看不到的奇迹:采暖、降温和融雪

Viega 公司使用仿真 App 与客户分享有限元仿真结果,在设计住宅和商业项目的辐射采暖和降温系统时,为客户提供了宝贵的工程支持。


作者 Nicolas Huc
2019 年 7 月

紧急救援人员每天都要与时间展开竞争:救援过程必须争分夺秒,他们在驾驶救护车或紧急救援直升机时,可能会出现惊慌、紧张的情绪,导致肾上腺素激增,行动仓促。想象一下应急救援人员可能遇到的一种情形:他们在严冬时节到达救援现场,却发现直升机着陆区被冰雪覆盖。时间如此紧迫,能否将这个区域的冰雪迅速铲除?应急车辆在冰上打滑怎么办?在这类极寒条件下开展救援工作,风险会非常高,冒险展开救援是否值得?

A photograph of an emergency helicopter hangar covered in snow. Emergency helicopter hangar
图 1 装有 Viega 公司融雪系统的停机坪上的紧急救援直升机机库。

幸运的是,有一种技 术可以避免此类问题的发生,而且其应用正变得越来越广泛,这就是液体循环加热融雪系统。地面 (通常是混凝土)中埋有管道,温水可以通过管道在整个需要融雪的区域中循环。考虑到紧急救援情况,工程师可以通过适当的设计,使融雪系统起到防止冰雪堆积、减少人工清理的作用。

根据具体的应用场景,这种辐射地板系统有不同的作用,可以用于采暖或者降温等不同用途。系统采用的管道设计都是类似的:地板下方铺设有管道,调节管道中水的流量和温度,就可以控制空间的温度和舒适度(图 2)。

An image showing radiant tubing in a climate panel. Climate panel
An image showing radiant tubing in concrete. Concrete
图 2 环境面板中的辐射管(左);混凝土中的辐射管(右)。

Viega 公司是一家设计和制造辐射采暖系统的公司,擅长帮助客户解决那些需要特殊温度控制的情况。

辐射地板系统

早在罗马帝国时代,辐射系统就已经出现,并且具有多种存在形式。如今研究人员发现,辐射系统也可以在现代社会的商业建筑和住宅中大显身手。辐射加热不仅可以用于加热地板,还可以控制房间的温度。地板保持温暖的温度时,会向房间内释放热辐射。这种辐射只会被不透明的表面吸收,即它会被我们的身体(而不是空气)吸收,从而让我们感觉到温暖。

Viega 公司的工程师们设计了一种特定的管道铺设结构,然后将管道按照设计铺设到地板下面。热水(如果用来冷却,则为冷水)穿过管道并对周围的材料进行加热,热量最终通过地板表面热辐射到房间的其他位置。这就像我们从树荫下走到阳光下,虽然空气温度相同,但由于身体在阳光下能够吸收热辐射,因此会感觉更温暖。管道由交联高密度聚核乙烯(通常称为 PEX)制成。交联聚乙烯有两个优点:不仅能够承受更高的温度和压力,而且不易因形变而破裂。这些管道都经过了严格的检验,在符合温度和压力等级的标准下,设计人员可以将弯曲半径和管壁厚度尽量降到最小。

在建筑设计的最前沿领域,环境意识和能源效率近年来颇受关注,这极大地促进了辐射采暖系统的应用。辐射采暖系统可以与现代化高效锅炉配合使用。由于辐射系统不使用空气循环,而使用比普通采暖系统更低的水温(—45 °C vs. —82 °C),因此具有更高的能量利用率。采用辐射采暖系统,仅需要开关阀门,就可以轻松控制管道中的水温,甚至可以在整个房间内产生更恒定的温度。

系统设计

Brett Austin 是 Viega 公司加热和制冷设计部主管 ,他使用COMSOL Multiphysics® 仿真软件来设计系统,以满足客户的需求。“COMSOL 多物理场仿真软件让我们能够开展加热和制冷的设计,并选择管道的排布方式。”Austin 说,“我们根据地板平面结构绘制管道排布方案,然后导入 COMSOL 多物理场仿真软件中,并实现与客户的共享。仿真工作能够提供工程数据来支持我们的设计。”项目开始时,机械工程师会先到现场明确各方面的要求,包括加热和制冷输出结果、建筑结构、地板材料以及可接受的水温等。之后,团队使用仿真来确定管道的铺设位置、间距,以及地板的温度分布情况(图 3),以确保满足客户的需求。Austin 补充说:“对于具有多向输出或结构复杂的非标准应用设计,COMSOL 多物理场仿真软件尤其有用。”

A cross-sectional plot of the temperature distribution in a radiant heating system design. Temperature distribution
图 3 辐射加热系统的横截面温度分布。箭头指示了热通量的传导方向,表示传递到地板上表面以及地板上的空气中的热量比率。温度单位为 °F。图注:Concrete - 混凝土; Polystyrene - 聚苯乙烯; Damp soil - 潮湿土壤; PEX tubing with running water - 用于水循环的 PEX 管道

多物理场仿真技术使 Viega 公司受益颇多 。研究人员使用仿真 App 和 COMSOL Server™ 产品,可以与客户共享仿真结果。当团队人员与客户会面时,他们可以快速调整参数,如水温或管道直径,并在现场显示加热或冷却系统的使用效果。Austin 解释道:“客户经常会针对最初提出的问题进行多次修改,仿真 App 使我们能够跨越这些问题,直接为客户提供宝贵的可视化服务。它是一个很棒的工具,我们可以将结果共享给世界上任何地方的客户。”

