Die Anweisungen in diesem Abschnitt gelten für alle drei Hauptkategorien von AEC-Modellen: mechanisch, natürlich und externe Belüftung. Strömungsrandbedingungen gelten jedoch für den speziellen Anwendungstyp und werden in den entsprechenden Anwendungsthemen beschrieben.
Überblick
Wenden Sie thermische Randbedingungen an, wenn ein Ziel der Analyse darin besteht, die Temperaturverteilung im gesamten modellierten Raum und/oder bei Komponenten oder Personen zu verstehen. Es gibt mehrere mögliche Ziele in AEC, die sich auf die Wärmeübertragung beziehen. Hier sind einige typische Beispiele:
- Wärmeerzeugung und/oder -abführung
- Thermische Stratifikation
- Durch natürliche Konvektion bedingte Strömungen
- Lufttemperaturen an Einlässen und anderen Öffnungen
- Temperaturabhängiger Wärmetausch (Wärmeübergangskoeffizienten, Strahlung)
- Angegebener Wärmetausch (Sonnenbelastungen, Heizungssysteme)
Grundlegender Ansatz
Der erste Schritt für die Verwendung von thermischen Randbedingungen besteht darin, die bekannten Bedingungen innerhalb des Modells zu verstehen und wiederzugeben:
- Weisen Sie jeder Einlassfläche eine bekannte Temperatur zu.
- Weisen Sie jedem Teil, das Wärme abgibt, eine Randbedingung für die Wärmeerzeugung zu. Beispiele für diese Teile sind Heizgeräte, elektronische Geräte, Beleuchtung, Industriemaschinen und Menschen.
- Weisen Sie den Außenflächen von Modellen, die nur ein internes Luftvolumen enthalten, Randbedingungen wie Wärmeübergangskoeffizienten, Strahlung und Temperaturen zu. Diese Bedingungen ermöglichen es, dass Energie durch äußere Elemente wie Wände und Fenster in den Raum hinein- und aus ihm herausgelangt.
Weitere allgemeine Informationen über diese Randbedingungen finden Sie im Thema "Randbedingungen".
Flächenbezogene thermische Randbedingungen
Weisen Sie bei Modellen, die nur eine interne Bedingung enthalten (und externe Umgebungsbedingungen auslassen), externen Flächen Randbedingungen wie Wärmeübergangskoeffizienten, Strahlung und Temperaturen zu. Diese Bedingungen ermöglichen es, dass Energie durch äußere Elemente wie Wände und Fenster in den Raum hinein- und aus ihm herausgelangt.
Zu den normalerweise angewendeten flächenbezogenen Bedingungen für die Wärmeübertragung gehören Temperatur, Wärmeübergangskoeffizient, Strahlung und Wärmestrom.
Wenden Sie Flächenrandbedingungen nur auf äußere Oberflächen oder Flächen an, die an unterdrückte Teile angrenzen (solche Teile berühren auf einer Seite ein vernetztes Volumen, auf der anderen Seite nichts).
Wenn beispielsweise die Wände, das Dach und die Fenster eines Gebäudes mit einem Netz versehen werden, weisen Sie thermische Flächenrandbedingungen um die äußeren Oberflächen zu:
Wenn jedoch die Wände, das Dach und die Fenster unterdrückt (nicht vernetzt) sind, weisen Sie thermische Flächenrandbedingungen den Flächen der unterdrückten Wände dort zu, wo sie das interne Luftvolumen berühren:
Volumenbasierte thermische Randbedingungen
Volumenbasierte Wärmerandbedingungen führen Wärme in das Modell ein, entweder pro Volumeneinheit oder insgesamt.
Verwenden Sie Randbedingungen für die Wärmeerzeugung zur Modellierung von Wärme, die von Komponenten abgegeben wird, welche Wärme erzeugen. Beispiele:
- Personen oder Versammlungen
- Ein typischer Wert ist 100 W pro Person.
- Server
- Ein typischer Wertebereich ist 10-15 kW pro 41U-Rack.
- Höhere Lasten werden zukünftig erwartet.
- Geräte, Maschinen und Beleuchtung:
- Weisen Sie die Leistung zu, die als Wärme abgegeben wird, nicht die verbrauchte Gesamtleistung.
- Eine LED-Beleuchtungsgruppe mit einer Effizienz von 25 % gibt z. B. 75 % der bereitgestellten Leistung als Wärme ab.
