模擬軟件在HVAC領域中的應用

1、 模擬軟件在HVAC領域中的應用 主講：尹志芳 2008.12.4v 模擬仿真技術在HVAC領域的興起v 國內建筑能耗模擬軟件的發(fā)展v HVAC領域模擬仿真軟件的類型與比較 基于CFD的室內環(huán)境模擬軟件 建筑能耗模擬分析軟件 建筑設備系統(tǒng)模擬軟件v 現(xiàn)存的問題和未來的發(fā)展Introduction模擬仿真技術在HVACHVAC領域的興起 v 本世紀60年代中期,得益于計算機技術的發(fā)展 在建筑及環(huán)境控制領域就興起了對建筑環(huán)境及 控制系統(tǒng)動態(tài)模擬的研究。v 初期的研究內容主要是傳熱的基礎理論和負荷 的計算方法，例如一些簡化的動態(tài)傳熱算法， 如度日法，bin法等。在這一階段，建筑模擬 的主要目的是改進

2、圍護結構的傳熱特性。v 在經(jīng)歷了上個世紀70年代的全球石油危 機之后，建筑模擬受到越來越多的重視。v 上個世紀七十年代中期，美國 開發(fā)出了至今仍具有重要影響的 建筑能耗模擬程序BLAST和DOE-2 歐洲也于上個世紀70年代初開始 研究模擬分析的方法，具有代表 性的軟件為ESP-r。 模擬仿真技術在HVACHVAC領域的興起v 在70年代末期，隨著模塊化集成思想的出現(xiàn)，研 究空調和其他能量轉換系統(tǒng)及控制的模擬軟件也 相繼出現(xiàn)， TRNSYS 和 HVACSIM+ 就是當時先后 開發(fā)出的兩種很有影響力的軟件。v 與此同時，亞洲各國也逐漸認識到建筑模擬技術 的重要性，先后進行研究開發(fā)，主要成果有我

3、國 清華大學的BTP和日本的HASP.模擬仿真技術在HVACHVAC領域的興起v 進入90年代，模擬技術的研究重點逐漸從模擬建模 (simulation modeling)向應用模擬方法(simulation method )轉移，即研究如何充分利用現(xiàn)有的各種模型 和模擬軟件，使模擬技術能夠更廣泛、更有效地應用 于實際工程的方法和步驟。 時至今日，建筑模擬仿真技術通過40多年的不斷 發(fā)展，已經(jīng)在建筑環(huán)境等相關領域得到了較廣泛的應 用，并貫穿于建筑設計的整個生命周期。模擬仿真技術在HVACHVAC領域的興起模擬仿真技術在模擬仿真技術在HVAC領域的興起領域的興起模擬軟件在HVAC領域的發(fā)展階段動

4、態(tài)傳熱算法及基礎理論研究建筑能耗模擬程序空調及能量轉化系統(tǒng)模擬建模研究應用模擬方法的研究模擬仿真技術在模擬仿真技術在HVAC領域的應用領域的應用建筑能源管理和控制系統(tǒng)的設計建筑冷熱負荷的計算室內氣流分布模擬與分析建筑能耗特性的分析應用用于空調設備選擇建筑設計或改造制定建筑管理控制模式改進室內氣流組織國內建筑能耗模擬軟件的發(fā)展v 1995年，我國同濟大學自主開發(fā)了我國第一套在 Windows環(huán)境下的暖通空調設計計算軟件EasyHVAC. 1998年，該軟件又推出了輔助繪圖版本 EasyHVAC CAD。 2001年7月，上海華電源信息技術有限公司和上海 現(xiàn)代建筑設計集團共同開發(fā)的HDY-SMAD

