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《基于Flownex的数字孪生体解决方案》是我们最近完成的系列落地方案之一。该方案适用于热力系统、冷却系统、通风空调、油气管网、航空发动机与燃机等应用场景的数字孪生体搭建。本文介绍该解决方案在空调系统数字孪生体中的应用实例，分为上下两篇，上篇着重介绍空调系统的数化方法和过程，下篇将着重介绍数字对象和物理对象之间的实时动态互动技术。
背景与挑战
中央空调系统是办公楼里的耗电大户，使用数字孪生技术对中央空调系统进行研究，对于节能环保有着非常好的经济效益和社会效益。
安世亚太总部是一幢五层的独栋建筑，楼内安装有多联机中央空调系统，室外机统一布置在大楼顶层，每台室外机通过配管连接并拖动某层楼中一半的室内机。室外侧采用风冷换热的形式，室内侧采用制冷剂蒸发换热的形式。
图：安世亚太总部大楼
图：多联机空调系统示意图
图：室外机组
图：室内机组
空调系统数字孪生体的架构
空调系统数字孪生体的架构及关键技术如下图所示。
图：空调系统数字孪生体的架构
在空调系统数字孪生体的建立中，需要使用CAE仿真分别建立三个物理系统的孪生体，分别是物理制冷循环系统孪生体、物理通风管路系统孪生体和物理室内通风系统孪生体。这三个物理系统孪生体之间的构成和关系如下图所示。
图：空调系统中三个物理子系统的孪生体数化过程
空调系统数字孪生体的搭建过程
针对物理制冷系统和通风管路系统，使用Flownex进行数字孪生体的搭建工作。
Flownex具有两相流动计算功能，能够计算制冷循环中制冷剂的相变和换热过程。Flownex提供了各种压缩机元件，用于模拟制冷循环的压缩机和通风系统中的各种风机。Flownex标准元件库中包含调压阀、止回阀、球阀、蝶阀等，能够很好的模拟制冷循环中的节流阀和通风系统中的各开关和阀门。Flownex包含热交换器元件库，如管壳式换热器、翅片式换热器等，用于模拟冷凝器和蒸发器的换热过程。Flownex提供了基本管件、弯管、T型管、三通等基本元件，用于快速搭建管路系统，计算流动和换热过程。
图：制冷循环热力点研究
图：某个楼层的制冷系统和通风管路系统搭建
针对物理室内通风系统，使用ANSYS Fluent进行数字孪生体的搭建工作。
基于某个楼层的平面布置图，建立真实的办公室空间几何模型，进行三维的流动和传热过程计算，获得该楼层内的流场和温度场分布结果。
图：某个楼层的空间几何模型
图：某个楼层的空间温度分布图
由于三维的模型无法满足数字孪生体实时仿真的要求，需要使用降阶技术将三维模型转换为降阶模型，以实现实时仿真的需求。
通过降阶技术，可以将三维模型中关键变量的输入输出参数之间的关系描述出来，以实现快速计算和各子系统之间快速耦合数据。
图：将ANSYS Fluent三维模型进行降阶
空调系统数字孪生体的价值
空调系统数字孪生体搭建完成后，可以获知整个空调系统内部各种物理量的分布情况，实时监测整体系统的运行状况，还能够借助历史记录、物联网、大数据分析等手段实现智能控制与预测性维护等功能，帮助我们深入了解整个空调系统的运行细节，预测各种极端条件下的故障可能性以及寻找合理运行参数提供数据支撑，从而实现空调系统的节能化运行。
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