開啟屋頂供熱機組熱潮

作者：Chait Johar，美國塔爾薩市AAON Inc.項目工程師

在設計新型屋頂供熱機組時，AAON工程師需要增加氣流，同時保持與此前設計方案相同的封裝。設計團隊采用ANSYS計算流體動力學（CFD）軟件計算了流經供熱機組的熱交換器中的氣流，并且迭代設計以滿足能效、氣流和熱傳遞的要求。與傳統設計方法相比，此項目采用仿真技術可以節約60~80個小時的實驗室工作。

AAON屋頂整體式機組集成了管式熱交換器和空氣處理系統，能夠實現商業和工業建筑的高效供熱。為了設計屋頂供熱機組所采用的管式熱交換器，工程師必須最大限度地提高管道中的熱氣與機柜中的空氣之間的傳熱遞。這樣能夠實現高水平的能源效率。此外，該機組還必須能夠承受環境中的使用條件，同時最大限度地降低成本與尺寸。

過去，設計過程需要構建原型并執行物理測量，如：測量傳送到機組中的氣流的熱量。在過去幾年中，AAON逐漸轉向采用前期仿真技術來優化氣流和熱傳遞，這些工作都在構建物理原型之前完成。仿真比構建和測試原型需要花費更少的時間，而且能夠提供更全面的診斷信息，從而使工程師能夠更快速地通過迭代獲得精心優化的設計。AAON工程師實現了物理空間、換氣和熱效率目標，同時節約了60~80個小時的手動實驗室工作。

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僅配備換熱管（8根管）和風機的機組框架

熱交換器設計挑戰

在設計新型屋頂機組時，工程師必須提高換氣能力，同事保持與前代產品相同的高效率和封裝。熱氣進入熱交換器，被分配到內部換熱管，然后從機組中排出。新鮮空氣進入機組為下一個燃燒循環提供氧氣。熱交換器的外殼將風機吹動的空氣流引導到換熱管。傳統設計方法依靠手冊公式和工程判斷，其通常關注熱氣體和流經機柜的冷卻空氣之間產生對流熱傳遞的表面區域。機組的傳熱能力與效率主要依賴于經過換熱管的氣流：氣流應當圍繞輸送熱氣的換熱管均勻分布。

構建測試法的主要局限是通常無法考慮流動幾何特性，因此必須在流經機組的氣流分布方面做出假設。由于傳統設計過程本身存在誤差，在完成初始概念設計之后，很快就需要在實驗室中構建原型并進行測試。上述過程需要大約8個工作日。在此階段，相關結果很難達到產品要求，因此工程團隊需要不斷開展構建和測試原型的迭代過程。工程師在換熱管外部放置熱電偶，用于準確測量原型的熱性能。但是它無法準確測量換熱管周圍的氣流，因此這些測試能夠提供的關于流型如何影響熱性能的診斷信息少之又少。

離心風機的軸向、徑向和切向矢量分量可通過物理測試確定。

"仿真比構建和測試原型需要花費更少的時間，而且能夠提供更全面的診斷信息，從而使工程師能夠更快速地通過迭代獲得精心優化的設計。"

ANSYS CFD 熱傳遞

仿真驅動設計過程

AAON在過去幾年中逐漸采用了新的方法，即工程師通過仿真技術能夠以更少的時間評估更多的設計迭代。仿真可以提供更多的診斷信息，而且可以快速迭代，直到獲得精心優化的設計方案。在設計新型RQA-B 屋頂機組時，工程師需要通過與現有機組相同封裝但是更高的機組來輸送更多熱量和空氣。新機組必須達到81%的能效并在所有銷售區域得到認證。

工程師創建了初始設計迭代，而且在ANSYS CFX計算流體動力學軟件中建立了機組模型。蒙大拿州立大學波茲曼分校的一名碩士生采用物理測試方法確定了不同離心風機尺寸和速度所產生的氣流的軸向、徑向和切向矢量分量，其中離心風機尺寸和速度是到風機旋轉軸的距離的函數。這些值可用作 CFD 模型中的邊界條件。壁面函數法可用于模擬更少單元數量的邊界層特征。在換熱管附近的流體域采用膨脹層可提供足夠精細的網格，進而準確捕獲此區域，該區域的氣流速度、壓力和溫度發生快速變化。尤為重要的是需要將網格的第一個節點布置在換熱管末端。基于被稱為y+的局部單元流速的無量綱距離可以確保此區域達到容許的仿真精度。由于本例采用了k-ε湍流模型，因此建議采用低于100的y+值。AAON工程師調整了網格，以確保y+低于100。

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機組橫截面的溫度顯示了空氣溫度在機柜下游升高。

AAON減少物理原型

仿真結果表明，初始設計的能效遠遠低于所要求的水平。此外，AAON工程師也創建了初始設計的原型，并且采用它來驗證仿真結果。AAON工程師從機柜和換熱管中的氣流與溫度分布可以看出，流經換熱管的大部分氣流并未與其接觸就流出出口。根據上述結果，AAON工程師在機柜中增加了擋板，以改變之前繞過換熱管的氣流的流向。利用仿真技術，他們能夠以數字方式探索不同擋板位置與幾何結構以及換熱管相對于薄板的不同位置。

每次仿真在單核上需要運行6~8個小時，因此AAON工程師在晚上下班時可以設置執行多次運行。他們目前采用4核計算機，從而把求解時間縮短到1.5~2個小時。工程師根據流動仿真結果迅速迭代出一款可以更高效地將空氣引導進機柜的設計方案。流經換熱管表面的空氣平均流速提高了近25%，而且以相同流速經過機柜時流經出口的溫度提高了好幾度。工程師構建了優化設計方案的原型，其結果與仿真結果非常匹配，能夠達到82%的能效。AAON目前正加大新型屋頂機組的生產并準備投放市場。AAON測試實驗室經理預計，在此項應用中，仿真技術節約了60~80個小時的物理實驗室工作，這意味著節約了大筆的成本。與采用構建測試法相比，仿真能實現更快的產品上市進程，進而提高營收。

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增加擋板的最終設計方案的流速圖顯示更多的空氣流經換熱管。