5、空調負荷 計算及分析軟件將暖通空調設計 計算軟件推向了新的高潮。HDY暖通空調負荷計算及分析HDY防排煙設計軟件HDY濕空氣分析國內建筑能耗模擬仿真軟件的發(fā)展v 最近十年，國產(chǎn)能耗分析軟件和輔助畫圖軟件發(fā) 展迅速，鴻業(yè)的ACS、天正系列軟件.清華同方開 發(fā)的能耗分析軟件 DeST,都有各自鮮明的特色. DeST的前身是 BTP(building thermal performance) 其初始定位是室內熱環(huán)境模擬，后來添加了空調 系統(tǒng)模擬模塊及其他針對設計的模擬分析工具才 逐漸形成現(xiàn)在的DeST. 氣象數(shù)據(jù)建筑描述陰影和通風計算建筑分析模擬系統(tǒng)分析模擬基礎數(shù)據(jù)庫（材料、構件、設備等）國內建筑能

6、耗模擬仿真軟件的發(fā)展v 它的基本算法是基于江億院士在80年代初提出的 用于分析建筑熱狀況的狀態(tài)空間法理論。v 它不僅能夠根據(jù)圍護結構計算建筑物長達7680小 時的逐時冷熱負荷，還能夠在此基礎上根據(jù)設計 人員設想的不同方案，模擬出房間的全年溫度狀 況并給出理論上空調設備的出力以便設計人員作 進一步的經(jīng)濟性分析。 國內建筑能耗模擬仿真軟件的發(fā)展v 除此以外，DeST還可以用作空氣出力設備的校核 以及制冷站和泵站的設計。根據(jù)空調系統(tǒng)方案模 擬及空氣出力設備模擬結果還可以得到各個房間 及末端的風量水量需求，進行空調風系統(tǒng)，水系 統(tǒng)設計計算，確定風機水泵等設備型號，校核設 計方案在全工況下是否能滿足逐時

7、的要求，并模 擬計算全年的風機，水泵系統(tǒng)運行能耗等。什么是 CFD ？v Computational Fluid Dynamics（計算流體動力學）是伴隨著計算機技術、數(shù)值計算技術的發(fā)展而發(fā)展的它相當于“虛擬”地在計算機中做實驗，來模擬仿真實際的流體流動情況。v 基本原理圖數(shù)值求解控制體流動的微分方程流體流動的流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布近似模擬流體流動情況熱學計算機科學數(shù)值分析流體力學CFDCFD的產(chǎn)生及發(fā)展v1933年代英國人Thom首次用手搖計算機數(shù)值求解了二維粘性流體偏微分方程，CFD由此而生。v1974年，丹麥的Nielsen 首次將CFD用于暖通空調工程領域，對通風房間內的空氣流動進

8、行模擬。v之后的短短20多年內， CFD已經(jīng)成為廣大空調工 程師和建筑師解決分析工程問題的有力工具。 CFD在暖通領域的應用研究應用研究自然通風的數(shù)值模擬置換通風的數(shù)值模擬高大空間的數(shù)值模擬潔凈室的數(shù)值模擬有害物散發(fā)的數(shù)值模擬地板置換通風體育場館大空間建筑形式固定的空調氣流組織大氣環(huán)境污染座椅送風CFD與其他預測空氣分布的方法比較v CFD主要應用于模擬預測室內外或設備內的空氣或其他工質流動的流動情況。以預測室內空氣分布為例，目前采用的方法主要有四種：經(jīng)驗公式，Zonal model ,CFD以及模型實驗。預測方法比較項 經(jīng)驗公式(如射流)ZonalmodelCFD模型實驗房間形狀復雜程度 簡

9、單較復雜基本不限基本不限對經(jīng)驗參數(shù)的依賴性 幾乎完全很依賴一些不依賴預測成本 最低較低較昂貴最高預測周期 最短較短較長最長結果的完備性 簡略簡略最詳細較詳細結果的可靠性 差差較好最好適用性 機械通風，且實際射流條件有關機械和自然通風，一定條件機械和自然通風機械和自然通風基于CFD的室內環(huán)境模擬軟件 v 主要是基于CFD的室內溫度場、速度場的模擬 計算、模擬室內環(huán)境狀態(tài)v1）Fluent 是較典型的CFD 模擬軟件，基于CFD計算機 軟件群的設計概念，針對每一種流動物理問題采用適用于 它的數(shù)值解法以在計算速度，穩(wěn)定性和精度等方面達到最 優(yōu)。其結構由前處理，求解器及后處理三大模塊組成。 它采用GA

