通过模拟进行微调HVAC系统设计

2021年6月23日

即使您的同事在发抖,您也经常发现您的办公室太热了吗?也许这是相反的方式,而您是寒冷的。就像一个古老的问题是玻璃是一半全部还是半空的问题一样,环境温度的感知因人而异。为了确保建筑物的乘员之间的最大舒适度,供暖,通风和空调(HVAC)系统工程师可以通过多物理模拟精确评估室内气候条件。

微风或冰冷的草稿?这取决于…

那个空气是微风或冰冷的吃水还是冰冷的?这取决于您问谁...

由Mika Maaspuro开发的模型,专门研究与建筑环境有关的模拟,揭示了即使在相对较小的房间中,也会影响人们舒适的温度和气流变化。这些结果表明对HVAC系统设计的调整可以节省能源并更好地满足个人气候需求。

一个办公室的照片,上面有两排绿松石色的隔间和空的黑色办公椅。
理想的办公温度因人而异。kate.sade的照片Unplash

这些需求是什么,偏爱的室内气候与人之间有何不同?我们认为理想的条件比您预期的要多。Maaspuro说:“研究表明,大多数人认为最舒适的温度的范围高达6°C [10.8°F]。”他解释说:“热感知因人而异,从男人到女人各不相同,受到一天中的时间以及空气在我们身体中的运动影响。”

Maaspuro说:“例如,一个在22–23°C [71.6–73.4°F]中感到温暖的人不会真正注意到高达0.4 m/s的空气速度。”“然而,一个已经在这种温度下感到寒冷的人会发现同样的微风是不愉快的选秀。”

智能建筑物可以提供更精细的HVAC系统设计

我们对空气温度和移动的急性敏感性使HVAC系统设计一个永久的挑战。通常,这些系统基于单个温度传感器,该温度传感器开关或关闭加热/冷却单元。Maaspuro说:“这很简单,但不是很灵活或高效。”他的研究重点是更好地调节室内环境的智能建筑系统的开发。

尽管这些系统通常旨在提高建筑安全,节省能源并降低成本,但它们还为室内气候进行微调管理提供了潜力。Maaspuro说:“我们希望找到技术解决方案,使每个人都能在与他人分享的气候中感到舒适。”

模拟ComsolMultiphysics®中的共享办公空间

由于多个因素塑造了感知到的气候条件,因此多物理模拟可以帮助查明对人类舒适感产生重大影响的微小变化。对于这个项目,Maaspuro使用ComsolMultiphysics®软件来建模他非常熟悉的小房间,因为它是基于他在芬兰Aalto University与他人共享的办公室。

办公模型的几何形状的一半景观。
Mika Maaspuro的4 m x 5 m x 3.5 m(高度)办公室型号的剖视图。图像显示了模型几何形状的一半,并且由于对称性引起的模拟中仅考虑一半。进气口和出口通风口安装在左门上方的墙壁上。加热单元安装在右下方窗户下方的墙壁上。除了这里显示的桌子和椅子外,实际的房间还包括靠近门的其他乘员的空间。房间被墙壁,地板和天花板封闭,其热特性由典型的传热系数和热容量指定。

模拟夫妇在固体,流体和层流中的传热,并使用事件界面在comsol多物理学中。即使在这个中等小的空间中,温度和气流条件也可能变化很大,因此该模型包括在多个位置的恒温器,包括门附近的一个和窗户下方的散热器附近的恒温器。时间依赖的24小时仿真跟踪每个恒温器位置的温度,也跟踪了加热单元的开/关操作周期。这使Maaspuro能够比较恒温器位置如何影响局部温度及其对加热单元运行时的影响。

太热?太冷?或两者?

