快速而精确地模拟大型复杂几何构件的外流。Fluent应用实例图中所示为喷雾干燥塔的CFD分析，湿的粒子在垂直的干燥塔内被干燥，干燥后的粒子在底部收集，燃烧的副产品和蒸发气体蒸汽从旁边支路排出。从FLUENT计算结果来看，塔内水汽的蒸发使得粒子不至于过热，除火焰处温度偏高外其余区域温度分布比较均匀。由此可见，在实验手段无法做到，或者是非常困难的情况下，CFD为分析这类工程问题提供了有利的参考。喷雾干燥塔基于CFD的室内环境模拟软件2）airpark同样是Fluent公司的产品，专为暖通专业设计，内置许多模型如房间，人员，风口墙，热源等，能够自动网格化，能生成报表和动画，功能虽然没有Fluent全面，但更为专业.虽然对于规则的建筑物的模拟比较精确，但对于特殊外形的建筑物其建模过程繁琐.应用于礼堂，体育场馆设计使用airpark对室内空气流动进行模拟可以将温度分层显示在几个平面上，设计人员可以参照气流分布改进设计方案，达到最优3）Phoenics是世界上第一套计算流体与计算传热学商用软件.除了通用计算流体和计算传热学软件具有的功能之外，它还有许多独特之处。这一软件中所采用的一些基本算法,如SIMPLE方法、混合格式等,对以后开发的商用软件有较大的影响。这一软件采用有限容积法,可选择一阶迎风、混合格式等，压力及速度耦合采用SIMPLEST算法,对两相流纳入了IPSA算法(适用于两种介质互相穿透时)及离子跟踪法。基于CFD的室内环境模拟软件基于CFD的室内环境模拟软件代数方程组可以采用整场求解或点迭代、快迭代方法,同时纳入了块修正以加速收敛。其特点是计算能力强、模型简单、速度快,便于模拟前期的参数初值估算,以低速热流输运现象为主要模拟对象,尤其适用于单相模拟和管道流动计算其包含有一定数量的湍流模型、多相流模型、化学反应模型。用于暖通空调计算的专用模块为FLAIR等。图1大剧院模型图2观众厅中间纵断面温度分布图3观众厅下回风口中心断面温度分布图4观众厅中间横断面温度分布4）ANSYSCFX软件一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为其发展的基本要求。目前，CFX应用已经遍及航空航天、机械、能源、石油化工、火灾安全、环保等领域。CFX采用了先进的全隐式多重网格算法，可计算的物理问题包括可压与不可压流体、耦合传热、热辐射、多相流、粒子输送过程、化学反应和燃烧等问题，还拥有诸如气蚀多孔介质、相间传质非牛顿流、真实气体等大批实用模型。不需要第三方工具，能与ANSYS结构软件直接进行各种流固体的耦合分析。基于CFD的室内环境模拟软件建筑能耗模拟分析软件HAPDOE-2eQUESTESPDeSTEnergyPLUS软件建筑能耗模拟分析软件模拟建筑能耗的动态特性基本上都是采用LSPE(loadsystemplanteconomic)法这类软件适用于系统的能耗分析进行区间通常为一年的冷热负荷计算计算整个空调系统的能耗进行技术经济分析计算各设备的能耗负荷模块(loads)设备模块(plants)经济模块(economics)系统模块(systems)建筑能耗模拟分析软件1）DOE-2适用范围：逐时能耗分析，HVAC系统运行的寿命周期成本(LCC)分析。适用各类住宅和商业建筑。有非常详细的建筑能耗逐时分析报告，可适用于结构和功能较为复杂的建筑。因此可以称作当前最强大的建筑能耗模拟软件其BDL内核为类似的多种软所使用但是它是DOS操作界面，对使用者的专业知识要求比较高。建筑能耗模拟分析软件2）BLAST适用范围:工业供冷供热负荷计算,建筑空气处理系统以及电力设备逐时能耗模拟。基于windows的操作界面，结构化输入文件，可以分析热舒适度，高强度或低强度的辐射换热，还可以做变传热系数下能耗分析。但是对专业知识和工程实际有较深刻的理解才能设计出符合要求的模型。建筑能耗模拟分析软件3)EnergyPlus适用范围：多区域气流分析，太阳能利用方案设计及建筑热性能研究。它是在美国能源部(DOE)的支持下,由劳伦斯·伯克利国家实验室（LBNL)、伊利诺斯大学、美国军队建筑工程实验室及其他单位共同开发的。它不仅吸收了建筑能耗分析软件DOE-2和BLAST的优点,并且具备很多新的功能。新版本的EnergyPlus是真正的动态模拟软件。在计算负荷时,时间步长可由用户选择,一般为10-15min。在系统的模拟中软件会自动设定更短的步长以便于更快地收敛。运行时每一个时间步长都同时计space,system,plant的参数，并将sys