10、MBIT作為專用的前處理軟件，使網(wǎng)格可以 有多種形狀，針對非結構網(wǎng)格提出多維梯度重構法.后來 進一步發(fā)展采用最小二乘法估算梯度，能較好地處理畸變 網(wǎng)格的計算?；贑FD的室內環(huán)境模擬軟件v 該軟件的核心部分是納維-斯托克斯方程組的求 解模塊。用壓力校正法作為低速不可壓流動的計 算方法，精度較高。后處理模塊具有三維顯示功 能來展現(xiàn)各種流動特性，并能以動畫功能演示非 定常過程，從而以直觀的形式展示模擬效果，便 于進一步的分析. 在暖通領域，F(xiàn)luent主要用來模擬溫度場、 氣流場、污染物濃度等的分布狀況。用用Fluent模擬散流器上送上回房間的氣流分布模擬散流器上送上回房間的氣流分布v 在送風口風

11、速為3m/s時，研究整個 房間的氣流分布情況v 1 示意圖如下：2 前處理 在Gambit 中作圖,如下所示：后處理結果可視化前處理建立數(shù)學物理模型數(shù)值算法求解再畫網(wǎng)格，如圖：前處理： 導入Fluent求解：設置進風速度，流體方程，是否考慮熱等問題。本例在只考慮速度的情況下進行求解。結果與后處理v 速度場與流線圖v 通過分析可知道某點的氣流分布v冷卻塔大氣羽流的擴散模擬vFluent軟件用于模擬復雜結構的繞流，周圍結構 干擾下，羽流軌跡、擴散速率、結構氣動載荷、 溫度都有很大影響。計算中僅考慮了定常流動條 件，而作用于建筑物上的非定常氣體動力采用時 間相關法模擬。冷卻塔排出溫度為600k氣流，

12、風 在某一方向占優(yōu)條件下，羽流不足以擴散。因此 對周圍結構產(chǎn)生過高的溫度。冷卻塔后的尾跡流 可以模擬，非結構化的四面體網(wǎng)格允許快速而精 確地模擬大型復雜幾何構件的外流。 Fluent應用實例 圖中所示為噴霧干燥塔的CFD分析，濕的粒子在垂直的干燥塔內被干燥，干燥后的粒子在底部收集，燃燒的副產(chǎn)品和蒸發(fā)氣體蒸汽從旁邊支路排出。從FLUENT計算結果來看，塔內水汽的蒸發(fā)使得粒子不至于過熱，除火焰處溫度偏高外其余區(qū)域溫度分布比較均勻。由此可見，在實驗手段無法做到，或者是非常困難的情況下，CFD為分析這類工程問題提供了有利的參考。 噴霧干燥塔基于CFD的室內環(huán)境模擬軟件v 2）airpark同樣是Flu

13、ent公司的產(chǎn)品，專為暖通 專業(yè)設計，內置許多模型如房間，人員，風口 墻，熱源等，能夠自動網(wǎng)格化，能生成報表和 動畫，功能雖然沒有Fluent全面，但更為專業(yè). 雖然對于規(guī)則的建筑物的模擬比較精確，但對 于特殊外形的建筑物其建模過程繁瑣 .v 應用于禮堂，體育場館設計 使用airpark對室內空氣流動進行模擬 可以將溫度分層顯示在 幾個平面上，設計人員 可以參照氣流分布改進 設計方案，達到最優(yōu) v 3）Phoenics 是世界上第一套計算流體與計算傳熱 學商用軟件.除了通用計算流體和計算傳熱學軟件 具有的功能之外，它還有許多獨特之處。 這一軟件中所采用的一些基本算法,如SIMPLE 方法、混合