阿纳海姆地区交通联运中心

在南加州地区,较低的温度会让人感觉更舒适。这就是阿纳海姆地区交通联运中心(ARTIC,图 4)的工作人员来到 Viega 公司,并希望安装辐射地板(降温)系统的原因。由于建筑物规模庞大,使用空气循环冷却系统几乎不可能实现期望的效果,而且维持系统运行需要的高昂费用更是令人望而却步。Austin 的团队承担了这项任务。他们先对一块较小的地板区域进行建模,然后再将结果推广到整个建筑。然而,Austin 认为这种仿真方式会增加一些额外的困难,建筑物吸收的热量与制冷输出必须达到非常好的平衡。由于建筑物的圆顶装有大量的窗户(图 5),有利于吸收太阳能,为建筑物增加大量的热能,因此辐射地板系统的冷却能力必须非常高才能抵消这些热量。ARTIC 的工程师还遇到另一项挑战,即管道中的水温必须低于常规冷却系统中的水温(—10°C vs. —14°C)。但是,由于某些区域的管道间距很小,使得该区域的温度接近地板表面的露点温度,因此可能会造成地板表面水汽凝结,从而给用户带来不便。Viega 的研究团队希望能够避免出现这样的情况。

A photograph of the Anaheim Regional Transportation Intermodal Center (ARTIC). ARTIC
图 4 阿纳海姆地区交通联运中心(ARTIC)。
A photograph of the radiant heating system being installed at ARTIC. Installation
A photograph of the end result for the radiant heating system at ARTIC. End result
图 5 ARTIC 在铺设地板之前先安装了辐射冷却系统(上);ARTIC 内部地面的最终外观(下)。

借助 COMSOL 多物理场仿真软件,团队找到了防止出现冷凝的方案:在管道周围安装一层薄薄的隔热层。“我们与现场 工程师一起制定了一个解决方案,在供应管顶部添加一层隔热材料,可以缓解系统产生的低温影响,”Austin 说,“这听起来似乎违反常识。但在这一案例中,由于施工限制,某些区域的管道距离非常近,这样做可以防止这些区域发生冷凝。”在此基础上,他们还使用 COMSOL 多物理场仿真软件进行了瞬态仿真,用来研发一种制冷控制方案:用整晚的时间冷却地板上的板坯并使其保持低温。在夜间,冷冻水在管道内流动,冷却混凝土。到了早晨,水流被关闭,地板仍然能够在一天中保持凉爽。该方案有助于减少必要的制冷能耗。研究人员通过仿真来确认地板的低温状态能持续多长时间,以及这种策略是否可行。

太阳谷滑雪度假村

作为保证紧急入口和直升机升降坪安全的关键因素,融雪系统不仅可以在紧急救援方面大显身手,还可以应用到另一个完全不同的领域:奢侈生活享受。高端滑雪场极其重视客户的舒适度,复杂且可靠的融雪系统对他们的体验至关重要。装有融雪系统的地面会保持温暖的温度,不断地将冰雪融化。

当爱达荷州凯彻姆的太阳谷滑雪场的工作人员来到 Viega 公司时,Austin才知道他们即将面临的任务是多么艰巨。客户希望在整个度假村安装一个辐射融雪系统,覆盖超过 60,000 平方英尺(约合 6600 平方米)的步行区和车道。为了利用仿真来处理这样一个大型项目,Austin 和他的团队必须对系统的各个部分进行模拟。“幸运的是,大部分仿真工作使用的面板模型都是相似的”他解释道,“我们使用内嵌程序将不同部分绘制成 CAD 格式,然后选取其中一小片,指定辐射面板材料属性和水温,再运行仿真计算。”团队人员利用仿真 App 直观地将结果展现给滑雪场的工作人员。仿真 App 在这项工作的完成过程中发挥了重要作用。

A photograph of tubing being installed at Sun Valley Ski Resort. Tubing installation
图 6 爱达荷州太阳谷滑雪场铺设的管道。

借助 Viega 公司的设计和安装,太阳谷滑雪场获益匪浅。滑雪场内的所有道路和高人流量区域都安装了融雪系统(图 6)。铲除这些区域的雪有时并不可行,因此需要另一种除雪方法。融雪系统可以最大限度地减少清理、降低维护,并且由于融雪过程不需要加入盐或化学品,因此有助于保持滑雪场的专业形象。最重要的是,由于“无冰”区域的存在,滑雪场变得更安全,不利因素也得以减少。

使用 COMSOL Server™

COMSOL Server™ 为 Viega 公司提供了一个强大的解决方案,使销售团队可以将公司的服务内容直观地展示给客户。“COMSOL 多物理场仿真软件为我们的工作提供了很多额外的价值,销售团队也可以使用有限元模拟的结果。”Austin 说,“这种展示方式非常直观,软件也很容易使用。我们计划在未来使用更多耦合物理场接口来增强建模能力。”

A photograph of four members of the Viega design team. Viega
Viega 公司的研究团队。从左到右:Liam Collins,辐射设计助理工程师;Travis Simoneau,辐射设计助理工程师;Josef Marcum,辐射设计工程师;Brett Austin,加热和制冷设计部主管。

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