模拟揭示了温度变化和气流的总体模式,这有助于解释所得的局部条件。

在24小时内,在房间中模拟温度(°C)。样品取自zy- 平面X=房间宽度/4。房间恒温器设置为23°C。通风空气为18°C,每人6 l/s(由于对称性引起的总计12L/s)。

在同一位置和与上述相同条件下的气流速度。

如上所示,在散热器前面的地板上发现了最高温度,而气流速度沿天花板则最高。由高架通风口引起的空气运动可将较冷的空气沿着天花板和窗户和散热器所在的墙壁推向。然后,此空气“捡起”散热器的热量并沿着地板流动,逐渐将热量释放到房间的较高部分。

这种周期性过程在分发热量方面相当有效,但确实会产生空间不规则性,从而影响人们的舒适性。房间的拐角比散热器附近的空间要冷,最接近门的空间。坐在散热器附近的人可能会出汗,即使门附近的人脚寒冷。局部仿真结果量化了此效果,并建议下一步。

线图绘制了comsol多物理学中小办公室中的平均温度。
线图在HVAC系统设计中绘制ON/OFF加热器循环模式。

比较24小时(右)(右)的平均室温(左)和关闭加热器骑自行车图案的比较,由位于门附近的单个恒温器控制。

关于房间是否太冷还是太热的争议,两个人都可能是正确的。在恒温器安装在门附近的模拟中,房间的平均温度相当大。当通过散热器放置恒温器时,温度波动会降低,但所得的平均温度会更冷。另请注意,当恒温器靠近散热器时,加热系统的开/关周期较短。这种快速的骑自行车可能会很烦人 - 特别是如果乘员试图在系统反复打开和关闭时专注于他们的工作!

一组4个地块,比较了平均室温和加热器骑自行车图案,该办公室显示了一个带有恒温器左门的恒温器和右侧的散热器。
在24小时内的平均室温和开/关加热器循环模式的比较,外部气流量增加到每人12 l/s(总计24 L/s)。左侧的两个图是放置在门附近的恒温器,右侧的图显示了散热器放置的结果。

上面的结果表明,增加气流速率如何影响两个恒温器​​位置的总温度和加热器周期。移动大量的空气会使平均温度更接近,同时在整体趋势中产生陡峭的峰值和谷。循环增加还会导致加热单元的更快和不规则的内/关闭周期,无论恒温器的位置如何。

更多的恒温器可能意味着一个更快乐的工作场所

从这些分析中可以得出哪些结论?也许最清楚的发现是,正如Maaspuro所说:“恒温器通常位于散热器附近,但这可能是最糟糕的位置。”如果传感器接近加热器,则平均室温可能会较低。另外,只需移动恒温器并不能完全解决问题,也不会增加气流。

解决方案?Maaspuro说:“最好的方法不是/或 - 两者都是。”“最有效的控制系统将在两个位置采样温度,然后计算平均温度。通过减少整个房间的变化,这将使整体气候更加舒适。”

下一步

通过阅读Maaspuro 2020 Comsol会议的演讲,了解有关此处讨论的研究的更多信息:乐动滚球app下载


评论(3)

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伊瓦尔·凯尔伯格(Ivar Kjelberg)
伊瓦尔·凯尔伯格(Ivar Kjelberg)
2021年6月25日

精美而有趣的演讲。

现在,我的经验是,我们人类的“舒适”感觉也很大程度上取决于辐射交换,我相信我们中的许多人也对皮肤向外部T温度的辐射交换非常敏感(毛衣,或墙壁或外面的深天空)甚至是“冷”或热“空气”的草稿。
因此,人们可以在房间里的人们周围的墙壁,地板,天花板区域上添加一些表面 +热隔离处理,从而使这些表面与空气有效交换并参与以提供正辐射环境,并且很容易添加辐射交换comsolMultiphysics®HT模型。

艾伦·佩特里洛(Alan Petrillo)
艾伦·佩特里洛(Alan Petrillo)
2021年6月28日

谢谢伊瓦尔(Ivar)的阅读和周到的建议!

伊瓦尔·凯尔伯格(Ivar Kjelberg)
伊瓦尔·凯尔伯格(Ivar Kjelberg)
2021年7月8日

再一次问好,
好吧,这里还有更多,一件事是空中交流期间的热量,尤其是对于我们的冬季,或那些在周围空气外潮湿的人。为此,它是在相当多前的一个项目中提出的,要有几个入口 - 插座,在同时进行交流和工作以交换空气,同时嵌入了热交换器(即多孔的宠物塑料块)这样保持一些热量或冷驱动。然后定期逆转操作,以重复使用热交换器块的热 / shill。
然后,我们遇到了露点,冻结等所有问题。现在所有这些都可以在comsol中获得,这对于此类分析确实有效。
仍然是一个不错的模型并不是一个有效的产品,可以将其推向市场

玩得开心
真挚地
伊瓦

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