初创企业如何使用 Simcenter 工程服务和 Simcenter STAR-CCM+ 开发一种可降低能源成本的热泵

不再是“令人痛心的遗憾”

美国家庭大多使用炉子或锅炉供暖，一小部分家庭使用热泵，这些热泵使用能源（通常是电力）将环境热量从室外传递到室内。高效炉和锅炉系统仍然成本高昂，需要较低的加热温度以保持高能效；在高热负荷工况下，能效通常会下降。电热泵已问世多年，但由于在寒冷气候下性能表现不佳，并未得到广泛采用。在最需要热量的低温工况下能效会降低，这时需要补充燃料或电阻加热，而这可能会导致成本上升。

空调 (A/C) 是将热量从较冷的环境传递到较热环境的热泵。绝大多数 A/C 系统采用的是蒸汽压缩循环，并安装少量吸收系统，其电力消耗占家庭用电量的最大比重（22%）。A/C 系统主要为电力驱动，运行期在夏季月份，也就是在电力供应最少和电费最昂贵的时候需要用电。蒸汽压缩系统还需使用制冷剂，这会牵涉各种环境问题，包括臭氧消耗和温室效应。

ThermoLift 创立于 2012 年初，最初的想法缘起于其他企业的朋友和同事彼得·霍夫鲍尔博士 (Dr. Peter Hofbauer) 和保罗·施瓦茨 (Paul Schwartz) 之间的一次对话。两人当时在讨论一种可以改变建筑物能耗方式的暖通 (HVAC) 技术。霍夫鲍尔感叹道，“这项技术没有得到开发，真是令人痛心的遗憾啊。这是施瓦茨开始在纽约长岛地下室着手创业的催化剂，随即进入业务开拓阶段，以确定创建 ThermoLift 的种子资本。

如今，ThermoLift 坐落在纽约州立大学石溪分校的先进能源中心，它旗下拥有 20 名全职员工，目前已筹集了近 2000 万美元的资金。其中包括来自美国能源部 (DOE) 和纽约州能源研究与发展局 (NYSERDA) 的注资拨款。ThermoLift 系统是一种天然气驱动的空调和热泵，可用一台设备替代建筑物的供暖、制冷和热水系统。该设备与 Vuilleumier 热泵 (VHP) 有关，但使用的是改良型循环 TC-Cycle™，它进一步增强了相较于 VHP 的优势，有效降低了建筑物供暖和制冷能耗成本和温室气体排放。

图 2：ThermoLift 创新 1.0 代热泵。

Vuilleumier 热泵

ThermoLift 技术源于 VHP，一种直接耦合到热泵的热机。VHP 在封闭系统内的三个腔室之间移动工作气体（例如氦气）。在 VHP 中，两个曲柄同步的置换器在一个气缸内往复运动，继而在独立的热室、温室和冷室之间移动工作气体。热力学循环通过使气体膨胀并在冷室中产生冷温以达到制冷功效。来自热压缩和热端燃料热压缩（或太阳能收集）的能量在温室中提供暖温，可用于空间加热和/或热水供应。ThermoLift 设备不同于 VHP，置换器通过机电一体化进行独立控制，可优化控制置换器运动和热力学循环。

即使在较低的环境温度下，冷室和环境之间产生的温差可从环境中提取热量，给空间加热和热水加热。ThermoLift 热泵是一种相当有效的热能捕获方式，与传统热泵恰恰相反；传统热泵使用电力，即从热能中产生的高质量能量来产生热量，一种低质量的能量。ThermoLift 泵仅使用热量，避免了传统压缩机热泵系统在转换、分配和相变中发生的能量损失

ThermoLift 热泵使用 TC-Cycle 并结合多项创新，以降本增效。该系统的第一代原型现已投入设计、制造和测试。它融合了超低排放燃烧炉、可提高循环能效的电子控制执行器和新型热交换机等一系列创新成果。凭借这些改进，新一代 VHP 设备有望超越目前一流的 HVAC 和生活热水 (DHW) 设备，显著提高热力学过程的运营效率，同时做到降本减排

图 4：临界热传导监测器的时程图。

第一代构建测试和数据

ThermoLift 现已构建并测试了三代 TC-Cycle 原型，纳入先前 DOE 和 NYSERDA 资助计划。ThermoLift 第 1.0 代 (Gen) 开发着重于设计机电驱动器，作为曲柄同步 VHP 的替代选择，后者存在成本和耐用性问题，且因对置换器运动的有限控制，影响了系统热力特性。ThermoLift 利用从 Gen 1.0 中提炼的知识，完成了 Gen 2.0 原型开发，并于 2016 年 10 月面向橡树岭国家实验室 (ORNL)/国家可再生能源实验室 (NREL) 代表完成了演示。2018 年 8 月，ORNL 成功完成了 ThermoLift Gen 3.0 原型测试。

Gen 2.0 单位数据质量和可靠性的优化有效促升了仿真和性能。2017 年 7 月，ThermoLift 树立了一项重要的技术里程碑，即置换器软着陆，它们实现了端到端往，消除了机器噪音，实现了可靠和连续的运行时间（超过 10 小时）。ThermoLift 在 2018 年组装多个 Gen 3.0 原型，并在实验室和 alpha 演示中呈现出高保真性能。

