項目背景

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

此外，鑒于建筑環(huán)境產(chǎn)生了全球溫室氣體排放量的39%，對可持續(xù)性發(fā)展和低碳的日益關(guān)注使專注于綠色/高效的暖通空調(diào)運營。此外，圍繞建筑規(guī)范的法規(guī)旨在通過確?！叭裰评鋬?yōu)化”來減少能源匱乏，這也影響了HVACR系統(tǒng)的設(shè)計。

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

HVACR系統(tǒng)必須提供足夠的通風(fēng)、良好的空氣質(zhì)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(xù)性和智能建筑的關(guān)注意味著越來越關(guān)注低能耗冷卻標(biāo)準和最新技術(shù)，如自動化、無管HVACR系統(tǒng)、雙燃料熱泵和分區(qū)HVACR系統(tǒng)。由于這些趨勢，HVACR行業(yè)必須越來越關(guān)注工業(yè)4.0，數(shù)字化轉(zhuǎn)型和可持續(xù)性。

設(shè)計挑戰(zhàn)

當(dāng)今HVACR系統(tǒng)必須滿足的各種需求，HVACR系統(tǒng)的設(shè)計考慮因素必須優(yōu)先考慮以下參數(shù)：

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(tǒng)小型化

降噪：降低風(fēng)扇和冷凝器噪音

部件的耐久性/疲勞（壓縮機管道、風(fēng)扇支架、管道系統(tǒng)）

更好的冷卻，以適應(yīng)電子元件的日益普及

舒適與安全

Comfort & Safety

優(yōu)化的通風(fēng)設(shè)計，可改善整個室內(nèi)環(huán)境的熱舒適度/空氣質(zhì)量

包括多種功能，可實現(xiàn)香氣、氣流、濕度、凈化控制

保持室內(nèi)空氣質(zhì)量（IAQ），以防范病原體和其他空氣污染物 

設(shè)計案例

計算流體動力學(xué)（CFD）或熱流體分析軟件廣泛用于模擬和分析復(fù)雜的熱/流體現(xiàn)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(lǐng)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(xué)（CFD）仿真有助于優(yōu)化HVACR系統(tǒng)設(shè)計。室內(nèi)環(huán)境和室內(nèi)空氣質(zhì)量的熱舒適預(yù)測CFD模擬也支持綠色建筑認證項目，如LEED和BREEAM。

優(yōu)化暖通空調(diào)風(fēng)扇性能

01

在設(shè)計風(fēng)扇時，關(guān)鍵考慮因素是降低噪音和功耗，同時提高風(fēng)扇效率和流場穩(wěn)定性?？諝鈩恿W(xué)和氣動聲學(xué)建模很困難，通常需要很長的模型準備時間（幾何清理、網(wǎng)格劃分）。準確的預(yù)測風(fēng)扇噪音是另一個挑戰(zhàn)。

松下生態(tài)系統(tǒng)擁有市場領(lǐng)先的產(chǎn)品系列，包括通風(fēng)風(fēng)扇、廚房抽油煙機、 空氣凈化器和屋頂風(fēng)扇。 希望在其通用通風(fēng)風(fēng)扇系列中實現(xiàn)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(xiàn)低軸功率以高效率和更低噪音的風(fēng)扇設(shè)計。在仿真優(yōu)化選擇了三個設(shè)計變量進行優(yōu)化 – 弦長、前傾角和風(fēng)扇葉片的進口角。經(jīng)過樣機實驗證實，優(yōu)化設(shè)計的性能在所有參數(shù)上均高于現(xiàn)有產(chǎn)品。此外，在相同風(fēng)量下，風(fēng)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(yōu)化，既能夠提高產(chǎn)品性能，又能夠提高了產(chǎn)品舒適性，及實現(xiàn)了降噪。

02

熱交換器設(shè)計

在設(shè)計換熱器的同時優(yōu)化/最大化傳熱并最大限度地減少壓力損失和結(jié)露冷凝具有挑戰(zhàn)性。同時為了精確預(yù)測換熱器性能，需要對沸騰/相變等復(fù)雜的物理現(xiàn)象進行仿真，而此類復(fù)雜物理模型的求解需要很長時間。幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在傳統(tǒng)的仿真軟件中導(dǎo)致高內(nèi)存消耗和以及大量的計算時間。