14、格式等,對以后開發(fā)的商用軟件有較大 的影響。這一軟件采用有限容積法,可選擇一階迎 風、混合格式等，壓力及速度耦合采用SIMPLEST 算法,對兩相流納入了IPSA算法(適用于兩種介質 互相穿透時)及離子跟蹤法。基于CFD的室內環(huán)境模擬軟件基于CFD的室內環(huán)境模擬軟件v代數(shù)方程組可以采用整場求解或點迭代、快迭代 方法,同時納入了塊修正以加速收斂。 其特點是計算能力強、模型簡單、速度快,便于模 擬前期的參數(shù)初值估算,以低速熱流輸運現(xiàn)象為主 要模擬對象,尤其適用于單相模擬和管道流動計算 其包含有一定數(shù)量的湍流模型、多相流模型、化 學反應模型。用于暖通空調計算的專用模塊為 FLAIR等。圖1 大劇院模

15、型 圖2 觀眾廳中間縱斷面溫度分布圖3 觀眾廳下回風口中心斷面溫度分布 圖4 觀眾廳中間橫斷面溫度分布v 4 ）ANSYS CFX軟件一直將精確的計算結果、豐富的物理 模型、強大的用戶擴展性作為其發(fā)展的基本要求。目前， CFX應用已經(jīng)遍及航空航天、機械、能源、石油化工、火 災安全、環(huán)保等領域。v CFX采用了先進的全隱式多重網(wǎng)格算法，可計算的物理 問題包括可壓與不可壓流體、耦合傳熱、熱輻射、多相 流、粒子輸送過程、化學反應和燃燒等問題，還擁有諸 如氣蝕多孔介質、相間傳質非牛頓流、真實氣體等大批 實用模型。不需要第三方工具，能與ANSYS結構軟件直 接進行各種流固體的耦合分析?；贑FD的室內環(huán)

16、境模擬軟件建筑能耗模擬分析軟件HAPDOE-2eQUESTESPDeSTEnergy PLUS軟件建筑能耗模擬分析軟件v 模擬建筑能耗的動態(tài)特性v 基本上都是采用LSPE (load system plant economic)法v 這類軟件適用于系統(tǒng)的能 耗分析 進行區(qū)間通常為一年的冷熱負荷計算 計算整個空調系統(tǒng)的能耗 進行技術經(jīng)濟分析 計算各設備的能耗負荷模塊(loads)設備模塊(plants)經(jīng)濟模塊(economics)系統(tǒng)模塊(systems)建筑能耗模擬分析軟件v 1）DOE-2 適用范圍：逐時能耗分析，HVAC系統(tǒng)運 行的壽命周期成本(LCC)分析。v適用各類住宅和商業(yè)建筑。有

17、非常詳細的建筑能耗 逐時分析報告，可適用于結構和功能較為復雜的建 筑。因此可以稱作當前最強大的建筑能耗模擬軟件 其BDL內核為類似的多種軟所使用但是它是DOS操作 界面，對使用者的專業(yè)知識要求比較高。建筑能耗模擬分析軟件v 2）BLAST適用范圍:工業(yè)供冷供熱負荷計算,建筑 空氣處理系統(tǒng)以及電力設備逐時能耗模擬。 基于windows的操作界面，結構化輸入文件，可以 分析熱舒適度，高強度或低強度的輻射換熱，還 可以做變傳熱系數(shù)下能耗分析。但是對專業(yè)知識 和工程實際有較深刻的理解才能設計出符合要求 的模型。 建筑能耗模擬分析軟件v 3) Energy Plus適用范圍：多區(qū)域氣流分析，太陽能 利用

18、方案設計及建筑熱性能研究。 它是在美國能源部(DOE)的支持下,由勞倫斯伯克 利國家實驗室（LBNL)、伊利諾斯大學、美國軍隊 建筑工程實驗室及其他單位共同開發(fā)的。它不僅 吸收了建筑能耗分析軟件DOE-2和BLAST的優(yōu)點,并 且具備很多新的功能。 新版本的Energy Plus是真正的動態(tài)模擬軟件。在計算負荷時,時間步長可由用戶選擇,一般為10-15min。在系統(tǒng)的模擬中軟件會自動設定更短的步長以便于更快地收斂。運行時每一個時間步長都同時計space, system ,plant的參數(shù)，并將system, plant的參數(shù)反饋迭代到room的下一個時間步長的計算。一些常用的空調系統(tǒng)類型和配置