- Küchengeräte
- Heizgeräte
- Kühlanlagen
- Verwenden Sie einen negativen Wert für die Wärmeerzeugung, um Wärme vom Modell abzuleiten.
Achten Sie darauf, dass Sie Volumen als Auswahlmodus festlegen (klicken Sie mit der rechten Maustaste, und wählen Sie die Option Volumen als Auswahltyp).
Weitere Informationen über Volumenwärmebelastungen...
Häufig verwendete flächenbezogene Randbedingungen in AEC
Wärmeübergangskoeffizient
Zur Simulation der Wärmeübertragung an die Umgebung, ohne die Umgebung tatsächlich zu modellieren, wenden Sie eine Wärmeübergangskoeffizient-Randbedingung auf die externen Flächen an. Der Wert hängt von der Luft ab, die das physische Gerät umgibt:
- Wenn die Luft steht, verwenden Sie den Wert 5 W/m² K.
- Wenn die Luft in Bewegung ist, verwenden Sie den Wert 20 W/m² K.
- Verwenden Sie Referenztemperatur = Umgebungstemperatur.
Die übertragene Wärmemenge hängt ab von der Größe des Wärmeübergangskoeffizienten und dem Temperaturunterschied zwischen der angegebenen Referenztemperatur und der resultierenden Temperatur der Fläche.
Um sowohl die Leitung durch das Volumen als auch die Konvektion von der Oberfläche einzuberechnen, weisen Sie den Innenflächen von unterdrückten Wänden, Fenstern oder Dächern eine Wärmeübergangskoeffizient-Randbedingung zu. Weisen Sie einen Wert zu, der die Umkehrung des R-Werts für Wände oder des U-Faktors für Fenster ist:
- Um eine Wand mit einem effektiven R-Gesamtwert von R19 zu simulieren, wenden Sie einen Wärmeübergangskoeffizienten von 0.05 BTU/ft²/h/R an.
- Um ein Fenster mit einem U-Faktor von 0.30 zu simulieren, weisen Sie einen Wärmeübergangskoeffizienten von 0.30 BTU/ft²/h/R zu.
Beachten Sie Folgendes: Da Wärmeübergangskoeffizienten auf dem Temperaturunterschied basieren, fällt der absolute Abstand zwischen Fahrenheit und Rankine aus der Gleichung heraus, und die Einheiten BTU/ft²/h/R und BTU/ft²/h/F können gegeneinander ausgetauscht werden.
Weitere Informationen über die Wärmeübergangskoeffizient-Randbedingung...
Temperatur
Verwenden Sie Temperaturen, um einer oder mehreren Flächen eine bekannte, einheitliche Temperatur zuzuweisen. Typische Anwendungsbeispiele sind:
- Temperaturen an Öffnungen
- Bekannte (und feste) Außenwandtemperaturen
- Unterdrückte Teile, die mit einer bekannten Temperatur betrieben werden, wie Flächenstrahlheizungen, Lichtquellen, Rohrleitungen oder Maschinen.
Wärmestrahlung
Verwenden Sie eine Wärmestrahlung-Randbedingung, um den Wärmetausch mit einem beliebigen schwarzen Körper außerhalb des Modells zu modellieren. Wärmestrahlungsbedingungen verhalten sich wie Wärmeübergangskoeffizienten und führen dem Modell Wärme zu oder leiten Wärme aus dem Modell ab (basierend auf den Temperaturunterschied). Beachten Sie, dass der Solver für die Wärmestrahlung nicht aufgerufen werden muss, um eine Wärmestrahlung-Randbedingung zu verwenden.
Eine typische Verwendung der Wärmestrahlung-Randbedingung für Architekturanwendungen ist die Simulation des Wärmeverlusts an den Nachthimmel. Die Temperatur eines klaren Nachthimmels ohne Wolken kann auf bis zu -40 °F sinken, mit einem zugehörigen Emissionsvermögen von 0.3.
Wärmestrom
Verwenden Sie eine Wärmestrom-Randbedingung, um eine Aufnahme oder Abweisung von Wärme durch externe Flächen zu modellieren.
Eine typische Verwendung von Wärmestrom-Randbedingungen für Architekturanwendungen ist die Modellierung von Sonnenbelastungen (als Alternative zur Solarwärmeberechnung). Zum Simulieren der Sonnenbelastung durch direkte Einstrahlung von oben (ca. 910 W/m²K) weisen Sie einen Wärmestromwert von 150 bis 300 W/m² K zu. In diesen Bereich sind Materialbelag, Reflexion und atmosphärische Hindernisse einberechnet.