Boost HEAT的創(chuàng)新鍋爐設(shè)計使用燃氣（天然或丙烷）燃燒產(chǎn)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(huán)的基礎(chǔ)上有效地將氣體與熱泵循環(huán)融合在一起，與上一代傳統(tǒng)冷凝鍋爐相比，效率高達200%。

Cradle CFD仿真在BoostHEAT的設(shè)計探索過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，以優(yōu)化熱通量，鍋爐系統(tǒng)在最短的時間內(nèi)響應(yīng)不斷變化的行業(yè)需求。

借助 Cradle CFD 的高效scFLOW 模塊，助推完成了20次關(guān)鍵的鍋爐設(shè)計仿真迭代，創(chuàng)建了他們的“數(shù)字孿生”。CFD 預(yù)測根據(jù)滿足法規(guī)遵從性所需的物理測試進行了驗證。在每個開發(fā)階段，增壓熱都實現(xiàn)了更高的溫度和更高的壓力，與物理測試的相關(guān)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(nèi)空氣，并創(chuàng)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(zhàn)性，特別是因為組件必須盡可能緊湊要求下，設(shè)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(shù)部門致力于解決與異常天氣、減少碳排放和現(xiàn)代城市傳染病傳播相關(guān)的問題。 

Ecokaku使用了各種類型的Cradle CFD模擬和實驗專業(yè)型，包括開發(fā)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(yīng)用于氣流模擬，以評估輻射劑量和流場分布。調(diào)整設(shè)計參數(shù)以滿足通過暴露于UV-C射線進行所需的病毒消除。

04

熱舒適性

人的熱舒適性是基于身體的熱平衡的函數(shù)評估，并受到各種參數(shù)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(jù)全球公認的ANSI/ASHRAE標(biāo)準55，熱舒適性公認為“對熱環(huán)境表示滿意并通過主觀評估的心理狀態(tài)”。

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

CFD模擬可以更容易地分析和優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境中的熱感覺，并發(fā)現(xiàn)可能的節(jié)能。到目前為止，由于與BIM數(shù)據(jù)的連通性差、學(xué)習(xí)周期長專業(yè)知識和大量計算時間等問題，CFD模擬在熱舒適設(shè)計中的應(yīng)用一直很少。

Shinryo Corporation提供空調(diào)系統(tǒng)，給排水系統(tǒng)以及其他工程服務(wù)。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(tǒng)的方法。這有助于將仿真時間縮短多達 50%。符合BIM標(biāo)準的一個關(guān)鍵功能包括數(shù)據(jù)傳輸、管理部件和組織設(shè)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(zhì)量網(wǎng)格生成。這為他們的工程師配備了優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)所需的設(shè)計工具。

在當(dāng)今的行業(yè)中，降低建筑能耗是一個關(guān)鍵問題，Cradle CFD 幫助 Shinryo 工程師設(shè)計了更高效的空調(diào)。

電子產(chǎn)品冷卻

05

如今，HVACR設(shè)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(dāng)務(wù)之急。避免電路板周圍潮濕也很重要.由于復(fù)雜性，幾何準備需要很長時間。同時確定結(jié)露量非常麻煩且很難。

松下公司是一家綜合電子公司，業(yè)務(wù)涉及家用電器，包括視聽設(shè)備，工業(yè)設(shè)備，IT工具，商業(yè)和家用產(chǎn)品以及能源/環(huán)境產(chǎn)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(chǎn)品開發(fā)過程中，使用Cradle CFD基于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的scSTREAM模塊進行熱流體分析，該團隊可以開發(fā)準確的溫度預(yù)測模型。他們可以在流程早期使用更少的原型對電子產(chǎn)品進行詳細的熱設(shè)計，從而顯著縮短開發(fā)周期。該團隊還使用軟件的高級物理功能在機箱內(nèi)進行粉塵擴散分析，并設(shè)計集塵離子系統(tǒng)。