19、已做成模塊,包括雙風道的定風量空氣系統(tǒng)和變風量空氣系統(tǒng)、單風道的定風量空氣系統(tǒng)和變風量空氣系統(tǒng)、組合式直接蒸發(fā)系統(tǒng)、熱泵、輻射式供熱和供冷系統(tǒng)、水環(huán)熱泵、地源熱泵等。建筑能耗模擬分析軟件Energy Plus與DOE-2的比較DOE-2是現(xiàn)今世界上最為流行的建筑全能耗分析軟件Energy Plus與它的主要區(qū)別如下表所示：建筑能耗模擬分析軟件v 4) ESP-r 適用范圍：可對影響建筑能源特性和環(huán) 境特性的因素做深入的評估。內置CAD繪圖插件 可以直接導入CAD文件，HVAC系統(tǒng)的描述相當詳 細，比較接近實際，可以得出整體性的評價，可 模擬和分析當前比較前沿或創(chuàng)新技術。但對專業(yè) 知識有較高的要

20、求。v 全工況模擬分析 建筑物全年四季處于不同的熱狀態(tài) 全年逐時性能的動態(tài)模擬分析 給出設計對象全年總體評價v 分階段輔助設計 建筑模擬，計算建筑負荷和基礎室溫 建筑方案模擬，比較不同的建筑方案優(yōu)劣，確定建筑方案 系統(tǒng)方案模擬，比較不同系統(tǒng)方案優(yōu)劣，確定，系統(tǒng)方案 詳細的系統(tǒng)設備模擬，盤管校核、冷站模擬等等，得到系統(tǒng)運行能耗建筑能耗模擬分析軟件5) Dest圖形化界面-AutoCAD用戶界面-Windows各版本操作系統(tǒng) 完善的數(shù)據(jù)后處理-各種常用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計-分項逐時數(shù)據(jù)報表v用于模擬暖通空調系統(tǒng)的能量特性和控制特性v建筑設備系統(tǒng)構成復雜多變,不同設備之間的組合 得到的效果相差甚遠,為了最大限

21、度降低運行能耗 提高系統(tǒng)的運行效率,必須利用計算機模擬技術, 對系統(tǒng)進行優(yōu)化設計和智能控制。v如HVACSIM+, TRNSYS等,它們以整個系統(tǒng)中各部件 為單元,按照各部件的壓力、流動方程及質能平衡 等進行計算,因此這類軟件適用于系統(tǒng)的控制分析 和控制器設計。建筑設備系統(tǒng)模擬軟件建筑設備系統(tǒng)模擬軟件v 1）HVACSIM+是模塊化計算機仿真軟件。其編寫 的仿真程序由超級塊，塊，單元組成。內置了26 種常見的HVAC部件模型和控制模型。v它最突出的特點是，采用先進的變次序、變步長 積分法，并且程序允許不同的超級塊在模擬過程 中使用不同的時間步長，如在大型建筑物的動態(tài) 模擬中，可以設置某個暖通系

22、統(tǒng)按秒來模擬，設 置整個建筑物按15分鐘或小時來模擬。建筑設備系統(tǒng)模擬軟件v 2）Matlab 最重要的特點是易于擴展，允許用戶自 行建立指定功能的M文件 暖通空調的系統(tǒng)模擬主要 用到其中的simulink模塊 但是如果直接從simulink 入手，建模比較困難， 一般使用其他建模軟件 前期處理，如法國國家 科學研究院的商用軟 件SIMBAD。SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)。在SIMULINK環(huán)境中利用鼠標就可以在模型窗口中直觀地“畫”出系統(tǒng)模型，然后直接進行仿真。它為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口，采用這種結構畫模型就像你用手和紙來畫一樣容易。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分