使用仿真对暖通空调系统设计进行微调

你是不是经常会发现：你感到办公室很热，而你的同事却冷得在发抖？或者可能是反过来，你才是那个感到冷的人。这就像“一个杯子是半满还是半空”这个古老的问题一样，对环境温度的感知因人而异。为了确保建筑物内居住者的最大舒适度，供暖、通风和空调(HVAC)系统工程师可以通过多物理仿真精确评估室内气候条件。

凉爽的微风还是冰冷的气流？

从我们身边掠过的空气是凉爽的微风，还是冰冷的气流？这要看你问的是谁了……

Mika Maaspuro 专门从事建筑环境模拟工作，他使用仿真软件开发的一个模型揭示了影响人们舒适度的温度和气流的空间变化，即使在相对较小的房间里，他的模拟结果建议对房间里的暖通空调系统设计进行调整，以节约能源并能更好地适应个体需求。

理想的办公室温度因人而异。照片由 kate.sade 拍摄，来源Unsplash。

那么，这些需求是什么，首选的室内气候又怎样因人而异？我们认为理想的条件变化比我们想象的要多。“研究表明，大多数人认为最舒适的温度差异最高可达 6°C [10.8 °F]。”他解释道，“热感觉因人而异，男女不同，并且受一天中的时间以及我们身边空气运动的影响。”

例如，一个人在 22~23°C [71.6-73.4°F] 时感到温暖，实际上是不会注意到高达 0.4m/s 的空气速度，” Maaspuro 说道，”然而，在那个温度下已经感到寒冷的人对同样的微风会感到不适。”

智能建筑可以提供更精细的暖通空调系统设计

人体对空气温度和运动的高度敏感性使暖通空调系统设计成为一项永恒的挑战。通常，这些系统基于打开或关闭加热/冷却单元的单个温度传感器。“这种设计非常简单，但不太灵活或有效。” Maaspuro 说道。他的研究重点是开发能更好地调节室内环境的智能建筑系统。

虽然这些智能系统通常旨在提高建筑安全性、节约能源和降低成本，但它们也为室内气候的微调管理提供了潜力。“我们希望找到能让每个人都能在与他人共享的环境中感到舒适的技术解决方案。”Maaspuro 说道。

在 COMSOL Multiphysics^®中模拟共享办公空间

由于多种因素会影响人体感知气候条件，多物理场仿真可以帮助工程师精确定位对人类舒适度有很大影响的微小变化。在这个项目中，Maaspuro 使用 COMSOL Multiphysics® 软件模拟了一个他非常熟悉的小房间，房间结构是基于他在芬兰 Aalto 大学与他人共享的办公室设计的。

Mika Maaspuro 的 4mx5mx3.5m (高)办公室模型的剖视图。图像显示了模型的一半几何结构，由于对称性，在模拟中只考虑了一半。进风口和出风口安装在门上方左侧的墙上。加热装置安装在右边窗户下面的墙上。除了这里显示的桌子和椅子，实际的房间还包括靠近门的其他居住者的空间。房间由墙壁、地板和天花板包围，其热特性由典型的传热系数和热容量指定。

该模拟使用 COMSOL Multiphysics 中的事件接口创建，将固体和流体中的热传递与层流进行了耦合。即使在这个小型空间里，温度和气流条件也可能变化很大，因此该模型在多个位置设置了恒温器，其中一个靠近门，另一个靠近窗户下方的散热器。24 小时瞬态仿真跟踪每个恒温器位置的温度，以及由此产生的加热单元的开/关操作周期。这样， Maaspuro 就能够比较恒温器的放置如何影响局部温度，以及它对加热单元运行时间的影响。

太热？太冷？还是两者都有？

模拟揭示了温度变化和气流的整体模式，这有助于解释由此产生的局部条件。

24 小时内房间内的模拟温度(°C )。样本取自 zy 平面上 x=房间宽度四分之一处的切面。房间恒温器设置为 23℃。通风空气为 18℃，流量每人 6l/s (由于对称，总共 12l/s)。

与上述相同位置和相同条件下的气流速度。

如上图所示，最高温度出现在散热器前面的地板上，而沿着天花板的气流速度最高。安装在高处的通风口产生的空气流动将较冷的空气沿着天花板和窗户及散热器所在的墙壁向下推动。然后，这些空气会“吸收”散热器的热量，沿着地板流动，逐渐将热量释放到房间的较高部分。

这种循环过程在散热方面相当有效，但它确实会造成空间不整齐，影响人们舒适度。房间的角落明显比散热器附近的空间冷，最靠近门的空间也是如此。所以，坐在散热器附近的人可能会出汗，即使门口的人脚会感到冷。局部的模拟结果定量地描述了这种影响，并提出了后续办公室模型一半几何体的剖视图。

由位于门附近的单个恒温器控制的平均室温(左)和 24 小时内加热器开/关循环模式(右)的比较。

在关于一个房间是太冷还是太热的争论中，两个人可能都是正确的。在恒温器安装在门附近的模拟中，房间的平均温度波动相当大。当恒温器放在散热器旁边时，温度波动会减小，但最终的平均温度会更低。还要注意，当恒温器靠近散热器时，加热系统的开/关周期较短。这种快速的循环可能会令人讨厌——尤其是当系统反复开关时，居住者试图集中精力工作的时候。

24 小时内平均室温和开/关加热器循环模式的比较，外部空气流量增加到每人 12l/s(总计 24l/s)。左边的两个图是放置在门附近的恒温器，右边的图显示了散热器放置的结果。

以上结果显示了增加气流速度如何影响两个恒温器位置的整体温度和加热器循环。移动更大体积的空气使平均温度更接近，同时在整体趋势中产生更陡的波峰和波谷。无论恒温器位于何处，循环增加也会导致加热单元更快和更不整齐的开/关循环。

更多恒温器可能意味着更快乐的工作场所

从这些分析中可以得出什么结论？也许最明显的发现是，正如 Maaspuro 所说:“恒温器通常放置在散热器附近，但这可能是最糟糕的位置。” 如果传感器靠近加热器，则平均室温可能会更低。此外，简单地移动恒温器并不能完全解决问题，增加气流也不能。

解决方案是什么？“最好的方法不是非此即彼，而是两者兼而有之，”马斯波说道，“最有效的控制系统会采样两个位置的温度，然后计算平均温度。即通过减少整个房间的变化，使整体气候更加舒适。”

下一步

通过阅读 2020 年 COMSOL 用户年会上 Maaspuro 的演讲，了解更多关于此处讨论的研究的更多信息: