模拟软件在HVAC领域中的应用

1、 模拟软件在HVAC领域中的应用 主讲：尹志芳 2008.12.4v 模拟仿真技术在HVAC领域的兴起v 国内建筑能耗模拟软件的发展v 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v 现存的问题和未来的发展Introduction模拟仿真技术在HVACHVAC领域的兴起 v 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。v 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

2、围护结构的传热特性。v 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。v 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HVACHVAC领域的兴起v 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。v 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

3、国 清华大学的BTP和日本的HASP.模拟仿真技术在HVACHVAC领域的兴起v 进入90年代，模拟技术的研究重点逐渐从模拟建模 (simulation modeling)向应用模拟方法(simulation method )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HVACHVAC领域的兴起模拟仿真技术在模拟仿真技术在HVAC领域的兴起领域的兴起模拟软件在HVAC领域的发展阶段动

4、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模拟仿真技术在HVAC领域的应用领域的应用建筑能源管理和控制系统的设计建筑冷热负荷的计算室内气流分布模拟与分析建筑能耗特性的分析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v 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 EasyHVAC CAD。 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

5、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v 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(building thermal performance) 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

6、耗模拟仿真软件的发展v 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。v 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v 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

7、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 ？v Computational Fluid Dynamics（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。v 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热学计算机科学数值分析流体力学CFDCFD的产生及发展v1933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。v1974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

8、行模拟。v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v 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，Zonal model ,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

9、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 v 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v1）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GA

10、MBIT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v 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。用用Fluent模拟散流器上送上回房间的气流分布模拟散流器上送上回房间的气流分布v 在送风口风

11、速为3m/s时，研究整个 房间的气流分布情况v 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v 速度场与流线图v 通过分析可知道某点的气流分布v冷却塔大气羽流的扩散模拟vFluent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，

12、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v 2）airpark同样是Flu

13、ent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 .v 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 v 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

14、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v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

15、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v 4 ）ANSYS CFX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。v 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

16、境模拟软件建筑能耗模拟分析软件HAPDOE-2eQUESTESPDeSTEnergy PLUS软件建筑能耗模拟分析软件v 模拟建筑能耗的动态特性v 基本上都是采用LSPE (load system plant economic)法v 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v 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。v适用各类住宅和商业建筑。有

17、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v 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v 3) Energy Plus适用范围：多区域气流分析，太阳能 利用

18、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Energy Plus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system, plant的参数反馈迭代到room的下一个时间步长的计算。一些常用的空调系统类型和配置

19、已做成模块,包括双风道的定风量空气系统和变风量空气系统、单风道的定风量空气系统和变风量空气系统、组合式直接蒸发系统、热泵、辐射式供热和供冷系统、水环热泵、地源热泵等。建筑能耗模拟分析软件Energy Plus与DOE-2的比较DOE-2是现今世界上最为流行的建筑全能耗分析软件Energy Plus与它的主要区别如下表所示：建筑能耗模拟分析软件v 4) ESP-r 适用范围：可对影响建筑能源特性和环 境特性的因素做深入的评估。内置CAD绘图插件 可以直接导入CAD文件，HVAC系统的描述相当详 细，比较接近实际，可以得出整体性的评价，可 模拟和分析当前比较前沿或创新技术。但对专业 知识有较高的要

20、求。v 全工况模拟分析 建筑物全年四季处于不同的热状态 全年逐时性能的动态模拟分析 给出设计对象全年总体评价v 分阶段辅助设计 建筑模拟，计算建筑负荷和基础室温 建筑方案模拟，比较不同的建筑方案优劣，确定建筑方案 系统方案模拟，比较不同系统方案优劣，确定，系统方案 详细的系统设备模拟，盘管校核、冷站模拟等等，得到系统运行能耗建筑能耗模拟分析软件5) Dest图形化界面-AutoCAD用户界面-Windows各版本操作系统 完善的数据后处理-各种常用的数据统计-分项逐时数据报表v用于模拟暖通空调系统的能量特性和控制特性v建筑设备系统构成复杂多变,不同设备之间的组合 得到的效果相差甚远,为了最大限

21、度降低运行能耗 提高系统的运行效率,必须利用计算机模拟技术, 对系统进行优化设计和智能控制。v如HVACSIM+, TRNSYS等,它们以整个系统中各部件 为单元,按照各部件的压力、流动方程及质能平衡 等进行计算,因此这类软件适用于系统的控制分析 和控制器设计。建筑设备系统模拟软件建筑设备系统模拟软件v 1）HVACSIM+是模块化计算机仿真软件。其编写 的仿真程序由超级块，块，单元组成。内置了26 种常见的HVAC部件模型和控制模型。v它最突出的特点是，采用先进的变次序、变步长 积分法，并且程序允许不同的超级块在模拟过程 中使用不同的时间步长，如在大型建筑物的动态 模拟中，可以设置某个暖通系

22、统按秒来模拟，设 置整个建筑物按15分钟或小时来模拟。建筑设备系统模拟软件v 2）Matlab 最重要的特点是易于扩展，允许用户自 行建立指定功能的M文件 暖通空调的系统模拟主要 用到其中的simulink模块 但是如果直接从simulink 入手，建模比较困难， 一般使用其他建模软件 前期处理，如法国国家 科学研究院的商用软 件SIMBAD。SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在SIMULINK环境中利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分