扩展到仿真驱动型设计流程

2016 年，ThermoLift 开始携手 Siemens Digital Industries Software 达成合作，将业务扩展到仿真驱动型设计流程。在开发像 ThermoLift 这样的创新技术时，若完全依赖实验测试数据，早期的原型开发成本可能会相当昂贵。在早期开发阶段，要评估诸多概念设计，通常需测试各种不同的基本设想。构建和测试这类原型可能会给初创公司带来重大风险。它需要对资源和设备进行重金投资，但回报却尚不明确。

仿真提供了快速且经济高效的解法。在制造原型之前，可评估多种设计概念及其关键性能指标，弃用性能欠佳的设计方案。

设计和仿真复杂系统可能成本高昂又难以搞定。全球各地的工程师都参照 V-Cycle（图 2）进行数字化产品开发。该创想在设计流程中体现出程度不一的细节和复杂性，涵盖从整体概念和模块到单个组件。首先要说的是系统的广阔概念设计。整个系统由多模块构成，例如热交换机、蓄热器和置换器。最细致的级别是组件级别，涉及到喷嘴、孔口或热交换机翅片等小组件的设计。

在此过程中，设计是自上而下的；从基本布局到模块和组件设计。当对组件和模块执行验证和优化时，使用仿真的验证过程会反向操作，行之有效地完善整个系统。换言之，若是构成系统的模块工作做得更好，那么整个系统就会打造得更好。

ThermoLift 和 Simcenter™ 工程服务正是采用这种做法，显著缩短了开发时间，也大大节省了原型制作成本。直到 2016 年，ThermoLift 开发团队已对其独特的热力学循环执行了广泛的一维仿真。问题是如何以全三维方式预测物理过程。ThermoLift 热泵的关键模块之一是热交换机。这是化石燃料能量进入系统的唯一子系统，对于实现高能效很关键。

可传递到内部氦气的热量越多，整体能效越高（图 1）。全面了解物理原理和从燃烧炉到热氦气侧的能量路径，捕获燃烧、辐射、对流和共轭热传导，这方面至关重要。此外，往复式热置换器引入一个移动域，这需要对更大规模的高性能计算资源执行瞬态分析。寻找一种仿真解决方案，以仿真带移动域的复杂物理场，这无疑是一项挑战，而Simcenter 工程服务团队使用 Simcenter STAR-CCM+™ 软件（一款 Simcenter 组合产品）提供了对症解决方案。Simcenter STAR-CCM+ 是一款一体化解决方案，可在单一集成式用户界面中执行准确高效的多学科仿真。

图 5：辐射热通量分布和流线。

瞬态热交换机分析

该分析主要旨在详细了解从燃烧炉到热氦气侧的热传导。这需要对燃烧炉室中的辐射、对流和传导、热氦室内的热交换机以及往复置换器的运动执行建模。基于原生 Pro/E® 软件计算机辅助设计 (CAD) 数据构建了共轭热传导计算流体力学 (CFD) 模型。采用 STAR-CCM+ 独特的 Simcenter 重叠网格技术对往复式置换器运动执行建模。对各种热传导模式执行建模，将所有流体视为理想气体。来自一维仿真的循环边界条件应用于氦气出口，热管热交换机连接到第一蓄热室级。

系统中存在瞬态和稳定过程的组合。燃烧炉提供恒定的热量，但进入氦气的热传导是由往复式置换器驱动的循环过程。随着系统升温，最终达到准稳态，其中热传导在各个重复循环中保持平衡。这需要执行长时间的瞬态仿真，作为该合作项目的一部分，Siemens Digital Industries Software 的高性能计算机集群完成了仿真任务。图 4 显示从燃烧炉到氦气的关键组件接口之间热传导的时间历史。经过 15 到 20 个周期循环后，热传导变为循环传递，由此得出周期平均性能数据。这些数据可预测关键性能指标，例如热交换机能效和热损失，合理评估 Gen 2 设计。

图 5 显示置换器下移时机器内部废气和氦气的体渲染温度分布。图 6 显示面向燃烧炉的热交换机上的边界辐射热通量分布。流线显示从燃烧炉通过按温度着色的螺旋通道设计的废气路径，深入洞察气体在热感热交换机中失去温度的位置。

图 6：废气和氦气的体渲染温度分布。

与 Simcenter 工程服务团队携手合作

Simcenter工程服务团队进行的瞬态热交换机分析结果帮助 ThermoLift 设计团队确定了关键性能数据，理清了问题和原因：

• 废气排出热交换机时温度过高。这导致了一个预燃加热器将多余的热量回收到系统中

• 传递进氦气的总热量太低，无法满足性能目标。现已开发出一种更复杂的管式热交换机（图 1）

• 进入热交换机的辐射热传导是总热输入的关键因素

它潜在地改变了建筑能耗方式

Siemens Digital Industries Software 和 ThermoLift 将继续合作，进一步扩展公司的仿真驱动型设计流程。凭借持续的技术输出和 Simcenter 工程服务的赋能支持，ThermoLift 仿真团队现已发展成为经验丰富的 STAR-CCM+ 用户，日常会进行组件仿真和开发工作。西门子通过以下方式支持并制定了有利于 ThermoLift 持续增长和流程改进的路线图：

• 将更多组件集成到仿真中。它的目的在于对整个机器执行 3D 建模

• 集成自动化设计优化。他们不再仅限于评估选定的设计，还能够让仿真驱动设计流程

• 为大型仿真提供分析服务和高性能计算资源，在降低成本的同时仍能保持思维的大格局

ThermoLift 技术可潜在降低建筑物供暖和制冷的成本和能耗，同时减少温室气体排放。这可能会改变未来建筑的耗能方式，为人类营造出绿意盎然的世界。