案例实战：CFD仿真助力建筑暖通及设备的方案设计（9月3日）

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了计算流体力学在建筑、暖通、洁净领域的应用。随着全球气候变暖，建筑节能成为必然趋势，绿色建筑的设计理念要求建筑环境设计人员充分优化建筑室内外气流组织，优化暖通空调系统布置方案。传统的设计方法偏重依赖于设计经验，而新场景、新工况下缺少经验数据，且验证方案合理性需要高成本、长周期的物模实验，愈加不能满足现代化暖通空调方案设计的要求。计算机仿真技术（如计算流体力学技术）作为一种新的技术手段，具有方案验证成本低、可视化程度高、项目实施周期短等优点，逐渐受到工程设计人员的关注并逐渐流行。计算流体力学在建筑环境、暖通空调、洁净系统设计中的应用越来越规范化，且该技术的使用逐渐被写入验收标准中。

一、写在前面

随着全球气候的变暖，世界各国对建筑节能的关注程度正日益增加。人们越来越认识到，建筑使用能源所产生的CO2是造成气候变暖的主要来源。节能建筑成为建筑发展的必然趋势，这就要求在建筑设计与暖通系统布置中充分利用太阳能，采用节能的建筑围护结构以及采暖和空调，减少采暖和空调的使用；根据自然通风的原理设置风冷系统，使建筑能够有效地利用夏季的主导风向；建筑采用适应当地气候条件的平面形式及总体布局。

绿色建筑的设计理念必然要求建筑环境设计人员需充分优化建筑室内外气流组织，优化暖通空调系统布置方案。但是传统的设计方法偏重依赖于设计经验，而新场景，新工况下缺少经验数据，且验证方案合理性需要高成本、长周期的物模实验，愈加不能满足现代化暖通空调方案设计的要求。

除了节能要求，室外环境还应考虑建筑排放对环境的影响，如厂房，电站排放物对下游空气环境的影响；有些特殊的室内场景还需考虑洁净度要求，比如手术室，高精密电子洁净厂房，除了暖通空调的要求外，还有以达成洁净度为目的的特殊要求，如工作面气流风速，风速均匀性，室内正负压要求等。面临建筑物排放评估及洁净室、洁净厂房的设计时，传统的设计方法也逐渐不能满足该系统的设计要求。

随着计算机技术的发展和算法的日益成熟，计算机仿真技术（如计算流体力学技术）作为一种新的技术手段，具有方案验证成本低，可视化程度高，项目实施周期短，日益受到工程设计人员的关注并逐渐流行，而且计算机仿真技术已经被写入绿色建筑设计标准，该技术在建筑环境、暖通空调、洁净系统设计中的应用越来越规范化，且该技术的使用逐渐被写入验收标准中。

二、计算流体力学助力优化建筑环境、暖通空调系统

建筑环境可分为建筑室外和室内热流环境两种类别，详细可分为：

• 室外气流速度分布、压力分布、阵风效应评估、建筑物表面压力分布等；
• 城市热岛效应
• 工业区的污染物扩散
  室内气流组织分布、温度分布、人体舒适性评价指标等

• 通风效率、空气龄、室内污染物扩散等

暖通空调系统设计可分为室内热流环境优化和暖通空调设备性能优化两种类别，室内热流环境优化与建筑环境的室内热流环境评价内容相同，暖通空调设备性能优化详细可分为：

• 管路内部气流组织优化：压力损失等
• 风机性能优化：P-Q性能，噪声性能等
• 换热器性能优化：换热（全热、显热）性能、阻力特性等

• 制冷设备整机的结霜、凝露等

scSTREAM是MSC旗下的建筑环境及暖通领域专用仿真模块，因独特的像素网格技术（无需几何修复）和独有的建筑专有模型（空调，散流器等），使其在建筑及暖通领域的市场占有率达60%以上，更一度成为国内最大建筑设计研究院设计体系的专有流体求解器。以下基于scSTREAM通过部分案例详细展示计算流体力学如何助力优化建筑环境、暖通空调系统。

1、不同路面情况对城市热岛效应的影响

将一个沥青/混凝土停车场改造成一个拥有绿色草坪和树木的公园，在有阳光照射的情况下，绿色草坪的地面温度降低20℃；绿色草坪上有树荫的情况下，地面温度可降低30℃。较低的地表温度和蒸腾作用也会降低空气温度。

本算例考虑了太阳辐射、植被的蒸腾作用。

表面温度（左：沥青/混凝土，右：植被）

1.5m处的空气温度（左：沥青/混凝土，右：植被）

我们引入“热岛潜力指数（HIP）”这一概念来评估热岛效应对环境空气温度的影响。HIP的引入是为了帮助量化城市热岛现象对建筑物和地面的影响。它是该区域内所有表面(包括建筑物和地面)产生的感热的百分比。

HIP =∫(Ts-Ta) ds/A

Ts:某小区域的表面温度（℃）；Ta：空气温度（℃）；ds:某小区域的面积[m2]；A:水平投影面积[m2]

