Viega Designs Radiant Heating and Cooling Systems with Simulation

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？

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）。

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。”

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。

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。

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。”