1.5m处的空气温度和风速（由于有效通风产生的散热）

算例结论：控制热岛现象是城市发展和环境维护的关键。这种现象可以通过分析模拟来评估地面、树木覆盖率以及气流的影响。当空气流动不顺畅时，无法有效散热，这导致温度上升。scSTREAM使工程师能够在大尺度范围内可视化热流分布，基于该技术工程师可评估城市热岛现象对当地温度的影响。

2、工厂及冷却塔排放物扩散分析

在特定风环境下，分析一定浓度排放物的对流扩散情况。算例中工厂有四个冷却塔向外排放热量及水蒸气组分；借助CFD工具计算扩散组分的对流及扩散以得到浓度分布，以期评估污染物或水蒸气排放对周围环境的影响。

仿真模型

风条件：风向为西风；乡村地貌；进口风速对数率分布

风条件

流动边界条件：烟囱风速1m/s；160℃；蒸汽浓度0.01

左图为热条件，右图为流动条件：冷却塔

结果分析：

流线分布

采用scSTREAM进行流动及污染物分布模拟，展示了从冷却塔及烟囱的排放情况，特别是排放物中包含的扩散组分分布。这类仿真能够评估不同风环境下工业活动对环境的影响。

3、基于人体舒适性模型的辐射制冷空调系统优化--By Takenaka Corporation and Waseda University

辐射制冷空调系统介绍

解析模型及条件：夏季工况的办公室，使用空调系统通风及空气参数调节。考虑办公室内灯具，设备，人体的发热。调整循环风量和送风温度以满足人体舒适性指标的要求。

实验及结论：采用热力学人体模型测量其显热损失，3号系统的冷却效果最为显著，且3号系统从个人出风单元到达人体的空气温度最低，与scSTREAM仿真结果一致。

4、全热交换器热湿交换仿真

全热交换器是一种高效节能的热回收装置，通过回收排气中的余热对引入空调系统的新风进行预热或预冷，在新风进入室内或空调机组的表冷器进行热湿处理之前，降低(增加)新风焓值。

夏季工况：

室外：干球35℃/湿球28℃、风速3.38m/s；室内：干球27℃/湿球19.5℃、风速3.38m/s

通过用户自定义函数（UDF）定义全热交换纸张的传湿速率，通过CFD软件根据全热交换通道内的气流参数分布计算出实际情况下的湿度交换量。

通风50s后通道内的温度分布

通风50s后通道内的湿度分布

采用UDF函数定义全热交换纸张的传湿速率，根据实际的边界条件，借助CFD手段计算全热交换通道内实际流动情况，进而可计算得出实际边界条件下的通道内热湿交换情况。采用该技术可计算不同设计方案的热湿交换效率，根据热力学参数分布，进而可进行结构优化。

5、计算流体力学助力洁净室/厂房气流组织优化

2.1 洁净室气流组织及颗粒分布分析

按照使用用途分类洁净室分为电子洁净室和医学洁净室等。无论哪一种洁净室，气流组织都非常重要，其直接影响空气品质，室内污染物的传播等。以下取打喷嚏时无任何防护措施，用手或者手肘挡住以及带口罩这3种场景下喷嚏颗粒在空气中的传播。根据1μm喷嚏粒径特性，同时考虑鼻涕与空气的相互影响，最终得出人打喷嚏后飞沫的运动轨迹：

不同场景下喷嚏颗粒的传播

采用相同的技术，可模拟洁净室内不同气流组织下颗粒物在室内的分布情况。

颗粒物在方舱间室内的传播分析

四、写在最后

建筑环境、暖通空调与洁净系统的设计与优化过程中，在学科理论和物理现象方面有一定的关联性，如建筑环境与暖通空调的设计相互影响，彼此制约与配合，暖通空调设计中涉及的气流组织分布也是建筑环境室内气流参数分布考察的一部分；暖通空调设备的性能参数也直接影响室内环境品质，设备性能诸如噪声，风量，风速均匀性，全热交换效率，结霜凝露造成的热阻等，暖通空调设备的性能改善能够大幅度提升建筑环境和暖通空调领域中方案的品质，建筑环境与暖通空调方案的品质要求又进一步要求暖通空调设备性能的提升。

随着建筑、暖通、洁净领域的设计对能耗、效率、舒适性的要求越来越高，传统的设计经验加物模实验的方式越来越不能满足快节奏、高品质的要求。计算流体力学具有成本低，周期短，可视化程度高等优点，能够大幅度助力建筑、暖通、洁净领域的设计过程，大大提高建筑、暖通、洁净领域的设计水平。

MSC 的计算流体力学工具（Cradle scSTREAM）功能全面，具有全面的流动、传热、化学反应、噪声、传质、光学等物理模型，且在建筑、暖通、洁净领域开发了专有模块，如空调模型、散流器模型等，大大简化了仿真流程。其优化的像素网格技术更是对几何模型高度容错，几乎不需要几何修复直接劈分网格，大大缩短了工程实施周期。MSC 的计算流体力学工具能够全面助力建筑环境、暖通空调与洁净系统的设计与优化过程。

2020年9月3日20时，我们邀请MSC原厂CFD高级工程师，仿真秀专栏作者-吸碍浮弟公开直播《案例实战：CFD技术助力建筑暖通设备方案设计》，以下是课程安排，点击下图即可观看。